(57)【要約】チタン化合物は、合金化合物の総重量を基準とした重量百分率で、約８〜約１０ｗｔ％のモリブデンと、約２．８〜約６ｗｔ％のアルミニウムと、約２ｗｔ％までのバナジウムと、約４ｗｔ％までのニオブと、残余のチタンとを含む。製品を造る方法は、対合金重量パーセントを合金化合物の総重量を基準として表した場合、約８〜約１０ｗｔ％のモリブデン、約２．８〜約６ｗｔ％のアルミニウム、約２ｗｔ％までのバナジウム、約４ｗｔ％までのニオブ、残余のチタンを含む化合物から得られる造形物を冷間加工する工程と、造形物を熱溶体化処理する工程と、造形物を冷却する工程とを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金化合物の総重量を基準とした重量百分率で、
約８〜約１０ｗｔ％のモリブデンと、
約２．８〜約６ｗｔ％のアルミニウムと、
約２ｗｔ％までのバナジウムと、
約４ｗｔ％までのニオブと、
残余のチタンと、
を有することを特徴とする化合物。
【請求項２】
冷間加工されることを特徴とする請求項１に記載の化合物。
【請求項３】
冷間加工後、長さの変化率が元の長さの２％となった時点で、長さの変化率の約７５％以上の弾性回復能を有することを特徴とする請求項２に記載の化合物。
【請求項４】
冷間加工後、長さの変化率が元の長さの４％となった時点で、長さの変化率の約５０％以上の弾性回復能を有することを特徴とする請求項２に記載の化合物。
【請求項５】
冷間加工後、等価の熱処理化合物の弾性係数に比べ、約１０％以上の弾性係数の低下を示すことを特徴とする請求項２に記載の化合物。
【請求項６】
β相、または、α相およびβ相を有することを特徴とする請求項２に記載の化合物。
【請求項７】
さらに溶体化処理されることを特徴とする請求項６に記載の化合物。
【請求項８】
請求項１に記載の化合物から製造された製品。
【請求項９】
約８．９ｗｔ％のモリブデンと、約３．０３ｗｔ％のアルミニウムと、約１．９５ｗｔ％のバナジウムと、約３．８６ｗｔ％のニオブと、残余のチタンとを有することを特徴とする化合物。
【請求項１０】
冷間加工後、長さの変化率が元の長さの２％となった時点で、長さの変化率の約７５％以上の弾性回復能を有することを特徴とする請求項９に記載の化合物。
【請求項１１】
約９．３４ｗｔ％のモリブデンと、約３．０１ｗｔ％のアルミニウムと、約１．９５ｗｔ％のバナジウムと、約３．７９ｗｔ％のニオブと、残余のチタンとを有することを特徴とする化合物。
【請求項１２】
冷間加工後、長さの変化率が元の長さの４％になった時点で、長さの変化率の約５０％以上の弾性回復能を有することを特徴とする請求項１１に記載の化合物。
【請求項１３】
合金化合物の総重量を基準とした重量百分率で、約８〜約１０ｗｔ％のモリブデンと、約２．８〜約６ｗｔ％のアルミニウムと、２ｗｔ％までのバナジウムと、４ｗｔ％までのニオブと、残余のチタンとを有する化合物から得られる造形物を冷間加工する工程と、
前記造形物を熱溶体化処理する工程と、
前記造形物を冷却する工程と、
を有することを特徴とする製品を製造する方法。
【請求項１４】
前記化合物の同形温度より低い温度、または、前記化合物の同形温度より高い温度で、前記熱溶体化処理を実施することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記冷却は、大気中で実施することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記造形物を約３５０〜約５５０℃の温度でさらに熱エージングすることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
熱エージングを１０秒〜約３０分間実施することを特徴とする請求項１３に記載の方法。 
【請求項１８】
合金化合物の総重量を基準とした重量百分率で、約８〜約１０ｗｔ％のモリブデンと、約２．８〜約６ｗｔ％のアルミニウムと、２ｗｔ％までのバナジウムと、４ｗｔ％までのニオブと、残余のチタンとを有する線材を冷間加工する工程と、
前記線材を溶体化処理する工程と、
前記線材を加熱処理する工程と、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記冷間加工で断面積が約５〜約８５％縮小することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
約５００〜約９００℃の温度で前記加熱処理を行うことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
約８００〜約１０００℃の温度で前記線材を溶体化処理することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
