[논문]TiNi계 형상기억합금 선재의 냉간압연 및 열처리 특성

김록형; 김희수; 장우양

doi:10.12656/jksht.2017.30.6.251

TiNi계 형상기억합금 선재의 냉간압연 및 열처리 특성
Cold Rolling and Heat Treatment Characteristics of TiNi Based Shape Memory Wire 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.30 no.6, 2017년, pp.251 - 257

김록형 (조선대학교 대학원 첨단소재공학과) , 김희수 (조선대학교 재료공학과) , 장우양 (조선대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of annealing temperature on the martensitic transformation behavior, tensile deformation chracteristics and shape recovery etc., has been studied in TiNi based shape memory ribbon fabricated by coldrolling of wire. TiNi based shape memory wire (${\phi}=500{\mu}m$) of which structure is intermetallic compound could be cold-rolled without process annealing up to the reduction rate in thickness of 50%, but a few cracks appear in cold-rolled ribbon in the reduction rate in thickness of 65%. The $B2{\rightarrow}R{\rightarrow}B19^{\prime}$ martensitic transformation or $B2{\rightarrow}B19^{\prime}$ martensitic transformation occurs in annealing conditions dissipating lattice defects introduced by coldrolling. However, in case of higher reduction rate or lower annealing temperature, martensitic transformation in cold-rolled and then annealed ribbons does not occur. The maximum shape recovery rate of cold-rolled ribbons with the reduction rate of 35 and 65% could be achieved at annealing temperatures of 250 and $350^{\circ}C$, respectively. The shape recovery rate seems to be related to the stress level of plateau region on stress-strain curve.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 인발-압연법에 의한 TiNi계 형상기억합금 리본을 제조하기 위해서 인발된 TiNi계 형상기억 선재를 냉간압연하여 여러 압하율에 따른 압연특성 및 압연 후 어닐링 온도에 따른 상변태 거동, 인장변형 특성 및 형상회복률 등에 대하여 연구하였다.

제안 방법

TiNi계 형상기억합금 선재를 냉간압연하여 얻은 리본의 압연특성 및 압연 후 어닐링 온도에 따른 상변태 거동, 인장변형 특성 및 형상회복률 등에 대하여 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
TiNi계 형상기억합금 선재의 냉간압연에 따른 제특성을 조사하기 위하여 최종 목표 압하율을 다르게하여 1 pass 냉간압연하였다. Fig.
X-선 회절시험은 CuKα 특성 X-선을 이용하여 2θ=30~120o, step size=0.02o, scan step time=1.0 s, 관전압 40 kV 및 관전류 30 mA의 조건에서 실시하였다.
냉간압연 및 어닐링 온도에 따른 상변태 특성을 조사하기 위하여 시차주사열량계(DSC; Differential Scanning Calorimeter)를 이용하였으며 시료는 5 ± 0.5 mg의 무게가 되도록 준비하였으며 -50~150oC의 온도구간에서 10oC/min의 속도로 가열·냉각하였다.
냉간압연 후 어닐링 온도에 따라 상변태 특성이 다르게 나타나는 선재 및 리본들의 변형 특성을 비교하기 위하여 만능재료시험기에서 각각 8% 인장변형하여 응력-변형률 곡선을 얻었으며 그 결과는 Fig.10~12와 같다.
압하율이 각각 0, 35 및 65%인 리본들에 대해서 냉간압연 후 어닐링 온도에 따른 마르텐사이트변태 특성을 조사하기 위하여 250~550^oC에서 30분간 어닐링하여 열분석을 실시하였으며 그 결과는 Fig.4~6과 같다.
어닐링 온도에 따른 형상회복 특성을 평가하기 위하여 원형 선재 및 35, 65%로 냉간압연하여 어닐링한 리본들을 굽힘시험에 의해 형상회복률을 측정하였다. 원형 선재의 경우 어닐링 처리를 하지 않은 asreceived 상태에서 완전한 형상회복을 나타냈으나 어닐링 온도가 상승하면 형상회복률은 점차적으로 감소하였다.
인장시험은 500 N의 하중계가 부착된 만능재료시험기를 이용하였으며 실온인 20^oC에서 표점거리 25 mm인 신률계를 부착하여 1 mm/min의 인장속도로 실시하였다.

대상 데이터

냉간압연은 최대 압연하중 20 t, 토크 120 kg·m, 압연롤의 직경이 127 mm인 2단 압연기를 이용하였다.
본 실험에 사용된 Ti-Ni계 형상기억합금 선재는 Dynalloy사(미국)의 지름 500 μm의 어닐링된 선재(상품명; Flexinol)를 사용하였다.

