KR102301567B1 - Titanium alloy with low elastic modulus and high yield strength - Google Patents

Titanium alloy with low elastic modulus and high yield strength Download PDF

Info

Publication number
KR102301567B1
KR102301567B1 KR1020190056992A KR20190056992A KR102301567B1 KR 102301567 B1 KR102301567 B1 KR 102301567B1 KR 1020190056992 A KR1020190056992 A KR 1020190056992A KR 20190056992 A KR20190056992 A KR 20190056992A KR 102301567 B1 KR102301567 B1 KR 102301567B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
titanium alloy
present
yield strength
elastic modulus
titanium
Prior art date
Application number
KR1020190056992A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20190140393A (en
Inventor
이동근
이용태
Original Assignee
순천대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 순천대학교 산학협력단 filed Critical 순천대학교 산학협력단
Publication of KR20190140393A publication Critical patent/KR20190140393A/en
Priority to KR1020210064735A priority Critical patent/KR20210061324A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102301567B1 publication Critical patent/KR102301567B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02Making non-ferrous alloys by melting
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C14/00Alloys based on titanium

Abstract

본 발명은 종래의 타이타늄 합금에 비해 항복강도를 크게 향상시키면서 동시에 탄성계수를 95GPa 이하로 낮게 유지할 수 있어, 제품에 적용되었을 때 내구성을 향상시키고 사용 조건을 크게 확대할 수 있는 타이타늄 합금에 관한 것이다.
본 발명에 따른 타이타늄 합금은, 중량%로, Nb: 37 ~ 41%, Zr: 5 ~ 8%, Al: 0.05 ~ 1.5%, 나머지 Ti 및 불가피한 불순물을 포함한다.
The present invention relates to a titanium alloy that can greatly improve the yield strength and at the same time maintain a low modulus of elasticity below 95 GPa compared to the conventional titanium alloy, thereby improving durability and greatly expanding the use conditions when applied to products.
The titanium alloy according to the present invention includes, by weight%, Nb: 37 to 41%, Zr: 5 to 8%, Al: 0.05 to 1.5%, the remaining Ti and unavoidable impurities.

Description

낮은 탄성계수와 높은 항복강도를 갖는 타이타늄 합금 {TITANIUM ALLOY WITH LOW ELASTIC MODULUS AND HIGH YIELD STRENGTH}Titanium alloy with low modulus of elasticity and high yield strength {TITANIUM ALLOY WITH LOW ELASTIC MODULUS AND HIGH YIELD STRENGTH}

본 발명은 탄성계수가 낮고 항복강도가 높은 타이타늄 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래에 비해 항복강도를 크게 향상시키면서 동시에 탄성계수를 95GPa 이하로 낮게 유지할 수 있어, 의료용 물품 등에 사용되었을 때 물품의 내구성을 향상시키고 사용 조건을 크게 확장할 수 있는 타이타늄 합금에 관한 것이다.The present invention relates to a titanium alloy having a low modulus of elasticity and high yield strength, and more particularly, it is possible to maintain a low modulus of elasticity below 95 GPa while significantly improving the yield strength compared to the prior art, and when used in medical articles, etc. It relates to a titanium alloy that can improve durability and greatly expand the conditions of use.

현재 산업적으로 널리 사용되고 있는 철 또는 철 합금의 경우, 대기중의 이산화 탄소 증가, 낮은 내식성 등의 문제가 대두됨에 따라, 경량 금속이 주목받고 있는데, 대표적인 경량 금속으로는 타이타늄, 알루미늄, 마그네슘 등이 있다.In the case of iron or iron alloy, which is currently widely used industrially, as problems such as an increase in carbon dioxide in the atmosphere and low corrosion resistance rise, a lightweight metal is attracting attention. Representative lightweight metals include titanium, aluminum, magnesium, etc. .

이중 타이타늄은 타 금속에 비해 우수한 내식성과 비강도를 나타내며, 고온 안정성이 높아 산업용뿐만 아니라 항공우주재료로도 널리 사용되고 있다. 특히, 다른 금속소재들에 비해 낮은 탄성계수를 가지며 우수한 생체 적합성을 가지고 있어 생체재료로도 각광받고 있다.Among them, titanium exhibits superior corrosion resistance and specific strength compared to other metals, and has high stability at high temperatures, so it is widely used not only for industry but also as aerospace materials. In particular, it has a low modulus of elasticity compared to other metal materials and has excellent biocompatibility, so it is in the spotlight as a biomaterial.

타이타늄 합금들 중에서 가장 상용화된 Ti-6Al-4V 합금은 소재가 갖는 우수한 특성으로 인해, 우주항공재료, 산업용 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며 의료용인 생체재료로도 사용되어왔다.Among the titanium alloys, Ti-6Al-4V alloy, the most commercialized alloy, is used in various fields such as aerospace materials and industry due to its excellent properties, and has been used as a biomaterial for medical purposes.

