(57)【要約】【課題】Niフリーで、煩雑な加工熱処理プロセスを必要とせず、しかも強度を従来材よりも大幅に向上させたCo−Cr−Mo系合金からなる生体用インプラント材料を提供する。【解決手段】Cr：20〜34質量％およびMo：１〜10質量％を含有するCo−Cr−Mo系合金中に、Ｂを0.05〜0.5質量％の範囲で含有させる。【選択図】図１
2008069394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Cr：20〜34質量％およびMo：１〜10質量％を含有するCo−Cr−Mo系合金中に、Ｂを0.05〜0.5質量％の範囲で含有させることを特徴とする生体用インプラント材料。
【請求項２】
前記Co−Cr−Mo系合金が、さらに
Ｃ：0.2質量％以下、
Fe：10質量％以下および
Ni：0.05質量％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の生体用インプラント材料。
【請求項３】
前記材料の組織が、γ相およびε相を主相とし、σ相の割合を面積率で0.6％以下に抑制したことを特徴とする請求項１または２に記載の生体用インプラント材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工股関節など生体内に埋め込んで使用される用途に供して好適なCo−Cr−Mo系合金からなる生体用インプラント材料に関し、特にその強度の有利な向上を図ろうとするものである。
【背景技術】
【０００２】
生体用インプラント材料は、生体内に埋め込んで使用されることから、耐食性および細胞適合性に優れることが要求される。さらに、人工股関節等のように付加荷重が大きく、かつ摺動性が必要とされる用途では、強度および耐摩耗性に優れることも要求される。
このような要件を満足するものとして、ASTM F-75に規定されるCo−Cr−Mo系鋳造合金や特許文献１に記載されているようなCo−Cr−Mo系合金が知られている。
【特許文献１】特開2004−269994号公報
【０００３】
ところで、近年、かようなインプラント材料では、長寿命化に対する要求が厳しく、これに伴い、Co−Cr−Mo系合金についても一層の高強度化が求められている。
Co−Cr−Mo系合金の高強度化技術としては、鋳造材に対して温間または熱間で加工を施したり、熱処理を加えることによって組織を制御する方法が知られている。
【０００４】
しかしながら、温間や熱間での加工、さらには熱処理などの加工熱処理を施すことは、工程の煩雑化を招くだけでなく、製造コストの面での不利が大きい。
そこで、かような加工熱処理を軽減し、好ましくは鋳造ままで高強度を有するインプラント材料の開発が望まれていた。
【０００５】
また、上記したASTM F-75規格では、その鋳造性を向上させるためにNiが若干含有されているが、最近では、Niアレルギーが懸念されていることから、生体材料に対してNiフリー化が要求されている。
しかしながら、ASTM F-75規格に相当する合金組成において、Niフリー化を行うと、積層欠陥エネルギーが減少するために強度が著しく減少し、さらに室温で多量のマルテンサイト相が導入されることから、延性の著しい低下も引き起こしていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、Niフリーで、煩雑な加工熱処理プロセスを必要とせず、しかも強度を従来材よりも大幅に向上させたCo−Cr−Mo系合金からなる生体用インプラント材料を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく、従来から生体用インプラント材料として認知されているASTM F-75に規定されるCo−Cr−Mo鋳造合金に相当するCo−Cr−Mo系合金について、新たな合金設計を試みた。
その結果、Co−Cr−Mo系合金に、適量のＢを含有させることにより、鋳造組織が微細化されると共に、マルテンサイト量を適正な範囲に抑制することができ、その結果、所期した目的が有利に達成されることの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００８】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．Cr：20〜34質量％およびMo：１〜10質量％を含有するCo−Cr−Mo系合金中に、Ｂを0.05〜0.5質量％の範囲で含有させることを特徴とする生体用インプラント材料。
【０００９】
２．前記Co−Cr−Mo系合金が、さらに
Ｃ：0.2質量％以下、
Fe：10質量％以下および
Ni：0.05質量％以下
のうちから選んだ１種または２種以上を含有することを特徴とする上記１に記載の生体用インプラント材料。
【００１０】
３．前記材料の組織が、γ相およびε相を主相とし、σ相の割合を面積率で0.6％以下に抑制したことを特徴とする上記１または２に記載の生体用インプラント材料。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、耐食性や細胞適合性に優れるのはいうまでもなく、高い強度および良好な耐摩耗性を有するCo−Cr−Mo系合金を得ることができる。
その結果、生体に対して安全で使用寿命の長い生体用インプラント材料を提供することができ、特に人工股関節や人工膝関節などの医療用デバイスに適用して偉効を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明では、Co−Cr−Mo３元合金を基本組成とする。
