생체구조용 3%Y₂O₃안정화 지르코니아의 소결 조건에 따른 미세구조 및 기계적 성질 평가 = Evaluation of Microstructure and Mechanical Properties of 3%yttria-stabilized Zirconia for Bio Structural Application with Sintering Condition
저자
발행사항
서울: 서울과학기술대학교 산업대학원, 2011
학위논문사항
학위논문(석사)-- 서울과학기술대학교 산업대학원: 재료공학과 2011. 8
발행연도
2011
작성언어
한국어
주제어
KDC
530.4 판사항(5)
발행국(도시)
서울
형태사항
v, 63 p.; 26 cm.
일반주기명
지도교수: 변재원
참고문헌: p. 59-60
소장기관
%Y-TZP(3%yttria-tetragonal zirconia polycrystal) 이트리아 안정화 지르코니아는 고강도 구조용 재료로서 우수한 물리적, 기계적 성질가지며 생체 적합성 및 심미성도 우수하며 금속 대체용 세라믹으로 사용되고 있다. 또한 금속에서 발생하는 유해 물질 발생하는 반면 세라믹은 친환경적이다. 그러나 고강도의 세라믹 소결체는 취성파괴 특성으로 정밀가공이 매우 어려우며, 제조 공정시 생길수 있는 결함으로 인한 신뢰성에 대한 문제가 나타나고 있다.
현재는 CAD/CAM시스템의 발달에 따라 기공율이 높은 예비 성형체를 제작하여 필요한 형태의 형상가공 후 최종 소결 공정을 통해 소결체를 만드는 소결 공정을 시도하고 있다. 본 연구에서는 시판되는 3Y-TZP를 입자의 크기 및 조성, 입자의 형태가 다른 분말들을 사용하여, 이러한 변수들이 미세조직 및 기계적 물성에 미치는 영향을 확인하여 균열의 생성 및 전파에 대한 저항을 고찰하여 강도 저하에 원인이 되는 부분을 규명함으로 세라믹스 재료의 활용범위를 넓히고자 하였다.
각 분말들은 CAD/CAM 가공이 가능한 조건을 성립하기 위하여 CIP(냉간정수압성형)로 상대밀도 50%정도의 성형체를 제작 후 소결 온도 1300~1500℃를 변수로 하여 소결체를 제작하였다. 제작된 소결체는 공정 변수에 따른 상변화 및 결정립 성장 거동을 분석하였으며, 기계적 물성을 알아보기 위해 ISO-6872에 의거 Piston-on-3ball test를 통하여 이축 파괴강도를 측정하였다. 강도분포의 통계적 분석을 위해 와이블 분포 계수를 비교하였으며, 파괴된 소결체의 파괴 패턴이 이축 파괴 강도에 미치는 영향을 고찰하였다. 그 결과 각 분말의 타입별 약간의 차이는 존재 하였지만 CIP를 통하여 상대밀도 50%정도의 성형체를 제작하였으며, 소결 온도 1350℃에서 상대밀도 98%이상을 갖는 최종 소결체를 제작하였다. 최종 소결체의 SEM 분석 결과 큰 차이는 보이지 않았으며 평균 결정립의 크기는 220~240nm를 나타내었다. XRD 분석 결과 다량의 m-ZrO2상이 많은 타입의 소결체는 최종 소결 후에도 m-ZrO2상이 잔존하는 것을 확인하였으며, 파괴인성도 높은 것으로 확인되었다. 이것은 소결체의 입자내부에 존재하는 sub-micro 또는 마이크로 한 영역의 sub-grain에서 이중구조의 미세조직을 가지며 이러한 조직인 인성증진에 기여한 것으로 판단된다. 그러나 이러한 이중 구조는 미세균열을 동반하여 상대적으로 강도에는 저하를 주는 것으로 확인되었다. 또한 입자의 형태가 다면체 타입의 경우 가장 높은 강도를 나타냈으며, 와이블 계수 분포 함수도 기존 세라믹 재료의 비해 우수한 것으로 확인 되었다.
3%yttria-Tetragonal Zirconia Polycrystal (3Y-TZP) has been developed for structural applications, such as cutting tools and medical parts due to its high fracture toughness and high strength. Further improvement of strength can be made by optimizing sintering process for inhibiting grain growth.
In the study, three types of commercial 3Y-TZP powder with mean size of about 27~90 nanometer were used. Cold Isostatic Process for CAD/CAM process was performed under pressure of 150~250MPa. Green bodys were sintered at a wide range of temperature (1300℃~1450℃) for 2hour. Relative density, shrinkage rate, grain size and phase transformation were investigated for fully sintered body. Biaxial flexural strength and fracture toughness were measured by statistical evaluation of flexural strength were made.
Biaxial flexural strength was 650~850MPa and fracture toughness was 4.4~6.5MPa·m.
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