KR101420609B1 - 연속주조공정에 의한 치과주조용 팔라듐-인듐 합금 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 취성으로 인하여 통상적인 몰드주조방식으로는 제조가 난해하거나 불가능한 치과주조용 Pd-In 주조재의 연속주조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 고주파 진공 유도 가열을 이용한 연속주조 기술을 적용함으로써 도가니 내의 교반력을 증대시켜 용탕의 균일성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 동일한 용탕 온도를 유지한 채 계속적인 연속주조를 가능케 하여 주조 편석 및 내부 불순물 등의 결함 없는 건전한 Pd-In 합금 제조가 가능하다.

Description

연속주조공정에 의한 치과주조용 팔라듐-인듐 합금 제조방법{Continuous casting for Pd-In dental casting alloy}

본 발명은 연속주조공정에 의한 치과주조용 Pd-In 합금 제조방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 연성 및/또는 전성이 부족하고 취성이 높아 통상적인 치과주조용 합금 제조방법으로는 가공이 불가능하거나 난해한 Pd-In 합금의 연속주조에 의한 제조방법에 관한 것이다.

치과 주조용 합금은 인레이, 온레이 및 브릿지 및 계속가공의치에 사용되며, 주조용 합금은 융점이 비교적 낮아야 하고, 산화되어 성분변화를 발생시키지 않아야 하며, 주조수축이 적어야 한다. 또한 녹으면 유동성이 좋아야 하고 기체의 흡수가 적어야 하는 특성이 요구된다. 주조용 귀금속 합금의 합금화 성분 가운데 주성분은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 은(Ag)이며, 그 외에도 비귀금속인 동(Cu), 인듐(In), 철(Fe), 주석(Sn) 등이 소량 함유될 수 있다. 치과합금이 이렇게 다양한 원소로 이루어져야하는 이유는 구강 내 교합력에 견디기 위해 적절한 강도와 경도, 연성, 전성을 위해서이다. 합금은 조성에 따라 합금 각각의 특성이 달라진다. 금(Au)은 합금의 변색 저항성을 높여 주고 합금의 연성을 높여준다. 또한 컬러를 우수하게 한다. 대부분 합금의 주성분으로 황금색을 띄며 변색과 부식에 대한 저항성을 증가시킨다. 동(Cu)은 열처리 후의 금합금의 강도와 경도를 높여준다. 은(Ag)은 합금의 색을 희게하고 연성을 약간 증가시킨다. 백금(Pt)은 변색과 부식에 대한 저항성을 증가시키고, 강도 및 경도를 높여주며 흰색을 띈다. 팔라듐(Pd)은 변색과 부식에 대한 저항성, 강도와 경도를 증가시키지만 주로 백금 대용으로 사용된다. 아연(Zn)은 산화방지제로 주조하는 과정 동안 합금을 깨끗하게 유지시켜 준다. 이러한 성분의 차이로 인해 치과용합금의 다양성과 시술에 따른 각각의 합금 종류를 선택할 수 있다.

일반적인 치과주조용 합금은 ISO 기준에 따라서 Ⅰ형에서 Ⅳ형까지 4가지로 구분된다. 이러한 구분에 따라서 나타나는 특성은 다음과 같다. 귀금속 합금(precious metal alloy)의 경우 제Ⅰ형에서 제Ⅳ형으로 구분하게 되는데 제Ⅰ형은 연질(Soft)로 금의 성분이 83%(20K 금에 해당) 정도로 치아손상이 적은 부위나 교합력이 적은 부위에 사용하게 된다. 제Ⅱ형은 중질(Medium)로 교합력이 중간인 부위에 사용되는데 77% 정도의 금 성분이 들어 있고 18K 금에 해당한다. 제Ⅲ형은 경질(Hard)로 교합력이 높은 부위에 사용되는 75% 금성분을 함유하고 있는 고금합금, 치아전체를 수복하는 경우 사용되는 46% 금성분(11K 금에 해당)이 들어 있는 저금합금, 무치악 부위가 좁을 때 사용하는 은 70% 무금합금이 있다. 제Ⅳ형은 초경질(Extrahard)로 교합이 매우 높은 부위에 사용되는 69% 금 성분함유 고금합금과 무치악 부위가 넓을 때 사용되는 56% 저금합금, 의치용은 45%의 무금합금으로 나누어진다. 일반적으로 치아가 빠진 경우에는 교합력이 커지므로 제Ⅲ형이나 제Ⅳ형의 금합금을 선택하고, 의치를 해야할 경우에는 제Ⅳ형의 금합금을 선택할 수 있다.

