니켈-티타늄(NiTi, 일반적으로 "니티놀"이라고 함)은 상변형이 제어되어 회복 가능한 열 활성화 형상 기억과 초탄성이라는 온도에 따른 매우 큰 탄성 변형이라는 두 가지 특별한 거동을 일으키는 거의 등가적인 금속 간 합금입니다. 이러한 특성과 함께 뛰어난 피로 성능(적절히 가공된 경우), 표면 마감 후 내식성, 다양한 의료용도에서 입증된 생체 적합성이 결합되어 스텐트와 교정용 와이어에서 액추에이터, 커플링 및 적응형 항공우주 부품에 이르기까지 가역적이고 반복 가능한 동작 또는 매우 높은 회복 가능한 변형률이 필요한 경우 NiTi가 선택되는 소재가 되었습니다.
1. 니켈-티타늄(NiTi/니티놀)이란 무엇인가요?
엔지니어링 및 의료 분야에 사용되는 니켈-티타늄 합금은 니켈과 티타늄의 거의 동일한 원자량 혼합물입니다(명목상 ~55 at.% Ni / 많은 상용 등급에서 45 at.% Ti). 이 합금은 1950년대 후반에 미국 해군 병기 연구소에서 확인되었으며, "니티놀"이라는 상품명은 다음과 같습니다. Nickel Ti타늄과 Naval Ordnance L혐오스러운. 가공(용융, 열기계 작업 및 열처리)은 매우 민감하고 까다롭기 때문에 상용화에 수십 년이 걸렸습니다.
NiTi는 스테인리스강과 같은 단일 "등급"이 아니며, 조성 및 열처리의 작은 변화만으로도 변형 온도와 기계적 반응에 상당한 변화를 일으킵니다. 일반적인 상업적 명칭은 변형 거동(예: 체온보다 낮은 Af를 갖는 "초탄성" NiTi, 체온보다 높은 Af를 갖는 "형상 기억" NiTi) 및 제품 형태(와이어, 튜브, 시트)를 참조합니다.
2. 두 가지 특징적인 동작: 형상 기억과 초탄력성
NiTi의 엔지니어링 용도를 정의하는 두 가지 밀접하게 관련되어 있지만 서로 다른 현상을 보여줍니다:
-
형상 기억 효과(SME): NiTi가 변형된 경우 마르텐사이트 상태(변형 영역 아래)로 만든 다음 오스테나이트 마감 온도(Af) 이상으로 가열하면 원래 형상이 복구됩니다. 이렇게 하면 부품을 훈련된 형상으로 되돌리고 일반적인 금속에 비해 큰 변형률을 생성할 수 있습니다.
-
초탄성(의사 탄성): NiTi가 Af(오스테나이트 상태) 이상의 온도에 있으면 하중을 받는 동안 마르텐사이트로 응력 유발 상변환을 겪다가 하중이 풀리면 자발적으로 오스테나이트로 되돌아갈 수 있습니다. 이로 인해 기존의 탄성 금속보다 훨씬 큰 수 %(실제 전선/튜브의 경우 일반적으로 6-8%, 때로는 최적화된 합금의 경우 그 이상)의 복구 가능한 변형률을 제공합니다.
어떤 동작이 발생하는지는 작업 온도에 대한 합금의 변형 온도에 따라 달라집니다.
3. 미세 구조 및 위상 변환
NiTi의 역학은 가역적이고 확산이 없는(마르텐사이트) 상 변환에서 비롯됩니다:
-
오스테나이트(고온, B2 입방체 또는 B2 유사 구조) - 뻣뻣하고 상대적으로 강합니다.
-
마르텐사이트(저온, 단정형 B19′) - 마르텐사이트 변종의 방향 전환에 의해 쉽게 변형되는 더 부드럽습니다.
-
R-상(삼각형 중간체) - 는 일부 컴포지션/처리 경로에 나타날 수 있으며 열/기계적 응답(작은 변형률, 작은 히스테리시스)을 복잡하게 만들 수 있습니다.
