(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で（以下同じ）、Ｎｂ：２５〜３５％、Ｔａ：Ｎｂ＋０．８Ｔａで３６〜４５％、Ｚｒ：３〜６％、Ｏ＋Ｎ＋Ｃ：Ｏ＋１．６Ｎ＋０．９Ｃで０．４０％以下、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなるＴｉ合金であって、引張強さが１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率が８０ＧＰａ以下であることを特徴とする生体用Ｔｉ合金。
【請求項２】
Ｎｂ：２５〜３５％、Ｔａ：Ｎｂ＋０．８Ｔａで３６〜４５％、Ｚｒ：３〜６％、Ｏ＋Ｎ＋Ｃ：Ｏ＋１．６Ｎ＋０．９Ｃで０．４０％以下、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなるＴｉ合金に５０％以上の冷間加工および０．５〜５時間の時効処理を施すことを特徴とする生体用Ｔｉ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】
本発明は、高強度低弾性率の生体用Ｔｉ合金およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人工股関節、膝関節、骨折時の固定プレートなどの生体用材料としては、生体適合性に優れ、軽量で、引張強さが高く、かつヤング率が骨（２０〜４０ＧＰａ）に近いものが望まれている。
従来、この生体用材料としてＳＵＳ３１６Ｌ、純Ｔｉ、Ｔｉ−６％Ａｌ−４％Ｖが用いられていた。しかし、これらの合金は、生体用として開発されたものではないため、ＳＵＳ３１６Ｌは、引張強さが高いが、ヤング率が１６５ＧＰａと高く、またアレルギーを指摘されているＮｉを含んでいる。さらに純Ｔｉは、生体適合性に優れているが、引張強さが約５００ＭＰａであって低強度である。またＴｉ−６％Ａｌ−４％ＶのＴｉ合金は、毒性が指摘されているＶを含んでいるという問題がある。
【０００３】
このＴｉ−６％Ａｌ−４％ＶのＶに替えてＮｂまたはＦｅを含有させたＴｉ−６％Ａｌ−７％ＮｂやＴｉ−５Ａｌ−２．５％Ｆｅなどのα＋β型Ｔｉ合金が提案されているが、合金中のＡｌはある種の痴呆症を招くという報告もある。
【０００４】
また、上記毒性およびアレルギー性が指摘されている金属元素以外の元素を用い、α＋β型Ｔｉ合金より高い伸びと、優れた冷間加工性を有すると共に、弾性率を低くしたβ型Ｔｉ合金が提案されるようになってきた。このβ型Ｔｉ合金には、例えばＴｉ−１３％Ｎｂ−１３％Ｚｒ、Ｔｉ−１３％Ｎｂ−１０％Ｈｆ、Ｔｉ−１５％Ｍｏ、Ｔｉ−１２％Ｍｏ−５％Ｚｒ−２％Ｆｅ、Ｔｉ−１５％Ｍｏ−６％Ｚｒ−２．８％Ｎｂ−０．２％Ｓｉ−０．２％Ｏなどがある。
しかし、これらのβ型Ｔｉ合金は、毒性およびアレルギー性には問題がないが、引張強さが十分高く、かつ弾性率が十分低いものではなかった。
【０００５】
そこで、本出願人は、毒性およびアレルギー性に問題がある元素を含まず、適度な引張強さと高い伸びおよび低い弾性率のＮｂおよびＴａを合計で２０〜６０％を含み、必要に応じてさらにＭｏを１０％以下、Ｚｒを５％以下、およびＳｎを５％以下の１種または２種を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなるＴｉ合金を開発して特願平９−２０５８８号（特開平１０─２１９３７５号）として特許出願した。
しかし、この特許出願のＴｉ合金は、従来のＴｉ合金より引張強さが高く、かつ弾性率も低いが、引張強さが高いものは弾性率も高く、弾性率が低いものは引張強さも低く、引張強さが１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率が８０ＧＰａ以下のものは得られなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、毒性およびアレルギー性に問題がある元素を含まず、引張強さが１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率が８０ＧＰａ以下の高強度かつ低弾性率の生体用Ｔｉ合金およびその製造方法を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは、引張強さが１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率が８０ＧＰａ以下のＴｉ合金について鋭意研究していたところ、成分組成をＮｂ：２５〜３５％、Ｔａ：Ｎｂ＋０．８Ｔａで３６〜４５％、Ｚｒ：３〜６％、Ｏ＋Ｎ＋Ｃ：Ｏ＋１．６Ｎ＋０．９Ｃで０．４０％以下、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなるＴｉ合金に加工率が５０％以上の冷間加工をし、さらに０．５〜５時間の時効処理を施すことによって、引張強さが１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率が８０ＧＰａ以下のＴｉ合金を得ることができることなどの知見を得た。
【０００８】
すなわち、本発明の生体用Ｔｉ合金においては、成分組成をＮｂ：２５〜３５％、Ｔａ：Ｎｂ＋０．８Ｔａで３６〜４５％（（３６−Ｎｂ％）／０．８〜４５％−Ｎｂ％）／０．８）、Ｚｒ：３〜６％、Ｏ＋Ｎ＋Ｃ：Ｏ＋１．６Ｎ＋０．９Ｃで０．４０％以下、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなるものとし、引張強さが１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率が８０ＧＰａ以下のものとすることである。
