[논문]분말야금공법으로 제조된 CAD/CAM용 Co-Cr-Mo 합금의 미세조직 및 기계적 특성

차성수

doi:10.14347/kadt.2015.37.4.235

분말야금공법으로 제조된 CAD/CAM용 Co-Cr-Mo 합금의 미세조직 및 기계적 특성
Microstructure and Mechanical Properties of Co-Cr-Mo alloy for CAD/CAM Applications fabricated by Powder Metallurgy Process 원문보기

대한치과기공학회지 = The Journal of Korean Academy of Dental Technology, v.37 no.4, 2015년, pp.235 - 242

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Purpose: The aims of this study are compare with microstructure and mechanical properties of Co-Cr-Mo alloys fabricated by powder metallurgy(P/M) process and casting process respectively. Methods: Microstructure and micro-hardness were tested by SEM and Vickers Hardness Tester. The sintered specimen was produced by furnace-coolling after sintering, however the casting specimen were produced thru air-cooling and water-cooling after the casting. For observation of phase transformation during sintering, DSC analyzing was carried out. Results: Mean pore size of sintered Co-Cr-Mo alloy was $4.32{\mu}m$ and that of casting alloy was $1.63{\mu}m$. Hardness of sintered alloy was lower than water-quenched casting alloy. Conclusion: Proper sintering temperature of Co-Cr-Mo alloy was above $1,200^{\circ}C$ and pore size of casting specimen were finer than sintered specimen, but hardness were similar.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 분말야금공법으로 제조된 시편에 대해서 기존의 전통적인 주조법으로 제조된 시편과의 특성 비교에 관한 연구는 아직도 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구의 목적은 Co-Cr-Mo 합금을 분말야금공법으로 제조하고, 동일성분의 합금을 고주파주조기를 사용하여 주조하여 두 시편의 기포형태와 크기, 주조 후 성분변화, 소결적정온도를 조사함으로써 분말야금공법으로 제조된 소결체의 특성을 파악하기 위하여 두 합금의 미세조직과 기계적 성질을 비교하여 고찰하였다.
본 연구에서는 Co-Cr-Mo합금의 제조방법에 따른 시편의 미세조직 변화 및 기포의 형상과 크기를 관찰하기 위하여 주의 깊게 연마을 실시하고 초음파세척 한 다음, Marble’s Reagent(CuSO4 4g, HCl 20cc, H2O 20cc)액으로 에칭하였다.
이로 인하여 소결 방법으로 금속을 가공하는 공정이 한결 간소한 공정으로 진행되는 장점도 있지만, 재료원가 및 장비가 고가인 단점도 있다. 본 연구에서는 최근 금속분말을 압축 성형한 연질금속블록을 가공하여 소결하는 방식으로 보철물을 제작하는 분말야금공법과 기존의 방식인 주조법에 의해 제작된 시편을 비교 평가하였다. Co-Cr-Mo분말을 혼합기에 넣고 스테아린산 아연(3wt.

제안 방법

Co-Cr-Mo 합금의 성분은 EDS(JXA-8100, Jeol, Japan)분석을 이용하여 분석하였다. 열처리 효과를 알아보기 위하여 분말야금으로 제조된 시편은 로냉하였으나, 주조체 시편은 주조 후 공냉과 수냉 처리를 각각 실시하였다.
Co-Cr-Mo분말이 소결되는 과정에서 상변태의 특성을 조사하기 위하여 열분석기(Q600, Tainstruments, USA)를 사용하여 10℃/min로 분석하였으며 분위기는 아르곤 가스를 사용하였다.
합금재료의 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 micro vickers 경도기 (Hv-114, Mitutoyo, Japan)를 이용하여 경도변화를 측정하였다. 경도 측정은 하중 1.0㎏으로 10초 동안 가하여 각 시편에 대하여 10회씩 경도를 측정하고 최대값과 최소값에 해당하는 유효 측정치 2개를 제외하고 측정치의 산술평균값을 경도값으로 정하였다.
미세조직은 전자현미경(JSM-6380LV jeol, Japan)을 사용하여 관찰하였고, 경도측정은 Vickers microhardness(Hv-114, Mitutoyo, Japan)를 사용하여 측정하였다.
본 연구에서는 CAD/CAM용 Co-Cr-Mo합금을 분말야금공법과 주조법으로 제조하여 미세조직과 기계적 특성을 분석한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
분말야금공법으로 제조된 시편과 동일한 성분의 Co-Cr-Mo 주조체를 제작하기 위하여 분말야금공법으로 소결 제조된 Co-Cr-Mo합금을 고주파 주조기(Manfredi, Itary)로 아르곤 분위기에서 1590℃로 용해하여 로스트 왁스법으로 10×10×2㎜ 주조체 시편을 제작하였다.
시편은 미세조직관찰, 상변화 특성조사, 경도시험 및 주조 후 공냉과 수냉처리를 하기위한 주조체 시편을 준비하기 위하여 5개를 제작하였으며, 압축성형한 분말시편의 소결은 아르곤 분위기의 관상로(Ceramill sintron furnace, Amann Girrbach, Autria)에서 수행하였다.
Co-Cr-Mo 합금의 성분은 EDS(JXA-8100, Jeol, Japan)분석을 이용하여 분석하였다. 열처리 효과를 알아보기 위하여 분말야금으로 제조된 시편은 로냉하였으나, 주조체 시편은 주조 후 공냉과 수냉 처리를 각각 실시하였다.
6="">분말을 이용하여 각종제품을 제조하기 위해서는 먼저 분말에 소정의 형상을 부여하지 않으면 안 된다. 이를 위해 분말을 성형용 금형 내에 충전한 다음 프레스로 가압하여 성형된 블록을 제작한다. 금속분말을 압축 성형한 블록은 가공 후 소결을 거쳐 최종 결과물을 완성하게 된다.
분말야금공법으로 제조된 시편과 동일한 성분의 Co-Cr-Mo 주조체를 제작하기 위하여 분말야금공법으로 소결 제조된 Co-Cr-Mo합금을 고주파 주조기(Manfredi, Itary)로 아르곤 분위기에서 1590℃로 용해하여 로스트 왁스법으로 10×10×2㎜ 주조체 시편을 제작하였다. 주조체의 시편은 분말야금공법으로 소결제조 한 시편과 미세조직 및 경도를 비교분석하기 위해서 통법에 따라 주조 후 공기 중에서 서냉 한 것과, 주조 후 물속에 넣어 수냉 처리한 2개의 시편을 제작하였다.
O 20cc)액으로 에칭하였다. 합금의 기지조직의 변화는 주사전자현미경(JSM-6380LV, jeol, Japan)을 이용하여 관찰하였다.
합금재료의 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 micro vickers 경도기 (Hv-114, Mitutoyo, Japan)를 이용하여 경도변화를 측정하였다. 경도 측정은 하중 1.

