KR20020081695A - 전극 제조방법 및 전극 - Google Patents

Abstract

금속의 전기분해에 이용되는 전극의 제조방법으로, 이 방법에서 전극 판요소 (2) 는 전기 전도체로서도 작용하는 서스펜션 바 (1) 에 부착된다. 판요소 (2) 는 확산 조인트를 통해 서스펜션 바 (1) 에 부착된다. 본 발명은 또한 전극에도 관련된다.

Description

전극 제조방법 및 전극{METHOD FOR MANUFACTURING AN ELECTRODE AND AN ELECTRODE}

금속의 전기분해에서, 모판의 상부에서 최초로 단독으로 성장되는 시드판 (seed plate)을 사용하는 방법은 오래 전부터 알려져 왔다. 이러한 시드판을 예컨대 구리와 같이 전기분해로 석출되는 금속과 동일한 금속으로 구성되는 전극으로, 특히 캐소드로 사용하는 것은, 점차적으로 고려되지 않고 있으며, 특히 신규 투자시 그러하다. 많은 신규 전기분해 설비는, 일반적으로 내산강(acid-proof steel) 또는 티타늄으로 만들어지는 판상요소의 영구 캐소드를 채택하고 있다.

영구 캐소드는 수많은 다른 방법으로 제조되는데, 주요한 차이는 캐소드 서스펜션 바의 구조와 상기 서스펜션 바에 판 요소를 체결하는 것에 있다. 서스펜션 바도 전기 전도체로서 작용하기 때문에, 전력손실이 최소화되도록 제조되어져야 한다.

종래기술로, 캐소드 서스펜션바의 제조에 구리와 다른 금속의 결합을 실현하는 몇가지 다른 공지의 방법들이 있다. 서스펜션 바 구조와 이 바에 판요소(plate element)를 결합함에 있어서 문제가 되는 사항은, 통상 판 요소로 사용되는 내산강은 전기 전도도가 떨어져, 단독의 재료로 된 서스펜션 바로는 불가능하기 때문에, 판 요소에 고 전력을 전도시키기 위해서는 서스펜션 바는 구리와 같은 고전도재를 충분한 양으로 포함해야 한다는 것이다. 상업 시장에서는, 특수합금으로 된 선 전극(wire electrode)을 사용하여 내산강으로 만들어진 판 요소가 완전 구리 서스펜션 바에 용접되는 구조물이 알려져 있다. 이 장치의 문제점의 하나는, 필수적인 특수강 용접부가 캐소드의 다른 부분에 비해 내식성이 동등하지 않다는 것이다. 다른 문제점은 상기 서스펜션 바가 연하기 때문에, 특히 큰 캐소드 중량을 사용할 때, 상기 구리 바는 변형되기 쉽다는 것이다. 종래기술의 또 다른 문제점은, 최신 재료공정에서 영구 캐소드에 필수적인 세퍼레이트 서스펜션 러그를 충분히 안정적으로 서스펜션 바의 위에 부착하기가 어렵다는 것이다.

본 발명의 목적은 종래 장치의 문제점을 피할 수 있는 전극, 특히 캐소드의 제조방법을 실현하는 것이다. 본 발명의 목적은 양호한 전기 접촉이 이루어지고, 또한 캐소드 판과 이 판 상에 전기분해된 재료에 의해 야기되는 하중을 전달하기에 충분히 강하도록, 전도체 레일로서 작용하는 구리 바와 정련된 강으로 만들어지는 캐소드 판 요소를 서로 결합하는 방법을 실현하는 것이다. 본 발명의 목적은 연장되고, 부식성의 환경에 유지되더라도 양호한 전기전도 용량을 가지는 결합을 달성하는 것이다.

본 발명은 전극 제조를 위한 청구항 1의 전제부에 따른 방법에 관한 것이고, 또한, 청구항 10에 따른 전극에 관한 것이다.

도 1은 가열단계 전에 본 발명에 따른 결합구조를 도시한다.

도 2는 가열단계 전에 본 발명에 따른 또 다른 결합구조를 도시한다.

도 3은 가열단계 전에 본 발명에 따른 제3의 결합구조를 도시한다.

