KR101828981B1 - 진공정밀주조공정에 의한 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

진공정밀주조공정에 의한 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공정밀주조공정에 의한 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진공정밀주조방식을 이용하여 디스크 형상의 코발트-크롬계 합금블록을 성형함으로써 주조결함을 최소화하고 CAD/CAM에 의한 절삭가공이 용이한 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금은 디스크 형상의 블록으로 성형되며, 코발트(Co) 60 내지 65중량%, 크롬(Cr) 25 내지 30중량%, 몰리브덴(Mo) 3 내지 7중량%, 텅스텐(W) 2 내지 5중량%, 망가니즈(Mn) 0.2 내지 0.5중량%, 규소(si) 0.5 내지 1.5중량%, 철(Fe) 0.3 내지 0.7중량%, 티타늄(Ti) 0.1 내지 0.3중량%를 함유한다.

Description

진공정밀주조공정에 의한 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금 및 이의 제조방법{Co-Cr based alloy for dental porcelain fused metal using vacuum precision casting and manufacturing method thereof}
본 발명은 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진공정밀주조공정을 이용하여 디스크 형상의 코발트-크롬계 합금블록을 성형함으로써 주조결함을 최소화하고 CAD/CAM에 의한 절삭가공이 용이한 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속은 인장강도나 압축강도 같은 기계적 성질은 우수하나, 금속 특유의 색상 때문에 자연치아의 색상을 얻을 수 없으며 또한 부식이 되는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 극복하기 위하여 심미성이 우수한 도재와 금속의 뛰어난 기계적 성질 및 정밀성을 결합한 치과 보철용 합금을 사용하는데 이러한 합금을 도재소부(Porcelain fused to metal, PFM)용 합금이라 한다.
치과용 합금은 온도, 산도, 압력변화 등의 다양한 환경변화가 일어나는 구강내에서 사용되기 때문에 우선적으로, 저작압에 견딜 수 있어야 하고 마모, 변형 등이 없어야 하며, 치아의 경도 및 강도와 비슷해야 하며, 치아 색과 유사해야 한다. 또한 구강내에서 부식이나 변색 등이 없어야 하며 인체 유해성이 없어야 한다. 이와 같은 관점에서 모든 조건을 만족하는 치과 도재소부용 비귀금속 보철합금은 도재용 니켈(Ni)-크롬(Cr)계가 있다.
그러나, 현재 세계적으로 판매되고 있는 거의 대부분의 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금은 독성으로 인해 각종 질병 발생 가능성이 있는 베릴륨(Be)을 함유하고 있는 문제점이 있다. 상기 베릴륨(Be)은 주기율표 제2족에 속하는 알칼리토금속으로 원자로의 감속재, 반사재로 쓰이며, 유해물질로 알려져 있다.
근래에는 유해한 베릴륨(Be)이 함유된 니켈(Ni)계 합금의 단점을 극복하기 위해서 니켈(Ni)-크롬(Cr)계를 대신하여 치과용 합금으로 코발트(Co)-크롬(Cr)계 합금이 각광을 받고 있다.
코발트(Co)-크롬(Cr)계 합금은 탄성률이 금 합금의 약 두 배 정도이므로 더 얇고 더 가볍게 수복물을 제작할 수 있고, 부식저항성이 크며, 생체친화성이 우수하여 의치상(Denture base) 및 국소의치에 사용될 수 있는 비귀금속 합금이다.
하지만 코발트계 합금은 녹는점이 높아 용해 등의 주조에 상당한 애로점이 발생되며, 녹는점이 낮은 일부 코발트(Co)계를 사용하여도 제품은 용해가 되나 코발트(Co)의 특성상 용해시 두터운 산화막이 형성되므로 수차례의 연마 작업이 필요할 뿐만 아니라 심한 산화로 인하여 도재와의 결합력이 약한 단점이 있다. 또한, 종래에는 대용량의 주조방식을 사용하여 코발트계 합금을 제조하기 때문에 주조시 용탕이 외부에서부터 냉각되면서 내부에 주조 다공성(Porosity)이 형성되어 치과용 합금으로 사용하기 어렵다.
