KR20110122402A - 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형상기억합금을 제조하는 비례제어 열처리장치에 있어서, 일정한 전압을 인가하여 발열하도록 소정의 간격을 두고 이격되어 구비되어 시료를 가열하는 한 쌍의 발열단자; 상기 시료의 끝단을 한 쌍의 발열단자 사이에 고정하고 시간의 구배에 따라 시료를 이동시키는 시료고정대; 상기 시료고정대에서 연장된 시료를 다른 한 쌍의 발열단자 사이에 통과시키는 시료통과대; 상기 시료고정대와 상기 시료통과대의 거리를 변화시키기 위하여 상기 시료고정대와 연결되고 이를 이동하는 이동수단;를 포함하는 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 종래의 열처리방법인 복사식을 대체하여 시편에 일정한 전류를 인가하는 방식으로 시편에 열처리 구간을 변화시켜 균일한 열처리 아닌 비례제어 특성을 부여할 수 있으며, 상변태를 하는 온도범위가 넓어져 원하는 변태변형량 변위를 정밀하게 조절할 수 있고, 시료에 대한 가열을 연속적, 점진적으로 제어하여 시료를 비례제어하여 열처리할 수 있다.

Description

형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치{Gradation control by dynamic electronic heating machine for shape memory alloys}

본 발명은 비례제어 열처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 형상기억합금 제조에 있어 단일 시료에 열처리 시간의 경과 및/또는 열처리 온도의 변화에 의해 열처리하여 시간구배 및 온도구배를 형성할 수 있고, 변태변형량을 정밀하게 제어할 수 있는 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치에 관한 것이다.

기존의 형상기억합금의 형상기억특성을 제어하기 위하여 복사열을 이용한 균일한 온도의 Furnace를 이용하여 열처리를 한다. 이 경우 형상기억특성이 시편 전체에서 균일하게 나타난다.

균일하게 열처리 된 시료의 경우 도 1과 같이 좁은 온도 구간에서 급속한 변태변형을 가지게 된다. 형상기억합금의 형상기억특성을 결정짓는 인자로는 냉간가공 시 도입된 전위의 양, 석출물의 분포 상태(크기 및 밀도) 그리고 매트릭스 내 Ni 농도가 있으며, 종래의 열처리법으로 이러한 요소를 제어하여 여러 산업분야에 응용되어진다.

기존 열처리법으로 열처리된 형상기억합금의 경우 온오프(on/off) 구동제어가 가능하게 되며 각종센서, 대체 바이메탈, 엑추에이터에 사용되어진다. 그러나 온오프 구동제어는 응용에 한계가 있으며, 특히 온도변화에 따른 정밀한 변태 변형률(변위) 제어가 필요한 엑추에이터에는 사용이 거의 불가능하는 문제점이 있었다.

따라서 이러한 문제점을 극복하여 형상기억 합금의 온도 변화에 따른 정밀한 변태 변형률(변위) 제어를 위해서는 단일 시료의 길이별 구간마다 다른 조건의 열처리 시간 및/또는 열처리 온도로 수행함으로써 동일한 시료 내에서도 구간마다 다른 변태 온도를 가지는 시료를 제작할 필요가 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 단일 시료의 길이별 구간마다 다른 조건의 열처리 시간 및/또는 열처리 온도를 수행할 수 있는 동적 통전가열 비례제어 열처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 동일한 시료 내에서도 구간마다 다른 변태 온도를 가질 수 있도록 한 동적 통전가열 비례제어 열처리장치를 이용하여 형상기억합금을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 동적 통전가열 비례제어 열처리장치를 이용하여 제조된 형상기억합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

형상기억합금을 제조하는 비례제어 열처리장치에 있어서,

일정한 전압을 인가하여 발열하도록 소정의 간격을 두고 이격되어 구비되어 시료를 가열하는 한 쌍의 발열단자;

상기 시료의 끝단을 한 쌍의 발열단자 사이에 고정하고 시간의 구배에 따라 시료를 이동시키는 시료고정대;

상기 시료고정대에서 연장된 시료를 다른 한 쌍의 발열단자 사이에 통과시키는 시료통과대;

상기 시료고정대와 상기 시료통과대의 거리를 변화시키기 위하여 상기 시료고정대와 연결되고 이를 이동하는 이동수단;를 포함하는 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치를 제공한다.

