KR20130070914A - Method of manufacturing ultrafine-grained titanium rod for biomedical applications, and titanium rod manufactured by the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 의료용으로 최적화된 초세립 티타늄 합금 봉재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 낮은 탄성계수와 우수한 생체적합성을 가지면서도 종래의 의료용 티타늄 합금보다 높은 강도를 가지고 있어, 다양한 의료분야에 적용할 수 있는 티타늄 합금을 봉상의 벌크재로 대량 생산할 수 있는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an ultrafine titanium alloy rod optimized for medical use and a method for manufacturing the same, and more specifically, has a high modulus than a conventional medical titanium alloy while having a low modulus of elasticity and excellent biocompatibility. The present invention relates to a method for mass production of a titanium alloy applicable to the bulk material of a rod.
티타늄은 일반적으로 비강도(강도/무게)가 높고, 내식성 등이 탁월하여 다양한 산업분야의 기초소재로 활용도가 높아 꿈의 신소재라고 불릴 정도로 미래의 활용분야가 기대되는 금속 소재중 하나이며, 이러한 티타늄의 여러 우수한 특성들로 인해 생체의료, 해양, 항공우주, 스포츠 및 레저 등의 분야에 우수한 재료로 널리 연구개발되고 있다.Titanium is one of the metal materials that is expected to be used in the future as it is called as a new material of dream because it has high specific strength (strength / weight) and excellent corrosion resistance. Due to its excellent properties, it is widely researched and developed as an excellent material in the fields of biomedical, marine, aerospace, sports and leisure.
최근에는 인체 내에서의 높은 화학적 안정성과 생체 적합성이 우수한 물성을 이용하여 임플란트 등과 같은 인체의 뼈 등을 대체하는 생체 의료용 금속 소재로도 다양하게 사용되고 있는데, 여기서 "생체 의료용 금속 소재"라 함은, 골격, 관절, 치아 등을 대체하여 인체에 이식되기 위해 개발되어 온 재료로서 인공 뼈, 인공 관절, 인공 치아 등 각종 인공 보형물을 제조하기 위해 개발된 금속소재를 의미한다.Recently, a variety of biomedical metal materials are used to replace bones of the human body, such as implants, by using high chemical stability and excellent biocompatibility in the human body. Here, the term "biomedical metal materials", It is a material that has been developed to replace the skeleton, joints, teeth, etc. to be implanted in the human body, and means a metal material developed to manufacture various artificial implants such as artificial bones, artificial joints, artificial teeth, and the like.
한편, 생체 의료용 재료로 사용된 티타늄 및 그 합금의 1세대는 순 티타늄과 Ti-6Al-4V 합금(ELI 합금) 등인데, 순 티타늄의 경우 생체 재료로서 요구되는 강도와 같은 특성을 충분히 만족시키기 어렵고, ELI 합금의 경우 합금성분인 알루미늄(Al)이 치매를 유발할 가능성이 있고 바나듐(V)이 세포독성을 나타낸다는 문제점이 있어, 의료용으로는 적합하지 않다.On the other hand, the first generation of titanium and its alloys used as biomedical materials are pure titanium and Ti-6Al-4V alloys (ELI alloys), which are difficult to fully satisfy properties such as strength required as biomaterials. In the case of the ELI alloy, aluminum (Al), which is an alloying component, may cause dementia and vanadium (V) may exhibit cytotoxicity, which is not suitable for medical use.
이러한 문제를 해결하기 위해, 생체 재료에서 요구되는 기계적 특성 및 생체적합성을 양립시키기 위한 목적으로, Ti-13Nb-13Zr 합금이 개발되었으며, Ti-13Nb-13Zr 합금은 그 미세조직을 초세립(ultrafine-grain)으로 만들어 고강도화할 경우, 고부가가치의 임플란트에도 응용할 수 있다. In order to solve this problem, Ti-13Nb-13Zr alloy was developed for the purpose of achieving both the mechanical properties and the biocompatibility required in the biomaterials, and the Ti-13Nb-13Zr alloy was used for ultrafine-fine microstructure. It can also be applied to high value-added implants when it is made of high strength.
