5장 금속·합금·아말감
금속 재료는 원자가 규칙적으로 늘어선 결정질(crystalline)이다. 힘을 주어 가공하면 단단해지고 부서지기 쉬워지며, 열을 가하면 도로 풀린다. 이 장은 먼저 그 일반 원리를 보고, 이어서 금합금(gold alloy), 비귀금속(base metal) 합금, 티타늄, 아말감을 차례로 정리한다.
시험은 방향과 원소를 묻는다. 냉간가공(cold working)하면 올라가는 성질과 내려가는 성질, 소둔(annealing) 단계별 변화, 금합금의 종류별 금 함량, 구리와 아연과 팔라듐이 하는 일, 크롬이 내식성을 주는 이유와 30%를 넘으면 생기는 상, 베릴륨과 카드뮴의 장기 독성, 아말감의 γ₂상과 고동 아말감이 나아진 점, 크리프를 키우는 조작이다.
아말감의 와동과 응축(condensation) 술식은 치과보존학 2장에, 금합금 주조(casting)와 금속도재관(PFM)은 치과보철학 2장에 있다. 갈바닉 작용(galvanic action)의 원리는 1장, 매몰재(investment)는 4장, 임플란트 표면의 산화티타늄은 6장에서 이어진다.
5.1 냉간가공과 소둔 빈출
금속은 힘을 주어 모양을 바꿀수록(냉간가공) 단단해지고 잘 늘어나지 않는다. 열을 가하는 소둔(annealing)을 하면 단계적으로 원래대로 돌아간다. 이 절은 무엇이 오르고 무엇이 내리는지를 묻는다.
냉간가공의 결과
| 성질 | 변화 | 이유 |
|---|---|---|
| 경도, 강도 | 증가 | 전위 밀도가 늘고 서로의 이동을 막아 가공경화(work hardening)가 일어난다 |
| 연성, 전성, 연신율malleability | 감소 | 더 변형할 여지가 줄어든다 |
| 부식저항성 | 저하 | 격자 결함과 내부 에너지가 커져 화학 반응성이 높아진다 |
| 잔류응력 | 축적 | 변형이나 응력부식균열의 원인이 된다. 소둔으로 없앨 수 있다 |
소둔의 세 단계
| 단계 | 일어나는 일 | 성질 |
|---|---|---|
| 회복 | 비교적 낮은 온도. 결정립(grain)의 모양은 그대로이고 전위가 다시 배열되어 잔류응력이 줄어든다 | 전기전도도와 내식성이 정상으로 돌아온다 |
| 재결정recrystallization | 일그러진 결정립 자리에 변형이 없는 새 등축 결정립이 핵을 만들고 자란다 | 경도가 내려가고 연성이 돌아온다 |
| 결정립 성장grain | 재결정이 끝난 뒤에도 가열을 계속하면 작은 결정립이 합쳐져 커진다 | 결정립이 조대해져 강도가 낮아진다 |
냉간가공량이 많을수록 변형 에너지가 크고 핵이 생길 자리가 많아 재결정 때 결정립 수가 늘고 더 작다. 결정립 성장은 높은 온도에서 오래 가열할수록 촉진된다.
함정 회복에서는 결정립 모양이 변하지 않는다. 연성이 돌아오는 것은 재결정이다. 회복은 잔류응력을 줄이고, 재결정은 경도를 낮춘다.
5.2 금합금과 납착 빈출
주조용 금합금(gold alloy)은 금과 백금족 원소의 함량으로 네 종류로 나뉜다. 금은 내식성과 연성을 주고, 구리는 강도를 주며, 아연은 산화를 막는다. 구리가 많은 합금만 열처리로 단단해진다.