그런데 Ti-6Al-4V 합금에 포함된 바나듐(V)의 독성과, 오랜 기간 동안 Al이 체내에 축적된다면 알츠하이머 발생률이 증가한다는 알루미늄(Al)의 알츠하이머 유발성 때문에 Ti-6Al-4V 소재의 사용이 점차 감소하게 되었고 이를 대체할 만한 신합금 개발이 진행되고 있다.However, due to the toxicity of vanadium (V) contained in the Ti-6Al-4V alloy and the Alzheimer's causation of aluminum (Al) that the incidence of Alzheimer's disease increases if Al accumulates in the body for a long period of time, the use of Ti-6Al-4V material is discouraged. It has gradually decreased, and new alloys are being developed to replace them.

그러므로, 생체재료용 타이타늄 합금 설계시, 인체에 유해하다고 알려진 V, Cu, Cr, Ni, Al과 같은 원소들은 사용하지 않거나 인체에 무해한 수준으로 사용량을 최소화하면서 원하는 물성을 구현할 필요가 있다.Therefore, when designing a titanium alloy for biomaterials, elements such as V, Cu, Cr, Ni, and Al, which are known to be harmful to the human body, are not used or it is necessary to implement desired properties while minimizing the amount used to a level harmless to the human body.

인체에 무해한 생체재료용 타이타늄 합금과 관련하여, 특허문헌에 개시된 Ti, Nb 및 Zr으로만 이루어진 3원계 합금이 개발되어 있으며, 이 합금은 탄성계수가 50GPa 이하로 인체를 구성하는 뼈의 탄성계수(약 30GPa)와 큰 차이가 나지않아 응력차폐효과를 현저하게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.In relation to the titanium alloy for biomaterials harmless to the human body, a ternary alloy consisting only of Ti, Nb and Zr disclosed in the patent literature has been developed, and this alloy has an elastic modulus of 50 GPa or less and the elastic modulus of bones constituting the human body ( It is expected that the stress shielding effect can be significantly reduced as there is no significant difference from about 30 GPa).

그런데 상기 3원계 합금은 생체 적합성도 우수하고, 탄성계수가 매우 낮은 반면, 순수 타이타늄이나 기존에 개발된 다른 타이타늄 합금들에 비해 항복강도가 낮아, 사용 영역이 상당히 제한되는 문제점이 있다.However, the ternary alloy has excellent biocompatibility and has a very low modulus of elasticity, but has a low yield strength compared to pure titanium or other titanium alloys developed in the past, so that the use area is considerably limited.

대한민국 공개특허공보 제2009-0123762호Republic of Korea Patent Publication No. 2009-0123762

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 낮은 탄성계수, 높은 항복강도를 구비하여 기계적 특성을 향상시킴과 동시에, 인체에 대한 유해성이 실질적으로 없고 생체 적합성이 우수한 타이타늄 합금을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.The present invention is to solve the problems of the prior art described above, it has a low elastic modulus and high yield strength to improve mechanical properties, and at the same time to provide a titanium alloy with substantially no harmfulness to the human body and excellent biocompatibility make it a task to be solved.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 중량%로, Nb: 37 ~ 41%, Zr: 5 ~ 8%, Al: 0.05 ~ 1.5%, 나머지 Ti 및 불가피한 불순물을 포함하는 타이타늄 합금을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention, in wt%, Nb: 37 to 41%, Zr: 5 to 8%, Al: 0.05 to 1.5%, the remaining Ti and unavoidable impurities, including a titanium alloy containing the titanium alloy is provided.

본 발명에 따른 타이타늄 합금은, 종래의 Ti-Nb-Zr 3원계 합금에 비해 항복강도를 현저하게 향상시키면서, 탄성계수는 45 ~ 95GPa 수준으로 낮게 유지할 뿐 아니라, 연신율도 10% 이상으로 하여 가공성이 우수하고 생체 적합성도 우수하여, 종래 개발된 타이타늄 합금에 비해 사용 영역을 생체용은 물론, 스포츠/레저용, 산업용 등으로의 크게 확장할 수 있는 이점이 있다.Titanium alloy according to the present invention, while remarkably improving the yield strength compared to the conventional Ti-Nb-Zr ternary alloy, maintains the elastic modulus as low as 45 ~ 95 GPa level, as well as the elongation of 10% or more, so that the workability is It is excellent and has excellent biocompatibility, and there is an advantage in that the use area can be greatly expanded to not only for the living body, but also for sports/leisure and industrial use compared to the conventionally developed titanium alloy.

또한, 본 발명에 따른 타이타늄 합금은 응력차폐효과를 줄이고, 생체 의료용 경조직 대체 소재로의 활용성이 우수하다.In addition, the titanium alloy according to the present invention reduces the stress shielding effect and has excellent usability as a substitute material for hard tissue for biomedical use.