한편, 초세립을 만들기 위한 방법으로, 강소성 가공법인 ECAP(equal-channel angular pressing), ECAE(equal-channel angular extrusion), HPT(high-pressure torsion) 등이 있다. 그러나 이 방법들을 통해 제조할 수 있는 제품은 그 길이가 수십 밀리미터에 불과하여 산업적인 응용에 상당한 한계로 작용하고 있다.On the other hand, as a method for making ultra-fine grains, there is a rigid plastic processing method ECAP (equal-channel angular pressing), ECAE (equal-channel angular extrusion), HPT (high-pressure torsion). However, products that can be manufactured using these methods are only a few tens of millimeters in length, placing significant limitations on industrial applications.
또한, 초세립 티타늄에 대한 선행문헌으로 한국 공개특허공보 제 2006-0087077호에는 ECAP을 이용하여 티타늄 합금의 결정립을 미세화하는 방법이 개시되어 있는데, 이 방법은 (i) 초세립 재료의 형성을 위하여 재료에 가해야 하는 변형량이 너무 높고 (ii) 최종 생산한 초세립 티타늄 합금이 산업적 용도가 제한되는 크기이며 (iii) ECAP 공정의 특성상 대량생산이 불가능한 문제점을 안고 있다.In addition, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2006-0087077 discloses a method for refining grains of a titanium alloy using ECAP as a prior art document for ultrafine titanium, which is (i) to form an ultrafine material. There are problems in that the amount of deformation to be applied to the material is too high, (ii) the final produced ultrafine titanium alloy is of limited industrial use, and (iii) the mass production is impossible due to the nature of the ECAP process.
또 다른 선행문헌으로 한국 공개특허공보 제2011-0026153호가 있는데, 이 문헌에는 티타늄을 저변형량 조건에서 압연하여 초세립 티타늄 판재를 제조하는 방법이 개시되어 있는데, 최종 형상이 두께 수 밀리미터의 판재이기 때문에, 환상의 봉재를 요구하는 임플란트용 재료를 비롯한 대부분의 의료용 재료에는 활용할 수 없는 문제점이 있다.
Another prior art is Korean Laid-Open Patent Publication No. 2011-0026153, which discloses a method for producing ultrafine titanium plate by rolling titanium under low strain conditions, since the final shape is a plate of several millimeters in thickness. There is a problem that cannot be utilized in most medical materials, including implant materials that require annular bars.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 과제는 탄성계수가 낮고 독성이 없어 생체적합성이 우수하면서도 충분한 강도를 가지고 있을 뿐아니라, 봉상으로 제조될 수 있어, 임플란트와 같은 고부가가치 의료용 재료에 적용할 수 있는 티타늄 합금의 대량 생산 방법을 제공하는데 있다.
The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, the problem of the present invention is low elastic modulus and no toxicity, excellent biocompatibility and sufficient strength, as well as can be manufactured as a rod, such as an implant The present invention provides a method for mass production of titanium alloys applicable to high value-added medical materials.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, Nb 10~15중량%와, Zr 10~15중량%와, 나머지 Ti와 불가피한 불순물을 포함하는 티타늄 합금을 베타변태온도 (~742℃) 이상으로 열처리하는 제 1 열처리 단계; 제 1 열처리된 티타늄 합금을 수냉하여 층상의 마르텐사이트 조직을 갖도록 하는 단계; 및 수냉된 티타늄 합금을 공형압연을 통해 단면 감소율 기준 80% 이상의 변형량을 가하여 봉재를 형성하는 단계;를 포함하는 초세립 티타늄 합금 봉재의 제조방법을 제공한다.As a means for solving the above problems, the present invention, the heat treatment of a titanium alloy containing 10 to 15% by weight of Nb, 10 to 15% by weight of Zr and the remaining Ti and inevitable impurities at a beta transformation temperature (˜742 ° C.) or more. A first heat treatment step; Cooling the first heat-treated titanium alloy to have a layered martensite structure; And forming a bar by applying a water-cooled titanium alloy to a deformation rate of 80% or more based on a cross-sectional reduction rate through die rolling.
