[논문]생체용 Ti-18Nb-6Zr-XO (X = 0~1.5at%) 합금의 형상기억특성에 미치는 산소 농도의 영향

박영철; 옥지면; 오정화; 박수호; 이준희; 김재일

doi:10.3740/mrsk.2011.21.11.617

생체용 Ti-18Nb-6Zr-XO (X = 0~1.5at%) 합금의 형상기억특성에 미치는 산소 농도의 영향
Effect of Oxygen Content on Shape Memory Characteristics of Ti-18Nb-6Zr-XO (X = 0~1.5at%) Alloys 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.21 no.11, 2011년, pp.617 - 622

박영철 (동아대학교 신소재공학과) , 옥지면 (동아대학교 신소재공학과) , 오정화 (동아대학교 신소재공학과) , 박수호 (동아대학교 신소재공학과) , 이준희 (동아대학교 신소재공학과) , 김재일 (동아대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of oxygen on the shape memory characteristics in Ti-18Nb-6Zr-XO (X = 0-1.5 at%) biomedical alloys was investigated by tensile tests. The alloys were fabricated by an arc melting method at Ar atmosphere. The ingots were cold-rolled to 0.45 mm with a reduction up to 95% in thickness. After severe cold-rolling, the plate was solution-treated at 1173 K for 1.8 ks. The fracture stress of the solution-treated specimens increased from 450 Mpa to 880 MPa with an increasing oxygen content up to 1.5%. The fracture stress increased by 287MPa with 1 at% increase of oxygen content. The critical stress for slip increased from 430 MPa to 695 MPa with an increasing oxygen content up to 1.5 at%. The maximum recovery strain of 4.1% was obtained in the Ti-18Nb-6Zr-0.5O (at%) alloy. The martensitic transformation temperature decreased by 140 K with a 1.0 at% increase in O content, which is lower than that of Ti-22Nb-(0-2.0)O (at%) by 20 K. This may have been caused by the effect of the addition of Zr. This study confirmed that addition of oxygen to the Ti-Nb-Zr alloy increases the critical stress for slip due to solid solution hardening without being detrimental to the maximum recovery strain.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Ti-Nb합금의 변태 변형량을 향상시키기 위해 Zr를 첨가하고 강도 향상을 목적으로 산소를 첨가하여 Ti-18Nb-6Z-(0-1.5)O(at%)의 합금을 아크 용해로로 제작하여 합금의 형상기억특성 및 기계적 특성에 미치는 산소 농도의 영향을 체계적으로 조사하였다.
생체용 Ti-18Nb-6Zr-(0-1.5)O(at%) 합금의 형상기억특성에 미치는 산소 첨가 효과를 조사하여 아래와 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

또한 정하중 열싸이클 테스트에서도 온도 변화에 따른 변태 변형이 관찰되지 않았다. 그러므로 본 연구에서는 다양한 온도에서 응력-변형률 곡선을 구하여 온도 변화에 따른 항복응력의 변화로부터 응력최소값을 마르텐사이트 변태 개시 온도 (M_s)로 정의하였다. Fig.
열처리 후 표면의 산화막은 기계적으로 제거한 후 산세하였다. 기계적 특성 및 형상기억특성을 평가하기 위하여 파단시험, 응력증가시험 및 다양한 온도에서 인장시험을 수행하였다.
이러한 합금의 실온에서의 형상기억특성 및 싸이클 특성을 조사하기 위해서 모든 합금에서 실온에서 3%의 변형을 한 다음 하중을 제거하고 473K까지 가열하여 10번 째 싸이클까지 반복 수행하였다. Fig.
인장시험용 시료는 와이어컷 방전 가공기를 이용하여 1 × 40 mm²의 크기로 채취하였다. 채취 후 표면 산화막을 산세로 제거한 후 석영관에 진공 봉입하여 1173K에서 3.6 ks동안 용체화 열처리 후 quenching 하였다. 열처리 후 표면의 산화막은 기계적으로 제거한 후 산세하였다.