변환 온도는 일반적으로 열 분석(DSC) 또는 기계적 테스트를 통해 결정된 네 가지 특성 포인트로 제공됩니다: Ms/Mf (냉각 시 마르텐사이트 시작/종료) 및 As/Af (가열 시 오스테나이트 시작/마감). 작은 조성 변화(수백 ppm)나 냉간 작업/숙성만으로도 이러한 온도가 크게 변할 수 있으므로 엄격한 공정 관리가 중요합니다. 이러한 온도를 정량화하기 위한 ASTM 테스트 방법이 특별히 존재합니다.
디자인 노트: 엔지니어는 작동 온도에서 초탄성(사용 온도 이하 Af)인지, 형상 기억(사용 온도 이상 Af)을 표시하는지에 따라 기능 모드가 달라지는 디바이스에 대해 Af(오스테나이트 마감)를 지정합니다.
4. 기계적 특성 및 피로 거동
NiTi의 기계적 동작은 상태에 따라 크게 달라집니다:
-
오스테나이트(초탄성) 계수: 고원 지역에서는 유효 탄성률이 더 낮지만 문헌에 보고된 일반적인 탄성률은 온도와 가공에 따라 다릅니다(상태에 따라 30~75GPa로 표시되는 경우가 많습니다).
-
마르텐사이트 상태: 낮은 계수와 더 큰 연성을 제공합니다.
-
복구 가능한 변형: 적절한 사이클링 조건에서 영구 세팅이 없는 많은 상용 전선/튜브의 경우 최대 ~8%로 강철의 경우 ~0.2%와 대조를 이룹니다.
-
피로: NiTi는 비슷한 변형률에서 많은 금속에 비해 우수한 변형률 제어 피로 수명을 나타내지만, 피로는 까다로운 주기적 애플리케이션의 주요 고장 모드로 남아 있습니다. 세심한 표면 마감(전기 연마, 패시베이션), 정밀한 열역학적 훈련, 응력 집중을 피하는 것이 긴 수명을 달성하는 주요 방법입니다.
피로 성능은 미세 구조적 결함 및 표면 손상에 민감합니다. 임플란트 및 기타 안전이 중요한 장치의 경우 설계자는 가속 주기 테스트를 통해 내구성을 입증해야 하며, (의료 기기의 경우) FDA 및 공인된 합의 표준 지침을 따라야 합니다.
5. 가공, 열기계 교육 및 열처리
NiTi의 제조 시 특성은 일련의 열 및 기계적 작업에 의해 정의됩니다:
-
용융/진공 유도 용융(VIM) 그리고 진공 아크 재용융(VAR) 는 일반적으로 화학적 청결도를 달성하고 미량 원소를 제어하는 데 사용됩니다.
-
열간 가공 및 와이어/튜브 드로잉 변형을 부여하고 미세 구조를 미리 정의한 후 어닐링하는 단계가 이어집니다.
-
에이징 및 솔루션 처리 강수량을 유발하거나 내부 스트레스를 완화하여 변형 온도를 조정합니다. 저온에서 작은 열 노화는 Af를 측정 가능하게 변화시킬 수 있습니다.
-
열역학 교육 - 형상 기억 형상(예: 스텐트 형상 또는 프로그래밍된 컬)을 '훈련'하기 위한 변형 제어 및 열 순환은 형상 설정 부품의 경우 일상적인 작업입니다.
NiTi는 산소와 오염에 민감하기 때문에 공정 단계를 엄격하게 제어해야 하며, 의료용 생산에는 진공 용융과 정밀한 대기 제어가 일상화되어 있습니다.
6. 표면 화학, 내식성 및 생체 적합성
처리되지 않은 NiTi는 안정적인 산화티타늄(TiO₂) 표면막을 형성하여 보호막을 형성하고 우수한 내식성을 제공합니다. 또한 잘 형성된 TiO₂ 층은 니켈 이온 방출을 제한하는데, 이는 생체 내에서 NiTi가 사용되는 중요한 지점입니다. 전기 연마 및 패시베이션 처리는 표면 거칠기를 줄이고 표면의 니켈이 풍부한 산화물을 제거하여 내식성과 피로 수명을 모두 개선합니다.
의료 기기에는 규제 및 생체 적합성 평가(이온 방출, 세포 독성, 감작성)가 필수적입니다. FDA는 변형 온도, 기계적 거동, 니켈 방출, 마감/가공이 성능에 미치는 영향에 대한 테스트를 강조하는 NiTi 장치에 대한 구체적인 기술적 고려 사항을 발표했습니다.
