KR101814631B1

KR101814631B1 - 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금

Info

Publication number: KR101814631B1
Application number: KR1020150091974A
Authority: KR
Inventors: 최일경; 정효경; 송종법
Original assignee: (주)명문덴탈
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2018-01-03
Also published as: KR20170002067A

Abstract

본 발명에 의한 산화층 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금은 24.0 중량%의 크롬(Cr)과, 13.0 중량%의 코발트(Co)와, 5.0 중량%의 알루미늄(Al)과,4.5 중량%의 니오븀(Nb)과,4.0 중량%의 몰리브덴(Mo)과, 2.5 중량%의 탄탈럼(Ta)과, 2.0 중량%의 규소(Si)와, 0.5 중량%의 철(Fe)과, 0.15 중량%의 붕소(B)와, 0.01 중량%의 탄소(C)와, 44.34 중량%의 니켈(Ni)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금{NiCKEL-CHROMIUM-COBALT BASE ALLOYS SHOWING AN EXCELLENT COMBINATION OF BONDING CHARACTER}

본 발명은 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 베릴륨(Be)이 포함되지 않아 인체에 무해하면서도 기계적 특성, 성형성이 우수한 것은 물론, 도재 소성온도에서 충분한 두께의 산화층이 형성되어 도재와의 접합성 및 피로파괴에 대한 저항성이 높은 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금에 관한 것이다.

치과 주조용 합금은 인체 내에서 온도, 산도, 압력 등의 다양한 환경변화가 일어나는 구강 내에서 사용되기 때문에, 우수한 기계적 성질뿐만 아니라 화학적 안정성과 심미성 등의 특성이 요구된다.

예컨대, 치과 주조용 합금은 구강 내에서 사용되는 관계로 부식이나 변색 등이 없어야 하는데, 이를 위해 치과 주조용 합금은 융점이 낮고, 산화되어 성분변화가 발생하지 않아야 하며, 주조 수축이 적어야 할 뿐만 아니라 녹으면 유동성이 좋아야 하고, 기체의 흡수가 적어야하는 등의 다양한 특성이 요구되고 있다.

이러한 점에서, 귀금속 함량이 높은 합금이 치과 주조용으로 사용될 수 있으나, 높은 가격으로 인해 귀금속 합금과 제반 성질이 유사하면서도 비교적 저렴한 가격의 합금의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

한편, 이와 같은 관점에서 모든 조건을 만족하는 치과 주조용 합금은 니켈(Ni)-크롬(Cr)계가 있으나, 이러한 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금은 독성으로 인해 각종 질병 발생 가능성이 있는 베릴륨(Be)을 함유하고 있는 문제점이 있다.

베릴륨은 주기율표 제2족에 속하는 알칼리토금속으로 원자로의 감속재, 반사재로 쓰이며, 유해물질로 알려져 있다. 따라서, 고농도의 분진에 단기간 혹은 저농도의 먼지에 장시간 노출시에는 급성으로 접촉성 피부염을 유발하고, 1년 이상 지속적으로 노출된 경우 수년 후에는 만성폐질환, 급성 간질성 폐렴, 만성 베릴륨 중독증 등을 유발할 수 있어 식품의약품안전청은 2008년 7월 '의료기기 기준 규격 일부 개정 고시'를 통해 베릴륨(Be) 최대 허용 함유량을 2%에서 0.02%로 조정하고, 베릴륨(Be)을 포함한 치과용 합금의 제조 및 수입금지 명령을 내린바 있다.

그러나 베릴륨(Be)이 인체에 유해함에 불구하고 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금에 첨가하는 이유는 베릴륨(Be)이 합금의 융점을 낮추고 주조성을 향상시킬 뿐만 아니라 도재 소성온도에서 생성되는 산화층의 두께가 얇아 우수한 심미성과 아울러 도재와의 접합 특성을 향상시키기 때문이다.

또한, 상기 도재소부용 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금의 경우에는 다른 목적으로 사용되는 합금과 달리 인간의 치아를 대신하는 것으로, 의치 시술 후 착용감이라든지 사람마다 상이한 치아의 구조로 주조되기 위해 항복강도 혹은 연신율 등이 적정 기준치에 부합되어야 한다.

