KR100289088B1

KR100289088B1 - 플라즈마발생기의 전극팁용 합금소재의 제조방법

Info

Publication number: KR100289088B1
Application number: KR1019980052653A
Authority: KR
Inventors: 김용현
Original assignee: 박인복; 주식회사기산제트프라즈마
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2001-05-02
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: KR19990024087A

Abstract

본 발명은 플라즈마발생기의 전극팁용 합금소재의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 플라즈마발생기의 전극팁용 합금소재는 텅스텐 42∼54 중량%, 몰리브덴 21∼29.5 중량%, 탄탈 15∼20 중량%, 니켈 0.1∼1.2 중량%, 코발트 0.1∼1.2 중량%, 붕소 0.1∼0.3 중량%, 마그네슘스티어레이트 0.5∼2 중량% 및 은 5∼10 중량%를 각각 함량비로 하여 이루어진 것으로, 그 제조방법은 텅스텐과 몰리브덴 및 탄탈 분말을 소정의 배합비로 배합하고 이와 함께 니켈과 코발트와 붕소 및 마그네슘스티어레이트를 소량 첨가한 후 소정시간동안 혼합하여 상기 주성분 분말에 상기 붕소와 마그네슘스티어레이트를 도포하는 배합공정과, 그 복합분말을 소정압력으로 가압하는 압축성형공정과, 그 성형체를 환원성 상태에서 소정온도 및 시간동안 소결한 후 서냉시켜 상기 주성분 분말 표면의 결합력과 내산화력 및 내용착성을 향상시켜주기 위한 예비소결공정과, 그 소결체를 소정온도 및 시간동안 가열한 후 상기 주성분 분말의 기공 내로 상기 은을 용침시키는 용침공정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 의하면 전극팁의 내아크성, 내소모성, 내산화성 및 내용착성 등이 향상됨으로써 과부하를 충분히 흡수할 수 있을 뿐만 아니라, 고온 조건하의 방전 대응시간 및 전기적 개폐회수의 성능향상 효과를 갖는 것이다.

Description

플라즈마발생기의 ㄹ 합금소재 및 그 제조방법

본 발명은 플라즈마발생기의 전극팁용 합금소재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, 폐기물 소각용 용융로 등에 장착되어 고온의 플라즈마를 발생시켜주는 플라즈마발생기에 있어서, 전원 인가시 고열부하를 반복집중적으로 받게 되는 전극팁에 내아크성, 내소모성, 내산화성 및 내용착성 등의 성질을 부여함으로써 장시간의 고온 조건하에서도 그 성능을 유지하여 제품수명이 연장되고, 통전불량을 방지할 수 있게 한 플라즈마발생기의 전극팁용 합금소재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 원자는 수백만 내지 수천만도의 고온에서 원자핵과 전자로 분리된 상태로 격렬한 운동을 하게 되고, 전기적으로는 (+)전기를 띤 이온과 (-)전기를 띤 전자가 섞인 상태를 이루면서 중성의 가스상태로 되는데, 이것을 플라즈마(Plasma)라고 한다. 상기 플라즈마를 대전압이 걸린 (+) 및 (-)전극 간에 방전시켜 에너지를 발생시킴과 아울러, 이와 동시에 자장(磁場)을 작용시켜 이를 가속화한 후, 통상의 플라즈마발생기에 해당하는 토오치의 작은 구멍으로 고속 분출시킴으로써 고온(고밀도의 열)의 화염, 즉, 플라즈마 아크(Arc)를 얻을 수 있으며, 이것을 이용하여 절단, 용융, 용접 및 용사(熔射) 등의 작업을 하게 된다.

상기 플라즈마 아크는 용접 상태가 안정적이고, 용접 입열(入熱)의 집중성이 좋다는 특징을 갖는다.

최근에는 이러한 플라즈마 토오치를 이용한 용융로가 다각적으로 개발되어 심각한 사회문제로 대두되고 있는 각종 산업폐기물 및 생활쓰레기 등을 소각 처리하는데에도 사용되고 있으며, 그 활용범위가 점차 다양하게 확산되고 있다.

이러한 플라즈마발생기의 내부에는 플라즈마를 발생시키는데 없어서는 안될 방전용 전극팁이 내장되어 있으며, 이 전극팁에 전원을 인가하는 과정에서 매우 높은 열이 발생한다. 따라서, 상기 전극팁을 제조하는데 있어서는 소정온도의 고열에서 일정시간 이상을 견딜 수 있어야 할 뿐만 아니라, 내산화성 및 내용착성 등이 발휘되는 금속소재를 사용할 필요가 있다.

현재 사용되고 있는 방전극 또는 아크접점 등과 같은 전극팁은 동(Cu)과 텅스텐(W)의 소결합금재로서, 주로 짧은 시간의 아크나 소규모의 방전에 사용되고 있고, 특히 오일 또는 가스 분위기가 유지되는 전력기기에 제한적으로 사용되고 있다.