한편, 최근 국내 치과재료시장의 동향은 기존 보철물 제작 시 인상을 떠서 석고모델을 제작하여 보철물을 제작하는 방식에서 구강스캐너의 파일을 이용하여 인상 및 석고모델을 제작하는 과정을 생략하여 CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) 시스템을 이용하여 보철물을 제작하는 방식으로 혁신적인 작업성의 개선효과로 치과 CAD/CAM 장비가 급속도로 보급되고 있다. 이러한 이유로 절삭가공특성이 우수한 가공용 블록의 수요가 증가하고 있다.
CAD/CAM에 사용되는 절삭가공용 코발트(Co)계 합금블록은 대부분 수입품에 의존하고 있고, 합금블록의 요구사항도 절삭 툴(Tool)의 강도에 맞는 가공성을 고려하여야 하는데 대부분 너무 강도가 강하여 절삭 툴의 소모가 많을 뿐 아니라 절삭가공시간도 많이 소요되어 생산성이 매우 떨어지는 단점을 가지고 있다.
대한민국 등록특허 제 10-1345332호: 도재와의 접합강도가 우수한 니켈-크롬-코발트계 치과용 합금
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 더욱 상세하게는 코발트와 크롬을 주성분으로 하고 여기에 미량의 몰리브덴, 텅스텐, 망가니즈, 규소, 철 등을 첨가하여 인체에 유해하지 않으면서 CAD/CAM을 이용한 절삭가공성이 우수한 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 진공정밀주조방식을 이용하여 디스크 형상의 코발트-크롬계 합금블록을 성형함으로써 산화를 방지하고 주조결함을 최소화하여 품질이 우수한 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금은 디스크 형상의 블록으로 성형되며, 코발트(Co) 60 내지 65중량%, 크롬(Cr) 25 내지 30중량%, 몰리브덴(Mo) 3 내지 7중량%, 텅스텐(W) 2 내지 5중량%, 망가니즈(Mn) 0.2 내지 0.5중량%, 규소(si) 0.5 내지 1.5중량%, 철(Fe) 0.3 내지 0.7중량%를 함유한다.
그리고 티타늄(Ti) 0.1 내지 0.3중량%를 더 함유하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금의 제조방법은 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 망가니즈(Mn) 중에서 선택된 어느 하나의 금속과 코발트(Co)를 진공아크용해로에서 용해하여 Co-Cr모합금, Co-Mo모합금, Co-W모합금, Co-Mn모합금을 각각 제조하는 모합금제조단계와; 상기 모합금들과 코발트(Co), 규소(Si), 철(Fe)을 용해하여 용탕을 형성하는 용탕형성단계와; 상기 용탕을 주조용 몰드에 부어 디스크 형상의 블록을 성형하는 성형단계;를 포함하고, 상기 블록은 코발트(Co) 60 내지 65중량%, 크롬(Cr) 25 내지 30중량%, 몰리브덴(Mo) 3 내지 7중량%, 텅스텐(W) 2 내지 5중량%, 망가니즈(Mn) 0.2 내지 0.5중량%, 규소(si) 0.5 내지 1.5중량%, 철(Fe) 0.3 내지 0.7중량%를 함유한다.
상기 모합금제조단계는 상기 크롬, 상기 몰리브덴, 상기 텅스텐, 상기 망가니즈 중에서 선택된 어느 하나의 금속과 상기 코발트를 텅스텐 소재의 비소모성 전극이 설치된 상기 진공아크용해로에 장입한 후 아크를 발생시켜 용해하여 봉상의 상기 모합금들을 제조한다.
상기 용탕형성단계는 a)알루미나 도가니의 바닥에 코발트를 깐 다음 상기 코발트 위에 상기 모합금들을 세운 후 상기 모합금들 사이에 상기 규소와 상기 철을 첨가하는 장입단계와, b)상기 도가니에 장입된 금속들과 상기 도가니를 예열하는 예열단계와, c)상기 도가니 내부의 금속들을 진공유도방식으로 가열하여 1450 내지 1550℃에서 용해시키는 진공유도용해단계로 이루어진다.
상기 성형단계는 a)상기 몰드를 700 내지 800℃로 예열하는 예열단계와, b)상기 용탕을 상기 예열된 몰드에 주입하는 주입단계와, c)상기 몰드에 주입된 용탕을 4 내지 5시간 동안 냉각시킨 후 상기 몰드를 제거하여 상기 블록을 수득하는 탈형단계로 이루어진다.
