Effect of Sr Addition on Mechanical and Corrosion Properties of Mg-Zn-Ca Alloy for Biodegradable Implant Material

생체 분해성 임플란트용 Mg-Zn-Ca합금의 기계적 및 부식특성에 미치는 Sr 첨가의 영향

공보관·조대현·윤필환 *·이정훈 *·박진영 *·박익민^† 부산대학교 재료공학과, *한국생산기술연구원

Effect of Sr Addition on Mechanical and Corrosion Properties of Mg-Zn-Ca Alloy for Biodegradable Implant Material

Bo-Kwan Kong, Dae-Hyun Cho, Pil-Hwan Yun*, Jeong-Hun Lee*, Jin-Young Park* and Ik-Min Park^† Department of Materials Science and Engineering, Pusan National Univ., Busan 46241, Korea

*Green Manufacturing 3Rs R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology, Ulsan 44413, Korea

Abstract

The effect of Sr addition on mechanical and bio-corrosion properties of as-cast Mg-3wt.%Zn-0.5wt.%Ca-xwt.%Sr (x = 0.3, 0.6, 0.9) alloys were examined for application as biodegradable implant material. The microstructure, mechanical properties and cor- rosion resistance of the as-cast Mg-Zn-Ca-Sr alloys were characterized by using optical microscopy, scanning electron microscopy, tensile testing and electrochemical measurement in Hank’s solution. The as-cast alloys contained α-Mg and eutectic Ca2Mg₆Zn₃ phases, while the alloys contained α-Mg, Ca2Mg₆Zn₃ and Mg-Zn-Ca-Sr intermetallic compound when the Sr addition was more than 0.3 wt.%. The yield strength, ultimate tensile strength and elongation increased with the increasing of Sr content up to 0.6 wt.%

but decreased in the 0.9 wt.% Sr-added alloy, whereas the corrosion resistance of 0.3 wt.% Sr-added alloy was superior to other alloys. It was thought that profuse Mg-Zn-Ca-Sr intermetallic compound deteriorated both the mechanical properties and corrosion resistance of the as-cast alloy.

Key words: Biomaterial, Mg-Zn-Ca-Sr alloy, Ca2Mg₆Zn, Tensile properties, Corrosion resistance

1. 서 론

생체 임플란트용 소재로서 Mg은 인체의 뼈와 유사한 밀도 와 강도 그리고 탄성계수를 가지고 있고, 인체에 필수적인 무기물 성분으로 생체 적합성이 매우 우수하며, 아미노산과의 활성화와 단백질 합성을 촉진하여 근육의 이완 및 뼈의 형성 을 유도하는 장점을 갖고 있다. 또한 시술 후 일정기간이 흐 르면 체내의 신진대사에 의해 서서히 분해되어 임플란트를 제거하는 2차 수술이 필요하지 않은 장점이 있다[1-5].

일반적인 구조용 상용 Mg 합금의 경우에는 Al과 같은 체 내 유해 합금원소로 인하여 생체재료로 부적합성을 나타내고

있어[6,7], 인체에 무해하며 생체 적합성이 우수한 Zn 및 Ca 원소를 이용하여 강도 및 부식저항성이 양호한 Mg-Zn- Ca 계열의 Mg 합금을 중심으로 생체 흡수성 합금 개발이 활발하게 진행되고 있다. Zn는 생체 필수 원소로서 세포의 신진대사를 촉진 시키고 생물학적 효소 작용 등 생물학적 기 능에 많은 기여를 하며, 강도 및 부식 저항성을 높이는 역할 을 하는 것으로 알려져 있고, 또한 Ca은 인체 뼈를 구성하 는 주성분으로, 분해 시 발생하는 Ca²⁺은 골접합에 도움을 줄 뿐 아니라 기계적 특성 및 부식 속도 제어에 주요한 역 할을 하는 것으로 알려져 있다. 그러나 Mg-Zn-Ca 합금을 생체흡수성 임플란트 재료로서 본격적으로 적용하기에는 치유

Received: May. 25, 2015 ; Revised: Aug. 13, 2015 ; Accepted: Oct. 23, 2015

†

Corresponding author: Ik-Min Park (Pusan Nat'l Univ.) Tel: +82-51-510-2851, Fax: +82-52-980-6669

E-mail: [email protected]

Journal of Korea Foundry Society 2015. Vol. 35 No. 6, pp. 155~162 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2015.35.6.155 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381

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original work is properly cited.