금 함량의 표기
금의 함량은 순금 24캐럿(K)을 100%로 두고 센다. 품위는 순도를 천분율로 적은 값이다.
| 표기 | 식 |
|---|---|
| 캐럿(K) | 순금 24K = 100 wt% |
| 금 함량(wt%) | K ÷ 24 × 100 |
| 품위 | 금 함량(wt%) × 10 |
18K는 18 ÷ 24 = 75 wt%이므로 품위는 750이다. 22K는 22 ÷ 24 = 91.7 wt%이므로 품위 917, 14K는 14 ÷ 24 = 58.3 wt%이므로 품위 583이다.
금합금의 종류
| 종류 | 이름 | 금과 백금족 원소의 최소 함량 | 열처리 경화 |
|---|---|---|---|
| Ⅰ형 | 연질 | 83 wt% | 안 된다 |
| Ⅱ형 | 중간 | 78 wt% | 안 된다 |
| Ⅲ형 | 경질 | 78 wt% | 된다 |
| Ⅳ형 | 초경질 | 75 wt% | 된다 |
Ⅰ·Ⅱ형은 구리가 적어 열처리 경화가 일어나지 않고, 구리가 많은 Ⅲ·Ⅳ형에서 효과가 뚜렷하다.
원소가 하는 일
| 원소 | 하는 일 |
|---|---|
| 금(Au) | 내식성과 연성·전성(malleability). 변색과 부식에 저항하고 변연 적합이 좋아진다 |
| 구리(Cu) | 용융온도를 낮추고 강도와 경도를 크게 올린다. 금과 규칙격자(ordered lattice)를 만들어 시효경화(age hardening)를 일으킨다. 적색을 띠고, 많이 넣으면 내식성이 떨어진다 |
| 팔라듐(Pd) | 강도와 내식성을 높이고 용융온도를 올린다. 금의 노란색을 희게 하고 은의 황화 변색을 줄인다 |
| 아연(Zn) | 주조할 때 산소와 먼저 반응하는 탈산제(deoxidizer). 융점도 낮춘다 |
| 주석(Sn) | 융점을 낮추고 합금을 단단하게 한다. 도재소부용 합금에서는 금속-세라믹 결합을 돕는 산화막을 만든다 |
열처리
| 열처리 | 조건 | 일어나는 일 | 결과 |
|---|---|---|---|
| 연화 | 약 700 °C로 가열한 뒤 급랭 | 고온의 불규칙 고용체(solid solution)가 원자 재배열 없이 그대로 고정된다 | 경도와 인장강도가 줄고 연신율이 늘어 조절과 가공이 쉽다 |
| 경화 | 연화한 합금을 낮은 온도에서 유지하거나 서서히 식힌다 | 금-구리계의 무질서 격자가 규칙격자(AuCu I, AuCu₃)로 바뀌며 격자 변형이 전위 이동을 막는다 | 강도와 경도가 는다 |
함정 연화는 급랭으로 불규칙 구조를 고정하고, 경화는 서냉·유지로 규칙격자를 만든다. 같은 합금을 반대 방향으로 바꾸는 두 열처리다.
납착용 합금
납착용 합금, 곧 납은 모합금을 녹이지 않고 두 조각을 잇는다.
| 조건 | 내용 |
|---|---|
| 용융온도 | 피납착 합금의 고상선보다 통상 50–100 °C 낮아야 한다. 금납은 모합금보다 금 함량을 낮추고 아연과 주석을 넣어 융점을 낮춘다 |
| 융해온도 범위 | 좁고 유동성이 좋아야 모세관 작용(capillary action)으로 좁은 틈에 고르게 흘러든다 |
| 내식성 | 구강에서 모합금과의 전위차로 인한 갈바닉 부식과 변색을 막아야 하므로 귀금속(noble metal) 함량이 충분해야 한다 |
5.3 Co-Cr·니켈 합금 빈출
비귀금속(base metal) 합금은 값이 싸고 단단하며 가볍다. 크롬이 표면에 산화막을 만들어 부식을 막고, 코발트가 강성을 준다. 대신 단단해서 다듬기 어렵고 주조수축이 크다.