상기 블록의 조성을 균질화시키기 위해 진공도 2.0×10- 4torr에서 1200 내지 1230℃로 가열하여 4 내지 6시간 동안 열처리하는 진공열처리단계;를 더 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 위와 같이 본 발명은 코발트와 크롬을 주성분으로 하고 여기에 미량의 몰리브덴, 텅스텐, 망가니즈, 규소, 철 등을 첨가하여 인체에 유해하지 않으면서도 치과 도재소부용에 적합한 코발트-크롬계 합금을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 진공정밀주조공정을 이용하여 디스크 형상의 코발트-크롬계 합금블록을 성형함으로써 산화를 방지하고 주조결함을 최소화하여 품질이 우수한 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 디스크형 블록 형태의 코발트-크롬계 합금을 제공하여 CAD/CAM을 이용한 절삭가공이 용이하다.
도 1은 본 발명에 적용되는 주조용 몰드의 사시도이고,
도 2는 도 1의 정면도이고,
도 3은 본 발명의 실시 예에서 사용된 주조용 몰드의 실물 사진이고,
도 4는 도 3의 주조용 몰드에서 성형된 디스크형 블록의 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 진공정밀주조공정에 의한 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금 및 이의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금은 CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing)에 의한 절삭가공이 용이하도록 디스크 형상의 블록으로 형성된다. 종래의 사각 잉곳(ingot) 타입의 블록에 비해 원판 타입의 디스크 블록은 빠른 시간 안에 가공이 가능하다.
본 발명의 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금은 코발트(Co)를 기지조성으로 한다. 그리고 여기에 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 망가니즈(Mn), 규소(Si), 철(Fe)이 첨가된다.
코발트는 합금의 주성분으로서, 탄소(C)의 용해도를 증가시키고, 고용강화에 의한 강도향상 및 내산화성 개선과 열팽창을 조절한다.
크롬은 비귀금속합금의 부동태화와 이에 의한 내식성, 내산화 증가를 위해 첨가한다. 몰리브덴은 합금의 강도 등 기계적 성질 및 열팽창 개선을 위해 소량 첨가된다. 텅스텐은 단단하고 밀도가 높으며 합금의 기계적 성질을 향상시킨다. 그리고 망가니즈는 고용경화 및 결정립 미세화에 의해 기계적 성질 개선, 탈산제 작용, 내식성 및 주조성 향상 등의 역할을 한다. 규소는 용탕의 흐름성 및 주조성을 향상시킨다. 그리고 철은 탈황작용 및 재료의 인성을 증가시킨다.
일 예로 본 발명의 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금은 코발트(Co) 60 내지 65중량%, 크롬(Cr) 25 내지 30중량%, 몰리브덴(Mo) 3 내지 7중량%, 텅스텐(W) 2 내지 5중량%, 망가니즈(Mn) 0.2 내지 0.5중량%, 규소(Si) 0.5 내지 1.5중량%, 철(Fe) 0.3 내지 0.7중량%로 조성될 수 있다.
또한, 본 발명의 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금은 티타늄을 더 함유할 수 있다. 가령, 코발트(Co) 60 내지 65중량%, 크롬(Cr) 25 내지 30중량%, 몰리브덴(Mo) 3 내지 7중량%, 텅스텐(W) 2 내지 5중량%, 망가니즈(Mn) 0.2 내지 0.5중량%, 규소(Si) 0.5 내지 1.5중량%, 철(Fe) 0.3 내지 0.7중량%, 티타늄(Ti) 0.1 내지 0.3중량%로 조성될 수 있다.
티타늄은 탈산 목적으로 미량 사용한다. 티타늄은 고용경화 및 금속간화합물을 형성하여 시효경화에 의해 합금의 기계적 성질을 향상시킨다.
상술한 본 발명의 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금은 인체에 유해하지 않으면서 CAD/CAM을 이용한 절삭가공성이 우수하다. 또한, 항복강도 및 연신율, 탄성계수 등의 기계적 성질이 치과용 도재소부(Porcelain fused to metal, PFM)용 합금에 적합한 특성을 갖는다.
이하, 본 발명의 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금의 제조방법은 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 망가니즈(Mn) 중에서 선택된 어느 하나의 금속과 코발트(Co)를 진공아크용해로에서 용해하여 Co-Cr모합금, Co-Mo모합금, Co-W모합금, Co-Mn모합금을 각각 제조하는 모합금제조단계와, 모합금들과 코발트(Co), 규소(Si), 철(Fe)을 용해하여 용탕을 형성하는 용탕형성단계와, 상기 용탕을 주조용 몰드에 부어 디스크 형상의 블록을 성형하는 성형단계를 포함한다. 각 단계별로 구체적으로 살펴본다.