가 완료되기까지의 강도 유지와 부식 저항성이 만족할 만한 수준은 아니어서, 이를 보완하기 위한 추가적인 연구개발이 필요한 실정이다[8,9]. Mg 합금에 첨가되는 원소들 중에서, Sr은 70 kg 인체 기준으로 약 320 mg가 존재하고 일일 흡 수 허용치가 0.6 mg/kg-day로 다른 원소들에 비해 상대적으 로 높은 생체 적합성을 나타내고 있으며, 인체 내에서 뼈 형 성을 촉진하고 뼈 흡수를 억제하여 정상적인 뼈 밀도 유지에 도움을 주는 역할을 한다; 천연 상태의 Sr은 방사성 원소가 아니며, 방사성 원소인 ⁹⁰Sr을 제외한 동위원소들은 생체에 위험하지 않다. 또한 금속 합금의 grain refiner로서 높은 잠 재력을 가지고 있는 것으로 보고되고 있다[10-15].

따라서, 본 연구에서는 Zn 및 Ca 원소를 이용하여 설계된 Mg-Zn-Ca 합금계에 생체 적합성이 우수한 Sr을 일정량 첨 가하여, Sr 첨가에 따른 각 합금의 미세조직 변화와 기계적 특성 및 부식특성에 미치는 영향을 분석하였다.

2. 실험 방법

2.1 합금의 용해 및 주조

합금 제조에 사용된 시료는 pure Mg (99.98%)와 pure Zn (99.99%), Mg-Ca (60wt%Mg-40wt%Ca)의 모합금과 Mg-Sr (60wt%Mg-40wt%Sr)의 모합금을 사용하였으며, Mg-Zn-Ca 합금의 제조 시 균질한 조성의 확보와 대기와의 산화 반응을 억제하기 위해 보호가스인 SF6: CO₂= 20 : 80 분위기 하에서 fluxless 용해 방법으로 750^oC에서 용해하였다. 이후 200^oC 로 예열된 금형에 중력주조 하여 60 mm(W) × 120 mm(H)

× 20 mm(D) 의 인고트를 제작하였으며, 수냉 후 450^oC에서 8시간 동안 가열후 공랭하였다. Table 1에 as-cast된 각 합 금(Alloy I, II, III, IV)의 화학 조성을 나타내었다.

2.2 미세조직 관찰

미세 조직 관찰을 위해 중력 주조된 인고트의 일정한 부위 에서 시편을 채취하고 혼합 부식액(4.2 g picric acid + 10 ml acetic acid + 70 ml ethanol + 10 ml distilled water)으로 에 칭 후 광학현미경으로 관찰하였으며, 결정방위에 따른 에칭 부 식 차이를 통해 결정립을 판별하였고 그 크기를 측정하였다.

또한, SU8020 Scanning electron microscopy (SEM)을 이용 하여 as-cast상태의 미세조직을 관찰하면서 2차상 분율과 EDS 성분 분석 등을 행하였다.

2.3 인장시험

합금별 인장특성은 ASTM B557M Sub-size 규정에 따라 6 mm(D)× 3 mm(T) × 30 mm(L)의 판상 인장 시험편을 사용 하였으며, 인장시험은 2 × 10⁻⁴s⁻¹의 초기 공칭변형속도를 적 용하여 상온에서 수행하였다. 신뢰성을 위해 각 합금 별로 3 회 이상 수행한 인장 물성치의 평균값을 구하였다.