대상 데이터

Co-Cr-Mo 합금 분말은 Amann Girrbach회사의 Ceramill sintron을 사용하였다. 분말의 화학적 조성은 [Table 1]과 같으며, 분말 입자의 형상은 전자현미경으로 관찰한 결과 구형 형상을 나타내고 있었다(Fig.
가스분무법에 의해 제조된 Co-Cr-Mo금속분말(Sandvik Osprey LTD., Uk.)에 결합제로 스테아린산 아연(3wt.%)를 첨가하여 24rpm에서 V-콘형 혼합기로 2시간 동안 혼합하였다. 혼합된 분말 10g을 지름 15㎜ 크기의 공구강 다이에 붓고 800 Mpa의 압력을 가하여 압축성형 하였다.

성능/효과

이처럼 기포의 크기가 감소한 것은 열처리에 의한 조직미세화 효과(Kim wy et al, 2006)의 영향이라고 생각된다. Co-Cr-Mo합금을 주조 후 성분 변화을 분석한 결과 주조 후 Mo 성분은 무게비로 5.16%에서 4.60%로 약 0.5% 정도 감소하는 경향을 보였다. 이는 보철물의 고용체강화에 영향을 줄 것으로 생각되어 향후 이에 대한 연구가 필요하다고 생각된다.
6="">3. 분말야금공법과 주조법으로 제조된 Co-Cr-Mo합금의 비커스경도는 각각 290으로 유사하였으나, 주조 후 수냉 처리한 주조체의 비커스 경도는 313으로 주조 후 공냉 처리한 시편보다 증가하였다. 이는 수냉으로 인해 조직이 미세화되는 열처리 효과에 의한 것으로 판단된다.
6="">1. 분말야금공법으로 제조된 Co-Cr-Mo합금 소결체에 형성된 기포의 평균크기는 4.32㎛ 였으며, 주조법으로 제조된 주조체에 형성된 기포의 평균크기는 1.63㎛로 분말야금 공법이 주조법보다 약 2.5배 큰 기포가 형성되었다.
분말야금법으로 금속분말을 소결하는 과정에서 상변화에 의한 반응온도를 측정하기 위하여 열분석시험을 한 결과 400℃에서 발열반응이 일어났으며, 1150℃에서 발열 반응이 일어났다(Fig. 5).
소결은 분말을 결합하기 위한 일반적인 기술에서 분말야금의 가장 마지막 단계 (Eksi and Yuzbasioglu, 2007)로써 일반적으로 소결은 용융온도의 70~90% 의 온도로 가열하면, 분말확산의 메커니즘으로 인하여 치밀화 되기 때문이다(Teoh et al, 2015). 분말야금으로 소결한 시편과 주조체의 시편의 경도시험 결과 두 시편의 경도는 Hv290수준으로 동일하였다. 이는 선행 연구 결과(Zuraidawani & Shamsul, 2008)와 비교해 볼 때 유사한 결과를 나타내었다.
2010)는 실험결과를 고려해볼때 오히려 장점으로 활용가치가 있다고 사료된다. 소결체에서 나타나는 기포의 형상은 불규칙한 구상이었으며 기포의 크기는 Wilson et al, 2010 등이 연구한 결과에서는 평균 입경이 8.2㎛ 였으나 본 실험에서는 4.32㎛로 미세하였으며, 기포내부에는 금속분말이 충분한 결합력을 가지지 못하고 응집되어있는 형상을 보이고 있었다. 주조 후 공냉과 수냉한 주조체의 표면기포는 소결한 시편에서 나타나는 기포의 형상과는 달리 전형적인 구상의 폐쇄형 다공성 기포로 나타났으며, 평균 기포의 크기는 각각 1.
소결한 시편⒜은 적은 기포들이 전체 표면에 균일하게 형성되어 있어 분말 사이의 기공이 완전 치밀화가 안 되어 있음을 알 수 있었고, 주조한 시편⒟⒢의 기포는 주조 후 응고수축에 의해서 발생한 것을 알 수 있었다. 기공의 양은 소결한 것이 주조한 것보다 더 많았다.
기포내부에는 금속분말이 충분한 결합력을 가지지 못하고 응집되어있는 형상을 보이고 있으며 개방형의 기공형상을 나타내고 있다. 이와는 다르게 주조 후 공냉과 수냉한 주조체의 기포는 전형적인 폐쇄형 구상의 형상을 나타내었고, 평균 기포의 크기는 각각 1.63㎛와 0.89㎛로 나타났다. 주조 후 수냉한 주조체의 표면상태가 가장 우수하였다.
32㎛로 미세하였으며, 기포내부에는 금속분말이 충분한 결합력을 가지지 못하고 응집되어있는 형상을 보이고 있었다. 주조 후 공냉과 수냉한 주조체의 표면기포는 소결한 시편에서 나타나는 기포의 형상과는 달리 전형적인 구상의 폐쇄형 다공성 기포로 나타났으며, 평균 기포의 크기는 각각 1.63㎛ 와 0.89㎛로 주조 후 수냉한 주조체 표면의 상태가 가장 우수하였다. 이처럼 기포의 크기가 감소한 것은 열처리에 의한 조직미세화 효과(Kim wy et al, 2006)의 영향이라고 생각된다.

