KR910008004B1

KR910008004B1 - 동(銅)을 기본으로 한 고강도 형상기억합금과 그 제조방법

Info

Publication number: KR910008004B1
Application number: KR1019890013418A
Authority: KR
Inventors: 김영길; 김진웅; 노동완
Original assignee: 한국과학기술원; 이상수
Priority date: 1989-09-19
Filing date: 1989-09-19
Publication date: 1991-10-05
Also published as: KR910006507A; US5026441A

Abstract

내용 없음.

Description

동(銅)을 기본으로 한 고강도 형상기억합금과 그 제조방법

제1도는 미량합금원소의 첨가에 의한 결정립(grain)의 미세화를 보인 광학현미경 사진으로서,

제1a도는 종래 합금강,

제1b도는 본 발명 합금강.

제2도는 인장파면의 주사현미경 사진으로서,

제2a도는 종래 합금강,

제2b도는 본 발명 합금강.

제3도는 종래의 Cu-13.4 Al-3.8 Ni 형상기억합금과 본 발명 합금의 응력-연신율 관계를 보인 그래프로서,

제3a도는 종래 함금강,

제3b도는 본 발명 합금강.

제4도는 본 발명 합금의 결정립 크기의 변화에 다른 파괴응력(Q_f)의 변화를 보인 그래프.

제5도는 본 발명 합금의 결정립 크기의 변화에 따른 항복응력(Q_t)와 파괴연신율(E_f)의 변화를 보인 그래프.

제6도는 본 발명 합금의 인장변형률의 변화에 따른 회복량(%)의 변화를 보인 그래프.

본 발명은 고강도와 열적 안정성을 갖는 동(銅)을 기본으로 한 형상기억합금에 관한 것으로, 사용온도 300℃ 부근까지의 고강도와 열적 안정성을 나타냄과 아울러 미량합금원소(Zr,Si) 첨가에 의한 결정립 미세화로 적당한 연신율을 가지는 동(銅)을 기본으로 한 형상기억합금과 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 형상기억합금은 저온상태에서 변형을 가한 후 변태온도 이상으로 가열하면 변형이전의 형상으로 되돌아가는 특성을 갖는 합금으로서, 이와 같은 합금자체의 특성을 이용하여 관이음새, 온도제어소자 등을 비롯한 여러 산업분야에 널리 활용되고 있다.

이와 같이 형상기억합금의 대표적인 예로서는 일본국 특개소 59-150047호에 의한 Ni-Ti계 형상기억합금이 있다.

이런 Ni-Ti계 형상기억합금은 고강도와 연신율등의 기계적 성질이 우수하고 열적 안정성이 뛰어나는 특성이 있으나, 합금을 이루고 있는 원료성분의 가격이 고가이고, 또한 그 제조공정이 용이치 않아 가격이 비싸다는 단점을 갖고 있다.

또한 저렴한 동(銅)을 기본으로 한 형상기억합금이 개발되고 있으나, 일본국 특개소 60-75542호로 알려진 Cu-Al-Be계와 일본국 특개소 60-121246호인 Cu-Zn-Al계, 일본국 특개소 60-187648호인 Cu-Ni-Al계등의 형상기억합금은 그 강도 및 연신율등의 기계적 성질과 열적 안정성 면에서 기존의 Ni-Ti계 형상기억합금에 비해 뒤떨어지는 문제점이 있다.

이미 개발된 동(銅)을 기본으로 하는 형상기억합금으로서 Cu-26% Zn-4% Al 형상기억합금은 강도가 낮고 열적 안정성이 약하다는 단점이 있으며, Cu-14% Al-4% Ni 형상기억합금은 연성이 나쁜 단점이 있다.

이에 따라 높은 강도와 적당한 연신율을 나타내면서 우수한 열적 안정성을 갖는 동(銅)을 기본으로 한 저가의 형상기억합금의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 Cu-Al-Ni 합금에 Si와 Zr 합금원소 첨가로 고강도와 적당한 연신율을 가지며, 열적 안정성이 좋은 형상기억합금과 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

이를 보다 구체적으로 설명하면 본 발명은 Cu-Al-Ni계를 기본 성분으로 하여 이에 미량의 Si, Zr 등이 첨가된 합금으로서 결정립 미세화를 이용하여 강도와 연신율을 동시에 높이는 한편 고가 원소의 사용을 배제하거나 그 함량을 최소화함으로서 종래의 Ni-Ti 형상기억합금에 비해 가격이 아주 저렴하고, Cu-Zn-Al과 Cu-Al-Si계에 비해 기계적 성질을 개선한 형상기억합금을 제공하고자 한다.