대한민국 특허공개번호 1986-0002586 (치과용 팔라듐 주재합금)에 따르면, 팔라듐 약 60 내지 약 85중량%, 구리 약 5 내지 약 20중량%, 갈륨 약 3 내지 15중량% 및 금, 인듐, 루테늄, 주석, 니켈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 개질제 금속 5.5중량%이상으로 조성된 것을 특징으로 하는 치과용 자기질재료 결합에 적합한 합금 조성물이 개시되고, 치과용 보철 재료로 사용하기 위한 주물본체로 성형되고 그 표면에 소결된 자기질외피로 구성된 것이 기재된다.

대한민국 특허공개번호 1996-0040382 (치과주조용 은-팔라듐합금의 제조방법)은, Au 0～15중량%, Ag 55～72중량%, Pd 20～26 중량%, Cu 9중량% 이하, In 1～4중량%를 포함하고 기타 미량원소로 이루어진 합금재료를 준비하는 단계; 400～500℃에서 예열된 몰드에 소정조건하의 진공에서 용해시킨 용탕을 1500～2000℃에서 60～90초동안 가열시킨 후, 재차 오버 히팅하고, 진공상태 하에서 15～25분 정도 냉각시키며, 다시 대기중에서 5～15분간 냉각시키는 공정을 포함하는 주조하는 단계 및 압하율 0.3～0.5㎜/패스(pass)하에 냉각 압연하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 크라운 앤드 브리지에 사용하는 치과주조용 은-팔라듐 합금의 제조방법에 관한 것이다.

한편, 대한민국 특허공개번호 2009-0058565 (팔라듐-코발트계 합금 및 이를 포함하는 치과용 제품)에서, 합금은 팔라듐-코발트 2원 시스템(binary system)에 기초하여 제공되고 약 14.0 내지 약 15.5의 열팽창 계수를 갖고 알루미늄, 붕소, 크롬, 갈륨, 리튬, 레늄, 루테늄, 규소, 탄탈, 티타늄 및 텅스텐의 하나 이상의 첨가성분 금속을 포함하는 치과용 합금이 개시된다.

이와 같이, 현재 치과 주조용 합금 제조 실태 및 상기 선행기술들의 공개수준에서, 치과 주조용 합금은 통상의 용융 공정을 거치고, 막대의 형태로 주조되고 필요한 두께로 압연 되어 제조되거나 대안으로, 1998년 9월 1일에 등록되고 발명의 명칭이 금속 주조물을 만드는 공정인 Ingersoll 등의 미국 특허번호 제 5,799,386호의 미립화(atomization) 및 압축 방법 즉 전통적인 형주조방식에 의하여 제조된다. 따라서 치과 주조용 팔라듐-인듐 합금의 연속주조방식은 개시되어 있지 않다.

이들 선행기술은 참조문헌으로써 본원에 포함된다.

현재 치과 주조재는 몰드 주조방식으로 제조된다. 즉, 합금을 구성하는 소재(성분)들을 도가니에 투입하여 고주파로를 이용하여 용해하고, 용해가 완료되면 주형 (철, 흑연 또는 그라파이트 재질)에 용탕을 주조하는 방식이 이용되고 있다. 더욱 구체적으로, 고주파용해로에서 도가니를 이용하여 용해하고자 하는 소재를 융점이 높은 금속부터 차례로 장입하여 용융 온도 이상까지 가열, 용해한다. 이때 편석 등을 방지하기 위하여 충분하게 교반하는 것이 필요하다. 주조하고자 하는 주형을 충분히 예열한 후 지그 등을 이용하여 원하는 빌렛 (billet) 경으로 주조를 실시한다. 상기와 같은 주조 방식에서는 주형 크기 등에 한계가 있어 연속작업이 아닌 단속작업이 될 수밖에 없으며, 이로 인하여 작업 시 다수의 주형들이 필요하고, 또한 매 주형마다 주조결함을 방지하기 위한 여분의 용탕 (압탕)이 필요하고, 용탕 주조시 발생하는 기포 및 철주형의 산화 등으로 인해 빌렛 표면의 불량이 발생하여 품질이 저하되는 단점이 있다. 또한 주형을 예열하는 등의 예비작업이 필요하고 작업자의 숙련도에 따라 품질수준이 좌우되는 등의 문제점이 있으며, 무엇보다도 연성 및 전성이 부족하고 취성이 높은 합금의 경우 후 가공 공정을 고려할 때 이러한 주조방식이 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.

상기의 관점에서, 본 발명의 목적은 연성 및 전성이 부족하고 취성이 높은 Pd-In 주조용 합금을 제조함에 있어서, 후 가공 공정에서 취성으로 인한 깨짐 문제를 해결하기 위하여 주형에 의한 단속주조가 아닌 연속주조방식을 적용하는 것이다.

