KR20030076400A

KR20030076400A - 탄화니오브 첨가 철-망간-규소계 형상기억합금의가공열처리방법

Info

Publication number: KR20030076400A
Application number: KR10-2003-0017389A
Authority: KR
Inventors: 키쿠치타케히코; 카지와라세츠오; 바르호알베르토.; 오가와카즈유키; 신야노리오
Original assignee: 도쿠리츠교세이호징 붓시쯔 자이료 겐큐키코
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2003-09-26
Also published as: US6855216B2; EP1348772A1; EP1348772B1; JP2003277827A; CN1445372A; US20040007293A1; KR100555645B1; CN1274853C

Abstract

트레이닝이라는 특수처리를 실시하지 않아도 형상기억특성을 나타내는 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금을 제공한다.

Nb 및 C가 첨가된 Fe-Mn-Si계 형상기억합금을 오스테나이트 상태에 있어서 500∼800℃의 온도범위에서 10∼30%의 압연가공을 행한 후, 400∼1000℃의 온도범위에서 1분∼2시간의 가열에 의한 시효열처리를 행한다.

Description

탄화니오브 첨가 철-망간-규소계 형상기억합금의 가공열처리방법{METHOD OF PROCESSING AND HEAT-TREATING NbC-ADDED Fe-Mn-Si-BASED SHAPE MEMORY ALLOY}

본 출원의 발명은, NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 출원의 발명은 트레이닝 없이도 양호한 형상기억특성을 나타내는 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 형상기억특성을 더욱 높일 수 있는, NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법에 관한 것이다.

Fe-Mn-Si계 형상기억합금은 1980년대 초에 일본에서 발명되었지만, 이 합금이 널리 보급되지 않은 최대의 이유는 이 합금이 트레이닝이라 일컬어지는 특수한 가공열처리를 하지 않으면 충분한 형상기억합금 효과를 나타내지 않는 것에 있다. 트레이닝이란, 실온에서 2∼3%의 변형을 실시한 후, 역변태점 이상의 600℃ 근방에서 가열한다는 처리를 수회 이상 반복하는 것이다. 최근에, 우리들은 이 Fe-Mn-Si계 형상기억합금에 Nb와 C원소를 소량 첨가하여 적당한 시효가열처리에 의해, 미세한 NbC 탄화물을 석출시킴으로써 트레이닝 없이 충분히 양호한 형상기억효과를 나타내는 것을 발견하여 출원하였다(일본 특허출원2000-32478). 또, NbC 첨가의 Fe-Mn-Si계 형상기억합금을 오스테나이트 상태에서 가공한 후, 시효하면 더욱 우수한 형상기억특성이 얻어지는 것도 새롭게 발견하여 특허출원하였다(일본 특허출원2001-296901). 본 출원의 발명은, 이들 선출원 발명을 더욱 개선하고자 한 것이다. 즉, NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 압연율을 다양하게 변화시켜 형상기억특성이 가장 양호한 부분을 탐색함으로써 압연효율을 높이고자 한 것이다.

도 1은 형상회복율의 비교를 나타내는 도면,

도 2는 형상회복력의 비교를 나타내는 도면이다.