상기 이동수단과 평행하게 설치되고, 상기 시료고정대의 이동을 가이드 하는 가이드레일을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 가이드레일을 서로 연결하여 상기 시료고정대의 이동 안정성을 증가시키는 가이드레일 지지대를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 발열단자에 인가되는 전압을 시간의 흐름에 따라 일정한 주기마다 증가시켜 승온하는 것이 바람직하다.

상기 이동수단은 일정한 시간에 소정의 거리만큼 시료를 자동적으로 이동시키는 것이 바람직하다.

상기 시료고정대와 상기 시료통과대의 거리는 상기 시료의 길이보다 작거나 동일한 것이 바람직하다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

형상기억합금을 제조하는 열처리방법에 있어서,

소정의 간격을 두고 이격되어 구비된 한 쌍의 발열단자를 구비한 시료고정대에 시료를 고정하는 단계;

상기 시료를 시료통과대에 포함된 다른 한 쌍의 발열단자 사이로 통과시키는 단계;

상기 발열단자에 일정한 전압을 인가하여 발열하도록 하여 시료를 가열하는 단계;

상기 시료고정대를 시간의 구배에 따라 이동시켜 상기 시료통과대와의 거리를 변화시키는 단계; 및

상기 시료의 마지막 부분이 시료통과대를 통과한 다음 전압의 인가를 종료하는 단계;를 포함하는 동적 통전가열 비례제어 열처리에 의하여 형상기억합금을 제조하는 방법을 제공한다.

상기 시료를 이동하는 단계에서 상기 발열단자의 온도를 증가시키는 것이 바람직하다.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

상기 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치를 이용하여 제조된 형상기억 합금을 제공한다.

본 발명에 따른 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치는 종래의 열처리방법인 복사식을 대체하여 시편에 일정한 전류를 인가하는 방식으로 시편에 열처리 구간을 변화시켜 균일한 열처리 아닌 비례제어 특성을 부여할 수 있다. 또한 상변태를 하는 온도범위가 넓어져 원하는 온도변화에 따른 변태변형량 변위를 정밀하게 조절할 수 있다. 또한 시료에 대한 가열을 온오프 방식이 아닌 연속적, 점진적으로 제어하여 시료를 비례제어하여 열처리할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따라 다양한 시간동안 어닐링 처리한 형상기억합금의 일정 하중하에서 온도와 변형률(Strain) 커브의 모식도를 도시한다.
도 2는 (a) 어닐링처리한 형상기억합금과 (b) 비례제어열처리한 형상기억합금의 온도와 변형률(Strain) 커브의 모식도를 도시한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치의 모식도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치를 이용한 시료의 열처리 결과를 도시한다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 시료의 DSC 측정 커브와, DSC 측정결과에서 얻어진 Ms의 열처리 온도경향성을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 어닐링처리와 비례제어 열처리의 정하중 열사이클 테스트 결과를 비교 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 어닐링 처리재와 비례제어 열처리재의 인장시험 결과를 비교 도시한다.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2의 (a)는 형상기억합금의 형상기억특성을 조사하기 위하여 일반적으로 사용되어지고 있는 정하중 열사이클 테스트 결과(strain-temperature curve)의 모식도를 도시한다. 도 2를 참고하면, 형상기억 합금이 고온의 모상으로 존재하는 온도에서 일정하중을 인장방향으로 가한 후 온도를 냉각하면 시료는 특정온도에서 마르텐사이트로 상변태를 하게 되면서 인장방향으로 급격한 변태변형(변위)을 하게 된다. 이것을 다시 가열하게 되면 특정온도에서 모상으로 역변태를 하며 원래의 형태로 회복하게 된다. 즉, 일정 하중하에서의 온도에 따른 변태변형률의 변화를 나타내고 있다. 종래기술에 따른 시료에 복사열을 이용하여 균일하게 열처리하는 경우 변형률-온도(Strain-Temperature) 커브는 도 2의 (a)와 같이 나타난다.

