KR102095813B1 - Method for manufacturing biodegradable metal alloy - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 생체분해성 금속합금 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열처리 및 다단의 압출 공정 및 직경을 감소시키는 스웨이징 공정을 조합하여 부식성 및 강도 뿐만 아니라 연신율과 인성(Toughness)을 모두 향상시킨 생체분해성 금속합금을 제조할 수 있는, 생체분해성 금속합금 제조방법을 제공하는 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a biodegradable metal alloy, and more specifically, a biomaterial that improves both elongation and toughness as well as corrosion and strength by combining heat treatment and multi-stage extrusion processes and a swaging process to reduce diameter. It is to provide a method for manufacturing a biodegradable metal alloy that can produce a decomposable metal alloy.
최근 의료적 치료를 목적으로 사용되는 임플란트, 스탠트 소재로 생체내에서 분해되는 금속을 이용하는 기술이 연구되고 있다. Recently, a technique using a metal that decomposes in vivo as an implant and a stent material used for medical treatment has been studied.
생체분해성 금속은 인체 내에 식립될 때, 나사못에서 발생하는 비틀림 응력 또는, 뼈 골정에서 발생하는 부하를 견디기 위하여 높은 기계적 특성을 가져야 한다. 그 중에서 인성 특성은 나사못에서 발생하는 비틀림 응력 또는 뼈골절 등에서 발생할 수 있는 부하를 흡수할 수 있는 에너지량을 나타내며 일반적으로 인성특성을 높이기 위해서는 항복점 및 연신율을 향상시켜야 한다. 이를 구현하기 위하여, 생체분해성 금속은 급속 냉각, 소성가공, 열처리 등 추가 공정을 수행하여 금속합금의 조직을 미세화하고 내부 잔류응력을 제어하는 것이 요구된다. 또한, 생체분해성 금속으로 사용되는 금속 합금은 첨가 원소 및 합금 조성을 적절히 설계되어야 한다. 여기서, 합금 조성의 변화는 일반적으로 첨가원소량을 조절하여 수행되고, 합금에 포함되는 첨가원소량이 증가할수록 기계적 강도는 향상된다.The biodegradable metal must have high mechanical properties to withstand the torsional stress generated in the screw or the load generated in the bone bone when placed in the human body. Among them, the toughness characteristic represents the amount of energy that can absorb the load that may occur in a torsional stress or bone fracture occurring in a screw, and in general, to improve the toughness characteristic, the yield point and elongation must be improved. In order to realize this, the biodegradable metal is required to refine the structure of the metal alloy and control the internal residual stress by performing additional processes such as rapid cooling, plastic working, and heat treatment. In addition, metal alloys used as biodegradable metals must be properly designed with added elements and alloy compositions. Here, the change in the alloy composition is generally performed by adjusting the amount of added elements, and the mechanical strength is improved as the amount of added elements contained in the alloy increases.
하지만, 첨가원소량이 증가하면, 임플란트를 구성하는 금속에 금속간 화합물 또는 2차상이 생성됨으로써 부식속도를 증가시키는 마이크로 갈바닉 서킷(Micro galvanic circuit)이 형성이 된다. 이에 따라 생분해성 금속의 부식속도가 증가되는 요인이 된다. 또한, 생분해성 금속의 첨가 원소 종류에 따라 갈바닉 부식을 억제 또는 증가시켜 생분해성 금속 합금의 분해속도를 증감시킬 수 있다. 따라서, 기계적 특성만 좋고, 생체분해속도가 빠른 생분해성 금속 소재는 임플란트에 적용하기 어렵다. However, when the amount of added elements increases, an intermetallic compound or a secondary phase is formed in the metal constituting the implant, thereby forming a micro galvanic circuit that increases the corrosion rate. Accordingly, the rate of corrosion of the biodegradable metal is increased. In addition, it is possible to increase or decrease the decomposition rate of the biodegradable metal alloy by suppressing or increasing galvanic corrosion depending on the type of the added element of the biodegradable metal. Therefore, a biodegradable metal material having only good mechanical properties and a high biodegradation rate is difficult to apply to an implant.