도 1은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 타이타늄 합금의 광학현미경 이미지이다.
도 2는 비교예에 따라 제조된 타이타늄 합금의 광학현미경 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2와 비교예에 따라 제조된 타이타늄 합금의 인장특성 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2 및 비교예에 따라 제조된 타이타늄 합금에 세포를 분주하고, 72시간 동안 배양한 후 세포의 수를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2 및 비교예에 따라 제조된 타이타늄 합금에 세포를 분주하고, 72시간 동안 배양한 후 흡광도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
1 is an optical microscope image of a titanium alloy prepared according to Example 2 of the present invention.
2 is an optical microscope image of a titanium alloy prepared according to a comparative example.
Figure 3 shows the tensile properties test results of the titanium alloy prepared according to Example 2 and Comparative Example of the present invention.
4 shows the results of measuring the number of cells after dispensing the cells in the titanium alloy prepared according to Example 2 and Comparative Example of the present invention, and culturing for 72 hours.
5 shows the results of measuring the absorbance after dispensing the cells in the titanium alloy prepared according to Example 2 and Comparative Example of the present invention and culturing for 72 hours.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 상세하게 설명하나, 본 발명이 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred examples of the present invention, but the present invention is not limited to the following examples.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Hereinafter, the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 발명에 따른 타이타늄 합금은, 중량%로, Nb: 37 ~ 41%, Zr: 5 ~ 8%, Al: 0.05 ~ 1.5%, 나머지 Ti 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.Titanium alloy according to the present invention, by weight, Nb: 37 ~ 41%, Zr: 5 ~ 8%, Al: 0.05 ~ 1.5%, the remaining Ti and unavoidable impurities are characterized in that it contains.

본 발명에 따른 베타형 타이타늄 합금의 각 합금원소의 조성 범위를 상기와 같이 한정한 이유는 다음과 같다.The reason for limiting the composition range of each alloy element of the beta-type titanium alloy according to the present invention as described above is as follows.

나이오븀(Nb): 37 ~ 41중량%Niobium (Nb): 37 to 41 wt%

Nb은 인체 내에서 섬유세포, 부식생성물, 생체용액 등과 유해한 반응성을 나타내지 않고 안정성을 나타내어 생체친화적인 금속소재로, 상온에서 매우 안정적이며, 산소나 강산에도 침식이 되지 않는 등 내식성이 매우 우수한 금속원소인데, 상기 조성 범위로 타이타늄에 첨가될 경우 베타상을 형성하여 탄성계수를 낮추며, 상기 범위를 벗어날 경우, 저탄성 특성을 얻기 어려우므로, 상기 범위로 첨가되는 것이 바람직하고, 38 ~ 40중량%로 포함되는 것이 보다 바람직하다.Nb is a bio-friendly metal material that exhibits stability without showing harmful reactivity with fibers, corrosion products, and biological solutions in the human body. However, when added to titanium within the composition range, a beta phase is formed to lower the elastic modulus, and when it is out of the range, it is difficult to obtain low elastic properties, so it is preferable to be added in the above range, and 38 to 40% by weight. It is more preferable to be included.

지르코늄(Zr): 5 ~ 8중량%Zirconium (Zr): 5 to 8 wt%

Zr은 산 및 염기 분위기 및 고온의 물속에서 내식성이 매우 큰 금속으로 공기 중에서도 산화피막을 생성하여 강한 내식성을 보이며 세포독성이 없는 원소로 생체 친화적인 금속소재이며, 상기 범위를 벗어나게 첨가될 경우, 타이타늄 합금의 탄성계수가 급격하게 높아지므로, 상기 범위로 포함되는 것이 바람직하고, 5 ~ 7중량%로 포함되는 것이 보다 바람직하다.Zr is a metal with very high corrosion resistance in acid and base atmospheres and high temperature water. It produces an oxide film in air, shows strong corrosion resistance, and is a non-cytotoxic element. It is a biocompatible metal material. When added outside the above range, titanium Since the elastic modulus of the alloy is rapidly increased, it is preferable to be included in the above range, and it is more preferable to be included in 5 to 7% by weight.

알루미늄(Al):0.05 ~ 1.5중량%Aluminum (Al): 0.05 to 1.5 wt%

Al은 상기 범위로 첨가될 때, 탄성계수의 저하를 최소화하면서 타이타늄 합금의 항복강도를 크게 향상시킬 수 있으며, 그 함량이 0.05중량% 미만일 경우 항복강도 향상 효과가 충분하지 않다. 또한 Al은 타이타늄 합금에 첨가될 때, 탄성계수를 높이는 알파상을 안정화시키는 작용을 하는 원소이고, 오랜 기간 동안 Al이 인체내에 축적된다면 알츠하이머 발생률이 증가할 수 있으므로, 그 함량이 1.5중량%를 초과하지 않게 첨가되는 것이 바람직하며, 보다 바람직한 Al의 함량은 0.3 ~ 1.0중량%이다.When Al is added in the above range, the yield strength of the titanium alloy can be greatly improved while minimizing the decrease in the elastic modulus, and when the content is less than 0.05% by weight, the effect of improving the yield strength is not sufficient. In addition, when Al is added to the titanium alloy, it is an element that stabilizes the alpha phase that increases the modulus of elasticity, and if Al accumulates in the human body for a long period of time, the incidence of Alzheimer's disease may increase, so its content exceeds 1.5 wt% It is preferable not to add it, and more preferably, the content of Al is 0.3 to 1.0% by weight.