도 4는 본 발명에 따른 전극으르 도시한다.

도 5는 도 1의 V-V선을 따른 단면도를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 전극을 상세하게 설명한다.

본 발명은 첨부된 청구항에 구체화된 것을 특징으로 한다.

상기 발명에 따른 방법은 몇가지 현저한 이점을 가진다. 상기 방법에 의해 전도 레일로부터 캐소드 판으로 고른 전력의 분배가 보장된다. 캐소드 판의 제조시에 용접이 실시되는 작업단계는 더 이상 필요하지 않는다. 결합방법은 용접방법에 비해 용이하게 자동화된다. 강의 표면에 니켈 층을 가함으로써, 강을 취화시키는 원인이 되는, 오스테나이트 스테인레스 강으로부터 구리로 니켈이 빠져나가는 것을 막을 수 있다. 구리 표면과 니켈 도금된 강판의 접합 표면 상에 솔더링 작용제(soldering agent) 층을 가함으로써 조인트의 생성은 활성화된다. 활성제(activator)를 통해, 결합온도를 낮출 수 있게 되고, 결과적으로 결합 지역에 생성되는 열 응력이 낮아진다. 사용된 서스펜션 바가 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로파일 바라면, 충분히 견고하면서도 경제적이고 저항력이 있는 구성이 달성된다.

여기서, 구리라는 용어는 구리로 만들어진 목적물 뿐아니라, 구리 50% 이상을 본질적으로 포함하는 구리함량의 합금재에도 적용된다. 여기서 스테인레스강이라는 용어는 스테인레스 내산강 등의 주로 오스테나이트 합금강에 적용된다.

첨부된 도면을 참조로 보다 상세하게 본 발명을 설명한다.

본 발명은 금속의 전기분해에 사용되는 전극의 제조방법에 관한 것으로, 이 방법에서 전극 판요소 (2) 는 전기 전도체로서 작용하기도 하는 서스펜션 바 (1) 에 부착된다. 본 발명에 따르면, 판요소 (2) 는 확산 조인트(diffusion joint)를 통해 서스펜션 바 (1) 에 부착된다. 전형적으로 판요소 (2) 의 상부는 필수 길이 이상으로 서스펜션 바에 부착된다. 도 1, 2, 및 3은 가열단계 전에 조인트를 생성하는 서로 다른 실시예들을 간략히 도시한 것이다. 조인트를 형성하기 전에, 판요소 (2) 와 서스펜션 바 (1) 의 접합 표면 사이에, 하나 이상의 중간층 (3,4,5)이 제공된다. 함께 결합되는 판요소 (2) 와 서스펜션 바 (1) 의 접합 표면 사이에, 판요소 (2) 의 접합 표면 상에 또는 이 표면을 마주하여 제1 중간층 (3) 이 제공되며, 서스펜션 바 (1) 의 접합 표면 상에 또는 이 표면을 마주하여 적어도 제2 중간층 (4) 이 제공되고, 이들 중간층을 포함하는 접합 표면은 함께 가압되며, 그리고 이 방법에서, 적어도 접합면은 가열된다. 사용된 서스펜션 바 (1) 는 전형적으로 구리 바 또는 본질적으로 주로 구리로 이루어진 구리합금 바이다. 사용된 전극 판요소 (2) 는 정련된 강으로 이루어지며, 오스테나이트 Cr/Ni 강이 바람직하다. 제1 중간층 (3) 은 주로 니켈(Ni) 또는 크롬(Cr), 또는 이들의 합금 내지는 혼합물을 포함한다. 제2 중간층 (4) 은, 서로 결합되어지는 목적물의 용융온도보다 낮은 용융온도의 활성제 (activator)로 이루어진다. 제2 중간층 (4) 은 주로 은(Ag) 및/또는 주석(Sn)으로 이루어지거나, 또는 은과 구리(Ag+Cu), 알루미늄과 구리(Al+Cu) 또는 주석과 구리(Sn+Cu)의 합금 또는 혼합물로서 포함된다.