2.4 동전위 분극 시험

동전위 분극시험은 ASTM G59 규정에 따라 Solartron 1287으로 시행하였다. 기준전극은 Ag/AgCl (sat. KCl), 상대 전극으로는 백금전극을 채택하여, 생체 모사용액인 Hank’s solution (Hank’s balanced salts, without sodium bicarvo- nate and phenol red product no. H1387, Sigma-aldrich) 을 전해액으로 사용하였으며 용액의 조성은 Table 2에 나타 내었다. 시편 준비는 SiC 연마지를 이용해 #600까지 연마하 였고, 분극 시험 시작 전 30분간 개방전위 하에서 안정화시킨 후, 0.2 mV/sec의 속도로 potential 측정을 하였다. 전위 측정 범위는 범위 −300 mV에서 500 mV (vs. Saturated Calomel Electrode; SCE)로 시험 후, 측정된 분극 곡선으로부터 부식 전위 및 부식전류밀도를 구하여 각 합금의 부식특성을 비교, 평가하였다.

2.5 침지 실험

동전위 분극실험 후 침지 실험을 추가 시행하였으며, 모든 시편은 10 mm × 10 mm × 5 mm 크기로 가공하여 #2000 SiC 연마지로 연마 한 후 0.5 μm diamond powder를 이용해 최 종 연마를 실시하였다. 시편을 Hank’s solution에 24hr, 72hr, 120hr 간격으로 완전히 침지시켜 실험을 진행하였다. 실험 종료 후 80^oC로 중탕한 20% CrO3+ 1% AgNO₃ 용액에 3 분간 침지시켜 화학적으로 부식 생성물을 완전히 제거한 후 다시 증류수로 세척하여 각 시편의 무게 감량을 측정하였다.

측정한 무게 감량으로부터 각 합금 별 시험편의 부식속도를 아래 식을 이용하여 각각 계산하였다.

Table 1.

Alloy Chemical composition (wt.%)

Mg Zn Ca Sr

Alloy I(Mg-3Zn-0.5Ca) Bal. 3.02 0.46 - Alloy II(Mg-3Zn-0.5Ca-0.3Sr) Bal. 2.99 0.49 0.31 Alloy III(Mg-3Zn-0.5Ca-0.6Sr) Bal. 3.04 0.48 0.57 Alloy IV(Mg-3Zn-0.5Ca-0.9Sr) Bal. 2.96 0.52 0.87

Table 2.

’

Component Concentration (mg/l)

NaCl 8000

KCl 400

Na₂HPO₄ 48

KH₂PO₄ 60

MgSO₄·7H2O 200

CaCl₂ 140

NaHCO₃ 350

Corrosion rate = (87.6× W) / (A × T × D)

W: 무게감량(g) A: 노출면적(cm³) D: 밀도(g/cm³) T: 노출시간(hr)

3. 결과 및 고찰 3.1 미세조직 관찰

Fig. 1에 Alloy I-IV을 광학현미경으로 관찰한 조직사진을 나타내었다. Sr을 첨가하지 않은 합금(Alloy I)과 Sr을 첨가 한 합금(Alloy II-IV) 모두에서 입계와 입내에 2차상의 형성 을 확인 할 수 있었고, 또한, Sr을 첨가 할 수록 2차상이 inter-dendrite와 결정립계에 분산되어 다량 형성됨을 확인하였 다. Table 3에는 각 합금의 평균 결정립 크기 및 2차상의 분율을 나타내었다. Mg-3Zn-0.5Ca 합금(Alloy I)에 0.3%

Sr을 첨가(Alloy II)할 경우, 합금의 결정립 크기는 217.6 μm에서 192.8 μm로 감소한 것을 확인 할 수 있었다. 이후 Sr량을 0.6%(Alloy III), 0.9%(Alloy IV)로 증가시킴에 따라 결정립의 크기는 190.7 μm에서 171.1 μm로 더욱 감소하였다.