1. 모합금제조단계
본 발명에 적용되는 금속들 중 고융점 금속의 존재로 인해 진공유도용해시 균질한 용해가 되기 어렵다. 따라서 고융점 금속과 고용이 가능하며 비교적 녹는점이 낮은 코발트와 혼합하여 모합금을 제조하여 이용하는 것이 바람직하다.
모합금제조는 진공아크용해(VAR; Vacuum Arc remelting) 방식을 이용하여 2종류의 금속을 용해시켜 바 형태의 모합금을 제조한다.
크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망가니즈 중에서 선택된 어느 하나의 금속과 코발트를 텅스텐 소재의 비소모성 전극이 설치된 진공아크용해로에 장입한 후 아크를 발생시켜 금속을 용해시킨다.
진공아크용해를 수행하기 위한 진공아크용해장치는 통상적인 것을 이용할 수 있다. 일 예로, 진공아크용해로의 내부에 반구홈으로 형성된 하스(hearth)가 구비되고, 하스의 상측에 봉 형상의 비소모성 전극(텅스텐 소재)이 위치하는 구조를 가진다. 전극에 의하여 아크가 발생되며, 발생된 아크열에 의해 하스에 위치한 금속소재가 용융된다.
진공아크용해로의 하스에 장입되는 금속은 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망가니즈 중에서 선택된 어느 하나의 금속과 코발트이다. 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망가니즈는 순차적으로 하나씩 선택하여 코발트와 함께 용해시켜 각각의 모합금을 제조한다. 따라서 모합금제조단계에서 Co-Cr 모합금, Co-Mo 모합금, Co-W 모합금, Co-Mn 모합금과 같은 4종류의 모합금을 제조할 수 있다.
Co-Cr 모합금은 Co 50중량%와 Cr 50중량%이고, Co-Mo 모합금은 Co 50중량%와 Mo 50중량%이고, Co-W 모합금은 Co 50중량%와 W 50중량%이고, Co-Mn 모합금은 Co 80중량%와 Mn 20중량%로 조성될 수 있다.
모합금을 제조하기 위한 각 금속소재는 순도 98.5~99.9% 이상의 괴상(briquette) 또는 원석 또는 칩 형태를 이용할 수 있다. 모합금을 제조하기 위해 각 조성에 맞는 비율로 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망가니즈 중 어느 하나의 금속과 코발트를 칭량하여 2종류의 금속을 하스에 장입한다.
금속을 하스에 장입한 다음 진공배기 후 아르곤 가스 분위기하에서 텅스텐 전극을 사용하여 아크열을 발생시켜 하스 내의 소재를 용해시킨다. 아크가 발생하여 용융된 2종류의 금속은 하스의 중앙으로 흘러들어 혼합되면서 합금화가 된다. 용융된 금속을 냉각시키면 2가지의 금속성분으로 이루어진 바 형상의 모합금이 제조된다. 바 형상의 모합금은 2가지 금속의 균일한 혼합을 위해 1 내지 2회 정도 반복하여 재용해를 시킬 수 있다.
2. 용탕형성단계
다음으로, 진공유도용해(VIM: Vacuum Induction Remelting) 방식을 이용하여 코발트와 모합금들을 용해시킨다. 합금의 성질 개선을 위해 코발트와 모합금에 규소와 철을 첨가하여 같이 용해시킨다.
진공유도용해는 용해할 금속을 도가니 속에 넣고, 그 주위에 감긴 코일에 고주파 전류를 통하면 전자유도작용에 의해 금속에 2차 전류를 발생시키고, 이 전류에 의한 금속의 줄(J) 발열을 이용하여 금속을 용융점 이상으로 가열하여 용해시키는 방식이다. 진공유도용해로로 고주파용해로를 사용할 수 있다.
통상적으로 진공유도용해로의 구성은 크게 진공 챔버, 진공 배기계(로타리 펌프, 부스터 펌프)로 구비된다. 금속의 용해를 위한 도가니로 알루미나 도가니를 이용한다.
알루미나 도가니를 진공챔버의 유도코일박스에 장착한 다음 도가니에 코발트, 4종류의 모합금, 규소, 철을 장입한다. 최종적으로 제조하고자 하는 합금의 조성에 맞는 비율로 각 재료들을 칭량하여 도가니에 장입한다.
