KR20020078215A - 구리-알루미늄-니켈계 형상기억합금 리본과 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래 Cu-Al-Ni계 형상기억합금의 기계적 성질의 향상과 센서 및 엑츄에이터의 소자로서 판재 및 선재의 형상기억소자의 늦은 응답성을 개선하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 공지의 단롤(Single Roll)형 맬트스피닝장치를 이용하여 제조한 결정립의 크기가 6㎛이하이며, 30∼110㎛의 두께 및 1.2∼3.7㎜의 폭을 갖는 Cu-Al-Ni계 형상기억합금 리본 및 상기 리본의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이처럼 맬트스피닝 장치를 이용하여 제조된 본 발명 Cu-Al-Ni계 형상기억합금 리본은 형상기억합금의 다양한 응용에 장애요인이 되는 기계적 성질을 향상시켰으며, 센서 및 엑츄에이터의 소자로서 형상기억 리본을 적용할 때 빠른 응답속도를 기대할 수 있는 효과를 갖는 것이다.

Description

구리-알루미늄-니켈계 형상기억합금 리본과 그의 제조방법 {Cu-Al-Ni based shape memoey alloy ribbon and it's manufacturing method}

본 발명은 구리-알루미늄-니켈계 형상기억합금 리본과 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구리-알루미늄-니켈(Cu-Al-Ni)계 형상기억합금의 결정립크기를 미세화시켜 기계적 성질을 개선하고 센서 및 엑츄에이터의 소자로서 판재 및 선재의 형상기억소자의 늦은 응답성을 개선하기 위한 것이다.

형상기억합금은 1950년대에 Au-Cd 합금에서 형상기억효과가 발견된 이후 Ni-Ti계 합금, Cu계 합금 및 Fe계 합금이 개발되었으며 개발 초기에는 형상기억효과를 이용한 단순한 부품에 응용되어 왔으나, 점차 마이크로 로봇, 반도체 제조공정, 자동차, 항공기 및 의료분야 등 각 분야에 널리 적용되고 있다.

또한 형상기억합금은 형상기억효과, 방진효과 및 의탄성 뿐만 아니라 엑츄에이터 및 센서의 기능 모두를 가지고 있어 외부환경을 감지하고 제어할 수 있는 지능재료로 사용되고 있으며, 현재 센서 및 엑츄에이터의 소자로 사용되는 판재 및 선재형상의 형상기억합금소자(이하 형상기억소자라 한다)는 형상회복 스트로크가작고 응답속도가 늦어 응용에 많은 제한을 받고 있다.

즉 현재 상용화되고 있는 Ni-Ti계 합금 및 Cu-Zn-Al계 합금은 형상기억소자로서 우수한 특성을 가지고 있지만 변태온도가 낮은 단점을 가지고 있다.

Cu-Al-Ni계 합금은 Cu-Zn-Al계 합금에 비해 형상기억능이 우수하고 마르텐사이트의 안정화가 일어나지 않으며, 변태온도에 대한 안정성 때문에 고온용 형상기억소자로서 많은 연구가 진행되고 있으나 조대한 결정립크기, 큰 탄성이방성 및 변태스트레인의 방위 의존성 때문에 작은 변형에도 불구하고 입계파괴가 발생하는 단점을 갖는 것이다.

따라서 소자로서의 성능을 개선하기 위하여 박막이나 리본(ribbon)상의 형상기억소자 제조방법 및 형상기억능에 미치는 제인자의 특성 및 응용에 대한 연구가 다방면으로 진행되고 있으나, 아직까지 만족할 만한 기계적 성질의 향상과 센서 및 엑츄에이터의 소자로서 판재 및 선재형 형상기억소자의 늦은 응답성 개선효과는 기대할 수 없었다.

본 발명은 종래 Cu-Al-Ni계 형상기억합금의 기계적 성질의 향상과 센서 및 엑츄에이터의 소자로서 판재 및 선재형 형상기억소자의 늦은 응답성을 개선하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 공지의 단롤(Single Roll)형 맬트스피닝장치를 이용하여 제조한 결정립의 크기가 6㎛이하이며, 30∼110㎛의 두께 및 1.2∼3.7㎜의 폭을 갖는 Cu-Al-Ni계 형상기억합금 리본을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 물리적 성질을 갖는 형상기억합금 리본을 제조하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저 Cu-Al-Ni계 형상기억합금의 기계적 성질을 향상시키기 위한 방법으로는 분말야금법, 합금원소첨가법, 가공열처리법 및 급속응고법이 사용되고 있다.

