強加工複合表面改質処理を施した金属系バイオマテリアルの高力学特性化
名城大学

理工学部 材料機能工学科
准教授 赤堀 俊和（平成 25 年度一般研究開発助成 AF-2013019）
キーワード：β型 Ti 合金，微粒子衝突処理，摩擦攪拌処理

１．研究の目的と背景

工具を材料へ押し当て、摩擦熱が発生することで、材料を比強度および高耐食性を有する Ti 合金は金属系バイオ軟化し塑性流動させる技術である 5)。本手法は、強加工とマテリアルとして幅広い応用が期待される。その中で、代熱処理を同時に行い、効果的に表面改質層を付与すること表的な Ti 系バイオマテリアルとして用いられているのがができる。従って、これら二つの表面改質処理を組み合わα+β 型 Ti 合金 Ti-6Al-4V ELI 合金(Ti64)である。Ti64 は、せた強加工複合表面硬化処理を行うことにより、さらなる高力学特性を有しており、航空・自動車分野などから生体力学的特性の向上が期待される。

用へ転用され、現在までに金属系バイオマテリアルとして
1)

そこで、本研究では溶体化処理を施した TNTZ と焼鈍処最も多く使用されている 。しかし、近年、合金元素であ理を施した Ti64 に対して強化工複合表面改質処理を施しる V イオンが生体内に溶出した場合による為害性が危惧た場合におけるミクロ組織および機械的性質について調されている。また弾性率は約 110 GPa であり、皮質骨の弾査・検討を行った。

性率は約 30 GPa と比較して大きな差異が生じる。これは皮質骨に比べ弾性率の大きな材料をバイオマテリアルに使用すると、荷重のほとんどを弾性率の大きなバイオマテ

２．実験方法
2．1 供試材

リアルが支えてしまい、骨に伝わる荷重が少なくなる。こ

供試材には、TNTZ 熱間丸棒材（直径:30 mm）および比れをストレスシールディングと呼び、ストレスシールディ較材として Ti64 熱間丸棒材（直径:35 mm）をそれぞれ用ングの起こりにくい金属系バイオマテリアルの開発が望いた。両供試材を機械加工により厚さ 3.0 mm のコイン状まれている。そこで、高生体親和性とされる元素で構成さに切り出し、TNTZ に対してのみ、真空中にて 1063 K でれ、低弾性率を有する β 型 Ti 合金の開発が多数されてい3.6 ks 保持後、水冷の溶体化処理(以後、TNTZ/ST と呼称)る。その中で、皮質骨に近い低弾性率を有する β 型 Ti 合を施し、Ti64 は受け入れまま状態である焼鈍処理状態 (以金である Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr 合金(TNTZ)が著者らによっ後、Ti64/annealed と呼称)とした。て研究開発された 2)。溶体化処理を施した TNTZ の弾性率2．2 摩擦攪拌プロセス（FSP）

は低弾性率（約 60 GPa）を示すことから、次世代の骨類両コイン状試料に対して、負荷を 3000N および 4000N

似型金属系バイオマテリアルとして有望視されている 3)。に変化させた FSP を TNTZ および Ti64 の両試料表面に一般的に、金属系バイオマテリアルに求められる特性と対して施した。以後、試料名については、合金名、負荷をして疲労強度、耐食性、耐摩耗性および生体適合性などが用いて表記する(e.g. TNTZ/ FSP3000)。本研究では、挙げられるが、全てを兼ね備えた材料の開発は困難である。

3000N の負荷における結果について主に説明することとそこで、母相の特性を維持したまま、表面に優れた特性をした。実験装置には荷重制御式の摩擦撹拌点接合装置(川付与させる多種の表面改質処理の研究が進められている。

崎重工製)を用いた。接合ツールには、一般的に Fe およびその中で、ショットピーニングを代表とする機械的表面改Al 異材の摩擦撹拌点接合に使用されている超硬合金製φ質処理は、金属表面層に高密度格子欠陥を導入させること6.0 mm およびφ10 mm のフラット型接合ツールをそれで、力学的特性の向上を図る手法として幅広く応用されてぞれ使用した。

いる 4)。ここで、ショットピーニングとは、無数の硬質粒2．3 微粒子ショットピーニング（SHOT）

子を金属表面に衝突させる手法であり、金属表面の硬度がTNTZ/ST および Ti64/annealed を FSP で施した後、増加すると共に、一定の深さまで圧縮残留応力を有した加その表面に微粒子ショットピーニング（shot）を施す強加工層の付与が可能となる。さらに近年では、ショットピー工複合表面改質処理を施した。shot の条件として、炭素ニングと同様に塑性変形、それに加えて入熱による熱処理

鋼微粒子#50、粒径 150～200 μm、流量制御圧力 0.5 MPa、を利用した表面改質処理として摩擦攪拌接合(FSW)を応粒子制御圧力 0.6 MPa、投射距離 30 mm、投射時間 0.6 ks

