KR20030027522A - 일방향 응고조직을 갖는 구리-알루미늄-니켈계 초탄성합금선재와 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재를 제조하는 방법에 있어서 공지의 주형가열식 연속주조로를 이용하여 일방향 응고조직을 갖는 구리-알루미늄-니켈계 초탄성합금 선재를 제공하기 위한 것이다. 또 Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재를 제조하기 위하여 용탕 유지로의 온도는 1150℃로 유지하고 가열주형은 1080℃의 온도를 유지하도록 하며, 주조속도는 0.66mm/s ~ 1.0mm/s로 하여 1∼5mm범위의 직경을 갖는 Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재의 제조방법을 제공하고자 한다. 따라서 본 발명은 가급적 주조속도를 빨리하므로써 생산성 향상 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 최적의 연속주조 조건을 확립하므로써 초탄성합금 선재의 결정립을 미세화시켜 기계적 성질을 개선시킬 수 있도록 하는 효과를 갖는 것이다.

Description

일방향 응고조직을 갖는 구리-알루미늄-니켈계 초탄성합금 선재와 그의 제조방법{Cu-Al-Ni based superelastic alloys wire with unidrectional structure and it's manufacturing method}

본 발명은 일방향 응고조직을 갖는 구리-알루미늄-니켈계 초탄성합금 선재(線材)와 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 통상적으로 등축 결정립을 갖는 구리-알루미늄-니켈(Cu-Al-Ni)계 초탄성합금으로부터 응고조건을 제어하여 일방향 응고조직을 갖는 합금 선재를 제조하여 기계적 성질을 개선한 구리-알루미늄-니켈계 초탄성합금 선재와 그의 제조방법에 관한 것이다.

현재 초탄성합금은 Cu계, Ni-Ti계 및 Fe계 등이 있으며 이러한 초탄성합금은온도센서, 엑츄에이터, 열엔진, 로봇팔, 생체재료, 파이프체결단자, 안경프레임 및 브레지어 등과 같이 전기, 전자, 운수, 의료 및 생활용품 등에 이르기까지 광범위하게 산업전반에 이용되고 있다.

특히 최근에는 초탄성합금의 ASET(Active Strain Tunning), ASC(Active Shape Control), 및 AMM(Active Modal Modification) 등과 같은 초탄성합금의 독특한 성질을 이용하여 생체모방형 미소기계, 수송기계의 진동감쇠 및 동력원, 마이크로 엑츄에이터 소자 등 지능재료(Smart Materials)로서의 응용에 대한 연구가 진행되고 있다.

현재 이용되고 있는 초탄성합금 중 Cu-Al-Ni계 초탄성합금은 Ni-Ti계에 비해 가격이 저렴하고 비교적 변태온도가 높기 때문에 Ni-Ti계와는 다른 용도를 창출할 수 있는 초탄성합금이다.

그러나 Cu-Al-Ni계 초탄성합금은 등축립의 다결정 상태에서는 조대한 결정립과 큰 탄성 이방성때문에 낮은 응력하에서도 결정립계에서 쉽게 균열이 생성되어 취성파괴에 이르게 된다. 이와 같은 Cu-Al-Ni계 합금의 다결정 상태에서의 매우 열악한 기계적 성질은 Cu-Al-Ni계 초탄성합금의 실용화에 많은 장애가 되고 있는 실정이다.

따라서 지금까지 Cu-Al-Ni계 초탄성합금의 이러한 단점을 보완하기 위해 결정립을 미세화시켜 기계적 성질을 개선시키고자 하는 방법들이 강구되고 있으나 결정립이 미세화된 Cu-Al-Ni계 다결정 합금의 연신율은 5-8％로서 극히 취약한 상태가 되며 특히 석출물의 생성에 의한 변태특성의 저하 또는 결정립 성장 등의 문제점을 갖기 때문에 Cu-Al-Ni계 초탄성합금의 산업적 이용은 매우 제한되는 단점을 갖는다.

본 발명은 종래 등축립을 갖는 다결정 Cu-Al-Ni계 초탄성합금의 미세조직을 제어하여 기계적 성질을 획기적으로 개선하기 위한 일방향 응고조직을 갖는Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재를 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 또다른 목적은 공지의 주형가열식 연속주조로를 이용하여 Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재를 제조하되 용탕 유지로의 온도는 1150℃로 유지하고 가열주형은 1080℃의 온도를 유지하도록 하며, 주조속도는 0.66mm/s ~ 1.0mm/s로 하여 1∼5mm범위의 직경으로 주조되는 일방향 응고조직을 갖는 Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1 - 주형가열식 연속주조로를 도시한 참고도.

