KR20190101732A - 인코넬 625 스크랩을 이용한 도재소부용 니켈-크롬 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 니켈(Ni) 60 내지 65 중량부, 크롬(Cr) 20 내지 24 중량부, 몰리브덴(Mo) 7 내지 11 중량부, 니오븀(Nb) 2 내지 4 중량부, 규소(Si) 0.8 내지 1.2 중량부, 탄탈늄(Ta) 0.5 내지 0.9 중량부, 망간(Mn) 0.3 내지 0.7 중량부, 철(Fe) 0.3 내지 0.7 중량부, 알루미늄(Al) 0.2 내지 0.6 중량부, 타이타늄(Ti) 0.5 중량부로 이루어지는 치과용 고강도 코발트-크롬계 합금을 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 인체에 무해하고 충분한 인장 강도와 경도를 갖기 때문에 가공효율을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명은 충분한 항복강도와 연신율을 갖기 때문에 치아에 장착했을 때 발생할 수 있는 피로균열에 대한 저항성이 높아 치아의 손상을 줄이고 치아의 수명을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다. 특히 본 발명은 변색 저항이 우수하고 도재와의 결합력을 향상시킴으로써 저작강도와 치아의 심미성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

Description

인코넬 625 스크랩을 이용한 도재소부용 니켈-크롬 합금{Nickel-Chromium Alloy for Dosage Plant Using Inconel 625 scrap}

본 발명은 인코넬 625 스크랩을 이용한 도재소부용 니켈-크롬 합금 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인코넬 625 스크랩에 여러 기능성 원소를 첨가하여 인체에 무해하고 기계적 가공성이 우수하며 치과용 세라믹과의 접합강도를 향상할 수 있도록 하는 인코넬 625 스크랩을 이용한 도재소부용 니켈-크롬 합금 관한 것이다.

일반적으로 치과분야에서 합금은 귀금속합금과 준귀금속합금 그리고 비귀금속합금으로 구분되고, 귀금속합금과 준귀금속합금은 백금족 원소의 함량으로 다시 구분되며, 비귀금속합금은 귀금속이 아닌 금속합금으로 이루어진 것으로 치과 주조용으로 사용한다.

여기서 귀금속은 금(Au)과 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듄(Ir), 로듐(Rh), 오시뮴(Os), 루테늄(Ru)을 칭하며, 구강 내에서 변색이 없고 밀도가 높으면서 용해 온도가 상대적으로 낮기 때문에 치과주조용으로 널리 사용한다.

한편, 비귀금속합금 중에서는 코발트(Co)-크롬(Cr) 및 니켈(Ni)-크롬(Cr) 합금이 있으며, 이들은 주조성이 귀금속합금에 비하여 상대적으로 떨어지기 때문에 이를 향상시키기 위하여 베릴륨(Be)을 소량 첨가하여 국소의치의 구조물을 주조하거나 메탈-세라믹용 금속수복물로 오랫동안 사용하였으나, 최근에 베릴륨(Be)의 독성성분이 문제를 갖게 되었다.

특히 첨단기술의 개발에 따라 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니오븀(Nb) 등과 같은 희유금속의 관련 기술이 발달함에 따라 치과분야에서도 이들 원소를 이용하여 베릴륨(Be)을 대처하고 물리적, 화학적 성질을 개선한 합금을 개발에 이용하고 있다.

또한 가공기술의 발달에 따라 주조로만 제작되던 치아형상이 가공으로도 가능해짐에 따라 치과분야에서 비귀금속합금의 사용영역이 점차 증대되고 있지만, 기존의 주조용 비귀금속합금을 이용해서 치아형상을 가공할 경우 난가공성 및 공구수명 등의 문제가 있기 때문에 가공용 비귀금속합금의 개발이 절실한 실정이다.

한편 우리나라에서 사용되는 인코넬 등 특수소재의 사용하고 남은 스크랩 중 회수되는 비율은 50%가 되지 않으며 나머지는 고철에 넘겨지거나 산업폐기물로 매립되고 있으며, 회수된 스크랩도 90% 이상 해외로 싼 가격에 수출되어 리사이클 과정을 거쳐 국내에 다시 고가에 수입되고 있기 때문에 인코넬 등의 특수소재의 리사이클 방법을 모색할 필요가 있다.