원소의 역할
| 원소 | 하는 일 |
|---|---|
| 코발트(Co) | 기지금속. 높은 탄성계수(elastic modulus)와 강도, 경도를 준다 |
| 크롬(Cr) | 표면에 치밀한 산화크롬(Cr₂O₃) 부동태 피막(passive film)을 만들어 부식을 막는다. 내식성을 위해 약 16–20% 이상 필요하다 감수 |
| 몰리브데넘(Mo) | 결정립(grain)을 미세화하고 강도와 국소적 공식에 대한 저항을 높인다 |
| 니켈(Ni) | Ni-Cr 합금의 성분. 접촉성 알레르기를 가장 많이 일으키는 금속이다 |
함정 크롬이 약 30%를 넘으면 시그마(σ) 상이라는 단단하고 부서지기 쉬운 금속간 화합물이 석출되어 합금이 취성(brittleness)이 된다. 부동태 피막을 만들려면 크롬이 16–20% 이상 필요하고, 30%를 넘으면 취성이 커진다.
Co-Cr 합금과 금합금의 비교
| Co-Cr 합금 | 주조용 금합금gold alloy | |
|---|---|---|
| 탄성계수elastic modulus | 약 220 GPa, 금합금의 약 2배 | 낮다 |
| 밀도 | 약 8–9 g/cm³ | 약 15 g/cm³ |
| 주조수축 | 약 2.2% | 약 1.4–1.7% |
| 경도, 연성 | 경도가 높고 연성이 낮아 연마가 어렵고 클래스프 조절 때 부러지기 쉽다 | 다듬기 쉽다 |
| 국소의치 금속구조물 | 얇아도 강성이 충분하고 밀도가 낮아 가볍게 만든다 | 같은 강성을 얻으려면 더 두껍게 만들어야 한다 |
Co-Cr은 용융온도가 높아 주조수축이 크므로 열팽창과 경화팽창(setting expansion)이 큰 인산염계 매몰재(phosphate-bonded investment)로 이를 메운다(4장).
5.4 티타늄과 Ni-Ti 합금
티타늄은 생체적합성(biocompatibility)이 좋고 가벼워 임플란트에 쓰고, Ni-Ti는 변형 뒤에도 원래 모양으로 돌아오는 성질로 교정선재와 근관치료 파일에 쓴다.
| 재료 | 성분과 구조 | 쓰임 |
|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | 알루미늄 6%, 바나듐 4%. 상온에서 α상과 β상이 공존하는 α-β 합금 | 순수 티타늄보다 인장강도와 피로강도가 커서 임플란트 고정체(fixture)와 지대주(abutment) |
| Ni-Ti | 형상기억(shape memory) 효과와 초탄성(superelasticity) | 교정용 선재, 근관치료용 파일 |
| 원소 | 안정화하는 상 | 효과 |
|---|---|---|
| 알루미늄(Al) | α상 | 고용강화로 강도 증가, 밀도 감소 |
| 바나듐(V) | β상 | 상온에서 연성과 가공성 향상 |
Ni-Ti는 넓은 탄성변형 구간에서 지속적이고 균일한 힘을 낸다. 그래서 초기 배열용 교정선재와 근관 파일로 쓴다.
암기 알루미늄은 α상을 안정화하고 강도를 올린다. 바나듐은 β상을 안정화하고 연성을 준다. 6Al-4V의 숫자는 각각 6%, 4%다.
5.5 합금 원소의 독성
합금 원소 가운데 몇몇은 구강 안에서가 아니라 기공 과정에서 해롭다. 합금을 갈거나 연마할 때 생기는 분진과 녹일 때 생기는 증기를 들이마시는 것이 문제다.