도가니 내에서 용해가 진행되는 동안 비중에 따른 편석을 억제하기 위하여 도가니의 바닥에 융점이 낮은 코발트를 깐 다음 코발트 위에 Co-Cr 모합금, Co-Mo 모합금, Co-W 모합금, Co-Mn 모합금을 세워서 장입한다. 그리고 규소와 철은 모합금들 사이에 장입한다.
도가니에 장입하는 코발트와 철은 칩 형태이고, 규소는 원석 형태이다.
다음으로, 도가니에 금속소재의 장입이 완료되면 진공도 4×10- 1torr까지 진공챔버 내부를 진공배기한다. 진공배기 후 도가니에 장입된 금속소재들과 도가니를 예열한다. 이는 예열 없이 금속을 용해시키면 급격한 온도변화로 인하여 도가니에 균열이 발생할 수 있기 때문이다. 예열을 위해 유도전류 50A를 5분간 인가하여 예열한다.
도가니의 예열 후 유도전류 85A를 40 내지 50분 동안 인가해 온도 1450 내지 1550℃에서 금속을 용해시킨다.
3. 성형단계
도가니에서 금속이 용해되어 용탕이 형성되면 주조용 몰드에 부어 디스크 형상의 블록을 성형한다.
바람직하게 주조용 몰드를 700 내지 800℃로 예열한 후 용탕을 주조용 몰드에 주입한다. 이는 세라믹 소재로 만들어진 주조용 몰드는 대기 중의 수분을 흡수하고 있기 때문에 용탕을 주입하기 전에 주조용 몰드의 수분을 제거하기 위함이다.
본 발명에 적용되는 주조용 몰드의 일 예로 도 1 및 도 2에 도시하고 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 주조용 몰드(10)는 디스크 형태의 블록이 성형되는 다수의 주형부(60)가 구비되어 있다. 따라서 도시된 주조용 몰드(10)는 각각의 주형부(60)로 용탕이 주입되어 각각의 주형부(60)에서 각각의 블록이 형성되는 개별몰딩 방식이다. 이러한 주조용 몰드(10)를 이용하면 대형 잉곳 타입의 블록을 제조하는 종래의 주조용 몰드에 비해 기공의 발생을 억제하여 주조결함을 크게 줄일 수 있다.
도시된 주조용 몰드(10)는 원추형으로 형성되어 용탕이 주입되는 주입구(20)와, 주입구(20)의 하부에 수평하게 형성되는 수평게이트(30)와, 수평게이트(30)의 하부에 수직하게 형성되는 다수의 수직게이트(40)와, 수직게이트(40)의 좌우 측면에 각각 마련되는 주형부(60)와, 수직게이트(40)와 주형부(60)를 상호 연결시키는 연결게이트(50)와, 주형부(60)와 수평게이트(30) 또는 수직게이트(40)를 연결하는 가스빼기관(70)를 구비한다.
용탕을 주입구(20)에 부어 주입하면 용탕은 수평게이트(30)에서 흐름이 늦어져 교반 현상이 발생하고, 그 후 용탕은 수직게이트(40)와 연결게이트(50)를 통과하여 주형부(60)로 유입된다.
주조용 몰드에 용탕을 주입시킨 다음 4 내지 5시간 동안 냉각시킨 후 햄머를 이용하여 몰드를 분쇄한다. 몰드를 제거한 후 게이트 부위를 절단하여 디스크 형상의 블록을 수득한다. 디스크 형상의 블록은 주조용 몰드의 주형부에 위치하는 부분이다. 도시된 주조용 몰드를 사용할 경우 한번에 6개의 디스크 형상의 블록을 제조할 수 있다. 디스크 형상의 블록이 본 발명의 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금이다.
이러한 합금은 코발트(Co) 60 내지 65중량%, 크롬(Cr) 25 내지 30중량%, 몰리브덴(Mo) 3 내지 7중량%, 텅스텐(W) 3 내지 5중량%, 망가니즈(Mn) 0.2 내지 0.5중량%, 규소(Si) 0.5 내지 1.5중량%, 철(Fe) 0.3 내지 0.7중량%로 조성될 수 있다.
