생체적합형 고강도, 저탄성계수 타이타늄 합금 개발 :

권용재

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자료유형: 학위논문

저자정보: 권용재 (강릉원주대학교, 강릉원주대학교 대학원)

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

생체적합형 고강도, 저탄성계수 타이타늄 합금 개발

권용재 신소재공 2020.01 학위논문

2019

고지르코늄 함유 생체적합형 저탄성계수 타이타늄 합금 개발

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의료 목적의 고강도, 저탄성계수를 갖는 4원계 Ti-Zr-Nb-Sn 타이타늄 합금을 개발하고 그 미세조직과 기계적 특성을 조사하였다. 본 연구에서 개발된 합금은 두 가지 측면에서 기존에 보고된 합금들과 차이점이 있다. 첫째, 기존의 합금들은 Nb이 주 첨가원소인 반면에 개발 합금은 Zr을 주 첨가원소로 사용한다. Zr 함량이 30at% 이상인 타이타늄 합금들은 적절한 가공열처리 후에 1~2% 정도의 큰 탄성 허용 변형률(elastic admissible strain)을 갖는 경향이 있으며 이를 통해 저탄성계수와 고강도를 동시에 달성할 수 있다. 둘째, 해당 합금은 기존 합금들에 포함되는 Al, V과 같은 인체 독성작용을 하는 원소들이 제외된 생체적합형 합금이라 할 수 있다.
본 연구에서는 Ti-35at%Zr-9at%Nb-(0, 1, 2.5)at%Sn, Ti-35at%Zr-12at%Nb-(0, 1, 2.5)at%Sn, Ti-35at%Zr-15at%Nb-(0, 1, 2.5)at%Sn 총 9가지의 조성을 설계하였다. 설계된 합금을 아크 멜팅법을 통해 제작하였고 90% 냉간압연 후 용체화 열처리를 진행하였다. 미세 조직 분석과 기계적 특성을 비교하였고, 모든 시리즈에서 Sn의 함량이 증가함에 따라 결정립의 크기가 감소하였다. 또한 Sn의 함량이 증가함에 따라 탄성계수는 감소하고 항복강도는 증가하여 탄성 허용 변형률(elastic admissible strain)이 증가함을 확인하였다. 그 결과로서 Ti-35at%Zr-12at%Nb-2.5at%Sn 합금에서 저탄성계수(58 GPa), 고강도(876 MPa)의 우수한 특성을 얻을 수 있었다. 이를 통해 기존 타이타늄 합금이 갖는 문제점을 보완함과 동시에 추후 새로운 합금으로서의 가능성을 확인할 수 있었다.
주제어 : 생체 적합성, 저탄성계수, 타이타늄 합금, 기계적 특성, 미세조직

목 차
1. 서론 1
2. 이론적 배경
2.1. 생체 재료
2.1.1. 생체 재료의 특징 3
2.1.2. 생체 적합성 4
2.1.3. 응력차폐현상 4
2.2. 물성 평가
2.2.1. 인장 시험 5
2.2.2. 마모 시험, 경도 시험 6
2.3. Ti-Zr-Nb-Sb 합금에서 각 원소의 효과
2.3.1. 타이타늄 8
2.3.2. 지르코늄 9
2.3.3. 나이오븀 10
2.3.4. 주석 11
3. 실험 방법
3.1. Ti-Zr-Nb-Sn 합금 조성의 설계 16
3.2. Ti-Zr-Nb-Sn 합금 제작 16
3.3. Ti-Zr-Nb-Sn 합금의 구성상과 미세조직 분석 18
3.4. Ti-Zr-Nb-Sn 합금의 물성 평가 19
4. 실험 결과 및 고찰
4.1. Ti-Zr-Nb-Sn 합금의 미세조직 분석 24
4.2. Ti-Zr-Nb-Sn 합금의 물성 평가
4.2.1. 인장 시험 25
4.2.2. 경도 시험 및 내마모성 26
4.2.3. 부식시험 27
5. 결론 34
6. 참고문헌 35

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