이를 위하여, 대한민국 공개특허 10-2014-0099431호는 마그네슘을 포함하는 생체분해성 임플란트에 있어서, 상기 마그네슘은 불순물로 망간(Mn)과; 철(Fe), 니켈(Ni) 및 철(Fe)과 니켈(Ni)의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종을 포함하고, 상기 불순물의 함량이 상기 마그네슘 100중량부에 대하여 0초과 1중량부 이하이고, 철(Fe), 니켈(Ni), 철(Fe)과 니켈(Ni)의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종/망간(Mn)=0초과 5이하인 것을 특징으로 하는 생체분해성 임플란트 및 이의 제조방법을 개시하고 있다. To this end, Republic of Korea Patent Publication No. 10-2014-0099431 is a biodegradable implant containing magnesium, the magnesium is manganese (Mn) as an impurity; Contains one selected from the group consisting of iron (Fe), nickel (Ni), and a mixture of iron (Fe) and nickel (Ni), and the content of the impurities exceeds 0 parts by weight and 1 part by weight based on 100 parts by weight of the magnesium. The biodegradable implant characterized in that it is less than, and is selected from the group consisting of iron (Fe), nickel (Ni), a mixture of iron (Fe) and nickel (Ni) / manganese (Mn) = 0 and 5 or less, and Disclosed is a method for manufacturing the same.
하지만, 부식속도를 늦추면서 충분한 기계적 특성만을 원하는 수준으로 가공할 수 있는 수준의 합금은 아직 개시되지 못한 상황이다.However, an alloy having a level capable of processing only sufficient mechanical properties to a desired level while slowing the corrosion rate has not yet been disclosed.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 부식성과 기계적 특성을 강화시킨 새로운 조성에 기반한, 생체분해성 금속합금의 제조방법을 제공하는 것이다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a biodegradable metal alloy based on a new composition with enhanced corrosion and mechanical properties.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 칼슘 0.1 내지 0.5 중량%; HCP 구조를 가지며, 금속원소 X 0.3 이상 2 중량%; 및 잔량의 마그네슘을 용융시키는 단계; 상기 용융시키는 단계 후 얻어진 합금을 제 1 압출하는 단계; 제 1 압출하는 단계 후 얻어진 합금을 열처리 하는 단계; 상기 열처리하는 단계 후 얻어진 합금을 제 2 압출하는 단계; 및 상기 제 2 압출하는 단계 후 얻어진 합금을 강소성 가공하는 단계를 포함하며, 상기 금속원소 X는 상기 열처리하는 단계 후 별도의 석출상을 형성하지 않으며, 상기 X는 Zn이다. In order to solve the above problems, the present invention is 0.1 to 0.5% by weight of calcium; HCP structure, metal element X 0.3 or more and 2% by weight; And melting the remaining amount of magnesium. First extruding the alloy obtained after the melting step; Heat-treating the obtained alloy after the first extruding step; Extruding a second alloy after the heat treatment; And stiffening the alloy obtained after the second extrusion step, wherein the metal element X does not form a separate precipitation phase after the heat treatment step, and X is Zn.
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본 발명의 일 실시예에서, 상기 제조된 생체분해성 금속 합금은 최대 인장강도가 350MPa 이상, 연신율이 10% 이상 또는 최대인장강도가 240MPa 이상, 23%이상의 연신율을 가지며, 생체모사용액에서의 수소발생속도가 0.015ml/cm2/hr 이하인 것을 특징으로 하는 생체분해성 금속 합금 제조방법을 제공한다. In one embodiment of the present invention, the prepared biodegradable metal alloy has a maximum tensile strength of 350MPa or more, an elongation of 10% or more, or a maximum tensile strength of 240MPa or more, an elongation of 23% or more, and hydrogen generation in a biomimetic solution It provides a method for producing a biodegradable metal alloy, characterized in that the rate is 0.015ml / cm 2 / hr or less.
본 발명의 일 실시예에서, 제 1 압출온도 T1은 제 2 압출온도 T2 보다 높으며, 상기 제 1 압출온도와 제 2 압출온도 비인 T1/T2는 1.0<T1/T2<1.3이다. In one embodiment of the present invention, the first extrusion temperature T1 is higher than the second extrusion temperature T2, and the ratio of the first extrusion temperature and the second extrusion temperature T1 / T2 is 1.0 <T1 / T2 <1.3.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 압출단계는 가열온도: 280~380도, 압출비: 5~15:1로 진행된다. In one embodiment of the present invention, the first extrusion step proceeds to a heating temperature: 280 ~ 380 degrees, extrusion ratio: 5 ~ 15: 1.
본 발명의 일 실시예에서, 제 2 압출 단계는 가열온도: 260~350도, 압출비: 20~50:1로 진행된다. In one embodiment of the present invention, the second extrusion step proceeds to a heating temperature: 260-350 degrees, an extrusion ratio: 20-50: 1.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 강소성 가공은 스웨이징 공정으로 직경변화율이 0% 내지 62%로 진행된다. In one embodiment of the present invention, the sintering process is carried out in a swaging process, the diameter change rate proceeds from 0% to 62%.