다음에 제시한 표1 및 표2는 종래의 전극팁을 구성하는 합금소재의 화학성분 및 함량비와, 그 물리적 특성을 나타낸 분석표이다.

(표1) 종래 전극팁용 합금소재의 화학성분 및 함량비

화학성분(비중(g/cm²))	Cu(8.01)	W(19.3)	기타
함 량 비 ( 중량% )	30	69.4	0.6

(표2) 종래 전극팁용 합금소재의 물리적 특성

구 분	비중(g/cm²)	경도(HRB)	전도도(IACS %)
물리적 특성치	14.2	92	53

여기서, 상기 분석표에서와 같은 수치를 기준으로 하고, 접촉조건은 스위치 작동에 의한 대전방전 방식이며, 작동조건 및 개폐시간(단위;초)은 개(0)-폐(10)-차단(1)-폐(10)-차단(1)-폐(10)-개(0)의 순서에 따라 소정시간씩 진행되고, 전류 및 전압조건을 각각 800A, 660V으로 한 상태에서 시험하였다. 그 결과, 종래의 전극팁 합금소재에 대한 전기적 개폐회수는 1580회, 방전 대응시간은 220시간으로 나타났다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 종래의 전극팁 합금소재는 전기적 개폐회수 및 방전 대응시간의 결과가 낮은 수치를 유지하고 있는 바, 그 사용수명이 너무 짧아 부품의 잦은 교체 및 관리 상의 어려움이 있었다.

또한, 상기의 설명에서 언급한 바와 같이, 종래의 전극팁 합금소재는 주로 짧은 시간의 아크나 소규모의 방전에 사용되고, 특히 오일 또는 가스 분위기가 유지되는 전력기기에만 국한되어 사용할 수 있다는 사용상의 제약성이 있으며, 만일 대기중에서 사용하는 경우에는 고온 산화가 급속히 진행되어 통전불량을 유발하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 전원 인가시 고열부하를 반복집중적으로 받게 되는 전극팁에 내아크성, 내소모성, 내산화성 및 내용착성 등의 성질을 부여함으로써 장시간의 고온 조건하에서도 그 성능을 유지하여 제품수명이 연장되고, 통전불량을 방지할 수 있게 한 플라즈마발생기의 전극팁용 합금소재의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마발생기의 전극팁용 합금소재의 제조방법은 입경 4~6μｍ의 텅스텐 분말 46 중량%와 입경 5~7μｍ의 몰리브덴 분말 26.5 중량% 및 입경 5~7μｍ의 탄탈 분말 18 중량 %를 배합하고, 이와 함께 지켈 0.5 중량%와 코발트 0.5 중량%와 붕소 0.25 중량%와 마그네슘스티어레이트(MG(C₁₈H₃₅O₂)) 1.25 중량%를 첨가한 후 Y형배합기 내에서 약 36시간 동안 혼합하여 상기 텅스텐과 몰리브덴 및 탄탈 분말에 상기 붕소와 마그네슘스티어레이트를 도포하는 배합공정; 상기 배합공정에서 얻어진 복합분말을 유압프레스 내에 투입하고 약 3ton/cm²의 압력으로 가압하는 ㅏㅂ축성형공정; 상기 압축성형공정에서 얻어진 성형체를 환원성 상태에서 약 1900℃로 약 2시간 동안 소결한 후 서냉시켜 상기 텅스텐과 몰리브덴 및 탄탈 분말 표면에 도포된 초미분의 상기 마그네슘스티어레이트의 결합력을 향상시킴과 아울러, 상기 붕소 잔류물에 의해 다골질피막을 형성하여 내산화력 및 내용착성을 향사시켜주기 위한 예비소결 공정; 및 상기 예비소결공정에서 얻어진 소결체를 약 1100℃에서 약 1시간 동안 가열한 후 상기 텅스텐과 몰리브덴 및 탄탈 분말의 기공 내로은 7 중량%를 용침(Infiltration)시키는 용침공정; 을 포함하여 이루어지믈 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 플라즈마발생기의 전극팁용 합금소재의 제조방법을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 플라즈마발생기의 전극팁용 합금소재의 제조방법은 텅스텐(W)과 몰리브덴(Mo) 및 탄탈(Ta) 분말을 소정의 배합비로 배합하고 이와 함께 니켈(Ni)과 코발트(Co)와 붕소(B) 및 마그네슘스티어레이트(Mg Stearate)를 소량 첨가한 후 소정시간동안 혼합하여 상기 주성분 분말에 상기 붕소와 마그네슘스티어레이트를 도포하는 배합공정과, 그 복합분말을 소정압력으로 가압하는 압축성형공정과, 그 성형체를 환원성 상태에서 소정온도 및 시간동안 소결한 후 서냉시켜 상기 주성분 분말 표면의 결합력과 내산화력 및 내용착성을 향상시켜주기 위한 예비소결공정과, 그 소결체를 소정온도 및 시간동안 가열한 후 상기 주성분 분말의 기공 내로 상기 은(Ag)을 용침시키는 용침공정을 포함하여 이루어지는 것으로, 각각의 공정을 순차적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 배합공정은 소정 입경의 텅스텐 분말 46 중량%와 몰리브덴 분말 26.5 중량%와 코발트 0.5 중량%와 붕소 0.25 중량%와 마그네슘스티어레이트(Mg(C₁₈H₃₅O₂)) 1.25 중량%를 첨가한 후 Y형배합기 내에서 소정시간동안 혼합하여 상기 텅스텐과 몰리브덴 및 탄탈 분말에 상기 붕소와 마그네슘스티어레이트를 도포하는 것이다.

