Effect of cooling rate on precipitation hardening of a Pd-Cu-Ga-Zn metal-ceramic alloy during porcelain firing simulation

금속-세라믹용 Pd-Cu-Ga-Zn계 합금의 모의 소성 시 냉각 속도가 석출 경화에 미치는 영향

The effect of cooling rate on precipitation hardening of a Pd-Cu-Ga-Zn metal-ceramic alloy during porcelain firing simulation was investigated and the following results were obtained. When the cooling rate was fast (Stage 0), the hardness of the alloy increased at each firing step and the high hardness value was maintained. When the cooling rate was slow (Stage 3), the hardness was the highest at the first stage of the firing, but the final hardness of the alloy after complete firing was lower. The increase in hardness of the specimens cooled at the cooling rate of Stage 0 after each firing step was caused by precipitation hardening. The decrease in hardness of the specimens cooled at the cooling rate of Stage 3 after each firing step was attributed to the coarsening of the spot-like precipitates formed in the matrix and plate-like precipitates. The matrix and the plate-like precipitates were composed of the $Pd_2(Cu,Ga,Zn)$ phase of CsCl-type, and the particle-like structure was composed of the Pd-rich ${\alpha}$-phase of face-centered cubic structure. Through the porcelain firing process, Cu, Ga, and Zn, which were dissolved in Pd-rich ${\alpha}$ particles, precipitated with Pd, resulting in the phase separation of the Pd-rich ${\alpha}$ particles into the Pd-rich ${\alpha}^{\prime}$ particles and ${\beta}^{\prime}$ precipitates composed of $Pd_2(Cu,Ga,Zn)$. These results suggested that the durability of the final prosthesis made of the Pd-Cu-Ga-Zn alloy can be improved when the cooling rate is fast during porcelain firing simulation.

금속-세라믹용 수복물에서 하부 구조물 제작에 사용되는 합금 중 하나인 Pd-Cu-Ga-Zn계 합금은 비교적 최근에 개발된 합금인 이유로 인해 도재 용착을 위한 소성 과정을 거치면서 합금에서 일어날 수 있는 경도 변화가 아직 밝혀지지 않았다. 그러나 이와 조성이 유사한 Pd-Cu-Ga-In-Au계 금속-세라믹용 합금의 경우 모의 소성 과정에서 경도가 하강한 것으로 밝혀져 있다. 따라서 Pd-Cu-Ga-Zn계 합금 또한 소성 과정 중에 합금의 연화가 일어날 것으로 예상되었으며 금속-세라믹용 Pd-Cu-Ga-Zn계 합금의 모의 소성 시 냉각 속도가 석출 경화에 미치는 영향을 조사하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 냉각 속도가 빠른 경우(Stage 0) 매 소성 단계에서 합금의 경도가 상승하였고, 최종 경도 값도 높게 유지되었다. 냉각 속도가 느린 경우(Stage 3) 소성 첫 단계에서는 경도가 가장 높았지만, 소성 완료 후 합금의 최종 경도는 더 낮아졌다. 매 소성 단계에서 Stage 0으로 냉각한 시편에서 소성 과정 동안 경도가 상승한 원인은 석출 경화에 기인하였다. 주조 후 매 소성 단계에서 Stage 3의 냉각 속도로 냉각한 시편에서 소성 과정 동안 경도가 하강한 원인은 기지와 판상형 석출물 내부에 생성된 점 모양의 석출물의 조대화에 기인하였다. 기지와 판상형 석출물은 CsCl-type의 $Pd_2(Cu,Ga,Zn)$ 상이며, 입자형 구조는 Cu, Ga, Zn을 고용한 면심입방(face-centered cubic) 구조의 Pd-rich ${\alpha}$ 상이었다. $1,010^{\circ}C$에서 산화처리 한 시편을 더 낮은 온도에서 여러 단계로 소성함에 따라 Pd-rich ${\alpha}$ 상으로 이루어진 입자에 고용되어 있던 Cu, Ga, Zn이 Pd와 함께 석출되어 Pd-rich ${\alpha}^{\prime}$ 입자와 $Pd_2(Cu,Ga,Zn)$으로 이루어진 ${\beta}^{\prime}$ 석출 상으로 상 분리가 진행되었다. 이상으로부터 Pd-Cu-Ga-Zn계 합금은 모의 소성 시 냉각 속도를 빠르게 함으로써 최종 보철물의 내구성을 향상시킬 수 있다고 생각되었다.