본 발명에 따르면, 마그네슘에 높은 고용도를 가지는 HCP 구조의 원소와 칼슘을 마그네슘에 함께 첨가한 후, 다단 압출과 그 사이의 열처리를 통하여 부식속도에 영향을 주는 석출상 생성을 억제시킨다. 그 결과, 스웨이징과 같은 강소성 가공을 통하여 생체 내에서의 부식성에는 영향을 주지 않으면서도 합금의 기계적 강도만을 향상시킬 수 있다. 따라서, 부식성에 영향을 주지 않으면서도 합금의 기계적 특성(강도, 연신율)을 향상시켜 인성특성을 높이며, 생분해성 임플란트로 사용 시 비틀림에 의한 저항성 및 뼈 골절 부위에서의 지지하중능력을 향상과 동시에 부식특성을 개선시킬 수 있다. According to the present invention, after the addition of calcium and an element of HCP structure having a high solubility in magnesium to magnesium, through multi-stage extrusion and heat treatment therebetween, it suppresses the formation of a precipitation phase that affects the corrosion rate. As a result, it is possible to improve only the mechanical strength of the alloy without affecting the corrosive properties in vivo through rigid plastic processing such as swaging. Therefore, it improves the mechanical properties (strength, elongation) of the alloy without affecting the corrosiveness, thereby increasing the toughness characteristics, and when used as a biodegradable implant, it improves the resistance to torsion due to torsion and the supporting load capacity at the bone fracture site and simultaneously corrodes. The properties can be improved.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체분해성 합금 제조방법의 단계도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 각 조성범위(X축)로 제조된 합금(도 1의 조건과 동일)의 강도 및 연신율을 분석한 결과이다.
도 3은 합금 조성에 따른 기계적 특성을 분석한 그래프이고, 도 4는 이를 정리한 표이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 생체분해성 합금의 생체모사용액(PBS solution: Phosphate-Buffered Saline)에서의 부식특성을 분석한 그래프이고, 도 6은 그 정량적 수치를 정리한 표이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법에 따라 실시예 3 조성의 합금을 제 1 압출(370℃)한 후, 열처리(400℃, 24시간) 한 경우의 석출상(Ca2Mg6Zn3) 상의 제거 효과를 설명하는 사진이다.
도 8 및 9는 직경변화율에 따른 합금의 기계적 강도 및 표이고, 도 10 및 11은 부식속도를 측정한 그래프 및 표이다.
도 12는 압촐온도 조건에 따른 합금의 표면결함 여부를 분석한 결과이다.1 is a step view of a biodegradable alloy manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a result of analyzing the strength and elongation of the alloy (same as the conditions in Figure 1) prepared in each composition range (X-axis) according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph analyzing the mechanical properties according to the alloy composition, Figure 4 is a table summarizing this.
5 is a graph analyzing the corrosion characteristics of a biodegradable alloy prepared in accordance with an embodiment of the present invention in a biomimetic solution (PBS solution: Phosphate-Buffered Saline), and FIG. 6 is a table summarizing the quantitative values .
7 is a first embodiment of the alloy composition of Example 3 according to the method according to an embodiment of the present invention after extrusion (370 ℃), heat treatment (400 ℃, 24 hours) precipitation phase (Ca 2 Mg 6 Zn) 3 ) It is a picture explaining the effect of removing the image.
8 and 9 are the mechanical strength and table of the alloy according to the rate of change of diameter, and FIGS. 10 and 11 are graphs and tables of the corrosion rate.
12 is a result of analyzing the surface defects of the alloy according to the pressure temperature condition.
이하, 본 발명에 따른 관성을 기반으로 한 세포 내 전달 미세 유체 플랫폼의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the intracellular delivery microfluidic platform based on inertia according to the present invention will be described in detail based on the accompanying drawings. For reference, the terms and words used in the present specification and claims should not be interpreted as being limited to ordinary or lexical meanings, and the inventor appropriately explains the concept of terms to explain his or her invention in the best way. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical spirit of the present invention. In addition, the configuration shown in the embodiments and drawings described in this specification is only one of the most preferred embodiments of the present invention, and does not represent all of the technical spirit of the present invention, and thus can replace them at the time of application. It should be understood that there may be equivalents and variations.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 합금의 조성과 함께 열처리 및 압출 공정을 통하여 기계적 가공에도 불구하고 부식속도에 영향을 주지 않는 수준의 합금체를 개발한 후, 이후 강소성 가공(예를 들어 스웨이징)을 통하여 기계적 강도만을 향상시킬 수 있는 방식의 합금 제조방법을 제공한다. In order to solve the above-mentioned problems, the present invention develops an alloy body of a level that does not affect the corrosion rate despite mechanical processing through the heat treatment and extrusion process together with the composition of the alloy, followed by rigid plastic processing (for example, sway It provides a method of manufacturing an alloy that can improve only mechanical strength through gong).
