KR101985221B1 - Titanium alloy of darkgray color coated with biocompatibility oxide layer and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 타이타늄 합금 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적 연마 방식의 전처리 후, 아노다이징 처리를 통한 표면 개질로 경도, 강도, 내식성 및 생체 적합성을 향상시킬 수 있는 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a titanium alloy and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a titanium alloy coated with a biocompatible oxide film capable of improving hardness, strength, corrosion resistance and biocompatibility by surface modification through an anodizing treatment after pre- Dark gray colored titanium alloy and a method of manufacturing the same.
인간의 평균 수명이 연장되고, 고령화 시대를 맞이하면서 보건복지 수준의 향상에 대한 필요가 증가하고 있다. 이에 따라, 최근에는 인체의 뼈, 관절, 치아 등의 대체 소재로서 금속의 수요가 급속히 증가하고 있다.The average life expectancy of people is prolonged, and the need for improvement in the level of health and welfare is on the rise in the age of aging. Accordingly, in recent years, there has been a rapid increase in the demand for metal as a substitute material for bones, joints, and teeth of a human body.
이러한 생체용 금속 재료는 주위 조직에 대해 독성이나 발암성이 없고 부작용이나 인체 거부 반응을 일으키지 않는 등 우수한 생체적합성을 가져야 한다. 또한, 인장 강도와 탄성률 등의 기계적 성질이 양호하여야 하며, 인체 내에서 내부식성이 우수해야 한다.Such a metal material for a living body should have excellent biocompatibility such that it does not have toxicity or carcinogenicity to surrounding tissues and does not cause side effects or body rejection. In addition, mechanical properties such as tensile strength and elastic modulus should be good, and corrosion resistance in the human body should be excellent.
이때, 생체 금속 재료는 기계적 성질이 우수하더라도, 그 재료나 부산물이 체내에서 수용되지 않고 독성, 자극, 이물 반응 등을 일으킨다면 생체 재료로서의 가치가 없으므로 생체적합성은 매우 중요하다.At this time, even if the biomaterial is excellent in mechanical properties, biocompatibility is very important because the biomaterial does not contain the material or the by-product in the body and causes toxicity, irritation, foreign body reaction or the like.
생체 금속 재료의 내부식성은 생체적합성과 관련하여 매우 중요하다. 생체 금속 재료의 부식이 진행되면 주위 환경에 대해 부식 산물이나 가용의 형태로 금속 표면에서 금속 이온으로 유리되어 인접 조직 또는 다른 조직이나 장기에 자극 반응, 염증 반응 등을 일으킬 수 있다.Corrosion resistance of biomaterials is very important with respect to biocompatibility. As the corrosion of the biomaterial is progressed, it can be released as a metal ion on the metal surface in the form of a corrosion product or a soluble substance to the surrounding environment, which can cause an irritation reaction, an inflammation reaction, or the like to adjacent tissues or other tissues or organs.
따라서, 생체 금속 재료로서 사용하기 위해서는 생체 내에서 높은 내부식성을 가져야 한다.Therefore, it is necessary to have high corrosion resistance in vivo for use as a biomaterial.
그러나, 종래의 생체 금속 재료로는 주로 스테인리스강(SUS316L), Co-Cr 합금, 순수 티타늄 (Ti) 등이 사용되어 왔다. 초기에는 스테인레스강이 생체 금속 재료로서 주로 사용되었지만, 오스테나이트계 스테인리스강은 염소 이온에 대한 내부식성이 양호하지 않아 공식이나 입계부식이 발생하는 문제가 있다.However, stainless steel (SUS316L), Co-Cr alloy, pure titanium (Ti) or the like has been mainly used as a conventional biomaterial. In the early stage, stainless steel was mainly used as a biomaterial, but austenitic stainless steel has a problem in that corrosion resistance against chlorine ions is not good and a formula or grain boundary corrosion is generated.
또한, 스테인리스강에 Mo를 첨가한 Cr-Ni-Mo 스테인리스강은 현재까지 이용되고는 있으나 Ni을 함유하고 있기 때문에 장기간 생체 내에 주입되어 있을 경우 생물학적 안정성이 문제가 되고 있다.In addition, Cr-Ni-Mo stainless steel having Mo added to stainless steel has been used up to now, but since it contains Ni, biological stability is a problem when it is injected into a living body for a long period of time.
또한, Co-Cr 합금은 스테인리스강과 비교할 때 강도나 내식성은 우수하지만, Ni를 다소 함유하고 있고 Co, Cr 등의 금속 원소가 순 금속으로 용출될 경우 생체에 유해하다는 문제점이 있다.The Co-Cr alloy is superior in strength and corrosion resistance as compared with stainless steel. However, Co-Cr alloy contains Ni somewhat and is harmful to a living body when metal elements such as Co and Cr are eluted with pure metal.
이에 반해, 타이타늄(Ti)은 매우 우수한 내식성과 생체적합성을 갖고 있지만 가공상의 어려움으로 인해 사용이 제한되었으나, 최근 가공 기술이 발달함에 따라 사용 범위가 확대되어 인공 치아 및 인공 관절 등의 생체 이식용 재료로써 널리 사용되고 있다.On the other hand, titanium (Ti) has excellent corrosion resistance and biocompatibility, but its use has been limited due to difficulties in processing. However, as the processing technology has been developed recently, the range of use has been expanded to include materials for implantation such as artificial teeth and artificial joints .
따라서, 최근에는 기계적 강도가 우수한 생체 금속 재료로서, 타이타늄 합금을 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.Therefore, in recent years, researches for developing a titanium alloy as a biomaterial having excellent mechanical strength have been actively conducted.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0107721호(2013.10.02. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 타이타늄에 경질층을 형성하는 방법 및 이에 의해 형성된 경질층을 갖는 타이타늄 합금이 기재되어 있다.A related prior art is Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2013-0107721 (published on October 2, 2013), which discloses a method of forming a hard layer on titanium and a titanium alloy having a hard layer formed thereby have.