製品がβ相、または、α相およびβ相を有することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
請求項１３または１８に記載の方法によって製造された製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の開示は、超弾性βチタン合金、この合金の製造法およびこの合金からの製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
マルテンサイト変態した合金は、「形状記憶効果」を呈すると考えられている。このマルテンサイト変態の結果として、「オーステナイト」として知られている高温相は、非拡散剪断（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌｅｓｓ  ｓｈｅａｒ）工程によりその結晶構造を変えて、「マルテンサイト」と呼ばれる対称性の弱い構造に変容する。この工程は、形状記憶合金の場合と同様に可逆的となりうるので、加熱時に逆変態が生じる。冷却またはマルテンサイト変態の開始温度は、一般にＭｓ温度として表され、終了温度はＭｆ温度として表される。逆変態とオーステナイト変態の開始温度および終了温度は、それぞれＡｓおよびＡｆとして表される。
【０００３】
Ａｆより低い温度では、逆マルテンサイト相変態した合金は、低温マルテンサイト相の場合と同様に、応力誘起マルテンサイト変態により、高温マルテンサイト相でも変形可能である。これらの合金は、一般に温度Ａｆより高い温度で加熱処理した時に元の形状を回復するので、「形状記憶合金」と呼ばれている。Ａｆより高い温度では、応力誘起マルテンサイトは不安定な状態にあり、変形した状態から開放されると、オーステナイトに逆戻りする。応力誘起マルテンサイトがオーステナイトへ逆戻りするときに生じる歪みからの回復は、一般に「擬似弾性」または「超弾性」と呼ばれており、ニッケル−チタン形状記憶合金に関する標準規格用語ＡＳＴＭ  Ｆ２００５に定義されている。これら２つの用語は、機械により誘起される結晶の相変化による高い弾性を必要とせずに、大きな変態から弾性によって形状を回復できる形状記憶合金の能力を記述する際には、どちらも同様に使用されている。
【０００４】
ニチノールは、近化学量論量のニッケルとチタンを含む形状記憶合金である。擬似弾性ニチノールの変形時には、応力誘起マルテンサイトの形成により、比較的一定した応力で合金の歪みが増大する。無負荷時には、一定ではあるが異なる応力の下で、マルテンサイトのオーステナイトへの逆戻りが生じる。したがって、擬似弾性ニチノールの代表的な応力−歪み曲線は、負荷時と無負荷時の両応力平坦域を示す。ただし、応力が異なるために、これらの平坦域は同一ではなく、ニチノールにおける機械的ヒステリシス発現の目安となる。このように、擬似弾性ニチノールの場合、約８〜約１０％の変態からの回復が可能である。冷間加工ニチノールもまた、広域の線形弾性特性を示す。線形弾性を示すニチノール化合物は、平坦域を呈することはないが、３．５％までの歪みから回復することができる。このような挙動は、一般に「線形超弾性」と呼ばれ、変態によって誘起される「擬似弾性」または「超弾性」とは区別される。これらの特性により、ニチノールは、一般に、医療用のステント（ｓｔｅｎｔｓ）、ガイドワイヤ、外科手術用具、歯列矯正器具、携帯電話のアンテナ線、および眼鏡のフレームや他の構成要素など、数多くの用途における材料として広く利用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
その一方で、ニチノールは、成形および／または溶接により加工することが困難であるため、ニチノールから製品を製造する際には、コスト高で、多くの時間を要する。さらに、ニッケル含有製品の使用者は、場合によってはニッケルに対してアレルギー反応を引き起こすことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの実施例では、化合物は、合金化合物の総重量を基準とした重量百分率で、約８〜約１０ｗｔ％のモリブデンと、約２．８〜約６ｗｔ％のアルミニウムと、約２ｗｔ％までのバナジウムと、約４ｗｔ％までのニオブと、残余のチタンとを含む。
【０００７】
もう１つの実施例では、化合物は、約８．９ｗｔ％のモリブデンと、約３．０３ｗｔ％のアルミニウムと、約１．９５ｗｔ％のバナジウムと、約３．８６ｗｔ％のニオブと、残余のチタンとを含む。
【０００８】
さらにもう１つの実施例では、化合物は、約９．３４ｗｔ％のモリブデンと、約３．０１ｗｔ％のアルミニウムと、約１．９５ｗｔ％のバナジウムと、約３．７９ｗｔ％のニオブと、残余のチタンとを含む。  
【０００９】
