(57)【要約】【課題】生体適合性をもち、ヤング率が１００ＧＰａ以下と低いチタン合金において、製造が容易であり、かつ、その製品は比較的廉価に製作することができるベータ型チタン合金を提供する。【解決手段】高融点で高価なＴａを使用せず、Ｎｂの使用量をも低減した合金組成を採用する。具体的には、質量％で、Ｎｂ：１０〜２５％、Ｃｒ：１〜１０％、ならびに、Ｚｒ：１０％以下およびＳｎ：８％以下の１種または２種を、Ｚｒ＋Ｓｎ：１０％以下であるように含有し、残部がＴｉおよび不可避な不純物からなる合金組成を有する合金。この合金は、さらに、Ａｌ：６％以下およびＦｅ：５％以下の１種または２種を含有することができる。合金原料の一部として、Ｎｂ−Ｃｒ合金、Ｎｂ−Ｆｅ合金およびＮｂ−Ａｌ合金の１種または２種以上を使用することにより、溶解温度を低くすることができる。加工手段として、溶製−冷間加工、溶製−溶体化処理−冷間加工、溶製−冷間加工−時効処理もしくは溶製−溶体化処理−冷間加工−時効処理、または鋳造を選択することができる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｎｂ：１０〜２５％、Ｃｒ：１〜１０％、ならびに、Ｚｒ：１０％以下およびＳｎ：８％以下の１種または２種を、Ｚｒ＋Ｓｎ：１０％以下であるように含有し、残部がＴｉおよび不可避な不純物からなる合金組成を有し、ヤング率が１００ＧＰａ以下であることを特徴とするベータ型チタン合金。
【請求項２】
質量％で、Ｎｂ：１０〜２５％、Ｃｒ：１〜１０％、ならびに、Ｚｒ：１０％以下およびＳｎ：８％以下の１種または２種を、Ｚｒ＋Ｓｎ：１０％以下であるように含有し、かつ、Ａｌ：６％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避な不純物からなる合金組成を有し、ヤング率が１００ＧＰａ以下であることを特徴とするベータ型チタン合金。
【請求項３】
質量％で、Ｎｂ：１０〜２５％、Ｃｒ：１〜１０％、ならびに、Ｚｒ：１０％以下およびＳｎ：８％以下の１種または２種を、Ｚｒ＋Ｓｎ：１０％以下であるように含有し、かつ、Ｆｅ：５％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避な不純物からなる合金組成を有し、ヤング率が１００ＧＰａ以下であることを特徴とするベータ型チタン合金。
【請求項４】
質量％で、Ｎｂ：１０〜２５％、Ｃｒ：１〜１０％、ならびに、Ｚｒ：１０％以下およびＳｎ：８％以下の１種または２種を、Ｚｒ＋Ｓｎ：１０％以下であるように含有し、かつ、Ａｌ：６％以下およびＦｅ：５％以下を含有し、残部がＴｉおよび不可避な不純物からなる合金組成を有し、ヤング率が１００ＧＰａ以下であることを特徴とするベータ型チタン合金。
【請求項５】
合金原料の一部として、Ｎｂ−Ｃｒ合金、Ｎｂ−Ｆｅ合金およびＮｂ−Ａｌ合金の１種または２種以上を使用して溶製することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかのベータ型チタン合金の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれかに記載のベータ型チタン合金を、下記のいずれかの工程により加工して得たベータ型チタン合金製品：
・溶製−冷間加工
・溶製−溶体化処理−冷間加工
・溶製−冷間加工−時効処理
・溶製−溶体化処理−冷間加工−時効処理
【請求項７】
請求項１ないし４のいずれかに記載のベータ型チタン合金を鋳造してなるベータ型チタン合金製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体適合性があり、ヤング率が低いベータ型チタン合金と、それを材料とする製品に関する。本発明のチタン合金は、製造が容易であって、その製品は比較的廉価に製作することができる。
