(57)【要約】【課題】低ヤング率で高強度のチタン合金を提供すること。【解決手段】１ａｔ％以上１５ａｔ％以下のニオブと、２ａｔ％以上５ａｔ％以下の鉄と、２ａｔ％以上１２ａｔ％以下のアルミニウムと、残部のチタンと、不可避的不純物と、からなることを特徴とするチタン合金。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
１ａｔ％以上１５ａｔ％以下のニオブと、
２ａｔ％以上５ａｔ％以下の鉄と、
２ａｔ％以上１２ａｔ％以下のアルミニウムと、
残部のチタンと、
不可避的不純物と、
からなることを特徴とするチタン合金。
【請求項２】
請求項１に記載のチタン合金により構成されたことを特徴とする人工骨。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン合金および前記チタン合金が使用された人工骨に関し、特に、低ヤング率で高強度のチタン合金および人工骨に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン合金は、生体適合性がよい（生体に使用しても拒絶反応等がでにくい）ことが知られており、従来から生体材料として使用されてきた。特に、骨折の部位の治療等において、インプラント材としてチタン合金を使用する場合には、骨の特性（弾性率や強度）に近い材料を使用することが好ましい。骨の弾性率（ヤング率）は、１０〜４０［ＧＰａ］程度であるため、ヤング率が５０［ＧＰａ］以下の合金が望まれている。
【０００３】
ヤング率が純チタンよりも低くしたチタン合金について、下記の特許文献１〜１０に記載の技術が公知である。
特許文献１としての特許第５１４３７０４号公報には、１３〜２８ａｔｏｍ％（ａｔ％）のＮｂと０．１〜１０ａｔ％のＳｎとを含有し、さらに、Ｖ，Ｗ，ＺｒおよびＡｌのうちのいずれか１種を０．１〜５ａｔ％含有するＴｉ−Ｎｂ−Ｓｎ系合金が記載されている。特許文献１のＴｉ−Ｎｂ−Ｓｎ合金は、共振法で測定されたヤング率が、５４．２ＧＰａ以上となっている。
【０００４】
特許文献２としての特許第５００５８８９号公報には、Ｔｉ−（２５ｗｔ％−４０ｗｔ％）Ｎｂ−（０−１０ｗｔ％）Ｓｎ合金や、Ｔｉ−（１０ｗｔ％−１６ｗｔ％）Ｖ−（０−８ｗｔ％）Ｓｎ合金が記載されている。特許文献２のＴｉ−Ｎｂ−Ｓｎ系のチタン合金では、共振法で測定されたヤング率が、８９％冷間圧延後は５０［ＧＰａ］未満となっているが、熱処理を行った後は５０［ＧＰａ］を超えている。冷間圧延しただけで、熱処理をしないと、延性に乏しく均一伸びが非常に小さい問題がある。なお、Ｔｉ−Ｖ−Ｓｎ系のチタン合金では、共振法で測定されたヤング率は、５９［ＧＰａ］以上となっている。
【０００５】
特許文献３としての特開２００５−１１３２２７号公報には、１３〜２８ａｔｏｍ％（ａｔ％）のＮｂと０．１〜１０ａｔ％のＳｎとを含有するチタン合金や、１３〜２８ａｔｏｍ％（ａｔ％）のＮｂと０．１〜１０ａｔ％のＳｎとに加え、Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，ＺｒおよびＡｌのうちのいずれか１種または２種以上を０．１〜５ａｔ％含有するＴｉ−Ｎｂ−Ｓｎ系合金が記載されている。特許文献３の各合金は、共振法で測定されたヤング率が、５０．４ＧＰａ以上となっている。
【０００６】
特許文献４としての特許第４１５２０５０号公報には、２５〜５０質量％（ｗｔ％）のＴｉと、２５〜６０質量％のＺｒと、１０〜２０質量％のＮｂと、５〜４０質量％のＴａと、を含有し、Ｚｒ／Ｔａが０．５〜１．５であり、且つ、Ｎｂ／Ｔａが０．１２５〜１．５、引っ張り強度／ヤング率が０．０１６以上、ヤング率が７０ＧＰａ以下のチタン合金が記載されている。特許文献４に記載のチタン合金では、インストロン引張り試験機を使用して測定されたヤング率が５３．０［ＧＰａ］以上となっている。
【０００７】
特許文献５としての特開２０１０−１５０３号公報には、１０．５〜２５質量％（ｗｔ％）のＮｂと、０．１〜８質量％のＳｎと、を含有し、０．１〜８質量％のＭｏと、０．１〜６．４質量％のＣｒと、０．１〜４．７質量％のＭｎと、０．１〜３．２質量％のＦｅと、を少なくとも１種類含有し、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅのモリブデン当量が２〜８、且つ、（Ｎｂの質量％／３．５）＋（モリブデン当量）が９〜１１であるチタン合金が記載されている。特許文献５に記載のチタン合金では、共振法により測定されたヤング率は、６７．１［ＧＰａ］以上となっている。