이론/모형

압하율 및 어닐링 온도에 따른 형상회복률은 굽힘시험[12]에 의하여 측정하였다.

성능/효과

(b)와 같이 증가된 가공도에 의해 B19'마르텐사이트의 회절 피크의 강도는 낮아지고 250oC어닐링에 의해서도 회복은 일어나지 않음을 알 수있다.
1. 지름 500 μm인 TiNi계 형상기억합금 선재를 냉간압연하였을 때 압하율이 35, 50%인 경우에는 표면에 가공결함이 관찰되지 않았으나 압하율이 65%인 경우에는 균열이 발생하였다.
2. 냉간압연 후 어닐링한 리본에서 큰 압하율과 낮은 어닐링 온도에서는 마르텐사이트 변태가 일어나지 않았으나 냉간압연에 의한 내부의 격자결함이 소실되는 가공열처리 조건에서는 B2 → R상 → B19' 마르텐사이트 변태 또는 B2 → B19' 마르텐사이트 변태가 일어났다.
3. 압하율이 35 또는 65%인 냉간압연한 리본에서 각각 250 또는 350^oC 어닐링에 의해 최대 형상회복률을 나타냈으며 그 이상의 어닐링 온도에서는 점차적으로 감소하였다. 형상회복률은 응력-변형률 곡선의 고원영역(Plateau region)에서의 응력 수준과 관련이 있으며 높은 응력에서는 형상회복률이 크고 어닐링온도의 상승에 따라 응력이 저하하면 감소하였다.
각 영역의 임계응력 또는 변형률의 크기는 어닐링온도에 따른 상변태 특성과 밀접한 관련이 있는 것으로서 어닐링 온도가 상승하면 “A”에서 “B”로 바뀌는 임계응력은 감소하고 동시에 고원영역에서의 변형률은 증가하는 경향을 보이고 있다.
원형 선재의 경우 어닐링 처리를 하지 않은 asreceived 상태에서 완전한 형상회복을 나타냈으나 어닐링 온도가 상승하면 형상회복률은 점차적으로 감소하였다. 또한 압하율이 35 또는 65%인 리본에서도 각각 고원영역이 나타나기 시작하는 250 또는 350^oC 어닐링에서 완전한 형상회복을 나타내나 그 이상의 어닐링 온도에서는 형상회복률은 점차적으로 감소하였다. 이러한 형상회복률의 변화는 고원영역에서의 응력의 크기와 관련이 있는 것으로 높은 응력에서는 형상회복률이 크고 어닐링 온도의 상승에 따라 응력이 저하하면 형상회복률은 감소하였다.
또한 어닐링 온도가 상승함에 따라 R상 변태 개시온도는 거의 일정하였으나 B19' 마르텐사이트변태 개시온도는 상승하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ni-Ti계 합금의 압연가공 및 열처리 조건에 따른 제특성들이 규명되어야 하는 이유는?	그러나 Ni-Ti계 합금은 Cu 선재와는 다르게 금속 간화합물로서 소성가공이 쉽지 않고 일반금속재료의 변형기구와는 다른 응력-변형률 거동을 보이며 또한 가공 후 어닐링 조건에 따라 상변태 거동이 다르게 나타나기 때문[10-12]에 압연가공 및 열처리 조건에 따른 제 특성들이 규명되어야 한다.
	냉간압연에 의한 내부 격자결함이 소실되는 가공열처리 조건에서 TiNi계 형상기억합금 선재의 마르텐사이트 변태는 어떤 과정으로 나타났는가?	2. 냉간압연 후 어닐링한 리본에서 큰 압하율과 낮은 어닐링 온도에서는 마르텐사이트 변태가 일어나지 않았으나 냉간압연에 의한 내부의 격자결함이 소실되는 가공열처리 조건에서는 B2 → R상 → B19' 마르텐사이트 변태 또는 B2 → B19' 마르텐사이트 변태가 일어났다.
	용탕회전법의 단점은?	합금 리본을 제조하기 위한 대표적인 방법으로는 용탕회전법(Melt spinning)법[7, 8]이 있으나 용탕회전법은 마르텐사이트변태 온도에 민감하게 영향을 미치는 화학조성이 쉽게 변하고 치수의 균일성을 확보하기가 어려우며 상업적 대량생산에는 적합하지 않은 공정이다.

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