반면, SEM의 BSE (Back-Scattered Electron) image 분석 을 통해 얻은 2차상의 분율은 Sr의 첨가량이 증가함에 따라 9.1%, 12.0%, 12.8%, 11.4%의 변화를 나타내며, 증가하다 가 감소하는 양상을 확인 할 수 있었다. Sr 첨가에 따른 합금

의 grain size의 미세화는 GRF (Growth Restriction Factor) mechanism[16] 이론과 같이 Mg 내에서 고용도가 낮은 Sr 이 응고과정에서 액상에서 농축되어 성장하는 계면에서 입자 의 성장을 방해한 결과로 판단된다. 더욱이 Sr는 자체적으로 높은 GRF 값을 갖기 때문에 Mg 합금에서의 Sr첨가에 따른 grain size 미세화 효과가 발생하는 것으로 사료된다.

Fig. 2는 Alloy I-IV의 XRD 결과로서 합금 모두에서 α- Mg과 Ca2Mg₆Zn₃의 존재가 확인되었으며, Sr첨가로 인한 새 로운 상의 형성은 X선 회절 분석으로는 확인되지 않았다.

Fig. 3에는 각 합금의 2차상의 형상과 분포에 대한 SEM image와 EDS 분석결과를 나타내었다. 결정립계에 분포하는

Fig. 1.

Table 3.

Alloy Grain size (µm) Volume fraction of secondary phase (%) Alloy I

(Mg-3Zn-0.5Ca) 217.6 ± 47.5 9.1 ± 1.5 Alloy II

(Mg-3Zn-0.5Ca-0.3Sr) 192.8 ± 17.9 12.0 ± 0.7 Alloy III

(Mg-3Zn-0.5Ca-0.6Sr) 190.7 ± 16.7 12.8 ± 0.7 Alloy IV

(Mg-3Zn-0.5Ca-0.9Sr) 171.1 ± 9.0 11.4 ± 0.8

2차상은 주로 strip-like형상을 보인 반면, 입내에 일부 존재 하는 것은 구상(granular)의 형상을 보였다. Sr의 첨가량이 증가함에 따라 2차상의 분율은 Table 3에서와 같이 증가하는 경향을 나타냈고, 분포 형상은 0.3% Sr 첨가(Alloy II)에 따 라 Fig. 3(a)에서와 같이 Alloy I의 조대한 결정립의 입계를 따라 불연속적으로 늘어선 형태에서 상호 연결된 연속적인

형태를 보였다(Fig. 3(b)). Sr 첨가량이 0.6%(Alloy III)와 0.9%(Alloy IV)로 더 증가하면 여러 방향으로 상호 연결된 형태를 가지고 network구조를 일부 형성하였다(Fig. 3(c,d)).

이와 더불어, Sr첨가량이 0.6%인 Alloy III의 2차상에 대한 EDS mapping 후(Fig. 3(e), marked area “A”) 검출 원소 에 대한 검출량을 토대로 분석한 결과, Ca2Mg₆Zn₃ 이외에 XRD 결과에서 확인되지 않은 Sr을 포함한 Mg-Zn-Ca-Sr intermetallic compound가 존재함을 확인하였으며, 반면 Alloy I과 II에서는 발견되지 않았다. Sr은 공정 α-Mg 내에 거의 고용되지 않기 때문에[11,17], Sr 첨가량이 증가할수록 Mg- Zn-Ca-Sr compound가 발생하여 점차 그 분율이 증가하고 Ca₂Mg₆Zn₃는 상대적으로 감소한 것으로 판단된다.

3.2 인장시험

Fig. 4와 Table 4에는 Alloy I-IV의 상온 인장 시험 결과 를 나타내었다. 인장강도와 항복강도, 그리고 연신율 모두 Sr 의 첨가량이 증가할수록 지속적으로 증가하다가 0.9% Sr 첨 가에 이르러 급격히 감소하는 경향을 나타내었다. 0.6% Sr 첨가의 경우(Alloy III), 인장강도 195 MPa, 항복강도 83

Fig. 2.

Alloy II(Mg-3Zn-0.5Ca-0.3Sr), (c) Alloy III(Mg-3Zn-0.5Ca- 0.6Sr) and (d) Alloy IV(Mg-3Zn-0.5Ca-0.9Sr).