또한, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 제 1 열처리 단계는 742~900℃에서 30분 이상 수행하는 것이 바람직하다. In addition, in the practice of the present invention, the first heat treatment step is preferably carried out for 30 minutes or more at 742 ~ 900 ℃.
또한, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 공형압연 단계 전에, 상기 수냉된 티타늄 합금을 450~742℃에서 30분 이상 열처리하는 제 2 열처리 단계를 포함할 수 있다. In addition, in the practice of the present invention, before the step of rolling, may comprise a second heat treatment step of heat-treating the water-cooled titanium alloy at 450 ~ 742 ℃ for 30 minutes or more.
또한, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 공형압연 단계에서 변형량은 6~12 패스에 걸쳐 이루어지는 것이 바람직하다. In addition, in the practice of the present invention, it is preferable that the amount of deformation in the step of rolling is made over 6 to 12 passes.
또한, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 공형압연의 각 패스 사이에는 티타늄 합금을 1~10분간 450~742℃로 가열하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. In addition, in the practice of the present invention, it may further comprise the step of heating the titanium alloy to 450 ~ 742 ℃ for 1 to 10 minutes between each pass of the ball rolling.
또한, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 공형압연의 각 패스를 수행한 경우, 티타늄 합금을 90° 회전시킨 후 다음 패스를 수행할 수 있다.In addition, in the practice of the present invention, in the case of performing each pass of the rolling, it is possible to perform the next pass after rotating the titanium alloy 90 °.
또한, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 봉재의 평균 결정립 크기는 1㎛ 이하 일 수 있으며, 바람직하게는 500nm 이하가 되도록 한다.In addition, the average grain size of the bar produced by the method according to the invention may be 1㎛ or less, preferably to 500nm or less.
또한, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 봉재의 항복강도는 900MPa 이상이고, 인장강도 1000MPa 이상일 수 있다.
In addition, the yield strength of the bar produced by the method according to the invention may be at least 900MPa, the tensile strength may be at least 1000MPa.
본 발명에 의하면, 독성이 없어 생체적합성이 있고 낮은 탄성계수를 가질 뿐 아니라 강도도 우수한 티타늄 합금을 봉상의 형태로 대량 생산할 수 있다.According to the present invention, it is possible to mass-produce a titanium alloy in the form of a rod, which is not toxic and has biocompatibility, low elastic modulus and excellent strength.
또한, 본 발명에 의하면, 봉재의 직경 및 길이의 조절이 자유롭고 대량생산이 가능하다는 점에서 임플란트용 재료와 같은 고부가가치 의료용 재료로 적합하게 사용될 수 있다.
Further, according to the present invention, it can be suitably used as a high value-added medical material such as an implant material in that the diameter and length of the bar can be freely adjusted and mass production is possible.
도 1은 본 발명의 실시예에서 사용한 공형압연기의 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 공형압연롤의 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공형압연 중, 4패스(변형률 45%)를 수행한 티타늄 합금재의 미세조직 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Ti-13Nb-13Zr 합금으로 이루어진 봉재의 평면 및 단면 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Ti-13Nb-13Zr 합금으로 이루어진 봉재의 미세조직 분석 결과를 나타낸 것이다.1 is a photograph of a ball mill used in the embodiment of the present invention.
Figure 2 is a photograph of the rolling roll used in the embodiment of the present invention.
Figure 3 is a microstructure photograph of a titanium alloy material was performed four passes (45% strain) during the cold rolling according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a plan view and a cross-sectional picture of a bar made of Ti-13Nb-13Zr alloy prepared according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the microstructure analysis results of the bar made of Ti-13Nb-13Zr alloy prepared according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 단지 예시적인 것으로, 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are merely illustrative and should not be construed as limiting the invention.