종래기술에 따른 복사식 열처리법은 도 2의 (a)에서 보는 바와 같이, 냉간가공 후 열처리 온도 및 시간을 변화시킴으로써 상변태온도(변형이 일어나는 온도) 및 변태변형률을 한 시료 내에서 제어할 수 있지만, 좁은 온도영역에서 급속한 변태변형을 하여 온도변화에 따른 변태변형률을 제어하기가 곤란하다.

온도변화에 따른 변태변형률을 제어하기 위해서는 도 2의 (b)와 같은 변형률-온도 커브를 필요로 한다. 형상기억 합금이 도 2의 (b)와 같은 거동을 나타내기 위해서는 단일 시료에 열처리조건(예: 열처리온도, 시간)의 차이를 두어야 한다.

본 발명에서는 이러한 방식의 열처리를 '비례제어 열처리'라고 정의하며, 비례제어 열처리를 수행하는 경우, 여러 상변태 거동이 한 시료에서 연속적으로 이루어져 도 2의 (b)와 같은 거동을 보이게 된다. 연속적인 상변태 거동이 나타날 경우, 온도당 변태변형률(%/℃)이 낮아져 위치제어가 용이하게 된다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치의 모식도를 도시한다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 열처리장치는 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치에 있어서, 일정한 전압(13)을 인가하여 발열하도록 소정의 간격을 두고 이격되어 구비되어 시료(14)를 가열하는 한 쌍의 발열단자; 상기 시료(14)의 끝단을 한 쌍의 발열단자 사이에 고정하고 시간의 구배에 따라 시료를 이동시키는 시료고정대(12b); 상기 시료고정대(12b)에서 연장된 시료(14)를 다른 한 쌍의 발열단자(15) 사이에 통과시키는 시료통과대(12a); 및 상기 시료고정대(12b)와 상기 시료통과대(12a) 사이의 거리를 변화시키기 위하여 상기 시료고정대(12b)와 연결되고 이를 이동하는 이동수단(16)으로 구성된다.

본 발명은 시편에 일정한 전류를 인가하는 방식으로 시편에 열처리 구간을 변화시켜 균일한 열처리 아닌 비례제어 특성을 부여할 수 있다. 또한 상변태를 하는 온도범위가 넓어져 원하는 변태변형량 변위를 정밀하게 조절할 수 있다는 특징이 있으며, 시료에 대한 가열을 온/오프 방식이 아닌 연속적, 점진적으로 제어하여 시료를 비례제어하여 열처리할 수 있다는 장점이 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치를 이용한 시료의 열처리 결과를 도시한다. 도 5를 참조하면, 시간의 경과에 따라 시료가 이동하게 되며 열처리시간에 따라 시료가 비례제어로 열처리된 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 동적 통전가열 비례제어 열처리장치를 이용하여 형상기억합금을 제조하는 방법을 설명하면, 소정의 간격을 두고 한 쌍의 발열단자를 포함하는 시료고정대(12b) 및 시료통과대(12a)를 각각 구비한다. 시료고정대(12b)와 시료통과대(12a) 모두 내부에 발열단자를 한 쌍으로 포함하고, 상기 발열단자 사이로 시료(14)가 배치된다는 점은 동일하다. 다만, 시료고정대(12b)는 시료(14)의 끝단이 한 쌍의 발열단자 사이에서 고정되는 반면, 시료통과대(12a)는 한 쌍의 발열단자 사이에서 시료를 고정하지 않고 통과만 시킨다는 점에서 다르다.

먼저 시료를 시료고정대(12b)의 한 쌍의 발열단자 사이에 위치시켜 고정하고 시료의 다른 한 쪽을 시료통과대(12a)의 한 쌍의 발열단자(15) 사이를 지나게 한다. 시료를 시료통과대(12a)를 지나게 하여 시료고정대(12b)에 고정시켜도 무방하다.

다음으로 시료고정대(12b) 및 시료통과대(12a)에 설치된 한 쌍씩의 발열단자에 일정한 전압(13)을 인가하여 발열하도록 한다. 이러한 발열에 의하여 시료고정대(12b)와 시료통과대(12a) 사이에 위치하는 시료(14)는 가열된다. 이는 시료(14) 전체가 아니라 시료(14)의 일부 통전부분만을 가열하는 것이다. 발열단자와 시료가 만나는 면적에 따라 접촉저항이 달라지며, 같은 전압의 양에도 다른 발열량이 나타날 수 있다. 온도 측정 시 외부의 공기 흐름에도 민감하게 반응하므로 정확한 온도 측정을 위해서 밀폐된 챔버 내에서 온도를 측정하는 것이 바람직하다.