さらに別のもう１つの実施例では、製品を製造するための方法は、合金化合物の総重量を基準とした重量百分率で、約８〜約１０ｗｔ％のモリブデンと、約２．８〜６ｗｔ％のアルミニウムと、約２ｗｔ％までのバナジウムと、約４ｗｔ％までのニオブと、残余のチタンとを含む化合物から得られる造形物を冷間加工する工程と、造形物を成形する工程と、造形物を加熱溶体化処理する工程と、造形物を冷却する工程とを有する。
【００１０】
さらにもう１つの別の実施例では、方法は、合金化合物の総重量を基準とした重量百分率で、約８〜約１０ｗｔ％のモリブデンと、約２．８〜約６ｗｔ％のアルミニウムと、約２ｗｔ％までのバナジウムと、約４ｗｔ％までのニオブと、残余のチタンとを含む組成を有する線材を冷間加工する工程と、造形物を冷間加工する工程と、造形物を加熱処理する工程とからなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本明細書では、医療用、歯科用、スポーツ製品ならびに眼鏡のフレームなどの用途に使用できる擬似弾性特性および線形超弾性特性を有するβチタン合金化合物について開示する。１つの実施例では、βチタン合金化合物は、溶体化処理後に線形の弾性特性を呈するようになる。また、もう１つの実施例では、βチタン合金化合物は、加熱処理で改善される擬似弾性特性を有する。さらにもう１つの別の実施例では、βチタン合金化合物は、冷間加工後に線形の超弾性特性を示す。この化合物は、他の金属および合金と溶接できる利点を有する。βチタン合金から製造された製品は、室温で様々な形態に変形させることができ、一般に、超弾性に伴う高い跳ね返り特性を保有している。
【００１２】
純粋なチタンには、８８２℃の同形変態温度がある。βチタンと呼ばれる体心立方（ｂｃｃ）構造は、この同形変態温度より高い温度で安定しており、αチタンと呼ばれる最密六方（ｈｃｐ）構造は、この同形変態温度より低い温度で一般に安定している。チタンをバナジウム、モリブデン、および／または、ニオブなどの元素と合金化させると、得られた合金では、約８８２℃（β転移（β  ｔｒａｎｓｕｓ）温度）以下の温度でβ相の安定性が高まる。一方、アルミニウムまたは酸素などの元素と合金化させた場合には、α相が安定する温度範囲は、同形変態温度より高くなる。β相温度範囲を引き上げる効果を有する元素をβ安定剤と呼んでおり、α相温度範囲を拡大できる安定剤をα安定剤と呼んでいる。
【００１３】
高濃度のβ安定剤を含有するチタン合金は、一般に室温で十分に安定しており、メタ安定β相構造を保持することができる。このような特性を示す合金をβチタン合金と呼んでいる。マルテンサイト変態は、一般にβチタン合金で生じる。βチタン合金におけるマルテンサイト変態温度は、合金中のβ安定剤含有量が増えるに伴って低下し、α安定剤含有量が増えるに伴って、一般に高くなる。したがって、安定化の程度によって、βチタン合金は、β相が平衡状態で単相を保持している温度より高い温度から急速に冷却すると、マルテンサイト変態を呈するものと考えられる。
【００１４】
βチタン合金は、一般に、約８〜約１０ｗｔ％のモリブデンと、約２．８〜約６ｗｔ％のアルミニウムと、約２ｗｔ％までのバナジウムと、約４ｗｔ％までのニオブと、残余のチタンとを含む。全ての重量百分率は、合金の総重量を基準とする。モリブデンは、前記範囲内で、一般に、約８．５以上の量、好ましくは約９．０以上の量、さらに好ましくは約９．２ｗｔ％以上の量を含有していることが望ましい。さらに、この範囲内では、合金の総重量を基準として、約９．７５以下の量、好ましくは約９．６５以下の量、さらに好ましくは約９．５ｗｔ％以下の量を含有していることが望ましい。
【００１５】
アルミニウムは、前記範囲内で、一般に、約２．８５以上の量、好ましくは約２．９以上の量、さらに好ましくは約２．９３ｗｔ％以上の量を含有していることが望ましい。さらに、この範囲内では、合金の総重量を基準として、約５．０以下の量、好ましくは約４．５以下の量、さらに好ましくは約４．０ｗｔ％以下の量を含有していることが望ましい。
【００１６】
ニオブは、前記範囲内で、一般に、合金の総重量を基準として、約２以上の量、好ましくは約３以上の量、さらに好ましくは約３．５ｗｔ％以上の量を含有していることが望ましい。
【００１７】
１つの模範的な実施例では、βチタン合金は、８．９ｗｔ％のモリブデンと、３．０３ｗｔ％のアルミニウムと、１．９５ｗｔ％のバナジウムと、３．８６ｗｔ％のニオブと、残余のチタンとを含むことが望ましい。
【００１８】
もう１つの模範的な実施例では、βチタン合金は、９．３４ｗｔ％のモリブデンと、３．０１ｗｔ％のアルミニウムと、１．９５ｗｔ％のバナジウムと、３．７９ｗｔ％のニオブと、残余のチタンとを含むことが望ましい。
【００１９】