【背景技術】
【０００２】
めがねのフレームや歯列矯正材、さらに人工骨などの生体置換材料として、生体適合性をもち、軽量なチタン合金が使用されている。生体置換材料は、弾性率（ヤング率）が、骨のそれ（おおよそ３０ＧＰａ）に近い、低い値であることが望ましい。
【０００３】
出願人は、人工骨材などの材料として、耐食性が高く、生体適合性を有するチタン合金を提案した（特許文献１）。これは「ＴＮＴＺ合金」の名で知られており、代表的な合金組成はＴｉ−２９Ｎｂ−１３Ｔａ−４．６Ｚｒである。ただしこのチタン合金は、高価な材料であるＮｂおよびＴａを多量に含有するため、合金としても高価であることを免れないうえ、ＮｂもＴａも高融点（融点はそれぞれ、Ｎｂ：２４６８℃、Ｔａ：２９９６℃）であるため、合金の溶製が容易でないという弱点がある。
【０００４】
続いて出願人は、「硬質組織代替材」として、２０〜６０重量％のＴａと、０．１〜１０重量％のＺｒとを含み、残部がＴｉと不可避的不純物からなる組成のＴｉ合金を提案した（特許文献２）。この材料は、生体適合性に加えて、低いヤング率を示し、人工関節などの材料として好適なものであるが、高価な材料であるＴａを多量に含有するために、合金としても高価であるし、Ｔａが上述のように高融点であるため、合金の溶製が容易でないという点では、上記のＴＮＴＺ合金と同じ問題がある。
【０００５】
さらに出願人は、「生体用Ｔｉ合金およびその製造方法」に関する発明を開示した（特許文献３）。このＴｉ合金は、重量％で、Ｎｂ：２５〜３５％、Ｔａを、Ｎｂ＋０．８Ｔａが３６〜４５％となる量、Ｚｒ：３〜６％、Ｏ，ＮおよびＣを、Ｏ＋１．６Ｎ＋０．９Ｃが０．４０％以下となる量含有し、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなる合金組成を有する。毒性・アレルギー性に問題のある成分を含まず、ヤング率が８０ＧＰａ以下というのが、このＴｉ合金のメリットであるが、Ｔａを高い割合で含有するということが引き起こす問題は、上記の硬質組織代替材と同様である。
【０００６】
最近、やはり生体適合性をもちながら、融点が低く加工が容易な「チタン合金」が開示された（特許文献４）。これは、質量比で、Ｎｂ：２５〜３５％、Ｚｒ：５〜２０％を含有し、さらにＣｒ，Ｆｅ，Ｓｉから選択される少なくとも１種を０．５％以上含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなる、ベータ型のチタン合金であって、高融点のＴａの使用を避けるとともに、低融点化元素を添加した合金組成を選択している。しかし、なお多量のＮｂを含有する。
【０００７】
加えて、従来のチタン合金の製造は、原料として純金属を使用しており、合金成分の中には前述のように高融点のものも少なくないから、溶製には困難が伴い、コスト高となることを免れなかった。
【特許文献１】特開平１０−２１９３７５
【特許文献２】特開２０００−１０２６０２
【特許文献３】特開２００２−１８０１６８
【特許文献４】特開２００５−２９８４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、生体適合性をもち、ヤング率が低いチタン合金において、高融点で高価なＴａを使用することなく、かつ、Ｎｂの使用量をも低減して、製造が容易であって、その製品は比較的廉価に製作することができるベータ型チタン合金を提供することにある。そのチタン合金を製造する有利な方法を提供すること、およびこの合金から最終製品を製造する有利な方法を提供することもまた、本発明の目的に含まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のベータ型チタン合金は、質量％で、Ｎｂ：１０〜２５％、Ｃｒ：１〜１０％、ならびに、Ｚｒ：１０％以下およびＳｎ：８％以下の１種または２種を、Ｚｒ＋Ｓｎ：１０％以下であるように含有し、残部がＴｉおよび不可避な不純物からなる合金組成を有し、ヤング率が１００ＧＰａ以下であることを特徴とするベータ型チタン合金である。