불가피한 불순물inevitable impurities

불가피한 불순물은 타이타늄 합금의 원료 또는 제조과정에서 의도하지 않게 혼입될 수 있는 성분을 의미한다.Inevitable impurities refer to components that may be unintentionally incorporated in the raw material or manufacturing process of the titanium alloy.

구체적으로, 산소는 타이타늄 합금의 변형능을 저하시키고, 강도의 냉간가공을 하였을 때에 균열을 발생시키는 원인이 되고 변형저항을 높이는 원인이 되므로, 0.4중량% 이하가 되도록 유지하는 것이 바람직하며, 0.25중량% 이하가 되도록 유지하는 것이 보다 바람직하다.Specifically, since oxygen decreases the deformability of the titanium alloy and causes cracks when cold working of strength is performed and increases the deformation resistance, it is preferable to maintain it to be 0.4 wt% or less, and 0.25 wt% It is more preferable to keep it so that it may become below.

또한, 수소는 타이타늄 합금의 연성 및 인성을 떨어뜨리므로 적게 포함할수록 좋으며, 적어도 0.03중량% 이하로 포함하는 것이 바람직하고, 0.015중량% 이하로 포함하는 것이 보다 바람직하다.In addition, since hydrogen decreases the ductility and toughness of the titanium alloy, it is better to include less hydrogen, preferably at least 0.03% by weight or less, and more preferably 0.015% by weight or less.

또한, 탄소도 타이타늄 합금의 변형능을 크게 저하시키므로 적게 포함할수록 좋으며, 적어도 0.15중량% 이하가 바람직하고, 0.1중량% 이하가 보다 바람직하다. 또한, 질소도 타이타늄 합금의 변형능을 크게 저하시키므로 적게 포함할수록 좋으며, 적어도 0.1중량% 이하가 바람직하고, 0.05중량% 이하가 보다 바람직하다.In addition, since carbon also greatly reduces the deformability of the titanium alloy, it is better to include less carbon, preferably at least 0.15% by weight or less, and more preferably 0.1% by weight or less. In addition, since nitrogen also greatly reduces the deformability of the titanium alloy, it is better to include less nitrogen, preferably at least 0.1% by weight or less, and more preferably 0.05% by weight or less.

또한, 철은 타이타늄 합금의 베타상을 안정화시키는 역할을 하며, 균열을 발생시키기도 하므로, 적어도 0.5중량% 이하가 바람직하고, 0.3중량% 이하가 보다 바람직하다.In addition, since iron serves to stabilize the beta phase of the titanium alloy and also causes cracks, at least 0.5 wt% or less is preferable, and 0.3 wt% or less is more preferable.

또한, 본 발명에 따른 타이타늄 합금은, 그 미세조직이 바람직하게는 실질적으로 등축정 조직(equiaxed structure)을 포함하여 이루어질 수 있다.In addition, the titanium alloy according to the present invention, the microstructure may preferably include a substantially equiaxed structure (equiaxed structure).

또한, 본 발명에 따른 타이타늄 합금의 탄성계수는 95GPa 이하일 수 있고, 바람직하게는 60 ~ 75 GPa일 수 있다.In addition, the elastic modulus of the titanium alloy according to the present invention may be 95 GPa or less, preferably 60 ~ 75 GPa.

또한, 본 발명에 따른 타이타늄 합금의 항복강도는 500MPa 이상, 바람직하게 600MPa 이상일 수 있고, 냉간가공, 후열처리 등 후처리 공정 여부에 따라 600 ~ 1100MPa일 수 있다. In addition, the yield strength of the titanium alloy according to the present invention may be 500 MPa or more, preferably 600 MPa or more, and may be 600 to 1100 MPa depending on whether a post-treatment process such as cold working or post-heat treatment is performed.

또한, 본 발명에 따른 타이타늄 합금의 강도를 보다 향상시키기 위하여, 300 ~ 500℃의 온도에서 1 ~ 50시간 동안 열처리를 수행할 수 있다.In addition, in order to further improve the strength of the titanium alloy according to the present invention, heat treatment may be performed at a temperature of 300 to 500° C. for 1 to 50 hours.

또한, 본 발명에 따른 타이타늄 합금의 연신율은 10% 이상인 것이 바람직하고, 20 ~ 30%인 것이 보다 바람직하다. 다만, 후처리 공정의 적용 여부에 따라 연신율이 4% 이상일 수도 있다.In addition, the elongation of the titanium alloy according to the present invention is preferably 10% or more, more preferably 20 to 30%. However, the elongation may be 4% or more depending on whether a post-treatment process is applied.

또한, 본 발명에 따른 타이타늄 합금은 의료용 물품 또는 스포츠/레저용 물품으로 제조될 수 있으며, 그 용도는 반드시 의료용 물품 또는 스포츠/레저용 물품에 한정되지 않는다.In addition, the titanium alloy according to the present invention may be manufactured as a medical article or a sports/leisure article, and its use is not necessarily limited to a medical article or a sports/leisure article.

