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본 실험에 사용된 합금은 임플란트용 금속-도재 보철물의 하부구조물 제작에 사용되는 Pd-Au-Ag계 치과 주조용 합금 (Esteticor Implant®32, Cecdres Metaux, Switzerland)이다. 제조사에 따르면, 합금의 융해 범위는 1215∼1290℃, 주조 온도는 1390∼1440℃이다. 합금의 조성은 제조사에서 표시한 중량비(wt.%)를 원자비(at.%)로 환산하여 Table 1에 나타내었다. 판상의 시편을 주조하기 위해 인산염계 매몰재(Univest plus, Metalor dental, Switzerland)가 사용되었고, 합금은 치과주조용 프로판가스-산소 토치로 용융되어 원심주조기(Centrifugal casting machine, Osung, South Korea)를 사용하여 주조되었다. 주조된 시편은 실온까지 서냉(bench-cooling)하였고, 매몰재 제거 후 초음파 세척기(Bransonic, Branson, USA)로 30분 동안 세척되었다.

주조된 판상의 시편(as-cast)은 치과용 도재 소성로 (Multimat 2 torch, Dentsply, Germany)에서 900℃에서 10분 동안 탈가스(degassing) 처리 (600℃를 시작온도로 하여 900℃까지 분당 55℃씩 승온)한 후, 빙염수 중에 급냉(ice quenching) 또는 일반적인 방법으로 실온까지 서냉(bench cooling) 하였다. 이때 서냉은 도재소성로 두껑이 약 50 mm 열린상태(stage 2)로 시행되었다. 그 후 각각의 시편을 add-on 단계까지 최종 모의소성하였고, 각 단계가 끝날 때마다 서냉(bench cooling) 하였다(Table 2).

도재 소성로에서 열처리된 각각의 시편을 미소경도계 (MVK-H1, Akashi Co., Japan)를 사용하여 하중 300 gf, 부하시간 10초의 조건으로 비커스 경도를 측정하였다. 각각의 시편에 대하여 경도를 5회 측정한 후 그 평균을 경도값으로 나타내었다.

열처리에 따른 시편의 미세구조 변화를 관찰하기 위해 전계방출 주사전자현미경(JSM-6700F, Jeol, Japan)을 사용하였다. 열처리된 시편을 미세연마기를 사용하여 순차적으로 연마하였고, 경면 연마된 시편을 10% KCN (potassium cyanide) + 10% (NH₄)₂S₂O₈ (ammonium persulfate) 용액으로 표면을 부식시켰다. 표면 처리된 판상의 시편을 전계방출 주사전자현미경(JSM-6700F, Jeol, Japan)을 사용하여 가속전압 15 kV의 조건으로 관찰하였다.

결정 구조를 분석하기 위해 판상의 시편을 X선 회절 장치 (XPERT-PRO, Philps, Netherlands)를 사용하여 X선 회절 실험을 시행하였다. 측정조건은 관전압 30 kV, 관전류 40 mA, 주사속도는 1° (2θ/min)이고, Ni 필터를 통과한 Cu Kα선을 사용하였다

금속-도재용 하부 구조물의 주조 후 탈가스(degassing) 단계에서의 급냉 (Ice-quencing, I.Q.) 처리가 이후 모의소성 단계를 거치는 동안 금속 하부 구조물의 경도변화에 미치는 영향을 알아보기 위해 탈가스 후 서냉한 시편(bench cooling)과 탈가스 후 급냉한 시편(I.Q.)의 모의소성에 따른 경도변화를 관찰하였다. 이 때 모의소성 과정 동안 냉각 속도는 서냉으로 통일하였다. Figure 1은 주조 후 탈가스 단계에서 서냉한 시편(bench cooling)과 탈가스 단계에서 급냉한 시편(I.Q.)의 최종 모의소성에 따른 경도변화를 나타낸 그래프이다. 탈가스 후 서냉한 시편의 경도값(234.7±2.92 Hv)은 주조된 시편(231.76±5.21 Hv)과 큰 차이를 보이지 않았으나, 탈가스 후 급냉한 시편의 경도값(196.12±1.18 Hv)은 주조된 시편에 비해 크게 하강한 것으로부터 탈가스 후 급냉 처리가 합금의 경도 하강을 유도한 것을 확인하였다. 탈가스 후 서냉한 시편을 1st opaque 단계까지 모의소성함에 따라 시편의 경도값 (228.82±1.95 Hv)은 조금 하강하였으나, 탈가스 후 급냉한 시편을 1st opaque 단계까지 모의소성한 시편의 경도값 (233.86±4.13 Hv)은 크게 상승하여 두 시편의 경도값이 유사해지는 것으로 나타났다. 그 후 최종 소성단계까지 모의소성되는 동안 두 시편의 경도값은 서서히 하강하였으며, 서로 유사한 값을 나타내었다.

Figure 1. 
Hardness change of specimens during porcelain firing simulation.

Degassing (I.Q.) : ice-quenched after degassing, degassing

(bench cooling) : cooled a t stage 2 after degassing.