발열단자의 크기에 따라 시료에서 발열단자로 열전도가 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 발열단자의 크기를 최소화하고 발열단자의 온도를 열처리 온도와 비슷한 크기로 가열하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 시료고정대(12b)를 시간의 구배에 따라 이동시켜 상기 시료통과대(12a)와의 거리를 변화시킨다. 도 3은 시료고정대(12b)를 A 방향으로 이동시키기 시작할 때의 형상을 도식화한 것이고, 도 4는 시료고정대(12a)를 A 방향으로 이동시킨 이후 형상을 도식화한 것이다. 시료고정대(12b)를 이동시키는 것은 가열되는 시료의 면적을 변화시키기 위함이다. 따라서 시료고정대(12b)와 시료통과대(12a)가 매우 가까운 거리에서 발열단자에 전압이 인가된 경우 그 거리를 증가시킴에 따라 가열되는 시료의 면적은 증가될 것이다.

이동수단(16)에 이동되는 시료고정대(12b)와 상기 시료통과대(12a)의 최대거리는 상기 시료(14)의 길이와 동일할 수 있으며, 더 작을 수도 있다. 만일 시료(14)보다 더 거리가 커지게 되면 시료가 시료통과대(12a)의 발열단자를 벗어날 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.

시료(14)의 끝단은 시료고정대(12b)에 고정되어 있고, 시료(14) 일부분이 시료통과대(12a)에는 고정되어 있지 않기 때문에 이동수단(16)에 의하여 시료(14)는 이동이 가능하다. 이동수단(16)은 시료고정대(12b)와 연결되어 있고, 다양한 방식을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4와 같이 스크류 타입으로 형성되어 스크류의 회전에 의하여 길이 방향으로 이동할 수도 있고, 별도의 자동화설비에 의하여 실시될 수도 있다. 자동화설비를 이용하여 일정한 시간에 소정의 거리만큼 시료를 자동적으로 이동시킬 수 있는 것이다.

시료고정대(12b)의 이동편의성을 위하여 이동수단(16)과 평행하게 설치되고, 상기 시료고정대(12b)의 이동을 가이드 하는 가이드레일(17)을 더 구비할 수 있으며, 상기 가이드레일(17)을 서로 연결하여 가이드레일 지지대(11)를 더 구비할 수 있다. 가이드레일 지지대(11)의 설치로 인하여 시료고정대(12b)의 이동 안정성이 증가될 수 있다.

발열단자에 인가되는 전압(13)을 시간의 흐름에 따라 일정한 주기마다 증가시켜 승온할 수 있다. 이와 같이 일정한 주기마다 인가되는 전압이 증가되면 하나의 시료(14)에 각 부분별로 가해지는 온도가 다른 비례제어 열처리가 가능할 수 있다. 즉 시간구배 뿐만 아니라 온도구배가 가해진 열처리를 수행할 수 있는 것이다.

시료(14)의 마지막 부분이 시료통과대(12a)를 통과한 다음 전압(13)의 인가를 종료하여 열처리를 마무리한다. 통상적으로 시료(14) 전체를 비례제어로 열처리하는 것이므로 시료 전체가 시료통과대(12a)를 통과하도록 하고 있으나, 만일 시료(14)를 일부분만을 비례제어로 열처리한다면 시료의 마지막 부분이 시료통과대(12a)를 통과하기 이전이라도 전압(13)의 인가를 종료할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 동적 통전가열 비례식 열처리장치를 이용하여 설정한 임의의 온도에서 일정한 속도로 비례제어 열처리가 가능하게 된다. 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 시간구배 비례제어열처리 시 같은 온도로 어닐링 처리된 시료 내부에는 시간구배가 발생하여 발생되어 변태온도 범위가 넓어진다.

둘째, 열처리를 수행시 시간이 경과함에 따라 전압을 높혀 온도구배 비례제어열처리도 가능하다. 이때 어닐링 시간과 어닐링 온도의 변화를 이용하여 좀 더 많은 변태구간을 제어할 수 있다.