Fig. 3.

Fig. 4.

Table 4.

Alloy

Ultimate tensile strength

(MPa)

Yield strength (MPa)

Elongation (%) Alloy I

(Mg-3Zn-0.5Ca) 163 61 16.3

Alloy II

(Mg-3Zn-0.5Ca-0.3Sr) 183 74 18.6

Alloy III

(Mg-3Zn-0.5Ca-0.6Sr) 195 87 22.3

Alloy IV

(Mg-3Zn-0.5Ca-0.9Sr) 160 84 13.8

MPa, 연신율 22.3%로 합금 중 가장 높은 기계적 특성치를 나타내었다. 이는 Sr 첨가에 따른 합금의 미세화 효과와 더 불어 입계에 형성된 경한 2차상이 파단시 micro-crack의 전 파를 막아주는 장애물 역할을 수행하여 강도와 연신율이 동 시 상승된 것으로 사료된다. 하지만 이후 Sr이 더욱 첨가됨에 따라(Alloy IV) 2차상 중 다량 발생한 Mg-Zn-Ca-Sr com- pound가 Alloy IV의 기계적 물성 하락에 큰 영향을 준 것 으로 사료된다.

3.3 부식 특성

3.3.1 동전위 분극 실험

Alloy I-IV의 동전위 분극 실험 결과를 Fig. 5에 나타내 었고, 실험을 통해 얻어진 각 합금의 부식 전위(Ecorr) 및 부 식 전류(Icorr)를 Table 5에 나타내었다. 각 합금의 부식 전류 (I_corr)는 Alloy IV(Mg-3Zn-0.5Ca-0.9Sr) > Alloy I(Mg-3Zn- 0.5Ca) > Alloy III(Mg-3Zn-0.5Ca-0.6Sr) > Alloy II(Mg-3Zn- 0.5Ca-0.3Sr) 순으로 나타나, Alloy II(Mg-3Zn-0.5Ca-0.3Sr) 가 가장 우수한 부식저항성을 갖는 것으로 나타났다. 반면, 앞서 가장 열위한 기계적 특성을 나타낸 0.9% Sr첨가 합금 (Alloy IV)은 부식저항성 역시 가장 취약한 것으로 나타났다.

3.3.2 침지 실험

Hank’s solution에서 24hr, 72hr, 120hr 간격으로 침지실

험을 진행하면서, 12hr간격으로 측정한 pH meter 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 침지과정에서 Mg 부식으로 인해 생성 된 Mg(OH)2 부식생성물 층은 Cl⁻ 이온에 의하여 분해되어 서 MgCl2이 생성되게 되고, OH⁻ 이온의 증가로 인하여 pH 값이 증가하게 되는데, 동전위 분극시험에서 가장 낮은 부식 저항성을 나타낸 Alloy IV(Mg-3Zn-0.5Ca-0.9%Sr)은 침지 12hr 이후 pH 상승 폭이 감소하다가 36hr 이후 pH 상승 폭이 증가하였다. 이는 수용액 내에서 Mg가 Mg(OH)2층을 형성하여 Mg의 보호피막 역할을 행하여 주지만, 부식 속도 가 빨라서 발생되는 수소가스에 의해 보호피막이 깨져 부식 이 연속적으로 일어나는 것으로 사료된다[18]. 반면, 동전위 분극시험에서 우수한 내식성을 보인 Alloy II(Mg-3Zn-0.5Ca-

Table 5.

Alloy E_corr, V vs. Ag/AgCl I_corr (A/cm²) Alloy I(Mg-3Zn-0.5Ca) −1.632 3.5127× 10⁻⁵ Alloy II(Mg-3Zn-0.5Ca-0.3Sr) −1.612 1.4296× 10⁻⁵ Alloy III(Mg-3Zn-0.5Ca-0.6Sr) −1.631 2.7994× 10⁻⁵ Alloy IV(Mg-3Zn-0.5Ca-0.9Sr) −1.653 5.2722× 10⁻⁵

Fig. 5.