ここに、この３元合金における各元素の適正含有量は次のとおりである。
Cr：20〜34質量％
Crは、耐食性を確保する上で必須の元素であるが、含有量が20質量％に満たないと十分な耐食性が得られず、一方34質量％を超えると脆化するので、Cr量は20〜34質量％の範囲に限定した。なお、磁化率を低減してＭＲＩ画像診断の際におけるひずみ（アーチファクト）の発生を抑制するためには、Cr量は30質量％以上とすることが好ましい。
【００１３】
Mo：１〜10質量％
Moは、耐食性および耐摩耗性の向上に有効に寄与するが、含有量が１質量％に満たないとその添加効果に乏しく、一方10質量％を超えると加工性の劣化を招くので、Mo量は１〜10質量％の範囲に限定した。
【００１４】
さて、本発明では、上記の組成になるCo−Cr−Mo３元合金に対して、0.05〜0.5質量％の範囲でＢを含有させて、強度および延性の向上を図る。
ここに、Ｂ量が0.05質量％未満では、十分な強度および延性の改善効果が得られず、一方0.5質量％を超えるとむしろ延性の劣化を招き、生体用インプラント材料として支障をきたすので、Ｂは0.05〜0.5質量％の範囲で含有させるものとした。
【００１５】
図１に、Co−29Cr−６Mo（Cr：29質量％、Mo：６質量％、Co：bal）合金に、種々の割合でＢを添加し、溶解鋳造して得た各種合金の応力−歪線図について調べた結果を、縦軸に降伏応力（MPa）、横軸に歪率（％）をもって示す。
同図に示したとおり、Ｂを0.05質量％以上含有させることによって、引張強度が大幅に向上することが分かる。
【００１６】
本発明に従い、Co−Cr−Mo３元合金に適量のＢを含有させることによって、強度および延性が向上する理由は、次のとおりと考えられる。
Ｂを含有しないCo−29Cr−６Mo合金とＢを0.5質量％含有させたCo−29Cr−６Mo−0.5Ｂ合金の鋳造組織について調査したところ、Co−29Cr−６Mo合金では粗大なデンドライトが形成されていたのに対し、Co−29Cr−６Mo−0.5Ｂ合金ではデンドライト界面に析出物が形成されることによって、デンドライトが微細化していた。
また、合金組織について調査したところ、Co−29Cr−6Mo合金では、ε相が優勢な（γ ＋ε）組織であり、かつσ相が分散していたのに対し、Co−29Cr−6Mo−0.1Ｂ合金のそれはγ相の割合が増加していた。
従って、Ｂ添加による強度および延性の改善効果は、組織の微細化およびσ相の低減を介して達成されたものと考えられる。
【００１７】
また、上記の処理により、σ相を面積率で0.6％以下に低減することによって本発明の効果を奏することができる。
なお、本合金において、上記したσ相以外は、γ相とε相であり、これらの相比率については特に制限されることはないが、γ相：50〜90体積％、ε相：10〜50体積％程度とすることが好適である。
【００１８】
以上、本発明における必須成分について説明したが、本発明では、上記した元素の他に、必要に応じて以下に示す元素を適宜含有させることができる。
Ｃ：0.2質量％以下
Ｃは、降伏強度と伸びを向上させる上で有用な元素であるが、含有量が0.2質量％を超えると伸びの低下が生じるので、Ｃは0.2質量％以下で含有させることが好ましい。
【００１９】
Fe：10質量％以下
Feは、降伏強度と伸びを向上させる上で有用な元素であるが、含有量が10質量％を超えるとσ相が増加して延性が低下する等の不利が生じるので、Feは10質量％以下で含有させることが好ましい。
【００２０】
Ni：0.05質量％以下
本発明は、生体用インプラントに用いるCo−Cr−Mo系合金であることから、Niについては、不可避的に混入する場合があるが、0.05質量％以下であれば問題はない。
【００２１】
次に、本発明合金の好適製造条件について説明する。
本発明の合金を製造するには、1500〜1600℃に加熱した後、急冷することが重要である。ここに、加熱温度が1500℃（下限値）に満たないと均一に溶解されない。一方、1600℃（上限値）を超えると合金元素が蒸発するなどして組成が変化するという問題が生じる。
【実施例】
【００２２】
実施例１
Co−29Cr−６Moを基本組成とするCo−Cr−Mo合金中に、表１に示す種々の割合でＢを添加したCo−Cr−Mo−Ｂ合金を、1500℃に加熱後、急冷して、生体用インプラント材料を製造した。
かくして得られたインプラント材料の機械的性質（0.2％耐力、最大引張応力、塑性伸び）について調べた結果を表１に併記する。
【００２３】
なお、機械的性質は次のようにして調査した。
すなわち、各合金材料から板状の引張試験片（厚さ：1.0 mm，ゲージ長さ：14 mm）を切り出し、ひずみ速度：6.0×10-4 s-1にて引張試験を行い、機械的性質（0.2％耐力、最大引張応力、塑性伸び）を求めた。
【００２４】
【表１】
2008069394.tif 000003
【００２５】
同表に示したとおり、Ｂを0.05質量％以上含有させることによって、0.2％耐力および最大引張応力は格段に向上する。また、塑性伸びも、Ｂを0.05質量％以上含有させることによって大幅に向上するが、Ｂ含有量が0.5質量％を超えると、伸びは劣化する傾向が見られた。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】Co−Cr−Mo系合金の引張特性に及ぼすＢの添加効果を示す応力−歪線図である。
【図１】
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