KR20180100192A - 석출 경화 또는 고용 강화되는, 생체 적합성 코발트 기재 합금의 용도 및 재료 절삭 가공에 의한 임플란트 또는 보철물의 제조 방법 - Google Patents
석출 경화 또는 고용 강화되는, 생체 적합성 코발트 기재 합금의 용도 및 재료 절삭 가공에 의한 임플란트 또는 보철물의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 삭감 방법을 사용하여 임플란트 또는 보철물, 특히 치과의 임플란트 또는 보철물의 단순화된 제조를 허용하는 가능성을 제시한다. 이 목적을 위해, 본 발명은 블랭크를 제조하기 위한 석출 경화 또는 고용 강화하는 생체 적합성 코발트 기재 합금의 용도를 제안한다. 이러한 블랭크는 본 발명에 따른 방법의 과정에서 연질 상태로 제공된다. 그 다음에, 각각의 구성요소(임플란트 또는 보철물)는 연질 블랭크로부터 절삭 가공에 의해 제조된다. 이어서, 석출 경화 또는 고용체 형성에 의해 경도를 조절하도록 임플란트 또는 보철물의 열처리가 실행된다.
Description
본 발명은 석출 경화 또는 고용 강화되는, 생체 적합성 코발트 기재 합금의 용도 및 재료 절삭 가공에 의한 임플란트의 제조 방법에 관한 것이다.
본 명세서에서 합금의 농도에 대한 값을 포함하는 경우, 명시적으로 달리 언급하지 않은 한에는 상기 값은 항상 중량을 의미한다.
인간 또는 동물의 신체 안에 또는 신체상에 사용되는 구성요소의 생산을 위해 광범위한 재료가 사용되고 있다. 이것은 플라스틱 재료로부터 세라믹 재료 및 귀금속 재료를 거쳐 비-귀금속으로 구성되는 금속 재료까지 포함한다.
이 경우 "인간 또는 동물의 신체 안에 또는 신체상에 사용하기 위한 구성요소"에 대한 설명에는 나사, 부목, 브레이스와 같이 신체에 영구적으로 설치되는 임플란트, 엉덩이 관절 또는 무릎 관절 부품, 턱에 영구적으로 고정되는 치과용 받침대 또는 다른 치과용 임플란트, 자연적인 뼈 또는 관절의 대체물로서 이식되는 다른 부품뿐만 아니라, 치과 보철물의 부품(브리지, 부분 의치 또는 전체 의치)과 같이 신체에 일시적으로나 영구적으로 부착되는 보철물 또는 특히 치과 치료에 필요한 툴을 포함한다. 비-귀금속을 기초로 하는 상기 재료는 특히 CoCr 및 NiCr 재료와 같은 Co 기재 또는 Ni 기재 합금을 포함하는데, 이들은 일반적으로 치과용뿐만 아니라 관절 임플란트, 특히 엉덩이 또는 무릎 임플란트를 위해 사용된다.
임플란트 또는 보철물용 재료는 내식성이 충분해야 하며 최적화된 생체 적합성을 갖추어야 한다. 따라서, 사용시 상기 재료는 이로부터 제조된 구성요소가 사용되는 신체에 유해한 영향을 주지 않아야만 하며, 또한 웰빙 또는 건강에 부작용을 나타낼 수 있는 다른 반응을 일으키지 않아야 한다.
이와 동시에, 임플란트 또는 보철물 재료는 의도하는 용도를 위해 충분한 강도, 견고성 등과 같은 기계적 특성을 구비해야만 한다.
마지막으로, 많은 경우에 특히 섬세하고 각각의 경우에 개별적으로 적용되는 임플란트 또는 보철물의 디자인을 달성할 수 있도록, 이러한 재료는 취급 및 가공이 또한 용이해야 한다.
여기에서 언급된 유형의 코발트 기재 재료의 경우, 치과 기술 분야에서 3가지 제조 방식이 확립되는데, 각각의 방식은 재료 특성과 관련하여 다른 요구 사항을 갖고 있다.
이들은 각각의 임플란트 또는 각각의 보철물이 모델에 기초하여 형성되는 통상적인 주조 공정을 포함한다. 구강 내에서 사용되는 임플란트의 예에서, 이러한 목적을 위해 우선 구강의 네거티브 몰드가 캐스팅 컴파운드에 의해 생성된다. 이것에 기초하여 용융 금속이 그 안에서 주조되는 소실 주형이 생성된다. 이어서, 임플란트의 형상에 대한 최적의 맞춤을 보장하도록 일반적으로 기계적인 2차 가공이 뒤따른다. 임플란트 또는 보철물이 의치인 경우, 구강 내에 이식 또는 배열한 후에, 보이는 부분에는 통상적으로 세라믹 베니어(ceramic veneer)가 제공된다. 이 경우, 임플란트 또는 임플란트의 금속 재료는 최적의 기계적 성질 및 균등하게 최적화된 적합성뿐만 아니라 일반적으로 베이킹(baking)에 의해서 실행되는 세라믹 베니어의 적용에 대한 최적화된 적합성을 구비하여야 한다. 의치로서 사용되고 지속적으로 구강 내에 유지되는 보철물은 통상적으로 턱이나 기존의 치아에 이식된 받침대에 부착된다.
