(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導加熱コイルにより金属をるつぼから浮揚させて溶解する浮揚溶解法を用い、チタンとこれよりも高融点・大比重の添加金属とを一括溶解して生体用チタン合金を製造する方法において、
前記添加金属をワイヤ状に形成してるつぼ内にセットすることを特徴とする生体用合金の製造方法。
【請求項２】
誘導加熱コイルにより金属をるつぼから浮揚させて溶解する浮揚溶解法を用い、チタンとこれよりも高融点・大比重の添加金属とを一括溶解して生体用チタン合金を製造する方法において、
前記添加金属を薄板状に形成してるつぼ内にセットすることを特徴とする生体用合金の製造方法。
【請求項３】
前記添加金属を前記るつぼ内の外周側に配置し、その内側に前記チタンを挿入することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の生体用チタン合金の製造方法。
【請求項４】
誘導加熱コイルにより金属をるつぼから浮揚させて溶解する浮揚溶解法を用い、チタンとこれよりも高融点・大比重の添加金属とを一括溶解して生体用チタン合金を製造する方法において、
前記添加金属をシート状に形成し、この添加金属のシートにより前記チタンを包んで前記るつぼ内にセットすることを特徴とする生体用合金の製造方法。
【請求項５】
前記添加金属を流れる誘導電流の浸透深さδに対して、前記添加金属のワイヤ径又は板厚若しくはシート厚をδ×（1.5〜３）とすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の生体用チタン合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、生体用チタン合金の製造方法に関し、特に浮揚溶解法を用いた生体用チタン合金の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体用金属材料に要求される基本的性質は３つある。すなわち、▲１▼耐食性に優れていること、▲２▼生体に対して無毒無害、つまり生体親和性がよいこと、▲３▼機械的性質に優れていることである。これら３つの条件を満たす生体用金属材料としてチタン（Ti）あるいはチタン合金があり、利用価値はきわめて高い。現在、生体用チタン合金としては、Ti-6Al-4VやTi-7Nb-6Al合金などが使用されているが、AlやVは生体に対して有害であるという報告がなされている。図７は各種金属の生体適合性と毒性についての報告の一例を示すものである。図７によれば、Ti,Ta,Nb,Pt,Zrなどが生体に対して適合性を示すことが分かる。また、機械的特性の面からは、β型チタン合金がより骨に近い弾性率を示すことで注目され、これまでTi-13Nb-13Zr,Ti１１Mo-6Zr−２Fe,Ti-15Mo,Ti-16Nb-10Hf,Ti-15Mo-5Zr-3Al,Ti-15Mo-3Nb,Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr,Ti-29Nb-13Ta4.6Zr,Ti-40Ta,Ti-50Taなどが開発されている。これらから、β型合金とするためには、合金元素としてTa,Nb,Moなどが有効であることが分かる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、Ta,Nb,Moなどの合金元素は、Tiと比べると融点が高く、また比重が大きい金属である。ちなみに、Tiの融点は1680℃,比重は4.5ｇ/cm2であるのに対し、例えばNbは同2560℃,8.37ｇ/cm2、またTaは同2990℃,16.6ｇ/cm2である。融点が高くかつ差がある金属同士や比重に大きな差がある金属同士を母材から一括溶解して成分の均一な合金を得ることは通常の加熱炉では困難で、るつぼが高温に耐えられなかったり、先に溶解した低融点金属の溶湯内で高融点金属が沈下したりする。また、Tiは活性が大きいことから、るつぼとの反応も問題になる。そのため、上に示したβ型合金のほとんどは、粉末燒結により合金化されている。しかしながら、粉末燒結の型形状や精度には限度があり、精密な生体部品、例えば人工歯根などを形成しようとすると多くの加工プロセスを経なければならず、コストが高いという問題があった。