또한 기계적 성질 및 늦은 응답성을 개선하기 위한 방법으로는 진공증착법, 스퍼터링법 및 맬트스피닝(melt spinning)장치를 이용한 급속응고법이 사용되고 있으나 진공증착법 및 스퍼터링법에 의해 제조된 형상기업박막의 경우 박막과 기판의 작용, 결정화 정도 및 화학량론적 변화 등에 의해서 마르텐사이트 변태를 조정하는 데 어려움이 있다.

따라서 본 발명에서는 Cu-Al-Ni계 형상기억합금의 기계적 성질이 조대한 결정립크기, 큰 탄성이방성 및 변태스트레인의 방위 의존성에 영향을 받기 때문에 단롤형 맬트스피닝 장치를 이용하여 리본을 제조하되 결정립의 크기를 10㎛ 이하로 제어하여 기계적 성질을 향상시킬 수 있도록 하였다.

특히 맬트스피닝 장치를 사용한 급속응고법은 재용해에 의한 합금 조성, 변태특성 및 미세구조의 변화를 야기할 수 있으나 고용도의 증가, 결정립 미세화, 새로운 상의 생성 및 집합조직 생성의 장점을 가지고 있기 때문에 Cu-Al-Ni계 합금의 결정립 미세화 방법으로 가장 바람직하다.

본 발명 Cu-Al-Ni계 형상기억합금 리본의 제조방법은 다음과 같다.

먼저 Cu 82~85wt%, Al 12~14wt% Ni 3~4wt%으로 배합된 Cu, Al 및 Ni 금속지금을 고주파 진공유도 용해로의 흑연도가니에 장입하고 용해한 후 얻어진 주괴를 24시간 동안 균질화처리 한 다음 대기중에서 냉각하여 형상기억합금 리본 제조용 모합금을 제조하는 단계와, 노즐 직경이 0.6mm인 석영관에 준비된 모합금을 장입하고 유도가열장치를 이용하여 용해하는 단계와, 회전하는 동제(銅製) 휠(wheel) 표면에 상기 용해된 모합금을 분사하는 단계로 이루어진다.

이때 분사압력 및 휠 회전속도는 본 발명 Cu-Al-Ni계 형상기억 리본의 두께, 폭 및 결정립크기 등을 결정하는 매우 중요한 인자로, 이때 분사압은 0.6㎏f/㎟∼0.8㎏f/㎟ 이 바람직하였고, 휠의 회전속도는 10m/s∼50m/s가 가장 바람직하였다. 이는 맬트스피닝 장치로 리본을 제조할 때 균일한 리본 형상을 유지하고, 또한 모금속 용탕이 회전하는 동제 휠에 분사된 후 서로 충돌하거나 겹치지 않도록 하기 위한 가장 적당한 급속 응고조건이다.

즉 분사압력을 0.6㎏f/㎟∼0.8㎏f/㎟로 하고, 휠의 회전속도를 10m/s∼50m/s로 제조된 형상기억합금 리본의 두께 및 폭을 측정한 결과 휠 회전속도가 증가함에 따라 폭은 2.8㎜→1.2㎜로, 두께는 약 105㎛→33㎛로 감소하였으며 0.8㎏f/㎟의 분사압으로 10m/s∼30m/s로 휠 회전속도를 변화 시켜 형상기억합금 리본을 제조한 경우에는 휠 회전속도가 증가함에 따라 폭은 3.7㎜→2㎜, 두께는 약 100㎛→50㎛로 감소하였다. 또한 동일한 회전속도에서 분사압력을 0.6㎏f/㎟에서 0.8㎏f/㎟로 증가함에 따라 리본의 폭은 증가하였으며 두께는 감소하였다.

분사압력(0.6㎏f/㎟∼0.8㎏f/㎟) 및 휠 회전속도(10m/s∼50m/s)를 변화시켜 제조된 Cu-Al- Ni계 형상기억 리본의 결정립크기를 측정한 결과 0.6㎏f/㎟의 분사압으로 제조된 리본의 경우 휠 회전속도가 10m/s∼50m/s로 증가함에 따라 6㎛∼0.4㎛로 감소하였으며, 0.8㎏f/㎟의 분사압으로 제조된 리본의 경우 휠의 회전속도가 10m/s∼30m/s로 증가함에 따라 3.7㎛∼2㎛로 감소하였다. 또한 동일한 회전속도에서 분사압력이 0.6㎏f/㎟에서 0.8㎏f/㎟로 증가함에 따라 결정립크기는 감소하였으며, 휠의 회전속도가 10m/s∼50m/s로 증가함에 따라 미세조직은 등축정, 주상정 및 섬유조직으로 변화하였다.

