KR101541455B1 - Ｃｏ－Ｃ 모합금의 유도용해 방법을 이용한 Ｃｏ－Ｃｒ－Ｍｏ 의료용 합금의 제조방법 및 이로 제조된 Ｃｏ－Ｃｒ－Ｍｏ 의료용 합금 - Google Patents

Ｃｏ－Ｃ 모합금의 유도용해 방법을 이용한 Ｃｏ－Ｃｒ－Ｍｏ 의료용 합금의 제조방법 및 이로 제조된 Ｃｏ－Ｃｒ－Ｍｏ 의료용 합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Co-C 모합금의 유도용해 방법을 이용한 Co-Cr-Mo 의료용합금의 제조방법 및 이로 제조된 Co-Cr-Mo 의료용합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 치과 또는 정형외과에서 사용되는 Co-Cr-Mo 의료용 합금 제조에 있어서, Co-C 모합금을 이용하여 탄소의 함량을 증가시킴으로써 인장강도 및 내마모성을 현저히 향상시킬 수 있는 Co-C 모합금의 유도용해 방법을 이용한 Co-Cr-Mo 의료용합금의 제조방법 및 이로 제조된 Co-Cr-Mo 의료용합금에 관한 것이다.

Description

Ｃｏ－Ｃ 모합금의 유도용해 방법을 이용한 Ｃｏ－Ｃｒ－Ｍｏ 의료용 합금의 제조방법 및 이로 제조된 Ｃｏ－Ｃｒ－Ｍｏ 의료용 합금{MANUFACTURING METHOD FOR Ｃｏ－Ｃｒ－Ｍｏ MEDICAL ALLOY UTILIZING INDUCTION MELTING METHOD AND Ｃｏ－Ｃｒ－Ｍｏ MEDICAL ALLOY USING THEREOF}
본 발명은 Co-C 모합금의 유도용해 방법을 이용한 Co-Cr-Mo 의료용합금의 제조방법 및 이로 제조된 Co-Cr-Mo 의료용 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 치과 또는 정형외과에서 사용되는 Co-Cr-Mo 의료용 합금 제조에 있어서, Co-C 모합금을 이용하여 탄소의 함량을 증가시킴으로써 인장강도 및 내마모성을 현저히 향상시킬 수 있는 Co-C 모합금의 유도용해 방법을 이용한 Co-Cr-Mo 의료용 합금의 제조방법 및 이로 제조된 Co-Cr-Mo 의료용 합금에 관한 것이다.
의료용 금속재료는 세라믹스, 고분자 등 타 재료에 비해 강도, 피로저항성, 성형가공성 등이 우수하고, 인체 내에서의 높은 화학적 안정성과 생체 적합성이 우수한 물성을 이용하여 인공고관절(artificial hip joint), 무릎관절(knee joint), 플레이트(bone plate), 스크류(screw), 척추간판 고정기구(spinal fixation), 치과용 임플란트(dental implant) 등과 같은 경조직 대체용 의용재료로 주로 사용되고 있다.
최근 의료용 금속재료로 스테인리스강, 코발트합금, 타이타늄 합금 등이 사용되고 있으며, 특히, 가장 많이 사용되고 있는 Co-Cr 또는 Co-Cr-Mo 합금은 높은 내마모성과 체액과 생리적 부하에 대한 내부식성이 우수하다는 특성을 지닌다. Co-Cr 또는 Co-Cr-Mo 합금은 일반적으로 하중이 많이 걸리는 대퇴부와 무릎관절의 축으로 사용되고, 치과재료의 주조에 많이 사용된다.
그러나, 이러한 Co-Cr 또는 Co-Cr-Mo 합금들은 다른 니켈이나 스테인리스강 합금에 비하여 기계적 물성이 떨어지고, 지속적인 운동시 합금의 표면으로부터 코발트 또는 크롬의 파편을 형성하고, 이들 파편이 발암물질로 작용함으로써 Co-Cr계 합금의 내마모성 등의 기계적 물성을 향상시키는 방법들이 연구되어 왔다.
