KR20070116403A

KR20070116403A - Ｔｉ－Ｎｉ계 경사기능 합금의 제조방법 및 그로부터제조된 Ｔｉ－Ｎｉ계 경사기능 합금

Info

Publication number: KR20070116403A
Application number: KR1020060050410A
Authority: KR
Inventors: 남태현; 김기원; 안효준; 조권구; 안주현; 조규봉; 인농 리우; 이정무; 이연정; 유철암
Original assignee: 경상대학교산학협력단
Priority date: 2006-06-05
Filing date: 2006-06-05
Publication date: 2007-12-10
Also published as: US20090071577A1; JP2009536265A; WO2007142380A1; KR100807393B1

Abstract

본 발명은 Ti-Ni계 합금을 냉간가공하고, 일정한 온도구배 하에서 어닐링 열처리하여 제조된, 비례제어가 용이한 Ti-Ni계 경사기능 합금에 관한 것으로, 이렇게 처리된 Ti-Ni계 경사기능 합금은 형상기억효과 및 초탄성을 갖는 동시에 온도변화에 따라 연속적인 형상변화를 나타내어 경사기능 효과가 발생한다.

형상기억효과, 초탄성함금, 온도구배 열처리

Description

Ｔｉ－Ｎｉ계 경사기능 합금의 제조방법 및 그로부터 제조된 Ｔｉ－Ｎｉ계 경사기능 합금{Process for making Ti-Ni based functionally graded alloys and Ti-Ni based functionally graded alloys produced thereby}

도 1은 일정온도에서 열처리한 형상기억합금의 변형률-온도 곡선을 도시한 그래프이다.

도 2는 경사기능 형상기억합금의 변형률-온도 곡선을 도시한 그래프이다.

도 3은 용체화처리 된 Ti-50.0Ni(at%) 합금과 온도구배 열처리한 Ti-50.0(at%) 합금의 시차주사열분석곡선이다.

도 4는 본 발명에 따라 Ti-50.0Ni(at%) 합금을 25% 냉간가공한 후 658 K - 466 K의 온도구배하에서 어닐링 열처리한 선재의 위치별 Ms를 정리한 결과이다.

도 5는 본 발명에 따라 Ti-50.0Ni(at%) 합금을 25% 냉간가공한 후 823 K - 658 K의 온도구배하에서 어닐링 열처리한 선재의 위치별 Ms를 정리한 결과이다.

도 6은 본 발명에 따라 Ti-50.0Ni(at%) 합금을 65% 냉간가공한 후 823 K - 658 K의 온도구배하에서 어닐링 열처리한 선재의 위치별 Ms를 정리한 결과이다.

도 7은 본 발명에 따라 용체화처리한 Ti-50.0Ni(at%) 합금의 변형률(ε)-온도(T)곡선을 도시한 그래프이다.

도 8은 본 발명에 따라 Ti-50.2(at%) 합금을 25% 냉간가공한 후 658 K - 466 K의 온도구배하에서 어닐링 열처리한 선재의 변형률(ε)-온도(T)곡선을 도시한 그래프이다.

도 9는 본 발명에 따라 Ti-50.2(at%) 합금을 65% 냉간가공한 후 658 K - 466 K의 온도구배하에서 어닐링 열처리한 선재의 변형률(ε)-온도(T)곡선을 도시한 그래프이다.

본 발명은 Ti-Ni계 경사기능 합금에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 Ti-Ni계 합금을 냉간가공하고, 일정한 온도구배 하에서 어닐링 열처리하여 경사기능을 부여하도록 하는 Ti-Ni계 경사기능 합금의 제조 방법 및 그로부터 제조된 Ti-Ni계 경사기능 합금에 관한 것이다.

Ti-Ni계 형상기억합금은 냉간가공하고, 일정한 온도에서 어닐링하고, 하중을 부여한 상태에서 온도를 저하시키면 마르텐사이트변태 개시온도(Ms)에서 급격한 변형이 발생하고, 그 후 온도를 상승시키면 역변태 개시온도(As)에서 급격한 변형의 회복이 발생한다(도 1 참조). 이와 같이 특정 온도에서 급격한 변형이 발생하고 회복하는 현상을 이용하여 Ti-Ni계 형상기억합금은 각종 온-오프(on-off) 스위치용 액츄에이터에 응용되고 있다.

한편, 이러한 Ti-Ni계 형상기억합금을 로봇용 액츄에이터 소자로 응용하는 경우 비례제어를 통한 정확한 위치제어가 가능하여야 한다. 그러나 기존의 Ti-Ni 계 형상기억합금은 특정온도에서 급격한 변형이 발생하기 때문에 온-오프 스위치용 액츄에이터로는 적합한 특성을 갖지만, 비례제어용 액츄에이터로는 적합하지 못하였다.

본 발명자들은 이와 같은 형상기억합금이 특정온도에서 급격한 변형이 발생하는 문제점을 극복하기 예의 노력을 기울인 결과 본 발명에 이르게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 동일한 Ti-Ni계 합금 내에서 변태온도(Ms와 As)가 연속적으로 변화하도록 하여, 넓은 온도 범위에 걸쳐 변형이 점진적으로 발생할 수 있도록 함으로써, 비례제어가 용이한 Ti-Ni계 경사기능 합금의 제조방법을 제공하는데 있다(도 2 참조).

