마이크로 입자분사에 의한 티타늄합금의 표면개질과 플라즈마 이온주입 특성 = Characteristics of plasma source ion implantation and surface treatment of titanium alloy by micro abrasive blasting
The characteristics of titanium alloy as a relatively advanced material is low density, avirulent and, superior corrosive resistant, therefore the use of titanium alloy is increasing lately in aerospace and mechanical technologies, precision machinery, electronics industry, petro-chemical industries and biomedical areas.
Especially, The most noted chemical property of titanium is excellent resistance to corrosion, capable of withstanding harsh attack by chloride ion in the body. In addition, titanium is biocompatible, nontoxic, harmless and does not produce stress corrosion breaking, which is indicated as main flaw of stainless steel. So it is in the spotlight in medical field as metallic biomaterial in dental implants, bone substitutes, artificial joints and etc.
For the successful osseointergration, this biomaterial has proper surface energy, oxidation thickness, chemical composition and surface roughness. Among these, medical experiments have reported that micro surface roughness plays a critical role to increase a bonding area for strong adhesion to basic material. In these days, the titanium alloy product is required various surface qualities of not only smooth surface but also rough surface depending on usages.
In this paper, micro-abrasive blasting to titanium and titanium alloys using precision abrasive aluminum oxide powder has been studied to find out the possible processing conditions to influence surface roughness. Various experiments have been conducted to get the optimum blasting condition, and various levels of surface roughness. Also, the surface ingredients have been analyzed after plasma source ion implantation to workpiece with and without micro abrasive blasting.
According to blasting experiments with variables of a nozzle size, abrasive grain size, working pressure and stand off distance, the blast processing has not occurred in the condition of 10 ㎛ in micro abrasive size of aluminium oxide, 1.5㎜ in a nozzle size, 30seconds of working time, and 30㎜ in stand off distance, when conducting fixed micro-abrasive blasting to a square workpiece. At the same time the thermal deformation of the workpiece has occurred with under cuts, which ended up failing to measure the surface roughness
When an abrasive size of 50 ㎛ and working pressure of more than 50psi were given under the same processing condition, the value of surface roughness has sharply increased and the workpiece has got damage, which failed in normal surface treatment processing. To get around 2㎛ of surface roughness, it is appropriate to conduct blasting with 10㎛ of micro abrasive aluminium oxide, 10 seconds of working time, 25~100(psi) of working pressure and 50~70(㎜) of stand off distance.
When conducting a powder blasting to a spinning cylindrical workpiece in the condition of 0.76~1.5(㎜) in nozzle size, 1~5(atm) in working pressure, and 40~100(㎜) in stand off distance, the value of surface roughness becomes under 0.283㎛, which is not enough to expand a bonding area. In the case of horizontal transfer blasting with 0.76㎜ of nozzle size, 100㎜ of stand off distance, and 2atm~5atm of working pressure, 0.5 ~0.7㎛ of surface roughness has achieved regardless of feed rate.
When performing micro abrasive blasting using aluminum oxide to spinning cylindrical workpiece with 1.5㎜ of nozzle size and 500kpa of working pressure, the maximum 4.98 weight % of Al2O3 power has been soldered and the weight % did not increase more than that regardless of the pressure increase.
In addition, when plasma source ion implantation on the workpiece after abrasive blasting with a high pressure, nitrogen formed a compound with titanium and brought into surface modification.
In this case, the amount the nitrogen compound on the workpiece was about 1.5~3(At. %) times more than the one which was implanted with plasma source ion without abrasive blasting, which resulted in the effect of surface modification.
티타늄과 티타늄 합금이 공업적으로 실용화되기 시작한 것은 다른 금속에 비하여 비교적 최근의 일이다. 그러나 티타늄의 여러 가지 기계적, 화학적, 물리적 성질이 다른 금속재료에 비하여 우수한 부분이 많아 최근에는 정밀기계, 전기·전자, 화공, 우주항공, 스포츠, 생활용품, 의료 분야에 이르기까지 그 용도가 크게 증가되어 가고 있다. 특히 티타늄은 다른 생체금속에 비하여 비강도가 우수하고 뼈에 가장 가까운 탄성계수를 가지고 있으며 체내의 염소 이온 등에 의한 가혹한 부식 환경에 대한 내식성이 강하고, 생체 친화성이 우수하여 무독 무해하고, 스테인레스강의 결점인 응력 부식에 의한 파괴도 없어 생체 재료로 주목을 받아 치과용 재료인 임프란트, 인공골, 인공 관절 등의 보철용 금속 생체 재료 등 생체의학 분야에서도 다양한 용도로 사용되고 있다.