7. 양식, 제조 경로 및 접합/가공 참고 사항
상업용 NiTi 제품은 와이어, 튜브, 호일, 시트, 바, 레이저 커팅 또는 포토 에칭 부품으로 제공됩니다. 일반적인 제조 과제
-
가공: NiTi는 경화되어 기존 방식으로 가공하기 어렵습니다. 레이저 절단, EDM, 화학적 에칭 및 세심한 연삭이 일반적입니다.
-
용접/결합: 레이저 용접은 일반적으로 니켈-티타늄 간 용접에 사용되며, 변형 온도를 국부적으로 변화시키는 열 영향 구역(HAZ)에는 특별한 고려 사항이 적용됩니다. 브레이징 및 기계적 접합이 대안이 될 수 있습니다.
-
모양 설정: 형상을 '기억'해야 하는 부품의 경우, 형상 설정은 부품을 최종 형상으로 제한하고 지정된 시간 동안 변형 온도 이상으로 열처리하는 방식으로 이루어집니다.
열역학적 이력이 매우 중요하기 때문에 제조업체는 일관된 Af, 고원 응력, 피로 수명 및 부식 특성을 생성하기 위해 NiTi 가공을 정밀하게 반복해야 하는 레시피처럼 취급합니다.
8. 표준 및 규제 환경
특히 의료용 애플리케이션을 위해 NiTi에 대한 여러 공인 표준 및 지침 문서가 존재합니다:
-
ASTM F2063 - 의료 기기 및 수술용 임플란트용 단조 니켈-티타늄 형상 기억 합금의 표준 사양 (구성 범위, 처리 청결도, 기계적 테스트 등을 정의합니다).
-
ASTM F2004 - 열 분석을 통한 니켈-티타늄 합금의 변형 온도에 대한 표준 시험 방법 (DSC 방법).
-
FDA 지침 - 니티놀 함유 의료기기에 대한 비임상 평가 는 성능 특성화, 변형 온도 측정, 피로 테스트 및 니켈 방출 평가에 대한 FDA의 기대치를 간략하게 설명합니다.
의료 기기의 경우, ASTM 표준은 규제 기관에서 인정하는 경우가 많으며 제조업체는 일반적으로 테스트 설계에 대해 ASTM 방법을 참조하고 기기별 우려 사항에 대해서는 FDA 지침을 참조합니다. 의료용이 아닌 산업용 애플리케이션의 경우에도 이러한 방법을 따르면 일관성과 추적성을 확보할 수 있습니다.
9. 애플리케이션 - NiTi가 고유한 가치를 제공하는 분야
의료 기기(가장 큰 규제 대상 시장): 스텐트, 가이드 와이어, 교정용 아치 와이어, 폐색 장치, 혈관 내 필터, 대정맥 필터 및 초탄성 카테터 구성품. 생체 적합성, 초탄성, 최소 침습적 배치를 위한 압축 능력은 결정적인 장점입니다.
산업용 액추에이터 및 커플링: 형상 기억 기반의 소형 저소음 액추에이터는 공간 제약이 있는 시스템에서 모터를 대체할 수 있으며, NiTi는 우수한 전력 밀도로 선형 또는 회전 운동을 생성할 수 있습니다.
항공우주: 적응형 또는 모핑 구성 요소(쉐브론, 작동식 씰)는 움직이는 부품이 거의 없는 경량 작동을 위해 NiTi를 사용하며, NASA 및 OEM 연구를 통해 비행 가능한 개념을 입증했습니다.
로보틱스 및 햅틱: NiTi 와이어 액추에이터는 조용하고 저질량 작동이 필요한 경우 매력적이지만 히스테리시스 제어 및 열 관리 등의 과제가 있습니다.
소비자 및 전문 분야: 안경테(플렉스), 참신한 아이템, 온도에 반응하는 기기, 틈새 스포츠 용품 등이 있습니다.
10. 디자인 및 선택 가이드
NiTi로 디자인할 때 몇 가지 실용적인 규칙이 있습니다:
-
변환 온도 지정(As/Af, Ms/Mf) 의도된 작동 범위에 대해 명시적으로 측정 방법(DSC 대 굽힘/복원)을 구매자와 공급업체 간에 합의해야 합니다.