상기와 같은 목적은 냉간가공한 Ti-Ni계 합금을 온도구배하에서 어닐링 열처리함으로써 동일한 합금 내에서 변태온도를 연속적으로 변화시켜 형상기억효과 및 초탄성을 가지는 동시에 온도변화에 따라 연속적인 형상변화를 나타내는 경사기능 효과를 갖도록 함으로써 달성된다.

본 발명은 Ti-Ni계 합금을 냉간가공하고, 일정한 온도구배 하에서 어닐링 열처리하여 경사기능을 부여하여 비례제어가 용이하도록 하는 Ti-Ni계 경사기능 합금의 제조방법을 제공한다.

바람직한 냉간가공 범위는 25 내지 65 %이며, 823 내지 466 K의 온도구배로 어닐링 열처리하는 것이 특히 바람직하다.

본 발명은 상기의 방법에 따라 처리된 비례제어가 가능한 Ti-Ni계 경사기능 합금을 제공한다.

선재 또는 판재형의 다양한 형태의 Ti-Ni계 합금을 필요에 따라 처리할 수 있으며, 이렇게 처리된 Ti-Ni계 합금은 합금 내에서 변태온도를 연속적으로 변화시켜 형상기억효과 및 초탄성을 가지는 동시에 온도변화에 따라 연속적인 형상변화를 나타내는 경사기능 효과를 갖게 되며, 변형률 회복속도(dε/dT)가 기존의 합금에 비해 작아지므로, 비례제어를 통한 위치제어가 용이하기 때문에 로봇용 액츄에이터와 같이 정밀 위치제어가 사용할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고, 이를 중심으로 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 하지만, 이들 실시예로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

실시예 1

Ti-50.0Ni(at%) 합금을 용체화처리 한 후의 시차주사열분석곡선을 도 3(a)에 나타내었다. 여기서 냉각과 가열 중 각각 1개 씩의 피크가 나타난 것을 알 수 있다. 이 피크는 B2(Cubic)-B19'(Monoclinic) 마르텐사이트변태에 기인한다.

도 3(b), (c), (d) 및 (e) 는 25 % 냉간가공한 Ti-50.0Ni 합금을 658 내지 466 K의 온도구배하에서 어닐링 열처리한 후 도 3(f)에 표시한 위치에서 시편을 채취하여 시차주사열분석한 결과를 나타낸 것으로, 냉각 및 가열시에 폭이 넓은 피크가 관찰된다. 특히 어닐링 온도가 낮은 구역에서 채취한 시편의 피크가 더 넓음을 알 수 있다.

온도구배열처리 전 Ti-50.0Ni(at%) 합금을 25 내지 65 % 범위내에서 냉간가공하였다. 이는 25% 이하로 냉간가공하면 열처리 후 온도변화가 작아 경사기능특성을 얻을 수 없고, 65 % 이상은 냉간가공이 불가능하기 때문이다. 온도구배 열처리는 823 내지 466 K의 온도구배를 갖는 열처리로를 이용하여 실시하였다. 단 65 % 냉가가공한 경우 823 내지 658 K의 온도구배에서 열처리하였는데, 이는 658 내지 466 K 온도구배 열처리하면 변형율이 1 % 이하로 작아 액츄에이터소자로서 적합하지 않았기 때문이다.

본 발명의 실시예에서는 Ti-Ni계 합금으로 Ti-50.0Ni(at%) 합금을 사용하였으나, 이 외에도 다를 Ti-Ni계 합금을 사용할 수도 있고, 그러한 경우에도 유사한 결과가 얻어을 수 있다.

실시예 2

길이 150 mm의 Ti-50.0Ni(at%) 합금 선재를 25 % 냉간가공하고, 658 내지 466 K의 온도구배 하에서 어닐링 열처리한 후 5 mm 간격으로 시편을 채취하여 시차주사열분석하였다. 측정한 Ms를 정리하여 그 결과를 도 4에 나타내었다. Ms는 위치가 변화함에 따라 연속적으로 변화함을 알 수 있다. 25 % 냉간가공 후 658 내지 466 K의 온도구배 하에서 어닐링 열처리한 경우 길이 150 mm 선재에서 Ms의 변화는 약 19 K 이다.

실시예 3

길이 150 mm의 Ti-50.0Ni(at%) 선재를 25% 냉간가공 하고, 823 내지 658 K의 온도구배 하에서 어닐링 열처리한 후, 5 mm 간격으로 시편을 채취하여 시차주사열분석하였다. 측정한 Ms를 정리하여 그 결과를 도 5에 나타내었다. Ms는 위치가 변화함에 따라 연속적으로 변화함을 알 수 있다. 25 % 냉간가공 후 823 내지 658 K의 온도구배 하에서 어닐링 열처리한 경우 길이 150 mm 선재에서 Ms의 변화는 약 14 K 이다.

