KR101234505B1 - 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 - Google Patents

선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 고강도 저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 조성에 있어서,
상기 타이타늄 합금의 구성은, 타이타늄(Ti), 니오브(Nb), 지르코늄(Zr), 철(Fe) 및 산소(O)를 각각 소정의 비율로 포함하여 구성되는 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 (Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)을 특징으로 한다.
상기의 조성을 가진 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 (Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)의 타이타늄(Ti), 니오브(Nb), 지르코늄(Zr) , 철(Fe) 및 산소(O)의 구성비율은, 니오브(Nb) 19~21 mol%, 지르코늄(Zr) 4~6 mol%, 철(Fe) 0.5~1.5 mol%, 산소(O) 0.1~0.5 질량% 그리고 나머지는 타이타늄(Ti)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 { Ultrahigh strength and ultralow elastic modulus titanium alloy with linear elastic deformation }
본 발명은 기존의 타이타늄 합금과 달리 매우 특이하게도 선형적 탄성변형을 하면서도 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금에 관한 것으로서, 이는 기존에 알려진 유사한 특성과 용도를 가진 타이타늄 합금의 조성과 비교해서, 1150MPa 이상의 강도, 60GPa 이하의 탄성계수를 가지는 베타계 타이타늄 합금의 조성에 관한 것이다.
타이타늄 합금은 대표적인 경량금속으로 높은 비강도 및 우수한 내식성을 가지므로 항공우주용 재료, 화학공업용 재료, 생체이식 재료 및 스포츠용품 재료 등 다양한 분야에 널리 적용될 수 있다. 이러한 타이타늄 합금은 다른 소재가 가질 수 없는 특수성을 바탕으로 각 산업 분야에서 큰 부가가치를 창출하는 소재로 잘 알려져 있다.
현재, 기존 타이타늄 생체 소재의 경우 인체 뼈와 탄성계수 차이가 과도하여, 상대적으로 탄성계수가 낮은 골조직에는 응력이 적게 가해지는 응력차페(stress shielding)형상이 자주 발생한다. 이로 인해 인체 시스템은 응력이 적게 가해지는 골 조직을 불필요한 부분으로 인식하여 파골세포를 활성화 시켜 용해시키게 되는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 이러한 응력차폐현상을 최소화하기 위한 저탄성계수 타이타늄 생체소재의 개발이 시급하며, 특히 정형외과형 임플란트의 경우 저탄성과 및 고강도와 함께 단조형상이 복잡하여 성형성이 우수한 초탄.소성 특성을 요구하고 있어 이들 요구를 충족시키기 위한 타이타늄 합금의 개발이 절실하다.
그리고, 이러한 고강도, 저탄성계수, 초탄.소성 타이타늄 합금은 생체의료용 이외에 항공우주, 발전 및 산업분야, 생활용품분야 등에서 응용이 가능하며, 특히 부식 및 특수환경에서의 플라스틱 등 사출금형소재로의 응용이 가능할 것으로 예상된다.
과거 생체이식을 위한 합금재료로 STS 316L과 같은 스테인리스강과 코발트 합금이 사용되었으나, 이러한 금속을 인체내에 시술하였을 경우 부식에 의해 녹아 나온 금속이온이 혈액을 타고 전신에 퍼져 각종 질병을 유발시키는 문제와, 생체활성이 없는 금속과 생체불활성재료로 이루어진 이식체가 몸에 삽입되었을 때 시술 후 시간경과에 따라 이식부위와 분리되어 쉽게 빠지게 되는 문제점과, 이러한 이식체는 인간의 뼈보다 탄성계수가 타이타늄보다 상당히 높으므로, 주위의 뼈조직을 파괴하여 이식부위가 헐거워져 재수술해야 하는 등의 문제점이 지적되었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 생체적합성이 높은 타이타늄에 관한 연구가 국내외에서 활발하게 진행되고 있으며, 현재 실제 사용되고 있는 순수 타이타늄과 Ti-6Al-4V 등의 소재가 가지지 못한 저탄성, 고강도를 갖는 타이타늄 합금에 관한 연구가 진행중이다.
고강도와 저탄성계수를 갖는 경우 기존의 고탄성, 고강도를 갖는 합금이 갖는 응력 차폐 (stress shielding)효과를 극복하여, 인체 골조직과의 적합성이 증가될 수 있으며, 이와 관련된 연구가 국내외에서 활발히 진행중이다.