【０００９】
また、本発明の生体用Ｔｉ合金の製造方法においては、成分組成をＮｂ：２５〜３５％、Ｔａ：Ｎｂ＋０．８Ｔａで３６〜４５％（（３６−Ｎｂ％）／０．８〜４５％−Ｎｂ％）／０．８）、Ｚｒ：３〜６％、Ｏ＋Ｎ＋Ｃ：Ｏ＋１．６Ｎ＋０．９Ｃで０．４０％以下、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなるＴｉ合金に５０％以上の冷間加工および０．５〜５時間の時効処理を施すことである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の生体用Ｔｉ合金およびその製造方法について詳細に説明する。
先ず、本発明の生体用Ｔｉ合金の成分組成を上記のように特定した理由を説明する。
Ｎｂ：２５〜３５％、Ｔａ：Ｎｂ＋０．８Ｔａで３６〜４５％
ＮｂおよびＴａは、細胞毒性の指摘のない全率固溶型のβ型安定化元素であって、マトリックス相を低弾性率で、かつ冷間加工性の良好なβ相にするので、それらのために含有させる元素である。ただ、ＴａはＮｂに比較して高密度であるため、製造性が良くない（偏析などを作り易い）ので、Ｎｂを主体にして含有させる。冷間加工性がよく、かつ低ヤング率のβ単相を確保するためにはＮｂを２５％以上、好ましくは２７％以上、Ｔａを（３６−Ｎｂ％）／０．８％以上、好ましくは（３８−Ｎｂ％）／０．８％以上含有させる必要がある。
【００１１】
しかし、Ｎｂを３５％、好ましくは３１％、Ｔａを（４５−Ｎｂ％）／０．８％、好ましくは（４２−Ｎｂ％）／０．８％を超えると製造性を低下（ＮｂおよびＴａは、Ｔｉに比較して高融点、高密度であるため、偏析などを作り易い）させるので、その含有量を上記のＮｂでは２５〜３５％、Ｔａでは（３６−Ｎｂ％）／０．８〜（４５％−Ｎｂ％）／０．８とする。好ましい含有量はＮｂでは２７〜３１％、Ｔａでは（３８−Ｎｂ％）／０．８〜（４２％−Ｎｂ％）／０．８％である。
【００１２】
Ｚｒ：３〜６％
Ｚｒは、α相とβ相の両方を強化させる中性型元素であり、時効過程によって析出するα相を強化するので、そのために含有させる元素である。その効果を得るためには３％以上、好ましくは４％以上含有させる必要があるが、６％、好ましくは５％を超えるとその効果が飽和するので、その含有量を３〜６％とする。
好ましい含有量は４〜５％である。
【００１３】
Ｏ＋Ｎ＋Ｃ：Ｏ＋１．６Ｎ＋０．９Ｃで０．４０％以下
Ｏ、ＮおよびＣは、いずれもα相強化型元素であるので、Ｏ＋１．６Ｎ＋０．９Ｃで０．４０％まで含有させるとα相を強化するが、０．４０％を超えると靱性を低下させると共に、ヤング率を高くするので、その含有量を０．４０％以下とする。
【００１４】
次に、引張強さを１０５０ＭＰａ以上、ヤング率を８０ＧＰａ以下にする理由を説明する。
引張強さを１０５０ＭＰａ以上にすることについて
引張強さは高いほうが生体用機器ならば小型にすることができ、さらに線材であれば細くすることができ、またプレートであれば薄くかつ幅を狭くすることができる。製品断面積を小さくできることは、製品としての剛性をさらに下げることが可能になる。そのため、引張強さは１０５０ＭＰａ以上とする。
【００１５】
ヤング率を８０ＧＰａ以下にする点について
ヤング率は、人工股関節などの骨代替素材などの生体用として使用する場合には、骨のヤング率（２０〜４０ＧＰａ）に近いほうが好ましいが、ヤング率を低くすると引張強さを１０５０ＭＰａ以上にすることが困難であり、生体用として使用するには骨のヤング率の２倍以下、すなわち８０ＧＰａ以下とする。
【００１６】
次に、冷間加工を５０％以上および時効処理を０．５〜５時間実施する理由を説明する。
冷間加工を５０％以上にすることについて
冷間加工は、ヤング率を増加させることなく引張強さを高くすることができ、かつその後行う時効処理でのα相の析出を早くするので、それらのために実施するものである。引張強さを１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率を８０ＧＰａ以下にするには、図１に示すように５０％以上の冷間加工をする必要がある。冷間加工が５０％、好ましくは６０％より低いと、その後行う時効処理によっても引張強さを１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率を８０ＧＰａ以下にすることができないからである。
【００１７】
時効処理を０．５〜５時間実施することについて
時効処理は、引張強さを高くするので、そのために行うもので、引張強さを１０５０ＭＰａ以上にするためには図２に示すように０．５時間以上行う必要がある。しかし、図２に示すように５時間を超えるとヤング率が８０ＧＰａを超えるので、その時間を０．５〜５時間とする。
上記時効処理の温度は、３００〜４５０℃が適当である。３００℃より低いと時効処理に必要な時間が長くなるからであり、また４５０℃より高いと強度が出なくなるからである。
【００１８】
【作用】