본 발명은 제Ⅲ형이나 제Ⅳ형의 금합금 중 특히 무금합금의 일종인 Pd-In 합금에 관한 것이며, 연속주조방법에 의한 Pd-In 합금 주조재 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 양태에 의하면 본 발명에 따른 연속주조공정이 적용되는 치과 Pd-In 합금은, 중량비율로, Pd 32-38%, In 23-28%, Ag 27.5-33.5%, 적량의 Au, Sn, Ru, Zn, Ga, Ir이 포함된다.

일반적으로 Pd-In 합금의 경우 ß-PdIn의 금속간 화합물이 합금의 구성요소로 포함되어 (도 6 전자현미경 사진 참조) 깨지기 쉬운 특징으로 인해 치과 또는 기타 분야 귀금속 합금으로의 적용은 일반적이지 않다. 그러나 ß-PdIn 화합물 자체가 갖고 있는 골드 (gold) 색상 특징, 및 계속적인 귀금속 가격 (Au, Pt 등의 귀금속 원재료 가격) 상승으로 인하여 Pd-In 합금이 주목받고 있다. 더욱 구체적으로는, Pd-In 합금화 시 In 성분이 Pd 성분으로 확산되어 Pd2In상이 형성됨과 동시에 ß-PdIn 형태의 금속간 화합물이 합금 표면에 출현하게 되어 합금 제품의 색상이 골드로 형성되는 것이다. 각 성분 별 특징은 Pd, In의 경우 조직 내에서 dendrite arm의 주요 성분으로 나타나는데 In 첨가는 합금의 융점 저하로 이어지며, 석출 강화 효과(InPd3)로 인한 기계적 강도가 증가하는 것으로 보인다.

본 발명의 포괄적 요지는, Pd-In 합금 소재의 도가니 투입 단계; 상기 Pd-In 합금 소재의 용해로 용탕을 형성하는 단계; 더미바를 이용하여 도가니 하방에 결착된 노즐 하우징 내 노즐로 용탕을 하강시켜 응고된 Pd-In 합금 스트립을 하방으로 연속 취출하는 단계로 구성되는, Pd-In 합금 연속주조방법에 관한 것이다. 제한적이지 않지만, 본 발명의 특징들은 다음과 같다.

본 발명에 의한 Pd-In 합금은 중량비율로, Pd 32-38%, In 23-28%, Ag 27.5-33.5%, 및 미량 금속들을 포함하며, Pd-In 합금은 미량 금속들 Au 1-10 중량%, Sn 2.0-3.0 중량%, Zn, Ga 각각 1 중량% 이하, Ru, Ir 이하인 것을 특징으로 하고, 본 발명의 Pd-In 합금 스트립은 두께 2.5t 및 폭 9mm 이하의 박판 수준인 것을 특징으로 하며, 또한, 본 발명의 Pd-In 합금은 치과 주조용으로 적용되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 설명한 본 발명에 의하면, 취성으로 인하여 통상적인 몰드주조방식으로는 제조가 난해하거나 불가능한 치과주조용 Pd-In 주조재를 연속주조방식으로 제조할 수 있다. 또한 고주파 진공 유도 가열을 이용한 연속주조 기술을 적용함으로써 도가니 내의 교반력을 증대시켜 용탕의 균일성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 동일한 용탕온도를 유지한 채 계속적인 연속주조를 가능케 하여 주조 편석 및 내부 불순물 등의 결함 없는 건전한 Pd-In 합금 제조가 가능하다.

도 1은 본 발명에 의한 Pd-In 합금의 연속주조가 구현되는 고주파용해로 및 롤러부분이 확대 사진으로 보이는 연속주조기 사진이다.
도 2는 도 1 사진의 연속주조기 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 연속주조기 주요 구성들의 확대 사진들이다.
도 4는 흑연도가니 및 노즐 하우징이 체결된 구성의 사진이다.
도 5는 본 발명에 의해 제조된 Pd-In 합금 스트립 사진이다.
도 6은 Pd-In 합금 조직 내 dendrite arm의 주요 성분을 보이는 전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명에 의한 공정 순서도이다.

이하 본 발명을 상세히 설명하지만, 이에 국한되는 것은 아니다.

본 발명은 연성 및/또는 전성이 부족하고 취성이 높은 Pd-In 주조용 합금을 제조함에 있어서, 연속주조방식을 적용하는 것이다. 포괄적으로는, 치과 주조용 제Ⅲ형이나 제Ⅳ형의 금합금 중 특히 무금합금의 일종인 Pd-In 합금의 연속주조방법에 의한 것이며, 구체적으로는, 효율적으로 본 발명에 의한 연속주조공정이 적용되는 치과 Pd-In 합금은, 중량비율로, Pd 32-38%, In 23-28%, Ag 27.5-33.5%, 적량의 Au, Sn, Ru, Zn, Ga, Ir이 포함된다. 더더욱 구체적으로는, 본 발명의 적용이 바람직한 합금 성분표는 다음과 같다.