그러나, 종래의 니켈(Ni)계 합금의 경우 항복강도, 연신율 및 탄성계수가 적정 기준치 이상에 부합되지만, 이러한 기준치 이상에 부합되기 위해 소량이지만 베릴륨(Be)이 함유되어 상기한 바와 같은 인체에 해로움을 끼치고 있다. 그래서, 최근에는 유해한 베릴륨(Be)이 함유된 니켈(Ni)계 합금의 단점을 극복하기 위해서 코발트(Co)가 주성분인 코발트(Co)계 합금이 일부 생산되고 있으나, 이는 녹는점이 높아 용해 등의 주조에 상당한 문제점이 있으며, 녹는점이 낮은 일부 코발트(Co)계를 사용하여도 제품은 용해가 되나 코발트(Co)의 특성상 용해시 두터운 산화층이 형성되므로 수차례의 연마 작업이 필요할 뿐만 아니라 잘못된 연마작업으로 인해 산화층이 잔류함으로써 도재와의 결합력이 약해지는 경우가 발생하고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 베릴륨(Be)이 포함되지 않아 인체에 무해한 것은 물론, 기계적 특성, 성형성이 우수하고, 도재 소성온도에서 충분한 두께의 산화층이 형성되어 도재와의 접합성 및 피로파괴에 대한 저항성이 높아 치아를 장기간 사용 가능하도록 하는 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금에 관한 것이다.

본 발명에 의한 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금은 24.0 중량%의 크롬(Cr)과, 13.0 중량%의 코발트(Co)와, 5.0 중량%의 알루미늄(Al)과,4.5 중량%의 니오븀(Nb)과,4.0 중량%의 몰리브덴(Mo)과, 2.5 중량%의 탄탈럼(Ta)과, 2.0 중량%의 규소(Si)와, 0.5 중량%의 철(Fe)과, 0.15 중량%의 붕소(B)와, 0.01 중량%의 탄소(C)와, 44.34 중량%의 니켈(Ni)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금은 니켈, 크롬, 코발트를 주성분으로 하는 합금에 베릴륨을 사용하지 않고, 항복강도 향상을 위해 몰리브덴, 규소, 알루미늄, 철, 니오븀, 탄탈럼을 적정량 첨가하고, 융점을 낮추기 위해 붕소, 규소를 적정량 첨가하여 치과용 합금을 제조하게 되었다.

특히, 알루미늄은 치밀한 산화층을 형성하도록 하여 도재와의 접합 특성을 향상시킴으로써 치아의 심미성이 우수할 뿐만 아니라 장기간 사용할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 인체에 무해하면서도 적절한 항복강도와 연신율을 가지게 됨으로써 기공소에서 기공이나 성형 공정에서의 가공성이 크게 향상되는 이점이 있다.

또한, 항복강도와 연신율이 우수함으로써 치아에 장착했을 때 발생할 수 있는 피로균열에 대한 저항성이 높아 치아의 손상을 줄이고 치아의 수명을 길게 유지할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예(F3, F4)에 따른 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금 및 F1, F2, F5의 응력-변형률 곡선을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예(F3, F4)에 따른 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금 및 F1, F2, F5의 응력-변형률 곡선을 도시한 그래프에 대한 기계적 특성 평가 결과표이다.
도 3은 본 발명의 실시예(F3, F4)에 따른 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금 및 상용화된 합금 제품(A, B, C, D)에 도재와 결합강도를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예(F3, F4)에 따른 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금 및 상용화된 합금 제품(A, B, C, D)에 도재와 결합강도를 도시한 결과표이다.
도 5는 본 발명의 실시예(F3, F4)에 따른 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금과 F1, F2, F5 합금의 단계별 상태를 도시한 사진이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금에서의 각 성분 원소의 효과는 매우 복잡하게 작용하므로 그 함량이 각각의 특정 범위를 초과하거나 미달하는 경우에는 오히려 역효과를 일으키게 된다. 따라서 본 발명에서는 니켈(Ni)을 주성분으로 하여 크롬(Cr), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 탄탈럼(Ta), 규소(Si), 철(Fe), 붕소(B), 탄소(C)를 적정량 첨가하게 된다.

바람직하게는 크롬(Cr) 22.0 ~ 27.0 중량%, 코발트(Co) 11.5 ~ 15.0 중량%, 알루미늄(Al) 5.0 ~ 10.0 중량%, 니오븀(Nb) 4.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 3.0 ~ 5.0 중량%, 탄탈럼(Ta) 2.0 ~ 3.0 중량%, 규소(Si) 1.0 ~ 3.0 중량%, 철(Fe) 0.4 ~ 0.6 중량%, 붕소(B) 0.01 ~ 0.15 중량%, 탄소(C) 0.001 ~ 0.01 중량%, 니켈(Ni) 43.0 내지 49.0 중량%로 구성하여 혼합한다.

