[논문]Ni-Ti합금의 표면개질에 미치는 시효처리 온도의 영향

박제민; 김완철

Ni-Ti합금의 표면개질에 미치는 시효처리 온도의 영향
Effect of Aging Treatment Temperature on Surface Modifications in Ni-Ti alloy 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.22 no.6, 2009년, pp.368 - 374

박제민 (홍익대학교 과학기술대학 금속공학과) , 김완철 (홍익대학교 과학기술대학 금속공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Nickel titanium shape memory alloys (NiTi) have been investigated for applications in the biomedical industry. However, little is known about the influences of surface modifications on the propertise of these alloys. The effect of electropolishing and heat treatments was found to exhibit significant surface roughness. Change of phase was B2, r-phase and B19' by heat treatments. In this study, effect of the electropolishing conditions on surface roughness is investigated in Ni-Ti alloys (Nitinol). Variation in phases with heat treatment temperature is investigated for a Ni-Ti alloy by X-ray diffraction and DSC. Characteristic of the microstructure have been observed by SEM. Surface roughness have been measured by AFM. The results clearly show that significant different in surface property to heat treated at $500^{\circ}C$ (R-phase). $TiO_2$ phases preciritated all of the specimens. It is not good effect of surface roughness because made to surface relief. The surface roughness appears to be important in the property of Ni-Ti alloys for biomedical applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 금속의 부식저항 성을 높여 내식성을 증가시키는 중요한 역할을 한다. 따라서 Ni-Ti합금의 표면을 개선하여 더 우수한 의료용 금속 성질을 얻고자 전해연마를 실시하였다. 전해연마는 간단하게 전기도금의 역이라 할 수 있다.
이러한 Ni-Ti합금은 변형율이 변해도 일정한 힘이 작용하며 이 힘은 변태온도에 의존 하므로 합금조성과 열처리로 조절이 가능하다. 또한 생체재료로서 우리의 몸과의 적합성이 우수하다는 것이다. 변형에 저항하는 힘은 크고 혈관 벽 등을 밀어 주는 힘은 작아서 이상적이다.
즉 직류전원을 이용하여 전해액속에 −극과 +극의 공작물을 넣어 전류를 흘려보내면 공작물의 표면에서 금속의 이온을 용해시켜 표면의 연마를 행하는 방법[1]이다. 본 연구에서는 열처리온도와 시효처리 시간을 변화시킨 각각의 시료를 전해연마 처리를 하여 표면개선에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고 그 특성을 조사해 보고자 한다.

제안 방법

열처리로 인한 상변화를 DSC(Differential Scanning Calorimetry: 시차열분석장치)및 XRD(X-ray Diffraction)를 이용하여 알아보았고, 세밀한 표면 관찰을 위해 OM(Optical Microscope)과 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 표면의 상태를 확인하였다. 마지막으로 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 표면거칠기를 측정하고 비교하여 어떤 열처리 온도에서 표면개선이 잘 되는지를 고찰하였다.
열처리로 인한 상변화를 DSC(Differential Scanning Calorimetry: 시차열분석장치)및 XRD(X-ray Diffraction)를 이용하여 알아보았고, 세밀한 표면 관찰을 위해 OM(Optical Microscope)과 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 표면의 상태를 확인하였다. 마지막으로 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 표면거칠기를 측정하고 비교하여 어떤 열처리 온도에서 표면개선이 잘 되는지를 고찰하였다.
2 mm로 정밀 컷팅을 하여 시편을 만들었다. 이 시편들을 800℃에서 1시간 용체화처리를 한 후 300℃와 500℃에서 각각 1시간과 24시간 시효처리 하였다. 이렇게 만들어진 총 5가지의 시편을 sand paper를 이용하여 두께가 1.
이 시편들을 800℃에서 1시간 용체화처리를 한 후 300℃와 500℃에서 각각 1시간과 24시간 시효처리 하였다. 이렇게 만들어진 총 5가지의 시편을 sand paper를 이용하여 두께가 1.0 mm까지 연마를 하여 산화막 제거 및 표면을 깨끗하게 처리 하였고, 전해 연마가 원활하게 진행되게 하기 위해 시편 표면에 화학처리를 실시한 후, 모든 시편에 동일한 조건의 전해연마를 실시하였다.

대상 데이터

50.6at%Ni-Ti합금봉을 판재형태로 제작하기 위해 1100oC에서 열간압연을 실시하여 두께 1.2 mm의 판재를 제작하였고, 이 판재를 15 mm × 15 mm ×1.2 mm로 정밀 컷팅을 하여 시편을 만들었다.

