CoCrMo 분말: 의료, 치과, 항공

CoCrMo 분말: 코발트 크롬 합금

까다로운 엔지니어링 분야에서는 재료의 특성이 시스템의 경계를 결정합니다. 지속적인 마찰, 극심한 온도 변화, 화학적 부식에 의한 지속적인 공격 등 환경적 문제가 한계에 도달하면 기존의 금속 구조물은 무결성을 유지할 수 없습니다.

이러한 높은 수요에 따라 위의 문제를 해결하기 위한 고성능 합금 시스템으로서 CoCrMo 분말은 합금 소재의 고유 한 성능이되었습니다.

CoCrMo 합금의 과학적 원리

화학 성분과 다양한 원소의 역할

정밀한 합금 설계로 CoCrMo만의 고유한 특성을 제공합니다.

일반적인 구성 범위는 대략 다음과 같습니다:

Co(매트릭스, 약 60-65%), Cr(약 27-30%), Mo(약 5-7%).

• 코발트 (Co): 이는 합금의 강도와 인성의 기초가 됩니다. 상온에서 Co 매트릭스는 면 중심 입방체(FCC) 구조를 형성하는 경향이 있지만 응력과 온도 변화를 통해 육각형 밀집형(HCP) 구조로 마르텐사이트 변형을 겪을 수 있습니다. 이러한 변형 능력은 높은 강도와 내마모성의 중요한 원천입니다.
• 크롬(Cr): 이것은 내식성을 절대적으로 보장합니다. Cr 함량이 25%보다 높으면 합금 표면은 매우 얇고 밀도가 높으며 자가 복구되는 Cr₂ O 패시베이션 필름을 빠르게 형성할 수 있습니다. 이러한 부동태화 능력은 생물학적 유체(염화물 이온이 풍부한) 또는 산업용 부식성 매체에서 장기적인 안정성의 핵심입니다.
• 몰리브덴(Mo):Mo는 고용체 강화 메커니즘을 통해 매트릭스의 경도와 항복 강도를 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 더 중요한 것은 입자를 정제하고 오스테나이트 구조를 안정화할 수 있다는 점입니다. 탄소 함량이 높은 주조 합금(예: F75)에서 Mo는 탄화물 형성에도 참여합니다. 이러한 경질상은 고르게 분포되어 있으며 우수한 내마모성을 제공하는 핵심 요소입니다.

주요 물리적 및 기계적 특성

CoCrMo 합금의 특성은 뛰어난 균형이 특징입니다.

• 높은 경도와 내마모성: 특히 고온이나 윤활이 부족한 마찰 조건에서 스테인리스강보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘합니다. 이는 고용체 강화, 카바이드 침전 및 마찰에 의한 HCP 변환 때문입니다.
• 뛰어난 내피로성: 특히 고주기 피로(HCF)와 부식 피로. 의료용 임플란트에서 부품은 인체의 수천만 번의 스트레스 사이클을 고장 없이 견뎌내야 합니다. CoCrMo의 매우 안정적인 상 구조가 이를 보장합니다.
• 낮은 탄성 계수: CoCrMo의 탄성 계수는 스테인리스 스틸이나 니켈 기반 합금에 비해 여전히 인체 뼈보다 높지만, 상대적으로 낮은 탄성 계수(약 210-240 GPa)는 정형외과 임플란트 설계에서 중요한 고려 사항인 응력 차폐 효과를 줄이는 데 도움이 됩니다.

적층 제조(AM)의 공정 흐름 및 주요 파라미터

메인스트림 프로세스

• 선택적 레이저 용융(SLM/LPBF): 가장 일반적으로 사용되는 공정입니다. 고에너지 레이저로 한 층씩 녹이는 미세한 구형 CoCrMo 분말(입자 크기는 보통 15-45μm)을 사용합니다. 고해상도, 고밀도, 복잡한 형상을 완벽하게 재현할 수 있다는 장점이 있습니다. 단점은 빠른 냉각과 응고로 인해 내부 응력이 쉽게 높아진다는 것입니다.
• 전자 빔 용융(EBM): 이 공정은 고진공 및 높은 예열 온도(일반적으로 최대 800-1000°C)에서 수행됩니다. 예열 온도가 높으면 잔류 응력을 크게 줄일 수 있어 균열이 발생하기 쉬운 합금 시스템에 매우 유리합니다. 그러나 EBM의 표면 마감은 일반적으로 LPBF보다 열등합니다.