대한민국 공개특허 제10-2005-0016375호(특허문헌 1)에는 이러한 Co-Cr계 합금의 표면을 탄소 함유기체를 포함하는 대기에서 플라즈마 처리하여 내마모성을 향상시키는 플라즈마 탄소처리를 이용한 CO-Cr계 합금의 표면처리에 관하여 기재하고 있다. 그러나, 이러한 플라즈마 표면처리는 Co-Cr계 합금의 궁극적인 기계적 물성 향상이 어렵고, 장기간 사용하여 표면처리된 부분이 마모되는 경우 여전히 발암물질로 작용하는 Co-Cr계 합금 파편이 발생하는 문제가 있었다.
이에 따라, Co-Cr-Mo 합금에 인장강도, 경도, 내마모성 등의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 다량의 탄소을 첨가할 수 있는 방법에 대한 연구가 요구되는 실정이다.
대한민국 공개특허 제10-2005-0016375호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 밀도가 낮아 합금이 어려운 탄소를 유도용해 방법으로 Co-C 모합금을 제조하여 탄소의 함량을 증가시키고, Co-C 모합금 및 Cr 및 Mo 등의 합금원소를 첨가하여 유도용해 방법으로 Co-Cr-Mo 의료용합금을 제조함으로써, 내마모성 및 인장강도 등의 기계적 물성이 현저히 향상된 Co-Cr-Mo 의료용합금의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 Co-Cr-Mo 의료용합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 a) 유도용해 방법으로 Co-C 모합금 제조단계; 및 b) 상기 a)단계에서 제조된 모합금과 Cr 및 Mo을 포함하는 금속을 소정의 중량으로 칭량하고, 이를 유도용해 방법으로 의료용 합금 제조단계;를 포함하는 Co-Cr-Mo 의료용합금의 제조방법에 관한 것이다.
상기 Co-C 모합금에서 탄소 함량이 1.5 내지 2.6 중량% 포함하는 Co-Cr-Mo 의료용합금의 제조방법.
상기 a)단계는 코발트와 탄소를 층상 장입하고, 1000 내지 1500℃에서 1차 유도용해하고, 1200 내지 1700℃에서 2차 유도용해할 수 있다.
상기 유도용해 방법은 60 내지 90A의 전류 및 200 내지 400V의 전압을 가하여 실시할 수 있으며, 상기 Co-Cr-Mo 의료용합금은 Si, Al, Sn, Nb, Fe, Ni 및 W 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속이 추가로 더 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상술한 제조방법으로 제조되는 Co-Cr-Mo 의료용합금에 관한 것이다.
상기 Co-Cr-Mo 의료용합금은 전체 의료용합금에 대하여 탄소의 함량이 0.8 내지 1.0중량% 포함할 수 있고, 상기 Co-Cr-Mo 의료용합금은 Co 60~65중량%, Cr 25~30중량% 및 Mo 5~10중량% 포함할 수 있다.
상기 Co-Cr-Mo 의료용합금은 인장강도 800 내지 900 MPa이고, 인장신율은 6 내지 8%이며, 비커스 경도가 650 ~ 750Hv이고, 마모계수는 0.20 ~ 0.30 일 수 있다.
본 발명의 Co-C 모합금의 유도용해 방법을 이용한 Co-Cr-Mo 의료용합금의 제조방법 및 이로 제조된 Co-Cr-Mo 의료용합금은 Co-C 모합금을 이용함으로써, 탄소의 낮은 밀도(2.25g/㎤)로 인하여 다른 합금원소와의 비중차이로 인한 합금제조의 어려움을 극복하고, 탄소 함량을 현저히 향상시킨 Co-Cr-Mo 의료용 합금을 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한, 탄소의 함량이 증가함에 따라 Co-Cr-Mo 의료용 합금의 내마모성 및 인장강도 등의 기계적 물성이 현저히 향상되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 Co-Cr-Mo 의료용합금의 인장시편의 ISO 6871 규격을 도시하였다.