도 2 - 가열주형식 연속주조법에 의해 제조된 각 시편의 사진도.

도 3 - 가열주형식 연속주조법에 의해 제조된 각 시편의 사진도.

본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 즉 본 발명은 등축립을 갖는 다결정 Cu-Al-Ni계 초탄성합금의 미세조직을 제어하여 일방향 응고조직을 갖도록 하므로써 연신율을 향상시킨 Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재를 제조하기 위해 공지의 가열주형식 연속주조법을 사용하였다.

상기 가열주형식 연속주조법은 종래의 연속주조에서 사용하는 냉각주형 대신에 주조금속의 응고온도 이상으로 가열한 주형을 이용하여 주형의 벽면에서 결정이 생성하는 것을 저지하기 위하여 용탕의 응고를 주형 외부에서 진행하도록 함으로써 등축정이 없는 단결정 및 일방향응고 조직의 주괴를 연속적으로 얻을 수 있는 것이나, 현재까지 이 방법은 비교적 용해온도가 낮은 알루미늄 합금 또는 순금속에 대해서만 적용되어 왔으며, 용해온도가 높고 합금의 조성변화에 따라 변태특성이 급격히 변하는 Cu계 초탄성합금 제조에는 아직까지 적용된 바 없다.

이처럼 결정립을 미세화시켜 기계적 성질을 개선시킬 수 있도록 하는 Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재를 제조하기 위하여 본 발명은 공지의 가열주형식 연속주조로를 이용하여 Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재를 제조하되 용탕 유지로의 온도는 1150℃로 유지하고 가열주형은 1080℃의 온도를 유지하도록 하며, 주조속도는 0.66mm/s ~ 1.0mm/s로 하여 일방향 응고조직이 형성된 1∼5mm범위의 직경을 갖는 Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재를 제조할 수 있도록 하였다.

이하 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명하기로 한다.

실시예

먼저 Cu, Al 및 Ni 합금을 진공 유도 용해로에서 2.5kg을 용해한 후 자체 제작한 도 1에 도시된 바와같은 구조의 수평식 가열 주형식 연속주조 장치를 이용하여 시편을 제작하였다.

본 발명을 위해 제작한 수평식 가열 주형식 연속주조로는 크게 용해로, 가열주형장치, 용탕 높이 조절장치, 냉각장치 및 인출장치로 구성되어 있으며, 용해로의 가열은 SiC 발열체(76V, 4.47Ω)를 이용하였으며 3개의 SiC 발열체를 각각 직렬로 연결한 후 이들을 병렬로 결선하였으며 이 때 용해로의 전기용량은 약 12kw이었다. 또한 합금을 용해한 후 용탕을 소정의 온도로 유지하기 위하여 프로그래머블 온도조절기를 이용하여 목표온도를 설정하였다.

합금의 용해에는 흑연도가니를 사용하였으며 대기중의 산화를 최소화하기 위해 BN(Boron Nitride)으로 코팅하였다. 또한 용해로 내의 용탕 및 도가니의 산화를 방지하기 위해 용해로 내부에 Ar 가스를 취입하였으며 외부로부터 공기의 유입과 내부의 열이 외부로 방출되는 것을 억제시키기 위해 용해로 상단부와 하단부를 세라믹 단열재를 이용하여 충분히 단열시켰다.

가열주형장치는 실린더 형태의 흑연 주형을 소정의 온도로 가열할 수 있는 매몰식 관상로로 제작하였다. 또한 주형출구단 끝단의 산화 방지 및 균일한 온도분포를 위해 가열주형 출구 끝단 부근에 25mm크기의 BN을 사용하였다. 또한 가열주형 내부의 흑연 주형의 산화를 방지하기 위해 도가니와 마찬가지로 BN으로 코팅하였으며 고순도 Ar 가스로 내부 분위기를 유지하도록 하였고 공기의 유입 및 열의 방출을 막기 위해 세라믹 내화 단열재를 이용하여 충분히 단열하였다.