통상적인 주조 공정에 대한 대안으로서, 임플란트를 제조하기 위해 적층 제조 공정으로 알려진 것이 있다. 이것은 일반적으로 금속 분말을 기초로 하며, 특히 구강 내에 사용되는 보철물 또는 임플란트의 제조에도 사용된다. 적층 공정은 일반적으로 3D 프린팅을 포함하며, 특히 레이저 소결 또는 레이저 용융을 포함한다. 적층 공정에서, 구강의 디지털 이미지가 일반적으로 생성되고, 이 이미지는 제조될 임플란트의 3D 모델을 생성하기 위해 사용된다. 레이저 소결에서, 합금 분말이 3D 모델에 따라 층들로 도포되며 레이저 빔에 의해서 소결되거나 용융된다. 이러한 유형의 적층 공정의 이점은, 종래의 주조 공정에 존재하는 탈형과 관련한 문제를 고려하지 않고 복잡한 형상의 임플란트가 얻어질 수 있고, 그리고 이와 동시에 개별적으로 형성되는 임플란트 구성요소를 산업적인 규모로 생산할 수 있다는 것이다. 의치의 3D 프린팅과 관련한 종래 기술은 "치과 복원의 3D 프린팅" 표제의 2013년 3월/4월 금속분말 보고서 2호(metalpowder report, no 2, March/April 2013) 32 내지 33 페이지에 요약되어 있는 반면에, 레이저 소결에 의한 치과용 임플란트의 제조 방법의 일례가 EP 1972321 B1에 기술되어 있다.
특히 치과에서 사용되는 임플란트 또는 보철물을 생산하기 위한 종래 기술에서 확립된 세 번째 방법으로서, 삭감 또는 제거 공정으로 알려진 것을 언급해야 한다. 이 공정에서, 각각의 임플란트 재료로 이루어진 블랭크가 제공되며, 그로부터 각각의 임플란트가 그 다음에 절삭 가공에 의해 만들어진다. 이들 공정에 있어서도, 구강 또는 임플란트가 사용될 영역의 디지털 이미지가 먼저 생성되고, 상기 이미지는 임플란트의 3D 모델을 생성하도록 사용된다. 이어서, 임플란트는 일반적으로 블랭크를 밀링하는 것에 의해 고체 블록으로부터 제조된다. 제조될 임플란트의 기하학적 형상에 따라 디스크, 큐브, 실린더 또는 직육면체가 블랭크로서 사용된다.
임플란트 재료로 사용하기 위한 승인을 받기 위하여, 이들 재료는 특히 생체 적합성과 내구성을 입증해야 하는 광범위한 테스트를 거쳐야만 한다. 이러한 테스트와 관련한 비용 때문에, 세 가지의 확립된 제조 방식에 대해 동일한 재료를 사용하는 근본적인 노력이 필요하다. 따라서, 임플란트 재료의 광범위한 특성이 요구된다.
구강 내에 특별히 적용하기 위해 제공되는 전형적인 CoCr 및 NiCr 재료의 한가지 특징은, 이들 재료가 자연적으로 경질이라는 것이다. 이는 최종 경도 및 다른 기계적 성질을 조절하기 위해, 특별한 열처리가 필요한 것이 아니라 오히려 각 합금을 제조한 직후에 필요한 특성 프로파일이 존재한다는 것을 의미한다. 제조 방식 I (전형적인 주조 공정) 및 II (적층 공정)에 있어서, 몰딩 제조된 후에 각각의 임플란트 구성요소는 대부분 예를 들면, 연삭 또는 연마와 같은 정교한 가공을 받기 때문에, 이것은 문제가 되지 않고 오히려 일반적으로 바람직하며, 따라서 원하는 특성이 이미 재료에 존재하는 경우 유리하다.
임플란트용의 통상적인 코발트 기재 합금들은, 자연적으로 경질 상태에서의 그 조성에 의존하여 고강도(항복 강도 > 500MPa)를 달성하며, 결과적으로 최대 40 HRC의 경도가 생성된다.
여기에서 언급한 의도한 목적을 위해 그 자체가 유리한 이러한 특성들은 삭감 가공 공정에서 재료를 제거하는 것을 방해한다. 블랭크의 절삭 가공시에, 경도가 높으면 공구 마모를 증가시키고 가공 시간이 길어지는 것을 초래한다.
전술한 선행 기술을 감안하여, 문제는 임플란트 또는 보철물, 특히 치과용 임플란트 또는 보철물의 생산을 삭감 공정을 사용하여 단순화할 수 있는 가능성을 제시하여 해결된다.
이 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 청구항 1에 기재된 용도 및 청구항 2에 기재된 방법을 제안하였다.
본 발명의 유리한 실시예들은 종속항에 기재되어 있으며, 이하에서 본 발명의 일반적인 개념과 함께 더욱 상세하게 설명될 것이다.