【０００４】
従って、母材からの一括溶解によって均一な組織のチタン合金を得ることができれば、製造プロセスの簡略化とコストダウンが図れることになる。
そこで、この発明の課題は、チタンとこれよりも高融点・大比重の添加金属の母材とを一括溶解して、１回の溶解で成分の均一なチタン合金を製造することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明は、まず溶解法として以下の特長を有する浮揚溶解法を用いる。図８は浮揚溶解装置の構造例を示す断面図である。図８の浮揚溶解装置において、るつぼ１は銅製で円錐底付きの円筒形状に形成され、縦方向のスリット２により多数のセグメント３に分断されている。るつぼ１の外側には誘導加熱コイルが上コイル４と下コイル５とに分けて巻かれ、それぞれ高周波電源６及び７に接続されている。各セグメント３には上下に貫通する冷却水路が設けられ、図示太線矢印の向きに冷却水が通水される。このような浮揚溶解装置において、るつぼ１内に原料金属を入れ、コイル４,５に高周波電流を流すと磁束が発生し、この磁束がるつぼ１及び原料金属と鎖交すると、それぞれに渦電流が流れ、原料金属はジュール熱により溶解して溶湯８を生じる。その際、るつぼ１と溶湯８の対向表面を流れる渦電流９と１０とは互いに逆向きであるため、溶湯８はローレンツ力によりるつぼ１の壁面から離れて、白抜き矢印で示すように浮揚する。溶解完了後の溶湯８は、コイル電流の調整により電磁反発力が制御され、るつぼ１の底穴１１から連続的に出湯される。
【０００６】
このような浮揚溶解装置は、高融点で高純度、かつ比重の異なる金属からなる合金の溶解による製造装置として優れている。すなわち、▲１▼るつぼと非接触で溶解するため、高融点金属の溶解が可能である。▲２▼るつぼからの汚染がないため、高純度合金の製造が可能である。▲３▼電磁力による強力な攪拌で均質な合金が得られる。▲４▼真空雰囲気で溶解を行えば、雰囲気から溶湯への汚染も防げるため、活性金属の溶解も可能である。
【０００７】
浮揚溶解法は上記の特長を有しているが、この発明は更に溶解に工夫を講じ、より均質な合金が得られるようにするものである。そのために、この発明は、高融点・大比重の添加金属をワイヤ状に形成してるつぼ内にセットするものである（請求項１）。ワイヤ状の金属材は適宜に巻回し、あるいは屈曲させることにより、るつぼ内に浮かせた状態でセットすることができ、このようにセットした高融点・大比重の添加金属は、低融点のTiが溶け落ちた後も引き続き空間位置に留まり、その状態から徐々にTi溶湯中に溶け込む。その結果、添加金属を粒状にしてセットした従来のように、Tiの溶湯中に未溶解の添加金属が沈降して遍在することがなく、強力な電磁攪拌力とあいまって、融点差、比重差の大きい場合にも均質な合金組織が得られる。
【０００８】
また、この発明は同様のねらいから、高融点・大比重の添加金属を薄板状に形成してるつぼ内にセットするものである（請求項２）。薄板状の金属材はるつぼの内壁面に沿って立て掛けるように積み上げることにより、やはりるつぼ内に浮かせた状態でセットすることができ、このようにセットした高融点・大比重の添加金属は、低融点のTiが溶け落ちた後も引き続き空間位置に留まり、その状態から徐々にTi溶湯中に溶け込む。
【０００９】
請求項１又は請求項２において、添加金属はるつぼ内の外周側に配置し、その内側にチタンを挿入するのがよい（請求項３）。これにより、添加金属を誘導加熱コイルに近い位置に置くことになり、チタンよりも先に高融点の添加金属が加熱される。融点の低いチタンをコイル近くに置くと、チタンが溶解した後、高融点の添加金属の融点までTi溶湯を過熱しなければならず加熱効率が悪くなる。従って、高融点の添加金属はるつぼ内の外周側に位置させ、チタンが溶解した時点で添加金属をできるだけ高温に加熱しておくものとする。
【００１０】