[실시예][Example]

본 발명의 실시예로서 아래 표 1과 같은 조성의 실시예 1 ~ 5 합금 조성물과, 본 발명의 실시예와의 비교를 위하여 Nb 및 Zr 함량은 실시예 2와 동일하고 Al을 첨가하지 않은 비교예에 따른 합금 조성물을 진공아크 재용해방법(VAR)을 이용하여 용해하여 제조하였다. 이때, 모든 합금에서 산소(O), 질소(N), 탄소(C), 철(Fe), 수소(H)와 같은 불순물은 1.0중량% 미만이 되도록 하였다.As an embodiment of the present invention, for comparison with the alloy compositions of Examples 1 to 5 having the composition shown in Table 1 below, and the Examples of the present invention, the Nb and Zr contents are the same as in Example 2 and Comparative Example in which Al is not added The alloy composition according to the method was prepared by dissolving it using a vacuum arc remelting method (VAR). At this time, impurities such as oxygen (O), nitrogen (N), carbon (C), iron (Fe), hydrogen (H) in all alloys was set to be less than 1.0% by weight.

합금alloy 조성(중량%)Composition (wt%) NbNb ZrZr AlAl TiTi 실시예1Example 1 38.338.3 6.26.2 0.720.72 Bal.Bal. 실시예2Example 2 3939 66 0.450.45 Bal.Bal. 실시예3Example 3 39.739.7 6.66.6 0.890.89 Bal.Bal. 실시예4Example 4 38.538.5 5.45.4 0.360.36 Bal.Bal. 실시예5Example 5 38.538.5 5.45.4 0.360.36 Bal.Bal. 비교예comparative example 3939 66 -- Bal.Bal.

상기 표 1의 조성으로 진공아크 재용해한 타이타늄 합금 조성물을 잉고트(ingot)로 주조하였다. 이어서 주조된 잉고트를 단조하여 각형 또는 봉형으로 가공하였다.직경 16mm~20mm, 길이 500mm 이상의 치수를 갖는 각형 또는 봉형으로 제조한 타이타늄 합금을 810℃로 가열한 후, 3 ~ 5패스의 공형압연을 통해, 직경 12mm 봉재로 제조하였다.The titanium alloy composition remelted in a vacuum arc with the composition shown in Table 1 was cast into an ingot. Then, the cast ingot was forged and processed into a square or rod shape. A titanium alloy manufactured in a square or rod shape having a diameter of 16 mm to 20 mm and a length of 500 mm or more was heated to 810° C., and then through 3 to 5 passes of ball rolling. , was prepared with a 12mm diameter bar.

또한, 상기 실시예 1 ~ 4와 비교예에 따른 합금은 상기 공형압연 후에 별도의 후처리 공정을 수행하지 않았고, 실시예 5에 따른 합금은 실시예 4와 동일한 조성을 갖는 합금을 공형압연한 후에 추가로 400℃에서 32시간 동안 시효처리(aging treatment)와 같은 후처리 공정을 수행한 것이다.In addition, the alloys according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples did not perform a separate post-treatment process after the ball rolling, and the alloy according to Example 5 was added after the alloy having the same composition as that of Example 4 was ball-rolled. A post-treatment process such as aging treatment was performed at 400° C. for 32 hours.

미세조직microstructure

제조된 합금 막대를 길이방향에 수직한 단면과 평행한 단면으로 절단하여 사포 2400번까지 마크로 연마를 한 후, 다이아몬드 연마제(diamond paste)를 활용하여 마이크로 연마를 수행하였다. 이와 같은 기계적 연마를 수행한 후, 크롤용액(Kroll etchant; H2O 100㎖ +HNO3 5㎖ + HF 3㎖)으로 에칭하여 미세조직을 광학현미경을 이용하여 관찰하였다.The manufactured alloy rod was cut into a cross section perpendicular to the longitudinal direction and a cross section parallel to the longitudinal direction, and then macro-polished up to 2400 with sandpaper, and then micro-polishing was performed using diamond paste. After performing such mechanical polishing, the microstructure was observed using an optical microscope by etching with a Kroll etchant (H 2 O 100 ml + HNO 3 5 ml + HF 3 ml).

도 1은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 타이타늄 합금의 광학현미경 이미지이고, 도 2는 비교예에 따라 제조된 타이타늄 합금의 광학현미경 이미지이다.1 is an optical microscope image of a titanium alloy prepared according to Example 2 of the present invention, and FIG. 2 is an optical microscope image of a titanium alloy prepared according to Comparative Example.

도 1에서 확인되는 바와 같이, Al을 소량 포함하는 본 발명의 실시예 2에 따른 타이타늄 합금의 미세조직은, 평균크기 수백㎛의 등축정으로 이루어진 베타(β)상 단상 조직으로 이루어진 것으로 확인되었다.As can be seen in FIG. 1 , the microstructure of the titanium alloy according to Example 2 of the present invention containing a small amount of Al was confirmed to consist of a beta (β) phase single-phase structure consisting of equiaxed crystals having an average size of several hundred μm.