한국공개특허 제10-2013-0110677호(2013.10.10) 한국공개특허 제10-2014-0081235호(2014.07.01) 한국등록특허 제10-1651397호(2016.08.26) 한국공개특허 제10-2017-0002067호(2017.01.06) 한국공개특허 제10-2017-0026103호(2017.03.08)

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서,

본 발명은 인코넬 625 스크랩에 기능성 원소들을 첨가하여 인체에 무해하면서 기계적 특성 및 가공성이 우수하여 절삭가공용으로 적합하고 치과용 세라믹과의 접합성 및 피로파괴에 대한 저항성이 높아 도부소재용으로도 활용할 수 있는 인코넬 625 스크랩을 이용한 도재소부용 니켈-크롬 합금을 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 인코넬 625 스크랩을 이용한 도재소부용 니켈-크롬 합금은,

니켈(Ni) 60 내지 65 중량부, 크롬(Cr) 20 내지 24 중량부, 몰리브덴(Mo) 7 내지 11 중량부, 니오븀(Nb) 2 내지 4 중량부, 규소(Si) 0.8 내지 1.2 중량부, 탄탈늄(Ta) 0.5 내지 0.9 중량부, 망간(Mn) 0.3 내지 0.7 중량부, 철(Fe) 0.3 내지 0.7 중량부, 알루미늄(Al) 0.2 내지 0.6 중량부, 타이타늄(Ti) 0.5 중량부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 인체에 무해하고 충분한 인장 강도와 경도를 갖기 때문에 가공효율을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 충분한 항복강도와 연신율을 갖기 때문에 치아에 장착했을 때 발생할 수 있는 피로균열에 대한 저항성이 높아 치아의 손상을 줄이고 치아의 수명을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

특히 본 발명은 변색 저항이 우수하고 도재와의 결합력을 향상시킴으로써 저작강도와 치아의 심미성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

상기한 바와 같이 본 발명 인코넬 625 스크랩을 이용한 도재소부용 니켈-크롬 합금을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 니켈(Ni) 60 내지 65 중량부, 크롬(Cr) 20 내지 24 중량부, 몰리브덴(Mo) 7 내지 11 중량부, 니오븀(Nb) 2 내지 4 중량부, 규소(Si) 0.8 내지 1.2 중량부, 탄탈늄(Ta) 0.5 내지 0.9 중량부, 망간(Mn) 0.3 내지 0.7 중량부, 철(Fe) 0.3 내지 0.7 중량부, 알루미늄(Al) 0.2 내지 0.6 중량부, 타이타늄(Ti) 0.5 중량부로 이루어진다.

본 발명에서 상기 니켈(Ni)은 내식성과 변색저항이 우수한 소재로써 합금의 인장강도 및 항복강도를 현저하게 증가시키지만 용출되어 알레르기 반응을 일으킬 수 있으나, 크롬(Cr)과 합금화를 이루면 생물학적으로 안정화를 이루어 부식되지 않기 때문이 알레르기를 일으킬 우려가 없으므로 60 내지 65 중량부를 첨가한 것이 바람직하다.

여기서 상기 크롬(Cr)은 합금의 부동태화 기구로서 Cr₂O₃ 라는 치밀한 산화피막을 형성하여 내식성 및 내부식성을 높여 줌으로써 구강 내 환경하에서 안정성을 유지하도록 해준다.

특히 상기 크롬(Cr)의 양이 너무 적으면 부동태 효과가 너무 낮고 양이 너무 많으면 주조성을 해치기 때문에 20 내지 24 중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 몰리브덴(Mo)은 열팽창계수 및 부식저항을 향상시키고 합금의 강도를 증가시키는 장점을 지니며, 상기 니오븀(Nb)은 생체 친화성이 우수한 원소로 니켈(Ni)에 고용되거나 석출상을 형성시켜 조직을 치밀화시켜 강도 향상과 동시에 연성을 증가시키고 니켈(Ni)의 융점을 저하시키는 효과를 갖는다.

또한, 상기 탄탈륨(Ta)은 니오븀(Nb)과 매우 비슷한 성질은 지닌 생체친화형 원소로 전성과 연성이 풍부하고 니켈(Ni)과 합금화를 이루어 인장강도를 향상시키고 크롬(Cr)과 같이 표면에 산화피막을 형성하여 내부식성을 향상시키고 표면조도에 영향을 준다.

따라서 상기와 같은 특성을 얻기 위해 몰리브덴(Mo) 7 내지 11 중량부로 제한하고, 니오븀(Nb)은 2 내지 4 중량부, 탄탈륨(Ta)은 0.5 내지 0.9 중량부의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 알루미늄(Al)은 합금을 만듦으로써 강도가 약한 단점을 보완하여 강도가 높고 내구성이 간한 특성이 있어 규소(Si)와의 합금으로 성형성과 내부식성이 뛰어난 장점이 있고, 상기 규소(Si)는 강도가 좋고 융점을 낮춰줌으로써 주조성을 향상시키는 장점이 있다.

따라서 상기와 같은 특성을 얻기 위해서 알루미늄(Al)은 0.2 내지 0.6 중량부, 규소(Si)는 0.8 내지 1.2 중량부 로 한정하는 것이 바람직하다.

