KR940007375B1 - 고강도 스텐레스계 형상기억합금 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

고강도 스텐레스계 형상기억합금

본 발명은 스텐레스계 형상기억합금에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 니오븀(Nb) 첨가에 의해 인장강도를 향상시킨 고강도 스텐레스계 형상기억합금에 관한 것이다.

일반적으로, 형상기억합금은 주로 치열교정선, 집적회로 리드선, 파이프 이음매, 안경테 및 온도조절장치에 이용되는 소재로써, 대표적인 합금으로는 Ni-Ti계와 Cu계를 들 수 있다. Ni-Ti계 합금은 우수한 형상기억능을 갖는 장점을 갖고 있으나 기계가공성이 열악하여 제조단가가 매우 높은 단점을 가지며, Cu계 합금은 제조단가가 Ni-Ti계에 비하여 저렴하나 강도 및 내구성이 떨어지는 단점을 갖는다. 이러한 단점을 보완하여 개발된 것이 철계 형상기억합금으로 강도가 높고, 가공성이 우수하여 제조단가가 저렴한 장점을 가지며, 주로 파이프 이음매로 사용된다. 철계 형상기억합금 중에서 내식성을 향상시킨 스텐레스계 형상기억합금은 현재 널리 사용되고 있는 Ni-Ti계 및 Cu계 합금보다 가공성이 우수하여 제조단가의 절감이 가능하므로, 제품의 높은 가격으로 인한 형상기억합금의 적용범위의 제한을 극복할 수 있는 합금으로 기대되고 있다.

이러한 스텐레스계 형상기억합금은 기존의 Fe-Mn-Si계 합금에 Ni 및 Cr을 첨가하여 내식성을 향상시킨 것으로, 형상기억 기구는 마르텐사이트 변태개시온도인 Ms점 보다 약각 높은 온도에서의 변형에 의해 생성되는 유기응력 ε-마르텐사이트의

오스테나이트 변태완료온도인 Af 이상의 온도에서 발생하는 역변태에 의해 형상기억능을 갖는다.

스텐레스 형상기억합금을 제조하기 위한 종래의 기술로는 EP 0336175 및 EP 0336157등을 들 수 있는데, 이들 특허에서는 스텐레스계 형상기억합금의 기본 조성범위와 Co, Cu 및 N등 원소의 첨가에 의한 내식성 개선 및 열간가공성의 개선효과를 나타내었으나, 파이프 이음매등으로 실제 적용시 요구되는 강의 품질특성중의 하나인 인장강도에 대해서는 일반 스텐레스강의 인장강도 범위인 70-90kg/mm²정도로, 고압등의 특수용도에 있어서 높은 인장강도가 요구되는 경우에는 종래의 스텐레스계 형상기억합금의 인장강도보다 높은 인장강도를 갖는 고강도 스텐레스계 형상기억합금이 요구되게 된다.

따라서 본 발명의 목적은 우수한 내식성과 형상기억능을 갖는 스텐레스계 형상기억합금에 기지조직의 강화원소인 Nb를 첨가하여 인장강도를 향상시킨 고강도 스텐레스계 형상기억합금을 제공하고자 하는데 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은, 중량%로, Cr : 5.0-20.0%, Si : 2.0-8.0%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 여기에 Mn : 0.1-16.1%, Ni : 0.1-20.0%, Co : 0.1-30.0%, Cu : 0.1-3.0%, 및 N : 0.001-0.400%로 이루어진 그룹중에서 선택된 하나 또는 그 이상의 성분을 첨가하여 조성되는 스텐레스계 형상기억합금에 1.15% 이하의 Nb을 추가로 첨가하여 조성됨을 특징으로 하는 고강도 스텐레스계 형상기억합금에 관한 것이다.

이하, 상기 성분의 수치한정이유등에 대하여 설명한다.