１つの実施例では、βチタン合金は、溶体化処理および／または熱エージングを行ってもよい。βチタン合金の溶体化処理では、合金をβ転移温度である約８５０℃以上の温度に曝す。この合金の溶体化処理は、一般に、真空中または不活性ガス雰囲気中で、約８５０〜約１０００℃、好ましくは約８５０〜約９００℃の温度範囲で、その部品の質量に応じて約１分かそれ以上実施する。加熱処理後、約５℃／秒以上の速度、好ましくは約２５℃／秒以上の速度、さらに好ましくは約５０℃／秒以上の速度で、不活性ガスクエンチまたは空冷によって急速冷却し、完全な再結晶化単相β粒状組織を保持する。一部の例では、クエンチした合金を、さらに、約３５０〜約５５０℃の温度で約１０秒〜約３０分間エージング処理し、ω相の微細沈殿物の量を調節することが好ましい。
【００２０】
もう１つの実施例では、βチタン合金を約７５０〜約８５０℃、好ましくは約８００〜約８５０℃のβ転移温度より低い温度で、約１〜約３０分間溶体化処理し、少量のα沈殿物を再結晶β基材中で誘起してもよい。α沈殿物の量は、化合物の総容量を基準として、約１５ｖｏｌ％以下、さらに好ましくは約１０ｖｏｌ％以下が好ましい。このようにすると、約１４０，０００ポンド／平方インチ（９，８４６ｋｇ／ｃｍ２）またはそれ以上、引っ張り強度を改善することができる。
【００２１】
溶体化処理条件下におけるβチタン合金は、擬似弾性を示しうる。溶体化処理されたβチタン合金は、一般に、２％の初期歪みまで弾性により変形したときには、初期歪みの約７５％以上の擬似弾性回復度を示し、さらに４％の初期歪みまで弾性により変形したときには、初期歪みの約５０％以上の擬似弾性回復度を示す。初期歪みは、合金化合物の元の長さに対する長さの変化の比である。
【００２２】
溶体化処理条件下におけるβチタン合金は、線形弾性を示しうる。溶体化処理βチタン合金は、一般に、２％の初期歪みまで弾性によりに変形したときには、初期歪みの約７５％以上、さらに４％の初期歪みまで弾性により変形したときには、初期歪みの約５０％以上の線形弾性回復度を示す。初期歪みは、合金化合物の元の長さに対する長さの変化の比である。
【００２３】
もう１つの実施例では、βチタン合金は、冷間圧延、延伸、圧伸成形、加圧成形などの各処理により、室温で冷間加工してもよい。βチタン合金は、元の断面積を基準とした断面積の縮小率を測定した場合に、約５〜８５％に冷間圧延することが好ましいと考えられる。この範囲内では、初期断面積の約１０以上、好ましくは初期断面積の約１５％以上断面積が縮小していることが望ましい。さらにこの範囲内では、初期断面積を基準として、約５０以下、さらに好ましくは約３０％以下の断面積の縮小率が望ましい。冷間加工状態（加工硬化状態とも呼ばれる）におけるβチタン合金は、初期歪みの約７５％以上が、２％の初期歪みまで変形した後で弾性により回復可能であり、さらに初期歪みの約５０％以上が、４％の初期歪みまで変形した後で弾性により回復可能であるような線形超弾性を示す。冷間加工に関する模範的な実施例では、合金を加熱処理した後のβチタン合金の弾性係数は、元の弾性係数を基準として、約１０以上、好ましくは約２０以上、さらに好ましくは約２５％以上の量だけ冷間加工によって低下する。
【００２４】
一般に、擬似弾性特性を有し、亀裂または破損を生じずに複雑な造形物や形状に成形できる形状記憶合金を使用することが望まれている。１つの実施例では、線形弾性特性、線形超弾性特性、擬似弾性特性、または、超弾性特性を有するβチタン合金を、様々な製品の製造に使用することができる。このような製品の好適な例としては、眼鏡のフレーム、ゴルフクラブのフェースインサートもしくはヘッド、整形外科用補填材、脊椎矯正用具、骨折治療用固定具、血管ステントおよび非血管ステント、最小侵襲性外科器具、フィルタ、バスケット、ピンセット、グラスパ、歯科用インプラント、アーチワイヤ、ドリルおよびやすりなどの歯列矯正用器具、ならびに、カテーテル導入器具（ガイドワイヤ）などの各種医療用具があげられる。
【００２５】
超弾性βチタン合金は、一般に、眼鏡に使用するのに十分な跳ね返り特性を備えている。一般に、曲げ試験で約４％の外側ファイバ初期歪みまで合金化合物を変形させたときに、初期歪みの約５０％の最小回復度を有する超弾性βチタン合金を使用することが望ましい。曲げ試験で外側ファイバ初期長さの約４％まで合金化合物を変形させたときに、初期歪みの約７５％以上の最小回復度を有することが好ましい。さらに、一般に、合金化合物を約４％の初期引っ張り歪みまで歪ませたときに、超弾性βチタン合金が約５０％の最小歪み回復能を備えていることが望ましい。引っ張り試験における約４％の初期歪みまで合金を歪ませたときに、初期引っ張り歪みの約７５％以上の最小回復能を備えていることが好ましい。歪み回復能は、初期曲げ歪みの関数として測定され、初期曲げ歪みは元の長さに対する長さの変化の比の百分率として表される。
