KR100693584B1 - 형상기억합금의 열처리 방법 및 그 열처리 방법으로 열처리된 형상기업합금 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 형상기억합금의 열처리 방법은 단결정 형상기억합금을 마르텐사이트 변태개시온도 부근에서 변형하고, 마르텐사이트 역변태종료온도 이상의 온도에서 일정시간을 유지하는 제 1 변형단계; 및 마르텐사이트 변태종료온도 부근에서 변형하고, 마르텐사이트 역변태종료온도 이상의 온도에서 일정시간을 유지하는 제 2 변형단계가 포함된다.

본 발명에 의해서, 제진배관에서 댐핑력이 발생되는 온도범위가 광범위하게 늘어나도록 하고, 그 온도 범위 내에서 제진배관의 유연성이 증대되는 장점이 있다. 그리고, 폭 넓은 사용온도범위에서 가전기기의 진동소음이 줄어들도록 하여 압축기의 주변부에서 냉매의 온도가 변하더라도 최대의 댐핑력을 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

열처리, 제진배관, 형상기억합금

Description

형상기억합금의 열처리 방법 및 그 열처리 방법으로 열처리된 형상기업합금{Heat treatment method for the shape memory alloy and shape memory alloy treated by the method}

도 1은 초크랄스키 풀러의 구조를 설명하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 노 2 : 도가니 3 : 다이 7 : 가열체

9 : 형상기억합금 8 : 용융물

대한민국특허출원번호 10-2002-0083873호

대한민국특허공개번호 10-2000-0075400호

본 발명은 열처리 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 형상기억합금을 이용하여 제조된 제진배관의 댐핑력이 최대로 발휘되도록 하기 위하여, 형상기억합금에 대하여 수행되는 열처리 방법 및 그 열처리 방법으로 열처리된 형상기억합금에 관한 것이다.

공조기, 냉장고등과 같은 일반적인 가전기기에는 압축기등과 같이 진동이 발생되는 장치가 내장되어 있다. 이와 같은 가전기기는 주로 실내에 놓여서 사용되기 때문에, 가전기기에서 발생되는 진동은 사용자에게 불쾌감을 주게 된다.

이러한 문제를 해소하기 위하여 많은 시도가 이루어지고 있는데, 이러한 시도 중에서 상기 압축기와 연결되는 배관에서 자체적으로 댐핑효과가 일어나도록 하기 위하여, 형상기억합금이 압축기와 연결되는 배관으로 사용되는 것도 제안된 바가 있다. 상기 형상기억합금에 의한 배관이 사용되는 예로는 본원발명 출원인이 대한민국특허출원번호 10-2002-0083873호에 이미 제시한 바가 있다. 상기 형상기억합금은 마르텐사이트와 오스테나이트의 상변화 성질을 이용하여 형상기억효과를 얻어낸다.

이와 같이 형상기억합금이 재진배관으로 사용되는 것은, 형상기억합금은 일반적인 금속과는 달리 탄성과 소성을 동시에 가지고 있기 때문에, 외부 진동에 대하여 일정온도에서는 소성체로서 거동하는 성질을 이용하여 진동이 흡수되도록 하고, 또 다른 일정온도범위에서는 원래의 형상으로 되돌아가는 것을 이용할 수 있기 때문이다.

그러나, 형상기억합금은 그 제조과정과 제조환경에 따라서 진동에 대한 물리적인 특성이 많이 달라지기 때문에, 재진배관의 댐핑특성이 최대로 발휘되도록 하기 위해서는 특정의 제조방법이 제안되어야 만 한다.

한편, 일반적인 금속 또는 합금의 댐핑력은 하기되는 수학식 1로 평가되는 것이 일반적이다.

ψ=2πQ^-1100%

여기서, ψ는 댐핑력(damping power)을 나타내고, Q^-1는 형상기억합금의 내부마찰(internal friction)을 의미한다. 이 때에, 상기 댐핑력(ψ)이 1% 미만일 때에는 저댐핑물질이라고 하고, 1%<ψ<10%일 때에는 중간댐핑물질이라고 하고, 10%<ψ<100%일 때에는 고댐핑물질이라고 할 수 있다.