대상 데이터

Ti-18Nb-6Zr-(0-1.5)O(at%) 잉곳은 아크 용해로에서 용해하여 제작하였다. 용해 시 합금 원소의 편석을 방지하기 위하여 8회 뒤집어 가면서 용해하였다.
일반적으로 형상기억합금의 변태온도는 시차주사열량계 (DSC), 온도 변화에 따른 전기 저항 측정, 정하중 열싸이클 테스트로부터 구한 변형률-온도 곡선 및 다양한 온도에서 응력-변형률 곡선 등으로부터 구해질 수 있다. 본 연구에 사용된 합금은 DSC 측정 결과 변태 피크가 관찰되지 않았다. 또한 정하중 열싸이클 테스트에서도 온도 변화에 따른 변태 변형이 관찰되지 않았다.
인장시험용 시료는 와이어컷 방전 가공기를 이용하여 1 × 40 mm2의 크기로 채취하였다.

성능/효과

1) 1at%의 산소 첨가는 마르텐사이트변태 개시온도 (M_s)를 140K 감소시켰다. 이는 Ti-22Nb-(0-2.
7에 나타내었다. 2.5%까지 인장한 경우는 가열에 의해 거의 회복되었지만 변형률이 증가함에 따라 최대응력과 영구 변형률이 증가하였다. 5%을 인장한 곡선에서와 같이 초탄성 특성 및 가열에 의해서 회복된 변형률은 ε_A라 정의하고 가열에 의해서 회복되지 않은 영구변형률을 ε_P로 정의하였다.
3) Ti-18Nb-6Zr-(0-1.5)O(at%) 합금의 σS 는 산소 농도가 제로에서 1.5O로 증가함에 따라 430MPa에서 695MPa까지 증가하였다.
4) 생체용Ti기 형상기억합금에 산소의 첨가는 고용경화 효과로 인한 강도 상승과 함께 형상기억특성을 향상시킨다고 사료된다.
두 번째 싸이클에서는 마르텐사이트 재배열 응력(σy)이 감소하였고 σP은 0.2%로 감소하였다.
5O(at%)합금의 마르텐사이트 변태 개시온도 (M_s)가 실온에 가장 근접한다는 것을 시사한다. 모든 합금에서 30% 이상의 우수한 연신률을 보였다. 또한 산소 농도가 증가함에 따라 인장강도는 Ti-18Nb-6Zr(at%) 합금에서 450 MPa으로부터 Ti-18Nb-6Zr-1.
세 번째 싸이클에서는 σy는 거의 변화가 없었고 σP는 0.1%로 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	생체용 Ti-18Nb-6Zr-(0-1.5)O(at%) 합금의 형상기억특성에 미치는 산소 첨가 효과를 조사한 결과는 어떠한가?	2) Ti-18Nb-6Zr-(0-1.5)O(at%) 합금의 #는 산소 농도에 관계없이 약4%을 나타내었다. 이는 Ti-22Nb-(0-2.0) O(at%) 합금보다는 향상된 결과이다. 3) Ti-18Nb-6Zr-(0-1.5)O(at%) 합금의 σS 는 산소 농도가 제로에서 1.5O로 증가함에 따라 430MPa에서 695MPa까지 증가하였다. 이는 Ti-22Nb-(2~8)Zr(at%)합금의 σS 와 비교하면 상당히 향상되었다. 4) 생체용Ti기 형상기억합금에 산소의 첨가는 고용경화 효과로 인한 강도 상승과 함께 형상기억특성을 향상시킨다고 사료된다.
	ω 상은 어떻게 분류되는가?	또한 α’, α’’ 및 ω 상의 준안정상을 갖는다. 일반적으로 ω 상은 고온에서부터 quenching에 의해서 생기는 비열적 ω 상과 중간온도에서 열처리에 의해서 생성되는 등온 ω 상으로 분류된다. 일반적으로 이러한 ω상의 석출은 합금의 취성을 유발한다고 알려져 있다.
	생체용 형상기억합금은 어떠한 특성이 요구되는가?	생체용 형상기억합금은 우수한 부식 저항성, 생체적합성 및 우수한 형상기억특성이 요구된다. 현재까지 많은 합금들이 생체용으로 개발되고 있으나 위와 같은 조건을 만족하는TiNi합금이 1970년대부터 주목 받기 시작하여 현재 다양한 생체용 재료로써 사용되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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