| 원소 | 문제 | 메모 |
|---|---|---|
| 베릴륨(Be) | 먼지나 증기를 마시면 폐에 만성 육아종성 병변인 만성 베릴륨증(berylliosis)을 일으키고, 폐암 위험을 높이는 발암물질이다 | Ni-Cr 합금에 넣으면 용융온도가 약 100 °C 내려가고 용융 금속의 표면장력(surface tension)이 줄어 주조성이 좋아진다 |
| 카드뮴(Cd) | 만성 노출 시 신장 세뇨관 손상과 칼슘 대사 이상으로 신장 손상과 골연화증(osteomalacia)(이타이이타이병) | 합금과 납재에서 사용이 제한된다 |
| 6가 크롬(Cr VI) | 흡입하면 호흡기 자극과 폐암. 국제암연구소(IARC) 1군 발암물질 | 기공과 연마 분진을 조심한다. 3가 크롬은 필수 미량 영양소로 독성이 매우 낮다 |
| 니켈(Ni) | 접촉성 알레르기 | Co-Cr·니켈 합금 참고 |
함정 베릴륨은 용융온도를 낮추고 주조성을 높이려고 넣는다. 해로운 때는 구강 안이 아니라 기공실에서 분진과 증기를 마실 때다.
5.6 부식과 변색
변색은 표면이 어두워지는 것이고, 부식은 금속이 녹아 없어지는 것이다. 표면에 얇고 치밀한 부동태 산화막이 생기면 안쪽 금속의 추가 산화가 멈춘다. 귀금속(noble metal)은 애초에 이온이 되기 어렵다.
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 은의 변색 | 은은 구강 내 황화물(황화수소)과 반응해 검은 황화은(Ag₂S) 피막을 만든다. 팔라듐을 넣으면 줄어든다 |
| 부동태 피막passive film | 크롬(Cr), 티타늄(Ti)이 산소와 반응해 표면에 만드는 얇고 치밀한 산화막. 비귀금속(base metal) 합금의 내부식성을 정하는 핵심 |
| 귀금속noble metal | 금, 백금 같은 귀금속이 일정 비율 이상 들어야 이온화 경향이 낮아 구강에서 부식과 변색에 저항한다 |
| 연마 | 표면을 매끄럽게 닦으면 치태와 이물질 침착이 줄고, 거친 면의 틈에 전해액이 고여 생기는 산소 농도차 국소 전지가 억제된다 |
| 아말감 | 시간이 지나면 주석 화합물 같은 부식 산물이 변연 틈을 메워 미세누출(microleakage)이 줄어든다(자가봉쇄) |
두 금속 사이의 전위차 때문에 생기는 부식은 1장에 있다.
함정 아말감의 부식 산물은 변연의 미세누출을 줄이는 이로운 결과다. 부식이 모두 해롭지는 않다. 단 γ₂상은 아말감에서 부식에 가장 약한 상이다(아말감).
5.7 아말감 최고 빈출
아말감은 은-주석 합금 가루를 수은과 섞은 것이다. 수은은 합금 가루 표면을 녹이고 새 상을 만들어 굳는다. 새로 생긴 γ₂상이 약점이며, 구리를 늘려 γ₂를 없앤 고동 아말감이 이를 해결했다.
상
| 상 | 성분 | 성질 |
|---|---|---|
| γ | Ag₃Sn | 반응하지 않고 남은 원래 합금 가루. 가장 강하다 |
| γ₁ | Ag₂Hg₃ | 가장 먼저 결정으로 나와 기질의 주성분이 된다 |
| γ₂ | Sn₇₋₈Hg | 가장 약하고 가장 부식되기 쉽다. 주석 산화물을 만들며 수은을 내보낸다. 저동 아말감의 약점 |
| 에타(η′) | Cu₆Sn₅ | 고동 아말감에서 구리가 주석을 먼저 잡아 만든다. γ₂ 생성을 막는다 |
| 저동 아말감 | 고동 아말감 | |
|---|---|---|
| 구리 함량 | 6% 미만 | 6% 이상(통상 12–30%) |
| γ₂상 | 생긴다 | 거의 없다 |
| 부식저항성, 크리프 | 나쁘다, 크다 | 좋다, 작다. 변연 파절 저항성이 오른다 |
고동 아말감 가운데 단일조성형은 구형 입자로 이루어져 수은이 적게 들고 반응이 빨라 초기 압축강도(compressive strength)가 크다.