본 발명에서 구현되는 연속주조방식은 다양한 분야에서 통상 적용되는 방식과 거의 유사한 연속주조기를 적용하여 실현된다. 일반적으로 연속주조법은 종래의 조괴에서 분괴 압연을 거쳐 슬라브(slab)나 블룸(bloom)을 만드는 방법에 비하여 잉곳케이스의 주조, 형발, 균열, 분괴 압연을 생략하고 직접 용탕을 몰드에 주입하여 냉각, 응고시켜 연속적으로 슬라브나 블룸, 빌렛(billet) 등을 제조하는 방법이다. 즉, 용탕이 주형(노즐)을 통하여 아래로 흐름에 따라 노즐의 단면 형상으로 응고되면서 노즐 하단에 설치된 복수개의 구동롤의 안내를 받으며 이동하어 빌렛을 연속 생산하는 방식으로 여러 분야에 적용되고 있다. 그러나, 치과 재료분야에서 이러한 연속주조방식으로 주편을 제작한 예는 없으며, 이는 현재 제조 주조용 합금은 통상의 몰드 주조방식으로 제작이 가능하였기 때문이다.

도 1은 연속주조기 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 대체적으로 연속주조기는 상부 챔버 및 하부 롤러 요소로 대분된다. 챔버는 고주파 용해로를 구성하며, 하단 롤러는 노즐로부터 응고된 Pd-In 합금 스트립을 연속적으로 취출한다. 도 2 및 도 3은 도 1의 연속주조기 요소별 구성도 및 사진을 병기 도시한 것이다. 구체적으로는, 고주파용해로에는 중공의 흑연도가니가 삽입되며, 흑연도가니 하단은 노즐 하우징과 체결된다. 노즐 하우징 내부에는 흑연 재질의 노즐이 내삽되며, 도 4는 흑연도가니 하단 및 노즐 하우징이 체결된 사진을 개시한다. 도 5는 노즐을 통하여 유출되는 완성된 합금 스트립 사진이다. 이러한 연속주조기 각 요소는 종래 연주기와 거의 유사하나, 매우 소형화된 점에 특징이 있다. 특히, 하우징 내삽 노즐은 치과 주조용에 적합하도록 폭이 9mm 이하이며, 두께는 2.5t인 것을 특징으로 한다. 결과적으로, 본 발명에서 노즐을 통하여 취출되는 Pd-In 합금은 중/대형 (원형, 사각 형태) 빌렛이 아닌 박판 수준의 치과 주조용 합금이다.

개략적으로 상기된 연속주조기를 이용한 Pd-In 합금 주편 제조방법을 설명한다.

본 발명에 의한 연속주조방법에 있어서 용해방법은 전기된 종래의 공정에서와 동일하다. 고주파용해로에서 흑연 도가니를 이용하여 용해하고자 하는 소재를 융점이 높은 금속부터 차례로 장입하여 용융 온도 이상까지 가열, 용해한다. 고주파 용해로에서 용해가 완료되면 용탕을 냉각기에 의해 둘러싸인 노줄 하우징 내부에 장착된 노즐 개구 (폭 9mm, 두께 2.5t)로 출탕시키고, 노즐 내부에 대기하고 있던 더미바를 서서히 하강시키면 냉각온도에 따라 용탕은 더미바 헤드에서 응고되어 더미바와 결합되어 구동롤에 의해 인출되며, 박판 빌렛이 형성, 취출되다. 이 때 쿨링타워 내의 냉각수가 유압펌프 등에 의해 계속 회전하도록 하여 빌렛의 냉각효과를 더할 수 있다. 박판 주편 상태를 확인하여 빌렛을 끝까지 하강시켜 완성된 박판 빌렛을 획득한다. 상기 장치에서 용해하는 도가니의 온도, 냉각온도, 및 더미바 하강속도 등의 조절이 가능하다.

Claims (5)

1. Pd-In 합금 제조방법에 있어서, 중량비율로, Pd 32-38%, In 23-28%, Ag 27.5-33.5%, Au 1-10 %, Sn 2.0-3.0 %, Zn, Ga는 각각 0 초과 내지 1 중량%, Ru, Ir은 각각 0 초과 내지 0.1 중량%를 포함하는 Pd-In 합금 소재를 흑연 도가니에 투입하는 단계; 고주파 진공용해방식으로 상기 Pd-In 합금 소재 용탕을 형성하는 단계; 상기 용탕을 더미바를 이용하여 상기 흑연 도가니 하방에 결착된 노즐 하우징 내 흑연재질의 노즐로 용탕을 하강시켜 응고된 두께 2.5t 및 폭 9mm 이하의 박판인 치과 주조용 Pd-In 합금 스트립을 하방으로 연속 인출하는 단계로 구성되는, Pd-In 합금 연속주조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images