이에 비해, 도 2에 나타난 바와 같이, Al을 포함하지 않는 비교예의 경우, 동일하게 베타상 단상 조직으로 이루어지나, 본 발명의 실시예(직경 16mm 봉재 또는 각재를 직경 12mm로 공형압연)와 달리, 직경 20mm 봉재를 공형압연을 통해 직경 12mm 봉재로 가공하여 상대적으로 압하율이 높아 마블링과 같은 형태의 미세조직을 나타내었다.In contrast, as shown in Figure 2, in the case of the comparative example not containing Al, the same beta-phase single-phase structure is formed, but unlike the example of the present invention (conformally rolling a 16 mm diameter bar or square material to a 12 mm diameter), A 20mm-diameter bar was processed into a 12mm-diameter bar through ball rolling, and the reduction ratio was relatively high, resulting in a marble-like microstructure.

또한, 도면으로 표시하지 않았으나, 실시예 1 및 실시예 3 ~ 5도 실시예 2와 유사한 미세조직을 나타내었다.In addition, although not shown in the drawings, Examples 1 and 3 to 5 also showed a microstructure similar to that of Example 2.

기계적 특성mechanical properties

실시예 1 ~ 4는 공형압연한 소재에 대해 별도의 열처리 없이 경도를 측정하였으며, 실시예 5는 후열처리를 수행한 후 경도를 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 2와 같았다.In Examples 1 to 4, hardness was measured without additional heat treatment on the ball-rolled material, and in Example 5, hardness was measured after performing post-heat treatment, and the results are shown in Table 2 below.

시편Psalter 경도
(Hv)
Hardness
(Hv)
실시예1Example 1 190190 실시예2Example 2 176176 실시예3Example 3 197197 실시예4Example 4 180180 실시예5Example 5 325325 비교예comparative example 182182

상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 합금들의 경도는 비교예에 따른 타이타늄 합금의 경도와 유사한 수준을 나타내었다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 합금의 경도 특성은 비교예와 유사한 특성을 나타내었다.또한, 실시예 1 ~ 4는 공형압연한 소재에 대해 별도의 열처리 없이, 실시예 5는 후열처리를 수행한 후 인장특성을 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 3과 같았다.As can be seen in Table 2, the hardness of the titanium alloys according to the embodiment of the present invention exhibited a level similar to the hardness of the titanium alloy according to the comparative example. That is, the hardness characteristics of the titanium alloy according to the embodiment of the present invention exhibited characteristics similar to those of the comparative example. In addition, in Examples 1 to 4, without separate heat treatment for the ball-rolled material, Example 5 was post-heat treatment After carrying out, the tensile properties were evaluated, and the results are shown in Table 3 below.

시편Psalter 항복강도
(MPa)
yield strength
(MPa)
인장강도
(MPa)
tensile strength
(MPa)
연신율
(%)
elongation
(%)
탄성계수
(GPa)
modulus of elasticity
(GPa)
실시예1Example 1 618618 635635 2222 6363 실시예2Example 2 600600 616616 2121 6060 실시예3Example 3 623623 650650 2020 6767 실시예4Example 4 524524 608608 2424 4848 실시예5Example 5 10941094 11531153 4.74.7 9494 비교예comparative example 500500 600600 21.321.3 4545

상기 표 3과 도 3에서 확인되는 바와 같이, 비교예에 따른 합금 조성에 알파상 안정화 원소인 Al을 소량 첨가한 본 발명의 실시예 1 ~ 4에 따른 합금은, 비교예와 대비하면, 인장강도는 유사하거나 다소 상승한 수준이나, 항복강도는 현저하게 향상된 것을 알 수 있다. 실시예 5에 따른 합금은 추가적인 후열처리 공정에 의해 연신율은 많이 낮아지나, 인장강도 및 항복강도가 거의 2배에 이를 정도로 급격히 상승된 것을 알 수 있다.또한, 탄성계수의 측면에서, 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 합금은 탄성계수를 높이는 알파상 안정화 원소인 Al이 첨가되었음에도 불구하고, 탄성계수는 크게 증가하지 않았다.As can be seen in Table 3 and FIG. 3, the alloys according to Examples 1 to 4 of the present invention in which a small amount of Al, an alpha-phase stabilizing element, was added to the alloy composition according to the comparative example, compared with the comparative example, the tensile strength It can be seen that the level is similar or slightly increased, but the yield strength is remarkably improved. In the alloy according to Example 5, the elongation is much lowered by the additional post-heat treatment process, but it can be seen that the tensile strength and the yield strength are sharply increased to almost double. In addition, in terms of modulus of elasticity, the In the titanium alloy according to the embodiment, although Al, an alpha-phase stabilizing element that increases the modulus of elasticity, was added, the modulus of elasticity did not significantly increase.