更に、この発明は、別の手段として、前記添加金属をシート状に形成し、この添加金属のシートにより前記チタンを包んで前記るつぼ内にセットするものである（請求項４）。チタンを添加金属シートで包んでるつぼ内にセットすることにより、チタンを外側から完全にくるみ、高融点の添加金属をチタンよりも一層優先的に加熱することができる。また、粉状や粒状のチタンでも、添加金属シートで包むことにより、溶解初期にチタン粉粒がるつぼ底に落下して未溶解になるのを防ぐことができる。
【００１１】
ところで、金属の溶解においては、基本的には材料形状が小さく、表面積の広いものの方が早く簡単に溶解する。しかし、この発明で用いる浮揚溶解法においては、交番磁界により誘導加熱を行うため、材料形状が誘導電流の浸透深さδcmより小さいと加熱効率が低下する。ここで、浸透深さδcmは、δ＝5.03√（ρ/μｆ）（ただし、ρ：金属の固有抵抗μΩ・cm,μ：比透磁率, f:周波数Hz）の式で求められるものである。そこで、表面積は広く取りつつ加熱効率を下げないように、ワイヤ状の添加金属の径dや薄板状若しくはシート状の添加金属の厚さtは、浸透深さδよりも大きくする。ただし、添加金属の溶解は、その径dや厚さtの大きさに比例して困難になる。発明者らは実験の結果、添加金属の径d及び厚さtは浸透深さδの1.5倍〜3倍にとれば最も加熱効率がよいことを突き止めた（請求項５）。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の実施の形態を示す浮揚溶解装置のるつぼ断面図である。この実施の形態は、Ti１１を円柱状にし、添加金属としてのTa１２をワイヤ状としたもので、実験ではTi１１は直径５mm×長さ20mmのものを用い、Ta１２は直径２mmのものを用いた。合金の配合比はTi-15wt％Taとし、100g容量の水冷銅るつぼ内の外周側にTa１２が位置するように、らせん状に巻いたTa１２をるつぼ１の内壁に沿わせて図示の通りセットし、その内側にTi１１を適宜に挿入した。溶解条件は、2.6×103Paまで真空引きした後、7.4×104 Paまでアルゴンを注入した雰囲気で、コイル周波数50kHz、電力50kWで溶解するものとした。通電開始後、約30秒でTi１１が溶解したが、らせん状のTa１２は未だ原形を保ち、その後、約20秒でTi溶湯中に溶け込んだ。この溶湯を引き続き30〜40kWの電力で約５分間攪拌保持した後、るつぼ内で自然冷却してインゴットとした。
【００１３】
図５は上記溶解で得られたインゴット１３の側面図、図６はこのインゴット１３を分析線VI−VI線（図５）に沿って切断し、その断面をＥＰＭＡで定量分析して、合金組織のTi及びTaの偏析の有無を検討した結果を示す線図である。図６によれば、Ti及びTaはいずれもインゴットの上部から下部まで均一に分布していることが分かる。
【００１４】
図２は、Ti１１を円柱状にし、添加金属としてのTa１２を薄板状にした実施の形態を示すもので、Ti１１は図１の実験と同じ直径５mm×長さ20mmのものを用い、Ta１２は厚さ１mm×縦20mm×横10mmの長方形のものを用いた。合金の配合比及び溶解条件は、図１の実験と同じとした。Ta１２はるつぼ内の外周側に位置するように、るつぼ１の内壁面に立て掛けるようにして積み上げ、その内側にTi１１を挿入して溶解した。この場合も、Ta１２はTi１１が溶解した時点で原位置を保ち、その後、Ti溶湯中に溶け込んで、図１の場合とほぼ同様の均質な合金が得られた。
【００１５】
図３は、Ti１１を円盤状にし、添加金属としてのTa１２をワイヤ状にした実施の形態を示すもので、Ti１１は直径50mm×厚さ10mmのものを用い、Ta１２は図１の実験と同じ直径２mmのものを用いた。合金の配合比及び溶解条件は図１の実験と同じとした。Ta１２を図示の通りTi１１の外側に絡ませるように巻き付けたものをるつぼ内にセットし、Ta１２がるつぼ１の外周側に位置するようにして溶解した。この場合もやはり同様の溶解過程を経て、均質な合金組織が得られた。
【００１６】