【０００８】
特許文献６としての特許第３３７５０８３号公報には、３０〜６０質量％（ｗｔ％）のＶａ族元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）と、を含有するチタン合金が記載されている。特許文献６に記載のチタン合金では、インストロン引張り試験機により測定された応力−歪み線図から、平均ヤング率を測定しており、平均ヤング率が４６［ＧＰａ］以上となっている。なお、平均ヤング率に関しては、特許文献４の段落番号「０００６」に記載されているように、一般のヤング率とは異なる指標であり、一般のヤング率に比べて、低い値となる。したがって、特許文献６に記載されたチタン合金における一般のヤング率は、甘めに見積もっても５０［ＧＰａ］以下を実現しているとは考えにくい。
【０００９】
特許文献７としての特開２００４−３５３０３９号公報には、１０〜３５質量％（ｗｔ％）のＺｒと、８〜１４質量％のＣｒと、を含有するチタン合金が記載されている。特許文献７に記載のチタン合金では、共振法により測定されたヤング率は、７２［ＧＰａ］以上となっている。
【００１０】
特許文献８としての特開２００４−１６２１７１号公報には、０．３〜３質量％（ｗｔ％）の酸素、窒素、炭素の１種類以上と、１．８質量％以下のＡｌと、を含有するチタン合金において、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕのモリブデン当量からＡｌの質量％を減算した値が３〜１１質量％であるチタン合金が記載されている。特許文献８に記載のチタン合金では、応力−歪み線図から導出されたヤング率は、５０［ＧＰａ］以上となっている。
【００１１】
特許文献９としての特開２０１０−２１６０１１号公報には、３．５〜７．０質量％（ｗｔ％）のＡｌと、１．４〜３．６質量％のＦｅと、２．０〜１０．０質量％のＭｏと、を含有し、モリブデン当量が６．０〜１４．０質量％であるチタン合金が記載されている。特許文献９に記載のチタン合金では、共振法により測定されたヤング率は、６５［ＧＰａ］以上となっている。
【００１２】
特許文献１０としての特開２００８−１０１２３４号公報には、１２〜３０重量％（ｗｔ％）のＮｂと、１２〜３０重量％のＺｒと、１〜６重量％のＡｌと、１〜８重量％のＣｒと、１〜８重量％のＳｎと、を含有するチタン合金が記載されている。特許文献１０に記載のチタン合金では、引張り試験機を使用してＪＩＳに基づいて測定されたヤング率は、８０［ＧＰａ］以上となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第５１４３７０４号公報（「００２６」）
【特許文献２】特許第５００５８８９号公報（「００３２」〜「００４２」、図２）
【特許文献３】特開２００５−１１３２２７号公報（「００２６」〜「００２７」）
【特許文献４】特許第４１５２０５０号公報（「００４９」、「００５３」）
【特許文献５】特開２０１０−１５０３号公報（「００２８」〜「００３０」）
【特許文献６】特許第３３７５０８３号公報（「０１１４」〜「０１２２」）
【特許文献７】特開２００４−３５３０３９号公報（「００１３」〜「００１５」）
【特許文献８】特開２００４−１６２１７１号公報（「００４５」〜「００５１」）
【特許文献９】特開２０１０−２１６０１１号公報（「００３０」〜「００３２」）
【特許文献１０】特開２００８−１０１２３４号公報（「００３７」、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
（従来技術の問題点）
前述のように、従来のチタン合金では、５０［ＧＰａ］未満のものはほとんど存在せず、骨のヤング率に近い２０〜４０［ＧＰａ］のチタン合金は得られていない。骨のインプラントとして、骨よりもヤング率の高い材料を使用した場合、荷重が骨にかからず、インプラントにかかってしまい、かえって骨が弱くなってしまう問題がある。
また、従来の低ヤング率チタン合金はＺｒ、Ｔａなど高価で重いレアメタルを多く含んでいる。
一方で、一般的に、合金では、ヤング率を低くすると、引っ張り強度も低下する傾向にあり、強度が低下すると、永久歪みが入り易く耐久性に乏しい。
【００１５】
本発明は、低ヤング率で高強度のチタン合金を提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明のチタン合金は、
１ａｔ％以上１５ａｔ％以下のニオブと、
２ａｔ％以上５ａｔ％以下の鉄と、
２ａｔ％以上１２ａｔ％以下のアルミニウムと、
残部のチタンと、
不可避的不純物と、