아울러 상기 철(Fe)은 연신율을 향상시킬 뿐만 아니라 산화층의 특성을 개선하여 도재와의 결합력을 좋게 하는 장점이 있으며, 상기 망간(Mn)은 주조성을 향상시키고 결정립을 미세화 시켜 가공성을 향상시키고, 상기 타이타늄(Ti)은 주조시 용탕의 산소제거 및 니켈(Ni)과의 합금으로 융점을 저하시키고 강도를 향상시키는 장점이 있다.

따라서 상기와 같은 특성을 얻기 위해서 철(Fe)과 망간(Mn)은 각각 0.3 내지 0.7 중량부, 타이타늄(Ti)은 0.5% 중량부로 한정하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 인코넬 625 스크랩을 이용한 도재소부용 니켈-크롬 합금 제조방법은 진공유도용해(Vacuum Induction Melting; VIM)법을 이용하였으며, 깨끗하게 세척한 인코넬 625 스크랩을 인코넬 소재 고유의 조성을 중량부로 환산하여 부족한 성분의 소재를 중량부로 추가하여 용해하는 원소재의 총 무게가 18kg이 되도록 맞추었으며 추가되는 원소중 고융점 원소인 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 등은 진공아크용해로(Vacuum Arc Remelting; VAR)을 이용하여 모합금을 만들었다.

여기서 상기 진공유도용해로는 20kg을 용해할 수 있는 크기의 알루미나(Al₂O₃) 도가니를 사용하였으며, 도가니의 하단에 인코넬 625 스크랩을 일부 넣고 중간에 철(Fe), 규소(Si) 등의 첨가원소를 넣고 상단에 나머지 인코넬 625 스크랩을 모두 넣은 다음 로타리 펌프와 부스터 펌프를 이용하여 진공유도용해로 내부의 공기를 모두 제거하였으며, 용탕을 부을 몰드(주형)을 850℃로 셋업된 전기로에 넣고 예열하였다.

특히 상기 진공유도용해로의 진공도가 5.510^-2Torr 가 되었을 때 인덕션의 파워를 인가하여 40㎾에서 2500초가 되었을 때 소재가 녹으면서 발생하는 가스 및 도가니 벽면과의 반응에서 발생하는 가스로 유도용해로의 진공도는 약 7.010^-2Torr를 나타내었고, 모든 금속 원소는 녹아서 용탕을 이루었으며 온도는 약 1550℃ 되었다.

이때 금속 소재가 모두 녹은 것을 투시창을 이용해 확인한 후 인덕션 파워를 30㎾로 낮춰 2600초에 용탕의 온도가 1400℃가 되었을 때 망간(Mn)을 추가 장입하고 2700초에 타이타늄(Ti)를 추가 장입하면서 인덕션 파워를 35 내지 37㎾로 높이고 진공유도용해로의 서브 챔버에 850℃로 예열된 주형을 장입하고 로타리 펌프를 이용하여 서브 챔버 내의 공기를 제거한다.

또한, 용탕의 유동을 투시창을 이용해 육안으로 확인하면서 2800 내지 2900초 범위에 온도가 1450℃ 초과 되면 서부 챔버와 메인 챔버의 중간막을 개방하고 몰드를 도가니 위치로 이동시켜 인덕션 파워를 조절하면서 도가니에서 몰드로 용탕을 이동시켰다.

특히 용탕의 응고시 산소와의 반응을 억제하기 위해 유도용해로의 진공은 계속 유지하였으며, 이 후 300 내지 600초 사이에 몰드를 꺼내어 공기중에서 응고를 진행하였다.

한편, 합금 잉곳이 충분히 식은 후에 탈사를 실시하여 잉곳에 붙은 몰드를 모두 제거하였고, 조성의 균질화 및 조직의 치밀도 향상을 위하여 진공열처리를 이용하여 1250℃에서 6시간 동안 진공열처리를 실시하였다.

이처럼 상기와 같이 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등의 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 포함되는 것은 당연하다.

Claims (1)

1. 니켈(Ni) 60 내지 65 중량부, 크롬(Cr) 20 내지 24 중량부, 몰리브덴(Mo) 7 내지 11 중량부, 니오븀(Nb) 2 내지 4 중량부, 규소(Si) 0.8 내지 1.2 중량부, 탄탈늄(Ta) 0.5 내지 0.9 중량부, 망간(Mn) 0.3 내지 0.7 중량부, 철(Fe) 0.3 내지 0.7 중량부, 알루미늄(Al) 0.2 내지 0.6 중량부, 타이타늄(Ti) 0.5 중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 치과용 고강도 코발트-크롬계 합금.