한편, 상술한 모합금제조단계에서 티타늄과 코발트를 진공아크용해로에서 용해시키는 과정을 더 수행하여 Co-Ti 모합금을 더 제조할 수 있다. 이 경우 Co-Ti 모합금은 Co 83중량%와 Ti 17중량%로 조성될 수 있다. 준비된 Co-Cr 모합금, Co-Mo 모합금, Co-W 모합금, Co-Mn 모합금, Co-Ti 모합금은 알루미나 도가니에 코발트, 규소, 철과 함께 장입하여 진공유도용해로에서 용해시킨 다음 용탕을 주조용 몰드에 주입하여 디스크형 블록으로 성형된 합금을 얻을 수 있다. 이 경우 합금은 코발트(Co) 60 내지 65중량%, 크롬(Cr) 25 내지 30중량%, 몰리브덴(Mo) 3 내지 7중량%, 텅스텐(W) 3 내지 5중량%, 망가니즈(Mn) 0.2 내지 0.5중량%, 규소(Si) 0.5 내지 1.5중량%, 철(Fe) 0.3 내지 0.7중량%, 티타늄(Ti) 0.1 내지 0.3중량%로 조성될 수 있다.
한편, 본 발명은 성형단계에서 수득한 블록을 진공균질화열처리하는 과정을 더 수행할 수 있다.
진공균질화열처리는 미세주조결함 및 내부균질화를 목적으로 한다. 진공균질화열처리는 일 예로 온도 1200 내지 1230℃로 승온하여 불록의 두께와 따라 4 내지 6시간 동안 균질화열처리할 수 있다.
구체적으로, 진공열처리로에 블록을 장입하고 진공도 2.0×10- 4torr로 진공배기한 후 5℃/min 속도로 850℃까지 승온시킨 다음 850℃로 30분 동안 유지하고, 5℃/min 속도로 1200 내지 1230℃까지 승온시킨 후 1200 내지 1230℃에서 4 내지 6시간 동안 균질화열처리한다. 그리고 8 내지 10시간 동안 노냉한다.
이와 같이 진공상태에서 균질화열처리된 블록은 국부적인 조성의 불균일과 응고속도의 차이에 의한 화학적 편석을 감소시켜 조성을 균질화시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다. 이는 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
<모합금의 제조>
1. 재료
실험에 사용된 코발트(순도99.95%, 칩상), 크롬(순도99.70%, 원석), 몰리브덴(순도99.50%, 칩상), 텅스텐(순도99.95%, 칩상), 망가니즈(순도99.80%, 칩상), 규소(순도99.0%, 원석), 철(순도99.80%, 칩상), 티타늄(순도99.70%, 봉상)은 주식회사 티타늄티티아이에서 구입하였다.
2. 진공아크용해
준비된 크롬과 코발트를 진공아크용해로(삼한진공개발 주식회사, 한국)에 마련된 수냉 동(Cu) 하스(hearth)에 장입하였다. 이때 녹는점이 높은 금속을 위쪽에 장입하였고, 제조하고자 하는 모합금의 조성에 맞게 금속들을 칭량하여 장입하였다. 금속을 장입한 다음 2.5×10-2torr로 진공배기 후 아르곤 가스 분위기하에서 비소모성 텅스텐 전극에 아크를 발생시켜 금속을 용해시킨 다음 1시간 동안 냉각시켜 바 형상의 Co-Cr 모합금을 제조하였다. 성분의 균일한 합금화를 위해 1차로 제조된 Co-Cr 모합금을 거꾸로 뒤집어서 다시 진공아크용해로의 하스에 장입한 후 상술한 방법과 동일한 조건으로 재용해를 2회 더 수행하여 Co 50중량%, Cr 50중량%인 Co-Cr 모합금을 최종적으로 제조하였다.
몰리브덴, 텅스텐, 망가니즈, 티타늄 각각도 상술한 방법과 동일하게 코발트와 함께 진공아크용해로에서 용해시켜 Co-Mo 모합금, Co-W 모합금, Co-Mn 모합금, Co-Ti 모합금을 각각 제조하였다.
제조한 Co-Mo 모합금은 Co 50중량%와 Mo 50중량%이고, Co-W 모합금은 Co 50중량%와 W 50중량%이고, Co-Mn 모합금은 Co 80중량%와 Mn 20중량%이고, Co-Ti 모합금은 Co 83중량%와 Ti 17중량%로 조성하였다.
<합금블록의 제조>
1. 주조용 몰드의 준비
왁스 모형을 이용하여 세라믹 소재(내부:지르코니아, 외부: 샤모트)의 주조용 몰드를 제작하였다. 제작된 주조용 몰드의 사진을 도 3에 나타내었다.