用した摩擦撹拌プロセス(FSP)の応用が検討されている。とした。以後、shot を施した試料を、例えば TNTZ/

ここで、FSP とは、FSW の原理を使用し、円柱状の回転

FSP3000/ shot のように表記する。

2．4 ミクロ組織評価
各コイン状試料を機械加工にて中心部付近を切り出し、試料断面をエメリー紙による湿式研磨および二酸化シリコン懸濁液を用いてのバフ研磨を施し、TNTZ は 0.5%フッ化水素酸水溶液を、Ti64 にはフッ硝酸水溶液(1：3：6)をそれぞれ用いて腐食後、光学顕微鏡(OM)、X 線回折装置(XRD) およびエネルギー分散型 X 線分光装置(EDX)を使用し、ミクロ組織の評価をそれぞれ行った。この場合、
X 線回折測定では、試料表面を湿式研磨にて深さ方向へ研磨し、各深さにおける構成相の変化について測定を行った。
2．5 機械的強度評価
硬さ試験には、微小ビッカース硬さ(HV)試験機を用いた。測定前に試料をエメリー紙により#4000 まで湿式研磨を行った。測定箇所は FSP を施した位置の中心部、端付近およびそれらの中間付近において加工面近傍から中心部付近までとした。TNTZ および Ti64 の試験条件を押込
み荷重約 1.96 N および保持時間 10 s として行った。
引張試験には、容量 10 kN のインストロン型引張試験機を用いた。両試料を標点間距離 10 mm で幅 3.0 mm となるようにワイヤー放電加工により作製した。ひずみの測定には、接着剤を用いて箔ひずみゲージを引張試験片における標点間部の中心部分に接着し、読み取り顕微鏡を用いて塑性変形量をそれぞれ測定した。引張試験条件として、
クロスヘッド速度:8.33×10-6 m/s の大気中にて試験を行った。破断後、破断面は走査型電子顕微鏡(SEM)を用い観察を行った。

３．研究成果3．1 ミクロ組織と構成相
図 1 に(a)TNTZ/ FSP3000 および(b)TNTZ/ FSP3000/shot、図 2 に(a)Ti64/ FSP3000 および(b)Ti64/ FSP3000/
shot の試料断面のミクロ組織をそれぞれ示す。FSP および同処理後、shot を施した TNTZ および Ti64 の表面から塑性変形領域、熱影響領域および母相領域と分けられる。
この場合、FSP を施した TNTZ と同処理後、shot を施し

図1

た TNTZ と比べると、shot によって表面粗さが平滑化さおける試料断面のミクロ組織(a)TNTZ/ FSP3000 および(b)TNTZ/ FSP3000/ shot にれていることが確認できる。
図 3 に(a)TNTZ/ FSP3000 および(b)TNTZ/ FSP3000/と考えられる針状の結晶粒が確認できる。この場合、shot、図 4 に(a)Ti64/ FSP3000 および(b)Ti64/ FSP3000/

TNTZ より Ti64 の塑性変形部の領域が小さいことがわか

shot の試料断面の最表面近傍におけるミクロ組織をそれる。また、図 4(b)における Ti64/ FSP3000/ shot のミクロぞれ示す。TNTZ/ FSP3000 の表面加工部直下では、微細組織では、TNTZ で示したように図 4(a)における Ti64/化した等軸状の結晶粒が確認でき、同結晶粒中に析出物がFSP3000 と類似したミクロ組織を呈し、Ti64/ FSP3000確認できる(図 3(a))。図 3(b)に示す TNTZ/ FSP3000/ shotの平均粒直径が 1.87のミクロ組織は TNTZ/ FSP3000 と同じように等軸状のshot のそれは 1.73 μm であり、α相のさらなる微細化が結晶を呈しており、その平均粒直径は 3.92 μm に対して、確認できる。

μm に対して、Ti64/ FSP3000/TNTZ/ FSP3000/ shot のそれは 2.90 μm となり、shotX 線回折による相の同定では、TNTZ/ FSP3000 およびによりβ相のさらなる微細化が確認できる。一方、図 4(a)TNTZ/ FSP3000 / shot の最表面ではβ相に加えα相の回における Ti64/ FSP3000 は TNTZ/ FSP3000 と同じ様に、折ピークが確認できた。また、TNTZ/ FSP3000 では、表面加工部直下にて微細化したα相と考えられる等軸αTNTZ/ FSP3000 / shot で確認できなかった TiO2 の回折状の結晶粒、さらに内部では入熱によりβ変態点を越えたピークが確認できた。これは shot による酸化膜のエロー図3(a) TNTZ/ FSP3000 および(b)TNTZ/