-
표면 마감이 중요합니다: 전기 연마/부동태화하여 피로 시작 부위와 니켈 방출을 줄입니다.
-
히스테리시스 및 비선형성을 고려합니다: 응력-변형 다이어그램에는 변형에 의해 제어되는 고원이 있으며, 설계 허용 오차는 고원 응력 변동성을 허용해야 합니다.
-
날카로운 모서리와 응력이 집중되는 부분을 피하고 필렛을 사용하세요. 를 섭취하면 피로 수명을 연장할 수 있습니다.
-
전체 열역학 인증서를 요청하세요: 변형 곡선, 인장/힘-변형 데이터, 표면 처리 세부 정보 및 프로세스 이력을 확인할 수 있습니다.
확실하지 않은 경우, 실제 환경 및 하중 조건에서 부품 프로토타입을 제작하고 대표적인 주기적 테스트를 수행하세요. 의료 기기의 경우 FDA/컨센서스 표준 테스트 계획을 조기에 따르세요.
11. 니켈-티타늄 합금 (니티놀) 가격 2025
| 지역 | 제품/등급 | 가격 범위(USD/kg) | 참고 |
|---|---|---|---|
| 중국 | 산업용 / SE / SM 등급 | 140 - 210 | 대량 주문을 위한 최고의 가치 |
| 미국 | ASTM F2063(의료 등급) / SE | 220 - 300 | 의료 인증 자료의 프리미엄 가격 |
| 독일 | SM/SE(고정밀 등급) | 200 - 280 | 고정밀 및 R&D 품질 |
| 인도 | SM / 산업용 등급 | 160 - 220 | 엔지니어링용으로 비용 효율적 |
| 일반(시트 양식) | NiTi 합금 시트 | 50 - 150 | 등급/두께에 따라 크게 달라집니다. |
12. 빠른 참조 - 일반적인 속성 표
표 1 - 상업용 거의 동위 원소에 가까운 NiTi의 선택된 일반적인 범위(값은 예시입니다. 설계 시 정확한 테스트 방법과 상태를 지정하십시오.)
| 속성 / 상태 | 일반적인 값/설명 |
|---|---|
| 공칭 구성 | ~55 at.% Ni / 45 at.% Ti(중량 기준 ≈ 50-55 wt% Ni 변형 존재) |
| 밀도 | ≈ 6.45g/cm³. |
| 녹는점 | ~1310°C(정확한 구성에 따라 다름). |
| 오스테나이트 계수(대략) | 30-75 GPa(처리 및 온도에 따라 다름). |
| 마르텐사이트 계수(대략) | 오스테나이트보다 낮으며 변형 구성에 따라 크게 달라집니다. |
| 복구 가능한 스트레인(초탄성) | 일반적으로 영구 세트가 없는 4-8%이며 특수 합금의 경우 더 높을 수 있습니다. |
| 일반적인 변환 온도 | 구성 및 프로세싱에 따라 -50°C 이하에서 +100°C 이상까지 설계되었으며, Af가 핵심 사양입니다. |
| 부식 동작 | 전기 연마/부동태화(안정된 TiO₂ 필름) 시 양호하며, 적절한 마감 처리로 니켈 방출이 적습니다. |
| 피로 민감도 | 표면 결함에 민감하며 연마 및 공정 제어를 통해 피로 수명이 향상됩니다. |
13. 일반적인 장애 모드 및 완화
-
표면 결함이나 가공 자국에서 시작되는 피로 균열: 전기 연마 및 표면 검사(광학/SEM) 및 디자인 필렛으로 완화합니다.
-
HAZ 또는 냉간 가공 구역에서 변환 온도의 국부적 변화: 용접/레이저 파라미터를 제어하거나 용접 후 어닐링 및 Af 재특성화를 지정할 수 있습니다.
-
니켈 이온 방출 및 민감성 위험: 패시베이션/전기 연마를 보장하고 생체 적합성 프로토콜에 따라 화학 물질 방출 테스트를 수행합니다.
14. 자주 묻는 질문
Q1. NiTi는 니티놀과 같은 건가요?
네. 니티놀은 상업용 니켈-티타늄 형상 기억 합금에 일반적으로 사용되는 상표명이며, NiTi는 화학 약어입니다.