2. 진공유도용해
4종류의 모합금과, 5종류의 모합금을 이용하여 2가지의 합금블록을 각각 제조하였다.
먼저, 4종류의 모합금을 이용한 합금블록은 아래와 같이 제조하였다.
알루미나 도가니를 고주파 진공유도용해로(삼한진공개발 주식회사, 한국)에 장착한 다음 코발트, Co-Cr 모합금, Co-Mo 모합금, Co-W 모합금, Co-Mn 모합금, 규소, 철을 최종적으로 제조하고자 하는 합금의 조성에 맞는 비율로 각각 칭량하여 알루미나 도가니에 장입하였다. 비중에 따른 편석을 억제하기 위하여 도가니의 바닥에 융점이 낮은 코발트를 먼저 깐 다음 코발트 위에 모합금들을 세운 후 모합금들 사이사이에 규소와 철을 집어 넣는 방식으로 장입하였다.
도가니에 금속소재의 장입 후 진공도 4×10- 1torr까지 진공챔버 내부를 진공배기한 다음 유도전류 50A를 5분간 인가하여 금속소재과 도가니를 예열하였다. 예열 후 유도전류 85A를 50분 동안 인가해 온도 1510℃에서 금속을 용해시켜 용탕을 형성하였다.
3. 성형
2시간 동안 750℃에서 예열한 주조용 몰드에 용탕을 부어 주입시킨 다음 5시간 동안 냉각시킨 후 에어햄머를 이용하여 주조용 몰드를 분쇄한 다음 게이트 부위를 절단하여 도 4에 도시된 바와 같이 디스크 형상의 합금 블록(시료A)을 제조하였다.
시료A의 합금 조성은 코발트(Co) 60.3중량%, 크롬(Cr) 28중량%, 몰리브덴(Mo) 5중량%, 텅스텐(W) 5중량%, 망가니즈(Mn) 0.2중량%, 규소(Si) 1중량%, 철(Fe) 0.5중량%이다.
한편, 5종류의 모합금을 이용한 합금 블록은 아래와 같이 제조하였다.
코발트, Co-Cr 모합금, Co-Mo 모합금, Co-W 모합금, Co-Mn 모합금, Co-Ti 모합금, 규소, 철을 최종적으로 제조하고자 하는 합금의 조성에 맞는 비율로 각각 칭량하여 알루미나 도가니에 장입한 후 시료 A와 동일한 방법으로 디스크 형상의 합금 블록(시료B)를 제조하였다.
시료B의 합금 조성은 코발트(Co) 61.8중량%, 크롬(Cr) 28중량%, 몰리브덴(Mo) 5중량%, 텅스텐(W) 3중량%, 망가니즈(Mn) 0.5중량%, 규소(Si) 1중량%, 철(Fe) 0.5중량%, 티타늄(Ti) 0.2중량%이다.
4. 진공열처리
진공열처리로(주식회사 정민실업, 한국) 내에 시료A와 시료B를 장입하고 진공도 2.0×10- 4torr로 진공배기한 후 5℃/min 속도로 850℃까지 승온시킨 다음 850℃로 30분 동안 유지하고, 5℃/min 속도로 1225℃까지 승온시킨 후 1225℃에서 5시간 동안 균질화열처리하였다. 그리고 8시간 동안 노냉하였다.
시료 A를 균질화열처리한 것을 시료 A-1이라 하고, 시료 B를 균질화열처리한 것을 시료 B-1이라 한다.
<인장시험>
시료A, 시료A-1, 시료B, 시료B-1을 대상으로 0.2%항복강도, 연신율, 탄성계수를 측정하기 위해 인장실험을 하였다. 평가방법은 ISO 22674규정을 준용하였다.
각 시료를 가공하여 총 길이 42㎜, gauge length 15㎜, 인장부 직경 3㎜인 dog-bone 형태의 시편을 준비하고, 다목적시험기(KDPI-130-1, 경도정밀공업 주식회사, 한국)를 이용하여 하중속도(cross-head speed)를 1.5㎜/min으로 하여 인장시험을 하였다.
하기 표 1에 인장시험결과를 나타내었다.