도 1은 본 발명에 따른 결합 방법의 실시예의 열처리전 단면을 도시한다. 본질적으로 구리로 구성되는 서스펜션 바 (1) 와, 스테인레스강으로 구성되는 판요소 (2) 는 서로 결합된다. 두 목적물 간의 결합에 중간층이 배치된다. 강을 향해 배치된 중간층 (3) 은 주로 니켈(Ni)을 포함한다. 게다가, 조인트를 형성할 때, 실시예의 경우에는 주석(Sn)인, 소위 활성 작용제 (4) 가 유용하게 사용된다. 주석은 활성제로서 기능하며, 결합생성에 요구되는 온도를 낮추게 한다.

중간층 (3) 은 분리처리(separate treatment)를 통해 판요소 (2) 의 표면에 형성될 수 있다. 니켈이 중간층 (3) 으로 사용될 때, 이 층은 예컨대 전기분해를 통해 생성될 수 있다. 스테인레스강의 표면에 형성된 부동태층이 스테인레스강과 니켈 사이의 결합 표면상의 물질 교환에 장해를 주지 않도록, 전형적으로 니켈도금이 행해진다. 상기 중간층 (3) 은 금속박의 형태로 적용될 수도 있다.

서로 결합되는 목적물 (1,2) 의 결합 표면에서, 한편으로는 니켈 확산의 결과로서, 다른 한편으로는 구리와 강 성분의 확산의 결과로, 확산 조인트 (6)(도 5) 가 생성된다. 확산 조인트의 형성과 그 안에 생성된 조직은, 적용되는 제조조건과 요구되는 조인트에 의해 요구되는 극히 얇은 솔더링 작용제 층을 통해서, 또는 니켈도금 강판과 구리 사이의 결합 표면에 위치된 수개의 솔더링 작용제 층의 조합을 통해서, 활성화된다.

사용된 솔더링 작용제와 확산 활성제는 순수한 형태 또는 특유한 샌드위치 구조의 은-구리 합금과 주석이다. 700 - 850℃ 의 온도범위에서 기계적으로 강한 결합이 얻어진다. 열처리 기간은, 최종 조인트에서 취성이 있는 금속간 상 (phase)의 생성을 피하도록, 선택될 수 있다. 강으로부터 니켈의 손실을 강의 표면 상에 생성되는 고 니켈 함량의 합금으로 인해 방지되도록, 솔더링 작용제 두께, 열처리 온도 및 시간이 선택된다. 낮은 결합온도의 장점은 결합영역에 생성된 열 응력이 최소화된다는 것이다.

도 2는 열처리 전에 있어서의 본 발명에 따른 결합방법의 또 다른 실시예를도시한다. 본질적으로 구리로 구성되는 서스펜션 바 (1) 와, 스테인레스 강으로 구성되는 판요소 (2) 는 함께 결합된다. 두 물체 사이의 결합에는, 중간층 (3,4,5) 이 배치된다. 강을 향해 배치된 중간층 (3) 은 주로 니켈(Ni)을 포함한다. 게다가, 조인트의 형성시, 실시예의 경우 주석(Si)인, 소위 활성화 작용제가 유용하게 사용된다. 주석은 활성제로 기능하고 조인트의 생성에 필요한 온도를 낮추게 한다. 주석층에 더하여, 상기 조인트는 주석층 (4) 과 니켈층 (3) 사이에 제공되는 또 다른 솔더링 작용제로 만들어진 제3 중간층 (5) 을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 상기 층은 Ag+Cu 솔더링 작용제로 이루어지고, 박판의 형태가 유용하다. 바람직한 실시예에 따르면, 제2 솔더링 작용제층은 Ag 71% 와 Cu 29% 를 포함하며, 공정(eutectic)조성인 것이 바람직하다. 주어진 합금조성에서, 상기 솔더링 작용제는 구리와 공정조성을 가지는 것이 유용하다. 접합영역은 일단계로 가열된다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 방법에 의하면, 제2 중간층 (4) 은 제3 중간층 (5) 의 표면 상에 배치된다. 필수적이지는 않지만 전형적으로, 중간층 (3,4,5) 중 하나 이상은 박판의 형태로 접합영역에 배치된다. 사용된 중간층 (4,5) 의 솔더링 작용제와 확산 활성제는, 순수한 형태 또는 특유의 샌드위치 구조로, 은-구리 합금과 주석일 수 있다. 600 - 850℃ 의 온도범위에서 기계적으로 강한 조인트를 얻을 수 있다. 열처리 기간의 선택은 최종 조인트에 취성의 금속간 상이 생성되지 않도록, 행해질 수 있다. 강으로부터 니켈의 손실을 강의 표면 상에 생성되는 고 니켈 함량의 합금으로 인해 방지되도록, 솔더링 작용제 두께, 열처리 온도 및 시간이 선택된다. 낮은 결합온도의 장점은 결합영역에 생성된 열 응력이 최소화된다는 것이다.