【００２６】
代表的な以下の実施例は、本明細書に記載されるβチタン合金化合物の各種実施例の一部を説明するが、これらに限定されない。
【実施例】
【００２７】
実施例１
以下に述べるサンプル合金は、全て二重真空アーク融解法で作製した。インゴットを熱間圧延した後、平板圧延して厚さ１．５ミリメートル（ｍｍ）の板材に成形した。次に、この板材を、大気中で８７０℃の温度で３０分間加熱処理し、大気中で室温になるまで冷却した。板材上に付着した酸化物を２枚ディスクの研削によって除去し、１．３ｍｍの厚さにラップ仕上げした。３５０℃の窒化物／硝酸塩浴中で、熱エージング実験行った。
【００２８】
永久歪および擬似弾性回復歪みを曲げ試験で定量した。０．５１ｍｍ×１．２７ｍｍ×５１ｍｍの寸法の標本群を板材から切り出した。この標本群を直径約１２．２ｍｍの棒に当てて曲げ、「Ｕ字」型に成形し、４％近くまで外側ファイバまたは外面を歪ませた。その後、直線部分の間に形成される角度を測定し、下記の式を用いて歪み回復能を算出した。
【００２９】
【数１】
2005530929.tif 000003
【００３０】
ここで、「ａ」は回復不能な角度で、「ｅ」は外側ファイバ曲げ歪みである。
【００３１】
引っ張り歪み回復能は、４％の歪みが得られるまで引っ張り伸びを行い、続いて応力ゼロの無負荷状態で測定した。断面が０．９０ｍｍ×２．０ｍｍの引っ張り試験標本で、伸び計を用いて歪みをモニタした。電気加熱機能とＣＯ２冷却機能を備えた環境チャンバには、−３０℃〜１８０℃の範囲の試験能があった。
【００３２】
表１に列挙されている組成を有する９種類のβチタン合金について試験した。比較するために、総曲げ歪みに対する弾性回復歪みの百分率を測定した。
【００３３】
【表１】
2005530929.tif 000004
【００３４】
上の表１で、サンプル１とサンプル６〜９は比較例である。約４％の外側ファイバ歪みまで曲げた後の弾性回復能の定量結果を、図１にグラフ表示する。この図は、モリブデンが約９ｗｔ％で最大弾性歪み回復能を示しており、このとき、加熱溶体化処理およびその後の大気冷却後に加えられた４％の変形歪みに対する合金による弾性回復歪みは、約８０％であった。モリブデン含有率を９ｗｔ％より増やすか減らすと、一般に弾性回復能が低下する。モリブデンの含有量が８．４と１１ｗｔ％との間であるようなチタン合金の場合には、３５０℃で１０秒という短い時間のエージング処理を行えば、弾性回復能が改善されるという結果が得られるであろう。モリブデン含有率が約９ｗｔ％の合金の場合には、１０秒間３５０℃で熱エージングを実施した後の最適弾性歪み回復能は、加えられた４％の曲げ歪みの約９０％に相当する。モリブデン含有量が８．４ｗｔ％未満の合金では、異なるエージング特性を示す。３５０℃におけるエージングでは、約８．０３ｗｔ％のモリブデンを含有する合金２の場合には弾性歪み回復能が劣化する可能性があり、約７．６３ｗｔ％のモリブデン含有量の合金１の場合には有意とされる効果は認められない。
【００３５】
サンプル４、５および６のそれぞれの３５０℃における熱エージング中の総歪みに対する弾性回復能の比率を、それぞれ図２、図３および図４に示す。図２、図３および図４から、３種類の合金すべての弾性回復能は、約１０〜６０秒間のエージング処理後に最大に達することが伺われる。１５分（９００秒）間を超えるエージング処理では、弾性回復能が劣化する。
【００３６】
サンプル４と５のそれぞれの約２５０〜約５５０℃における１０秒間の熱エージング中の総歪みに対する弾性回復能の比率を、それぞれ図５と図６に示す。サンプル４の最適回復能は３５０℃の加熱温度で得られるが、この場合、９０％に近い比率まで弾性回復能が改善される一方、４００℃以上におけるエージング処理では、約４０％まで弾性回復能が劣化する。サンプル５の場合、この温度範囲におけるエージング処理では、一般に、弾性回復能が改善される。約４５０℃で最大改善率が達成され、この場合、弾性回復能が９０％まで向上した。
【００３７】
表１に示される各種合金の場合も、断面積が約３０％以上縮小する冷間加工後に線形超弾性を示している。例えば、モリブデン１１．０６ｗｔ％、ニオブ３．８０ｗｔ％、バナジウム１．９７ｗｔ％、アルミニウム３．０７ｗｔ％で、残りがチタンであるような組成のインゴットから製造された線材は、冷間後の断面積の縮小率が８４％であった時点で、４％の外側ファイバ歪みの総変形率まで曲げた後の弾性回復歪みは、３．５％相当であった。
【００３８】
実施例２