상기 혼합물에서 니켈(Ni)은 내식성과 변색저항이 우수한 소재로써 합금의 인장강도 및 항복강도를 현저하게 증가시키며 크롬(Cr)과의 배합으로 생물학적으로 안정한 특성이 있다.

크롬(Cr)은 합금의 부동태화 기구로서, 치밀한 산화층을 형성함으로써 내식성을 향상시켜 구강 환경하에서 안정성을 유지할 수 있도록 하는 특성이 있다.

특히, 크롬(Cr)은 22.0 중량% 미만인 경우에 내식성이 떨어지고, 27.0 중량% 초과인 경우에 니켈(Ni)에 고용하여 강도를 향상시키나, 도재와의 접합 특성이 저하된다.

따라서, 상기와 같은 특성을 얻기 위해서 니켈(Ni)은 43 내지 49 중량%의 범위로 혼합되게 하고, 크롬(Cr)은 내식성 향상을 위해 22 내지 27 중량%의 범위로 혼합되는 것이 적합하다.

그리고, 코발트(Co)는 고온에서 내산화성, 내식성, 내마모성 등의 기계적 성질이 뛰어난 것을 얻을 수 있고, 알루미늄(Al)은 강도가 약한 단점을 보완하기 위한 것으로서 가벼우면서도 강도가 높고 내구성이 강한 특성을 얻을 수 있는 것은 물론, 크롬(Cr) 및 규소(Si)와 함께 적절한 도재 소성온도에서 생성되는 산화층의 두께를 제어하여 심미성과 아울러 도재와의 접합 특성을 향상시키며, 성형성과 내부식성이 뛰어난 장점이 있으며, 니오븀(Nb)은 생체 친화성이 우수한 원소로 니켈(Ni)과의 합금으로 융점을 낮출 뿐만 아니라 니켈(Ni)에 고용되거나 석출상을 형성시켜 강도 및 연성을 증가시킨다. 따라서 상기와 같은 특성을 얻기 위해서 코발트(Co)는 11.5 내지 15.0 중량%의 범위로 혼합되게 하고, 알루미늄(Al)은 10.0 내지 15.0 중량%의 범위로 혼합되게 하며, 니오븀(Nb)는 4.0 내지 5.0 중량%의 범위로 혼합되는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo)은 고용강화에 의한 강도 등의 기계적 성질과 함께 열팽창계수 및 니켈(Ni)과 함께 틈부식에 대한 저항을 향상시킨다. 특히, 몰리브덴(Mo)은 3.0 중량% 미달인 경우에는 내식성 및 기계적 강도가 불충분하고, 5.0 중량% 초과인 경우에는 합금의 가공성 문제가 발생하므로, 몰리브덴(Mo)는 3.0 내지 5.0 중량%의 범위로 혼합되는 것이 바람직하다.

그리고, 탄탈럼(Ta)은 전성과 연성이 풍부하고 생체 친화적인 원소로 니켈(Ni)과의 합금으로 인장강도 및 내산성을 향상시키는 장점이 있고, 규소(Si)는 산화층 제어와 주조성을 향상시키는 것은 물론, 강도가 좋고 융점을 낮춰줘 성형성과 내부식성을 향상시키는 장점이 있으며, 철(Fe)은 연신율을 향상시킬 뿐만 아니라 산화층의 특성을 개선하여 도재와의 결합력을 높이고, 붕소(B)는 합금의 융점저하와 주조성을 향상시킴과 아울러 결정입계를 강화시켜 연신율을 향상시키는 장점이 있고, 탄소(C)는 결정입계를 강화하여 강도를 높이는 장점있다.

