In this study, a precision tube drawing process was developed to improve workability and dimensional accuracy of Ni-Ti shape memory alloy (NITINOL) tube. In spite of many excellent mechanical properties, NITINOL was known as a hard-workable material because of shape recovery effects. Understanding about phase transformation and mechanical characteristics of NITINOL is required to overcome this.
In order to investigate phase transformation properties of NITINOL, heat treatments were performed with various times and temperatures. Vacuumed quartz specimens were prepared to prevent oxidization of surface during the heat treatments. It was verified that NITINOL has more stable transformation behavior with higher temperature and longer treatment time until the certain level. The R-phase which behave like a martensite phase in NITINOL causes sudden stress rising during the deformation. Thus, the R-phase was removed by the heat treatments.
Tension and loading-unloading tests were conducted to obtain non-linear tensile deformation behaviors and shape recovery effects of as-received and heat treated NITINOL. Test speeds were 1 mm/min, 5 mm/min, and 10 mm/min, respectively. It was verified that ductility improvement and relaxation of the shape recovery effect were obtained by using the proper heat treatment and test speed.
The three dimensional finite element (FE) program, ABAQUS/CAE v6.12-3, was used to simulate the mechanical behavior of NITINOL. Material properties in FE program were obtained by the experimental results. Hyperelastic model and mullins effect were used to describe the behavior of NITINOL in FE program. The comparisons revealed that the FE analysis results were in good agreement with the experimental results.
In case of fine tube which outer diameter is below 6 mm, mandrel drawing method with copper mandrel could be make forming limit higher. Thus, mandrel drawing method with red copper and brass mandrel were chosen for NITINOL fine tube drawing. To check the dimensional accuracy of red copper and brass mandrel method, FE analysis and lab-scale fine tube drawing process with copper mandrel were conducted. After lab-scale tube drawing process, each specimens were checked their outer diameter and wall thickness by using three dimensional measurement equipment. Brass mandrel drawing method has more precise dimension than red copper in both FE analysis and lab-scale drawing.
It can be construed from the current investigations that the developed precision tube drawing process might be helpful in improving the workability and dimensional accuracy of NITINOL tube at the industry.
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.