본 발명과 관련해서는 국내에서는 유사한 특허를 발견할 수 없고, 해외특허중에서는 미국특허 제5954724호에서는 저탄성 의료용 타이타늄 합금에 관한 특허와, 제7887584호에서는 의료용 비정질 타이타늄 소재에 관한 특허가 존재하나, 이는 저영률 타이타늄(티타늄) 합금 기술과 관련하여, 기존 의료용 타이타늄 합금 또는 금속소재들의 영률이 뼈에 비해 높기 때문에 이를 낮추어 새로운 합금을 개발한 기술에 관한 것뿐이며, 저영률과 함께 강도 등 기계적, 물리적 특성을 개선시킨 합금 성분에 관한 기술은 없다는 점이 문제점으로 파악된다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 상기 타이타늄 합금의 구성은, 타이타늄(Ti), 니오브(Nb), 지르코늄(Zr), 철(Fe) 및 산소(O)를 각각 소정의 비율로 포함하여 구성되는 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 (Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 니오브(Nb) 19~21 mol%, 지르코늄(Zr) 4~6 mol%, 철(Fe) 0.5~1.5 mol%, 산소(O) 0.1~0.5 질량% 그리고 나머지 타이타늄(Ti)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 (Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)을 제공하는 것에 있다.
또한 부가적으로 본 발명의 소재는 대다수의 저탄성 타이타늄 합금과 달리 고융점 원소인 Ta(용융점 온도:3,000℃)를 포함하고 있지 않아 대용량 용해 및 응고 시 빈번히 발생하는 Ta 조성 불균일 염려가 없어 대량생산에 유리하며 타이타늄 합금이면서 상온에서 90% 이상의 냉간성형이 가능하다는 장점이 있다.
상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 고강도 저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 조성에 있어서, 상기 타이타늄 합금의 구성은, 타이타늄(Ti), 니오브(Nb), 지르코늄(Zr) 철(Fe) 및 산소(O)를 각각 소정의 비율로 포함하여 구성되는 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금(Ti-Nb-Zr-Fe-O)을 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 타이타늄(Ti), 니오브(Nb), 지르코늄(Zr), 철(Fe) 그리고 산소(O)의 구성비율은,
그리고, 니오브(Nb) 19~21 mol%, 지르코늄(Zr) 4~6 mol%, 철(Fe) 0.5~1.5 mol%, 산소(O) 0.1~0.5 질량% 그리고 나머지는 타이타늄(Ti)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 (Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)을 특징으로 한다.
그리고, 상기의 조성을 가진 고강도 저탄성계수를 가지는 타이타늄 합금(Ti-Nb-Zr-Fe)은 냉간 가공전에는 영률(GPa)이 68이고, 냉간 가공후에는 영률(GPa)이 60인 특성을 가지며, 생체소재로 사용가능한 저탄성 특성을 가지는 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금(Ti-Nb-Zr-Fe-O)을 특징으로 한다.
그리고, 상기의 조성을 가진 고강도 저탄성계수를 가지는 타이타늄 합금(Ti-Nb-Zr-Fe-O)은, 1%이상 구간에서 선형적 탄성거동을 가지는 것을 특성으로 하는 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 (Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)을 특징으로 한다.
그리고, 상기의 조성을 가진 고강도 저탄성계수를 가지는 타이타늄 합금(Ti-Nb-Zr-Fe-O)은, 냉간가공전에는 인장강도가 900Mpa 이상이고 냉간가공후에는 1150Mpa 이상이며, 냉간가공전에는 연신율(%)이 18 이상이고 냉간가공후에는 8 이상인 것을 특징으로 하는 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 (Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 고강도 저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 개발을 통해서 고강도, 저영률, 초탄, 소성 타이타늄 합금은 생체의료용 이외에 항공우주, 발전 및 산업분야, 생활용품분야 등에서 응용이 가능하며, 특히 부식 및 특수환경에서의 플라스틱 등 사출금형소재로의 응용이 가능할 것으로 예상된다.