本発明は、Ｔｉ合金の成分組成をＮｂ：２５〜３５％、Ｔａ：Ｎｂ＋０．８Ｔａで３６〜４５％、Ｚｒ：３〜６％、Ｏ＋Ｎ＋Ｃ：Ｏ＋１．６Ｎ＋０．９Ｃで０．４０％以下、残部Ｔｉおよび不可避的不純物からなるものとし、冷間加工を５０％以上および時効処理を０．５〜５時間実施することによって、従来のＴｉ合金では得られなかった引張強さが１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率が８０ＧＰａ以下のＴｉ合金を製造することができる。
また、Ｔｉ合金の引張強さが１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率が８０ＧＰａ以下であるので、人工股関節などの骨代替素材のほか、骨折時の固定プレートなどの広い範囲の生体用の用途にも使用することができる。
【００１９】
本発明の生体用Ｔｉ合金の製造方法の一例は、浮遊溶解法により溶解した後、鋳造してインゴットにし、その後熱間鍛伸などにより所望形状にする。その後７００〜８００℃で１０〜６０分間加熱保持した後水冷する固溶化処理を実施し、加工率が５０％以上の冷間加工をし、その後３００〜４５０℃で０．５〜５時間加熱する時効処理をすることである。
【００２０】
本発明の生体用Ｔｉ合金の用途は、人工股関節、膝関節などの骨代替材料、骨折時の固定ワイヤー、プレートなどの骨固定用補助材といった各種のインプラント材、人工歯根などに代表される歯科材料、さらには外科用ピンセット、クリップ類などの医療器具といった人体中に埋め込み、もしくは人体と接触して使用する生体用材料である。また、眼鏡フレーム、車椅子などの生体用材料を用いることが好ましい福祉機器類にも使用することができる。
【００２１】
【実施例】
実施例１
下記表１に記載した本発明例および比較例の成分組成のＴｉ合金を浮遊溶解法により溶解した後、鋳造してインゴットにし、その後熱間鍛伸により直径１２ｍｍの丸棒にした。その後これらの丸棒を７９０℃で３０分間保持した後水冷する固溶化処理を実施した。その後冷間加工率８４％の冷間スエジングを実施した後、４２７℃（７００Ｋ）で３時間加熱する時効処理を実施して供試材を作成した。これらの供試材から引張試験片を作成し、引張試験を実施した。その結果を下記表２に記載した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
【表２】
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【００２４】
実施例２
上記表１の本発明例のNo. １に記載したＴｉ合金を実施例１に記載した方法で直径１２ｍｍの丸棒にし、この丸棒を７９０℃で３０分間保持した後水冷する固溶化処理を実施した。その後表３に記載した冷間加工率の冷間スエジングを実施し、４２７℃（７００Ｋ）で３時間加熱する時効処理を実施して供試材を作成した。これらの供試材から引張試験片を作成し、引張試験を実施した。その結果を下記表３および図１に記載した。
【００２５】
【表３】
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【００２６】
実施例３
上記表１の本発明例のNo. １に記載したＴｉ合金を実施例１に記載した方法で直径１２ｍｍの丸棒にし、この丸棒を７９０℃で３０分間保持した後水冷する固溶化処理を実施した。その後冷間加工率８４％の冷間スエジングを実施し、４２７℃（７００Ｋ）で下記表４に記載した時間加熱する時効処理を実施して供試材を作成した。これらの供試材から引張試験片を作成し、引張試験を実施した。その結果を下記表４および図２に記載した。
【００２７】
【表４】
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【００２８】
表２の結果から、本発明例の成分組成のものは、何れも引張強さが１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率が８０ＧＰａ以下であった。
さらに、表３の結果から、冷間加工の加工率を５０％以上にしたものは、何れも引張強さが１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率が８０ＧＰａ以下であった。
また、表４の結果から、時効処理を０．５〜５時間にしたものは、何れも引張強さが１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率が８０ＧＰａ以下であった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の生体用Ｔｉ合金の製造方法は、上記構成にしたこにより、引張強さが１０５０ＭＰａ以上で、かつヤング率が８０ＧＰａ以下の高強度低弾性率の生体用Ｔｉ合金を製造することができ、また本発明の生体用Ｔｉ合金は、毒性およびアレルギー性に問題がある元素を含まず、また高強度低弾性率であるので、生体用部材においては、細くまたは薄くすることができ、また生体用機器においては小型にすることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明と同じ成分組成のＴｉ合金の冷間加工率と引張強さ、０．２％耐力、伸びおよびヤング率との関係を示すグラフである。
【図２】本発明と同じ成分組成のＴｉ合金の時効時間と引張強さ、０．２％耐力、伸びおよびヤング率との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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