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체분해성 합금 제조방법의 단계도이다. 1 is a step view of a biodegradable alloy manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체분해성 합금 제조방법은 마그네슘에 칼슘과 HCP(Hexagonal Close Packing) 구조를 갖는 금속원소 X을 용융시키는 단계로 시작한다. 본 발명의 일 실시예에서 마그네슘을 제외한 Ca, X의 성분 앞에 붙는 숫자는 전체 합금에서의 중량%를 의미한다. 예를 들어 5Ca1Zn는 전체 합금 중 칼슘 5중량%, 아연 1중량% 그리고 잔량의 마그네슘으로 이루어진 합금을 나타낸다. Referring to Figure 1, the method of manufacturing a biodegradable alloy according to an embodiment of the present invention begins with the step of melting a metal element X having calcium and HCP (Hexagonal Close Packing) structure in magnesium. In an embodiment of the present invention, the number attached to the components of Ca and X excluding magnesium means weight% in the entire alloy. For example, 5Ca1Zn represents an alloy consisting of 5% by weight of calcium, 1% by weight of zinc, and the remaining amount of magnesium in the total alloy.
본 발명의 일 실시예에서 상기 칼슘과 금속원소 X는 각각 전체 합금에서 0.1 내지 0.5 중량%, 0.3 이상 2 중량%로 이루어지며, 상기 금속원소 X는 Zn이다. In one embodiment of the present invention, the calcium and metal element X are each composed of 0.1 to 0.5% by weight, 0.3 to 2% by weight, and the metal element X is Zn.
이후 상기 용융된 합금을 제 1 압출을 하는데, 제 1 압출 단계에서의 온도는 하기 열처리 온도보다는 낮으나, 그 후 진행되는 제 2 압출보다는 높은 온도이다.Subsequently, the molten alloy is first extruded, and the temperature in the first extrusion step is lower than the following heat treatment temperature, but is higher than the second extrusion proceeding thereafter.
본 발명은 특히 제 1 압출에서 형성되는 Mg, Ca, Zn로 이루어진 석출상을 열처리를 통하여 해소한 후 다시 제 2 압출시키며, 그 결과 기계적 가공에도 생체 내 용액에서의 부식성에는 영향을 받지 않는 합금을 제 2 압출단계에서 얻을 수 있다.In the present invention, in particular, the precipitated phase composed of Mg, Ca, and Zn formed in the first extrusion is resolved through heat treatment, and then extruded again, and as a result, an alloy that is not affected by corrosion in the solution in vivo even in mechanical processing. It can be obtained in the second extrusion step.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 압출은 280 내지 380℃, 압출비: 5~15:1로 진행된다. In one embodiment of the present invention, the first extrusion is performed at 280 to 380 ° C, and an extrusion ratio: 5 to 15: 1.
이후 열처리를 진행하는데 상기 열처리는 상기 제 1 압출보다 높은 온도 즉 390 내지 500℃ 범위에서 12시간 내지 48시간 진행된다. 상기 열처리에 따라 Ca2Mg6Zn3 와 같은 석출상이 모두 제거되어 Ca와 X가 모두 고용된 합금이 형성된다. Thereafter, the heat treatment is performed. The heat treatment is performed at a temperature higher than that of the first extrusion, that is, in the range of 390 to 500 ° C for 12 to 48 hours. According to the heat treatment, all of the precipitation phases such as Ca 2 Mg 6 Zn 3 are removed to form an alloy in which both Ca and X are dissolved.
이후, 제 2 압출이 진행되는데, 제 2 압출의 가열온도는 260 내지 350℃, 압출비: 20~50:1로 진행된다. Thereafter, the second extrusion proceeds, and the heating temperature of the second extrusion proceeds at 260 to 350 ° C. and an extrusion ratio: 20 to 50: 1.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제 2 압출은 선행된 열처리를 통하여 합금의 생체 내 부식속도에 영향을 주는 석출상이 모두 제거된 상태이므로, 제 1 압출보다는 보다 강한 압출비로 진행되어 합금의 기계적 강도가 향상되며, 온도는 제 1 온도보다 상대적으로 낮은 온도로 진행한다. 그 이유는 압출시 발생하는 표면결함(Surface defect)를 제거하기 위한 것으로, 이는 도 12에서 보다 상세히 설명된다. In one embodiment of the present invention, since the second extrusion is in a state in which all of the precipitation phases affecting the corrosion rate in vivo of the alloy are removed through the preceding heat treatment, the mechanical strength of the alloy proceeds at a stronger extrusion ratio than the first extrusion. It improves, and the temperature proceeds to a temperature relatively lower than the first temperature. The reason is to remove the surface defect (Surface defect) generated during extrusion, which will be described in more detail in FIG.