본 발명의 목적은 아노다이징 처리를 통한 표면 개질로 경도, 강도, 내식성 및 생체 적합성을 향상시킬 수 있는 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a dark gray color titanium alloy coated with a biocompatible oxide film capable of improving hardness, strength, corrosion resistance and biocompatibility through surface modification through anodizing, and a method for producing the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금은 탄소(C) : 5 ~ 10 중량%, 알루미늄(Al) : 1 ~ 7 중량%, 실리콘(Si) : 0.01 ~ 3.0 중량%, 나트륨(Na) : 1.5 ~ 5.0 중량%, 산소(O) : 40 ~ 60 중량%, 바나듐(V) : 0.1 ~ 3.0 중량% 및 나머지 티타늄(Ti)을 포함하는 모재; 및 상기 모재의 외측 표면을 덮도록 코팅된 생체적합성 산화막;을 포함하며, 상기 생체적합성 산화막은 다크그레이 컬러를 가지며, 0.5 ~ 1.5㎛의 평균 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the titanium alloy of dark gray color coated with a biocompatible oxide film according to an embodiment of the present invention includes 5 to 10% by weight of carbon (C), 1 to 7% by weight of aluminum (Al) (Ti): 0.01 to 3.0% by weight, Si: 1.5 to 5.0% by weight, Na: 40 to 60% Base metal; And a biocompatible oxide film coated to cover an outer surface of the base material, wherein the biocompatible oxide film has a dark gray color and has an average thickness of 0.5 to 1.5 탆.
이때, 상기 모재는 칼슘(Ca) : 0.1 ~ 0.5 중량%를 더 포함할 수 있다.At this time, the base material may further include 0.1 to 0.5% by weight of calcium (Ca).
상기 타이타늄 합금은 360 ~ 450Hv의 비커스 경도(Vickers hardness)를 갖는다.The titanium alloy has a Vickers hardness of 360 to 450 Hv.
또한, 상기 타이타늄 합금은 1,370 ~ 1,450N/mm의 강도(stiffness) 및 3,200 ~ 3,500N의 항복하중(yield load)을 갖는다.In addition, the titanium alloy has a stiffness of 1,370 to 1,450 N / mm and a yield load of 3,200 to 3,500N.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금 제조 방법은 (a) 탄소(C) : 5 ~ 10 중량%, 알루미늄(Al) : 1 ~ 7 중량%, 실리콘(Si) : 0.01 ~ 3.0 중량%, 나트륨(Na) : 1.5 ~ 5.0 중량%, 산소(O) : 40 ~ 60 중량%, 바나듐(V) : 0.1 ~ 3.0 중량% 및 나머지 티타늄(Ti)을 포함하는 모재를 다이캐스팅하여 성형하는 단계; (b) 상기 성형된 모재의 표면을 기계적 연마 방식으로 연마하여 전처리하는 단계; 및 (c) 상기 전처리된 모재를 양극으로 배치한 상태에서 전해질에 침지시킨 후, 1.0 ~ 3.0A/dm2의 전류밀도로 아노다이징 처리하여 상기 모재의 외측 표면을 덮도록 코팅되는 생체적합성 산화막을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 (c) 단계에서, 상기 생체적합성 산화막은 다크그레이 컬러를 가지며, 0.5 ~ 1.5㎛의 평균 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a titanium alloy of dark gray color coated with a biocompatible oxide film, comprising: (a) 5 to 10% by weight of carbon (C) (O), 0.1 to 3.0 wt% of vanadium (V), and 0.01 to 3.0 wt% of silicon (Si), 1.5 to 5.0 wt% of sodium (Na), 40 to 60 wt% Ti) by die-casting the base material; (b) polishing and polishing the surface of the formed preform by a mechanical polishing method; And (c) forming a biocompatible oxide film that is coated to cover the outer surface of the base material by anodizing at a current density of 1.0 to 3.0 A / dm < 2 > after immersing the pretreated base material in an electrolyte in an anode state, Wherein the biocompatible oxide layer has a dark gray color and has an average thickness of 0.5 to 1.5 탆.
상기 (b) 단계에서, 상기 전처리는 샌드 블라스팅 방식 및 전자기 연마 방식 중 어느 하나 이상을 이용하는 것이 바람직하다.In the step (b), it is preferable to use at least one of the sand blasting method and the electromagnetic polishing method.
또한, 상기 (c) 단계에서, 상기 전해질은 pH 13 이상을 갖는 알칼리 전해액으로, NaCl, Na2SiO3, 활성 탄소, TiO2 및 나머지 용매를 포함할 수 있다.Further, in the step (c), the electrolyte is an alkaline electrolyte having a pH 13 or more, it may include NaCl, Na 2 SiO 3, activated carbon, TiO 2 and the balance solvent.
본 발명에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금 및 그 제조 방법은 1차적으로 기계적 연마 전처리를 후, 2차적으로 아노다이징 처리를 실시하는 것에 의해, 다크그레이 컬러를 갖는 생체적합성 산화막의 형성으로 생체적합성 및 심미성을 향상시킬 수 있게 된다.The titanium alloy of the dark gray color coated with the biocompatible oxide film according to the present invention and the method of manufacturing the same can be obtained by firstly performing an anodizing treatment after a mechanical polishing pretreatment and thereby forming a biocompatible oxide film having a dark gray color It is possible to improve biocompatibility and aesthetics.
이에 따라, 본 발명에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금은 360 ~ 450Hv의 비커스 경도(Vickers hardness), 1,370 ~ 1,450N/mm의 강도(stiffness) 및 3,200 ~ 3,500N의 항복하중(yield load)을 나타내는 우수한 기계적 물성을 가질 뿐만 아니라, 생체적합성 및 심미성이 우수하여 인체 매식용 의료기기 소재로 활용하기에 적합하다.Accordingly, the titanium alloy of the dark gray color coated with the biocompatible oxide film according to the present invention has a Vickers hardness of 360 to 450 Hv, a stiffness of 1,370 to 1,450 N / mm, and a yield load of 3,200 to 3,500 N not only has excellent mechanical properties indicating yield load but also excellent biocompatibility and aesthetics and is suitable for use as a material for human medical implantable medical devices.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금을 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 4는 아노다이징 처리 전 상태의 타이타늄 합금 모재를 나타낸 사진.
도 5는 아노다이징 처리 후 상태의 타이타늄 합금을 나타낸 사진.
도 6은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따라 제조된 타이타늄 합금에 대한 표면조도 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 7은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따라 제조된 타이타늄 합금에 대한 평균 표면조도 값을 나타낸 그래프.