0.5Ca-xSr (x = 0.3, 0.6, 0.9) alloys in Hank’s solution.

Fig. 6.

Fig. 7.

0.3Sr)은 침지 12hr 이후부터 60hr까지 pH의 변화가 거의 없는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 Mg의 보호피막으로 인해 부식 속도가 감소한 것을 알 수 있으며 60hr 이후 피막이 깨 지면서 부식이 선형적으로 증가하는 것을 관찰 할 수 있다.

120hr까지의 침지 실험 결과, pH 값의 크기는 Alloy IV (Mg-3Zn-0.5Ca-0.9Sr) > Alloy I(Mg-3Zn-0.5Ca) > Alloy III (Mg-3Zn-0.5Ca-0.6Sr) > Alloy II(Mg-3Zn-0.5Ca-0.3Sr)의 순 으로 나타났으며, 이는 동전위 분극시험 결과와 잘 일치하였 다. Fig. 7의 각 합금에 대한 부식생성물 측정에 따른 부식속 도 측정결과에서도 동일하게 Alloy II(Mg-3Zn-0.5Ca-0.3Sr)가 가장 우수한 부식저항성을 갖는 것으로 나타났다.

3.3.3 부식면 관찰

침지 부식실험 후 Alloy I-IV의 시편 부식면을 SEM으로 관찰한 결과를 Fig. 8에 나타내었다. Alloy I-IV 모두 침지 시간이 경과함에 따라 상당한 표면부식이 진행되었으며, 특히

Alloy IV(Mg-3Zn-0.5Ca-0.9Sr)의 경우, 72hr 침지 후 깊이 방향으로 심한 부식형태를 보였다(Fig. 8(k)). Alloy II(Mg- 3Zn-0.5Ca-0.3Sr)의 침지 표면에서는 상대적으로 부식생성물 의 입자 및 생성량이 적게 나타나며 부식이 더디게 진행된 것으로 판단되었다(Fig. 8(f)).

합금의 부식양상을 규명하기 위해 1hr과 120hr 동안 침지 실험을 진행한 후 SEM 결과를 Fig. 9에 나타내었다. Fig.

9(a)의 SEM 사진에서, 부식의 시작은 입계와 입내에 분포해 있는 2차상(Ca2Mg₆Zn₃) 부근에서 부식이 시작되는 것을 확인 할 수 있었다. 이것은 Ca2Mg₆Zn₃부와 인접한 α-Mg matrix 가 anode의 역할을 하고 결국 Ca2Mg₆Zn₃인접부가 갈바닉 부식의 기점으로 작용하여 최초 부식이 발생하는 것으로 판 단된다. Fig. 9(b)에서는 2차상(Ca2Mg₆Zn₃)의 연속적인 형상 에 의해 부식전파를 방해하는 장애물역할을 하는 것을 확인 할 수 있으며, Fig. 9(c)에서는 2차상(Ca2Mg₆Zn₃+ Mg-Zn-

Fig. 8.

II(Mg-3Zn-0.5Ca-0.3Sr), (g, h and i) Alloy III(Mg-3Zn-0.5Ca-0.6Sr) and (j, k and l) Alloy IV(Mg-3Zn-0.5Ca-0.9Sr).

Ca-Sr compound)이 망상구조(network)를 이루었음에도 깊이 방향으로 부식이 상당히 진행된 것을 확인 할 수 있다. 이것 을 통해 2차상의 형상과 연속성, 분포 정도가 부식의 진행속 도에 영향을 미치지만, 2차상의 종류에 따라서 즉, 새로운 2 차상인 Mg-Zn-Ca-Sr compound가 발생함에 따라 부식의 양상이 크게 변화할 수 있음을 확인할 수 있다.

