Ni-Ti 형상기억 합금 관재 제조를 위한 정밀 관재인발 공정 설계

Abstract

본 연구에서는, Ni-Ti 형상기억 합금 (NITINOL) 관재의 성형성 및 치수정밀도 향상을 위한 정밀 관재인발 공정을 설계하였다. NITINOL 소재는 여러 우수한 기계적 특성을 가지고 있음에도 불구하고 형상회복 특성으로 인해 난가공성 소재로 알려져 있다. 이러한 난가공성은 NITINOL 소재의 상변태 및 기계적 특성에 대한 이해를 통해 극복할 수 있다. NITINOL 소재의 상변태 특성 확인을 위해서 다양한 처리 시간 및 온도 조건으로 열처리를 수행하였다. 소재가 열처리 과정에서 표면 산화가 활발히 일어나므로 이를 방지하기 위해 진공 초자시편을 제작하여 사용하였다. 그 결과 NITINOL 소재는 특정 수준까지는 열처리 시간이 길수록, 온도가 높을수록 안정적인 상변태 거동을 보이는 것을 확인하였다. 한편, NITINOL 소재는 마르텐사이트 상과 비슷한 거동을 보이는 R-상이 존재하는데, 이는 소재의 형상 변형과정에서 갑작스러운 응력 상승을 유발할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 열처리를 통해 R-상을 제거하였다. 초기소재 및 열처리를 거친 NITINOL 소재의 비선형적인 인장변형 거동 및 형상회복 효과를 확인하기 위하여 인장 및 부하-제하 실험을 수행하였다. 실험속도는 1 mm/min, 5 mm/min, 10 mm/min 으로 차이를 두었다. 실험결과 특정 열처리 조건 및 실험속도 조건 하에서 NITINOL 소재의 연성 향상 및 형상회복 효과의 완화를 확인하였다. NITINOL 소재의 기계적 거동을 해석적으로 모사하기 위하여 3차원 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS/CAE v.6.12-3을 사용하였다. 프로그램 내에서 재료 물성치는 앞선 실험결과를 이용하여 입력하였으며, 초탄성 모델 및 뮬린스 효과를 적용하여 소재의 기계적 거동을 모사하였다. 유한요소해석의 결과가 앞서 수행한 인장 및 부하-제하 실험결과를 잘 따르는 것을 확인하였다. 외경이 6 mm 이하인 미세관 인발의 경우, 구리를 이용한 맨드렐 인발방법이 성형한계를 높일 수 있다. 따라서 본 연구에서는 NITINOL 미세관 인발을 위해서 적동 및 황동을 이용한 맨드렐 인발방법을 사용하였다. 적동 및 황동을 이용한 미세관 인발의 치수정밀도를 확인하기 위해서, 유한요소해석 및 실험실 단위의 관재인발을 수행하였다. 실험실 단위의 관재 인발 공정 후, 각 NITINOL 관재의 외경, 관 두께를 3차원 치수 측정 장비를 이용하여 측정하였다. 그 결과, 황동을 맨드렐로 사용한 경우가 적동을 사용한 경우보다 유한요소해석 및 실험실 단위의 인발 공정 모두에서 더 나은 치수정밀도 만족을 보였다. 지금까지의 연구결과로부터 설계 및 제안 된 정밀관재 인발 공정을 이용할 경우, 산업현장에서 NITINOL 소재의 성형성 및 치수정밀도 개선에 도움이 될 것으로 판단된다.