도 6은 본 발명의 형상기억합금(Ti-Ni-5Cu)를 비례제어 열처리한 형상기억합금 시료의 DSC 측정 커브를 도시한다. 도 6을 참조하면, 하나의 시료에 여러 변태온도가 나타나는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 도 6에서 측정한 DSC 결과 중에서 마르텐사이트 변태개시온도(Ms)를 여러 온도로 나타낸 결과이다. 300 내지 500℃ 범위의 온도에서 모두 비례제어 열처리 특성이 나타났으며, 450 내지 500℃ 범위의 온도에서 비례제어 열처리 특성이 더욱 뚜렷하게 나타났다.

도 8 및 도 9는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 통전가열시 9A의 전류를 흘려 3mm/min의 속도로 비례제어열처리한 시료(실시예)와 9A에 상응하는 어닐링온도 540℃에서 20분간 어닐링 한 시료(비교예)를 정하중열사이클 테스트(도 8)와 인장시험 한 결과(도 9)를 나타낸 도면이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 동적 통전가열 비례제어열처리(실시예)와 어닐링 처리(비교예)의 결과를 비교한 결과 동적 통전가열 비례제어 열처리가 정하중열싸이클 테스트 결과에서 단위온도당 변태변형량이 더 낮다는 것을 확인할 수 있으며, 단위온도당 변태변형량이 낮을수록 좋은 비례제어특성을 갖는다는 것을 알 수 있다. 또한 인장시험 테스트 결과에서 Platau 영역의 기울기가 더 뚜렷하게 나타나며 플래토우(Platau) 영역의 기울기가 클수록 좋은 비례제어특성을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

11:가이드레일 지지대 12a:시료통과대
12b:시료고정대 13:전원
14:시료 15:발열단자
16:이동수단 17:가이드레일

Claims (9)

1. 형상기억합금을 제조하는 비례제어 열처리장치에 있어서,
   일정한 전압을 인가하여 발열하도록 소정의 간격을 두고 이격되어 구비되어 시료를 가열하는 한 쌍의 발열단자;
   상기 시료의 끝단을 한 쌍의 발열단자 사이에 고정하고 시간의 구배에 따라 시료를 이동시키는 시료고정대;
   상기 시료고정대에서 연장된 시료를 다른 한 쌍의 발열단자 사이에 통과시키는 시료통과대;
   상기 시료고정대와 상기 시료통과대의 거리를 변화시키기 위하여 상기 시료고정대와 연결되고 이를 이동하는 이동수단;를 포함하는 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 이동수단과 평행하게 설치되고, 상기 시료고정대의 이동을 가이드 하는 가이드레일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 가이드레일을 서로 연결하여 상기 시료고정대의 이동 안정성을 증가시키는 가이드레일 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 발열단자에 인가되는 전압을 시간의 흐름에 따라 일정한 주기마다 증가시켜 승온하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 이동수단은 일정한 시간에 소정의 거리만큼 시료를 자동적으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 시료고정대와 상기 시료통과대의 거리는 상기 시료의 길이보다 작거나 동일한 것을 특징으로 하는 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치.
   
7. 형상기억합금을 제조하는 열처리방법에 있어서,
   소정의 간격을 두고 이격되어 구비된 한 쌍의 발열단자를 구비한 시료고정대에 시료를 고정하는 단계;
   상기 시료를 시료통과대에 포함된 다른 한 쌍의 발열단자 사이로 통과시키는 단계;
   상기 발열단자에 일정한 전압을 인가하여 발열하도록 하여 시료를 가열하는 단계;
   상기 시료고정대를 시간의 구배에 따라 이동시켜 상기 시료통과대와의 거리를 변화시키는 단계; 및
   상기 시료의 마지막 부분이 시료통과대를 통과한 다음 전압의 인가를 종료하는 단계;를 포함하는 동적 통전가열 비례제어 열처리에 의하여 형상기억합금을 제조하는 방법.
   
8. 제7항에 있어서, 상기 시료를 이동하는 단계에서 상기 발열단자의 온도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 동적 통전가열 비례제어 열처리에 의하여 형상기억합금을 제조하는 방법.
9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 형상기억합금용 동적 통전가열 비례제어 열처리장치를 이용하여 제조된 형상기억합금.
   

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