본 출원의 발명자들은, 먼저 출원한 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 형상기억특성의 새로운 향상에 대하여 예의연구한 결과, 400∼1000℃의 온도범위에서 1분∼2시간의 가열에 의한 시효처리를 행하고, NbC를 석출시키는데 앞서, 용제후의 합금에 대하여 오스테나이트 상태에서 500∼800의 온도범위에서 10∼30%의 압연가공을 행하면, 모든 변형량에 있어서 형상회복율 및 형상회복력이 향상된다는 것을 알았다. 즉, 본 출원의 발명은, 첫번째로는, Nb 및 C가 첨가된 Fe-Mn-Si계 형상기억합금을 오스테나이트 상태에 있어서 500∼800℃의 온도범위에서 10∼30%의 압연가공을 행한 후, 400∼1000℃의 온도범위에서 1분∼2시간의 가열에 의한 시효처리를 행하는 것을 특징으로 하는 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법을 제공하고, 두번째로는, 상기 방법에 있어서, Fe-Mn-Si계 형상기억합금이, 합금성분으로서 15∼40중량%의 Mn, 3∼15중량%의 Si, 0.1∼1.5중량%의 Nb 및,0.01∼0.2중량%의 C를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이고, Nb와 C의 원자비(Nb/C)가 1이상인, NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법을 제공하며, 또, 본 출원의 발명은, 세번째로는, NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금이 합금성분으로서, 5∼40중량%의 Mn, 3∼15중량%의 Si, 1∼20중량%의 Cr, 0.1∼1.5중량%의 Nb 및, 0.01∼0.2중량%의 C를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이고, Nb와 C의 원자비(Nb/C)가 1이상인 청구항 1에 기재의 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법을 제공한다. 그리고 본 출원의 발명은, 네번째로는 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금이 합금성분으로서, 5∼40중량%의 Mn, 3∼15중량%의 Si, 1∼20중량%의 Cr, 0.1∼20중량%의 Ni, 0.1∼1.5중량%의 Nb 및, 0.01∼0.2중량%의 C를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이고, Nb와 C의 원자비(Nb/C)가 1이상인 청구항 1기재의 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법을 제공하고, 또 다섯번째로는, Nb와 C의 원자비가 1.0∼2.0인 청구항 2 내지 4중 어느 하나에 기재의 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법을 제공한다. 그리고, 본 출원의 발명은 여섯번째로는, NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금이 불순물 성분으로서 3중량%이하의 Cu, 2중량%이하의 Mo, 10중량%이하의 Al, 30중량%이하의 Co, 또는 5000ppm이하의 N중 1종 이상을 함유하는 청구항 2 내지 5중 어느 하나에 기재의 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법을 제공하는 것이다.

본 출원의 발명은, 압연율을 10∼30%로 특정함으로써 형상기억특성을 현저하게 향상시킨 것이지만, 본 발명에서 사용하는 형상기억합금재는 이하와 같은 화학조성(중량%)의 것이 사용된다.

<Fe-Mn-Si>

Mn : 15∼40

Si : 3∼15

Nb : 0.1∼1.5

C : 0.01∼0.2

Fe : 잔부

<Fe-Mn-Si-Cr>

Mn : 5∼40

Si : 3∼15

Cr : 1∼20

Nb : 0.1∼1.5

C : 0.01∼0.2

Fe : 잔부

<Fe-Mn-Si-Cr-Ni>

Mn : 5∼40

Si : 3∼15

Cr : 1∼20

Ni : 0.1∼20

Nb : 0.1∼1.5

C : 0.01∼0.2

Fe : 잔부

상기 어떤 합금에 있어서도 니오브와 탄소의 원자비(Nb/C)는 1이상, 보다 바람직하게는 1.0∼1.2인 것이 필요하다. 그리고, 또한 불순물로서

Cu : ≤3

Mo : ≤2

Al : ≤10

Co : ≤30

N : ≤5000(ppm)

등을 고려할 수 있다. 물론, 본원 발명의 어떤 방법에 있어서도 불가피적 불순물의 혼합은 허용된다.

본 출원의 발명의 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법에서는, 상술한 바와 같이 Nb 및 C가 첨가된 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금을 오스테나이트 상태에서 500∼800℃의 온도범위에서 10∼30%의 압연가공을 행한 후, 400∼1000℃의 온도범위에서 1분∼2시간의 가열에 의한 시효처리를 행한다. 400∼1000℃의 온도범위에서 1분∼2시간의 가열에 의한 시효처리를 행하고, NbC를 석출시키는데 앞서, 용제후의 합금에 대하여 오스테나이트 상태에서 600∼800℃의 온도범위에서 10∼30%의 압연가공(이른바 온간가공)을 행하면, 모든 변형량에 있어서 형상회복율이 향상된다. 실용적으로 필요로 하는 변형량은 약 4%이지만, 본 출원의 발명은 이것보다 큰 변형량에 있어서도 충분히 양호한 형상회복율을 나타내고 있고실용합금으로서 사용가능하다. 또, 그것에 따라서 형상회복력도 증대하여 있다. 형상회복력은 실용상 중요한 형상기억특성의 하나이다.