재료학적으로 본 발명에 따른 티타늄 합금 봉재의 제조방법은, 마르텐사이트 변태, 동적 구상화 및 결정립 미세화 기구를 동시에 이용하여 초세립의 미세조직을 갖도록 하고, 동시에 고강도, 저탄성계수 및 생체적합성이 있는 티타늄 합금을 봉재(특히, 환형의 봉재)의 형태로 제조하는데 특징이 있다.In terms of material, the method for producing titanium alloy rod according to the present invention has a super fine grain microstructure by simultaneously using martensite transformation, dynamic spheroidization, and grain refining mechanism, and at the same time, titanium having high strength, low modulus of elasticity, and biocompatibility. It is characteristic for producing alloys in the form of rods (particularly annular rods).
본 발명에 따른 티타늄 합금 봉재의 제조방법은 대략적으로, Nb 10~15중량%와, Zr 10~15중량%와, 나머지 Ti와 불가피한 불순물을 포함하는 티타늄 합금을 베타변태온도 (~742℃) 이상으로 열처리하고 수냉하여 층상의 마르텐사이트 조직을 갖도록 하는 단계(마르텐사이트 변태 단계)와, 수냉된 티타늄 합금을 공형압연을 통해 단면 감소율 기준 80% 이상의 변형량을 가하여 결정립 미세화와 함께 봉상의 형상을 갖도록 하는 단계(동적 구상화 및 결정립 미세화 단계)로 구성된다.The method for producing a titanium alloy rod according to the present invention is a titanium alloy containing approximately 10 to 15% by weight of Nb, 10 to 15% by weight of Zr, and remaining Ti and unavoidable impurities, at a beta transformation temperature (˜742 ° C.) or more. Heat treatment and water cooling to have a layered martensite structure (martensite transformation step), and the water-cooled titanium alloy is added to the deformation rate by 80% or more on the basis of the cross-sectional reduction rate through the co-rolling so as to have the shape of a rod with grain refinement. Step (dynamic spheroidization and grain refinement step).
본 발명에 따른 티타늄 합금은 합금원소로 Nb 10~15중량%와, Zr 10~15중량%를 포함하는데, 그 이유는 다음과 같다.Titanium alloy according to the present invention includes Nb 10-15% by weight and Zr 10-15% by weight as an alloying element, for the following reasons.
상기 니오븀(Nb)은 무른 소재로 성형이 쉬운 회색의 금속으로, 인체 내에서 섬유세포, 부식생성물, 생체용액 등과 유해한 반응성을 나타내지 않고 안정성을 나타내어 생체친화적인 금속소재로 알려져 있다. 또한 상온에서 매우 안정적이며 산소나 강산에도 침식이 되지 않는 등 내식성이 매우 우수한 원소이다. 니오븀(Nb)은 10 ~ 15중량%로 첨가되는 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어날 경우 탄성계수가 급격하게 증가하기 때문이다.The niobium (Nb) is a gray metal that is easy to mold with a soft material, and is known as a biocompatible metal material because it shows stability without showing harmful reactivity with fibrous cells, corrosion products, biological solutions, and the like in the human body. In addition, it is very stable at room temperature and does not corrode in oxygen or strong acid. Niobium (Nb) is preferably added at 10 to 15% by weight, because the elastic modulus is sharply increased outside the above range.
상기 지르코늄(Zr)은 산 및 염기 분위기에서, 고온의 물속에서 내식성이 매우 큰 금속으로 공기 중에서도 산화 피막이 발생하여 강한 내식성을 보인다. 또한 세포독성이 없는 원소로 생체친화적인 금속소재이다. 지르코늄(Zr)은 10 ~ 15중량%로 첨가되는 것이 바람직한데, 이 범위를 벗어날 경우 탄성계수가 급격하게 증가하기 때문이다.The zirconium (Zr) is a metal having a very high corrosion resistance in high temperature water in an acid and base atmosphere, and an oxide film is generated in the air, thereby showing strong corrosion resistance. It is also a biocompatible metal material with no cytotoxic elements. Zirconium (Zr) is preferably added in 10 to 15% by weight, because the elastic modulus is sharply increased outside this range.