이하, 본 발명의 유도용해 방법을 이용한 Co-Cr-Mo 의료용합금의 제조방법 및 이로 제조된 Co-Cr-Mo 의료용합금에 대하여 바람직한 실시형태 및 물성측정 방법을 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 발명의 일실시예에 다른 유도용해 방법을 이용한 Co-Cr-Mo 의료용합금의 제조방법은
a) 유도용해 방법으로 Co-C 모합금 제조단계; 및
b) 상기 a)단계에서 제조된 모합금과 Cr 및 Mo을 포함하는 금속을 소정의 중량으로 칭량하고, 이를 유도용해 방법으로 의료용 합금 제조단계;를 포함할 수 있다.
상기 a)단계는 코발트에 탄소를 최고 고용도로 첨가하여 Co-C 모합금을 제조하기 위한 단계로써, 유도용해 방법으로 수행하는 것이 바람직하다.
a)단계에서 제조된 Co-C 모합금은 탄소 함량이 1.5 내지 2.6중량% 포함하는 것이 Co-Cr-Mo 의료용 합금을 제조했을 때 내마모성 및 인장강도의 기계적 물성향상을 위하여 효과적이다.
일반적으로 코발트에 첨가될 수 있는 최대 탄소 고용도는 1 중량% 이나 본 발명의 연구자들이 반복 실험 결과, 코발트와 산소를 층상으로 장입하고 유도용해 방법을 사용하여 Co-C 모합금을 제조함으로써 최대 2.6중량% 까지 향상시킬 수 있었다.
Co-C 모합금의 탄소 고용도가 1.5 중량% 미만일 경우에는 Co-Cr-Mo 의료용 합금에 포함되는 탄소의 양이 감소함에 따라 내마모성 및 인장강도 등의 기계적 물성의 향상이 미미해지는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 상술한 범위의 탄소 고용도를 가지기 위하여, a)단계는 코발트와 탄소를 층상 장입하고, 1000 내지 1500℃에서 1차 유도용해하고, 1200 내지 1700℃에서 2차 유도용해하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1300 내지 1500℃에서 1차 유도용해하고, 1500 내지 1700℃에서 2차 유도용해하는 것이 코발트와 탄소의 균일한 혼합을 유도함으로써 탄소의 고용도를 향상시킬 수 있어 효과적이다.
1차 유도용해시 코발트의 융점보다 낮은 온도에서 실시함으로써 고상확산을 발생하도록 하여 보다 균일한 혼합을 유도하는 것이 바람직하다.
b)단계는 상기 a)단계에서 제조된 모합금과 Cr 및 Mo을 포함하는 금속을 소정의 중량으로 칭량하고, 이를 유도용해 방법으로 Co-Cr-Mo 의료용 합금을 제조하는 단계이다.
각각 Co-Cr-Mo 의료용 합금의 합금원소는 Co 60~65중량%, Cr 25~30중량% 및 Mo 5~10중량%를 포함하는 것이 바람직하며, Si, Mn, Al, Sn, Ta, Nb, Fe, Ni 및 W 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속이 추가로 더 포함될 수 있다.
특히, 본 발명의 Co-Cr-Mo 의료용 합금은 Co 60~65중량%, Cr 25~30중량% 및 Mo 5~10중량%, Mn 0.5~1.0 중량%, Si 0.5~1.0중량% 및 C 0.5~1.0중량% 포함되는 것이 효과적이다.
본 발명에서 유도용해 방법은 알루미나질 도가니에서 진공상태로 진행되는 것이 바람직하며, 합금금속의 융점을 고려하여 도가니의 재질은 당해 기술분야에 자명하게 공지된 재질을 제한없이 사용할 수 있다.
또한, 유도용해시 진공상태는 제한되지 않으나 10-1 내지 10-3 Torr의 진공상태인 것이 바람직하고, 유지시간은 20 내지 60분인 것이 바람직하다.
유지시간이 20분 미만일 경우, 첨가된 원소들이 합금화가 되지 않고 잔류할 우려가 있으며, 유지시간이 60분 초과일 경우, 도가니와 반응하여 이물질이 합금에 용해되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 유도용해 방법은 60 내지 90A의 전류 및 200 내지 400V의 전압을 가하여 실시하는 것이 효과적이다.