도 8은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 2에 따라 제조된 타이타늄 합금에 대한 3점 벤딩 테스트 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 타이타늄 합금에 대한 동전위 분극시험 결과를 나타낸 그래프.1 is a perspective view showing a titanium alloy of dark gray color coated with a biocompatible oxide film according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along line II-II 'of FIG. 1;
3 is a process flow diagram illustrating a method of fabricating a titanium alloy of dark gray color coated with a biocompatible oxide layer according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph showing a titanium alloy base material before the anodizing treatment.
5 is a photograph showing a titanium alloy after an anodizing treatment.
6 is a graph showing the surface roughness measurement results of the titanium alloy produced according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. Fig.
7 is a graph showing average surface roughness values for titanium alloys prepared according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. Fig.
8 is a graph showing the results of a three-point bending test on the titanium alloy produced according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 2. Fig.
FIG. 9 is a graph showing the results of a co-electromotive force polarization test on a titanium alloy produced according to Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like elements throughout.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.FIG. 1 is a perspective view showing a titanium alloy of dark gray color coated with a biocompatible oxide film according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II 'of FIG.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금(100)은 모재(120) 및 생체적합성 산화막(140)을 포함한다.Referring to FIGS. 1 and 2, a dark gray colored
모재(120)는 탄소(C) : 5 ~ 10 중량%, 알루미늄(Al) : 1 ~ 7 중량%, 실리콘(Si) : 0.01 ~ 3.0 중량%, 나트륨(Na) : 1.5 ~ 5.0 중량%, 산소(O) : 40 ~ 60 중량%, 바나듐(V) : 0.1 ~ 3.0 중량% 및 나머지 티타늄(Ti)을 포함한다.The
또한, 모재(120)는 칼슘(Ca) : 0.1 ~ 0.5 중량%를 더 포함할 수 있다.In addition, the
여기서, 탄소(C)는 β상을 안정화시키는 역할을 한다. 본 발명에서, 탄소(C)는 타이타늄 합금 전체 중량의 5 ~ 10 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소(C)의 첨가량이 5 중량% 미만일 경우에는 탄소 첨가 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소(C)의 첨가량이 10 중량%를 초과할 경우에는 타이타늄 합금의 연성을 급격히 저하시켜 성형성의 저하를 야기할 수 있다.Here, the carbon (C) serves to stabilize the? Phase. In the present invention, carbon (C) is preferably added in a content ratio of 5 to 10% by weight based on the total weight of the titanium alloy. When the addition amount of carbon (C) is less than 5% by weight, it may be difficult to exhibit the carbon additive effect properly. On the other hand, when the addition amount of carbon (C) is more than 10% by weight, the ductility of the titanium alloy is drastically lowered and the moldability may be lowered.
알루미늄(Al)은 타이타늄 합금의 α상을 고용강화하는 원소로서, 알루미늄(Al)의 함량이 증가함에 따라, 알루미늄(Al)의 티타늄(Ti) 기지로의 고용에 의해 강도가 증가한다. 또한, 알루미늄(Al)은 티타늄보다 가벼우며, 합금의 밀도를 감소시켜 높은 비강도(specific strength)를 달성하도록 하는 역할을 수행한다.Aluminum (Al) is an element which solidifies and strengthens the alpha phase of a titanium alloy. As the content of aluminum (Al) increases, strength of aluminum (Al) increases due to solidification of the titanium (Ti) base of aluminum (Al). In addition, aluminum (Al) is lighter than titanium and plays a role in reducing the density of the alloy to achieve high specific strength.
따라서, 알루미늄(Al)은 본 발명에 따른 타이타늄 합금 전체 중량의 1 ~ 7 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄(Al)의 첨가량이 1 중량% 미만일 경우에는 밀도감소 효과가 크지 않으며 강도가 저하되는 문제가 있다. 반대로, 알루미늄(Al)의 첨가량이 7 중량% 초과를 초과하여 과다 첨가될 경우에는 Ti3Al이 형성되어 타이타늄의 연성이 급격히 저하되는 문제가 있다.Therefore, it is preferable that aluminum (Al) is added at a content ratio of 1 to 7% by weight of the total weight of the titanium alloy according to the present invention. When the addition amount of aluminum (Al) is less than 1% by weight, there is a problem that the density reduction effect is not large and the strength is lowered. On the contrary, when the added amount of aluminum (Al) exceeds 7% by weight and is added in excess, Ti 3 Al is formed and the ductility of titanium is rapidly lowered.
실리콘(Si)은 타이타늄 합금의 유동성을 향상시켜 성형성을 좋게 하고, 응고 수축율을 저하시켜 수축량을 감소시키며, 경도를 향상시키는 역할을 한다.Silicon (Si) improves the flowability of the titanium alloy to improve moldability, lower the coagulation shrinkage rate, reduce the shrinkage, and improve the hardness.
따라서, 실리콘(Si)은 본 발명에 따른 타이타늄 합금 전체 중량의 0.01 ~ 3.0 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘(Si)의 첨가량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 그 첨가량이 미미하여 상기의 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 실리콘(Si)의 첨가량이 3.0 중량%를 초과할 경우에는 열팽창 계수 및 연신율이 저하되고 표면에 얼룩이 발생할 수 있다.Therefore, it is preferable that silicon (Si) is added at a content ratio of 0.01 to 3.0% by weight of the total weight of the titanium alloy according to the present invention. When the addition amount of silicon (Si) is less than 0.01% by weight, the addition amount thereof is insufficient and it may be difficult to exhibit the above effect properly. On the other hand, when the addition amount of silicon (Si) exceeds 3.0% by weight, the coefficient of thermal expansion and elongation decrease, and the surface may be uneven.
나트륨(Na)은 표면 산화를 억제하는 역할을 한다. 따라서, 나트륨(Na)은 본 발명에 따른 타이타늄 합금 전체 중량의 1.5 ~ 5.0 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 나트륨(Na)의 첨가량이 1.5 중량% 미만일 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 나트륨(Na)의 첨가량이 5.0 중량%를 초과할 경우에는 내식성을 저해하는 요인으로 작용할 수 있다.Sodium (Na) acts to inhibit surface oxidation. Accordingly, it is preferable that sodium (Na) is added at a content ratio of 1.5 to 5.0% by weight of the total weight of the titanium alloy according to the present invention. When the addition amount of sodium (Na) is less than 1.5% by weight, it is difficult to exert the above effect properly. On the contrary, when the addition amount of sodium (Na) exceeds 5.0% by weight, it can act as a factor to deteriorate the corrosion resistance.