상기 마르텐사이트 변태 단계는, 티타늄 합금의 미세조직을 미세한 층상 구조를 갖는 마르텐사이트 조직으로 변태시키기 위한 단계로서, 742~900℃에서 30분 이상 열처리하여 베타상 변태가 이루어지게 한 후 수냉처리를 통해 티타늄 합금을 급냉시킴으로써, 미세한 층상 구조의 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있다. 상기 열처리 온도는 742℃ 미만에서는 베타변태온도 이하인 까닭에 상변태가 원활하게 일어나지 않으므로 742℃ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 900℃를 초과할 경우에는 미세조직의 제어에 있어서 특별한 효과 없이 경제적으로 불리하므로 900℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 열처리 시간은 30분 정도면 변태된 상의 안정성을 도모할 수 있으며, 6시간을 초과하여 열처리하는 것은 경제적으로 불리하므로, 6시간 이하로 하는 것이 바람직하다.The martensite transformation step is a step for transforming the microstructure of the titanium alloy into a martensite structure having a fine layered structure. By quenching a titanium alloy, the martensite structure of a fine layered structure can be obtained. Since the heat transformation temperature is less than beta transformation temperature at less than 742 ℃ phase transformation does not occur smoothly it is preferably set to 742 ℃ or more, if it exceeds 900 ℃ because it is economically disadvantageous without special effects in the control of the microstructure 900 It is preferable to set it as degrees C or less. In addition, the heat treatment time of about 30 minutes can achieve the stability of the transformed phase, heat treatment for more than 6 hours is economically disadvantageous, it is preferable to be 6 hours or less.
상기 동적 구상화 및 결정립 미세화 단계는 마르텐사이트 조직을 갖는 티타늄 합금을 공형압연을 통해 높은 변형률로 변형시킴으로써, 재료 내에서 동적 구상화와 함께 결정립 미세화가 되도록 하기 위한 단계이다. The step of dynamic spheroidization and grain refinement is a step for deforming the titanium alloy having martensite structure at high strain rate through the co-rolling, so that grain refinement with dynamic spheroidization in the material is achieved.
구체적으로, 공형압연전 열처리 단계와, 공형압연 단계로 구분되는데, 공형압연전 열처리 단계는 수냉된 티타늄 합금을 450~742℃에서 30분 이상 열처리하는 단계이다. 이 단계는 공형압연시 가공성을 높이기 위한 것으로 열처리 시간을 30분 이상 수행하되, 다른 상조직으로의 변태를 방지하기 위해 3시간 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 450℃ 미만에서는 가공이 어렵고, 742℃를 초과할 경우 베타상 영역에 들어서게 되어 가공 중에 동적 구상화가 잘 일어나지 않기 때문에, 열처리 온도는 450~742℃를 유지하는 것이 바람직하다.Specifically, the pre-rolling heat treatment step and the pre-rolling rolling step, the pre-rolling heat treatment step is a step of heat-treating the water-cooled titanium alloy at 450 ~ 742
다음으로, 공형압연 단계는 6~12 패스에 걸쳐 이루어지는 것이 바람직한데, 6패스 미만일 경우 패스당 변형량이 많아 가공불량이 발생할 가능성이 높고, 12패스를 초과할 경우 비경제적이기 때문이다. 또한, 상기 공형압연의 패스 사이에는 티타늄 합금을 1~10분간 450~742℃로 재가열하는 단계를 포함할 수 있는데, 이는 각 패스를 거치는 과정에서 재료의 온도가 낮아져 초기의 가공성을 유지하지 못하는 것을 막기 위한 것이다. 또한, 재가열 시간을 1분 미만으로 할 경우 가열 효과가 충분하지 않고, 10분을 초과할 경우, 생산성이 크게 저하되기 때문에, 재가열 시간은 1~10분이 바람직하다. 또한, 가열온도는 초기의 가열온도를 유지하기 위한 것이므로, 초기 온도와 동일하게 450~742℃로 하는 것이 바람직하다.