즉, 본 발명의 실시예에 첨가된 Al은 항복강도를 인장강도에 근접한 수준으로 향상시키면서, 경도와 연신율에 대한 손실이 거의 없고, 탄성계수도 비교예에 비해 크게 높지 않고, 50 ~ 60GPa 정도로 양호한 수준을 나타내므로, 비교예에 따른 타이타늄 합금에 비해, 내구성과 강도가 요구되는 제품으로의 확장성을 높이는데 유리하다. 후열처리 공정에 의해서 내구성과 강도, 연신율과 탄성계수 등을 추가적으로 제어할 수 있다.That is, Al added to the example of the present invention improves the yield strength to a level close to the tensile strength, and has almost no loss in hardness and elongation, and the elastic modulus is not significantly higher than that of the comparative example, and is as good as 50 to 60 GPa. Since it represents the level, it is advantageous to increase the extensibility to products requiring durability and strength, compared to the titanium alloy according to the comparative example. Durability, strength, elongation, and modulus of elasticity can be additionally controlled by the post-heat treatment process.

생체 적합성biocompatibility

세포를 시편 위에 분주했을 때, 증식이 많이 될수록 생체에 적합하다고 판단할 수 있으므로, 세포 증식률에 관한 시험을 통해 생체 적합성을 판단하였다.When the cells were dispensed on the specimen, the more the cells proliferated, the more biocompatibility could be judged.

본 시험에서 시편 위에 1.223×105 개의 세포를 분주하였다. 세포를 시편 위에 분주하였을 때, 모든 세포가 시편 위에 달라붙지 않기 때문에 회수율은 100%가 되지 않는다. 또한 MG-63 cell의 배가 시간을 고려해보았을 때, 전체 세포 중에 약 25~30%만 시편에 초기 부착하여 증식한 것으로 추정된다.In this test, 1.223×10 5 cells were seeded on the specimen. When the cells are dispensed on the specimen, the recovery rate is not 100% because not all cells are attached to the specimen. Also, considering the doubling time of MG-63 cells, it is estimated that only about 25-30% of the total cells initially adhered to the specimen and proliferated.

72시간 동안 세포를 배양하고 직접 수를 세어본 결과, 초기 부착율이 같다고 가정했을 때, 도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 2에 따른 타이타늄 합금의 세포 증식률은, Ti-6Al-4V 합금에 비해 우수하고 CP Ti와 유사한 생체 적합성을 갖는 것으로 보고된 비교예에 따른 타이타늄 합금의 세포 증식률과 유사한 결과를 나타내었다.As a result of culturing cells for 72 hours and direct counting, assuming that the initial adhesion rate is the same, as shown in FIG. 4 , the cell proliferation rate of the titanium alloy according to Example 2 of the present invention is Ti-6Al-4V It was superior to the alloy and showed a result similar to the cell proliferation rate of the titanium alloy according to the comparative example reported to have a biocompatibility similar to that of CP Ti.

또한, 도 5에서 확인되는 바와 같이, 흡광도를 측정한 결과도, 세포 수 측정 결과와 동일한 경향을 나타내었다.In addition, as confirmed in FIG. 5 , the results of measuring the absorbance also showed the same tendency as the results of measuring the number of cells.

이로부터, 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 합금은 CP Ti과 유사한 생체 적합성을 가진 비교예에 따른 타이타늄 합금와 유사하므로, 본 발명에 따른 타이타늄 합금의 생체 적합성이 매우 우수하다는 것을 알 수 있다.From this, it can be seen that the titanium alloy according to the embodiment of the present invention is similar to the titanium alloy according to the comparative example having biocompatibility similar to CP Ti, and thus the biocompatibility of the titanium alloy according to the present invention is very excellent.

Claims (7)

중량%로, Nb: 37 ~ 41%, Zr: 5 ~ 8%, Al: 0.3 ~ 1.0%, 나머지 Ti 및 불가피한 불순물을 포함하는 타이타늄 합금으로,
상기 타이타늄 합금의 탄성계수는 45 ~ 95GPa이고,
상기 타이타늄 합금의 항복강도는 600MPa 이상이고,
상기 타이타늄 합금의 연신율이 20% 이상인, 타이타늄 합금.
By weight%, Nb: 37 to 41%, Zr: 5 to 8%, Al: 0.3 to 1.0%, as a titanium alloy containing the remainder Ti and unavoidable impurities,
The elastic modulus of the titanium alloy is 45 ~ 95 GPa,
The yield strength of the titanium alloy is 600 MPa or more,
The elongation of the titanium alloy is 20% or more, a titanium alloy.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 기재된 타이타늄 합금으로 제조된 의료용 물품.A medical article made of the titanium alloy according to claim 1 . 제1항에 기재된 타이타늄 합금으로 제조된 스포츠/레저용 물품.A sports/leisure article made of the titanium alloy according to claim 1 .
KR1020190056992A 2018-06-11 2019-05-15 Titanium alloy with low elastic modulus and high yield strength KR102301567B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210064735A KR20210061324A (en) 2018-06-11 2021-05-20 Titanium alloy with low elastic modulus and high yield strength

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20180066703 2018-06-11
KR1020180066703 2018-06-11

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210064735A Division KR20210061324A (en) 2018-06-11 2021-05-20 Titanium alloy with low elastic modulus and high yield strength