냉각장치는 동관을 이용하여 지름 1mm정도의 노즐 8개를 원주방향으로 가공하여 물을 분사시키므로 가열주형으로부터 인출되는 주괴를 냉각하였으며 유량은 500㎖/min정도로 하였다. 냉각시 분무되는 냉각수는 냉각장치 하단부를 통하여 배수하였다.

수평방식에 의한 가열주형식 연속주조법에서는 유지로 내의 용탕의 높이는 선재를 인출할 때 가열주형 내의 압력과 관계가 있기 때문에 용탕의 위치가 중요하다. 가열주형 내의 용탕압력은 항상 1기압에 가깝도록 유지되어야 한다.

만약 가열주형 내의 용탕의 압력이 1기압 이상이 되면 주괴의 주조속도에 관계없이 용탕이 break out이 되며 반대로 1기압 이하가 되면 주형내의 용탕 부족으로 목적하는 크기의 주괴를 연속적으로 얻을 수 없게 된다. 따라서 유지로 내의 용탕은 주괴가 연속적으로 인출되는 동안 가열주형의 상단부에 거의 일정한 높이를 유지하도록 용탕 높이 조절장치를 설치하였다.

용탕 높이 조절장치는 실린더형 흑연봉과 흑연봉을 상하로 이동시킬 수 있는 기어장치로 구성되었으며 와이어 인출에 따라 용탕면이 주형 상단부 보다 낮아지게 되면 흑연봉을 하강하여 주형상단부 이상으로 용탕면을 상승시켰다. 인출장치는 DC 모터, 감속기어, 타코메타 및 핀치 롤로 구성하였으며, DC 모터의 회전속도는 DC전압에 의해 조절하였으며 주조속도는 모터의 회전수로부터 계산하였다.

상기 유지로 하단으로부터 Ar 가스를 취입하였으며 가열 주형부에도 고순도 Ar 가스를 흐르도록 하여 흑연도가니의 산화를 방지하였다. 또한 용해 유지로와 가열 주형부에서 사용된 흑연 도가니의 산화를 방지하기 위해 BN을 코팅한 고밀도 흑연도가니를 사용하였다. 이때 합금의 냉각곡선으로부터 합금의 액상선은 1056℃이었다. 연속주조 작업시에는 용탕 유지로 내의 온도를 1150℃까지 유지하여 시료를 용해한 후 등온 유지하였으며 가열주형은 1080℃로 유지하였다.

본 발명 시편을 제조하기 위한 모합금은 진공유도 용해로에서 용해한 Cu-Al-Ni계 합금을 선택하였으며, 상기 합금을 수평식 연속주조 장치의 용해로 내에 장입하여 가열 용해한 후 소정의 온도로 유지하였다.

이때 합금의 연속주조 조건은 표 1과 같다.

다음 시편의 주조방법은 용탕 조절 장치에 의해 도가니 내의 탕면 높이를 상승시키고 용탕을 주형 내에 보내어 넣고 주형 출구단을 막도록 설치한 스테인레스 더미바에 용탕을 접촉시켰다. 그 후에 주형 외측의 출구단으로부터 40mm 위치에서 25℃, 0.5ℓ/min의 냉각수에 의해 더미바를 냉각시켰으며, 이 때 주형온도가 소정의 온도까지 강하하면 정지시켰던 더미바를 0.17mm/s의 속도로 인출하여 연속주조를 개시하고 주조 개시 후에 주조속도를 0.17∼1.0mm/s 사이로 변화시켜 가며 직경 4mm의 선재를 연속해서 주조하였다.

이때 경면의 일방향응고 또는 단결정 조직을 가진 주괴를 얻기 위해서는 적절한 냉각거리와 주조속도를 결정해야 하는데, 주조속도는 냉각거리가 작아지면 고액계면이 주형내부에 위치하여 응고가 일어나기 때문에 주조속도가 빨라야 하며 냉각거리가 커지게 되면 주조속도는 느려야 한다. 따라서 생산성을 감안한다면 냉각거리를 좁혀 주조속도를 빠르게 하는 것이 유리하다.

이처럼 일정한 용탕 온도 하에서 냉각거리를 좁혀 주조속도를 빠르게 하면 Gs 값이 증가하게 되고 결정성장 속도가 빨라져 보다 미려한 일방향응고 조직을 가진 주괴를 얻게 된다.