본 발명의 일 실시예에서 제 1 압출단계의 온도인 T1은 제 2 압출단계의 온도 T2 보다 높은 것이 바람직하며, 상기 제 1 압출온도와 제 2 압출온도 비인 T1/T2는 1.0<T1/T2<1.3가 바람직하다. 즉, 상기 온도범위보다 T1의 온도가 높은 경우, 즉, T2 온도가 낮은 경우 열처리 후 고용되었던 Ca, Zn의 석출상이 형성될 수 있으며, 그 반대로 T2 온도가 T1 보다 같거나 높은 경우 합금 표면 결함이 발생할 수 있다. 이는 도 12를 통하여 보다 상세히 설명된다. In one embodiment of the present invention, the temperature of the first extrusion step T1 is preferably higher than the temperature T2 of the second extrusion step, and the ratio of the first extrusion temperature and the second extrusion temperature T1 / T2 is 1.0 <T1 / T2 < 1.3 is preferred. That is, when the temperature of T1 is higher than the above temperature range, that is, when the temperature of T2 is low, a precipitated phase of Ca and Zn that has been employed after heat treatment may be formed. Conversely, when the T2 temperature is equal to or higher than T1, the alloy surface defect is Can occur. This is explained in more detail through FIG. 12.
이후 제 2 압출이 진행된 후 깅소성 가공(severe plastic deformation)을 진행하는데, 이를 통하여 압출-열처리-압출 과정을 통하여 형성된 합금은 가공 정도와 관계없이 일정한 생체내 부식속도를 가지면서도 기계적 강도가 향상된다. Subsequently, after the second extrusion, severe plastic deformation is performed. Through this, the alloy formed through the extrusion-heat treatment-extrusion process has a constant corrosion rate in vivo and mechanical strength is improved regardless of the processing degree. .
상술한 방법으로 제조된 합금은 임플란트 등과 같이 생체 내에 사용가능한 것으로, 최대 인장강도는 350MPa 이상, 연신율이 10% 이상이거나, 또는 최대인장강도가 240MPa 이상, 23%이상의 연신율을 가지며, 생체모사용액에서의 수소발생속도가 0.015ml/cm2/hr 이하의 특성을 가지며, 특히 최종 가공 단계에서는 부식성에는 전혀 영향을 주지 않으면서 가공에 따른 직경 변화율(즉, 압축 정도)에 따라 기계적 강도가 강화될 수 있다. The alloy produced by the above-described method can be used in vivo, such as an implant, and the maximum tensile strength is 350 MPa or more, the elongation is 10% or more, or the maximum tensile strength is 240 MPa or more, and the elongation is 23% or more. The hydrogen generation rate of has a characteristic of 0.015ml / cm 2 / hr or less, and in particular, in the final processing step, the mechanical strength can be strengthened according to the rate of change in diameter (ie, the degree of compression) due to processing without affecting the corrosion at all. have.
이하 실험예를 통하여 본 발명의 구성과 효과를 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail through experimental examples.
조성범위의 선택Selection of composition range
기계적 특성Mechanical properties
본 발명에서는 인장강도 240MPa, 연신율 23% 이상인 생체분해성 금속합금이어야만, 실제 임플란트 제품에 적용가능하다는 점을 인지하여, 이 수치를 기준으로 조성을 선택하였다. In the present invention, a tensile strength of 240MPa, an elongation of at least 23%, should be a biodegradable metal alloy, recognized that it is applicable to actual implant products, and selected a composition based on this value.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 각 조성범위(X축)로 제조된 합금(도 1의 조건과 동일)의 강도 및 연신율을 분석한 결과이다. Figure 2 is a result of analyzing the strength and elongation of the alloy (same as the conditions in Figure 1) prepared in each composition range (X-axis) according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 금속원소 X가 아연(Zn)인 경우, 적색 상자 내에 들어가는 결과만이 강도와 연신율의 조건을 모두 만족하는 것을 알 수 있다. 이것은 결국 아연이 합금 조성 중 0.3 내지 2 중량%, 칼슘이 0.1 내지 0.5 중량%가 바람직하다는 것을 의미한다. Referring to FIG. 2, it can be seen that when the metal element X is zinc (Zn), only the result of entering the red box satisfies both the strength and elongation conditions. This means that zinc is preferably 0.3 to 2% by weight of the alloy composition, and calcium is preferably 0.1 to 0.5% by weight.