この実施例では、βチタン合金を二重真空アーク溶融法で製造した。合金の化学組成を誘導結合型プラズマの発光分析法（ＩＣＰ−ＯＥ）を用いて分析した。分析結果を表２に示す。インゴットを熱間鍛造、熱間圧延、そして最終的に低温延伸処理を実施して、約０．４〜約５ｍｍの範囲内の各種直径を持つ線材を成形した。各冷間縮小処理間でパス間（ｉｎｔｅｒ−ｐａｓｓ）アニール処理を真空炉内で８７０℃で実施して２．５ｍｍより直径が大きい線材を得るか、または、不活性ガス雰囲気中でストランドアニール処理を実施することにより、さらに径の細い線材を得た。延伸特性は、２．５ｍｍのゲージ長の伸び計を装備したＩｎｓｔｒｏｎの５５６５型式の材料試験装置を用いて判定した。詳細構造は、ＮｉｋｏｎのＥｐｉｐｈｏｔの倒立型金属顕微鏡を用いて、光金属組織に基づいて調査した。
【００３９】
【表２】
2005530929.tif 000005
【００４０】
ストランドアニール処理された線材は、一般に、真空アニール処理された線材および板材に比べ、最大抗張力（ＵＴＳ）が約１０５５メガパスカル（ＭＰａ）高く、その代表的ＵＴＳは約８３０ＭＰａである。図７は、アニール処理加工した１．０ｍｍ径のサンプル１１のワイヤストックから延伸した線材のＵＴＳを、断面積の縮小関数としてプロットした図である。４９％縮小した後に、ＵＴＳを１０５５ＭＰａからわずか１１７２ＭＰａ程度まで引き上げたところ、微弱な歪み硬化効果を示した。ヤング率の判定するため、１％の歪みが得られるまで線材に引っ張り試験を実施し、応力歪み曲線の傾きを測定した。図８に示すように、低温延伸した線材は、一般に、アニール処理線材に比べ弾性率が低い。アニール処理された線材の率である約６５．９ギガパスカル（ＧＰａ）が低下する一方で累積縮小率は高くなり、低温延伸後に約５０ＧＰａで安定化し、累積縮小率は２０％を超えている。
【００４１】
表１に記載の各種合金と同様に、サンプル１０と１１は、冷間加工後に線形の超弾性を示している。低温延伸し、縮小率が１９．４％である０．９１ｍｍ径のサンプル１１に対し、２％および４％の引っ張り歪みで試験を実施したときの負荷および無負荷応力歪み曲線を、それぞれ図９と１０に示す。図７からも明らかなように、負荷を取り除いた後には、線材は、２％の引っ張り伸び後に大部分の変形から回復し、わずか０．１％の小さな弾性歪みだけを残すにとどまった。４％の引っ張り伸びまで変形させた場合、負荷を取り除いた後の残留歪みは１．４％まで上昇した。線材は、２．６％まで歪みから回復する。延伸（断面積）縮小率が拡大すると共に、残留歪みは減少する。ただし、縮小率が２０％を超えたときには、４％の引っ張り伸張率に達する前に標本が破損した。このデータが示すように、低温延伸したβチタン合金線材は、線形の超弾性を示し、従来の金属合金の代表的弾性限界を超える大きな変形から回復することができる。低温延伸線材の機械特性は、低温延伸サンプル１０が同様の機械特性を示しているので、化学的組成には感応しないと思われる。サンプル１０に関する負荷／無負荷引っ張り試験の全ての結果を、表３に示す。
【００４２】
【表３】
2005530929.tif 000006
【００４３】
図１１の顕微鏡写真は、冷間加工により断面積が１４％縮小した後の冷間加工されたサンプル１０の線材の微細構造を表している。８１６℃と８７１℃で３０分間加熱処理した後の線材の再結晶の微細構造をそれぞれ図１２と１３に示す。微細構造にはα相が存在していたので、８１６℃での加熱処理後に材料が十分にベータ化していなかったことが明らかである。図１１から分かるように、３０分間８７１℃で加熱処理した後で完全に再結晶化したβ粒状組織が得られた。
【００４４】
８．６ｍｍ径まで熱間圧延したサンプル１０の線材をさらに６．０ｍｍ径まで延伸した。３０分間８７１℃で完全にベータ化させた後、６．０ｍｍ径の線材を約５００〜約８５０℃の温度で３０分間、再度エージング処理した。図１４から分かるように、β構造は、８１６℃でエージング処理した後に確保された。エージング処理温度を７８８℃まで下げると、図１５に示すように、粒間α相沈殿物が微細構造内に出現し始めた。粒間α相沈殿物の量は、エージング処理温度を下げると増加していった。α相沈殿物は、最終的に６４９℃以下でエージング処理したときに粒界に沿って出現した。
【００４５】
３０分間約５００〜約９００℃の温度でエージング処理した後の表２のベータ化サンプル１０の最大抗張力（ＵＴＳ）と引っ張り展性（％  断面積における縮小率）をそれぞれ図１６と１７に示す。溶体化処理標本などの完全ベータ化標本や８１６℃以上の温度でエージング処理した標本は、約８００ＭＰａという低いＵＴＳと、断面積の縮小率（ＲＡ）が約２５〜約３０％の良好な引っ張り展性とを示していた。温度を下げるに伴い、おそらくはα沈殿物の量が増加したことにより、引っ張り展性が有意に低下し、ＵＴＳが劇的に増加した。ＵＴＳにおける１４００ＭＰａのピークは、低い展性値（５％  ＲＡ）と対応しており、いずれも約５００℃のエージング処理温度で出現している。
【００４６】