따라서, 본 발명은 연질 상태에서 임플란트 또는 보철물이 블랭크로부터 절삭 가공에 의해 만들어지도록 제공되는, 상기 블랭크를 제조하기 위해 석출 경화 또는 고용 강화되는 생체 적합성 코발트 기재 합금의 용도를 제안하며, 석출 경화 또는 고용체 형성에 의해서 임플란트 또는 보철물의 최종 경도를 조절하기 위하여 상기 임플란트 또는 보철물은 절삭 가공 후에 열처리를 하게 된다.
본 발명은 또한 적어도 다음과 같은 작업 단계들을 실행하는, 임플란트를 제조하는 방법을 제안한다.
- 석출 경화 또는 고용 강화되는, 생체 적합성 코발트 기재 합금으로 이루어진 연질 블랭크를 제공하는 단계,
- 연질 블랭크로부터 절삭 가공에 의해서 임플란트 또는 보철물을 성형하는(carving) 단계,
- 석출 경화 또는 고용체 형성에 의해 경도를 조절하도록 임플란트 또는 보철물을 열처리하는 단계.
따라서, 본 발명에 따른 용도 및 본 발명에 따른 방법이 공통으로 갖는 것은, 각각의 임플란트 또는 보철물 구성요소가 제조되는 각각의 블랭크가 석출 경화 또는 고용 강화되는 코발트 기재 재료이며, 그 초기 상태, 즉 재료 삭감 가공을 위해 제공되는 상태에서는 아직 최종 경도를 달성하지 않았지만, 상기 재료는 최종 열처리 이후에만 재료의 조직에 형성되는 석출물의 결과로서 최종 경도에 도달하도록 설계된다.
낮은 경도를 특징으로 하는 본 발명에 따라 제공되는 블랭크의 연질 조직은, 특히 블랭크를 재료 절삭 가공 전에 용체화 어닐링 처리하는 것에 의해 조절될 수 있고, 용체화 어닐링 처리에서 상기 블랭크의 경도는 금속간 상의 분해 및 입자 성장을 초래하는 것에 의해 감소한다.
블랭크의 제조는 주조하거나 또는 그 자체로 공지되어 있는 분말 야금 공정을 적용함으로써 통상적인 방법으로 실행될 수 있다. 예로는 주조, 주조 및 성형, 정밀 주조, 분말 및 열간 등압 성형 방법이 있다.
각각의 구성요소의 최종 경도와 비교하여 본 발명에 따라 제공되는 블랭크의 경도가 낮기 때문에, 상기 블랭크는 낮은 공구 마모 및 더 빠른 속도로 기계 가공될 수 있다. 재료는 전형적으로 절삭 가공에 의해, 특히 밀링에 의해 제거된다. 그러나, 본 발명에 따라 제공된 블랭크에 존재하는 낮은 경도를 이용하면서 재료의 효과적인 제거를 가능하게 하는, 다른 모든 가공 방식이 또한 이러한 목적을 위해 적합하다.
최종 임플란트 또는 보철물 구성요소에 요구되는 기계적 특성은 본 발명에 따라 재료 제거, 성형 가공 후에 수행되는 열처리에 의해 조절된다. 이 열처리는 석출 경화 또는 고용체 형성을 유발하며, 그 결과로 특히 치과용에서 임플란트가 갖추어야 하는 고강도를 조절한다. 물론, 석출 경화 및 고용체 형성은 조합으로 발생할 수 있으며 공동으로 경도 증가에 기여한다. 개별적인 합금을 조절함으로써, 석출 경화의 효과가 고용체 형성의 효과를 초과하게 할 수 있고, 그 반대의 경우도 가능하다.
전형적으로, 본 발명에 따라 제공되는 블랭크는 디스크 형태이며, 이 디스크로부터 각각의 임플란트가 밀링에 의해 성형된다. 이러한 디스크는 기술 용어로 "밀링 디스크"라고도 한다.
이 경우에, 본 발명은 의치의 고정 수단으로 또는 직접 의치로, 또는 턱에 의치를 고정하기 위한 보조 수단으로 도입되는 치과용 임플란트, 또는 의치 또는 의치용으로 턱에 부착되는 치과용 보철물을 제조하는데 특히 적합하다.
임플란트 또는 보철물, 특히 치과용 임플란트 또는 보철물이 재료 절삭에 의해 제조되는 블랭크의 재료로서 사용하기 위해 본 발명에 의해 제공되는 유형의 코발트 기재 합금은 종래 기술(예를 들어, EP 1972321 B1)로부터 그 자체가 알려져 있다. 그러나, 상기 문헌에서, 상기 합금은 다른 용도 또는 다른 제조 공정을 위해 사용된다.
본 발명만이 본질적으로 알려져 있는 이 합금들이, 블랭크로서 재료 절삭 가공을 위해 최적화된 성질을 가지며, 상기 재료 절삭 가공 다음에 최종 열처리에 의해 각각의 임플란트 또는 보철물 구성요소에 요구되는 기계적 특성과 일치하게 될 수 있는 방식으로 조합되거나 열처리 될 수 있다는 것을 인식하였다.
따라서, 본 발명에 따른 목적에 적합한 합금 사양으로 제공하는 코발트 기재 합금은 다음과 같이 구성된다.
중량%로
C : 0.5% 이하,
Si : 2.5% 이하,
Cr : 22 내지 29%,
Mn : 1% 이하,
Ni : 3% 이하,
Fe : 3% 이하,
Ce : 1% 이하,
Ga : 5% 이하,
B : 2.5% 이하,
그리고 각각의 경우에 "Mo, W, Nb, Al, Ti"를 포함하는 그룹으로부터의 경화 석출물 또는 고용체를 형성하는 원소들 중 적어도 하나를 포함하고, 존재하는 경우에 성분의 농도에 대해서는 아래와 같은 비율이 적용되며,
Mo : 3 - 9%
W : 3 - 9%
Nb : 3 - 9%
Al : 0.1 - 6%
Ti : 0.1 - 6%
잔부는 Co 및 제조 과정에서 기인하는 불가피한 불순물이다.
탄소는 본 발명에 따라 사용되는 코발트 기재 합금에 0.5 중량% 이하의 농도로 존재할 수 있다. 탄소는 Cr-농후 탄화물의 석출의 결과로서 내식성이 감소되기 때문에 일반적으로 바람직하지 않은 불순물이다. 따라서, 탄소 농도는 0.1 중량% 이하, 특히 0.1 중량% 미만으로 제한된다.
실리콘은 본 발명에 따라 사용되는 코발트 기재 합금에 2.5 중량% 이하의 농도로 존재할 수 있다. 실리콘을 첨가함으로써 용융물의 융점 및 점도가 감소한다. 동시에, 실리콘은 산화물 또는 산화 화합물을 형성함으로써 임플란트에 선택적으로 부착되는 세라믹 베니어의 접착력이 향상된다는 긍정적인 효과를 나타낸다. 이 효과를 이용하기 위해, Co 합금의 Si 농도는 최소 0.8 중량% 일 수 있다. 2 중량%를 초과하면, Si는 더 이상의 특성 개선 효과를 나타내지 않는다.
본 발명에 따라 사용되는 코발트 기재 합금에서, 크롬은 22 내지 29 중량%, 특히 22.00 중량% 초과 내지 29.00 중량% 미만의 농도로 존재할 수 있다. 크롬은 내식성을 위해 필요하며, 또한 각각의 임플란트의 경도의 최종 조절을 위해 본 발명에 따라 이용되는 고용 강화로 포함된다. Cr 농도가 23 중량% 이상, 특히 23 중량% 초과일 때, Cr은 본 발명에 따라 사용된 Co 합금에서 최적의 효과를 제공한다. 동시에, 최대 27 중량%, 특히 27.00 중량% 미만의 Cr 농도는 구강 내에서의 지속적인 사용을 위한 충분한 내식성을 보장한다는 것이 밝혀졌다.
실리콘과 마찬가지로 최대 1 중량% 농도의 망간은 용융물의 점성 및 베니어에 대한 접착에 영향을 준다. 또한, 유황에 의해 Mn 황화물을 형성한다. 본 발명에 따른 Co 합금에서의 Mn의 긍정적인 효과는, 특히 Mn 농도가 0.01 중량% 이상일 때 이용될 수 있다. 1 중량%를 초과하면, Mn은 더 이상의 특성 개선 효과를 나타내지 않고, Mn 농도가 최대 0.5 중량%일 때 Mn에 의한 최적 효과를 나타낸다.
본 발명에 따라 사용되는 Co 합금 내의 니켈 농도는 최대 3 중량% 이지만, 특히 구강 내에서 사용하기 위해서 니켈 농도는 최대 0.1 중량%, 알레르기 반응을 안전하게 회피하기 위해 특히 0.1 중량% 미만의 농도로 제한될 수 있다. 그러나, 더 높은 Ni 농도를 갖는 Co 기재 합금은, 무릎 또는 엉덩이 임플란트 용도에 요구되는 재료의 기계적 특성을 달성하기 위하여 상기 무릎 또는 엉덩이 임플란트를 위해 적합할 수 있다.
철은 본 발명에 따라 사용되는 Co 합금에 제조 공정의 결과로 존재하지만, 재료의 내식성을 손상시키지 않도록 최대 3 중량%, 특히 3.0 중량% 미만으로 제한되어야 한다. 철 농도가 최대 0.5 중량%, 특히 0.1 중량% 미만으로 제한되는 경우, Fe의 존재에 의한 부정적인 영향은 특히 안전하게 방지될 수 있다.
세륨은 본 발명에 따라 사용되는 합금에 최대 1 중량% 농도로 첨가될 수 있는데, 이는 산화물 형성에 의해 세라믹 베니어에 대한 접합을 크게 개선하기 때문이다.
갈륨은 본 발명에 따라 사용되는 코발트 기재 합금에 최대 5 중량%의 농도로 존재할 수 있다. 갈륨은 또한 고용 강화에 관여하며 열팽창 계수 감소에 기여한다.
최대 2.5 중량%까지의 농도에서, 붕소는 Si와 유사한 효과를 갖는다. 또한 붕소는 산화물 색상에 영향을 미치고 붕소화물 석출물을 형성함으로써 경도와 강도를 증가시킨다. 재료가 매우 취성이 될 수 있기 때문에, 2.5 중량%를 초과하는 농도는 회피되어야 한다.
삭감 공정을 수행한 후에 얻어진 임플란트의 경도를 조절하도록 본 발명에 따라 이용되는 석출물 형성을 유발하기 위해, 본 발명에 따라 사용된 Co 기재 합금은 "Mo, W, Nb, Al, Ti"을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 석출물 형성 원소를 함유하는데, 상기 원소들은 Co 합금에 단독으로 존재할 수 있을 뿐만 아니라 서로 조합하여 존재할 수 있다. 예를 들어, 각각의 경우에, 본 발명에 따라 제공되는 석출물 형성 원소의 그룹으로부터 2 이상의 원소들이 Co 합금에 함유될 수 있다.
몰리브덴은 3 내지 9 중량%의 농도에서 내식성을 우선적으로 증가시키지만,현저한 고용 강화를 또한 유발하며, 그 결과로서 Co 합금의 경도 및 강도를 효과적으로 증가시킨다. 동시에, Mo는 열팽창 계수의 감소에 기여한다. Mo의 긍정적인 영향은, Mo 농도가 적어도 4 중량% 일 때 특히 안전하게 이용될 수 있다. Mo의 긍정적인 영향을 이용하기 위해, 일반적으로 Mo 농도를 최대 6 중량%로 제한하는 것으로 충분하다는 것이 실제 실험에서 입증되었다.
본 발명에 따라 사용되는 Co 합금에서, 3 - 9 중량%의 농도의 텅스텐은 몰리브덴과 유사한 효과를 가지며 따라서 우선적으로 내식성을 증가시키지만, 현저한 고용 강화를 또한 유발하며, 그 결과로서 Co 합금의 경도 및 강도를 효과적으로 증가시킨다. 동시에, W는 열팽창 계수의 감소에 기여한다. W의 긍정적인 영향은, W 농도가 적어도 4 중량% 일 때 특히 안전하게 이용될 수 있다. W의 긍정적인 영향을 이용하기 위해, 일반적으로 W 농도가 최대 6 중량%로 또한 제한되는 것으로 충분하다는 것이 실제 실험에서 입증되었다.
니오븀은 3 - 9 중량% 농도로 본 발명에 따라 사용되는 Co 합금에 또한 존재할 수 있다. 니오븀은 탄소가 존재한다면 먼저 Nb 탄화물의 형성을 증가시킨다. 따라서 불가피한 탄소 불순물이 이렇게 되어, 결과적으로 내식성을 감소시킬 수 있는 Cr 및/또는 Mo 탄화물의 생성이 방지된다. 따라서 주어진 농도로 Nb의 존재는 간접적으로 내식성을 증가시킨다. 다른 관점에서, Nb의 효과는 텅스텐 또는 몰리브덴의 효과와 상응한다. Nb의 긍정적인 영향은, Nb 농도가 적어도 4 중량% 일 때 특히 안전하게 이용될 수 있다. Nb의 긍정적인 영향을 이용하기 위해, 일반적으로 Nb 농도를 최대 6 중량%로 제한하는 것이 또한 충분하다는 것이 실제 실험에 의해 입증되었다.
알루미늄 및 티타늄은 금속간 상 형성에 동등하게 관여하며 석출 경화를 지원한다. 그 원자 농도와 관련하여, 이들은 필요에 따라 1 : 1의 비율로 상호교환 가능하다. 존재한다면, 본 발명에 따라 사용되는 Co 합금의 Al 농도는 0.1 내지 6 중량%이고, Ti 농도는 0.1 내지 6 중량%, 특히 최대 5 중량%이며, Al 농도가 적어도 2 중량% 또는 Ti 농도가 적어도 1 중량%인 것이 특히 효과적임이 입증되었다. 동시에, 본 발명에 따른 목적을 위해 최대 4 중량%의 Al 농도 또는 최대 3 중량%의 Ti 농도가 일반적으로 충분한 것으로 밝혀졌다.
필요하다면, 절삭 가공 전에, 본 발명에 따라 각각의 경우에 사용 및 제공되는 블랭크는 열처리를 받을 수 있는데, 열처리에서 상기 블랭크는 1050 - 1300℃의 온도에서 15 - 600 분의 기간 동안 용체화 어닐링된다. 최적의 용체화 어닐링 결과는 용체화 기간이 최소 60 분일 때 달성되고, 어닐링 결과를 최적화하는 것과 관련하여 입증된 용체화 어닐링의 최대 기간은 480 분이다. 또한, 용체화 어닐링 온도가 최소 1150℃ 일 때 용체화 어닐링의 결과를 최적화하는데 기여하고, 최적화 측면에서 또한 입증된 용체화 어닐링 온도의 최대 온도는 1250℃이다. 용체화 어닐링은 금속간 상의 분해 및 입자 성장을 유발함으로써 경도의 감소를 초래하므로 블랭크는 재료 절삭 가공에 최적인 경도를 갖는다.
용체화 어닐링 처리의 가열 속도는 최소 5 K/분 및 최대 20 K/분 이어야하며, 따라서 통상적인 용체화 어닐링 노에 대한 일반적인 범위에 있어야 한다. 이러한 방식으로 가열이 수행됨으로써, 충분한 통과 가열이 보장된다. 또한, 가열 속도는 본 발명에 따라 제조된 생성물의 결과적인 성질에 영향을 미치지 않는다. 용체화 어닐링 후, 블랭크는 5 - 1000 K/분의 냉각 속도로 실온으로 냉각될 수 있다. 냉각 속도가 느릴 경우, 석출 및 재결정화가 가능하다. 결과는 가공 단계에서 바람직하지않은 경도의 증가일 수 있다. 냉각이 상당히 신속하게 일어날 경우, 열 응력의 결과로서 뒤틀림 및 심지어 균열이 발생할 수 있다. 이 경우, 냉각 속도는 단면에 따라 본 발명의 한계 내에서 선택되어야 하며, 보다 구체적으로는 각 경우에 코어 영역에서도 요구되는 냉각이 달성되도록 선택되어야 한다.
용체화 어닐링은 일반적인 대기 조건 하에서 통상적으로 수행될 수 있다. 동일하게 통상적인 방식으로, 용체화 어닐링 후의 담금질은 공기 또는 물로 실행될 수 있다.
그러나, 일반적인 대기 조건 하에서 통상적인 용체화 어닐링 동안 생성된 스케일 제거에 대한 비용이 회피되어야 한다면, 용체화 어닐링 처리는 진공 하에서 실행될 수 있다. 진공 상태에서의 용체화 어닐링은 각각의 블랭크의 산화 및 스케일을 방지하므로, 스케일 또는 산화물을 제거하기 위해 필요한 2차 가공 공정을 최소화할 수 있고 2차 가공을 위해 필요한 조치들이 회피될 수 있다. 이어서, 산화 및 스케일 형성을 회피하기 위하여, 가압 질소에 의해 담금질이 실행될 수 있다.
재료 절삭 가공을 위한 최적 경도는 일반적으로 최대 35 HRC, 특히 최대 28 HRC의 범위이다.
HRC의 경도는 전형적으로 DIN EN ISO 6508-1에 정의된 절차에 따라 결정된다.
경도를 조절하기 위해, 블랭크의 재료 절삭 가공에 의해 얻어진 임플란트는 600 - 1000℃, 특히 최대 950℃의 시효 온도에서, 최소 5 분, 특히 최소 60 분, 및 최대 600 분의 시효 기간 동안 유지될 수 있다. 특히 이 경우에 적어도 700℃의 시효 온도에서 본 발명에 따라 이용되는 석출 과정이 특히 안전하게 일어나는 것이 입증되었다. 특히, 이러한 목적을 위해, 시효 온도는 적어도 750℃로 설정될 수 있다.
이 경우에, 5 내지 150 분, 특히 5 내지 120 분의 시효 기간이 본 발명에 따라 이용되는 석출 과정을 유발하는 데에 일반적으로 충분하다는 것이 밝혀졌다. 각각의 합금 변형예에 따라, 경도의 양호한 증가는 최대 20 분의 시효 기간의 경우에 이미 달성될 수 있고, 다른 합금 변형예에서, 적어도 80 분의 시효 기간이 이와 관련하여 유리한 것으로 입증되었다. 전형적인 노를 사용하는 적절한 통과 가열을 신뢰성 있게 달성하기 위해, 이 경우 또한 가열 속도는 최소 5 K/분 및 최대 20 K/분이 되어야 한다. 시효 후에, 블랭크는 5 - 20 K/분의 냉각 속도로 실온으로 냉각될 수 있다.
치과 기술 분야에서의 응용에서, 각 용도에 대해 요구되는 경도 및 강도 수준을 달성하기 위해 추가적인 조치가 일반적으로 필요하지 않다. 다른 경우, 예를 들어 부목, 나사, 브레이스 등과 같이 신체 안에 또는 신체상에 설치되는 고정 부품의 제조에 있어서, 경도 및 강도 수준을 높이기 위해 각 제품에 대해 냉간 가공에 의한 가공 경화가 실행될 수 있다. 일반적으로, 가공 경화는 시효 전에 이루어지는데, 그 이유는 블랭크 또는 블랭크로부터 형성된 제품들은 여전히 연질이며 따라서 최대 경화 잠재력을 제공하기 때문이다. 200℃ 미만의 온도에서 수행되는 변형 공정은 가공 경화를 위한 냉간 변형에 대한 옵션으로 제공된다. 이들은 변형이 인장, 압축 또는 굽힘에 의해 생성되는 공정을 포함한다. 이러한 공정에는 스웨이 징, 드로잉, 스트레이트닝, 스트레칭 등을 포함한다. 이 경우에 전형적인 변형율은 최대 80 %이다. 이러한 방식으로, 최대 300%의 경도 증가가 가능하다(예를 들어, 초기 상태에서의 20 HRC로부터 냉간 가공 경화 상태에서의 60 HRC로).
임플란트가 세라믹 베니어와 함께 제공되는 경우, 시효 온도가 각각의 세라믹 층의 베이킹 온도와 상응하는 방식으로 시효 온도가 선택될 수 있다. 그 다음, 어떠한 추가적인 공정 단계도 필요하지 않도록 석출 경화 또는 고용 강화 및 세라믹 베니어의 베이킹 공정은 서로 조합될 수 있고, 베니어의 베이킹은 석출 경화 또는 고용 강화 및 이에 의해 조절되는 임플란트의 특성에 대한 추가적인 효과를 나타내지 않는다.