기존 타이타늄 합금의 난성형성으로 인한 가격 상승을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 고성형성 또는 초탄,소성타이타늄 합금의 개발로 인해 산업현장에서의 생산 및 적용의 면에 있어서도 획기적인 편리성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
또한, 과거 생체이식을 위한 합금재료로 STS 316L과 같은 스테인리스강과 코발트 합금이 사용되었으나, 이러한 금속을 인체내에 시술하였을 경우 부식에 의해 녹아 나온 금속이온이 혈액을 타고 전신에 퍼져 각종 질병을 유발시키는 문제와, 생체활성이 없는 금속과 생체불활성재료로 이루어진 이식체가 몸에 삽입되었을 때 시술 후 시간경과에 따라 이식부위와 분리되어 쉽게 빠지게 되는 문제점과, 이러한 인식체는 인간의 뼈보다 강도가 상당히 크므로, 주위의 뼈조직을 파괴하여 이식부위가 헐거워져 재수술해야 하는 등의 문제점 등을 획기적으로 해결할 수 있을 것으로 예상된다.
그리고, 기존의 합금 대비 본 발명의 소재는 대다수의 저탄성 타이타늄 합금과 달리 고융점 원소인 Ta(용융점 온도:3,000℃)를 포함하고 있지 않아 대용량 용해 및 응고 시 빈번히 발생하는 Ta 조성 불균일 염려가 없어 대량생산에 유리하며 타이타늄 합금이면서 상온에서 90% 이상의 냉간성형이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 기존의 금속재료 특성 및 본 연구를 통한 신합금의 특성을 나타내는 표이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 선형적 탄성거동을 나타내며 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 개발을 위해서 이상적인 필요조건에 관한 표이다.
도 3은 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 개발을 위해서 필요한 도 2의 이상적인 필요조건 중 DV-Xa cluster method(분자궤도법)을 통해서 결정되는 금속원소 별 Bo 및 Md 값에 대한 표이다.
도 4는 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 개발을 위해서 필요한 도 2의 이상적인 필요조건 중 금속원소 별 Electron/atom ratio (e/a) 값에 대한 표이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 담금질(Quenching) 공정후 광학 현미경 미세조직 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 열간단조 후 후방산란전자 현미경 미세조직 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 90% 냉간압연 후 후방산란전자 현미경 미세조직 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금 및 순수 타이타늄의 초음파 탐상법으로 측정된 탄성계수를 나타낸 표이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금 및 이미 개발된 생체용 타이타늄 합금의 강도 및 탄성계수를 비교한 결과낸 표이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금 및 이미 개발된 생체용 타이타늄 합금의 생체용 소재로서 기계적 특성의 적합성 (강도/탄성계수)를 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금 (a) 및 도 10에서 가장 유사한 특성을 보인 소재 (b)의 인장커브를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금 냉간가공전과 후의 인장강도와 연신율을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 사상이 제시되는 실시 예에 제한된다고 할 수 없으며,또 다른 구성요소의 추가, 변경, 삭제 등에 의해서, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있다.
도 1은 기존의 금속재료 특성 및 본 연구를 통한 신합금의 특성을 나타내는 표이다.
살펴보면, 본 발명의 실시 예에서 고강도 저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 개발시에 요구되고 만족해야 하는 특성을 도식화한 그래프이다. 상기 고강도 저탄성계수를 가진 타이타늄 합금은 70GPa이하 저탄성계수, 고강도, 내부식성, 무세포독성 및 초탄, 소성 특성을 가지는 베타계 타이타늄(일명 Gum Metal과 유사한 소재)으로, 계산공학 및 실험적 방법에 의한 합금설계기술, 진공용해 및 단조기술, 성형결합 및 형상제어 금형설계 및 형단조기술, 특성 및 신뢰성 평가기술 등의 단위기술을 통해서 개발될 수 있다.
개발하고자 하는 고강도 저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 타겟 메탈의 특성과 비교해서, 마그네슘 합금, 알루미늄 합금, 타이타늄 합금 그리고 철의 영의 계수는 각각 그래프에서 알 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 고강도 저탄성계수를 가진 타이타늄 합금은, 저탄성계수, 고강도 초탄, 소성 베타계 타이타늄 합금의 경우 일본 도요타자동차(Since vol. 300(2003))에서 최근에 개발된 Gum Metal(Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-O)과 달리 선형적 탄성변형을 하며 저탄성, 고강도 특성을 가지는 타이타늄 합금으로, 현재 생체의료, 항공우주, 발전 및 산업분야 뿐만 아니라, 부식 및 특수 환경에서의 플라스틱 등의 사출금형재질로 용융이 가능할 것을 예상된다.