본 발명의 형상기억합금의 조성은 중량%로서 10-15%의 알루미늄(Al), 0.5-50%의 닉켈(Ni), 0.01-1.0%의 실리콘(Si). 0.01-1.5%의 지르코늄(Zr)이고 나머지는 동(Cu)으로 된 것으로서 합금원소의 성분한정 이유는 다음과 같다.

알루미늄(Al)은 강력한 고용강화 원소로서 강도증가에는 매우 효과적이나 연성을 감소시키는 경향이 있으므로 이같은 특성을 감안하여 적절한 범위로 선택하여 형상기억효과를 나타내는(단일상=β) 조성을 택하였으며, 알루미늄이 10% 이하인 경우는 FCC(면심일방격자) 조직인 α상이 생성되어 형상기억효과가 상실되며, 15% 이상인 경우에는 연성의 급격한 감소를 초래한다.

니켈(Ni)은 합금 자체의 연성을 개선하고 고용강화 효과를 얻기 위하여 첨가되나, 그 함량이 0.5% 이하인 경우에는 연성증가에 별효과를 미치지 않게 되며, 5% 이상인 경우에는 가격면에서 불리하게 된다.

실리콘(Si)은 동합금에서 강력한 고용강화 원소로서 강도증가와 결정입자의 미세화를 위하여 미량 첨가되고, 또한 용융(Melting)중에 탈산효과를 증가시키기 위하여 첨가되었다. 그 함량이 1%를 초과하게 되면 강도가 너무 증가하여 연성의 감소를 초래하게 되고 0.01% 이하이면 결정립 미세화가 되지 않아 연신율 증가에 별영향이 없다.

지르코늄(Zr)은 본 발명 합금에서 핵심원소에 해당되는 바, Si에 비하여 결정립 미세화 효과가 더 크기에 미량(0.01-1.5%)의 첨가에 의해 모상입자가 크게 미세화되어 우수한 강도와 성형성에 요구되는 적절한 연성을 나타낸다.

그 함량이 1.5% 초과하면 강도가 너무 증가하여 연성의 감소를 초래하게 되고 0.01% 이하면 결정립 미세화가 촉진되지 않아 연신율 증가에 좋지 않다.

이때 지르코늄의 일부는 입계편석에 의해 모상입자를 미세화시키는 역할을 한다.

이상에서와 같은 조성의 본 발명은 다음과 같은 제조방법으로 제조된다.

먼저 99% 이상의 순도를 갖는 동(Cu), 알루미늄(Al), 닉켈(Ni), 실리콘(Si), 지르코늄(Zr)을 상기와 같은 조성비율의 동(Cu) 합금을 환원성 분위기하의 고주파 유도로에서 용해하여 용탕의 온도가 1100-1200℃를 나타낸 때 주조하여 주괴(Ingot)를 얻는다.

다음에 주괴를 750-850℃에서 2-5일간 균질화 처리를 한다.

처리조건이 750℃ 이하고 2일 이하면 확산속도가 늦어 소망의 상변화가 어렵고, 850℃ 이상이고 5일간을 초과하면 산화막의 생성이 많고, 결정립 성장이 이루어지므로 그 범위로 설정하였다. 이렇게 균질화한 것을 850-950℃에서 열연하여 소정의 두께로 한다. 950℃ 이상의 열연온도에서는 조직이 조대화되기 쉽다. 그후 75-95-℃에서 1-50분간 소둔 열처리를 한다.

이와 같은 소둔조건을 벗어나면 입자 미세화가 균일하게 이루어지지 않아 형상기억효과의 이용에 있어 반복 사용 회수의 수명이 단축된다.

그후 수중소입을 행한다. 균질화소둔 처리후 소입함에 따라 신율이 증대된다.

이와 같이 제조된 본 발명 합금은 지르코늄 및 실리콘의 첨가와 열처리에 의한 결정립 미세화로 고강도와 적절한 연신율을 나타내는 바, 이는 첨부된 제1도의 광학현미경 사진에 의해서 알 수 있다.

즉 제1도의 (a)는 종래의 Cu-13% Al-3.8% Ni계 형상기억합금의 조직을 보인 사진으로서 결정립이 조대함을 알수 있으며, (b)는 본 발명 합금인 Cu-13.4% Al-3.4% Ni-0.06% Si-0.58% Zr 합금의 조직사진으로서 상당히 미세한 결정입자 조직임을 알 수 있다.