본 출원의 발명의 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법에 있어서, 상기 시효처리 전에 행하는 압연가공시의 온도범위를 500∼800℃로 한정한 것은, 500℃미만의 온도에서는 응력유기 마르텐사이트(martensite)가 발생하고, 또 800℃를 초과하는 온도에서는 동적 재결정이 일어나, 형상기억특성의 개선에 유효하게 되지 않기 때문이다.

또, 본 출원의 발명은 압연가공율을 10∼30%로 함으로써, 도 1 및 도 2에 표시되어 있는 바와 같이 5회 트레이닝을 행한 것과 동일한 정도의 형상회복율과 그 이상의 형상회복력을 갖고 있는 것으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 본 출원의 발명의 효과는 명백하다.

그리고, 본 출원의 발명의 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리법에 있어서, 상기 압연가공후에 행하는 시효처리의 온도범위가, 상술의 특허출원의 발명에 있어서의 온도범위보다 낮게 설정되어 있지만, 이것은 시효처리전의 압연가공에 의해 매 상(相)에 변형이 축적되어 있는 것에 기인한다.

(실시예)

본 출원의 발명을 도 1 및 도 2에 따라서 더욱 상세하게 설명한다. 우선, 본 발명의 Fe-28Mn-6Si-5Cr, Nb 및 C가 첨가된 Fe-Mn-Si계 형상기억합금을 오스테나이트 상태에서 500∼800℃의 온도범위에서 10∼30%의 압연가공을 행한 후, 400∼1000℃의 온도범위에서 1분∼2시간의 가열에 의한 시효처리를 행함으로써 형상기억성이어떻게 개선되는지를 이하에 나타낸다.

도 1은 시효만을 실시한 경우(0% 압연)와 600℃에서 6%, 14%, 20%로 압연한 후에 시효한 경우의 형상회복율의 차이를 나타낸 그래프이다. 시효는, 모두 800℃에서 10분간 행하였다. 비교를 위하여 NbC를 첨가하지 않은 Fe-28Mn-6Si-5Cr 합금에 대하여, 소둔한 채의 시료와 5회 트레이닝한 시료의 결과를 나타내고 있다. 횡축은 실온에 있어서의 인장변형에 의한 변형량이고, 종축의 회복율은 시료를 600℃로 가열한 경우의 신장의 형상회복율이다. 400℃까지 가열한 경우도 이것과 대략 동일한 형상회복율이 얻어진다. 사용한 시료편의 형상은 두께 0.6㎜, 폭 1-4㎜, 두께(게이지 길이) 15㎜이다. 이 도면에서 알수 있는 바와 같이, 14%, 20%의 압연한 시료는 그 형상기억회복율이 5회 트레이닝한 NbC 무첨가의 합금과 완전히 같은 정도인 것으로 되어 있다.