Next, it is preferable that the rolling step is carried out over 6 to 12 passes, because less than 6 passes may cause a large amount of deformation per pass, resulting in poor machining, and exceeding 12 passes is uneconomical. In addition, it may include the step of reheating the titanium alloy at 450 ~ 742 ℃ for 1 to 10 minutes between the pass of the ball rolling, which is the temperature of the material in the course of each pass is not maintained the initial workability It is to prevent. In addition, when the reheating time is less than 1 minute, the heating effect is not sufficient, and when the reheating time is more than 10 minutes, since the productivity is greatly reduced, the reheating time is preferably 1 to 10 minutes. In addition, since heating temperature is for maintaining initial heating temperature, it is preferable to set it as 450-742 degreeC similarly to initial temperature.
[실시예][Example]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
중량%로, Nb: 13%, Zr: 13%, 나머지 Ti 및 불가피한 불순물로 이루어진 Ti-13Nb-13Zr 합금을, 직경 28mm, 길이 280mm의 봉재로 가공하였다. 이와 같이 가공한 봉재를 열처리로를 사용하여 800℃에서 1시간 동안 열처리한 후 수냉하였다.Ti-13Nb-13Zr alloy consisting of 13% of Nb, 13% of Zr, the balance of Ti and unavoidable impurities was processed into a rod having a diameter of 28 mm and a length of 280 mm. The bar thus processed was heat-treated at 800 ° C. for 1 hour using a heat treatment furnace, followed by water cooling.
이후 해당 재료를 650℃로 가열하여 1시간 동안 열처리한 후, 도 1 및 2에 보여진 50톤급 공형압연기를 이용하여 강소성 가공을 수행하였는데, 본 발명의 실시예에서 사용한 공형압연기는 총 8패스에 걸쳐 누적 단면 감소율 90%이 되도록 설계된 것이다.After the material was heated to 650 ° C. and heat treated for 1 hour, the sintering was performed using the 50 ton class rolling mill shown in FIGS. 1 and 2. The rolling mill used in the embodiment of the present invention was used for a total of 8 passes. It is designed to have a 90% cumulative cross section reduction rate.
구체적인 공형압연 공정은, 650℃로 가열한 봉재를 공형압연기의 4패스까지 연속적으로 압연한 후 다시 열처리로에 넣고 650℃에서 2분간 재가열한 후, 나머지 4패스를 한 후 공랭하는 방식을 사용하였다. 이때 중간에 재가열하는 단계는 재료의 온도를 일정 범위 내에서 유지하여 초기의 성형성을 잃지 않도록 하기 위해서이다. 그리고 공형압연시 모든 패스마다 재료를 시계 방향으로 90°씩 회전하며 압연하였는데, 예를 들면 1패스 압연 후 재료를 시계 방향으로 90°회전하여 2패스 압연을 수행하고 그 후 다시 재료를 시계 방향으로 90°회전하여 (총 180° 회전) 3패스 압연을 수행하는 방식이다.In the specific rolling process, a rod heated to 650 ° C. was continuously rolled up to 4 passes of a ball rolling mill, and then put back into a heat treatment furnace, reheated at 650 ° C. for 2 minutes, and then cooled by air after remaining 4 passes. . At this time, the reheating step is to maintain the temperature of the material within a certain range so as not to lose the initial formability. During the rolling, the material was rolled by 90 ° clockwise in every pass.For example, after one pass rolling, the material was rotated 90 ° clockwise to perform two-pass rolling, and then the material was rotated clockwise again. This is a method of performing 3-pass rolling by rotating 90 ° (rotating 180 ° total).
도 3은 4패스까지 적용한 티타늄 봉재의 미세조직을 나타낸 것이다. 이때 가해진 변형량은 45%였다. 그런데 도 3에서 밝게 표시된 베타영역을 보면 곧은 층상 조직을 상당 부분 유지되고 있어, 4패스까지는 동적 구상화가 제대로 이루어지지 않고 있음을 알 수 있다.Figure 3 shows the microstructure of the titanium bar applied up to four passes. The amount of deformation applied at this time was 45%. However, in the beta region brightly shown in FIG. 3, the straight layered structure is maintained in large part, and it can be seen that dynamic visualization is not properly performed until 4 passes.