도 3은 합금 조성에 따른 기계적 특성을 분석한 그래프이고, 도 4는 이를 정리한 표이다. Figure 3 is a graph analyzing the mechanical properties according to the alloy composition, Figure 4 is a table summarizing this.
도 3 및 4를 참조하면, 아연이 증가함에 따라 기계적 강도는 증가하나, 연신율은 떨어지는 것을 알 수 있다(비교예 1, 2, 4, 5, 실시예 1 참조), 반대로 칼슘이 증가함에 따라 연신율이 증가하는 것을 알 수 있다( 실시예 3, 4, 5 참조)3 and 4, it can be seen that the mechanical strength increases as zinc increases, but the elongation decreases (see Comparative Examples 1, 2, 4, 5, and Example 1). It can be seen that this increases (see Examples 3, 4 and 5).
즉, 이상의 결과로부터 기계적 강도인 인장강도 240MPa과 연신율 23%의 기준을 만족시키는 조성은 아연0.3 내지 2 중량%, 칼슘이 0.1 내지 0.5 중량%인 것을 알 수 있다. That is, it can be seen from the above results that the composition that satisfies the criteria of mechanical strength of
부식특성 분석Corrosion characteristic analysis
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 생체분해성 합금의 생체모사용액(PBS solution: Phosphate-Buffered Saline)에서의 부식특성을 분석한 그래프이고, 도 6은 그 정량적 수치를 정리한 표이다. 도 5에서 청색은 48시간 황색은 168시간 생체모사용액에 합금을 침지시킨 결과이다. 5 is a graph analyzing the corrosion characteristics of a biodegradable alloy prepared in accordance with an embodiment of the present invention in a biomimetic solution (PBS solution: Phosphate-Buffered Saline), and FIG. 6 is a table summarizing the quantitative values . 5, blue is 48 hours, yellow is 168 hours is the result of immersing the alloy in a biomimetic solution.
도 5를 참조하면, 생체모사용액에서의 수소발생속도(부식속도에 비례)를 0015ml/cm2/hr 이하를 바람직한 기준으로 하였으며, 칼슘이 증가함에 따라 부식속도가 빨라지나(실시예 3, 4, 5), 아연은 168시간 동안의 실시예 9 결과를 제외하고는 부식속도에 특별한 영향을 주지 않는다. Referring to FIG. 5, the hydrogen generation rate (proportional to the corrosion rate) in the biomimetic fluid was set to 0015 ml / cm 2 / hr or less as a preferred criterion, and the corrosion rate increased as calcium increased (Examples 3 and 4). , 5), Zinc has no specific effect on the corrosion rate, except for the result of Example 9 for 168 hours.
결론적으로 합금의 기계적 특성과 생체 내에서의 부식특성을 고려할 때, 마그네슘 중 아연은 0.3 내지 2 중량%, 칼슘은 0.1 내지 0.5 중량%이 바람직하다는 결론을 도출할 수 있다. In conclusion, considering the mechanical properties of the alloy and corrosion characteristics in vivo, it can be concluded that zinc is preferably 0.3 to 2% by weight and 0.1 to 0.5% by weight of calcium in magnesium.
하지만, 본 발명은 상술한 조성범위의 선정만을 통하여 높은 기게적 강도와 낮은 생체 내 부식속도를 갖는 합금을 제조하는 것이 아니라, 압출-열처리-압출을 통하여 Ca2Mg6Zn3상을 공정 중간에 제거함으로써 부식속도에는 영향을 주지 않으면서도 기게적 강도만을 강화시킬 수 있는 합금을 제조할 수 있게 한다. However, the present invention does not produce an alloy having a high mechanical strength and a low corrosion rate in vivo through the selection of the above-described composition range, but through the extrusion-heat treatment-extrusion of Ca 2 Mg 6 Zn 3 phase in the middle of the process. By removing, it is possible to manufacture an alloy that can enhance mechanical strength without affecting the corrosion rate.
열처리에 따른 석출상 제거 Removal of precipitation phase due to heat treatment
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법에 따라 상기 도면에서 개시된 실시예 3 조성의 합금을 제 1 압출(370℃)한 후, 열처리(400℃, 24시간) 한 경우의 석출상(Ca2Mg6Zn3) 상의 제거 효과를 설명하는 사진이다. 7 is a first embodiment of the alloy composition of Example 3 disclosed in the drawing according to the method according to an embodiment of the present invention after extrusion (370 ℃), heat treatment (400 ℃, 24 hours) precipitation phase in the case (Ca) 2 This is a picture explaining the removal effect of Mg 6 Zn 3 ) phase.