프로세스 매개변수 최적화

최적화 파라미터의 핵심은 에너지 밀도를 정밀하게 제어하는 것입니다. 여기에는 레이저 출력, 스캐닝 속도 및 파우더 층 두께의 동적 매칭이 포함됩니다.

기판 예열 온도를 적절히 높이는 것은 잔류 응력과 미세 균열을 줄이는 효과적인 수단이며, 특히 탄소 함량이 높은 CoCrMo 합금의 경우 더욱 그렇습니다. 물론 대기 제어(불활성 가스 순도)는 재료가 산화되지 않도록 보장하는 것이 핵심이지만, 많은 엔지니어가 탄화물 침전 형태의 영향과 같이 최종 재료의 미세 구조에 대한 대기 순도의 미묘한 영향을 무시하는 경우가 있습니다. 이는 지속적으로 탐구해야 할 세부 사항입니다.

CoCrMo의 적용 분야

의료 기기 및 임플란트

이것은 CoCrMo에게 가장 중요한 시장입니다. 예를 들어 인공 고관절의 대퇴골두, 무릎 관절의 과두 부품 및 척추체 융합 장치에서는 마모 입자에 의해 유발되는 염증 반응을 줄이기 위해 매우 낮은 마모율과 절대적인 생물학적 관성이 필요합니다. 특히, 탄성 변형 능력이 뛰어나 혈관 스텐트에도 고질소 강화 등급(예: Co-Cr-Mo-Ni-Fe 합금)이 사용됩니다. CoCrMo는 크라운, 고정 브릿지 및 부분 의치 브라켓을 만드는 데도 사용할 수 있습니다. 니켈의 잠재적인 알레르기 문제를 피하면서 금 합금이나 니켈-크롬 합금에 비해 강도가 높고 비용이 저렴합니다.

항공우주

CoCrMo는 주로 내마모성 및 고온 접착 내마모성에 대한 특별한 요구 사항이 있는 주요 움직이는 부품에 초점을 맞춰 항공우주 분야에서 특별한 역할을 합니다.

고온에서의 크리프 및 마모에 대한 내성이 뛰어나 고속 마찰을 견뎌야 하는 슬라이딩 베어링, 밸브 시트 및 씰링 링에 적합한 소재입니다. 녹는점이 높아 현지 고온 환경에서도 구조적 안정성을 보장합니다.

기계 및 산업 부품

화학, 석유 및 가스 산업에서 CoCrMo는 고압 밸브, 펌프 로터 및 임펠러를 제조하는 데 사용되며, 특히 매체가 부식성이 강하고 고체 입자 마모가 동반되는 환경에서 사용됩니다. 이 소재의 성능 조합은 고압, 화학적 부식 및 고체 입자 마모와 같은 복잡한 작업 조건을 견딜 수 있습니다.

도구 및 금형

특히 강화 등급인 CoCrMo 합금은 열경도(고온에서 높은 경도를 유지하는 능력)와 열피로 저항성이 뛰어나 열간 압출 금형, 열간 전단 블레이드 및 단조 금형 제조에 신뢰할 수 있는 선택입니다. 이러한 응용 분야에서는 기존 공구강보다 금형 수명이 길고 생산 효율이 높습니다.

CoCrMo 합금은 성숙하고 신뢰할 수 있는 합금 시스템으로, 적층 가공 기술을 통해 그 경계를 확장하고 있습니다. 이 합금의 과학적 원리는 Co 매트릭스에 포함된 Cr, Mo, C 및 기타 원소의 독창적인 시너지 효과에 있으며, 이는 극한 환경(유기체, 고압, 고온, 고마모)에서 "만능" 능력을 제공합니다. 그러나 적층 제조에서 잔류 응력 제어와 비등방성 피로 성능은 여전히 지속적인 연구의 초점입니다.