그외에도, 안경프레임, 정밀나사류, 자동차용 부품, 스포츠용품, 장식품 등 자동차 및 생활용품으로의 응용이 매우 다양하게 적용될 수 있다.
현재, 기존 고강도/고영률 타이타늄 생체 소재의 경우 영률 차이가 과도하여, 상대적으로 영률이 낮은 골조직에는 응력이 적게 가해지는 응력차페(stress shielding)형상이 자주 발생함. 이로 인해 인체 시스템은 응력이 적게 가해지는 골 조직을 불필요한 부분으로 인식하여 파골세포를 활성화 시켜 용해시키게 되는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 응력차폐현상을 최소화하기 위한 저영률 타이타늄 생체소재의 개발이 시급하며, 특히 정형외과형 임플란트의 경우 고강도와 함께 단조형상이 복잡하여 성형성이 우수한 초탄, 소성 특성을 요구하고 있어 이들 요구를 충족시키기 위한 타이타늄 합금의 개발이 필요하였다.
현재, 이러한 고강도, 저영률, 초탄, 소성 타이타늄 합금은 생체의료용 이외에 항공우주, 발전 및 산업분야, 생활용품분야 등에서 응용이 가능하며, 특히 부식 및 특수환경에서의 플라스틱 등 사출금형소재로의 응용이 가능할 것으로 예상된다.
또한, 생체의료 및 기타 여러 분야에 타이타늄 합금을 적용하기 위해서는 제품의 단가를 낮추기 위한 방안이 모색되어야 하며, 기존 타이타늄 합금의 난성형성으로 인한 가격 상승을 최소화하기 위한 고성형성 또는 초탄, 소성을 가진 타이타늄 합금의 개발 또한 필요하다.
고강도, 저영률, 초탄, 소성 타이타늄 합금(일명:Gum Metal)의 개발은 일본도요토 자동차로부터 처음 개발된 이후 이들 합금의 주 응용처중 산업적 파급효과가 큰 생체의료용 시장에 적용하기 위한 시도가 지속적으로 이루어지고 있는 실정이다.
또한, 과거 생체이식을 위한 합금재료로 STS 316L과 같은 스테인리스강과 코발트 합금이 사용되었으나, 이러한 금속을 인체 내에 시술하였을 경우 부식에 의해 녹아 나온 금속이온이 혈액을 타고 전신에 퍼져 각종 질병을 유발시키는 문제와, 생체활성이 없는 금속과 생체불활성 재료로 이루어진 이식체가 몸에 삽입되었을 때 시술 후 시간경과에 따라 이식부위와 분리되어 쉽게 빠지게 되는 문제점과, 이러한 인식체는 인간의 뼈보다 강도가 상당히 크므로, 주위의 뼈조직을 파괴하여 이식부위가 헐거워져 재수술해야 하는 등의 문제점이 지적되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 생체적합성이 높은 타이타늄에 관한 연구가 국내외에서 활발하게 진행되고 있으며, 초기에 순수 타이타늄과 Ti-6Al-4V 등에 합금이 가지지 못한 저탄성, 고강도를 갖는 타이타늄 합금에 관한 연구가 진행중임. 고강도와 저탄성계수를 갖는 경우 기존의 고탄성, 고강도를 갖는 합금이 갖는 응력 차폐 (stress shielding)효과를 극복하여, 인체 골조직과의 적합성이 증가될 수 있으며, 이와 관련된 연구가 국내외에서 활발히 진행중이다.
저영률 타이타늄(티타늄) 합금 기술과 관련하여, 기존 의료용 타이타늄 합금 또는 금속소재들의 영률이 뼈에 비해 높기 때문에 저영률과 함께 강도 등 기계적, 물리적 특성을 개선시킨 합금 성분 및 파라미터 발명을 개발하는 쪽으로 본 발명의 연구가 진행되었다.
따라서, 본 발명에서 목표로 하는 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 또한 도 1의 그래프의 좌측 상단에 붉은색으로 도시한 영역에서의 특성을 가지는 것을 목표로 하여 개발되었다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 선형적 탄성거동을 나타내며 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 개발을 위해서 이상적인 필요조건에 관한 표이다.
살펴보면, 상기와 같은 저영률 타이타늄(티타늄) 합금의 개발을 함에 있어서, 필수적으로 만족해야 하는 3가지 필수전제조건이 있다.