FSP3000/ shot の試料断面における最表面近傍のミクロ組織

図2(a)Ti64/ FSP3000 および(b) Ti64/ FSP3000/ shotにおける試料断面のミクロ組織
ジョンと考えられる。さらに TNTZ/ FSP3000/ shot では、表面から深さ 50 μm の位置で応力誘起相であるα”（マルテンサイト）相の析出が確認できた。このピークはTNTZ/ FSP3000 でも確認でき、FSP の負荷時に発生し、FSP 後の shot により、表面近傍にも現れたと考えられる。
Ti64 では、FSP および shot による著しいミクロ組織（構成相）の変化は示さなかった。
3．2 ビッカース硬さ変化
図 5 および図 6 に FSP および同処理後、shot を施した
TNTZ および Ti64 の加工面からのビッカース硬さの変化を示す。TNTZ/ FSP3000 では、加工面のビッカース硬さは 229HV で、母相のそれより約 20.5%上昇しているのが確認できる。これは上述したように FSP による強加工お図4(a)Ti64/ FSP3000 および(b) Ti64/ FSP3000/

shot の試料断面における最表面近傍のミクロ組織

図5(a)TNTZ/ FSP3000 および(b)TNTZ/ FSP3000/ shot における加工面直下から深さ位置における硬さの変化
よび摩擦発熱による再結晶による微細化したβ相およびカース硬さは、TNTZ/ST のそれらと比較して 45.7%と著FSP 後の冷却過程により時効析出したα相に起因するとしい上昇傾向を示している。

考えられる。両相ともに、深さ方向の増加と共に粗大化お一方、 Ti64/ FSP3000 では、加工面のビッカース硬さよび析出量の減少が確認されており、硬さが傾斜的に変化

は 425HV で、母相のそれより約 38.8%上昇していた。こしたと考えられる。さらに大気中にて FSP 加工されていれは、上述のように FSP 加工による針状α相の微細化とるため、大気中の酸素および窒素などの軽元素が加工面に旧β相からのα相の時効析出ならびに軽元素の拡散に起拡散することによる固溶強化ならびに両元素はα安定化因すると考えられる。さらに Ti64/ FSP3000/ shot ではそ元素であるため、加工面近傍におけるβ相の安定度を変化れらに加え、塑性加工によるα相の微細化によって硬さがさせることで、α相の析出を促進させたことが考えられる。

530HV と上昇している。

さらに TNTZ/ FSP3000/ shot ではそれらに加え、塑性加3．3 引張特性

工によるβ相の微細化によって硬さが 277HV と上昇して

図 7 に FSP および同処理後、shot を施した TNTZ の引いるのが確認できる。TNTZ/ FSP3000/ shot の最大ビッ張特性を代表的に示す。FSP の負荷を変化させることで

４．まとめNb、Ta および Zr 等の無毒性合金元素を構成元素とする新しい生体用β型 Ti 合金である Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金（TNTZ）に対して、摩擦撹拌プロセス(FSP)および微粒子ショットピーニングを組み合わせた強加工複合表面改質処理を施した場合におけるミクロ組織および機械強度を調査・検討した結果、以下の結言を得た。
(1)

FSP を施すことにより TNTZ および Ti64 の試料表面近傍には微細粒および熱影響領域が形成された。FSP
後、shot を施した TNTZ および Ti64 における表面近傍では FSP のみを施した試験片と比較してβ相およびα相が微細化した。
(2)

FSP および同処理後、shot を施した TNTZ およびTi64 のビッカース硬さは表面近傍で最大値を示し、特にTNTZ/ FSP3000 および TNTZ/ FSP3000 /shot のそれは、TNTZ/ ST と比較して、それぞれ 20.5%および 45.7%上昇した。
(3)FSP の負荷を変化させることで TNTZ/ST より引張強さは 11.2%上昇した。同処理後、shot を施した TNTZの引張強さもやや上昇したが、伸びは逆の傾向を示した。
図 7 溶体化処理をおよび各表面改質処理を施した
TNTZ の引張特性
TNTZ/ST より引張強さは上昇している。一方、伸びは負謝辞

本課題を遂行するにあたり、公益財団法人天田財団より多大なる助成を賜り、心より深く感謝の意を表します。

荷を変化させることで減少していることがわかる。これら

参考文献

は表面に硬化層付与が起因したと考えられる。さらに

1) M. Niinomi: Metall. Mater. Trans. A, 33A(2002), pp.

FSP 後、shot を施した TNTZ の引張強さは FSP のみを施した TNTZ より上昇しているが、顕著な変化は見られなかったが、TNTZ/ST と比較して、約 11.2%上昇した。
TNTZ/ FSP3000 および TNTZ/ FSP3000 / shot の引張破面は、全体的にディンプルを示す延性破面を呈していた。
また、その平均ディンプル直径は、加工面近傍にて最も小477-486.
2) M. Niinomi, T. Hattori, K. Morikawa, T. Kasuga, A. Suzuki,
H. Fukui and S. Niwa: Mater. Trans., 43 (2002), pp.
2970-2977.
3) T. Akahori, M. Niinomi, H. Fukui, M. Ogawa and H. Toda:
Mater. Sci. Eng. C, 25 (2005), pp. 248-254.

さく、深さ方向に進むにつれ、粗大化しており、上述した4)”微粒子ショットピーニング処理を施した鋼の疲労特性ミクロ組織の変化と一致していた。この場合、TNTZ/におよぼす投射条件の影響”、米倉大介、小茂鳥潤、清FSP3000 および TNTZ/ FSP3000 / shot の断面減少率はそれぞれ約 37%および約 38.9 %であった。

水真佐男、清水博美、pp.50
5) R. Nandan, T. DebRoy and H.K.D.H. Bhadeshia: Prog.
Mater. Sci, 5(200 8), pp. 980-1023