그러나 냉각거리를 좁혀 주조속도를 너무 빠르게 할 경우 용탕이 응고되기 전 주형 출구단 쪽으로 용탕이 쏟아져 나와 break out이 되었으며, 이와는 반대로 주조속도를 느리게 하였을 경우는 주형 내에서 응고가 되어 표면에 균열을 형성하는 단점을 갖는다.

도 2는 Cu-Al-Ni합금을 냉각거리를 일정하게 하고 주조속도에 따라 주조된 일방향 응고된 주괴의 표면상태를 촬영한 사진으로, (a)는 0.22mm/s의 주조속도로 주조된 선재를 도시한 것이다. 결국 0.66mm/s의 주조속도 이하에서는 (a)와 같이 선재 표면에 균열이 발생하였다.

(c)는 1.0mm/s의 주조속도로 주조된 선재를 도시한 것이나, break out이 되는 단점을 갖는 것이다.

따라서 보다 미려한 일방향응고 조직을 가진 주괴를 얻기 위해서는 0.66mm/s ~ 1.0mm/s 범위내의 주조 속도를 가져야 하는데, (b)에 도시된 바와 같이 0.88mm/s의 주조속도에서 가장 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

도 3은 Cu-Al-Ni합금의 주조속도에 따른 미세조직을 촬영한 사진으로, (a)는 주조속도가 느린 0.22㎜/s에서 제조된 시편을 촬영한 사진으로 석출물이 가장 많이 나타났으며,(b),(c)는 0.44mm/s와 0.66mm/s의 주조속도에서 제조된 시편의 사진으로 주조속도가 증가함에 따라 석출물이 감소하는 경향을 보이고 있다. 특히 (d)는0.88㎜/s의 주조속도에서 제조된 시편의 사진으로 석출물이 거의 관찰되지 않았다.

결국 실험결과 표 1에 나타난 연속주조 조건으로 주조하였을 때 표면상태가 가장 양호한 주괴를 얻을 수 있었으며, 이처럼 적정조건 하에서 경면의 주괴가 얻어질 수 있는 것은 주형온도가 응고온도 이상이었기 때문에 주괴 표면이 주형으로부터 응고되지 않고 주형 밖에서 얇은 액막이 응고하기 때문으로 판단된다. 또한 적정 주조속도이하에서 표면 균열이 발생하는 것은 가열주형 내에서 고/액 계면이 위치하여 응고주괴가 주형내에 접촉하기 때문으로 판단된다.

이처럼 주조속도가 빨라질수록 일방향 응고 조직이 조대해져서 결정립들이 감소하는 것이 관찰되는데 이것은 냉각속도와 관련이 있는 것으로 생각되어지며 가열주형식 연속주조법에 의해 제조된 주괴가 전체적 일방향 응고 조직을 나타내는 것은 가열주형의 온도를 합금의 응고온도 이상으로 유지하여 주형내의 핵 생성 및 성장이 저지되기 때문이라고 생각된다.

이처럼 본 발명은 가열주형식 연속주조로를 이용하므로써 Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재가 일방향 응고조직을 갖도록 하여 연신율을 향상시키고 표면으로부터 균열을 줄일 수 있는 하였다.

또 주조시 가급적 주조속도를 빨리하므로써 생산성 향상 효과를 얻을 수 있도록 하였으며, 최적의 연속주조 조건을 확립하므로써 초탄성합금 선재의 결정립을 미세화시켜 기계적 성질을 개선시킬 수 있도록 하였다.

Claims (2)

1. 일방향 응고조직을 가지며, 1 내지 5mm의 직경을 갖는 일방향 응고조직을 갖는 구리-알루미늄-니켈계 초탄성합금 선재.
2. Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재를 제조하는 방법에 있어서 공지의 주형가열식 연속주조로를 이용하여 Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재를 제조하되 용탕 유지로의 온도는 1150℃로 유지하고 가열주형은 1080℃의 온도를 유지하도록 하며, 주조속도는 0.66mm/s ~ 1.0mm/s로 하여 Cu-Al-Ni계 초탄성합금 선재가 주조되도록 함을 특징으로 하는 일방향 응고조직을 갖는 구리-알루미늄-니켈계 초탄성합금 선재의 제조방법