상기의 3가지 조건은, DV-Xα:bond order,Bo:2.87, DV-Xα:"d"electron-orbital energy level, Md:2.45eV 그리고 Electron/atom ratio(s.p.d):4.24의 조건을 만족시켜야 한다는 것이다.
도 3은 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 개발을 위해서 필요한 도 2의 이상적인 필요조건 중 DV-Xa cluster method(분자궤도법)을 통해서 결정되는 금속원소 별 Bo 및 Md 값에 대한 표이다.
살펴보면, 본 발명의 실시에 필요한 고강도, 저탄성 계수를 가진 타이타늄 함급의 구성원소가 각각 Ti,Nb,Zr 그리고 Fe로 결정되는 것이 최적의 조건임을 알 수 있다.
따라서, 고강도 저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 조성에 있어서,
상기 타이타늄 합금의 구성은, 타이타늄(Ti), 니오브(Nb), 지르코늄(Zr), 철(Fe) 및 산소(O)를 각각 소정의 비율로 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 타이타늄(Ti), 니오브(Nb), 지르코늄(Zr), 철(Fe) 그리고 산소(O)의 구성비율은, 니오브(Nb) 19~21 mol%, 지르코늄(Zr) 4~6 mol%, 철(Fe) 0.5~1.5 mol%, 산소(O) 0.1~0.5 질량% 그리고 나머지는 타이타늄(Ti)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기의 조성을 가진 고강도 저탄성계수를 가지는 타이타늄 합금(Ti-Nb-Zr-Fe)은, 냉간 가공전에는 영률(GPa)이 68이고, 냉간 가공후에는 영률(GPa)이영률(GPa)이 가지며, 생체소재로 사용가능한 저탄성 특성을 가지는 고강도 저탄성계수를 가지는 타이타늄 합금(Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)임을 특징으로 한다.
그리고, 상기의 조성을 가진 고강도 저탄성계수를 가지는 타이타늄 합금(Ti-Nb-Zr-Fe)은, 1.5%이상 구간에서 선형적 탄성거동을 가진다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 담금질(Quenching) 공정후 광학 현미경 미세조직 사진이다.
일반적으로 담금질 공정 후 관찰되는 수지상정이 관찰된다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 열간단조 후 후방산란전자 현미경 미세조직 사진이다.
열간 단조중 수지상정이 분쇄되어 등축상의 결정립이 고르게 형성된 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 90% 냉간압연 후 후방산란전자 현미경 미세조직 사진이다.
상온에서 매우 높은 변형량이 소재에 가해져도 파단되지 않고 변형이 수용된 거을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금 및 순수 타이타늄의 초음파 탐상법으로 측정된 탄성계수를 나타낸 표이다.
일반적으로 알려진 순수 타이타늄의 영률이 105~110GPa 정도의 값을 가지므로 본 방법의 신뢰성을 확인할 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 따른 소재의 경우 매우 낮은 영률을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금 및 이미 개발된 생체용 타이타늄 합금의 강도 및 탄성계수를 비교한 결과낸 표이다.
살펴보면, 발명의 실시 예에 따른 고강도 저탄성계수를 가진 타이타늄 합금이 이미 개발된 소재 중 가장 우수한 특성을 보이는 Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0.3 O 합금(Gum Metal)과 비교하여 볼때, 150 MPa 이상 고강도임을 알 수 있다.
요약하면, 본 발명의 실시 예에 따른 고강도 저탄성계수를 가지는 타이타늄 합금(Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)을 통해서 70GPa이하 저탄성계수, 고강도, 내부식성, 무세포독성 및 초탄.소성 특성을 가지는 베타계 타이타늄 합금을 개발하였음을 알 수 있다.
따라서, 본 강도 저탄성계수를 가지는 타이타늄 합금(Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)을 이용하여 생체의료에서부터 항공우주분야까지 다양한 산업분야에서 적용할 수 있음을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금 및 이미 개발된 생체용 타이타늄 합금의 생체용 소재로서 기계적 특성의 적합성 (강도/탄성계수)를 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시에 따른 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 (Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)의 기계적 특성과 기존의 합금 등과 비교하여 볼 때, 상대적으로 월등한 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금 (a) 및 도 10에서 가장 유사한 특성을 보인 소재 (b)의 인장커브를 나타낸 그래프이다.