도 7의 좌측은 열처리 전 우측은 열처리 후의 사진이다. The left side of FIG. 7 is a photo after heat treatment before the right side heat treatment.
도 7을 참조하면, 열처리에 따라 석출상(Ca, Zn 포함)이 효과적으로 제거되는 것을 알 수 있다. 특히 본 발명은 제 1 압출단계의 온도범위에서도 형성되는 Ca, Zn 석출상을 제 1 압출단계의 온도보다 높은 온도의 열처리를 통하여 Ca, Zn를 완전 고용시키게 되며, 이로써 별도의 석출상이 후속되는 공정에서 형성되지 않게 된다. Referring to Figure 7, it can be seen that the precipitation phase (including Ca, Zn) is effectively removed according to the heat treatment. Particularly, in the present invention, the Ca and Zn precipitation phases formed in the temperature range of the first extrusion step are completely dissolved in Ca and Zn through heat treatment at a temperature higher than the temperature of the first extrusion step, whereby a separate precipitation phase is followed. It is not formed in.
강소성 가공 후 직경변화율에 따른 기계적 강도 및 부식속도 Mechanical strength and corrosion rate according to the rate of change in diameter after sintering
제 2 압출 후 강소성 가공으로 스웨이징(swaging) 공정으로 직경을 감소시키는 가공을 진행하였고, 이에 따른 다양한 직경 변화율에 따른 합금의 기계적 특성과 부식속도를 측정하였다. After the second extrusion, processing was performed to reduce the diameter by a swaging process by stiffness processing, and mechanical properties and corrosion rates of alloys according to various diameter change rates were measured.
도 8 및 9는 직경변화율에 따른 합금의 기계적 강도 및 표이고, 도 10 및 11은 부식속도를 측정한 그래프 및 표이다. 8 and 9 are the mechanical strength and table of the alloy according to the rate of change of diameter, and FIGS. 10 and 11 are graphs and tables of the corrosion rate.
도 8 및 9를 참조하면, 압출-열처리-압출 공정을 거친 합금은 내부에 충분히 Ca, Zn 성분이 고용되어 별도의 석출상을 형성하지 않음에 따라 직경 변화가 62% 수준까지 감소됨에 따라 기계적 강도가 충분히 증가됨을 알 수 있다. 8 and 9, the alloy undergoing the extrusion-heat treatment-extrusion process has mechanical strength as the diameter change is reduced to 62% as the Ca and Zn components are sufficiently employed to form a separate precipitation phase. It can be seen that is sufficiently increased.
한편 도 10 및 11을 참조하면, 본 발명에 따라 압출-열처리-압출을 거친 합금은 스웨이징 가공에 따라 극심한 직경 변화에도 불구하고 사실상 생체 내 부식속도에는 영향을 받지 않게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스웨이징 가공의 직경변화율은 31% 내지 62%가 바람직한데, 상기 범위 이하인 경우 기계적 강도가 낮고 상기 범위를 초과하는 경우 높은 변화율 때문에 재료의 형상이 변하게 된다.On the other hand, referring to FIGS. 10 and 11, the alloy subjected to extrusion-heat treatment-extrusion according to the present invention is virtually unaffected by the corrosion rate in vivo despite extreme diameter changes according to swaging. The rate of change in diameter of the swaging process according to an embodiment of the present invention is preferably 31% to 62%, and if it is less than the above range, the shape of the material changes due to a low mechanical strength and a high rate of change when exceeding the above range.
압출온도에 따른 합금 분석Alloy analysis according to extrusion temperature
도 12는 상술한 조성 범위의 합금을 제 1 압출-열처리-제 2 압출로 처리하는 경우, 압출온도에 따른 합금 표면을 분석한 사진이다. 12 is a photograph analyzing the alloy surface according to the extrusion temperature, when the alloy of the above-described composition range is treated with the first extrusion-heat treatment-second extrusion.
도 12에서 좌측 사진은 제 1 압출 후 합금 소재의 표면사진이고, 우측 사진은 제 2 압출 후 합금소재의 표면사진이다.In Figure 12, the left picture is the surface picture of the alloy material after the first extrusion, and the right picture is the surface picture of the alloy material after the second extrusion.