【００１０】
本発明のベータ型チタン合金を製造する方法は、合金原料の一部として、Ｎｂ−Ｃｒ合金、Ｎｂ−Ｆｅ合金およびＮｂ−Ａｌ合金の１種または２種以上を使用してチタン合金を溶製することを特徴とする。
【００１１】
本発明のベータ型チタン合金の製品を製造するひとつの方法は、上記のベータ型チタン合金を、下記のいずれかの工程により加工して、ベータ型チタン合金製品を得ることからなる：
・溶製−冷間加工
・溶製−溶体化処理−冷間加工
・溶製−冷間加工−時効処理
・溶製−溶体化処理−冷間加工−時効処理
いまひとつの方法は、上記のベータ型チタン合金を鋳造して製品形状とすることである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のベータ型チタン合金は、高価で、かつ高融点のＴａを含有せず、かつ、Ｎｂの含有量も１０〜２５％と、在来のチタン合金より低いため、材料費が安くすむ上、溶製が容易であるから、この面からもコストが抑えられる。ヤング率が１００ＧＰａ以下、好適な実施態様では６０ＧＰａ台であって、人工骨などの用途に適する。
【００１３】
本発明のベータ型チタン合金を製造する方法は、合金原料の一部として、Ｎｂ−Ｃｒ合金、Ｎｂ−Ｆｅ合金およびＮｂ−Ａｌ合金の１種または２種以上を使用するものであって、これらの合金がそれを構成する純金属よりも低い融点を示すことを利用して、容易にチタン合金を溶製することができる。
【００１４】
本発明のベータ型チタン合金の製品を製造する第一の方法は、本発明のベータ型チタン合金を材料として使用し、冷間加工、または溶体化処理−冷間加工による製品形状の形成という手順を踏むことによって、製品に高い強度と低いヤング率とを与えることができる。さらに時効処理を施すことにより、高い強度を得ることができる。
【００１５】
本発明によるベータ型チタン合金製品は、生体適合性の良さと低いヤング率とにより、人工歯根、人工膝関節、骨折固定用プレート・スクリュー、骨折手術用ボルトなどの生体置換部品として有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のベータ型チタン合金は、上記した必須合金元素に対して、任意添加元素として、下記のいずれかを含有する合金組成をとることができる。
・６％以下のＡｌ
・５％以下のＦｅ
・６％以下のＡｌおよび５％以下のＦｅ
【００１７】
本発明のベータ型チタン合金を構成する各成分の作用と、その組成範囲を上記のように限定した理由は、つぎのとおりである。
【００１８】
Ｎｂ：１０〜２５％
Ｎｂは、細胞毒性がないと考えられている全率固溶型のβ相安定元素であって、マトリクスを低ヤング率で冷間加工性の高いβ相にする働きがある。この効果を確実に得るためには、Ｎｂを１０％以上添加する必要がある。一方、多量のＮｂの存在は、製造性を低くするから、２５％以下の添加に止める。
【００１９】
Ｃｒ：１〜１０％
Ｃｒもまたβ相安定化元素であり、ヤング率を低下させる働きがある。この効果は１％の添加から認められ、３％以上の添加により顕著になる。しかし、８％を超えると効果が飽和し始め、１０％を超えると明確に飽和するので、１０％を上限とした。
【００２０】
Ｚｒ：１０％以下およびＳｎ：８％以下の１種または２種
ＺｒもＳｎも、α相とβ相の両方を安定化する元素であって、時効処理の過程で析出するα相を強化する。この効果は、どちらも１％程度の添加でも認められるが、顕著になるのは３％またはそれ以上を添加したときである。しかし、５〜６％を超えると添加効果が飽和しはじめるので、Ｚｒは１０％、Ｓｎは８％を上限として設けた。
【００２１】
本発明のベータ型チタン合金の合金組成に関する変更態様は、それぞれ、下記の意義を有する。