산소(O)는 생산성을 향상시키기 위한 것으로, 본 발명에 따른 타이타늄 합금 전체 중량의 40 ~ 60 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. Oxygen (O) is added for improving the productivity and is preferably added in a content ratio of 40 to 60% by weight of the total weight of the titanium alloy according to the present invention.
바나듐(V)은 강도를 향상시키는 역할을 한다. 바나듐(V)은 본 발명에 따른 타이타늄 합금 전체 중량의 0.1 ~ 3.0 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 바나듐의 첨가량이 0.1 중량% 미만일 경우에는 강도 향상 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 바나듐의 첨가량이 3.0 중량%를 초과할 경우에는 효과 상승 없이 바나듐 사용만을 증가시키므로, 경제적이지 못하다.Vanadium (V) plays a role in improving the strength. The vanadium (V) is preferably added in a content ratio of 0.1 to 3.0 wt% of the total weight of the titanium alloy according to the present invention. When the addition amount of vanadium is less than 0.1% by weight, it is difficult to exhibit the effect of improving the strength. On the contrary, when the addition amount of vanadium exceeds 3.0% by weight, it increases the use of vanadium only without increasing the effect, which is not economical.
칼슘(Ca)은 가공성을 향상시키는 역할을 한다. 따라서, 칼슘(Ca)은 본 발명에 따른 타이타늄 합금 전체 중량의 0.1 ~ 0.5 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 칼슘(Ca)의 첨가량이 0.1 중량% 미만일 경우에는 가공성 향상 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 칼슘(Ca)의 첨가량이 0.5 중량%를 초과할 경우에는 금속간 화합물의 형성으로 오히려 가공성이 저하될 수 있다.Calcium (Ca) plays a role in improving processability. Therefore, calcium (Ca) is preferably added in an amount of 0.1 to 0.5% by weight of the total weight of the titanium alloy according to the present invention. When the addition amount of calcium (Ca) is less than 0.1% by weight, it is difficult to exhibit the workability improving effect properly. On the other hand, when the addition amount of calcium (Ca) exceeds 0.5 wt%, the workability may be lowered due to the formation of an intermetallic compound.
생체적합성 산화막(140)은 모재(120)의 외측 표면을 덮도록 코팅된다. 이때, 생체적합성 산화막(140)은 기계적 연마 방식으로 전처리된 모재(120)를 양극으로 전해질에 침지시킨 상태에서 1.0 ~ 3.0A/dm2의 전류밀도로 아노다이징 처리하는 것에 의해 형성될 수 있다.The
이에 따라, 본 발명에 따른 타이타늄 합금(100)은 은빛을 띄는 타이타늄 합금 모재(120)을 전처리 및 아노다이징 처리를 실시하는 것에 의해, 다크그레이 컬러(darkgray color)의 표면 광택을 띄게 되므로, 기존의 기계가공 표면과 비교하여 기계적 물성, 생체적합성 및 심미성을 향상시킬 수 있게 된다.Accordingly, the
이때, 생체적합성 산화막(140)은 0.5 ~ 1.5㎛의 평균 두께로 형성된다.At this time, the
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금(100)은 360 ~ 450Hv의 비커스 경도(Vickers hardness)를 갖는다.As a result, the
또한, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금(100)은 1,370 ~ 1,450N/mm의 강도(stiffness) 및 3,200 ~ 3,500N의 항복하중(yield load)을 갖는다.In addition, the
이하, 첨부된 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금 제조 방법을 통하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a titanium alloy of dark gray color coated with a biocompatible oxide film according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.3 is a process flow diagram illustrating a method of manufacturing a titanium alloy of dark gray color coated with a biocompatible oxide film according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금 제조 방법은 성형 단계(S110), 전처리 단계(S120) 및 아노다이징 처리 단계(S130)를 포함한다.As shown in FIG. 3, a method of manufacturing a titanium alloy of dark gray color coated with a biocompatible oxide film according to an embodiment of the present invention includes a forming step S110, a preprocessing step S120, and an anodizing processing step S130 do.
성형Molding
성형 단계(S110)에서는 탄소(C) : 5 ~ 10 중량%, 알루미늄(Al) : 1 ~ 7 중량%, 실리콘(Si) : 0.01 ~ 3.0 중량%, 나트륨(Na) : 1.5 ~ 5.0 중량%, 산소(O) : 40 ~ 60 중량%, 바나듐(V) : 0.1 ~ 3.0 중량% 및 나머지 티타늄(Ti)을 포함하는 모재를 다이캐스팅하여 성형한다. 이러한 다이캐스팅 성형에 의해, 타이타늄 합금 모재는 다양한 형태로 성형이 이루어질 수 있다.In the forming step S110, 5 to 10 wt% of carbon (C), 1 to 7 wt% of aluminum (Al), 0.01 to 3.0 wt% of silicon (Si), 1.5 to 5.0 wt% of sodium (Na) The base material containing oxygen (O): 40 to 60 wt%, vanadium (V): 0.1 to 3.0 wt%, and the remaining titanium (Ti) is die cast. By such die casting molding, the titanium alloy base material can be molded into various shapes.
전처리Pretreatment
전처리 단계(S120)에서는 성형된 모재의 표면을 기계적 연마 방식으로 전처리한다.In the preprocessing step S120, the surface of the formed preform is pre-treated by a mechanical polishing method.
이때, 전처리는 샌드 블라스팅 방식 및 전자기 연마 방식 중 어느 하나 이상을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 전처리는 성형된 모재의 표면을 기계적 연마 방식을 이용하여 물리적으로 표면조도를 개선시키기 위한 목적으로 실시하게 된다.At this time, it is preferable to use at least one of the sand blasting method and the electromagnetic polishing method as the pre-treatment. This pretreatment is carried out for the purpose of physically improving the surface roughness of the surface of the molded base material by using a mechanical polishing method.