실시예 4

길이 150 mm의 Ti-50.0Ni(at%) 판재를 65% 냉간가공 하고, 823 내지 658 K의 온도구배 하에서 어닐링 열처리한 후, 5 mm 간격으로 시편을 채취하여 시차주사열분석하였다. 측정한 Ms를 정리하여 그 결과를 도 6에 나타내었다. Ms는 위치가 변화함에 따라 연속적으로 변화함을 알 수 있다. 65 % 냉간가공 후 823 내지 658 K의 온도구배 하에서 어닐링 열처리한 경우 길이 150 mm 선재에서 Ms의 변화는 약 60 K 이다.

상기와 같이 실시예 2 내지 4 및 도 4 내지 6으로부터, 냉간가공 후 온도구배 어닐링 열처리 하면 동일한 선재 및 판재 내에서 변태온도를 연속적으로 변화시킬 수 있음이 확인할 수 있었다.

실시예 5

Ti-50.0Ni(at%) 합금을 용체화처리한 후 변형률(ε)-온도(T)곡선을 도 7에 나타내었다. 80 MPa의 부하응력하에서 합금을 냉각하면 Ms라고 표시된 온도에서 변형이 발생한다. 이는 B2(Cubic)-B19'(Monoclinic) 마르텐사이트변태에 기인한다. 한편 합금을 가열하면 As라고 표시된 온도에서 변형이 회복한다. 이는 B19'-B2 역변태에 기인한다. 가열시 발생하는 변형률의 회복속도(dε/dT)는 약 1 %/K 이다.

실시예 6

Ti-50.0(at%) 합금 선재를 25 % 냉간가공하고, 658 내지 466 K의 온도구배하에서 어닐링 열처리하였다. 처리된 선재의 변형률(ε)-온도(T)곡선을 도 8에 나타내었다. 80 MPa의 부하응력하에서 합금을 냉각하면 Ms라고 표시된 온도에서 변형이 발생한다. 이는 B2(Cubic)-B19'(Monoclinic) 마르텐사이트변태에 기인한다. 한편, 합금을 가열하면 As라고 표시된 온도에서 변형이 회복한다. 이는 B19'-B2 역변태에 기인한다. 가열시 발생하는 변형률의 회복속도(dε/dT)는 약 0.03 %/K 이다.

실시예 7

Ti-50.0(at%) 합금 선재를 65 % 냉간가공하고, 658 내지 466 K의 온도구배하에서 어닐링 열처리하였다. 처리된 선재의 변형률(ε)-온도(T)곡선을 도 9에 나타내었다. 80 MPa의 부하응력하에서 합금을 냉각하면 Ms라고 표시된 온도에서 변형 이 발생한다. 이는 B2(Cubic)-B19'(Monoclinic) 마르텐사이트변태에 기인한다. 한편, 합금을 가열하면 As라고 표시된 온도에서 변형이 회복한다. 이는 B19'-B2 역변태에 기인한다. 가열시 발생하는 변형률의 회복속도(dε/dT)는 약 0.01 %/K 이다. 65 % 냉간가공한 합금은 658 내지 466 K의 온도범위에서 열처리하면 변형율이 1% 이하로 매우 작기 때문에 액츄에이터용 소자로서 적절하지 못하였다.

상기와 같이 실시예 5 내지 7 및 도 7 내지 9로부터 알 수 있듯이 Ti-Ni계 합금을 냉간가공 후 온도구배 하에서 열처리하면 변형률의 회복속도가 0.03-0.01 %/K가 되어 일정 온도에서 열처리한 경우의 1 %/K에 비해 약 1/30 내지 1/100로 작아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 냉간가공 후 온도구배하에 어닐링 열처리 방법으로 비례제어용 Ti-Ni계 합금을 제조할 수 있음을 알 수 있다.

상기에 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 처리된 Ti-Ni계 합금은 형상기억효과 및 초탄성을 갖는 동시에 변형률 회복속도(dε/dT)가 기존의 합금에 비해 1/30 - 1/100로 작아진다. 이러한 저 변형율 회복속도를 가지는 Ti-Ni계 합금은 비례제어를 통한 위치제어가 용이하기 때문에 로봇용 액츄에이터와 같이 정밀 위치제어가 필요한 산업분야에 유용한 발명이다.

Claims

Ti-Ni계 합금을 냉간가공하고, 온도구배하에서 어닐닝 열처리하여 경사기능을 부여하는 Ti-Ni계 경사기능 합금의 제조방법.
제1항에 있어서, 냉간가공을 25 내지 65 % 로 행하고, 823 내지 466 K의 온도구배로 어닐닝 열처리하는 것을 특징으로 하는 Ti-Ni계 경사기능 합금의 제조방법.
제1항 또는 제2항의 방법에 따라 제조된 비례제어가 가능한 Ti-Ni계 경사기능 합금.
제3항에 있어서, 상기 합금의 변형률 회복속도가(dε/dT)가 1/30 내지 1/100 로 감소 된 것을 특징으로 하는 Ti-Ni계 경사기능 합금.