溶体化処理条件下におけるサンプル１１の化合物は、擬似弾性を示している。これらの機械特性は、約３５０〜約５５０℃の温度における熱溶体化処理とそれに続くエージング処理に高度に感応する。８７０℃の温度でのストランドアニール処理後のサンプル１１の線材は、明確な擬似弾性を呈する。一例を図１８に示すが、この例は、ストランドアニール処理後における０．４ｍｍ径のサンプル１１の線材に関する４％の引っ張り応力―歪み曲線を示している。４％の伸張率まで変形させた後には、この線材の標本は、擬似弾性回復工程に入り、３．４％の引っ張り歪みを回復し、負荷を取り除いた後の残留歪みはわずか０．６％にとどまった。
【００４７】
線材の微細構造の横断面図を、図１９の顕微鏡写真に示す。微細構造は、予期されたβ構造ではなく、β基材内に含まれた多結晶のα沈殿物で構成されている。短時間のストランドアニール処理では、線材が完全にβ粒状組織に再結晶化されないと考えられる。理論にこだわらなければ、このことは、完全にベータ化された材料のＵＴＳに比べ、一般にストランドアニール処理した線材が高いＵＴＳを有することを裏づけていると考えられる。
【００４８】
上記の実験から分かるように、βチタン合金は、４％の初期曲げ歪みを加えると、８８．５％の弾性歪み回復能を示すことができる。歪み回復能は、初期曲げ歪みの関数として測定し、初期曲げ歪みは元の長さに対する長さの変化の百分率として表される。これらの合金は、眼鏡のフレーム、ゴルフクラブのフェースインサートやヘッド、歯列矯正用線材、整形外科用充填材および骨折固定用具、脊椎固定器具および脊柱側弯矯正器具、ステント、カテーテル導入器具（ガイドワイヤ）などの多数の市販されている製品に使用した場合に、その利点を生かすことができるであろう。
【００４９】
本発明について、代表的な実施例を引用しながら説明してきたが、当業者は、様々な変更を加えることで、本発明の意図から逸脱することなくその要素と等価物を置き換えることができるということを理解されるであろう。さらに、多くの変更を加え、その基本的意図から逸脱することなく本発明の教示内容に特定の状況や材料を適合させてもよい。したがって、本発明を実施する際に予期される最適な態様として開示されている特定の実施例に限定することは意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】モリブデン含有量の弾性回復の影響を示すグラフである。
【図２】表１のサンプル４で、３５０℃でのエージングの弾性回復の影響を示すグラフである。
【図３】表１のサンプル５で、３５０℃でのエージングの弾性回復の影響を示すグラフである。
【図４】表１のサンプル６で、３５０℃でのエージングの弾性回復の影響を示すグラフである。
【図５】表１のサンプル４で、約２５０〜約５５０℃で１０秒間のエージングの弾性回復の影響を示すグラフである。
【図６】表１のサンプル５で、約２５０〜約５５０℃で１０秒間のエージングの弾性回復の影響を示すグラフである。
【図７】表２のサンプル１１の累積低温延伸減少のＵＴＳへの影響を示すグラフである。
【図８】表２のサンプル１１の累積低温延伸減少の弾性率への影響を示すグラフである。
【図９】２％の歪みまで試験したときに１９．４％延伸率が低下した表２のサンプル１１の組成を有する線材に関する引っ張り応力−歪み曲線を示すグラフである。
【図１０】４％の歪みまで試験したときに１９．４％延伸率が低下した表２のサンプル１１の組成を有する線材に関する引っ張り応力−歪み曲線を示すグラフである。
【図１１】１４％減少した表２のサンプル１０の組成を有する低温延伸線材の微細構造を示す光学顕微鏡写真である。
【図１２】３０分間８１６℃で加熱処理した後に１４％減少した表２のサンプル１０の組成を有する低温延伸線材の一部を再結晶化したときの微細構造を示す光学顕微鏡写真である。
【図１３】３０分間８７１℃で加熱処理した後に１４％減少した表２に記載のサンプル１０の組成を有する低温延伸線材の完全に再結晶化したときの微細構造を示す光学顕微鏡写真である。
【図１４】３０分間８１６℃でエージング処理した後の表２のサンプル１０をベータ化したときの微細構造を示す光学顕微鏡写真である。
【図１５】３０分間７８８℃でエージング処理した後の表２のサンプル１０をベータ化したときの微細構造を示す光学顕微鏡写真である。
【図１６】３０分間５００〜９００℃でエージング処理した後の表２のサンプル１０をベータ化したときのＵＴＳを示すグラフである。
【図１７】３０分間５００〜９００℃でエージング処理した後の表２のサンプル１０をベータ化したときの延性を示すグラフである。
【図１８】８７１℃でストランドアニール処理した後の表２のサンプル１１の組成を有する線材を４％引っ張り歪みで試験したときの引っ張り応力−歪み曲線を示すグラフである。