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190140393A KR20190140393A (en) 2019-12-19
KR102301567B1 true KR102301567B1 (en) 2021-09-14

Family

ID=68842288

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190056992A KR102301567B1 (en) 2018-06-11 2019-05-15 Titanium alloy with low elastic modulus and high yield strength
KR1020210064735A KR20210061324A (en) 2018-06-11 2021-05-20 Titanium alloy with low elastic modulus and high yield strength

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210064735A KR20210061324A (en) 2018-06-11 2021-05-20 Titanium alloy with low elastic modulus and high yield strength

Country Status (2)

Country Link
KR (2) KR102301567B1 (en)
WO (1) WO2019240395A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102472842B1 (en) * 2020-11-23 2022-12-01 전북대학교산학협력단 Method for producing ferrotitanium with improved elongation and ferrotitanium produced thereby

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001348635A (en) 2000-06-05 2001-12-18 Nikkin Material:Kk Titanium alloy excellent in cold workability and work hardening
JP5005889B2 (en) 2005-03-28 2012-08-22 住友金属工業株式会社 High strength low Young's modulus titanium alloy and its manufacturing method

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6238491B1 (en) * 1999-05-05 2001-05-29 Davitech, Inc. Niobium-titanium-zirconium-molybdenum (nbtizrmo) alloys for dental and other medical device applications
KR100417943B1 (en) * 1999-06-11 2004-02-11 가부시키가이샤 도요다 쥬오 겐큐쇼 Titanium alloy and method for producing the same
WO2002050324A1 (en) * 2000-12-20 2002-06-27 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Titanium alloy having high elastic deformation capacity and method for production thereof
JP5204301B2 (en) 2008-05-28 2013-06-05 コリア インスティチュート オブ マシナリー アンド マテリアルズ Beta titanium alloy with low elastic modulus
US20130209824A1 (en) * 2012-02-15 2013-08-15 Rti International Metals, Inc. Titanium alloys
KR101562669B1 (en) * 2014-09-30 2015-10-23 한국기계연구원 Ultrahigh strength, ultralow elastic modulus, and stable superelasticity titanium alloy with non-linear elastic deformation

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001348635A (en) 2000-06-05 2001-12-18 Nikkin Material:Kk Titanium alloy excellent in cold workability and work hardening
JP5005889B2 (en) 2005-03-28 2012-08-22 住友金属工業株式会社 High strength low Young's modulus titanium alloy and its manufacturing method

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190140393A (en) 2019-12-19
WO2019240395A1 (en) 2019-12-19
KR20210061324A (en) 2021-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI631222B (en) High strength alpha/beta titanium alloy
KR100971649B1 (en) Beta-based titanium alloy with low elastic modulus
Liu et al. Mechanical properties and cytocompatibility of oxygen-modified β-type Ti–Cr alloys for spinal fixation devices
JPH02107734A (en) Titanium alloy having a high strength, a low elastic modulus, ductility and organism-compatibility
EP1842933B1 (en) Beta-type titanium alloy and product thereof
CN1665948A (en) Beta titanium compositions and methods of manufacture thereof
JP6006872B2 (en) Titanium alloy with linear elastic deformation, ultra-high strength and ultra-low elasticity
KR102301567B1 (en) Titanium alloy with low elastic modulus and high yield strength
Hsu et al. Structure and mechanical properties of as-cast Ti–5Nb–xCr alloys
KR100653160B1 (en) Production method of Ti-base alloy with low elastic modulus and excellent bio-compatibility
KR101562669B1 (en) Ultrahigh strength, ultralow elastic modulus, and stable superelasticity titanium alloy with non-linear elastic deformation
JP2006089825A (en) Superelastic titanium alloy for living body
CN111020342B (en) Method for preparing antibacterial titanium alloy through deformation strengthening
KR100959197B1 (en) Titanium alloy with excellent bio-compatibility, low elastic modulus and high strength
JP4528109B2 (en) Low elastic β-titanium alloy having an elastic modulus of 65 GPa or less and method for producing the same
EP2788519B1 (en) Method for increasing mechanical strength of titanium alloys having " phase by cold working
CN111655879A (en) Ti-Zr-O ternary alloy, method for producing said alloy and use related thereto
US20240002982A1 (en) Superelastic alloys
TW201331380A (en) Method for enhancing mechanical strength of a titanium alloy by aging
Park et al. Microstructural Control for Characteristics of Biomedical Ti–39Nb–6Zr–0.45 Al Alloy
TWI663261B (en) Composition of titanium alloys with low young's modulus
DE102004022458A1 (en) Cold-formable titanium-based alloy bodies and process for their production
KR100888679B1 (en) Ti-BASE ALLOY WITH EXCELLENT BIOSTABILITY AND BIOCOMPATIBILITY
KR100742565B1 (en) A high strength and low elastic Modulus Titanium Alloy and a bio-nontoxic and biocompatible biomaterial using the same
RU2777089C2 (en) Three-component alloys ti-zr-o, their production methods and their corresponding applications

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
A107 Divisional application of patent
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant