Current Issue

금속-도재관은 금속 하부 구조에 도재를 용착시킨 것으로, 금속의 연·전성 및 내충격성 등의 특성과 도재의 내식성, 생체 안정성, 심미성 등의 특성을 갖고 있는 치과 보철물이다(1). 1990년대에 들어 심미에 대한 욕구가 증대됨에 따라 백금박이나 내화성 모형의 상부에 도재를 소성하는 방법, 도재를 주조하는 방법, 컴퓨터를 이용하여 디자인 하고 제작하는 방법(Computer aided design-Computer aided manufacturing, CAD·CAM) 등이 개발되어 오늘날에 이르렀다(2). 현재 임상에서는 전장 도재 보철에 대한 수요가 증가하고 있는 추세이나, 금속이 갖고 있는 우수한 연·전성 및 적합성 등은 치과 보철물의 하부 구조 제작에 적용하는 데 있어 큰 장점을 가지고 있어 꾸준히 활용되고 있는 실정이다.

Au-Pt계 합금에서 Pt는 강도를 높여주고 부식 저항성을 향상시키며, 합금의 냉각 시 Au에 대한 Pt의 고용 한도에 따라 Au-rich 및 Pt-rich상으로 분리되어 석출경화를 일으키며(3, 4), Pd는 Au와 전율 고용체를 이루고 Pt에 대한 고용 한도를 갖지만 In이나 Sn과 같은 저융점의 원소들과 안정상을 형성할 수 있는 것으로 알려져 있다(5). Au의 경우 금속-도재용 합금으로 사용하기에는 융점이 너무 낮으므로, 도재의 소성 과정 중 지속적으로 고온 환경에 노출될 때의 처짐(sag) 현상을 방지할 수 있도록 Pt와 Pd 성분을 첨가하여 융점을 높여야 한다(6). 김 등에 의하면, Au-Pt-Pd계 금속-도재 합금에 있어 반복적인 소성이나 냉각 속도의 감소에 의해 입내 석출물이 조대화 됨에 따라 합금의 경도를 감소시킨다고 보고하였다(7). German은 Au-Pt-Pd 합금의 경도 변화를 관찰하였는데, 소성에 따라 합금이 연화되지만 소성 후 냉각 과정에서 합금의 경화가 일어나는 것으로 보고하였다(8). 한편, Pd-Ag계 금속-도재용 합금의 경우 모의 소성에 따른 경도 변화에 관한 연구에서, 소성 과정의 첫 단계인 산화 처리 시 냉각 속도에 따라 경도의 차이가 크게 나타나는 것으로 보고되었고(9, 10), Pd계 금속-도재용 합금의 경우 주조 시의 경도에 비해 소성 과정에 따른 열처리 후 경도가 감소하는 것으로 보고된 바 있다(11-13). 금속-도재 합금의 강도를 증가시키는 데 대한 여러 연구가 진행되어 왔으나(14-16), Au-Pt-Pd계 금속-도재용 합금에서 소성 시 냉각 속도를 달리 했을 때 나타나는 합금의 최종 경도의 차이와 그에 따른 미세구조 및 결정구조의 변화에 관해서는 밝혀져 있지 않다.

본 연구에서는 금속-도재용 합금의 소성 시 냉각 속도를 달리하여 도재를 축성하지 않고 통상적인 소성 과정을 진행한 후, 냉각 속도의 차이가 경도 및 미세구조의 변화에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 이를 위하여, 각 소성 단계를 진행한 후 경도 시험을 진행하고 이와 관련된 미세구조와 결정구조 및 원소분포의 변화를 조사하였다.

본 연구에서는 Au-Pt-Pd계 금속-도재용 합금을 이용해 도재의 축성 과정 없이 통상적인 소성 과정을 진행하되, 소성 시의 냉각 속도를 달리함으로써 냉각 속도의 차이가 합금의 경도 및 미세구조의 변화에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 이를 위하여, 일반적인 소성 단계를 진행한 후 각 단계별로 경도 시험을 시행하고 이와 관련된 미세구조와 결정구조 및 원소분포의 변화를 조사하였다. 이 때, 소성 후 냉각 시의 냉각 속도는 Stage 0와 Stage 3로 달리하였는데, Stage 0와 Stage 3는 Table 3에 제시된 냉각 속도 중 각각 가장 빠른 단계와 가장 느린 단계에 해당한다.

Figure 1은 주조 후 Table 2에 제시된 단계에 따라 소성하여 그에 따른 경도 변화를 나타낸 결과이다. Table 4에서 볼 수 있듯이, 냉각 속도(Stage 0/Stage 3, p<0.05) 뿐만 아니라 소성 단계(Oxidation-Glaze, p<0.05)도 경도에 영향을 미쳤고, 소성 단계와 냉각 속도 간의 교호작용도 나타났다(p<0.05). 시편을 Stage 0의 냉각 속도로 진행한 경우에는 Oxidation 단계부터 Opaque 단계까지 주조 시와 유사한 수준의 경도(205.15±1.98 HV)를 유지하다 Main Bake 단계에서부터 경도가 하락하여 Glaze 단계까지 유사한 수준으로 유지되었다(Table 5, p<0.05). 한편, 시편을 Stage 3의 냉각 속도로 진행한 경우에는 Stage 0의 냉각 속도로 진행한 경우에 비해 전반적으로 낮은 경도를 유지하며 Stage 0에서와 동일한 양상으로 변화하였다. 따라서 Au-Pt-Pd계 금속-도재용 합금의 모의 소성 시 냉각 속도에 따른 최종 경도의 차이가 큰 것으로 나타났고, 빠른 냉각 속도(Stage 0)로 냉각시키는 것이 느린 냉각 속도(Stage 3)로 냉각시키는 것보다 소성에 따른 경도의 감소가 적었다.

주조 후 모의 소성을 진행한 시편들의 미세구조 변화를 관찰한 결과(Figure 2, Figure 3), 주조된 시편(AS-CAST)에서는 등축정 구조가 형성되었고 입내와 입계에 미세한 석출물이 관찰되었는데, 산화 처리 후 급랭 처리한 시편(OXI-IQ)에서는 주조된 시편(AS-CAST)에 비해 약간 균질화가 진행되어 입내의 미세한 석출물이 기지 내로 고용된 것으로 보였으며, 이로 인해 주조된 시편에 비해 경도가 137.85±2.57 HV로 크게 낮아진 것으로 판단된다. 산화 처리 후 Stage 0로 냉각시킨 시편(OXI-Stage 0)에서는 급랭 처리한 시편에 비해 입내에 미세한 석출물이 증가하여 주조된 시편(AS-CAST)에서 나타난 것과 유사한 미세구조가 관찰되었고, 이러한 석출로 인해 주조된 시편(AS-CAST)과 유사한 수치로 경도가 상승한 것으로 판단된다(204.84±1.84 HV). 한편, 산화 처리 후 Stage 3로 냉각시킨 시편(OXI-Stage 3)에서는 산화 처리 후 Stage 0로 냉각시킨 시편(OXI-Stage 0)에서 나타난 미세구조에 비해 보다 조대화된 석출물이 관찰되었으며, 경도 또한 산화 처리 후 Stage 0로 냉각시킨 시편(OXI-Stage 0)에 비해 낮은 수치를 나타내었다. Glaze 단계까지 시행한 결과 두 시편 모두 Oxidation 단계보다 석출물의 조대화가 관찰되었고, Stage 0로 냉각시킨 시편(GLAZE-Stage 0)보다 Stage 3(GLAZE-Stage 3)로 냉각시킨 시편에서 조금 더 조대화된 미세구조가 관찰되었다. 이러한 미세구조의 조대화는 다양한 조성의 합금에서 경도의 하강에 기여하는 것으로 보고된 바 있다(17-19). 따라서 Stage 0로 냉각시킨 시편에 비해 Stage 3로 냉각시킨 시편의 최종 경도가 더 낮게 나타났다(Figure 1).

X선 회절 분석 결과(Figure 4), 산화 처리 후 급랭한 시편(OXI-IQ)에서는 α상과 β상의 피크가 관찰되었는데 두 상 모두 면심입방구조(FCC)를 이루고 있었고, 격자상수 값은 α₂₀₀=4.052Å, β₂₀₀=3.853Å인 것으로 나타났다. 회절피크의 강도로부터 판단하면, α상이 기지이고 β상이 석출상임을 알 수 있다. 모의 소성의 최종 단계까지 진행한 시편(GLAZE-Stage 0, GLAZE-Stage 3)에서도 동일하게 α상과 β상이 공존하는 X선 회절 패턴이 관찰되었는데, 석출물인 111β 피크의 강도가 GLAZE-Stage 3에서 가장 높게 나타나 석출물의 생성이 가장 많은 것으로 생각되었다.

모의 소성의 최종 단계까지 진행 후 Stage 0로 냉각한 시편(GLAZE-Stage 0) 및 Stage 3로 냉각한 시편(GLAZE-Stage 3)에 대해 에너지 분산형 X선 분광 분석을 진행하여 기지와 석출물의 원소분포 변화를 관찰한 결과(Table 6), 두 시편 모두 기지(M)에서는 석출물(P)에 비해 Au의 함량이 높고, 석출물(P)에서는 기지(M)에 비해 Pt, Pd, In의 함량이 더 높은 것으로 나타났다. X선 회절 분석과 에너지 분산형 X선 분광 분석 결과를 조합해 볼 때, 기지와 석출상은 둘 다 면심입방구조(FCC)의 Au-rich상이지만, Au의 함량은 석출물보다 기지에서 더 높고, Pt의 함량은 기지보다 석출물에서 더 높은 경향을 보였다. 이러한 결과는 Au-Pt계 2원 상태도와 일치한다(20). Au-Pt계 2원 상태도에서는 고상 영역에서 온도가 낮아질수록 Au와 Pt의 서로에 대한 고용 한도가 낮아지는데, 본 실험에서도 Oxidation 단계에서 Glaze 단계를 거치며 소성 온도가 점점 낮아지게 되어 최종 단계인 Glaze 과정에서 석출물이 가장 많이 생성 되었다. 덧붙여, 각 소성 단계에서 냉각하는 동안 더 느린 냉각 속도일수록 상분리가 더욱 진행됨에 따라 석출물의 양이 많아져 조대화가 일어나는 것으로 판단된다.

이상의 결과로부터 Au-Pt-Pd계 금속-도재용 합금의 소성 시 빠른 냉각 속도로 냉각하는 것이 합금의 최종 경도를 높게 유지하는데 효과적이었다.

본 실험에서는 Au-Pt-Pd계 금속-도재용 합금을 이용하여, 합금의 소성 시 냉각 속도에 따른 경도 및 미세구조의 변화에 대해 관찰하였다. 그 결과 아래와 같은 결론을 도출하였다.

• 1. Au-Pt-Pd계 금속-도재용 합금의 모의 소성 시 냉각 속도에 따른 최종 경도의 차이가 큰 것으로 나타났고, 빠른 냉각 속도(Stage 0)로 냉각시키는 것이 느린 냉각 속도(Stage 3)로 냉각시키는 것보다 소성에 따른 경도의 감소가 적었다.
• 2. Stage 0로 냉각시킨 시편에 비해 Stage 3로 냉각시킨 시편의 최종 경도가 더 낮게 나타난 것은 미세구조의 조대화가 더 진행된 것에 기인하였다.
• 3. Stage 0로 냉각시킨 시편과 Stage 3로 냉각시킨 시편에서 기지와 석출상은 둘 다 면심입방구조(FCC)의 Au-rich상이지만, Au의 함량은 석출물보다 기지에서 더 높고, Pt의 함량은 기지보다 석출물에서 더 높은 경향을 보였다.