이때, 상기 배합공정에서 배합되는 분말의 입경은 상기 텅스텐이 4∼6μｍ, 상기 몰리브덴 및 탄탈이 각각 5∼7μｍ 정도로 하고, 그 배합시간은 약 36시간으로 하는 것이 적당하다.

상기 배합공정이 완료된 후, 그 다음으로 진행되는 상기 압축성형공정은 상기 배합공정에서 얻어진 복합분말을 유압프레스 내에 투입하고 소정압력으로 가압하는 것이며, 그 압력은 약 3ton/cm²정도를 유지하는 것이 적당하다.

그 다음으로 진행되는 상기 예비소결공정은 상기 압축성형공정에서 얻어진 성형체를 환원성 상태에서 소정온도 및 소정시간동안 소결한 후, 서서히 냉각시켜 상기 텅스텐과 몰리브덴 및 탄탈 분말 표면에 도포된 초미분의 상기 마그네슘스티어레이트의 결합력을 향상시킴과 아울러, 상기 붕소 잔류물에 의해 다공질피막을 형성하여 내산화력 및 내용착성을 향상시켜주기 위한 것이다.

이때, 상기 예비소결공정에서의 소결온도 및 소결시간은 각각 약 1900℃ 및 2시간으로 하는 것이 적당하다.

이와 같이 상기 예비소결공정이 완료된 후, 그 마지막 공정에 해당하는 상기 용침공정(Infiltration Process)은 상기 예비소결공정에서 얻어진 소결체를 소정온도 및 소정시간동안 가열한 후 상기 텅스텐과 몰리브덴 및 탄탈 분말의 기공 내로 상기 은을 용침시키는 것으로, 이로써 모든 공정이 완료된다.

이때, 상기 용침공정에서의 가열온도 및 가열시간은 각각 약 1100℃ 및 1시간으로 하는 것이 적당하며, 상기와 같이 은을 용침시키는 이유는 은이 가지고 있는 성질중의 하나인 고전도성(1.59°Micro Ohm - Cu)을 유지하기 위함이다.

참고로, 상기 배합공정에 투입되는 각 금속재의 특성을 설명하면, 상기 텅스텐은 3410℃ 정도의 고융점 금속으로 아크열에 잘 견딜 수 있는 특성이 있고, 상기 몰리브덴은 내용착성이 우수하여 고온에서도 쉽게 용착되지 않으므로 분리성이 강하다는 특성이 있으며, 상기 탄탈은 내산화성을 향상시킬 수 있는 특성을 갖는다.

또한, 배합성분 중에서 소량의 니켈과 코발트를 첨가시키는 것은 상기 주성분 분말간의 결합력 향상을 도모함과 아울러, 상기 은의 용침결합에 있어서 교량적 역할을 원활히 수행할 수 있도록 하기 위함이다.

한편, 상기 붕소와 마그네슘스티어레이트를 첨가시키는 것은 상기 마그네슘스티어레이트의 성형성, 즉, 상기 은의 침투가 용이하도록 다공질피막을 형성하기 위한 기포형성을 원활히 진행하기 위한 것이며, 초미분의 상기 붕소와 마그네슘 분말을 주성분 분말들의 표면에 고르게 도포하여 물리적 강도를 향상시킴과 아울러, 내산화성 및 내용착성의 향상을 도모하기 위한 것이다.

다음은, 본 발명과 종래 기술에 따른 합금소재에 대한 물리적, 전기적 개폐시험 결과를 비교한 것으로, 그 시험조건은 종래 기술의 설명에서 언급한 바와 동일하게 부여하였다.

아래에 제시한 표3 및 표4는 본 발명의 전극팁을 구성하는 합금소재의 화학성분 및 함량비와, 그 물리적 특성을 나타낸 분석표이다.