유도용해 방법으로 합금 제조시 전류가 60A 미만이고, 전압이 200V 미만인 경우에는 합금이 형성되지 않으며, 전류가 90A 초과이고, 전압이 400V 초과일 경우에는 용탕이 끓는 현상이 발생할 수 있으며, 합금이 도가니와 반응하여 도가니의 알루미늄 성분 등이 합금 내로 용해되는 문제가 발생할 수 있다.
상술한 방법으로 제조된 Co-Cr-Mo 의료용합금은 인장강도 800 내지 900 MPa이고, 인장신율은 6 내지 8 %이며, 비커스 경도가 650 ~ 750Hv이고, 마모계수는 0.20 ~ 0.30 일 수 있으며, 탄소의 함유량을 현저히 향상시켜 내마모성 및 인장강도 등의 기계적 물성이 현저히 향상되었을 뿐만 아니라, 생체적합성이 우수하여 치과 임플란트 및 정형외과 인공관절 등의 의료용 합금으로 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명의 상세히 설명한다. 단 하기의 실시예 및 비교예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
물성측정
1. 탄소 분석
본 발명의 일실시예에 따른 Co-C 모합금 및 Co-Cr-Mo 의료용 합금의 탄소의 함량을 상대습도 41% 및 21℃ 온도에서 LECO CS 600 장비를 이용하여 측정하였다.
2. 내마모성 측정
마모시험은 마모시험기(R&B, RB102PD, Korea)의 핀-온-디스크 방법 (ASTM G163-99)으로 Co-Cr-Mo 합금 시편을 SKD 11 합금 공구장 (3Ø )핀으로 20 N의 하중을 가하여 1800초 동안 150 rpm의 회전속도의 조건에서 실시하였다.
3. 인장특성 및 연신율 측정
Co-Cr-Mo 합금의 인장 시편은 도 1에 기재된 바와 같이 ISO 6871 규격으로 원심방식의 소형진공유도용해기(Neutrodyn Eastti, MANFREDI, ITALY)를 이용하여 1회 주조시 각각 3개의 인장시편을 주조하였다. 인장시험은 5개의 시편을 인장시험기(5569, Instron, U.S.A)에 시편을 쇄기형 그립으로 고정한 후, cross head speed 1.0 mm/min로 실험하였다. 파단시까지 연신율은 시험 전·후의 두 표점간 거리의 변화로부터 구하였다.
4. 경도 측정
디스크 형태의 Co-Cr-Mo 시편을 경면으로 연마한 후 비커스 경도 시험기(Vickers hardness tester, Model: DUH-W201 Shimadzu, Japan) 를 이용하여 상온에서 100 g의 힘으로 5초 동안 힘을 가하였다. 인접 압흔에 의한 영향을 피하기 위하여 각 압흔 대각선 길이의 3배 이상 떨어진 곳에서 경도시험을 실시하였다. 이렇게 5회 씩 비커스 경도를 측정한 후 그 평균값을 구하였다.
[실시예 1]
Co -C 모합금 제조
30mm 직경의 크라운 형태의 코발트 (전해 코발트, INCO사, 1,000g)와 3mm 직경의 탄소(그래뉼, 가람카본, 30g)를 알루미나질 도가니에 층상으로 장입하고, 10-1Torr까지 진공배기 시킨 후 70A 전류 및 300V 전압을 가하여 1400℃에서 30분 동안 1차 유도용해를 실시하였다. 이후 전류를 80A로 인가하여 1600℃에서 30분 동안 2차 유도용해를 실시하여 Co-C 모합금을 제조하였다.
Co - Cr - Mo 의료용 합금 제조
융점이 2620℃로 높아 용해가 어려운 Mo은 유도용해를 통한 합금의 제조가 어려워 Co-40wt% Mo 모합금을 제조하여 사용하였다. Co-40wt%Mo 모합금은 진공아크용해법을 이용하여 제조하였으며, 제조된 합금의 융점은 1400℃로 나타났다. 합금의 제조는 진공아크용해로의 수냉동 하스에 Co와 Mo를 각각 장입한 후 아크열을 이용하여 합금화 시켰다. 용해방법은 일반적인 아크용해 방법을 사용하였다.