수은량과 연화
| 조작 | 결과 |
|---|---|
| 수은 비율이 높다 | 약한 기질 상(γ₁, γ₂)이 늘고 강한 γ가 줄어 강도가 떨어지고 크리프가 늘어난다. 잔류 수은이 많을수록 같다 |
| 연화 부족 | 합금과 수은이 고르게 반응하지 못해 다공성(porosity)이 늘고 미반응 입자가 남는다. 압축강도, 변연강도, 부식저항성이 모두 떨어지고 크리프가 늘어난다. 표면이 거칠고 부스러진다 |
| 연화 과다 | 표면이 지나치게 번쩍이고 끈적인다. 합금의 용해와 반응이 빨라져 경화 수축량이 는다 |
| 적절한 연화 | 은은한 광택 |
| 응축condensation | 충분한 압력으로 눌러 잔류 수은과 기포를 내보내야 압축강도가 올라간다 |
성질
| 성질 | 내용 |
|---|---|
| 취성brittleness | 압축강도에 비해 인장강도와 전단강도가 10–15% 수준으로 낮다. 변연 부위가 쉽게 부러진다 |
| 강도 도달 | 최종 압축강도에 약 24시간 걸린다. 초기 1시간 안의 강도는 최종의 일부뿐이라 바로 세게 씹지 않게 한다 |
| 열전도율thermal conductivity | 금속이라 치질보다 훨씬 높다. 깊은 와동에는 단열용 기저재(base)를 깐다(3장) |
| 아연의 지연팽창 | 아연이 든 아말감이 충전 중 수분에 오염되면 아연과 물이 반응해 수소 가스가 나오고, 며칠 뒤 크게 부풀어 치통이나 치아 파절을 일으킨다 |
크리프
크리프(크립이라고도 쓴다)는 일정한 응력(stress)을 받는 동안 시간이 지나며 영구변형(permanent deformation)이 계속되는 현상이다. 시험에서는 일정한 하중을 건 채 시간에 따른 변형률(strain)(%)을 잰다.
| 조건 | 크리프 | 이유 |
|---|---|---|
| 불충분한 연화 | 늘어난다 | 미반응 입자가 남고 기질이 고르지 않으며 다공성이 늘어서 |
| 수은 비율이 낮다(잔류 수은이 적다) | 줄어든다 | 약한 기질 상이 적어서 |
| 고동 아말감 | 줄어든다 | γ₂ 형성이 억제되어서 |
함정 고동 아말감의 개선은 모두 γ₂상이 사라진 것에서 나온다. 크리프가 줄고 부식저항이 오른다. 구리가 주석을 에타상으로 먼저 잡아 가기 때문이다.