도 4는 8패스까지 적용하여 제조한 티타늄 봉재의 측면 및 단면 형상을 촬영한 사진이다. 제조한 티타늄 봉재의 길이 및 직경은 각각 130mm와 9mm로 측정되었는데, 본 발명의 실시예에서 사용한 공형압연기의 공정조건의 조절을 통해, 9~20mm의 폭넓은 직경 범위로 봉재 생산이 가능하며, 봉재의 길이는 투입한 재료에 의존하기 때문에 이론상 한계가 존재하지 않는다. 즉, 본 발명에 의하면, 임플란트용 재료와 같은 고부가가치 의료용 티타늄 합금을 대량으로 생산할 수 있게 된다.Figure 4 is a photograph of the side and cross-sectional shape of the titanium rod produced by applying up to 8 passes. The length and diameter of the manufactured titanium bar were measured to be 130 mm and 9 mm, respectively. Through the adjustment of the process conditions of the ball mill used in the embodiment of the present invention, the bar can be produced in a wide diameter range of 9 to 20 mm, There is no theoretical limit because the length of depends on the material injected. That is, according to the present invention, a high value-added medical titanium alloy such as an implant material can be produced in large quantities.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 티타늄 봉재의 미세조직을 EBSD 기법을 이용하여 관측한 것이다. 도 5의 상측 그림을 통하여 재가열 후 이어진 4패스의 압연을 통해 등축상(equiaxed) 초세립이 성공적으로 형성된 것을 확인할 수 있으며, 정량적인 분석 결과 평균 결정립 크기는 260nm로 측정되었다. 도 5의 하측 그림은 결정립계의 경각을 나타낸 것으로 그림의 대부분을 점유하고 있는 푸른색 라인은 해당 결정립계가 15°이상의 고경각계임을 나타내며, 정량적 분석 결과 전체의 89.4%의 결정립이 고경각 결정립계인 것으로 나타났다. 즉, 8패스의 공형압연을 통해 초세립 봉재의 제조가 가능하였다.5 is an observation of the microstructure of the titanium rod prepared according to the embodiment of the present invention using the EBSD technique. It can be seen from the upper figure of FIG. 5 that the equiaxed ultrafine grains were successfully formed through the rolling of four passes after reheating, and the average grain size was determined to be 260 nm. 5 shows the inclination of the grain boundary, and the blue line occupying most of the figure indicates that the grain boundary is a high incidence system of 15 ° or more, and quantitative analysis showed that 89.4% of the grains were high incidence grain boundaries. . That is, it was possible to manufacture the ultrafine bar rod through the 8-pass process rolling.
하기 표 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조한 티타늄 봉재의 기계적 특성을 종래의 의료용 티타늄 합금과 비교 측정한 결과를 나타낸 것이다.Table 1 shows the results of measuring the mechanical properties of the titanium rod prepared according to the embodiment of the present invention compared with the conventional medical titanium alloy.
(MPa)Yield strength
(MPa)
(MPa)The tensile strength
(MPa)
상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 방법으로 제조한 초세립 티타늄 봉재가 기존재에 비해 월등히 우수한 강도를 나타냄을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 봉재는 CP-Ti는 물론이며, 특히 종래에 hard replacement로 사용되어 왔으나 인체에 독성이 있다고 알려진 Ti-6Al-4V에 비해 생체적합성이 훨씬 우수한 Ti-13Nb-13Zr로 보다 높은 강도를 구현하였다는 점에서, Ti-6Al-4V의 대체용으로도 사용될 수 있음을 보여준다.
As confirmed in Table 1, it can be seen that the ultrafine titanium rod material produced by the method according to the present invention shows an excellent strength compared to the existing material. Titanium rod according to an embodiment of the present invention, as well as CP-Ti, especially Ti-13Nb-13Zr, which has been used conventionally as a hard replacement, but much better biocompatibility than Ti-6Al-4V known to be toxic to humans. In view of the higher strength, it can be used as a substitute for Ti-6Al-4V.