하기 표 1에 나타난 바와 같이, 각각의 합금원소를 조성에 맞도록 칭량한 후 알루미나질 도가니에 장입하였다. 이를 진공유도로에서 10-1Torr까지 진공배기시키고, 80A 전류 및 300V 전압을 가하고, 1600℃에서 30분 동안 유도용해를 실시하여 Co-Cr-Mo 의료용 합금을 제조하였으며, 물성을 측정하여 표 2에 나타내었다.
[비교예 1-2]
Co-C 모합금의 제조없이, 하기 표 1에 나타난 바와 같이, 각각의 합금원소를 조성에 맞도록 칭량한 후 알루미나질 도가니에 장입하였다. 이를 진공유도로에서 10-1Torr까지 진공배기시키고, 80A 전류 및 300V 전압을 가하고, 1600℃에서 30분 동안 유도용해를 실시하여 Co-Cr-Mo 의료용 합금을 제조하였으며, 물성을 측정하여 표 2에 나타내었다.
[표 1]
Figure 112013063272480-pat00001
[표 2]
Figure 112013063272480-pat00002
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1에서 Co-C 모합금을 이용하여 Co-Cr-Mo 의료용 합금을 제조할 경우, 전체 탄소의 함량이 모합금을 이용하지 않은 비교예 1 내지 2에 비하여 향상됨을 알 수 있으며, 이에 따라 인장강도, 경도 등의 기계적 물성이 현저히 향상됨을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 균등물을 사용할 수 있으며, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서, 상기 기재 내용은 하기의 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

Claims (9)

  1. a) 코발트와 탄소를 층상 장입하고, 1000 내지 1500℃에서 1차 유도용해하고, 1200 내지 1700℃에서 2차 유도용해하는 방법으로 Co-C 모합금 제조단계; 및
    b) 상기 a)단계에서 제조된 모합금과 Cr 25 내지 30중량% 및 Mo 5 내지 10중량%를 포함하도록 칭량하고, 이를 유도용해 방법으로 의료용 합금 제조단계;를 포함하는 Co-Cr-Mo 의료용합금의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 Co-C 모합금에서 탄소 함량이 1.5 내지 2.6중량% 포함하는 Co-Cr-Mo 의료용합금의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유도용해 방법은 60 내지 90A의 전류 및 200 내지 400V의 전압을 가하여 실시하는 Co-Cr-Mo 의료용합금의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 Co-Cr-Mo 의료용합금은 Mn 0.5 내지 1.0중량%, Si 0.5 내지 1중량% 및 C 0.5 내지 1.0중량% 더 포함되는 Co-Cr-Mo 의료용합금의 제조방법.
  6. 제 1항 내지 제 2항 및 제 4항 내지 제 5항 중에서 선택되는 어느 한 항의 제조방법으로 제조되는 Co-Cr-Mo 의료용합금.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 Co-Cr-Mo 의료용합금은 전체 의료용합금에 대하여 탄소의 함량이 0.8 내지 1.0중량%인 Co-Cr-Mo 의료용합금.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 Co-Cr-Mo 의료용합금은 Co 60~65중량%, Cr 25~30중량% 및 Mo 5~10중량% 포함하는 Co-Cr-Mo 의료용합금.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 Co-Cr-Mo 의료용합금은 인장강도가 800 내지 900 MPa이고, 파단시까지 연신율이 6 내지 8 %이며, 비커스 경도가 650 ~ 750Hv이고, 마모계수는 0.20 ~ 0.30인 Co-Cr-Mo 의료용합금.
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KR101010002B1 (ko) * 2010-07-09 2011-01-21 하이호경금속 주식회사 Ａｌ－Ｓｉ－Ｔｉ－Ｚｎ 합금 잉곳의 제조 방법
JP5239005B2 (ja) * 2004-11-19 2013-07-17 国立大学法人岩手大学 組織制御によってイオン溶出を抑えた生体用Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金及びその製造法

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