이때, 샌드 블라스팅 방식을 이용할 시에는 입도 #70 ~ 90을 갖는 알루미나 파우더(Al2O3 powder)를 이용하여 샌드 블라스팅을 실시하는 것이 바람직하다. 특히, 샌드 블라스팅시, 20 ~ 40psi의 블라스팅 압력으로 샌드 블라스팅 건과 모재의 거리는 50 ~ 80mm를 유지하면서 20 ~ 40sec 동안 실시하는 것이 바람직하다. 만일, 샌드 블라스팅 건과 모재의 거리가 50mm 미만이거나, 샌드 블라스팅 처리 시간이 20sec 미만일 경우에는 표면조도 개선 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 샌드 블라시팅 건과 모재의 거리가 80mm를 초과하거나, 샌드 블라스팅 처리 시간이 40sec을 초과할 경우에는 과도한 표면 개질 처리로 인하여 모재에 손상을 야기할 수 있다.At this time, when using the sand blasting method, it is preferable to perform sandblasting using alumina powder (Al 2 O 3 powder) having a particle size of # 70 to 90. In sand blasting, it is preferable to carry out the sandblasting with the blasting pressure of 20 to 40 psi for 20 to 40 seconds while maintaining the distance between the sandblasting gun and the base material at 50 to 80 mm. If the distance between the sand blast gun and the base material is less than 50 mm or the sandblasting time is less than 20 seconds, it may be difficult to exhibit the surface roughness improving effect properly. Conversely, if the distance between the sand blasting gun and the base material exceeds 80 mm or the sandblasting time exceeds 40 seconds, excessive surface modification may cause damage to the base material.
한편, 전자기 연마 방식을 이용할 시에는 금속 핀(SUS 304 미디어 핀)(SUS 304 media pin)을 이용하여 30 ~ 50Hz의 회전 속도로 2 ~ 5분 동안 전자기 연마기로 연마하는 것이 바람직하다. 만일, 전자기 연마기의 회전 속도가 30Hz 미만이거나, 전자기 연마 처리 시간이 2분 미만일 경우에는 표면조도 개선 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 전자기 연마기의 회전 속도가 50Hz를 초과하거나, 전자기 연마 처리 시간이 5분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 모재에 손상만을 가할 우려가 있으므로, 바람직하지 못하다. 여기서, 금속 핀은 0.4 ~ 0.6mm의 직경 및 3 ~ 7mm의 길이를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.On the other hand, when using the electromagnetic polishing method, it is preferable to polish with an electromagnetic grinder for 2 to 5 minutes at a rotating speed of 30 to 50 Hz using a metal pin (SUS 304 media pin) (SUS 304 media pin). If the rotating speed of the electromagnetic polishing machine is less than 30 Hz or the electromagnetic polishing time is less than 2 minutes, it is difficult to exhibit the surface roughness improving effect properly. On the other hand, when the rotational speed of the electromagnetic polishing machine exceeds 50 Hz or the electromagnetic polishing time exceeds 5 minutes, there is a fear that the base material may be damaged only without further increase in the effect, which is not preferable. Here, the metal pin may have a diameter of 0.4 to 0.6 mm and a length of 3 to 7 mm, but is not limited thereto.
아노다이징Anodizing 처리 process
아노다이징 처리 단계(S130)에서는 전처리된 모재를 양극으로 배치한 상태에서 전해질에 침지시킨 후, 아노다이징 처리하여 모재의 외측 표면을 덮도록 코팅되는 생체적합성 산화막을 형성한다.In the anodizing treatment step (S130), the pretreated base material is immersed in an electrolyte in an anode state, and then anodized to form a biocompatible oxide film coated to cover the outer surface of the base material.
이때, 도 4는 아노다이징 처리 전 상태의 타이타늄 합금 모재를 나타낸 사진이고, 도 5는 아노다이징 처리 후 상태의 타이타늄 합금을 나타낸 사진이다.4 is a photograph showing a titanium alloy base material before an anodizing treatment, and FIG. 5 is a photograph showing a titanium alloy after an anodizing treatment.
도 4에 도시된 바와 같이, 아노다이징 처리를 실시하긴 전에는 타이타늄 합금 모재가 은빛을 띄는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 4, it can be confirmed that the titanium alloy base material is silver before the anodizing treatment is performed.
반면, 도 5에 도시된 바와 같이, 아노다이징 처리를 실시한 후에는 타이타늄 합금이 다크그레이 컬러로 색상이 변화한 것을 확인할 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 5, after the anodizing treatment, the color of the titanium alloy changes to dark gray color.
도 3을 다시 참조하면, 아노다이징 처리는 1.0 ~ 3.0A/dm2의 전류밀도 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 만일, 전류밀도가 1.0A/dm2 미만일 경우에는 다크그레이 컬러의 생체적합성 산화막이 안정적으로 형성되지 못할 우려가 있다. 반대로, 전류밀도가 3.0A/dm2를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 전력소비만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.Referring again to FIG. 3, the anodizing treatment is preferably performed under a current density of 1.0 to 3.0 A / dm 2 . If the current density is 1.0 A / dm < 2 > The biocompatible oxide film of dark gray color may not be stably formed. Conversely, when the current density exceeds 3.0 A / dm 2 , it can be a factor for increasing electric power station obesity without increasing any further effect, which is not economical.
또한, 아노다이징 처리 단계시, 전해액은 냉각기를 이용하여 15 ~ 20℃의 항온 상태를 유지시키고, 직류 전원 발생기를 이용하여 30 ~ 35V 및 0.5 ~ 2A 조건으로 전력을 인가하는 것이 보다 바람직하다.In the anodizing step, the electrolytic solution is maintained at a constant temperature of 15 to 20 ° C by using a cooler, and it is more preferable to apply electric power at 30 to 35 V and 0.5 to 2 A using a DC power generator.
이때, 전해질은 pH 13 이상을 갖는 알칼리 전해액을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 알칼리 전해액은 NaCl, Na2SiO3, 활성 탄소, TiO2 및 나머지 용매를 포함한다. 이때, NaCl은 알칼리 전해액 1L 당 100 ~ 200g이 첨가되고, Na2SiO3은 알칼리 전해액 1L 당 3 ~ 7g이 첨가되며, 활성 탄소는 알칼리 전해액 1L 당 1 ~ 5g이 첨가되며, TiO2는 알칼리 전해액 1L 당 0.5 ~ 3g이 첨가되는 것이 보다 바람직하다. 여기서, 용매로는 유기용매 및 물 중 하나 이상이 이용될 수 있다.At this time, the electrolyte is preferably an alkaline electrolyte having a pH of 13 or more. The alkaline electrolyte includes NaCl, Na 2 SiO 3, activated carbon, TiO 2 and the balance solvent. At this time, 100 to 200 g of NaCl is added per 1 L of the alkaline electrolyte, 3 to 7 g of Na 2 SiO 3 per 1 L of the alkaline electrolyte is added, 1 to 5 g of activated carbon is added per 1 L of the alkaline electrolyte and TiO 2 is added to the alkaline electrolyte It is more preferable that 0.5 to 3 g per 1 L is added. As the solvent, at least one of an organic solvent and water may be used.