상기 수학식 1에서 명백해 진 바와 같이 형상기억합금은 내부마찰이 크면 클수록 높은 댐핑력을 발휘하게 된다.

또한, 상기 내부마찰은 다수 회의 실험 및 여러 문헌에 의해서 알려진 바와 같이, 마르텐사이트 조직이 존재하는 때에는 단결정(monocrystal)인 경우에 최대의 내부마찰이 발생되고, 다결정(polycrystal)인 경우에는 내부마찰이 작기 때문에, 형상기억합금의 내부마찰을 증대시키기 위하여 단결정 조직의 형상기억합금을 이용하는 것이 바람직하다.

한편, 단결정의 형상기억합금이라 하더라도, 댐핑력이 발생되는 온도범위는 마르텐사이트 변태온도범위(Ms-Mf) 내로 제한된다. 그러므로, 압축기등에 연결되는 배관과 같이 배관의 내부를 유동하는 냉매의 온도상태가 변하는 경우에는, 충분한 댐핑력을 얻어낼 수 없는 문제가 발생된다.

이와 같이, 단결정 형상기억합금이라도 그 물리적인 특성으로 인하여 댐핑력이 발생되는 온도범위가 제한되기 때문에, 단결정 형상기억합금 또는 다결정 형상기억합금에 대하여 적절한 열처리가 행하여 지도록 함으로써, 댐핑력이 발생되는 온도범위가 늘어나도록 하는 것이 요구된다.

예를 들어, 다결정 Cu-Al-Ni 합금의 경우에 마르텐사이트 변태개시온도(Ms)는 35℃이고, 마르텐사이트 변태종료온도(Mf)는 40℃이다. 그리고, 제진배관은 상기 온도의 범위 내에서만 최대의 댐핑력이 발휘될 수 있다. 나아가서, 마르텐사이트 역변태종료온도(Af)를 넘어서는 온도에서는 전혀 댐핑력을 발휘할 수 없게 된다.

본 발명은 상기되는 문제점을 개선하기 위하여 제안되는 것으로서, 제진배관에서 댐핑력이 발생되는 온도범위가 광범위하게 늘어나도록 하고, 그 온도 범위 내에서 제진배관의 유연성이 증대되도록 하는 형상기억합금의 열처리 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.

또한, 형상기억합금을 재질로 하는 제진배관이 넓은 온도범위에서 댐핑력이 최대로 발휘되도록 함으로써, 폭 넓은 사용온도범위에서 가전기기의 진동소음이 줄어들도록 하는 형상기억합금의 열처리 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.

상기되는 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 형상기억합금의 열처리 방법은 단결정 형상기억합금을 마르텐사이트 변태개시온도 부근에서 변형하고, 마르텐사이트 역변태종료온도 이상의 온도에서 일정시간을 유지하는 제 1 변형단계; 및 마르텐사이트 변태종료온도 부근에서 변형하고, 마르텐사이트 역변태종료온도 이상의 온도에서 일정시간을 유지하는 제 2 변형단계가 포함된다.

삭제

제안되는 제진배관의 열처리 방법에 의해서, 형상기억합금에서 댐핑력이 발생되는 온도 범위가 넓어져서 댐핑력이 증가되고, 배관을 통하여 전파되는 진동이 현저하게 감쇠되는 장점을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 형상기억합금의 열처리 방법을 설명하기에 앞서, 형상기억합금의 제조과정을 간단하게 설명한다.

단결정의 형상기억합금을 제조하는 방법으로는 브리그만 방법(brigman's method)와, 초크랄스키 방법(chokhralsky's method)와, 베네일 방법(wernril's method)와, 스테파노브 방법(stepanov's method)등이 소개된 바가 있다. 이들 방법은 용융 합금에서 단결정 합금이 제조되는 방법으로서, 본 발명에서는 구리, 알루미늄, 니켈의 합금이 초크랄스키 방법에 의해서 단결정 합금으로 제조되는 과정을 예시적으로 설명한다.