Alloy I(Mg-3Zn-0.5Ca)의 경우에는 2차상의 분율이 작아 부식의 기점은 가장 적었으나, 일단 부식이 발생하면 결정립 크기가 큰 α-Mg 기지를 가로지르며 거침없이 부식이 전파되 는 양상을 보였으며, 조대한 결정립계를 따라 불연속적으로 늘어선 2차상은 부식의 진행을 방해할 수 없어서 부식의 정 도가 심한 것으로 사료된다. Alloy II(Mg-3Zn-0.5Ca-0.3Sr) 에서는 2차상 분율이 증가하여 부식의 기점은 증가하였으나, 연속적으로 연결된 2차상이 부식 진행에 대한 장애물 역할을 해 일정시간이 경과한 후 부식의 진행속도는 떨어진 것으로 판단된다. Alloy III(Mg-3Zn-0.5Ca-0.6Sr)는 입자 미세화 효 과로 2차상의 분율이 더욱 증가하여 부식의 전파를 방해하는 장애물기능 가능성이 높아 졌으나, 새롭게 발생한 2차상(Mg- Zn-Ca-Sr compound)이 부식 기점으로 더 지배적인 역할을 하여 부식저항성이 Alloy II에 비해 감소한 것으로 판단된다.

한편, Alloy IV(Mg-3Zn-0.5Ca-0.9Sr)는 Mg-Zn-Ca-Sr com- pound가 가장 많이 발생하여, 상호 연결된 2차상이 부식진행 의 장애물 역할을 하기 보다는 부식의 시작 기점으로 더 지 배적인 작용을 함으로써 as-cast alloys 중 부식저항성이 가 장 취약해진 것으로 판단된다. 보다 정확한 이해를 위해서는, Mg-Zn-Ca-Sr intermetallic compound가 Mg 합금의 부식저 항성에 미치는 영향에 관한 정량적인 분석이 향후 추가적으 로 이루어져야 할 것으로 사료된다.

4. 결 론

생체 분해성 임플란트용 Mg-3Zn-0.5Ca합금에 0.3, 0.6, 0.9% Sr를 첨가하여 각 합금을 주조한 후 Sr첨가가 각 합금 의 기계적 특성과 부식특성에 미치는 영향을 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) Mg-3Zn-0.5Ca-xSr (x = 0.3, 0.6, 0.9)합금에서 2차상 은 Sr의 첨가로 인해 기존의 석출상인 Ca2Mg₆Zn₃과 더불어

Mg-Zn-Ca-Sr compound이 나타났으며, 입내와 입계 동시에 존재함을 확인하였다. 입내에서는 구형의 형상을 보였으며, 입계에서는 Sr첨가량의 증가에 따라 2차상의 분율이 증가하 여 strip-like 형상에서 network-structure 형상으로 변화됨이 확인되었고, 결정립의 크기는 217.6 μm에서 171.1 μm으로 미세해졌다.

2) Sr 첨가 전과 비교하였을 때, Sr 함량이 증가함에 따라 강도 및 연신율이 점차 증가하다가 감소하는 경향을 나타내 었으며, 0.6% Sr 첨가한 합금이 인장강도, 항복강도 및 연 신율이 각각 195 MPa, 87 MPa 그리고 22.3%으로 가장 우수한 기계적 특성을 보였다.

3) 생체모사용액(Hank’s solution)에서 동전위 분극실험 및 침지시험 결과 부식 저항성은 Mg-3Zn-0.5Ca-0.3Sr > Mg- 3Zn-0.5Ca-0.6Sr > Mg-3Zn-0.5Ca > Mg-3Zn-0.5Ca-0.9Sr 순 으로 우수함을 보였으며, Sr 첨가량 증가와 함께 2차상 분율 이 증가하여 연속적으로 연결된 망상구조(network-structure) 가 부식의 전파를 단절시켜주는 역할을 하였다. 하지만, Sr 첨가량이 0.6% 이상일 때는 α-Mg 기지에 고용되지 않은 Mg-Zn-Ca-Sr intermetallic compound가 증가하여, 부식 전 파에 대한 장애물 역할 보다는 부식의 기점으로 더 크게 작 용하여 부식저항성을 Sr 첨가 이전보다 더 떨어뜨리는 것으 로 확인되었다.

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Fig. 9.

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