Q2. 스텐트에는 초탄성 NiTi와 형상 기억 NiTi 중 어느 것이 더 낫나요?
초탄성 NiTi(체온 이하 Af)는 배치 시 즉시 모양이 회복되기 때문에 일반적으로 자가 팽창 스텐트에 사용됩니다. 형상 기억 등급(체온보다 높은 Af)은 열 작동 또는 온도에 따른 팽창이 필요한 경우에 사용됩니다.
Q3. Af는 어떻게 지정되고 측정되나요?
Af(오스테나이트 마감)는 DSC(ASTM F2004) 또는 굽힘/복원 테스트(ASTM F2082)로 측정합니다. 결과는 기술마다 다르므로 방법을 지정해야 합니다.
Q4. NiTi가 체내에서 부식되나요?
적절하게 가공된 NiTi는 보호용 TiO₂ 층을 형성하고 우수한 생체 내식성을 보여줍니다. 표면이 전기 연마/부동태화되면 니켈 이온 방출이 낮지만 임플란트에는 생체 적합성 테스트가 필수입니다.
Q5. NiTi를 용접할 수 있나요?
예 - 레이저 용접 및 기타 국소 결합 방법이 사용되지만 용접은 국소 변형 거동과 기계적 특성을 변경하므로 HAZ를 테스트해야 합니다.
Q6. 니켈 알레르기 위험이 있는 NiTi가 포함되어 있나요?
모든 NiTi에는 니켈이 포함되어 있지만, 적절하게 마감된 NiTi는 일부 스테인리스강보다 니켈 방출량이 적은 경우가 많지만, 알레르기는 환자마다 다르며 규제 테스트는 감작 위험을 해결합니다.
Q7. NiTi를 복잡한 모양으로 가공할 수 있나요?
기존 가공은 작업물 경화 때문에 어려우므로 레이저 절단, EDM, 화학적 에칭 및 특수 연삭이 선호되는 방법입니다.
Q8. NiTi 공급업체의 일관된 성능을 보장하려면 어떻게 해야 하나요?
전체 재료 인증서(구성, DSC 변형 곡선, 의도한 상태에서의 기계적 테스트, 표면 마감 세부 정보, 공정 이력(용융 경로, 열처리)을 요청하세요. 의료 부품의 경우 공급업체 감사 및 제품 검증 테스트를 제공합니다.
15. 새로운 트렌드 및 연구 방향
-
합금 변형 및 도핑: 작은 첨가물(Cu, Pd, Pt)은 히스테리시스와 피로를 변화시키고, 의료 및 고온 SMA 연구는 맞춤형 반응을 위한 합금을 탐구합니다.
-
탄성 열량 냉각: NiTi는 응력 유도 변형을 활용하는 고체 냉각 사이클에서 가능성을 보여줍니다(연구용 프로토타입에만 해당).
-
적층 제조(AM): 신뢰할 수 있는 AM NiTi 부품을 생산하기 위한 노력이 계속되고 있지만, AM의 조성, 다공성 및 변형 온도 제어는 여전히 활발한 연구 분야입니다.
16. 엔지니어를 위한 실용적인 체크리스트
-
Af/사용 온도 및 필요한 복구 가능한 변형을 정의합니다.
-
제품 형태(와이어/튜브/포일) 및 표면 마감을 지정합니다.
-
의료용으로 ASTM F2063을 준수하고 테스트 방법을 정의해야 합니다(Af의 경우 ASTM F2004).
-
피로 테스트 프로토콜과 대표적인 디바이스 사이클링을 요청하세요.
-
규제 지침에 따라 니켈 방출 및 부식 테스트에 대한 허용 한도를 지정하세요.
17. 마무리 발언
니켈-티타늄 합금은 가역적이고 안정적이며 컴팩트한 모션 또는 복구 가능한 큰 변형이 필요한 장치에 대한 사고를 변화시켰습니다. 이러한 장점에는 정밀한 화학적 제어, 세심한 열기계적 처리, 표면 마감, 철저한 기계적/생체적합성 특성 분석과 같은 요구 사항이 수반됩니다. 이를 올바르게 처리하면 기존 엔지니어링 금속으로는 실용적이지 않은 설계를 NiTi로 구현할 수 있습니다.
KO 
EN 
AR 
JA 
DE 
IT 
ES