참고 수은에 관한 미나마타 협약(2017년 발효)에 따라 치과 아말감은 사용을 줄여 가는 재료다. 유럽연합은 2025년부터 환자에게 의학적으로 꼭 필요한 경우를 빼고 쓰지 않는다. 시험은 아말감의 상과 성질을 묻는다. 감수
복습
헷갈리는 쌍
| 쌍 | 가르는 기준 |
|---|---|
| 냉간가공 vs 소둔cold working · annealing | 경도·강도 증가, 연성 감소 vs 연성 회복, 경도 감소 |
| 회복 vs 재결정recrystallization | 모양 변화 없이 잔류응력 감소 vs 새 등축 결정립(grain) 생성 |
| 재결정 vs 결정립 성장recrystallization · grain | 연성 회복 vs 가열을 계속해 결정립이 커지고 강도 저하 |
| 연화열처리 vs 경화열처리 | 700 °C에서 급랭, 연하게 vs 규칙격자(ordered lattice)를 만들어 단단하게 |
| 캐럿 vs 품위 | 24분율(18K = 75%) vs 천분율(750) |
| Ⅰ·Ⅱ형 vs Ⅲ·Ⅳ형 금합금gold alloy | 구리가 적어 열처리 경화 안 됨 vs 구리가 많아 경화됨 |
| 구리 vs 팔라듐 | 융점을 낮추고 시효경화(age hardening) vs 융점을 올리고 백색화 |
| 아연 vs 주석 | 탈산제(deoxidizer) vs 융점을 낮추고 경화 |
| 크롬 16–20% 이상 vs 30% 초과 | 부동태 피막(passive film)으로 내식성 vs 시그마 상, 취성(brittleness) |
| 베릴륨 vs 카드뮴 | 만성 베릴륨증(berylliosis)과 폐암 vs 신장 손상과 골연화증(osteomalacia) |
| 6가 크롬 vs 3가 크롬 | 호흡기 자극, 폐암 vs 필수 미량 영양소 |
| Al vs V (Ti-6Al-4V) | α상 안정화, 강도·밀도 감소 vs β상 안정화, 연성 |
| 변색 vs 부식 | 황화은 같은 표면 피막 vs 금속이 녹아 없어짐 |
| γ₁ vs γ₂ | 기질의 주성분 vs 가장 약하고 부식에 취약 |
| 저동 vs 고동 아말감 | γ₂가 생김, 구리 6% 미만 vs γ₂가 거의 없음, 6% 이상 |
| 연화 부족 vs 연화 과다 | 다공성(porosity), 강도 저하, 크리프 증가 vs 번쩍이고 끈적임, 경화 수축 증가 |
확인 문제
냉간가공하면 감소하는 기계적·화학적 성질은?
연성(연신율)과 부식저항성
소둔의 세 단계는?
회복, 재결정, 결정립 성장
냉간가공량이 많을수록 재결정 때 무엇이 늘어나나?
결정립 수
18K 금의 금 함량(wt%)과 품위는?
75 wt%, 750
Ⅰ형 금합금의 금과 백금족 최소 함량은?
83 wt%
열처리 경화가 되는 금합금 종류는?
Ⅲ형과 Ⅳ형
금합금의 시효경화를 일으키는 원소는?
구리
금합금 연화열처리의 조건은?
약 700 °C 가열 후 급랭
금납이 모합금보다 낮춰야 하는 것은?
금 함량과 용융온도(50–100 °C)
Co-Cr의 내식성을 주는 피막은?
산화크롬 부동태 피막
크롬 30% 초과 시 생기는 취성 상은?
시그마 상
비귀금속 합금에서 알레르기를 가장 많이 일으키는 금속은?
니켈
Ti-6Al-4V의 결정 구조 유형은?
α-β 합금
Ni-Ti가 교정선재에 쓰이는 두 성질은?
형상기억 효과, 초탄성
베릴륨 분진을 마셨을 때의 대표 위해는?
만성 베릴륨증과 폐암
은 합금의 변색 피막은?
황화은(Ag₂S)
저동 아말감에서 가장 약한 상은?
γ₂상
고동 아말감에서 γ₂ 생성을 막는 상은?
에타상(Cu₆Sn₅)
아연 아말감이 수분에 오염되면 생기는 일은?
지연팽창
아말감의 인장강도는 압축강도의 몇 %인가?
10–15%
이 장은 치과의사 감수를 받는 중입니다. 틀린 곳이 보이면 아래 메일로 알려 주세요.
감수 목록
주소 끝이 #review일 때만 보입니다. 본문에 노란 감수 표시로도 붙어 있습니다.
- 5.3 Co-Cr·니켈 합금 — 최소 크롬 함량 — 카드는 16–20% 이상. 상용 Co-Cr 합금의 함량(20–30%)을 들어 20% 이상으로 쓰는 교재가 있다. 시험 기준 값 확인
- 5.7 아말감 — 미나마타 협약과 유럽연합의 아말감 사용 제한을 덧붙였다. 국내 현행 기준을 함께 적을지 확인