제2도는 제1도에서의 종래 합금 조성과 본 발명 합금 조성의 인장파면을 보여주는 주사전자현미경 사진으로서, 종래 합금(a)에서는 취성의 입계파괴를 보여주는 반면 본 발명 합금(b)는 연성파괴의 특징인 딤플(dimple)이 주로 나타나고 있어 본 발명 합금이 고강도와 연성을 겸한 기계적 성질을 보유함을 알 수 있다.

제3도는 제1도에서와 같은 종래 합금 조성과 본 발명 합금 조성의 인장시 응력과 연신율과의 관계를 보인 그래프로서, 본 발명 합금(b)는 종래 합금(a)에 비해 향상된 강도와 연신율을 보여주고 있다.

제4도는 제1도와 같은 본 발명 합금 조성(b)의 결정립 크기에 따른 파괴응력(Q_f)의 변화를 보여주는 그래프로서 결정립 크기가 감소할수록 파괴응력이 증가함을 보여주고, 약 830MPa(=84kg/mm²)의 값을 나타낸다.

제5도는 제1도와 같은 본 발명 합금 조성(b)의 결정립 크기에 따른 항복응력(Q_t)와 파괴연신율(E_f)의 변화를 보여주는 그래프로서 결정립크기가 감소할수록 항복응력과 연신율이 증가되었다. 항복응력은 290MPa(29.5kg/mm²)였고, 연신율은 8%로 나타났다.

제6도는 제1도와 같은 본 발명 합금 조성(b)의 인장변형률의 변화에 따른 형상기억회복량(%)의 변화를 보인 그래프로서 2%의 인장변화율에서는 100%의 회복을 보이고 3-4%에서도 90% 이상의 회복을 보여 주고 있다.

이상에서와 같은 본 발명의 합금은 기계적 성질이 우수하고, 또한 형상기억합금 회복량도 우수함을 보여 주고 있다.

다음은 표 1에 따른 본 발명의 실시예를 설명키로 한다.

[표 1]

[실시예 1]

표 1에서 나타난 No.1 조성으로 한 본 발명의 합금을 환원성 분위기의 고주파 유도로에서 용해한 후 50×50×130mm의 주형을 사용하여 주괴(Ingot)를 얻었다.

주괴를 800℃에서 2일간 균질화 처리후 850℃에서 열연하여 그 두께를 2mm로 감소시킨 다음 주괴 전체가 균질한 β상이 되도록 850℃에서 2분간 균질화 소둔한 후 상온으로 유지된 수중으로 소입하였다.

그결과 본 발명중 가장 좋은 기계적 성질을 얻었다.

[실시예 2]

표 1에서 나타난 No.2 조성으로 한 본 발명의 합금을 실시예 1과 같은 조건으로 처리하였다.

이 합금은 소량의 미량합금원소를 포함하므로 결정립 미세화 효과가 실시예 1보다 적어 인장성질이 약간 감소하였다.

[실시예 3]

표 1에서 나타난 No.3 조성으로 한 본 발명의 합금을 실시예 1과 같은 조건으로 처리하였다.

이 합금은 상온(25℃)에서의 탄성(pseudo-elastic)을 보였다.

이상에서와 같이 본 발명 합금은 미량의 Si과 Zr이 첨가됨에 따라 종래의(비교강) 구리계 형상기억합금에 비해 상당히 증가된 강도와 연신율을 나타내었는 바, 이는 지르코늄(Zr)과 실리콘(Si) 첨가에 의한 입자의 미세화에 기인한다.

그리고 본 발명 합금의 변태온도 MS(마르텐사이트의 시작온도)=127℃였고, 실용온도(300℃ 이하)에서 뛰어난 열적 안정성을 나타내었다.

Claims

중량%로 10-15% 알루미늄(Al), 0.5-5.0% 닉켈(Ni), 0.01-1.0% 실리콘(Si), 0.01-1.5% 지르코늄(Zr)이고 나머지는 동(Cu)으로 구성됨을 특징으로 하는 동(Cu)을 기본으로 한 고강도 형상기억합금.
중량%로 10-15% 알루미늄(Al), 0.5-5.0% 닉켈(Ni), 0.01-1.0% 실리콘(Si), 0.01-1.5% 지르코늄(Zr)이고 나머지는 동(Cu)으로 조성된 동합금을 용해로에서 용해, 주조하여 주괴를 얻고 이 주괴를 750-850℃에서 2-5일간 균질화 처리한 후 850-950℃에서 열연한 다음 750-950℃에서 2-50분간 균질화 소둔한 뒤 수중 소입함을 특징으로 하는 동(Cu)을 기본으로 한 고강도 형상기억합금의 제조방법.