도 3은 서스펜션 바와 판요소를 가열하기 전에 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 방법을 도시한다. 제2 중간층 (4) 이 제3 중간층 (5) 의 양 표면에 제공된다. 이 실시예에서, 전형적으로 박판의 일 또는 양 표면에 예컨대 주석이 처리되는 샌드위치 박판이 사용될 수 있다.

상기 방법에서 사용된 중간층의 두께는 변경된다. 제1 중간층 (3) 으로 사용된 Ni 층의 두께는 전형적으로 2 - 50 ㎛ 이다. 박판이 20 - 50 ㎛ 정도일 때, 전기분해 후에는 전형적으로 2 - 10 ㎛ 이다. 제3 중간층 (5) 으로 사용된 Ag 또는 Ag+Cu 박판의 두께는 전형적으로 10 - 500 ㎛ 이고, 바람직하게는 20 - 100 ㎛ 이다. 제2 중간층 (4) 의 두께는 전형적으로 제3 중간층 (5) 의 두께에 영향을 받는데, 상기 두께는 예를 들면 제3 중간층 두께의 10 - 50% 이다. 예를 들면, 50 ㎛ 두께의 Ag+Cu 솔더링 박판의 표면 상에 5 - 10 ㎛ 의 주석층을 적용함으로써, 극히 고품질의 조인트를 얻을 수 있었다. 주석층은 예를 들면, 용융주석에 박판 형상의 솔더링 작용제를 담금으로써 형성될 수 있고, 필요하다면, 그 후에 박판을 롤링함으로써 매끈하게 될 수 있다.

내산강(AISI 316)과 구리(Cu)가 함께 결합되었다. 상기 강의 결합표면 상에, 제1 중간층으로 두께 7 ㎛의 니켈(Ni)층이 제공되었다. 중량 퍼센트로 Ag 71% 와 Cu 29% 를 함유하는 공정조성을 가지는 Ag+Cu 솔더링 작용제가, 확산 활성제 및 솔더링 작용제로 사용되었다. 솔더링 작용제는 두께 50 ㎛ 의 박판 형태이고, 이 박판 표면 상에 두께 5 - 10 ㎛ 의 주석(Sn)층도 형성되어 있다. 서로 결합되는 물체들은 서로 마주하여 배치되므로, 박판은 접합 표면 사이에 위치되었다. 상기 물체들은 함께 가압되고, 접합영역은 대략 800℃ 의 온도까지, 솔더링 작용제의 용융점 위로 가열되었다. 유지시간은 대략 10분이었다. 상기 실시예에 따른 결합은 극히 우수하게 완성되었다. 우수한 전기 전도 용량을 가지고, 금속학적으로 치밀한 조인트를 얻을 수 있었다.

또한 본 발명은 특히 금속의 전기분해 설비에 사용되는 전극에 관한 것으로, 상기 전극은 서스펜션 바 (1) 와 이 서스펜션 바에 부착되는 판요소 (2) 를 포함한다. 본 발명에 따른 전극은, 판요소 (2) 가 확산 조인트 (6) (도 5) 를 통해 서스펜션 바 (1) 에 부착되는 것을 특징으로 한다. 판요소 (2) 가 본질적으로 그 전체 길이를 따라 서스펜션 바 (1) 에 부착되는 것이 유리하다.