후속연구

5% 정도 감소하는 경향을 보였다. 이는 보철물의 고용체강화에 영향을 줄 것으로 생각되어 향후 이에 대한 연구가 필요하다고 생각된다. Co-Cr-Mo 금속 분말을 소결 시 1차 발열반응은 400℃에서 일어났으며, 2차 발열반응은 1150℃에서 일어났는데 이는 금속분말의 결합제가 소결과정에서 소환되어 제거되는 온도가 400℃이며, 압축성형된 분말이 1150℃부터 소결이 시작됨을 알 수 있었다.
주조 후 수냉한 시편은 냉각속도가 빨랐기 때문에 입자가 미세화 되어 경도가 향상되어 나타난 것으로 사료된다. 향후 이에 대한 후속적인 연구가 필요하다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분사법의 장점은 무엇인가?	금속분말을 제조하는 대표적인 방법은 주로 분사법이 사용되는데, 분사법은 용융된 금속에 가스 또는 액체(주로 물을 사용하나 이 경우는 불활성 가스를 사용) 을 충돌시켜, 충돌 모멘텀 에너지를 이용하여 미세한 액적을 형성시키고, 이 액적을 응고시켜 분말을 제조하는 방법이다. 이 방법은 구형의 분말을 대량 생산할 수 있는 장점이 있다.
	Co-Cr-Mo 합금에서 탄소의 장단점은?	Co-Cr-Mo 합금은 Co-Cr 합금에 Mo, C를 첨가하면 고용체강화와 탄화물에 의한 석출강화로 기계적 성질이 향상된다(Kuzucu, 1998). 특히 탄소는 CoCr-Mo합금에서 fcc-Co상의 안정화를 높이는데 효과적 이지만 입계에 탄화물을 형성시켜 합금의 취성을 증가시키는 단점이 있기에 함량에 제한을 두고 있다. 주조용 합금은 주조 중 발생하는 기포나 응고수축 등의 결함으로 인하여 연성과 피로강도가 감소하고 내식성이 저하되기도 한다.
	연질금속분말의 특징은?	연질금속분말은 아르곤 가스 분위기의 1,300℃ 고온 소성로에서 소결하는 동안 유기질 바인더는 분해 제거되고, 금속 분말 입자들이 용융상을 생성하지 않고 소결된다. 연질 블록의 경우 치과용 왁스블록과 같은 물성을 갖고 있기 때문에 가공이 용이하며, 소형 가공기를 사용하기 때문에 치과용 캐드캠 시스템으로 적용(Kim JH et a, 2014)이 더욱 간편해져서 전통적인 주조법 보다 제조 시간과 비용을 절감할 수 있게 되었다.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
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Zuraidawani CD, Shamsul BJ. The influence of sintering time on the physical properties of F-75 (Co-Cr-Mo) alloy. Malaysian Metallurgical Conference, 371-376, 2008.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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