상기 초크랄스키 방법은 단결정의 실리콘 기판을 성장시키는 방법으로서 이미 널리 알려진 바가 있고, 그와 관련되는 국제특허분류 C30B15/00를 통하여, 이미 널리 알려진 바가 있다. 구체적으로, 상기 초크랄스키 방법의 구체적인 적용례로서는 대한민국공개특허번호 10-2000-75400호가 예시될 수 있다.

도 1은 초크랄스키 풀러의 구조를 설명하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 초크랄스키 풀러(pooler)에는, 내부에 고온환경이 조성되는 노(1)와, 상기 노(1)의 내부에 놓여서 용융물(8)이 수용되는 도가니(2)와, 상기 도가니(2)의 인접위치에 제공되는 가열체(7)와, 상기 도가니(2)의 상측부에 놓여 특정 형상의 단결정이 제조되도록 하는 다이(3)가 포함된다.

또한, 상기 다이(3)와 대응되는 형상의 형상기억합금(9)이 도시되어 있는데, 상기 형상기억합금(9)은 일정한 속도로 상방으로 인상되는 과정이 연속적으로 수행된다. 상세하게는, 상기 형상기억합금(9)과 접촉되는 상기 용융물(8)은, 상기 형상기억합금(9)과 접촉된 상태에서 상기 형상기억합금(9)이 인상되는 동작 중에 상방으로 인상된다. 그리고, 상기 용융물(8)은 인상된 뒤에 냉각되어 응고되는 과정에 의해서 단결정 형상기억합금(9)으로 제조된다.

물론, 상기 형상기억합금(9)이 최초로 생성될 때에는 소정의 접종물(inoculum)이 용융물(8)의 표면에서 일정 깊이로 침지되고, 상기 접종물이 인상되면서 연속적으로 형상기억합금(9)이 성장된다.

상기 접종물과 상기 형상기억합금(9)이 포함되는 개념으로서, 상기 용융물(8)에 침지되는 소정의 칼럼(column)은 상기 용융물(8)이 냉각 및 응고되어 단결정이 생성되도록 하기 때문에, 이를 통칭하여 냉각자(refrigerator)로 한다. 상기 냉각자의 인접 위치에는 주위보다 온도가 낮도록 하는 어떠한 형태의 냉각시스템이 갖추어질 수 있다.

또한, 상기 노(1)의 외부에는 전원공급기(4)가 배치되고, 상기 전원공급기 (4)와 연결되는 제 1 전극(5)은 형상기억합금(9)에 접촉되고 제 2 전극(6)은 상기 용융물(8)에 접촉됨으로써, 상기 형상기억합금(9) 및 용융물(8)에는 일정 방향으로 통전되는 소정 주파수의 전류가 인가된다. 상기 전류에 의해서 상기 용융물(8)과 냉각자의 계면(interface)의 레벨과 폭을 효과적으로 안정화시키고, 성장되는 결정이 특정의 결정학적인 방위를 가지도록 할 수 있다.

상기되는 방법으로 통하여 제조되는 단결정 형상기억합금은 단결정성이 개선되기 때문에 내부마찰이 극대화되고 댐핑력이 최대로 발휘될 수 있다.

상기되는 과정으로 제조된 단결정 형상기억합금은 최대의 댐핑력을 나타내는 마르텐사이트 변태온도가 넓어지도록 하기 위하여 형상기억합금이 열처리되는 과정을 더 거치게 되는데, 이하에서는 상기 열처리 과정을 상세하게 설명한다.

먼저, 단결정 형상기억합금에 포함되어 있을 수도 있는 다결정 형상기억합금을 정재하여 단결정 형상기억합금을 변화시키기 위하여 플로우팅 존(floating-zone)방법이 수행된다. 상기 플로우팅 존 방법은 원하는 제진배관의 결정구조와 형상이 제공될 때까지 수행될 수 있고, 만약 형상기억합금의 단결정성이 원하는 수준인 경우에는 상기 플로우팅 존 방법은 수행되지 아니할 수도 있다.