이것은 화학 조성, 열처리의 온도 및 기간의 특별히 조절된 조합에 의해 가능하다. 그러나, 베니어링(veneering)은 소급해서 실행될 수도 있다. 이 경우에 본 발명에 따른 합금은 광범위한 가능한 변형예에 의해 베니어링의 열처리 및 공정 파라미터를 조화시키는 것을 가능하게 한다. 따라서 최적의 기능적인 특성은 공정을 복잡하게 하는 일없이 조절될 수 있다.
본 발명의 실시 가능성을 입증하기 위해, 11 개의 상이한 합금 시스템 "변형예 I" - "변형예 XI"가 주조에 의해 제조되었다. Co-Cr-Si "기재 합금"으로부터 출발하여, 합금 원소 Mo, W, Nb, Al 및 Ti가 변경되었다.
표 1 내지 표 11에는, 각각의 변형예 I - XI에 대한, 일반적인 합금 사양, 일반적인 합금 사양의 맥락에서 최적인 것으로 고려되는 합금 사양, 특별히 검사된 샘플의 분석, 합금 사양의 연질 버전 및 경질 버전이 표시되어 있다. 더욱더 연질 및 경질 버전들인 것은 합금 원소 Al 및 Ti의 농도를 변화시킴으로써 주로 조절되는데, 그 이유는 석출 경화에 대한 상기 합금 원소들의 영향이 가장 두드러지기 때문이다.
대조적으로, Mo, W 및 Nb를 변화시키는 것은 고용 강화에 주로 영향을 미치며, 그 결과로 용체화 어닐링 경도가 변경된다. 특히 Al 또는 Ti와 조합하여 Mo, W 및 Nb는 현저한 석출 경화를 초래한다. Al이나 Ti가 없으면, 석출 경화는 가능하지만 현저한 것은 아니다.
Ti 및 Al의 농도를 제외하고, 각 경우에 특별히 조사된 샘플의 개별적인 합금 성분의 농도는 스파크 분광기를 이용하여 그 자체로 공지된 방식으로 결정되었다. Al 및 Ti의 농도는 각 경우에 습식 화학을 이용하여 마찬가지로 그 자체로 공지된 방식으로 측정되었다.
모든 샘플을 먼저 1250℃에서 8 시간 동안 진공에서 용체화 어닐링 하였다. 가열은 약 10 K/분의 가열 속도로 실행하였다. 용체화 어닐링 후의 담금질은 여기에서 실행된 시험에서 30 - 50 K/분의 냉각 속도에 상응하는 3.5 bar의 질소를 사용하여 실행되었다.
실제로, 용체화 어닐링 후에, 임플란트를 제조하기 위해 블랭크의 재료 절삭 가공이 후속하게 된다.
후속 시효 시험은 각 경우에 500 - 1000℃(단계적으로 100℃ 간격으로)의 온도 범위에서 10 시간 동안 실행되었다. 각 경우에 가열 및 냉각 속도는 대략 10 K/분이었다. 각 열처리 후에, 경도는 HRC 경도로 측정되었다. 표 1 내지 표 11에서 특별히 조사한 분석의 경우에 대해, 적어도 5 개의 개별 측정값으로부터의 평균값이 표시되어 있다. 이 경우에, 변형예 V는 본 발명에 해당하지 않는데, 그 이유는 상기 변형예는 석출 경화 또는 고용 강화를 초래하는 본 발명에 따라 제공되는 그룹으로부터의 어떠한 원소도 함유하지 않기 때문이다.
표 1 내지 표 11에 나타낸 결과는, 특히 Al 및 Ti를 함유하는 합금이 약 800℃의 온도 범위에서 시효 처리가 실행될 때 현저한 석출 경화를 일으키는 경향이 있음을 입증한다.
변형예 III 및 변형예 V는 시효 처리 후에 경도의 비교적 낮은 증가만을 나타내지만, 상기 변형예들은 가공 경화에 의해 경도를 증가시키기 위해 특히 적합하다. 이러한 방식으로, 변형예 III 및 변형예 V에서 최대 60 HRC의 경도 증가가 샘플의 가공 경화에 의해 달성될 수 있음을 보였다.
특별히 조사한 변형예 Ⅶ - ⅩⅠ의 샘플에 기초하여, 시효 시간에 따른 경도의 증가를 조사하기 위해 추가적인 시효 시험이 실행되었다. 시효 시간은 단계적으로 20 분의 간격으로 최대 전체 120 분까지 변화되었다. 시험은 이미 설명된 1250℃에서의 용체화 어닐링 후에 도달한 상태로부터 시작되었다. 열처리의 나머지 파라미터는 또한 변경되지 않았다.
시효 시험의 결과는 표 12에 표시되어 있다. 시효 시간이 60 분을 초과하면 이미 경도가 상당히 증가한다는 것을 유의해야 한다. 변형예 Ⅶ - X에서, 800℃에서 120 분 동안의 시효 후에, 경도는 10 시간 동안 시효한 것과 이미 동일하다.