이러한 생체재료가 생체 내에서 충분한 골유착을 하기 위해서는 표면에너지, 산화막의 두께, 화학적 조성, 표면거칠기 등이 있으며, 이중에서도 모재와의 접착력 강화를 위한 표면의 접착 표면적의 증가를 위하여 미세 거칠기가 골유착의 결정적인 역할을 하는 중요한 요소임이 의료학계의 실험 결과로 보고되고 있다.
정밀 기계가공에서는 평활한 표면거칠기를 요구하는 것이 일반적이나 생체재료의 경우에는 기계, 화학적 성질의 손상이 없으면서 최적의 골유착을 얻기 위해서는 적절한 수준의 거친 표면거칠기를 가져야 할 필요가 있으며 이를 위하여 기계적인 금속표면처리 방법인 입자분사가공과 화학적인 방법 등 다양한 연구들이 시도 되고 있다.
본 연구에서는 이를 위하여 티타늄과 티타늄 합금의 소재에 정밀 산화알루미늄 입자를 이용한 미세입자 분사가공을 실시하여 가공 조건이 표면거칠기에 미치는 영향을 규명하며 분사가공 시 필요한 최적의 분사조건의 선정과, 다양한 표면 거칠기를 취득하기 위한 실험을 수행하였으며, 미세입자 분사가공 전·후의 시편에 플라즈마 이온 주입을 실시하여 표면의 성분을 분석하였다.
노즐의 크기, 연마입자의 크기, 분사압력, 분사거리를 변수로 하여 분사가공을 실시한 결과 사각시편의 표면에 미세입자 고정 분사가공을 실시할 경우 마이크로 연마제 산화알루미늄의 입자크기 10 ㎛, 노즐크기가 1.5㎜, 작동시간이 30초, 분사거리 30㎜에서는 미세입자 분사가공이 이루어지지 않고 시편에 심한 열적 변형과 함께 under cut이 발생 하여 표면거칠기 측정이 불가능하며, 동일한 가공조건으로 입자크기 50 ㎛의 연마제를 사용할 경우 작동압력이 50psi 이상이 되면 급격하게 표면거칠기값이 증가하고 시편에 손상을 가져오므로 정상적인 표면처리 가공이 곤란함을 알 수 있었다. 2㎛이내의 표면거칠기를 얻기 위하여서는 마이크로 연마제 산화알루미늄의 입자크기 10㎛, 작동시간 10sec, 작동압력 25~100(psi), 분사거리 50~70(㎜)의 가공 조건으로 분사가공이 손상없이 가공이 가능한 영역이었다.
원통형 시편의 경우 회전 이송 하며 미립 분사가공을 실시할 경우에는 노즐의 크기 0.76~1.5(㎜), 분사 압력 1~5(atm), 분사거리 40~100(㎜)의 범위에서는 0.283㎛이하의 표면거칠기값을 보이므로 이를 통하여 표면의 접촉면을 확대하기 위한 거친 표면거칠기값을 얻을 수는 없으며, 수평 이송 분사가공의 경우 노즐크기 0.76㎜, 분사거리 100㎜의 조건에서는 이송 속도에 관계없이 2atm~5atm의 분사압력에서 0.5~0.7㎛의 표면 거칠기를 얻을 수 있으며 이송속도는 표면거칠기값의 변화에 영향을 미치지 못하였다.
원통형 시편에 산화알루미늄 분사재로 미립 입자 분사 가공을 실시하고 SEM과 EDS분석 결과 노즐크기 1.5㎜, 작동압력 500kPa으로 분사 가공한 시편의 표면에 최고 4.98 weight %의 Al2O3입자가 소착함을 확인할 수 있으며 압력이 증가하여도 그 이상은 증가하지 않는다. 또한 고압으로 입자 분사 가공을 실시한 후 시편에 플라즈마 이온주입을 실시하면 소재의 표면에 질소가 티타늄과 화합물을 형성하여 표면 개질을 가져온 것으로 분석되었고, 이 경우 입자 분사가공을 실시하지 않고 플라즈마 이온 주입을 실시한 시편보다 질소화합물의 생성이 약 1.5~3배(At. %) 증가하여 표면개질의 효과를 나타냄을 알 수 있다. 이 때 직경이 큰 노즐보다 미세한 노즐, 저압보다 고압에서 입자 분사 가공한 시편이 이온 주입 효율이 높음을 알 수 있었다.
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