도 12를 참조하면, 제 1 압출단계의 온도(제 1 압출온도, T1)이 제 2 압출단계의 온도(제 2 압출온도, T2)보다 낮은 경우에는 합금 결합이 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서, T1/T2는 1을 초과하는 것이 바람직한데, 반면 T1/T2 비가 1.32를 초과하는 경우 우측 사진에서 결합이 다소 발생하는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 12, it can be seen that alloy bonding occurs when the temperature of the first extrusion step (first extrusion temperature, T1) is lower than the temperature of the second extrusion step (second extrusion temperature, T2). Therefore, it is preferable that T1 / T2 exceeds 1, whereas when the T1 / T2 ratio exceeds 1.32, it can be seen that binding occurs somewhat in the right picture.
즉, T1/T2 가 1이하일 경우 제 1 압출 단계 후에 즉시 표면 결함이 발생하는 걸 확인할 수 있으며, 또한 T1/T2가 1.32일 때부터 제 2 압출 단계 후 표면결함이 생기는 것을 알 수 있다. That is, when T1 / T2 is 1 or less, it can be confirmed that surface defects occur immediately after the first extrusion step, and it can also be seen that surface defects occur after the second extrusion step from when T1 / T2 is 1.32.
Claims (7)
칼슘 0.1 내지 0.5 중량%; HCP 구조를 가지며, 금속원소 X 0.3 이상 2 중량%; 및 잔량의 마그네슘을 용융시키는 단계;
상기 용융시키는 단계 후 얻어진 합금을 제 1 압출하는 단계;
제 1 압출하는 단계 후 얻어진 합금을 열처리 하는 단계;
상기 열처리하는 단계 후 얻어진 합금을 제 2 압출하는 단계; 및
상기 제 2 압출하는 단계 후 얻어진 합금을 강소성 가공하는 단계를 포함하며,
상기 금속원소 X는 상기 열처리하는 단계 후 별도의 석출상을 형성하지 않으며, 상기 X는 아연이며, 제 1 압출온도 T1은 제 2 압출온도 T2 보다 높으며, 상기 제 1 압출온도와 제 2 압출온도 비인 T1/T2는 1.0<T1/T2<1.3인 것을 특징으로 하는 생체분해성 금속 합금 제조방법.Biodegradable metal alloy manufacturing method,
0.1 to 0.5% by weight of calcium; HCP structure, metal element X 0.3 or more and 2% by weight; And melting the remaining amount of magnesium.
First extruding the alloy obtained after the melting step;
Heat-treating the obtained alloy after the first extruding step;
Extruding a second alloy after the heat treatment; And
After the second extrusion step comprises the step of stiffening the alloy obtained,
The metal element X does not form a separate precipitation phase after the heat treatment, the X is zinc, the first extrusion temperature T1 is higher than the second extrusion temperature T2, and the ratio of the first extrusion temperature and the second extrusion temperature is T1 / T2 is a method for producing a biodegradable metal alloy, characterized in that 1.0 <T1 / T2 <1.3.
상기 제조된 생체분해성 금속 합금은 최대 인장강도가 350MPa 이상, 연신율이 10% 이상 또는 최대인장강도가 240MPa 이상, 23%이상의 연신율을 가지며, 생체모사용액에서의 수소발생속도가 0.015ml/cm2/hr 이하인 것을 특징으로 하는 생체분해성 금속 합금 제조방법.According to claim 1,
The biodegradable metal alloy prepared above has a maximum tensile strength of 350 MPa or more, an elongation of 10% or more, or a maximum tensile strength of 240 MPa or more, and an elongation of 23% or more, and the rate of hydrogen generation in the biomimetic solution is 0.015 ml / cm 2 / Method of manufacturing a biodegradable metal alloy, characterized in that less than hr.
상기 제 1 압출단계는 가열온도: 300~380℃, 압출비: 5~15:1로 진행되는 것을 특징으로 하는 생체분해성 금속 합금 제조방법.According to claim 1,
The first extrusion step is a biodegradable metal alloy manufacturing method characterized in that the heating temperature: 300 ~ 380 ℃, extrusion ratio: 5 ~ 15: 1.
제 2 압출 단계는 가열온도: 260~350℃, 압출비: 20~50:1로 진행되는 것을 특징으로 하는 생체분해성 금속 합금 제조방법.The method of claim 5,
The second extrusion step is a biodegradable metal alloy manufacturing method characterized in that the heating temperature: 260 ~ 350 ℃, extrusion ratio: 20 ~ 50: 1.
상기 강소성 가공은 스웨이징 공정으로 직경변화율이 31% 내지 62%로 진행하는 것을 특징으로 하는 생체분해성 금속 합금 제조방법.According to claim 1,
The method of manufacturing the biodegradable metal alloy is characterized in that the sintering process proceeds to a diameter change rate of 31% to 62% by a swaging process.
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