이후에는, 뜨임(tempering)공정이 1.2~6.5Af의 온도에서 0.1~280초 동안 수행된다.

그리고, 마르텐사이트 변태개시온도(Ms)에서 제 1 교대소성변형(alternating-sign plastic deformation)이 수행되는데, 구체적으로는 원래의 형태에 대하여 0.001~20%의 변형범위 내에서 1~250주기의 제 1 교대소성변형이 수행된 다. 그리고, 1.0~1.2Af의 온도까지 가열된 뒤에, 15~30초동안 그 온도가 유지된다.

이후에는, 마르텐사이트 변태종료온도(Mf)에서 제 2 교대소성변형이 수행되는데, 상기 제 2 교대소성변형은 0.01~50%의 범위에서 점진적으로 변형이 증대되도록 한다. 그리고, 1.2~6.5Af온도에서 0.1~280초 동안 그 형상이 유지된다.

상기되는 바와 같은 열처리 방법은 단결정 형상기억합금의 상(phase)의 변화에 의해서 수행되는 것이다. 다시 말하면, 마르텐사이트 변태온도범위(Ms-Mf)에서 소성변형이 가하여지고, 마르텐사이트 역변태종료온도(Af)를 넘어서는 온도에서 일정시간 동안 유지되는 과정에 의해서 단결정 형상기억합금에 새로운 상(phase)이 형성되도록 하는 것에 의해서, 제진배관에서 댐핑력이 최대로 발생되는 온도구간이 늘어나도록 한다.

이러한 상 변화과정은, 최초 β1'-상이 마르텐사이트 γ1'-상으로 변하는 과정이, 제진배관의 변형된 부분의 거시구조적 형상(macroscopic shape)의 변화를 가져오고, 역마르텐사이트 변태종료온도(Af) 이상에서 가하여지는 외부 스트레스가 역마르텐사이트 변태온도(As-Af)를 높일 뿐 아니라, 새로운 마르텐사이트 구조를 형성하게 되는 것에 기인한다.

이하에서는 형상기억합금의 상의 변화에 대하여 상세하게 설명한다.

상세하게, Cu-Al-Ni 단결정 형상기업합금에 포함되는 최초 β1-상이 냉각되면 γ1'-상으로 되고, 외부 스트레스의 영향 하에서 β1'-상이 형성된다.

그와 반대로, 외부 스트레스가 제거되면 β1'-상이 β1-상으로 변하는 역변환이 발생되고, 만약, 기계적인 스트레스의 영향 하에서 얻어지는 β1'-상이 낮은 온도로 냉각되면, 그 상은 γ1'-상으로 변환된다.

결론적으로, 단결정에 대한 하중은 β1'-단결정의 구조로 만든다. 나아가서 더 가하여지는 하중은 β1'-상을 면심입방정계의 α1'-상으로 형태를 변화시키게 되는 것이다.

상기되는 바와 같이, 본 발명에 따른 형상기억함금의 열처리 과정은 형상기억합금의 β-상에서 단련하는 과정과, 마르텐사이트 역변태종료온도(Af)보다 높은 온도에서 변형된 상태가 유지되는 과정, 뜨임과정, 합금의 방향성 결정화 과정이 포함된다.

상기되는 바와 같은 제진배관의 열처리방법의 구체적인 실험예를 제시한다.

실험예

1. 구리를 베이스로 하고 알루미늄의 중량비가 13.4%이고 니켈이 3.2% 포함되는 용융상태의 합금을 만드는데, 상기 합금은 마르텐사이트 변태개시온도(Ms)가 40℃이고, 마르텐사이트 변태종료온도(Mf)가 10℃이고, 마르텐사이트 역변태개시온도(As)가 45℃이고, 마르텐사이트 역변태종료온도(Af)가 75℃이다.

2. 상기 합금의 용융온도(Tm)인 1075℃에서 초클라스키 방법에 의해서 단결정의 제진배관을 제조한다.

3. 그 후에, 획득된 제진배관을 910℃의 10% 염화나트륨 용액에서 안정된 β-상의 온도범위에서 단련된다.