上記各実施の形態に示す通り、ワイヤ状（図１,図３）あるいは薄板状（図２）のTaは表面積が大きく溶解が容易であるとともに、ワイヤ状Taはらせん状などに巻回することにより、また薄板状Taはるつぼ内壁面に立て掛けることにより、るつぼ内に浮かせた状態でセットすることが可能である。このようにセットしたTaは、低融点のTiが溶け落ちた後も引き続きセット時の空間位置に留まり、その状態から徐々にTi溶湯中に溶け込む。そのため、TaはTi溶湯内に偏ることなく分布し、電磁力による攪拌作用を受けて均質な合金組織を形成する。更に、ワイヤ状のTaはTiの外側で巻回し、また薄板状のTaはTiの外側でるつぼ内壁面に立て掛けることにより、TaはTiよりも誘導加熱コイル６,７の近くに位置してTiよりも先に加熱される。その結果、Taの溶解過程でのTiの過熱が緩和され加熱効率が向上する。
【００１７】
図示実施の形態において、ワイヤはらせん状に、あるいはTi円盤の外側に絡ませて巻回する例を示したが、添加金属をるつぼ内に浮かせてセットするためのワイヤ形態は、例えば不定形に屈曲させるなども可能で自由である。また、薄板状の添加金属は長方形の例を示したが、形状はこれに限定されるものではなく、例えば不定形の板片にするなど任意である。なお、実験では合金はインゴットにしたが、生体部品の実際の製作においては、るつぼからの出湯による連続鋳造が可能である。
【００１８】
図４は、Ti１１を円柱状にし、添加金属としてのNb１２をシート状として、シート１２でTi１１で包んでるつぼ１内にセットした実施の形態を示すものである。Ti１１は図１の実験と同じ直径５mm×長さ20mmのものを用い、Nb１２のシートは厚さ１mm×縦70mm×横70mmの正方形のものを用いた。合金の配合比はTi-50wt％Nbとし、溶解条件は、図１の実験と同じとした。通電開始後、Ti１１は約25秒程度で溶解したと推測され、Nb１２は約30秒で溶解した。この実験でも、図１の場合とほぼ同様の均質な合金が得られた。
【００１９】
図４の実施の形態においては、添加金属のシート１２でTi１１を包むことにより、添加金属１２はTi１１に必ず優先して加熱される。この場合もTi１１は先に溶解するが、添加金属の溶解時間も短縮され、結果として全体の溶解時間が短縮される。また、図示実施の形態ではTi１１を円柱状に形成した例を示したが、粉状や粒状のTi１１を用いることも可能であり、添加金属のシート１２で包むことにより、粉粒状のTi１１でもるつぼ底へ落下して未溶解になることがなく、Ti１１の形状の自由度が大きくなる。
【００２０】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、均一な組成の生体用チタン合金を簡単かつ歩留まりよく製造することができ、またこの合金を用いて精密な生体部品を容易に鋳造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す浮揚溶解装置のるつぼ断面図である。
【図２】この発明の異なる実施の形態を示す浮揚溶解装置のるつぼ断面図である。
【図３】この発明の更に異なる実施の形態を示す浮揚溶解装置のるつぼ断面図である。
【図４】この発明の更に異なる実施の形態を示す浮揚溶解装置のるつぼ断面図である。
【図５】図１のるつぼから得られたチタン合金インゴットの側面図である。
【図６】図５のインゴットのVI−VI線に沿う断面のＥＰＭＡによる組織分析結果を示す線図で、（Ａ）はTiの分布を示し、（Ｂ）はTaの分布を示す。
【図７】各種金属の生体適合性を示す線図である。
【図８】浮揚溶解装置の構造例を示す断面図である。
【符号の説明】
１    るつぼ
４    誘導加熱コイル
５    誘導加熱コイル
１１    チタン
１２    添加金属
【図１】
0004534050.tif 000002
【図２】
0004534050.tif 000003
【図３】
0004534050.tif 000004
【図４】
0004534050.tif 000005
【図５】
0004534050.tif 000006
【図６】
0004534050.tif 000007
【図７】
0004534050.tif 000008
【図８】
0004534050.tif 000009