KR20060083167A - 고강도 저탄성 티타늄 합금 및 이를 이용한 생체적합성의생체 재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생체 재료로서의 적합성과 안경용 프레임, 골프클럽페이스, 스프링 등과 같은 고강도와 저탄성이 요구되는 많은 다른 분야에서 응용이 가능한 티타늄 합금에 관한 것이다. 그를 위해서는 저탄성을 유지하면서 강도를 더욱 향상시킬 필요성이 있다. 따라서, 본 발명은 고강도 저탄성 티타늄 합금으로서, Nb 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 제2원소와, Sn 및 In로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 제3원소와, Cr, Mo 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 제4원소와, 잔부가 Ti 및 기타 불가피한 불순물로 구성되는 고강도 저탄성 티타늄 합금을 제공한다.

고강도, 저탄성, 생체무독성, 티타늄 합금

Description

고강도 저탄성 티타늄 합금 및 이를 이용한 생체적합성의 생체 재료{A high strength and low elastic Modulus Titanium Alloy and a bio-nontoxic and biocompatible biomaterial using the same }

도 1은 각종 순금속에 대해 생체적합성을 나타내는 그래프.

도 2는 각종 순금속의 세포 독성을 설명하기 위해 도시한 그래프.

도 3는 본 발명에 따른 고강도 저탄성 티타늄 합금을 이용한 생체재료에 대한 세포독성 평가 결과 표시.

본 발명은 티타늄 합금에 관한 것으로, 특히 고강도 및 저탄성 특성을 가지므로써 생체재료로서 적합할 뿐만 아니라, 그 외 많은 분야에 응용될 수 있는 고강도 저탄성 티타늄 합금에 관한 것이다.

티타늄 합금은 강도와 내식성이 크고 비교적 가벼움으로써, 항공, 우주, 생체재료 등 많은 분야에서 다양하게 적용된다. 그러나 일반적으로 티타늄 합금은 가공성이 좋지 않기 때문에, 제품의 가격이 비싸고, 합금마다 그 사용 용도가 제한적 이다.

티타늄 합금이 갖는 고강도 특성과 저강성의 기본적인 특성을 이용하기 위해 개발된 대표적인 합금이 TiNi(니티놀)이다. 그러나 TiNi는 인체에 적용시 독성원소인Ni가 알레르기를 일으킬 수 있다는 점에서 생체재료로서는 부적합하며, 이미 구미에서는 이의 사용을 금지하고자 하는 움직임이 있어 왔다.

이러한 문제점을 고려하여 개발된 새로운 소재로서 Ti-Nb계, Ti-Mo계, Ti-Zr계 등의 합금이 있다. 이 중에서도 Ti-Nb계는 제3원소로서 Sn을 첨가하여 형상기억효과를 발현시키고 냉간가공성도 우수한 장점을 지녀 장래 TiNi을 대체해 갈 수 있는 우수한 소재로 평가받고 있다.

그러한 형상기억특성이나 저탄성 및 초탄성 효과를 갖는 종래의 티타늄 합금을 구체적으로 살펴보면, Ti와 Zr의 양쪽 또는 적어도 한가지 원소, Nb와 Ta의 양쪽 또는 한가지 원소, 그리고 제3의 원소로 Sn을 주요원소로 한다(일본 특허 출원 2000-146686 참조). 이 합금은 Nb와 Ta의 합계원소 퍼센트가 10~20at%이고 Sn은 3~6at%이다. Nb 및 Ta는 Ti 및 Zr의 마르텐사이트 변태온도를 낮추는 β안정형이고 Ti 및 Zr의 마르텐사이트 변태 및 형상기억효과를 인체에 사용가능한 실온근처까지 낮출 수가 있다. Sn은 α안정형 원소이나 마르텐사이트 변태온도를 거의 상승시키지 않고, β상을 불안정화하여 마르텐사이트를 열탄성형으로 할 수가 있다. 또한 Sn은 마르텐사이트 역변태 제어에 중요한 인자인 단범위규칙도를 강하게 나타나게 하여 안정한 형상기억효과의 발현에 유리하다.