이상의 결과로부터 탈가스 단계에서의 급냉 처리는 경도 하강을 유도하여 도재 소성 전 적합조정 및 표면처리 시간을 단축하는데 기여할 것으로 생각되었다. 또한, 이후 모의소성 단계를 거치면서 일반적인 방법으로 탈가스 처리 후 최종 모의소성된 시편과 탈가스 단계에서 급냉 후 최종 모의소성된 시편의 경도값이 유사하게 나타난 것으로부터 급냉으로 인한 합금의 연화 효과가 이후의 소성단계에서 즉시 사라져, 나머지 모의소성 과정 동안 시편의 경도변화에 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.

금속-도재용 하부 구조물의 주조 후 탈가스(degassing) 단계에서의 급냉 처리가 이후 모의소성 단계를 거치는 동안 금속 하부 구조물의 미세구조 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해 탈가스 후 서냉한 시편(bench cooling)과 탈가스 후 급냉한 시편(I.Q.)의 모의소성에 따른 미세구조의 변화를 관찰하였다. Figure 2는 탈가스 처리 후 급냉한 시편 (a), 탈가스 처리 후 급냉한 다음 최종 모의소성한 시편 (b) 그리고 탈가스 후 서냉하여 최종 모의소성한 시편 (c)의 800 (1), 7,000 (2)배 전계방출 주사전자현미경 사진이다. 주조된 시편을 탈가스 처리한 후 급냉한 시편 (a)에서는 미세조직이 균질화되어 단일상에 가까운 형태가 관찰되었고, 이후 이를 최종 모의소성한 시편 (b)에서는 시편 전체에서 미세한 입내 석출물이 관찰되었다. 탈가스 후 서냉하여 최종 모의소성한 시편 (c)에서는 급냉 후 최종 모의소성된 시편 (b)과 유사한 형태의 석출물이 관찰되었다. 이상의 결과로부터 탈가스 후 급냉함에 따른 경도 하강은 미세구조의 균질화에 의해 유도된 것을 확인하였다. 이러한 균질한 미세구조는 모의소성함에 따라 석출물로 뒤덮힌 구조로 바뀌며 경도가 상승되었음을 확인하였다. 이로부터 석출물의 생성으로 발생한 변형장이 모상의 뒤틀림을 유발하여 함금의 경도를 상승시켰다고 생각되었다 (Udoh 등, 1984; Seol 등, 2006; Guo 등, 2007; Pan 등, 2007). 탈가스 후 급냉하여 최종 모의소성된 시편 (b)과 탈가스 후 서냉하여 최종 모의소성된 시편 (c)의 미세구조가 유사하게 나타난 것으로부터 탈가스 단계에서 급냉 처리에 의해 나타난 균질화 효과는 모의소성과정을 거치면서 사라졌으며, 이후 모의소성 과정에서 미세구조 변화에 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다. 이 결과는 최종 모의소성 후 두 시편의 경도값이 유사하게 나타난 것과 일치하였다.

Figure 2. 
FE-SEM images of specimens during firing simulation at ×800 (1), ×7,000 (2).

(a) : ice-quenched after degassing, (b) : complete firing of (a), (c) : complete firing simulated specimen after degassing and subsequent cooling at stage 2.

금속-도재용 하부 구조물의 주조 후 탈가스(degassing) 단계에서의 급냉 처리가 이후 모의소성 단계를 거치는 동안 금속 하부 구조물의 결정구조 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해 X선 회절 실험을 시행하였다. Figure 3은 주조된 시편을 탈가스 단계에서 급냉한 시편 (a)과 이를 1st opaque 단계 (b)와 최종 소성 단계 (c)까지 모의소성한 시편, 그리고 탈가스 단계에서 서냉 후 최종 모의소성한 시편 (d)의 X선 회절 도형이다.

Figure 3. 
XRD change of specimens during firing simulation. (a) : ice-quenched after degassing, (b) : 1st opaque firing of (a) , (c) : complete firing of (a) , (d) : complete firing simulated after degassing and subsequent cooling at stage 2.

주조된 시편을 탈가스 후 급냉한 시편에서 모상 (α)은 격자정수가 a₂₀₀= 3.976 Å인 면심입방(f.c.c.) 구조의 단일상으로 확인되었다 (Villars 와 Calvert, 1985). 따라서 시편의 조성으로부터 α상은 Pd-Ag-Au-rich 상임을 알 수 있었다. 이 결과는 미세구조 관찰에서 탈가스 후 급냉한 시편의 미세구조가 단일상으로 확인된 결과와 일치하였다. 탈가스 후 급냉한 시편을 1st opaque 단계까지 모의소성한 시편과 이를 최종 모의소성한 시편에서는 모상의 X선 회절피크에서의 뚜렷한 변화는 없었으나 (200)α 피크의 저각도 측이 조금 넓어진 것이 관찰되었다. 이는 탈가스 단계에서 서냉 후 최종 모의소성한 시편의 X선 회절피크의 모양과도 유사하였다. 이는 모상의 (200) 회절 피크의 저각도 측에 생성된 석출상 피크의 중첩으로 인해 모상의 저각도 측이 비대칭적으로 넓어진 것이다. 이로부터 모상에서 새로운 상의 석출에 의한 상 분리가 진행된 것으로 생각되며, 이 때 석출상의 회절피크의 위치로부터 모상의 격자정수와 석출상의 격자정수가 유사한 것으로 생각되었다 (Kim 등, 2015b).