따라서 상기한 방법과 같이 적당한 급속응고조건을 확립하므로써 본 발명 Cu-Al-Ni계 형상기억합금 리본은 형상이 균일하고 리본이 서로 겹치지 않는 형상기억합금 리본을 얻을 수 있었으며, 이때 두께 30∼110㎛, 폭 1.2∼3.7㎜인 형상기억합금 리본을 얻을 수 있었다. 또한 결정립 크기가 6㎛이하일 때 기계적 성질이 향상되었으며, 센서 및 엑츄에이터의 소자로서 형상기억 리본을 적용할 때 빠른 응답속도를 기대할 수 있는 것이다.

이하 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명하기로 한다.

실시예

리본 출구를 2m 연장한 맬트스피닝 장치에서 외경 14㎜, 노즐 직경이 0.6㎜인 석영관 내에 6g의 준비된 모합금을 장입하고 휠과 노즐사이의 간격을 3㎜로 유지한 후 460 torr의 He 가스분위기에서 유도가열장치를 이용하여 용해하였으며, 10m/s∼50m/s로 회전하는 지름 200㎜의 동제 휠 표면에 0.6㎏f/㎟∼0.8㎏f/㎟의 분사압력으로 용탕을 분사하여 형상기억 리본을 제조하였다.

이때 모합금은 Cu 82~85wt%, Al 12~14wt% Ni 3~4wt%으로 배합된 Cu, Al 및 Ni 금속지금을 고주파 진공유도 용해로의 흑연도가니에 장입하고 용해한 후 얻어진 주괴를 24시간 동안 균질화처리 한 다음 대기중에서 냉각하여 제조하였다.

상기 Cu-Al-Ni계 형상기억 리본 제조용 모합금은 변태온도가 150℃ 이상이 되도록 설계하여 고주파 진공유도 용해로에 넣고 Ar가스 분위기에서 용해한 후 얻어진 주괴를 β상의 온도 영역인 850℃서 24시간 동안 균질화처리 한 다음 대기중에서 냉각하여 제조하였으며, 석영관은 유리 세공용 토오치가 부착된 산소용접기로 외경이 14㎜인 석영관을 노즐형상으로 가공하였으며 가공된 노즐형상의 석영관을 절단기로 15㎝의 길이로 절단하고, 15㎝ 길이의 노즐형상의 석영관을 0.6㎜의 금형핀으로 노즐직경을 측정하면서 연마기에 부착된 #600의 sand paper로 가공하여 제작하였다. 이때 상기 모합금 용해시간은 300sec∼350sec로 하였다.

상기와 같은 맬트스피닝 장치를 이용하여 제조된 본 발명 Cu-Al-Ni계 형상기억합금 리본은 형상기억합금의 다양한 응용에 장애요인이 되는 기계적 성질을 향상시켰으며, 센서 및 엑츄에이터의 소자로서 형상기억 리본을 적용할 때 빠른 응답속도를 기대할 수 있는 효과를 갖는 것이다.

Claims (4)

1. 맬트스피닝장치를 이용하여 제조한 구리-알루미늄-니켈계 형상기억합금 리본에 있어서 상기 리본의 결정립 크기가 6㎛이하이며, 30∼110㎛의 두께 및 1.2∼3.7㎜의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 구리-알루미늄-니켈계 형상기억합금 리본.
2. Cu, Al 및 Ni 금속지금을 고주파 진공유도 용해로의 흑연도가니에 장입하고 용해한 후 얻어진 주괴를 24시간 동안 균질화처리 한 다음 대기중에서 냉각하여 형상기억합금 리본 제조용 모합금을 제조하는 단계와, 노즐 직경이 석영관에 준비된 모합금을 장입하고 유도가열장치를 이용하여 용해하는 단계와, 회전하는 동제 휠 표면에 상기 용해된 모합금을 분사하여 30∼110㎛의 두께 및 1.2∼3.7㎜의 폭을 갖는 형상기억합금 리본을 얻는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는구리-알루미늄-니켈계 형상기억합금 리본의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서 상기 금속지금의 배합률은 Cu 82~85wt%, Al 12~14wt%, Ni 3~4wt%으로 구성되어짐을 특징으로 하는 구리-알루미늄-니켈계 형상기억합금 리본의 제조방법
4. 제 2항에 있어서 상기 용해된 모합금의 분사압은 0.6㎏f/㎟∼0.8㎏f/㎟ 이고, 휠의 회전속도는 10m/s∼50m/s임을 특징으로 하는 구리-알루미늄-니켈계 형상기억합금 리본의 제조방법