・６％以下のＡｌの添加：
Ａｌはα相を安定化する元素であり、時効処理の過程で析出するα相を強化する。この効果は、１％程度の添加ですでに顕著に認められる。しかし、４％を超えると飽和し始め、６％を超えると明らかに飽和するので、６％を添加量の上限とした。また、４％を超えると、弾性率が増大するという不都合もある。
・５％以下のＦｅの添加：
Ｆｅはβ相安定化元素であり、ＮｂやＣｒと同等の添加効果を有する。また、安価な材料であるため、これを使用することにより、コストを抑えることができる。しかし、多量のＦｅの添加は硬さと弾性率を増大させるため、５％以下、望ましくは２％以下の添加に止める。
【００２２】
本発明のチタン合金の製造方法で溶解原料として使用するＮｂ−Ｃｒ合金、Ｎｂ−Ｆｅ合金およびＮｂ−Ａｌ合金は、いずれもこれら合金単独よりも融点が低く（おおよその融点は、それぞれ、Ｎｂ−Ｃｒ合金が１７００〜１８００℃、Ｎｂ−Ｆｅ合金が１５００〜１６００℃、Ｎｂ−Ａｌ合金が１５５０〜１６５０℃）、したがって、チタン合金の溶製が容易にできる。
【００２３】
本発明のベータ型チタン合金の製品の製造方法において行なう溶体化処理、冷間加工および時効処理は、既知の技術に従って実施することができる。
【実施例１】
【００２４】
スポンジチタンその他の原料を表１の割合で配合し（質量％、残部Ｔｉ）、ボタンアーク炉を用いて溶解し、重量１５０ｇ、長さ７０mm×幅２５mm×高さ２５mmのチタン合金のボタンインゴットを製造した。このインゴットを１０５０℃に加熱し、熱間鍛造によって、長さ８５mm×幅６０mm×厚さ４mmの板材とした。ついで、８５０℃に１時間保持したのち水冷する固溶化処理を施して、試験材とした。
【００２５】
上記の試験材から、機械加工によって、ＪＩＳ Ｚ ２２０１に準拠した引張試験片（ＪＩＳ１４Ｂ号）を製作した。インストロン型引張試験機を用いて、クロスヘッド速度５×１０−５ｍ／ｓで引張り強さを測定した。別に、上記の試験材からＪＩＳ Ｚ ２２８０に準拠した弾性率試験片を製作し、自由共振振動法によってヤング率を測定した。測定結果を、表１にあわせて示す。
【００２６】
表１  質量％  残部Ｔｉ
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【００２７】
本発明の実施例１〜２８のチタン合金は、生体適合性を高く保った合金組成でありながら、弾性率が１００ＧＰａ以下、好ましい例にあっては７０ＧＰａを下回る値を示すので、生体置換材料として好適である。
【実施例２】
【００２８】
溶解原料として、表２に示す組成（質量割合）のＮｂ−Ｃｒ合金、Ｎｂ−Ｆｅ合金およびＮｂ−Ａｌ合金の１種ないし３種を、純Ｔｉ（スポンジチタン）とともに使用し、表３に掲げる組成のチタン合金を溶製した。原料合金の概略の融点を表２に示し、合金溶製時の炉（ボタンアーク炉の）のおおよその温度を表３に示す。
【００２９】
表  ２  
2008196044.tif 000003
表  ３
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【００３０】
原料として純金属を組み合わせると、溶解までには約２５００℃まで加熱しなければならないが、合金を使用することにより、加熱温度を１８００℃に抑えることができるので、チタン合金の製造が容易になることが、表３からわかる。
【手続補正書】
【提出日】平成19年4月10日(2007.4.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
表  ２  
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表  ３
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