상기 Cr(크롬)은 페라이트 형상원소로서 기지조직의 강화 및 내식성을 향상시키는 효과를 가지며, 또한, 적층결함에너지(Stacking fault energy(SFE)의 저하를 통한 α'-마르텐사이트 생성억제 및 ε-마르텐사이트의 생성촉진 효과를 이용하여 형상기억능을 향상시키는 원소로서, 그 함량이 5.0% 이하인 경우에는 첨가효과를 얻기 어렵고, 20.0% 이상인 경우에는 형상기억능을 저하시키는 δ-페라이트 발생가능성이 있고, 경제적으로도 유리한 점이 없으므로, 상기 Cr의 함량은 5.0-20.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Si(규소)은 상기 Cr과 마찬가지로 페라이트형성 원소로서, 기지조직의 강화 및 적층결함에너지를 낮추어 형상기억능을 향상시키는 효과를 갖는데, 그 함량이 2.0% 이하인 경우에는 열간가공성의 악화로 가공이 매우 어려우므로 상기 Si의 함량은 2.0-8.0%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 Mn(망간)은 강한 오스테나이트 형성원소로서, 적층결함에너지를 낮추는 효과를 갖는데, 그 첨가량이 0.1% 이하인 경우에는 첨가효과를 얻기 어렵고, 16.1% 이상인 경우에는 내식성이 악화되는 현상이 발생하므로, 상기 Mn의 첨가량은 0.1-16.1%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Ni(니켈)은 강한 오스테나이트 형성원소로서, 형상기억능을 향상시키고, 인성을 저하시키고, 적층 결함에너지를 낮추는 효과를 갖는데, 그 첨가량이 0.1% 이하인 경우에는 상기한 첨가효과를 얻을 수 없고, 또한, ε-마르텐사이트 변태개시온도인 Ms를 낮추게되므로, 그 하한값은 0.1%로 설정하는 것이 바람직하고 그 첨가량이 20.0% 이상인 경우에는 저온에서의 적용이 요구되므로 그 상한값은 실온에서의 적용이 용이한 20%로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 Co(코발트)는 오스테나이트 형성원소로서 형상기억능을 향상시키고 적층결함에너지를 낮추어 ε-마르텐사이트의 생성을 용이하게 하며, 열간가공성을 개선하고, Ms를 낮추지 않는 장점을 갖는데, 그 첨가량이 0.1% 이하인 경우에는 상기한 첨가효과를 얻기 어렵고, 30.0% 이상인 경우에는 첨가효과의 개선이 나타나지 않고 포화되므로, 상기 Co의 첨가량은 0.1-30%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Cu(구리)는 오스테나이트형성원소로서 형상기억능은 저하시키지만, 내식성은 개선시키는데, 그 첨가량이 0.1% 이하에서는 상기한 첨가효과를 얻기 어렵고, 적층결함에너지를 상승시키며, 3.0% 이상인 경우에는 ε-마르텐사이트의 생성을 방해하므로, 상기 Cu의 첨가량은 0.1-3.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 N(질소)는 오스테나이트 형성원소로서, 기지강화 및 내식성을 향상시키는데, 그 함유량이 0.001% 이하인 경우에는 상기한 첨가효과를 얻기 어렵고, 0.4% 이상인 경우에는 열간가공성의 악화 및 Si등과 같은 다른 합금원소와 질화물을 형성하여 형상기억능을 저하시키므로, 상기 N의 함유량은 0.001-0.4%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Nb(니오븀)은 자기변태온도(Neel Temp)를 낮추어 ε-마르텐사이트로의 변태를 촉진시키고, 형상회복응력의 상승효과 및 기지조직의 강도를 상승시키는 성분으로서, 과도하게 함유되는 경우에는 열간가공성 및 인성저하를 가져오게 되므로, 상기 Nb의 첨가량은 1.15% 이하로 설정하는 것이 바람직하며, 보다 바람직한 Nb의 첨가량은 0.1-1.15%인데, 그 이유는 그 첨가량이 0.1% 이하인 경우에는 강도의 향상효과가 저하되기 때문이다.

상기와 같이 조성되는 합금은 통상의 방법으로 균질화(Soaking)처리, 열간압연, 아닐링을 포함한 냉간압연 및 용체화처리되는데, 상기 균질화처리는 1000-1100℃의 온도구간에서 10-20시간 실시하는 것이 바람직하고, 상기 아닐링은 900-1050℃의 온도구간에서, 그리고 상기 용체화처리는 900-1050℃의 온도구간에서 실시하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같이 조성되는 합금을 1050℃의 온도구간에서 12시간의 균질화(Soaking)처리를 실시한 후, 1100℃에서 열간압연을 실시하며, 이때 열간마무리압연온도는 700℃였다.

상기와 같이 열간압연된 열간압연재를 1050℃의 범위에서 아닐링을 실시해가면서 냉간압연을 실시하여 최종두께를 0.6mm로 하여 인장시편 및 형상기억능 시험시편을 채취한 후, 용체화처리를 920℃의 온도구간에서 30분간 실시한 다음, 공냉시켰다.

냉각된 시편을 화학연마에 의해 스케일을 제거한 후 형상기억능과 인장강도를 측정하고 그 측정결과를 하기 표 2에 나타내었다.

[표 1]

[표 2]

상기 표 2의 인장강도는 크로스-헤드속도(Cross-Head Speed)를 Imm/min으로 설정하여 시편을 ASTM Subsize의 규격으로 가공하여 상온에서 실시하여 얻은 값이다.

또한, 상기 표 2의 형상기억회복률(형상기억능)은 판상의 시편을 둥근형태로 변형하여 측정된 곡률로 부터 다음식에 의해 변형률을 계산한 후, 회복 후의 곡률을 변형률로 계산한 값과 비교하여 측정한 것이다.

상기 식(1)에서, R은 곡률, t는 두께를 나타낸다.

상기 표 2에 나타난 바와같이, 본 발명에 따라 니오븀(Nb)이 첨가된 본 발명 약 20kg/mm²정도 우수하며 형상기억합금의 중요한 성질중의 하나인 형상기억회복능도 비교재(1-2)와 거의 동등함을 알 수 있다.

상술한 바와같이, 본 발명은 우수한 내식성과 형상기억능을 갖는 스텐레스계 형상기억합금에 기지조직의 강화원소인 Nb을 첨가하여 인장강도를 향상시키므로서 고강도가 요구되는 고압등의 특수용도에 효과적으로 응용될 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 중량%로, Cr : 5.0-20.0%, Si : 2.0-8.0%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 여기에 Mn : 0.1-16.1%, Ni : 0.1-20.0%, Co : 0.1-30.0%, Cu : 0.1~3.0%, 및 N : 0.001-0.400%로 이루어진 그룹중에서 선택된 하나 또는 그 이상의 성분을 첨가하여 조성되는 스텐레스계 형상기억합금에 1.15% 이하의 Nb을 추가로 첨가하여 조성됨을 특징으로 하는 고강도 스텐레스계 형상기억합금.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 Nb의 첨가량이 0.1-1.15%인 것을 특징으로 하는 고강도 스텐레스계 형상기억합금.