からなることを特徴とする。
【００１７】
前記技術的課題を解決するために、請求項２に記載の発明の人工骨は、
請求項１に記載のチタン合金により構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１、２に記載の発明によれば、従来の構成に比べて、低ヤング率で高強度のチタン合金を提供することができる。また、鉄とアルミニウムを使用しており、レアメタルを使用する場合に比べて、原材料費を低減できると共に、融点を低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１はアルミニウムの濃度を変化させた場合の合金の特性の変化を評価した結果であり、図１Ａは横軸にアルミニウムの含有量を取り縦軸にヤング率を取ったグラフ、図１Ｂは横軸にアルミニウムの含有量を取り縦軸に最大応力を取ったグラフである。
【図２】図２はアルミニウムの濃度依存性を対比する説明図であり、合金５，１７，１９の応力−歪み曲線のグラフであって、横軸にひずみを取り、縦軸に応力を取ったグラフである。
【図３】図３は鉄の濃度を変化させた場合の合金の特性の変化を評価した結果であり、図３Ａは横軸に鉄の含有量を取り縦軸にヤング率を取ったグラフ、図３Ｂは横軸に鉄の含有量を取り縦軸に最大応力を取ったグラフである。
【図４】図４は鉄の濃度依存性を対比する説明図であり、合金５，１５，２３の応力−歪み曲線のグラフであって、横軸にひずみを取り、縦軸に応力を取ったグラフである。
【図５】図５は既存の合金と実施例の合金との対比説明図であり、横軸にヤング率を取り縦軸に引っ張り強さを取ったグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に実施例を使用して、本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
本発明の実施例である下記表１に示す合金組成の合金１〜合金１３および比較例としての合金１４〜合金２４の試験片を作製して、実験を行った。実験に使用した試験片は、下記の方法（１）〜（３）により作製された。
（１）各金属元素のａｔ％を計測してアーク溶解法により溶融して合金インゴットを作製する。すなわち、合金１（Ｔｉ−１３Ｎｂ−２Ｆｅ−４Ａｌ）は、１３ａｔ％のＮｂと、２ａｔ％のＦｅと、４ａｔ％のＡｌと、残部（８１ａｔ％）のＴｉの合金組成の合金であり、合金２（Ｔｉ−７Ｎｂ−３Ｆｅ−２Ａｌ）は７ａｔ％のＮｂと、３ａｔ％のＦｅと、２ａｔ％のＡｌと、残部（８８ａｔ％）のＴｉの合金組成の合金である。
（２）作成された合金インゴットを冷間圧延機で８０％〜９５％の圧延率で冷間圧延して、板材を作製する。
（３）板材から測定用の試験片を放電加工機により切り出す。ヤング率測定用の試験片は
長さ３０ｍｍ、幅６ｍｍ、厚さ０．２ｍｍである。引張試験の試験片はゲージ長２０ｍｍ、幅１．５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍである。
（４）切り出した試験片に、アルゴン雰囲気で９００℃、３０分の熱処理を施す。
【００２２】
（合金特性の測定試験）
前記作製方法で作製された合金のヤング率は片持ち共振法により、最大強度は引張試験により測定した。冷間圧延機で８０％の圧延が出来ず、試験片が得られなかった場合には、「−」で表記した。
また、９５％冷間圧延が可能な場合は加工性が良好な「○」、９５％冷間圧延が不能であったが９０％冷間圧延が可能な場合は「△」、９０％冷間圧延が不能な場合は「×」と評価した。
結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
前記実験結果から、Ｎｂが１〜１５ａｔ％、Ｆｅが２〜５ａｔ％、Ａｌが２〜１２ａｔ％の四元合金では、ヤング率が５０［ＧＰａ］未満且つ、最大応力が６００［ＭＰａ］以上であると共に、少なくとも９０％冷間加工性が可能な良好な加工性を有することが確認された。特に、合金５〜１０、１３は、ヤング率が３０［ＧＰａ］台を実現しており、人間の骨のヤング率に近く、人工骨の材料として好適に使用可能である。
前記実験結果から、ニオブが添加されない場合、合金２４に示すように、ヤング率や最大応力が測定できず、冷間加工性が非常に悪い問題がある。一方で、ニオブが１６ａｔ％より多い場合、合金１４に示すように、最大応力（強度）が低くなり、ヤング率が５０［ＧＰａ］を超える問題がある。
【００２５】
図１はアルミニウムの濃度を変化させた場合の合金の特性の変化を評価した結果であり、図１Ａは横軸にアルミニウムの含有量を取り縦軸にヤング率を取ったグラフ、図１Ｂは横軸にアルミニウムの含有量を取り縦軸に最大応力を取ったグラフである。