판요소 (2) 와 접하는 서스펜션 바 (1) 의 표면은 적어도 주로 구리 또는 구리합금으로 만들어진다. 전형적으로 판요소 (2) 는 정련된 강, 특히 내산강으로만들어진다. 본 발명 전극의 바람직한 실시예에 의하면, 서스펜션 바 (1) 에는 홈 또는 이와 비슷한 것이 형성되고, 이 홈에는 판요소 (2) 의 대응부분이 끼워져 배치된다.

바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전극은 영구 캐소드이다. 이들은 일반적으로 예컨대 구리의 전기분해에 사용된다.

본 발명에 따른 전극에서, 수송시에 사용되는 서스펜션 요소 (8) 가 용이하게 제공된다. 상기 서스펜션 요소 (8) 는 예컨대 스크류 또는 리벳 등의 조임수단으로, 판요소의 서스펜션 바 수준 위로 연장하는 요소 (9) 에 부착될 수 있다. 서스펜션 수단은 또한 판요소 (2) 의 서스펜션 바 위로 연장하는 요소 (9) 로 형성될 수 있다.

Claims (16)

1. 금속의 전기분해에 사용하는 전극의 판요소 (2) 를, 전기 전도체로도 작용하는 서스펜션 바 (1) 에 부착시키는 전극의 제조방법에 있어서,

   상기 판요소 (2) 가, 상기 서스펜션 바 (1) 에 확산 조인트에 의해 부착되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 판요소 (2) 는, 그 상부 부분이 필수적인 길이 이상으로, 상기 서스펜션 바 (1) 에 부착되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 조인트를 생성하기 전에, 상기 판요소 (2) 와 상기 서스펜션 바 (1) 의 접합표면의 사이에, 하나 이상의 중간층 (3, 4, 5) 이 배치되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 사용된 상기 서스펜션 바 (1) 가 구리 바 또는 주로 구리로 이루어지는 구리합금 바인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 사용된 상기 전극의 판요소 (2) 가 정련된 강으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 결합되는 상기 판요소와 상기 서스펜션 바의 접합표면 사이에는, 상기 판요소 (2) 의 접합표면 상에 또는 이 표면과 마주하여 제1 중간층 (3) 이 배치되고, 이후 상기 서스펜션 바 (1) 의 접합표면 상에 또는 이 표면과 마주하여 제2 중간층 (4) 이 배치되고, 이들 중간층들을 포함하는 접합표면이 함께 가압되고, 적어도 접합영역이 가열되는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 중간층 (3) 이 주로 니켈(Ni) 또는 크롬(Cr) 으로 이루어지거나, 또는 이들의 합금 또는 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 중간층 (4) 이 함께 결합되는 목적물의 용융점보다 낮은 용융점을 가지는 활성제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 중간층 (4) 이 주로 은(Ag) 및/또는 주석(Sn)으로 이루어지거나, 또는 은과 구리(Ag+Cu), 알루미늄과 구리(Al+Cu) 또는 주석과 구리(Sn+Cu)의 합금 또는 혼합물로서 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
10. 서스펜션 바 (1) 와 이 서스펜션 바에 부착되는 판요소 (2) 를 포함하는 금속의 전기분해 설비에 사용되는 전극에 있어서,

    상기 판요소 (2) 가 확산 조인트에 의해 상기 서스펜션 바 (1) 에 부착되는 것을 특징으로 하는 전극.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 판요소 (2) 가 본질적으로 상기 판요소 (2) 의 전체 길이를 따라서 상기 서스펜션 바 (1) 에 부착되는 것을 특징으로 하는 전극.
12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 서스펜션 바 (1) 의 상기 판요소 (2) 와 마주하는 표면이 적어도 주로 구리 또는 구리합금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 전극.
13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 판요소 (2) 가 정련된 강, 특히 내산강으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 전극.
14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서스펜션 바 (1) 에는 홈 (6) 또는 이와 같은 것이 제공되고, 이 홈에 판요소의 대응부분이 끼워져 배치되는 것을 특징으로 하는 전극.
15. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서스펜션 바 (1) 가 상기 판요소 (2) 의 양 측면에 부착되는 것을 특징으로 하는 전극.
16. 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극은 영구 캐소드인 것을 특징으로 하는 전극.