따라서, 본 발명은 삭감 공정을 적용함으로써 임플란트 또는 보철물, 특히 치과용 임플란트 또는 보철물의 단순화된 생산을 가능하게 하는 가능성을 보여준다. 이 목적을 위해, 본 발명은 블랭크의 제조를 위한 석출 경화 또는 고용 강화되는, 생체 적합성 코발트 기재 합금의 용도를 제안한다. 이러한 블랭크는 본 발명에 따른 방법의 과정에서 연질 상태로 제공된다. 후속해서, 각각의 구성요소(임플란트 또는 보철물)는 재료 절삭 가공에 의해 연질 블랭크로부터 만들어진다. 이어서, 석출 경화 또는 고용체 형성에 의해 임플란트 또는 보철물의 경도를 조절하기 위해 임플란트 또는 보철물의 열처리가 실행된다.
Claims (15)
- 블랭크로부터 임플란트 또는 보철물을 만들기 위하여 연질 상태에서 절삭 가공이 실행될 수 있고, 석출 경화 또는 고용 강화에 의해서 임플란트 또는 보철물의 최종 경도를 조절하기 위하여 상기 임플란트 또는 보철물은 절삭 가공 후에 열처리를 받게 되도록 제공되는, 상기 블랭크를 제조하기 위한 석출 경화 또는 고용 강화되는 생체 적합성 코발트 기재 합금의 용도.
- 임플란트 또는 보철물의 제조 방법으로서,
- 석출 경화 또는 고용 강화되는, 생체 적합성 코발트 기재 합금으로 이루어진 연질 블랭크를 제공하는 단계,
- 연질 블랭크로부터 절삭 가공에 의해서 임플란트 또는 보철물을 성형하는 단계,
- 석출 경화 또는 고용 강화에 의해 경도를 조절하도록 임플란트 또는 보철물을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
블랭크는, 각각의 임플란트 또는 각각의 보철물이 밀링에 의해 성형되는 디스크인 것을 특징으로 하는 용도 또는 방법. - 선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
코발트 기재 합금은 중량%로,
C : 0.5% 이하,
Si : 2.5% 이하,
Cr : 22 내지 29%,
Mn : 1% 이하,
Ni : 3% 이하,
Fe : 3% 이하,
Ce : 1% 이하,
Ga : 5% 이하,
B : 2.5% 이하,
그리고 각각의 경우에 "Mo, W, Nb, Al, Ti"를 포함하는 그룹으로부터의 경화 석출물 또는 고용체를 형성하는 원소들 중 적어도 하나를 포함하고, 존재하는 경우에 이들 원소의 농도에 대해서는 다음과 같은 비율이 적용되며,
Mo : 3 내지 9%,
W : 3 내지 9%,
Nb : 3 내지 9%,
Al : 0.1 내지 6%,
Ti : 0.1 내지 6%,
잔부 Co 및 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 용도 또는 방법. - 제4항에 있어서,
코발트 기재 합금의 탄소 농도가 0.1 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 용도 또는 방법. - 제4항 또는 제5항에 있어서,
코발트 기재 합금의 실리콘 농도가 0.8 내지 2.0 중량% 인 것을 특징으로 하는 용도 또는 방법. - 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
코발트 기재 합금의 크롬 농도가 23 내지 27 중량% 인 것을 특징으로 하는 용도 또는 방법. - 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
코발트 기재 합금에 존재하는 경화 석출물 또는 고용체 형성 원소들의 농도에 대하여, 중량%로
Mo : 4 내지 6 %,
W : 4 내지 6 %,
Nb : 4 내지 6 %,
Al : 2 내지 4 %,
Ti : 1 내지 3 %의 비율이 적용되는 것을 특징으로 하는 용도 또는 방법.. - 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
중량%로 코발트 기재 합금의 망간 농도가 0.5% 이하, 또는 코발트 기재 합금의 니켈 농도가 0.1% 이하인 것을 특징으로 하는 용도 또는 방법. - 선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 경우에 경화 석출물을 형성하는 적어도 2개의 원소가 코발트 기재 합금에 존재하는 것을 특징으로 하는 용도 또는 방법. - 선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
블랭크는 절삭 가공하기 전에 1050 - 1300℃의 온도에서 15 - 600 분의 기간 동안 용체화 어닐링 되는 것을 특징으로 하는 용도 또는 방법. - 제11항에 있어서,
용체화 어닐링 후, 블랭크는 5 - 1000 K/분의 냉각 속도로 실온으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 용도 또는 방법. - 선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
임플란트 또는 보철물은 경도를 조절하기 위해 600 - 1000℃의 시효 온도에서, 최소 5 분 내지 최대 600 분의 시효 기간 동안 유지되는 것을 특징으로 하는 용도 또는 방법. - 제13항에 있어서,
시효 온도가 700℃ 이상인 것을 특징으로 하는 용도 또는 방법. - 제13항 또는 제14항에 있어서,
시효 기간은 5 내지 150 분인 것을 특징으로 하는 용도 또는 방법.
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