図２はアルミニウムの濃度依存性を対比する説明図であり、合金５，１７，１９の応力−歪み曲線のグラフであって、横軸にひずみを取り、縦軸に応力を取ったグラフである。
図１において、ニオブ（Ｎｂ）、鉄（Ｆｅ）の含有量を固定して、アルミニウム（Ａｌ）の含有量（濃度）を変化させた場合に、どのような特性の変化が起こるか確認をした。具体的には、合金３〜１０、１７〜１９について、ヤング率と最大応力をグラフ状にプロットした。したがって、図１Ａに示すように、さらに、アルミニウムが２ａｔ％未満の場合、合金１７，１８に示すように、ヤング率が高くなりすぎる問題がある。一方で、アルミニウムが、１４ａｔ％以上になると、合金１９（および合金２０）に示すように、ヤング率が再び高くなり且つ加工性も悪化する問題がある。
図２に示すように、応力−歪み曲線の立ち上がりの角度が、ヤング率に相当するが、合金１７，１９は、角度が高い（＝ヤング率が高い）が、合金５では、角度が低く（ヤング率が低く）なっている。
【００２６】
図３は鉄の濃度を変化させた場合の合金の特性の変化を評価した結果であり、図３Ａは横軸に鉄の含有量を取り縦軸にヤング率を取ったグラフ、図３Ｂは横軸に鉄の含有量を取り縦軸に最大応力を取ったグラフである。
図４は鉄の濃度依存性を対比する説明図であり、合金５，１５，２３の応力−歪み曲線のグラフであって、横軸にひずみを取り、縦軸に応力を取ったグラフである。
図３において、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）の含有量を固定して、鉄（Ｆｅ）の含有量（濃度）を変化させた場合に、どのような特性の変化が起こるか確認をした。具体的には、合金２，５，１１，１２，１５，１６，２１〜２３について、ヤング率と最大応力をグラフ状にプロットした。したがって、図３、図４からわかるように、鉄が２ａｔ％未満の場合、合金１１に示すように、最大応力（強度）が低くなる問題がある。一方で、鉄が６ａｔ％以上の場合には、合金２１〜２３に示すように、ヤング率が高くなりすぎる問題がある。
【００２７】
図５は既存の合金と実施例の合金との対比説明図であり、横軸にヤング率を取り縦軸に引っ張り強さを取ったグラフである。
よって、実施例の合金では、１ａｔ％以上５ａｔ％以下のニオブと、２ａｔ％以上５ａｔ％以下の鉄と、２ａｔ％以上１２ａｔ％以下のアルミニウムと、を含有するチタン合金により、特許文献１〜１０に示す合金に比べて、ヤング率が５０［ＧＰａ］未満、且つ、強度が６００［ＭＰａ］以上であると共に、加工性がよい合金を提供することができる。
図５に示すように、一般の鉄系の合金やチタン合金、アルミ合金、マグネシウム合金では、ヤング率が高くなると強度が高くなり、ヤング率が低くなると強度が低くなる傾向がある。これらに対して、合金５に示すように実施例の合金では、５０［ＧＰａ］未満の低ヤング率を実現しつつ、高強度のチタン合金を実現できる。したがって、低ヤング率、高強度で、加工性もよく、生体適合性の高いチタン合金を提供することができる。
【００２８】
また、実施例の合金では、Ｎｂが１５ａｔ％以下であると共に、ＦｅとＡｌという比較的価格の安い元素を使用しているため、ＶやＺｒ、Ｍｏ、Ｗのような、いわゆるレアメタルを使用する従来の合金に比べて、製造コストも低減することができる。
また、一般に、チタン合金では、Ｔｉ−Ｎｉ合金以外のチタン系の合金は、融点が高く、溶かして製造、加工等をするために、大がかりな施設が必要になる問題がある。これに対して、実施例の合金では、ＦｅやＡｌが添加されているため、合金の融点が下がりやすい。したがって、高温にしなくても製造等が可能であり、製造コストも低減することが期待できる。
【００２９】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、高い生体適合性を利用して、人工骨やインプラント、歯列矯正ワイヤ等の手術や治療等で使用される生体・医療部材に好適に利用可能であるが、これに限定されない。例えば、低ヤング率（高柔軟性）、高強度を利用して、眼鏡のフレームやゴルフクラブ、サスペンションやスプリング等の自動車、二輪車用部品、テントのポール等のレジャー用品等にも好適に適用可能である。
【図１】
2015086456.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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