그러나, 이와 같이 Ti와 Zr, Nb와 Ta, 및 Sn을 주요원소로 하여 형상기억특 성이나 저탄성을 갖도록 한 티타늄 합금은 생체재료 외에 다른 제품, 이를테면 안경용 프레임, 골프클럽의 페이스, 스프링 등에 다양하게 응용시키기에는 강도가 다소 낮다는 문제가 있다. 또한 이 합금은 고가의 Nb가 적게는 10at%에서부터 많게는 20at% 가량이 첨가되고, 또한 Nb의 융점도 대단히 높아서 용해 공정의 비용이 많이 들어가기 때문에 비용이 높아지는 문제가 있다. 이러한 문제점들을 개선한 새로운 합금의 탄생이 가능하다면 생체재료에 국한되지 않고 보다 더 많은 분야에서 실용화가 이루어질 것이다.

본 발명은 상술한 종래의 티타늄 합금의 문제점을 감안하여 도출된 것으로서, 고강도 및 저탄성을 가짐으로써 생체재료 분야를 포함하는 다양한 분야에 응용될 수 있고 또한 상대적으로 저렴한 티타늄 합금 및 이를 이용한 생체 무독성 및 생체 적합성의 생체재료를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 고강도 저탄성 티타늄 합금은: Nb 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 제2원소; Sn 및 In로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 제3원소; Cr, Mo 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 제4원소; 및 잔부가 Ti 및 기타 불가피한 불순물로 구성된다.

여기에서 제2원소는 15~30wt%, 제3원소는 7~14wt%, 그리고 제4원소는 0.1~4wt%이다.

바람직하게는, 상기 제2원소는 18~28wt%이다.

바람직하게는, 상기 불순물은 O : 0.2~0.6wt%를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 생체 무독성 및 생체 적합성의 생체재료는 위에서 언급된 본 발명에 따른 고강도 저탄성 티타늄 합금으로 이루어진다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 고강도 저탄성 티타늄 합금 및 이를 이용한 생체 무독성 및 생체 적합성의 생체재료에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 각종 순금속에 대해 생체적합성을 나타내는 그래프로서, 분극저항 대 생체적합성을 나타낸다.

도 2는 각종 순금속의 세포 독성을 설명하기 위해 도시한 그래프로서, 유아조직 성장 계수와 L929세포의 상대적 성장속도를 나타낸다.

본 발명은 생체재료로서 적합성을 가지면서, 다른 분야, 예를 들어 안경용 프레임, 골프클럽 페이스, 스프링 등과 같은 제품에도 응용될 수 있는 고강도 저탄성 티타늄 합금을 제공한다. 이를 위해 본 발명의 티타늄 합금은 저강성을 유지하면서 강도를 더욱 향상시킨 4원계 합금 설계를 채용한다.

따라서, 도 1과 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 우선 본 발명의 티타늄 합금에 포함되는 Ti, Zr, Nb, Sn, In, Cr 및 Mo은 생체 적합성이 우수한 원소들이다. 다만, Mo는 다른 원소들에 비해 다소 생체 적합성이 낮고, 또한 도 2에서 알 수 있 는 바와 같이, 순금속의 세포특성에서 심근선 유아조직의 세포 성장 속도는 안정적인 반면, L929 세포의 상대적 성장 속도는 낮다. 따라서 Mo가 생체용에는 완전히 적합하다고 판단할 수는 없다. 그런 이유로, Mo은 강도 향상용으로 소량만 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명의 티타늄 합금의 제2원소는 Nb 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상이다. 다시 말해서, Nb 및 Zr의 모두를 첨가하거나 둘 중 어느 하나를 첨가할 수 있다. 제2원소의 바람직한 첨가량은, 15~30wt%이다. 15% 이하이면 냉간가공성이 떨어지고 30% 이상이면 경제성이 나빠진다. 더 바람직하게는 18~28wt%이다.

본 발명의 티타늄 합금의 제3원소는 Sn 및 In로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상이다. Sn 및 In은 단독 또는 복합(Sn + In)으로 7~14wt% 첨가되며, 15%이상에서는 강도가 떨어져서 고강도를 요구하는 티타늄 합금으로서의 이용이 곤란하고, 7% 이하에는 경제성이 떨어지고, 특성이 보존되기에 부족하다.

본 발명의 티타늄 합금의 제4원소는 Cr, Mo 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상이다. 제4원소의 바람직한 첨가량은 0.1~4wt%이며, 4%이상이면 경도가 너무 높아 냉간가공성이 급격히 떨어지며, 0.1%이하에서는 강도 변화에 큰 영향이 없는 것으로 나타났다. Cr, Mo는 금속간 화합물을 미세하게 형성시켜 강도 향상에 기여한다.