따라서, 상기와 같은 특성을 얻기 위해서 탄탈럼(Ta)는 2.0 내지 3.0 중량%로 혼합되며, 규소(Si)는 1.0 내지 3.0 중량%로 혼합되고, 철(Fe)는 0.4 내지 0.6 중량%의 범위로 혼합되며, 붕소(B)는 0.01 내지 0.15 중량%로 혼합되고, 탄소(C)는 0.001 내지 0.01 중량%로 혼합되는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 실시예(F3, F4)에 따른 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금 및 F1, F2, F5의 응력-변형률 곡선을 도시한 그래프이고, 도 2는 본 발명의 실시예(F3, F4)에 따른 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금 및 F1, F2, F5의 응력-변형률 곡선을 도시한 그래프에 대한 기계적 특성 평가 결과표이며, 도 3은 본 발명의 실시예(F3, F4)에 따른 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금 및 상용화된 합금 제품(A, B, C, D)에 도재와 결합강도를 도시한 그래프이고, 도 4는 본 발명의 실시예(F3, F4)에 따른 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금 및 상용화된 합금 제품(A, B, C, D)에 도재와 결합강도를 도시한 결과표이다.

도 1 내지 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예(F3, F4)에 따른 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금의 기계적 특성 평가 결과표 및 결합강도를 얻으려면 먼저 시편을 제작해야 하는데, 이러한 시편 제작을 위해 각 실시예를 통해서 살펴보기로 한다.

	Co	Cr	Al	Nb	Mo	Ta	Si	Fe	B	C
F1	13.0	24.0	1.0	4.5	4.0	2.5	2.0	0.5	0.15	0.01

코발트(Co) 13.0 중량%, 크롬(Cr) 24.0 중량%, 알루미늄(Al) 1.0 중량%, 니오븀(Nb) 4.5 중량%, 탈탄럼(Ta) 2.5 중량%, 규소(Si) 2.0 중량%, 철(Fe) 0.5 중량%, 붕소(B) 0.15 중량%, 탄소(C) 0.01 중량%, 니켈(Ni) 48.34 중량%를 준비하여 진공이나 아르곤(Ar)분위기 속에서 도가니에 상기한 원소를 장입하고 1500℃ 내지 1550℃의 고온으로 용해한 뒤, 주형에 주입하여 1시간 내지 2시간 정도 자연 냉각시킨 합금을 시편으로 제작하고, 기계적 특성 평가에 사용하는 인장 시험기를 이용하여 분당 1.5±0.5mm의 하중속도(Cross-head speed)로 시편이 파괴될 때까지 인장시험을 실시하여, 도 1 및 도 2에서와 같은 기계적 특성 평가 결과치를 얻을 수 있다.

	Co	Cr	Al	Nb	Mo	Ta	Si	Fe	B	C
F2	13.0	24.0	3.0	4.5	4.0	2.5	2.0	0.5	0.15	0.01

코발트(Co) 13.0 중량%, 크롬(Cr) 24.0 중량%, 알루미늄(Al) 3.0 중량%, 니오븀(Nb) 4.5 중량%, 탈탄럼(Ta) 2.5 중량%, 규소(Si) 2.0 중량%, 철(Fe) 0.5 중량%, 붕소(B) 0.15 중량%, 탄소(C) 0.01 중량%, 니켈(Ni)은 46.34 중량%를 준비하여 상기 F1을 얻는 실험과 같은 방법으로 시편을 제조함으로써 도 1에서와 같은 기계적 특성 평가 결과치를 얻을 수 있다.

	Co	Cr	Al	Nb	Mo	Ta	Si	Fe	B	C
F3	13.0	24.0	5.0	4.5	4.0	2.5	2.0	0.5	0.15	0.01

코발트(Co) 13.0 중량%, 크롬(Cr) 24.0 중량%, 알루미늄(Al) 5.0 중량%, 니오븀(Nb) 4.5 중량%, 탈탄럼(Ta) 2.5 중량%, 규소(Si) 2.0 중량%, 철(Fe) 0.5 중량%, 붕소(B) 0.15 중량%, 탄소(C) 0.01 중량%, 니켈(Ni) 44.34 중량%를 준비하여 상기 F1을 얻는 실험과 같은 방법으로 시편을 제조함으로써 도 1에서와 같은 기계적 특성 평가 결과치를 얻을 수 있다.