본 단계에서, 기계적 연마 방식으로 전처리된 모재를 양극으로 전해질에 침지시킨 상태에서 1.0 ~ 3.0A/dm2의 전류밀도로 아노다이징 처리하는 것에 의해, 다크그레이 컬러를 가지며, 0.5 ~ 1.5㎛의 평균 두께를 갖는 생체적합성 산화막이 형성된다.In this step, anodized at a current density of 1.0 to 3.0 A / dm < 2 > in a state where the base material pretreated with the mechanical polishing method is immersed in an electrolyte with an anode, A biocompatible oxide film is formed.
이에 따라, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 타이타늄 합금은 은빛을 띄는 타이타늄 합금 모재을 전처리 및 아노다이징 처리를 실시하는 것에 의해, 다크그레이 컬러의 표면 광택을 띄게 되므로, 기존의 기계가공 표면과 비교하여 기계적물성, 생체적합성 및 심미성을 향상시킬 수 있게 된다.Accordingly, the titanium alloy produced by the method according to the present invention has a dark gray color surface gloss by pretreating and anodizing the silver-based titanium alloy base material, so that the mechanical properties , Biocompatibility and aesthetics.
이 결과, 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금은 360 ~ 450Hv의 비커스 경도(Vickers hardness)를 갖는다.As a result, the titanium alloy of dark gray color coated with the biocompatible oxide film has a Vickers hardness of 360 to 450 Hv.
또한, 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금은 1,370 ~ 1,450N/mm의 강도(stiffness) 및 3,200 ~ 3,500N의 항복하중(yield load)을 갖는다.In addition, the titanium alloy of dark gray color coated with the biocompatible oxide film has a stiffness of 1,370 to 1,450 N / mm and a yield load of 3,200 to 3,500N.
상기의 과정(S110 ~ S130)에 의해 제조되는 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금은 1차적으로 기계적 연마 전처리를 실시한 후, 2차적으로 아노다이징 처리를 실시하는 것에 의해, 다크그레이 컬러를 갖는 생체적합성 산화막의 형성으로 생체적합성 및 심미성을 향상시킬 수 있게 된다.The titanium alloy of the dark gray color coated with the biocompatible oxide film produced by the above-described processes (S110 to S130) is first subjected to the mechanical polishing pretreatment and then subjected to the secondary anodizing treatment to obtain a dark gray color Biocompatibility and aesthetics can be improved by the formation of a biocompatible oxide film.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금은 360 ~ 450Hv의 비커스 경도(Vickers hardness), 1,370 ~ 1,450N/mm의 강도(stiffness) 및 3,200 ~ 3,500N의 항복하중(yield load)을 나타내는 우수한 기계적 물성을 가질 뿐만 아니라, 생체적합성 및 심미성이 우수하여 인체 매식용 의료기기 소재로 활용하기에 적합하다.Accordingly, the titanium alloy of the dark gray color coated with the biocompatible oxide film manufactured by the method according to the embodiment of the present invention has a Vickers hardness of 360 to 450 Hv, a stiffness of 1,370 to 1,450 N / mm, It has excellent mechanical properties that show yield load of 3,200 ~ 3,500N, and is suitable for use as a material for human medical implants because of its excellent biocompatibility and aesthetics.
실시예Example
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments of the present invention. It is to be understood, however, that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed in a limiting sense.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.The contents not described here are sufficiently technically inferior to those skilled in the art, and a description thereof will be omitted.
1. 타이타늄 합금 제조1. Manufacture of Titanium Alloys
실시예Example 1 One
표 1에 기재된 화학성분을 갖는 타이타늄 합금 모재를 다이캐스팅하여 성형한 후, 입도 #80을 갖는 알루미나 파우더를 이용하여 샌드 블라스팅 방식으로 전처리를 실시하였다.Titanium alloy base materials having the chemical compositions shown in Table 1 were molded by die casting and then pretreated by sandblasting using alumina powder having particle size of # 80.
다음으로, 전처리된 모재를 양극으로 배치한 상태에서 전해질에 침지시킨 후, 2.0A/dm2의 전류밀도로 아노다이징 처리하여 모재의 외측 표면을 덮도록 코팅되는 생체적합성 산화막을 형성하여 타이타늄 합금을 제조하였다.Next, the pretreated base material was immersed in an electrolyte in an anode state, and anodized at a current density of 2.0 A / dm < 2 > to form a biocompatible oxide film coated to cover the outer surface of the base material, Respectively.
이때, 전처리시, 30psi의 압력으로 모재와 샌드 블라스팅 건을 60mm로 유지하여 표면 전체에 30sec 동안 샌드 블라스팅을 실시하였다.At this time, sandblasting was carried out for 30 seconds on the entire surface by holding the base material and the sandblasting gun at a pressure of 30 psi at a pressure of 60 mm.
아노다이징 처리시, 150g NaCl, 5g Na2SiO3, 3.75g 활성 탄소, 2g TiO2 및 125ml 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)에 증류수를 희석한 1,000mL의 pH 14를 갖는 알칼리 전해액을 이용하였다.In the anodizing treatment, 1,000 mL of an alkaline electrolyte having a pH of 14, which was diluted with 150 g of NaCl, 5 g of Na 2 SiO 3 , 3.75 g of activated carbon, 2 g of TiO 2 and 125 mL of ethylene glycol with distilled water was used.
실시예Example 2 2
표 1에 기재된 화학성분을 이용하고, SUS 304 미디어 핀(media pin)을 이용하여 40Hz의 회전 속도로 3분 동안 전자기 연마기로 연마하여 전처리를 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 타이타늄 합금을 제조하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that the chemical components listed in Table 1 were used and polished by an electromagnetic grinder at a rotating speed of 40 Hz using a SUS 304 media pin for 3 minutes to perform pretreatment. .
실시예Example 3 3
표 1에 기재된 합금성분을 이용하고, 1.8A/dm2의 전류밀도로 아노다이징 처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 타이타늄 합금을 제조하였다.A titanium alloy was produced in the same manner as in Example 1, except that the alloy component described in Table 1 was used and anodized at a current density of 1.8 A / dm 2 .