4. 제진배관이 6.2Af까지 가열되고, 10초동안 유지된다.

5. 마르텐사이트 변태개시온도(Ms)까지 냉각한 뒤에, 제진배관의 초기 형상 에 대하여 0.001%에서 시작하여 10.2%의 변형율까지 제진배관에 대한 제 1 교대소성변형이 수행된다.

6. 1.0Af온도까지 가열한 뒤에, 15초 동안 유지한다.

7. 마르텐사이트 변태개시온도(Mf)에서 제 2 교대소성변형이 수행된다. 이때의 변형율은 0.2%를 단위로하여 점진적으로 변형율이 증가되어 5.0%까지 변형된다.

8. 상기 제 2 교대소성변형이 수행된 뒤에는, 1.2Af온도까지 가열되어 2.0초 동안 유지된다.

상기되는 과정에 의해서 열처리가 수행된 뒤에는 열처리가 수행되기 전의 제진배관과 비교하여 최대의 댐핑력이 발생되는 온도 범위가 3~7배 늘어나는 것을 볼 수 있다. 이는 열처리 과정에 의해서 형상기억합금의 내부에서 마르텐사이트 중간 상(intermediate martensite phases)이 형성되기 때문이다.

상기되는 본 발명에 의해서 열처리가 수행된 제진배관과 일반적인 동관과의 댐핑력의 차이를 하기되는 표 1을 참조하여 설명한다.

	동관		본 발명의 제진배관
	고유진동수	감쇠비	고유진동수	감쇠비
1차	168	0.011	90	0.081
2차	469	0.006	244	0.057
3차	914	0.005	483	0.037
4차	1495	0.006	786	0.038
5차	2208	0.005	1160	0.027
감쇠계수 α	23.39		98.09
감쇠계수 β	7.70E-07		8.60E-06

상기 표 1은 길이가 40센티미터인 관의 일단은 가진단으로 하고 타단은 진동측정단으로 하여 측정된 결과이다.

상기되는 표 1을 참조하면, 본 발명의 제진배관이 종래 동관에 비하여 5배정도 우수한 것을 볼 수 있다.

제안되는 본 발명에 의해서, 제진배관에서 댐핑력이 발생되는 온도범위가 광범위하게 늘어나도록 하고, 그 온도 범위 내에서 제진배관의 유연성이 증대되는 장점이 있다.

또한, 폭 넓은 사용온도범위에서 가전기기의 진동소음이 줄어들도록 하여 압축기의 주변부에서 냉매의 온도가 변하더라도 최대의 댐핑력을 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (11)

1. 단결정 형상기억합금을 마르텐사이트 변태개시온도에서 변형하고, 마르텐사이트 역변태종료온도 이상의 온도에서 유지시키는 제 1 변형단계; 및

   마르텐사이트 변태종료온도에서 변형하고, 마르텐사이트 역변태종료온도 이상의 온도에서 유지시키는 제 2 변형단계가 포함되는 형상기억합금의 열처리방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 단결정 형상기억합금은 구리, 알루미늄, 및 니켈의 합금인 형상기억합금의 열처리방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 단결정 형상기억합금은 플로우팅 존 방법에 의해서 단결정화 한 뒤에 소성변형되는 형상기억합금의 열처리방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 단결정 형상기억합금은 변형되기 전에, β-상에서 단련된 뒤에, 뜨임처리되는 형상기억합금의 열처리방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 변형단계는 0.001~20%의 범위 내에서 1~250주기 동안 소성변형되는 형상기억합금의 열처리방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 변형단계는 1.0~1.2Af온도에서 15~30초 동안 유지되는 형상기억합금의 열처리방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 변형단계는 연속적으로 변형량이 늘어나면서 소성변형되는 형상기억합금의 열처리방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 변형단계는 0.01~50%의 범위 내에서 소성변형되는 형상기억합금의 열처리방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 변형단계는 1.2~6.5Af의 온도에서 0.1~280초 동안 유지되는 형상기억합금의 열처리방법.
10. 삭제
11. 제 1 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 방법으로 열처리된 형상기억합금.

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