	Co	Cr	Al	Nb	Mo	Ta	Si	Fe	B	C
F4	13.0	24.0	10.0	4.5	4.0	2.5	2.0	0.5	0.15	0.01

코발트(Co) 13.0 중량%, 크롬(Cr) 24.0 중량%, 알루미늄(Al) 10.0 중량%, 니오븀(Nb) 4.5 중량%, 탈탄럼(Ta) 2.5 중량%, 규소(Si) 2.0 중량%, 철(Fe) 0.5 중량%, 붕소(B) 0.15 중량%, 탄소(C) 0.01 중량%, 니켈(Ni) 39.34 중량%를 준비하여 상기 F1을 얻는 실험과 같은 방법으로 시편을 제조함으로써 도 1에서와 같은 기계적 특성 평가 결과치를 얻을 수 있다.

	Co	Cr	Al	Nb	Mo	Ta	Si	Fe	B	C
F5	13.0	24.0	15.0	4.5	4.0	2.5	2.0	0.5	0.15	0.01

코발트(Co) 13.0 중량%, 크롬(Cr) 24.0 중량%, 알루미늄(Al) 15.0 중량%, 니오븀(Nb) 4.5 중량%, 탈탄럼(Ta) 2.5 중량%, 규소(Si) 2.0 중량%, 철(Fe) 0.5 중량%, 붕소(B) 0.15 중량%, 탄소(C) 0.01 중량%, 니켈(Ni)은 34.34 중량%를 준비하여 상기 F1을 얻는 실험과 같은 방법으로 시편을 제조한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 혼합된 알루미늄(Al)의 중량%에 따라 인장강도, 항복강도 및 연신율 등의 기계적 특성 값 차이가 있는데, 특히 알루미늄(Al) 5.0 중량%가 혼합된 F3과 알루미늄(Al) 10.0 중량%가 혼합된 F4의 경우, 우수한 인장강도, 항복강도 및 연신율 값을 가지며, 알루미늄(Al)의 5 내지 10 중량%를 범위를 벗어나는 경우, 연신율 값 큰 폭으로 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 알루미늄(Al) 5.0 중량%가 혼합된 F3의 경우, 상용화된 합금 제품인 Supranium(A), Nobel(B), Verabond 2V(C), T3(D)와 비교했을 때, 도재와 접합 특성을 나타내는 결합강도 값이 우수한 것을 확인할 수 있다.

그리고, 알루미늄(Al) 10.0 중량%가 혼합된 F4의 경우, 특히, 인체에 유해한 베릴륨(Be)이 포함되지 않은 Supranium(A), Nobel(B), Verabond 2V(C)과 비교했을 때, 도재와 접합 특성을 나타내는 결합강도 값이 우수한 것을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예(F3, F4)에 따른 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금과 F1, F2, F5 합금의 단계별 상태를 도시한 사진이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 균질화 열처리 공정과 소성 공정 5회를 진행한 알루미늄(Al) 1.0 중량%가 혼합된 F1 및 알루미늄(Al) 3.0 중량%가 혼합된 F2의 경우, 산화층이 과다하게 형성되어 검은색을 띄고 있음을 확인할 수 있고, 균질화 열처리 공정과 소성공정 5회를 진행한 알루미늄(Al) 15.0 중량%가 혼합된 F5의 경우, 치밀한 산화층을 형성하지 못할 뿐만 아니라 변색되어 푸른색을 띄고 있음을 확인할 수 있다.

즉, 알루미늄(Al) 1.0 중량%가 혼합된 F1과 알루미늄(Al)이 2.0 중량%가 혼합된 F2 및 알루미늄(Al) 15.0 중량%가 혼합된 F5은 산화층이 과다하게 형성되거나, 치밀한 산화층을 형성하지 못하게 됨에 따라 도재소부 후 도재와의 결합 특성이 저하(박리현상 등)되는 문제점이 있다.

반면에, 본 발명의 실시예(F3, F4)에 따른 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금은 치밀하게 산화층이 형성되어 있어 도재소부 후 심미성과 함께 도재와의 접합 특성(결합강도)이 향상되었음을 확인할 수 있다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

Claims

24.0 중량%의 크롬(Cr)과, 13.0 중량%의 코발트(Co)와, 5.0 중량%의 알루미늄(Al)과,4.5 중량%의 니오븀(Nb)과,4.0 중량%의 몰리브덴(Mo)과, 2.5 중량%의 탄탈럼(Ta)과, 2.0 중량%의 규소(Si)와, 0.5 중량%의 철(Fe)과, 0.15 중량%의 붕소(B)와, 0.01 중량%의 탄소(C)와, 44.34 중량%의 니켈(Ni)로 구성되는 것을 특징으로 하는 도재와 접합 특성이 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과주조용 합금.