실시예Example 4 4
표 1에 기재된 합금성분을 이용하고, 전처리시, 30psi의 압력으로 모재와 샌드 블라스팅 건을 70mm로 유지하여 표면 전체에 40sec 동안 샌드 블라스팅을 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 타이타늄 합금을 제조하였다.A titanium alloy was prepared in the same manner as in Example 1 except that the alloy component described in Table 1 was used and sandblasting was performed on the entire surface for 40 seconds while maintaining the base material and the sandblasting gun at 70 mm at a pressure of 30 psi during the pretreatment .
실시예Example 5 5
표 1에 기재된 화학성분을 이용하고, SUS 304 미디어 핀(media pin)을 이용하여 40Hz의 회전 속도로 5분 동안 전자기 연마기로 연마하여 전처리를 실시한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 타이타늄 합금을 제조하였다.The same procedure as in Example 2 was carried out except that the chemical components listed in Table 1 were used and polished with an electromagnetic grinder for 5 minutes at a rotation speed of 40 Hz using a SUS 304 media pin to perform pretreatment. .
비교예Comparative Example 1 One
표 1에 기재된 합금성분을 갖는 타이타늄 합금을 준비하였다.A titanium alloy having the alloy components listed in Table 1 was prepared.
비교예Comparative Example 2 2
표 1에 기재된 화학성분을 이용하고, 아노다이징 처리를 실시하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 타이타늄 합금을 제조하였다.Titanium alloys were prepared in the same manner as in Example 1, except that the chemical components listed in Table 1 were used and anodizing was not performed.
[표 1] (단위 : 중량%)[Table 1] (unit:% by weight)
2. 2. 표면조도Surface roughness 측정 Measure
도 6은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따라 제조된 타이타늄 합금에 대한 표면조도 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 7은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따라 제조된 타이타늄 합금에 대한 평균 표면조도 값을 나타낸 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing the surface roughness measurement results of the titanium alloy produced according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, and FIG. 7 is a graph showing the surface roughness of the titanium alloy prepared according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 And a surface roughness value.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따라 제조된 타이타늄 합금은 평균 표면조도 측정 값이 0.598㎛이었으나, 실시예 1에 따라 제조된 타이타늄 합금은 평균 표면조도 측정 값이 0.905㎛로 측정되어 표면조도가 크게 개선되었다. 다만, 실시예 2에 따라 제조된 타이타늄 합금은 평균 표면조도 측정 값이 0.511㎛로 비교예 1과 유사한 값을 나타내었다.6 and 7, the average surface roughness of the titanium alloy prepared according to Comparative Example 1 was 0.598 탆, but the titanium alloy prepared according to Example 1 had an average surface roughness measurement value of 0.905 탆 And the surface roughness was greatly improved. However, the measured value of the average surface roughness of the titanium alloy prepared in Example 2 was 0.511 탆, which was similar to that of Comparative Example 1.
3. 기계적 물성 평가3. Evaluation of mechanical properties
표 2는 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 타이타늄 합금에 대한 기계적 물성 평가 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 8은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 2에 따라 제조된 타이타늄 합금에 대한 3점 벤딩 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.Table 2 shows the results of evaluation of mechanical properties of the titanium alloys prepared according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2. 8 is a graph showing the results of a three-point bending test on the titanium alloy produced according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 2. FIG.
[표 2][Table 2]
표 1, 표 2 및 도 8에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 5에 따라 제조된 타이타늄 합금은 360 ~ 450Hv의 비커스 경도(Vickers hardness), 1,370 ~ 1,450N/mm의 강도(stiffness) 및 3,200 ~ 3,500N의 항복하중(yield load)을 모두 만족하는 것을 확인할 수 있다.As shown in Tables 1 and 2 and FIG. 8, the titanium alloy produced according to Examples 1 to 5 had Vickers hardness of 360 to 450 Hv, a stiffness of 1,370 to 1,450 N / mm, It can be seen that all the yield loads of ~ 3,500N are satisfied.
반면, 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 타이타늄 합금은 강도는 목표값을 만족하였으나, 비커스 경도 및 항복하중이 목표값에 미달하는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, the titanium alloy produced according to Comparative Examples 1 and 2 satisfied the target value, but it was confirmed that the Vickers hardness and yield load did not meet the target value.
위의 실험 결과를 통해 알 수 있듯이, 실시예 1 ~ 5에 따라 제조된 타이타늄 합금은 비교예 1 ~ 2에 비하여 표면경도가 대략 15% 정도 상승하였고, 항복하중은 대략 10% 정도 상승하였다.As can be seen from the above experimental results, the surface hardness of the titanium alloy prepared in Examples 1 to 5 was increased by about 15% and the yield load was increased by about 10% as compared with Comparative Examples 1 and 2.
한편, 실시예 1에 따라 제조된 타이타늄 합금에 대한 세포독성시험 결과, 음성대조물질 용출액을 적용한 세포는 0등급, 양성대조물질 용출액을 적용한 세포는 4등급으로서, 시험과정 및 시험조건 중 특이사항은 없었다.Meanwhile, as a result of the cytotoxicity test on the titanium alloy produced according to Example 1, the cell to which the negative control substance eluate was applied was 0 grade, and the cell to which the positive control substance eluent was applied was 4 grade. There was no.
시험물질 용출액의 결과는 0으로서 세포의 용해 정도나 성장 저해 정도가 거의 나타나지 않았으므로, 세포 독성이 없는 것으로 판단된다.The result of the eluate of the test substance was 0, indicating that the degree of dissolution or growth inhibition of the cell was hardly observed, and therefore, the cell was not cytotoxic.
또한, 발열성 물질 시험 결과, 시험액 투여 동물에서 유의성 있는 발열반응을 발견할 수 없다. 따라서, 요구조건에 부합하며, 적합한 것으로 판단된다.In addition, as a result of the exothermic substance test, significant exothermic reaction can not be found in the test animal. Thus, it meets the requirements and is deemed appropriate.
4. 부식성 평가4. Corrosion assessment
표 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 타이타늄 합금에 대한 부식성 평가 결과를 나타낸 것이고, 도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 타이타늄 합금에 대한 동전위 분극시험 결과를 나타낸 그래프이다.Table 3 shows the corrosion test results for the titanium alloy prepared according to Example 1 and Comparative Example 1, and FIG. 9 shows the result of the coercive force polarization test for the titanium alloy prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 Graph.