도 1을 보면 선원 발명(일본 특허출원 2001-296901)에 있어서 표시된 실시예인 6%압연의 경우는, 변형이 큰 범위에서는 트레이닝한 시료와 비교하여 약간 떨어진다. 실용적으로 필요한 변형량은 4%이라고 생각된다. 이 변형에 있어서도, 95%의 형상기억회복율을 나타내고 있는 것은, 6%압연에서도 실용합금으로서 사용가능한 것을 강하게 시사하고 있다. 이것과 동일한 형상회복율을 NbC 무첨가의 통상의 Fe-Mn-Si계 형상기억합금에서 얻기 위해서는 적어도 5회의 트레이닝이 필요하다. 형상회복력은 실용상 중요한 형상기억특성의 하나이지만, 도 2는 14%, 20% 압연후 시효한 시료의 형상회복력을 시효만의 경우와 6%압연후 시효한 경우와 비교하여 나타내고 있다. 횡축의 회복변형은, 시료가열에 의해서 회복력을 나타내기 시작하기까지허용되는 변형을 의미한다. 예를 들면, 파이프의 체결부품에 사용한 경우의 허용되는 파이프와 체결부품(형상기억합금)의 클리어런스의 정도를 직경에 대한 비율(%)로 나타낸 것과 동등하다고 해석할 수 있다. 회복변형이 제로일 때의 회복력은, 실온에서 인장변형한 후 그대로 양단을 고정하여 역변태온도 이상(400℃)으로 가열하고, 또 다시 실온으로 되돌렸을 때의 응력이고, 또, 회복변형이 예를 들면 3%일 때의 회복력은 변형이 3% 회복한 후에 양단을 고정하여 측정한 발생응력이다. 실온에서 주어진 초기의 변형은 4%∼6%이다. 시험편의 형상은 도 1의 결과를 얻는데 사용한 것과 동일하다. 이 도면의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 압연율 0%(시효만을 실시한 경우), 압연율 6%일 때와 비교하여 고압연율(14%, 20%)의 경우는 형상회복력이 현저한 증대가 보인다.

특기할만한 것은, 트레이닝을 실시한 NbC 무첨가의 합금보다 더욱 큰 회복력을 나타내고 있는 것이다. 또, 큰 회복변형에서도 상당히 높은 형상회복력을 나타내는 것도 주목할 만한 것이다.

이와 같이, 본 출원의 발명은, 선출원 발명에 비교하여 압연율을 10∼30%로 한정함으로써 형상기억특성이 현저하게 개량되어 있는 것이 판명되어 특허출원한 것이다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 출원의 발명에 의해서, 종래와 같은 트레이닝이라는 복잡한 가공열처리를 실시할 필요가 없고, 열간압연과 그 후의 시효열처리만으로, 용이하게 형상기억특성을 현저하게 향상시킬 수 있다. 트레이닝 처리를 필요로 하는 종래의 합금과는 달리 어떠한 형상의 합금부품 등에도 적용할 수 있다. 예컨대, 체결부재(수도관이나 가스관, 석유수송관 등의)로서 사용할 수 있고, 용접에 의한 체결의 필요가 없어져, 용접한 경우에 발생하는 용접부의 약체화나 부식의 위험성을 피할 수 있다.

Claims

Nb 및 C가 첨가된 Fe-Mn-Si계 형상기억합금을 오스테나이트 상태에 있어서 500∼800℃의 온도범위에서 10∼30%의 압연가공을 행한 후, 400∼1000℃의 온도범위에서의 가열에 의한 시효처리를 행하는 것을 특징으로 하는 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법.
제1항에 있어서, Fe-Mn-Si계 형상기억합금이, 합금성분으로서 15∼40중량%의 Mn, 3∼15중량%의 Si, 0.1∼1.5중량%의 Nb 및, 0.01∼0.2중량%의 C를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이고, Nb와 C의 원자비(Nb/C)가 1이상인 것을 특징으로 하는 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법.
제1항에 있어서, NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금이, 합금성분으로서 5∼40중량%의 Mn, 3∼15중량%의 Si, 1∼20중량%의 Cr, 0.1∼1.5중량%의 Nb 및, 0.01∼0.2중량%의 C를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이고, Nb와 C의 원자비(Nb/C)가 1이상인 것을 특징으로 하는 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법.
제1항에 있어서, NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금이, 합금성분으로서 5∼40중량%의 Mn, 3∼15중량%의 Si, 1∼20중량%의 Cr, 0.1∼20중량%의 Ni,0.1∼1.5중량%의 Nb 및, 0.01∼0.2중량%의 C를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이고, Nb와 C의 원자비(Nb/C)가 1이상인 것을 특징으로 하는 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, Nb와 C의 원자비가 1.0∼2.0인 것을 특징으로 하는 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금이, 불순물 성분으로서 3중량%이하의 Cu, 2중량%이하의 Mo, 10중량%이하의 Al, 30중량%이하의 Co, 또는 5000ppm이하의 N중 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 NbC 첨가 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 가공열처리방법.