도 11의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 (Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)의 외부응력에 따른 변형률을 나타낸 그래프이고, 도 11의 (b)는 기존의 금속중 가장 우수한 특성을 나타낸 합금(Ti-36Nb-2Ta-3Zr-O)의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11의 (a)와 (b)를 비교하여 살펴보면, 도 11(b)의 기존의 타이타늄 합금(Ti-36Nb-2Ta-3Zr-O)의 경우에는, 비선형적 탄성거동을 하는 것을 알 수 있다.
반면에, 본 발명의 실시 예에 따른 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 (Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)의 경우에는, 선형적 탕성거동을 하는 구간이 1.0%를 넘어서는 것을 확인할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시 예에 따른 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 (Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)의 경우에는, Ta 금속(용융점 온도:3,000℃)을 포함하고 있지 아니하다.
Ta 금속은 용융점 온도가 3,000℃인 바, 기타 성분 금속들의 용융점 온도에 비해서 상대적으로 월등히 높아서, 일반적인 금속의 용융온도인 2,500℃의 조건하에서는 Ta 금속이 균일하게 용융되지 아니하므로 합금의 제조에 있어서 균일한 조성을 가진 제품을 얻기가 어렵다는 문제점이 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 초고강도, 초저탄성계수를 가진 타이타늄 합금 냉간가공전과 후의 인장강도와 연신율을 나타낸 그래프이다.
살펴보면, 상기의 조성을 가진 고강도 저탄성계수를 가지는 타이타늄 합금(Ti-Nb-Zr-Fe-O)은, 냉간가공전에는 인장강도가 900Mpa 이상이고 냉간가공후에는 1150Mpa 이상이며, 냉간가공전에는 연신율(%)이 18 이상이고 냉간가공후에는 8 이상인 것을 특성을 보이고 있다.
이는, 기존의 합금이 강도가 700Mpa 정도이고, 연신률이 2%정도인 점을 고려할 때 현재 개발된 합금 대비 현저하게 향상된 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 타이타늄 합금(Ti-Nb-Zr-Fe-O)은, 강도가 향상되면 연신율은 낮아지는 일반적인 특성과는 달리, 강도가 현저히 향상되었음에도 연신율 또한 비례하여 높아진 점이 기존의 합금 대비 획기적이라 할 것이다.
결론적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 (Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)을 통해서, 기존의 타이타늄 합금 대비 합리적인 제조비용으로 보다 현저하게 우수한 특성을 가진 타이타늄 합금을 제조할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금 (Ti-20Nb-5Zr-1Fe-O)을 이용하여 생체의료에서부터 항공우주분야까지 다양한 산업분야에서 적용할 수 있음을 알 수 있다.
도면의 부호 없음

Claims (5)

  1. 고강도 저탄성계수를 가진 타이타늄 합금의 조성에 있어서,
    상기 타이타늄(Ti), 니오브(Nb), 지르코늄(Zr), 철(Fe) 그리고 산소(O)의 구성비율은,
    니오브(Nb) 19~21 mol%, 지르코늄(Zr) 4~6 mol%, 철(Fe) 0.5~1.5 mol%, 산소(O) 0.1~0.5 질량% 그리고 나머지는 타이타늄(Ti)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금.

  2. 제 1 항에 있어서,
    상기의 조성을 가진 고강도 저탄성계수를 가지는 타이타늄 합금은,
    냉간 가공전에는 영률(GPa)이 68이고, 냉간 가공후에는 영률(GPa)이 60인 특성을 가지며, 생체소재로 사용가능한 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금.

  3. 제 1 항에 있어서,
    상기의 조성을 가진 고강도 저탄성계수를 가지는 타이타늄 합금은,
    1%이상의 구간에서 선형적 탄성거동을 가지는 것을 특성으로 하는 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금.

  4. 제 1 항에 있어서,
    상기의 조성을 가진 고강도 저탄성계수를 가지는 타이타늄 합금은,
    냉간가공전에는 인장강도가 900Mpa 이상이고 냉간가공후에는 1150Mpa 이상이며, 냉간가공전에는 연신율(%)이 18 이상이고 냉간가공후에는 8 이상인 것을 특징으로 하는 선형적 탄성변형을 하며 초고강도, 초저탄성 특성을 가지는 타이타늄 합금.

  5. 삭제
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