(표3) 본 발명의 전극팁용 합금소재의 화학성분 및 함량비

화 학 성 분(비중(g/cm²))	Ag(10.49)	W(19.33)	Mo(10.2)	Ta(16.6)	Ni(8.9)	Co(8.9)	B(10.82)	MgST(1.74)
함량비(중량%)	7	46	26.5	18	0.5	0.5	0.25	1.25

단, 붕소(B) 및 마그네슘스티어레이트(MgST)는 소결시 기화됨.

(표4) 본 발명의 전극팁용 합금소재의 물리적 특성

구 분	비중(g/cm²)	경도(HRB)	전도도(IACS %)
물리적 특성치	15.5	90	45

여기서, 상기 분석표에서와 같은 수치는 바람직한 실시예로서 이를 기준으로 하고, 접촉조건은 스위치 작동에 의한 대전방전 방식이며, 작동조건 및 개폐시간(단위;초)은 개(0)-폐(10)-차단(1)-폐(10)-차단(1)-폐(10)-개(0)의 순서에 따라 소정시간씩 진행되고, 전류 및 전압조건을 각각 800A, 660V으로 한 상태에서 시험하였다. 그 결과, 본 발명의 전극팁 합금소재에 대한 전기적 개폐회수는 5320회, 방전 대응시간은 890시간으로 나타났으며, 상기의 시험결과를 표5에 나타내었다.

(표5) 본 발명과 종래 기술에 따른 전극팁용 합금소재의 시험결과표

구 분	본 발명의 합금소재	종래의 합금소재
전 기 적 개 폐 회 수	5,320 회	1,580 회
방 전 대 응 시 간	890 시간	220 시간

상기 표5에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 합금소재는 종래의 것에 비해 전기적 개폐회수가 2.37배, 방전 대응시간이 3.05배 정도 더 향상된 것으로 판명되었다.

따라서, 본 발명에 따른 전극팁용 합금소재는 종전의 내아크성 및 내마모성은 그대로 유지할 수 있으면서도, 내산화성 및 내용착성을 향상시킬 수 있게 되어 장시간동안 안전하고 균일한 성능으로 사용할 수 있는 것이다.

이상에서 기술한 바와 같은 본 발명에 따른 플라즈마발생기의 전극팁용 합금소재 및 그 제조방법에 의하면, 전원 인가시 고열부하를 반복집중적으로 받게 되는 전극팁의 내아크성, 내소모성, 내산화성 및 내용착성 등이 향상됨으로써 약 1∼16MW의 과부하를 충분히 흡수할 수 있으며, 약 3000℃ 정도의 고온 조건하의 물리적 내열시험에서도 방전 대응시간이 1450시간 이상 유지될 수 있을 뿐만 아니라, 전기적 개폐회수도 3000회 이상을 유지할 수 있게 되어 탁월한 성능향상을 기대할 수 있으며, 이에 따라 제품수명이 연장되고, 통전불량을 방지할 수 있는 효과가 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 하나의 바람직한 구체예에 대해서만 기술하였으나, 상기의 구체예를 바탕으로 한 본 발명의 기술사상 범위 내에서의 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 또한, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

입경 4~6μｍ의 텅스텐 분말 46 중량%와 입경 5~7μｍ의 몰리브덴 분말 26.5 및 입경 5~7μｍ의 탄탈 분말 18 중량%를 배합하고, 이와 함께 니켈 0.5 중량%와 코발트 0.5 중량%와 붕소 0.25 중량%와 마그네슘스티어레이트(Mg(C₁₈H₃₅O₂)) 1.25 중량%를 첨가한 후 Y형배합기 내에서 약 36 시간 동안 혼합하여 상기 텅스텐과 몰리브덴 및 탄탈 분말에 상기 붕소와 마그네슘스티어레이트를 도포하는 배합공정;

상기 배합공정에서 얻어진 복합분말을 유압프레스 내에 투입하고 약 3ton/cm²의 압력으로 가압하는 압축성형공정;

상기 압축성형공정에서 얻어진 성형체를 환원성 상태에서 약 1900℃로 약 2시간 동안 소결한 후 서냉시켜 상기 텅스텐과 몰리브덴 및 탄탈 분말 표면에 도포된 초미분의 상기 마그네슘스티어레이트의 결합력을 향상시킴과 아울러, 상기 붕소 잔류물에 의해 다공질피막을 형성하여 내산화력 및 내용착성을 향상시켜주기 위한 예비소결공정; 및

상기 예비소결공정에서 얻어진 소결체를 약 1100℃에서 약 1시간 동안 가열한 후 상기 텅스텐과 몰리브덴 및 탄탈 분말의 기공 내로 상기 은 7 중량%를 용침(Infiltration)시키는 용침공정;

을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 플라즈마발생기의 전극팁용 합금소재의 제조방법.