1) 동전위 분극시험(Potentiodynamic test)1) Potentiodynamic test
3극 전기화학 셀 구성 : SCE(Saturated calomel electrode) 기준전극, 시편 작업 전극, 백금 보조전극3-electrode electrochemical cell configuration: SCE (Saturated calomel electrode) reference electrode, specimen working electrode, platinum assist electrode
0.9 wt% NaCl 전해액, 및 36.5±1℃(생체 유사 환경에서 전기화학적 부식시험을 실시함.)0.9 wt% NaCl electrolytic solution, and 36.5 ± 1 ° C (electrochemical corrosion test is performed in a bio-environment).
[표 3][Table 3]
표 3 및 도 9에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따라 제조된 타이타늄 합금에 비하여, 실시예 1에 따라 제조된 타이타늄 합금의 경우, 아노다이징 처리 후, 낮은 전류밀도(current density)를 가지며, 인체 내 전위에서(300mV) 낮은 전류밀도, 우수한 부동태영역(passivation region)을 나타내며, 낮은 부식속도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 3 and FIG. 9, in the case of the titanium alloy produced according to Example 1, as compared with the titanium alloy produced according to Comparative Example 1, the titanium alloy having a low current density after the anodizing treatment, It shows a low current density (300mV) at the internal potential, an excellent passivation region and a low corrosion rate.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. These changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be determined by the following claims.
100 : 타이타늄 합금
120 : 모재
140 : 생체적합성 산화막
S110 : 성형 단계
S120 : 전처리 단계
S130 : 아노다이징 처리 단계100: Titanium alloy
120: base metal
140: biocompatible oxide film
S110: molding step
S120: preprocessing step
S130: Anodizing step
Claims (7)
상기 모재의 외측 표면을 덮도록 코팅된 생체적합성 산화막;을 포함하며,
상기 생체적합성 산화막은 다크그레이 컬러를 가지며, 0.5 ~ 1.5㎛의 평균 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금.
(C): 5 to 10 wt%, aluminum (Al): 1 to 7 wt%, silicon (Si): 0.01 to 3.0 wt%, sodium (Na): 1.5 to 5.0 wt% To 60 wt%, vanadium (V): 0.1 to 3.0 wt%, and the balance titanium (Ti); And
And a biocompatible oxide film coated to cover an outer surface of the base material,
Wherein the biocompatible oxide film has a dark gray color and an average thickness of 0.5 to 1.5 占 퐉.
상기 모재는
칼슘(Ca) : 0.1 ~ 0.5 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금.
The method according to claim 1,
The base material
Wherein the biocompatible oxide film further comprises 0.1 to 0.5% by weight of calcium (Ca).
상기 타이타늄 합금은
360 ~ 450Hv의 비커스 경도(Vickers hardness)를 갖는 것을 특징으로 하는 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금.
The method according to claim 1,
The titanium alloy
Wherein the titanium alloy has a Vickers hardness of 360 to 450 Hv.
상기 타이타늄 합금은
1,370 ~ 1,450N/mm의 강도(stiffness) 및 3,200 ~ 3,500N의 항복하중(yield load)을 갖는 것을 특징으로 하는 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금.
The method according to claim 1,
The titanium alloy
Wherein the titanium alloy has a stiffness of 1,370 to 1,450 N / mm and a yield load of 3,200 to 3,500 N. A titanium alloy of dark gray color coated with a biocompatible oxide film.
(b) 상기 성형된 모재의 표면을 기계적 연마 방식으로 전처리하는 단계; 및
(c) 상기 전처리된 모재를 양극으로 배치한 상태에서 전해질에 침지시킨 후, 1.0 ~ 3.0A/dm2의 전류밀도로 아노다이징 처리하여 상기 모재의 외측 표면을 덮도록 코팅되는 생체적합성 산화막을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 (c) 단계에서, 상기 생체적합성 산화막은 다크그레이 컬러를 가지며, 0.5 ~ 1.5㎛의 평균 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금 제조 방법.
(a) 1 to 7 wt% of carbon (C), 5 to 10 wt% of aluminum (Al), 0.01 to 3.0 wt% of silicon (Si), 1.5 to 5.0 wt% of sodium ): 40 to 60% by weight, vanadium (V): 0.1 to 3.0% by weight, and the balance titanium (Ti);
(b) pre-treating the surface of the formed preform by a mechanical polishing method; And
(c) forming a biocompatible oxide film that is coated to cover the outer surface of the base material by anodizing at a current density of 1.0 to 3.0 A / dm < 2 > after immersing the pretreated base material in an electrolyte in an anode state Comprising:
In the step (c), the biocompatible oxide film has a dark gray color and an average thickness of 0.5 to 1.5 탆.
상기 (b) 단계에서,
상기 전처리는
샌드 블라스팅 방식 및 전자기 연마 방식 중 어느 하나 이상을 이용하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금 제조 방법.
6. The method of claim 5,
In the step (b)
The pre-
Sand blasting method, and electromagnetic polishing method. The method of manufacturing a titanium alloy of dark gray color coated with a biocompatible oxide film,
상기 (c) 단계에서,
상기 전해질은
pH 13 이상을 갖는 알칼리 전해액으로, NaCl, Na2SiO3, 활성 탄소, TiO2 및 용매를 포함하며,
상기 용매는 유기용매 및 물 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 생체적합성 산화막이 코팅된 다크그레이 컬러의 타이타늄 합금 제조 방법.6. The method of claim 5,
In the step (c)
The electrolyte
the alkaline electrolytic solution having a pH 13 or more, comprising a NaCl, Na 2 SiO 3, activated carbon, TiO 2, and a solvent,
Wherein the solvent is at least one of an organic solvent and water.
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| KR102239425B1 (en) * | 2020-08-28 | 2021-04-13 | 오다연 | Automatic shape outlines producing apparatus |
| CN113136540A (en) * | 2021-04-09 | 2021-07-20 | 贵州师范大学 | Preparation method of titanium alloy nano composite gradient strengthening layer |
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| KR20180088157A (en) * | 2017-01-26 | 2018-08-03 | 삼성전자주식회사 | Housing, manufacturing method thereof, and electronic device including the same |
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