구분 시료A 시료A-1 시료B 시료B-1
0.2%항복강도(MPa) 384.38 388.79 323.34 311.87
연신율(%) 20.50 13.90 26.79 24.21
탄성계수(GPa) 69.6 76.55 76.34 80.44
상기 표 1의 결과를 참조하면, 균질화열처리된 시료A-1과 시료B-1을 비교할 때, 시료 A-1과 B-1의 항복강도는 388.79MPa, 311.87MPa이고, 연신율은 13.90%, 24.21%이고, 탄성계수는 76.55GPa, 80.44GPa로 나타났다. 시료 B와 B-1은 시료 A와 A-1에 비해 W 함량 감소와 Mn 함량 증가, Ti 첨가로 인해 항복강도가 감소한 것으로 나타나, CAD/CAM 가공시 절삭성(툴의 마모성)이 개선될 것으로 보인다.
본 발명은 코발트와 크롬을 주성분으로 하고 여기에 미량의 몰리브덴, 텅스텐, 망가니즈, 규소, 철, 티타늄 등을 첨가하여 인체에 유해하지 않으면서도 치과 도재소부용에 적합한 코발트-크롬계 합금을 제공할 수 있다.
이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
10: 주조용 몰드 20: 주입구
30: 수평게이트 40: 수직게이트
50: 연결게이트 60: 주형부

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 망가니즈(Mn) 중에서 선택된 어느 하나의 금속과 코발트(Co)를 진공아크용해로에서 용해하여 Co-Cr모합금, Co-Mo모합금, Co-W모합금, Co-Mn모합금을 각각 제조하는 모합금제조단계와;
    상기 모합금들과 코발트(Co), 규소(Si), 철(Fe)을 용해하여 용탕을 형성하는 용탕형성단계와;
    상기 용탕을 주조용 몰드에 부어 디스크 형상의 블록을 성형하는 성형단계;를 포함하고,
    상기 블록은 코발트(Co) 60 내지 65중량%, 크롬(Cr) 25 내지 30중량%, 몰리브덴(Mo) 3 내지 7중량%, 텅스텐(W) 2 내지 5중량%, 망가니즈(Mn) 0.2 내지 0.5중량%, 규소(Si) 0.5 내지 1.5중량%, 철(Fe) 0.3 내지 0.7중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 모합금제조단계는 상기 크롬, 상기 몰리브덴, 상기 텅스텐, 상기 망가니즈 중에서 선택된 어느 하나의 금속과 상기 코발트를 텅스텐 소재의 비소모성 전극이 설치된 상기 진공아크용해로에 장입한 후 아크를 발생시켜 용해하여 바 형상의 상기 모합금들을 제조하는 것을 특징으로 하는 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금의 제조방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 용탕형성단계는 a)알루미나 도가니의 바닥에 코발트를 깐 다음 상기 코발트 위에 상기 모합금들을 세운 후 상기 모합금들 사이에 상기 규소와 상기 철을 첨가하는 장입단계와, b)상기 도가니에 장입된 금속들과 상기 도가니를 예열하는 예열단계와, c)상기 도가니 내부의 금속들을 진공유도방식으로 가열하여 1450 내지 1550℃에서 용해시키는 진공유도용해단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금의 제조방법.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 성형단계는 a)상기 몰드를 700 내지 800℃로 예열하는 예열단계와, b)상기 용탕을 상기 예열된 몰드에 주입하는 주입단계와, c)상기 몰드에 주입된 용탕을 4 내지 5시간 동안 냉각시킨 후 상기 몰드를 제거하여 상기 블록을 수득하는 탈형단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금의 제조방법.
  7. 제 3항에 있어서, 상기 블록의 미세주조결함 및 내부균질화를 위해 진공도 2.0×10-4torr에서 1200 내지 1230℃로 승온하여 4 내지 6시간 동안 열처리하는 진공균질화열처리단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금의 제조방법.
  8. 제 3항에 있어서, 상기 모합금제조단계는 티타늄(Ti)과 코발트를 진공아크용해로에서 용해하여 Co-Ti모합금을 더 제조하고,
    상기 성형단계의 블록은 코발트(Co) 60 내지 65중량%, 크롬(Cr) 25 내지 30중량%, 몰리브덴(Mo) 3 내지 7중량%, 텅스텐(W) 2 내지 5중량%, 망가니즈(Mn) 0.2 내지 0.5중량%, 규소(Si) 0.5 내지 1.5중량%, 철(Fe) 0.3 내지 0.7중량%, 티타늄(Ti) 0.1 내지 0.3중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 절삭가공용 치과 도재소부용 코발트-크롬계 합금의 제조방법.
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