본 발명의 잔부는 Ti 및 기타 불가피한 불순물로 구성되는데, 상기 불순물로 O가 첨가될 경우 O는 0.2~0.6wt%가 바람직하다. O는 나노 크기의 미세한 산화물을 생성시켜 미세 분산됨으로써 강도 향상에 기여하며, 0.2% 이하에서는 강도 향상 효과가 크지 않고, 0.6% 이상에서는 취성을 갖게 된다.

(실시예)

본 발명의 티타늄 합금에 대해 아래와 같이 시편을 제조하여 세포독성 시험 및 인장강도를 측정하였다.

진공유도 용해로에서 용해 주조하여 Round-Bar 형상의 인고트를 제조한 후 표면의 산화막을 산세 작업을 통하여 제거하였다.

Round-Bar 형상의 인고트를 900~1150℃ 부근에서 100ton의 열간 단조기를 이용하여 제품 두께가 5mm가 될 때까지 열간 단조 작업을 진행하였다. 열간 단조 후 제품 표면에 있는 산화막을 제거하기 위해 산세 작업을 수행하였다.

이 판재를 예열온도 600~900℃ × 1.5hr로 예열하여 열간 압연을 수행하여 1mm 두께의 판재형상을 얻었다. 이 때 최종 두께가 얻어지는 시점에서 얼음물에 급냉처리를 수행하였다. 압연된 제품의 표면의 산화막을 산세 처리를 통하여 제거하였고, Wire 방전 가공을 통하여 시험편들을 제작하였다.

본 발명에 따른 고강도 저탄성 티타늄 합금의 조성 및 인장강도 시험결과는 표 1에 나타나 있다.

합급계(wt%)	인장강도(MPa)	탄성강도(MPa)
63.6Ti-25.2Nb-11.0Sn-0.2O	610	71
63.1Ti-25.2Nb-11.0Sn-0.5Mo-0.2O	678	73
62.6Ti-25.2Nb-11.0Sn-1.0Mo-0.2O	690~745	77~80

표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 고강도 저탄성 티타늄 합금은 우수한 인장강도와 저탄성 효과를 확인할 수 있다.

도 3는 본 발명에 따른 생체 무독성 및 생체 적합성의 생체 재료로 제작되어진 시험편을 이용하여 Media 대조액을 이용하여 세포독성 시험한 결과 사진에서 보는 바와 같이 양성대조액과 같은 반응을 하지 않고 음성대조액과 유사한 반응을 함으로써 본 소재가 무독성원소를 갖는 합금계이면서 제작 공정에서도 세포 독성을 갖지 않는 것을 확인하였다. 본 시험결과 Nb, Zr 15~30wt%, Sn, In 7~14wt%, O 0.2~0.6wt%, Cr, Mo, Al은 0.1~4wt%에서 저탄성의 현상이 발현되었고, 인장강도의 경우 제 4원소 그룹의 원소를 첨가하여 평가한 결과 Ti-Nb-Sn의 3원계보다 10~25% 향상된 70~76kg/mm²을 나타내었다.

본 발명의 티타늄 합금은 생체재료뿐만아니라, 골프헤드 페이스, 스프링, 안경용 프레임 등과 같은 저탄성 특성을 가지면서 고강도를 요구하는 다른 제품에 응용하기에 적합하다. 또한 고가이면서 융점이 대단히 높은 Nb(2468℃), Ta(2996℃) 등의 첨가량을 줄이고, 저가이면서 융점이 상대적으로 낮은 Sn(228℃), Cr(1857℃), Zr(1852℃)의 첨가량을 늘림으로써 용해 주조시의 생산성과 가격경쟁력을 올리는 효과가 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 상기한 바와 같은 고강도 저탄성의 티타늄 합금 및 이를 이용한 생체 무독성 및 생체 적합성의 생체 재료를 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 고강도 저탄성 티타늄 합금으로서:

   Nb 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 제2원소;

   Sn 및 In로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 제3원소;

   Cr, Mo 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 제4원소; 및

   잔부가 Ti 및 기타 불가피한 불순물로 구성되는 고강도 저탄성 티타늄 합금.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제2원소는 15~30wt%; 상기 제3원소는 7~14wt%; 및 상기 제4원소는 0.1~4wt%인 고강도 저탄성 티타늄 합금.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제2원소는 18~28wt%인 고강도 저탄성 티타늄 합금.
4. 제 1항에 있어서, 상기 불순물은 O : 0.2~0.6wt%를 포함하는 고강도 저탄성 티타늄 합금.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 고강도 저탄성 티타늄 합금으로 이루어진 생체 무독성 및 생체 적합성의 생체재료.

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