【図１９】８７１℃でストランドアニール処理した後の表２のサンプル１１の組成を有する線材の微細構造を示す光学顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年7月7日(2004.7.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金化合物の総重量を基準とした重量百分率で、  約８〜約９．７５ｗｔ％のモリブデンと、  約２．８〜約６ｗｔ％のアルミニウムと、  約２ｗｔ％までのバナジウムと、  約４ｗｔ％までのニオブと、  残余のチタンと、  を有することを特徴とする化合物。
【請求項２】
冷間加工されることを特徴とする請求項１に記載の化合物。
【請求項３】
冷間加工後、長さの変化率が元の長さの２％となった時点で、長さの変化率の約７５％以上の弾性回復能を有することを特徴とする請求項２に記載の化合物。
【請求項４】
冷間加工後、長さの変化率が元の長さの４％となった時点で、長さの変化率の約５０％以上の弾性回復能を有することを特徴とする請求項２に記載の化合物。
【請求項５】
冷間加工後、等価の熱処理化合物の弾性係数に比べ、約１０％以上の弾性係数の低下を示すことを特徴とする請求項２に記載の化合物。
【請求項６】
β相、または、α相およびβ相を有することを特徴とする請求項２に記載の化合物。
【請求項７】
さらに溶体化処理されることを特徴とする請求項６に記載の化合物。
【請求項８】
請求項１に記載の化合物から製造された製品。
【請求項９】
約８．９ｗｔ％のモリブデンと、約３．０３ｗｔ％のアルミニウムと、約１．９５ｗｔ％のバナジウムと、約３．８６ｗｔ％のニオブと、残余のチタンとを有することを特徴とする化合物。
【請求項１０】
冷間加工後、長さの変化率が元の長さの２％となった時点で、長さの変化率の約７５％以上の弾性回復能を有することを特徴とする請求項９に記載の化合物。
【請求項１１】
約９．３４ｗｔ％のモリブデンと、約３．０１ｗｔ％のアルミニウムと、約１．９５ｗｔ％のバナジウムと、約３．７９ｗｔ％のニオブと、残余のチタンとを有することを特徴とする化合物。
【請求項１２】
冷間加工後、長さの変化率が元の長さの４％になった時点で、長さの変化率の約５０％以上の弾性回復能を有することを特徴とする請求項１１に記載の化合物。
【請求項１３】
合金化合物の総重量を基準とした重量百分率で、約８〜約１０ｗｔ％のモリブデンと、約２．８〜約６ｗｔ％のアルミニウムと、２ｗｔ％までのバナジウムと、４ｗｔ％までのニオブと、残余のチタンとを有する化合物から得られる造形物を冷間加工する工程と、  前記造形物を熱溶体化処理する工程と、  前記造形物を冷却する工程と、  を有することを特徴とする製品を製造する方法。
【請求項１４】
前記化合物の同形温度より低い温度、または、前記化合物の同形温度より高い温度で、前記熱溶体化処理を実施することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記冷却は、大気中で実施することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記造形物を約３５０〜約５５０℃の温度でさらに熱エージングすることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
熱エージングを１０秒〜約３０分間実施することを特徴とする請求項１３に記載の方法。 
【請求項１８】
合金化合物の総重量を基準とした重量百分率で、約８〜約１０ｗｔ％のモリブデンと、約２．８〜約６ｗｔ％のアルミニウムと、２ｗｔ％までのバナジウムと、４ｗｔ％までのニオブと、残余のチタンとを有する線材を冷間加工する工程と、  前記線材を溶体化処理する工程と、  前記線材を加熱処理する工程と、  を有することを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記冷間加工で断面積が約５〜約８５％縮小することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
約５００〜約９００℃の温度で前記加熱処理を行うことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
約８００〜約１０００℃の温度で前記線材を溶体化処理することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
製品がβ相、または、α相およびβ相を有することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
請求項１３または１８に記載の方法によって製造された製品。
【国際調査報告】
2005530929.tif 000026