Claims (11)
제 1 열처리된 티타늄 합금을 수냉하여 층상의 마르텐사이트 조직을 갖도록 하는 단계; 및
수냉된 티타늄 합금을 공형압연을 통해 단면 감소율 기준 80% 이상의 변형량을 가하여 봉재를 형성하는 단계;를 포함하는 초세립 티타늄 합금 봉재의 제조방법.A first heat treatment step of heat-treating a titanium alloy comprising 10-15 wt% of Nb, 10-15 wt% of Zr, and the remaining Ti and unavoidable impurities above a beta transformation temperature;
Cooling the first heat-treated titanium alloy to have a layered martensite structure; And
And forming a bar by applying a water-cooled titanium alloy to an amount of deformation of 80% or more based on a reduction ratio in cross-section through a ball rolling.
상기 제 1 열처리 단계는 742~900℃에서 30분 이상 수행하는 것을 특징으로 하는 초세립 티타늄 합금 봉재의 제조방법.The method of claim 1,
The first heat treatment step is a method for producing a super fine titanium alloy rod, characterized in that carried out for 30 minutes or more at 742 ~ 900 ℃.
상기 공형압연 단계 전에, 상기 수냉된 티타늄 합금을 450~742℃에서 30분 이상 열처리하는 제 2 열처리 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 초세립 티타늄 합금 봉재의 제조방법.The method of claim 1,
The method of manufacturing a super fine titanium alloy rod, characterized in that further comprising a second heat treatment step of heat-treating the water-cooled titanium alloy at 450 ~ 742 ℃ for more than 30 minutes before the step of the step.
상기 공형압연 단계에서 변형량은 6~12 패스에 걸쳐 이루어지는 것을 특징으로 하는 초세립 티타늄 합금 봉재의 제조방법.The method of claim 1,
Method of producing a super fine titanium alloy rod, characterized in that the deformation amount in the step of rolling the roll over 6 to 12 passes.
상기 공형압연의 패스 사이에 티타늄 합금을 1~10분간 450~742℃로 가열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 초세립 티타늄 합금 봉재의 제조방법. The method of claim 4, wherein
The method of manufacturing a super fine titanium alloy rod, characterized in that it further comprises the step of heating the titanium alloy to 450 ~ 742 ℃ for 1 to 10 minutes between the pass of the rolling.
상기 공형압연의 각 패스를 수행한 경우, 티타늄 합금을 90° 회전시킨 후 다음 패스를 수행하는 것을 특징으로 하는 초세립 티타늄 합금 봉재의 제조방법.The method of claim 4, wherein
When performing each pass of the rolling, the method of manufacturing a super fine titanium alloy rod, characterized in that for performing the next pass after rotating the titanium alloy 90 °.
상기 봉재의 평균 결정립 크기는 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 초세립 티타늄 합금 봉재의 제조방법. 7. The method according to any one of claims 1 to 6,
The average grain size of the bar is a method of producing a super fine titanium alloy rod, characterized in that 1㎛ or less.
상기 봉재의 항복강도는 900MPa 이상이고, 인장강도는 1000MPa 이상인 것을 특징으로 하는 초세립 티타늄 합금 봉재의 제조방법.7. The method according to any one of claims 1 to 6,
Yield strength of the bar is 900MPa or more, tensile strength is 1000MPa or more method for producing a super fine titanium alloy bar.
상기 봉재의 평균 결정립 크기는 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 초세립 티타늄 합금 봉재. The method of claim 9,
Ultrafine titanium alloy bar, characterized in that the average grain size of the bar is 1㎛ or less.
상기 봉재의 항복강도는 900MPa 이상이고, 인장강도는 1000MPa 이상인 것을 특징으로 하는 초세립 티타늄 합금 봉재.
The method of claim 9,
Yield strength of the bar is 900MPa or more, the ultra-fine titanium alloy bar, characterized in that the tensile strength is 1000MPa or more.
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