성능/효과

527 nm로 조금은 좋은 것을 확인 할 수 있다. (d)와 (e) 시편은 상이 존재가 martensite상태 이므로 층상구조로 인한 표면 기복이 심하게 형성된 것을 확인 할 수 있었고, 그로 인한 거칠기 측정이 다른 시편에 비해 높게 나왔다. 시편 전체적으로 나온 석출물은 TiO₂로 이는 전해연마로 산화층이 제거됨으로서 Ti와 전해액 속에 있는 O₂가 결합하여 시편 표면에 석출물의 형태로 나타나는 것으로 사료된다.
1. 열처리온도와 시효시간의 변화로 동일한 시편에서 세 가지의 다른 상을 만들어 냈고, 각각의 상은 다른 표면 상태를 보이는 것으로 확인 되었다.
2. DSC와 XRD로 열처리 온도와 시효시간에 따른 상의 변화를 측정하여 800℃에서는 austenite가 존재하고, 300℃에서는 R-phase, 500℃에서는 martensite가 생성되며, R-phase은 Ni-rich에서만 나타나는 특성을 보인다.
3. 동일한 조건으로 전해연마를 실시하고 난 후 표면 관찰에서 austenite와 R-phase에서 비슷한 표면 상태를 관찰할 수 있었으며, 500℃-24 h의 시효처리에서 나타난 R-phase은 가장 좋은 표면 상태를 가진 것으로 측정되었다.
4. 시편의 상이 martensite일 때는 표면 상태가 좋지 않았는데, martensite가 가지는 특유의 층상구조로 인한 표면 기복(surface relief)이 표면 상태에 영향을 주는 것으로 사료되며, 석출물(TiO₂)과 불순물의 존재는 표면개선에 안 좋은 영향을 주는 것으로 사료된다.
(c)와 (d)는 300℃-1 h 시효처리 후 전해연마 한 시편으로 (c)의 사진은 전체적으로 표면이 매끈하게 보이나 산화막으로 보이는 어두운 부분이 관찰되어 표면 개선이 잘 이루어 지지 않은 모습이고 (d)의 그림은 사진 전체 적으로 표면에 미세기공으로 보이는 미세구멍이 관찰 되어 표면이 깨끗하지 않고 석출물과 불순물로 인하여 표면개선이 잘 이루어 지지 않았다. 석출물의 조성은 TiO₂로 Ti는 O와 반응성이 좋아 산화막이 빨리 생성되어 전해연마를 실시해도 표면에 어느 정도의 석출물은 나타나는 것으로 확인 되었다. (e)와 (f)는 300℃-24 h 시효처리 후 전해연마를 실시한 사진으로 전제적으로 가장 좋은 표면 상태를 보이며, 표면이 매끈하고 깨끗하며 소량의 석출물이 존재하며 그 양은 austenite상의 량에 비해 상당히 적은 것으로 나타났다.
(e)와 (f)는 300℃-24 h 시효처리 후 전해연마를 실시한 사진으로 전제적으로 가장 좋은 표면 상태를 보이며, 표면이 매끈하고 깨끗하며 소량의 석출물이 존재하며 그 양은 austenite상의 량에 비해 상당히 적은 것으로 나타났다. 이 시편의 상은 R-phase으로 전해연마로 인한 표면 개선은 R-phase이나 austenite일 때 좋은 표면상태를 보이는 것을 확인 할 수 있다. (g)와 (h)는 500℃-1 h 시효처리 후 전해연마를 한 시편으로 표면상태가 돌출부분이 많이 존재하며, 층상 구조로 인한 조개껍질무늬가 나타나며, 거친 상태를 확인 할 수 있다.
(g)와 (h)는 500℃-1 h 시효처리 후 전해연마를 한 시편으로 표면상태가 돌출부분이 많이 존재하며, 층상 구조로 인한 조개껍질무늬가 나타나며, 거친 상태를 확인 할 수 있다. 칼날 모양의 anatase phase이 존재하여 돌출부가 시편 전체에 넓게 존재하는 것으로 확인되었다. (i)와 (j)는 500℃-24 h 시효처리 후 전해연마를 한 시편으로 매끈한 표면을 가진 것으로 판단되나 martensite상으로 인한 시편 전체가 층상 구조를 형성하고 있어 결정립계 내에 방향이 다른 층상구조가 나타나는 것을 확인 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전해연마란?	전해연마는 간단하게 전기도금의 역이라 할 수 있다. 즉 직류전원을 이용하여 전해액속에 −극과 +극의 공작물을 넣어 전류를 흘려보내면 공작물의 표면에서 금속의 이온을 용해시켜 표면의 연마를 행하는 방법[1]이다. 본 연구에서는 열처리온도와 시효처리 시간을 변화시킨 각각의 시료를 전해연마 처리를 하여 표면개선에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고 그 특성을 조사해 보고자 한다.
	표면개선처리가 중요하게 여겨지는 이유는?	그러나 인체에 들어가는 재료인 만큼 그 표면개선처리가 중요하게 여겨지고 있다. 표면 개선처리에 의한 재료의 가공 시 생기는 결함이나 불순물을 제거하고 잔류응력을 감소시키며, 높은 생체적합성과 피로특성 가진다. 또한 금속의 부식저항 성을 높여 내식성을 증가시키는 중요한 역할을 한다. 따라서 Ni-Ti합금의 표면을 개선하여 더 우수한 의료용 금속 성질을 얻고자 전해연마를 실시하였다.
	Ni-Ti합금의 특성은?	Ni-Ti합금은 의료용 합금으로서 기존의 스테인레스강 및 Ti합금에 비해 초탄성효과와 형상기억특성을 가진 우수한 금속이다. 이러한 Ni-Ti합금은 변형율이 변해도 일정한 힘이 작용하며 이 힘은 변태온도에 의존 하므로 합금조성과 열처리로 조절이 가능하다.

참고문헌 (8)

K. Fushimi, M. Stratmann and A. W. Hassel : Electrochimica Acta, 52 (2006) 1290

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C. L. Chu, C. Guo, X. B. Sheng, Y. S. Dong, P. H. Lin, K. W. K. Yeng, Paul K. Chu : Acta Biomaterialia, 5 (2009) 2238

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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