集合組織制御による生体用超弾性 Ti-Cr-Sn-Zr 合金の特性改善
新潟工科大学 機械制御システム工学科教授 村山 洋之介（平成 25 年度一般研究開発助成 AF-2013018）
キーワード：準安定βチタン合金，超弾性特性，応力誘起マルテンサイト変態

１．研究の目的と背景

ち，その特性は集合組織に強い依存性を示すものと思われる．

高齢化社会に伴い，快適な生活の質を維持していくために，金属系材料の集合組織は，塑性加工方法とその後の熱処理の影

人工股関節などのインプラント材料開発に対する要求が高まっ響を強く受ける．また，金属系インプラント材料は，板材としている。金属系インプラント材料は，機械的性質が優れているてだけでなく，例えば脊椎矯正用ロッドなどのように，棒材とことから，インプラント材料として今後も重要な位置を占めてして使用されることが多いことから，本実験では，溝ロール圧いくと思われる．そのような金属系インプラント材料に求めら延法による集合組織形成を平ロール圧延の場合と比較しながら，れる性質として，以下のことが上げられる

1-5)．１．合金は，人体に対して毒性のない合金元素のみで構成される必要がある．

集合組織とヤング率および超弾性特性の比較検討を行うこととした．

２．ヤング率などの機械的性質が人骨に近いことが望まれる．

本実験では，圧延板で低ヤング率を示した Ti-2Cr-6Sn-45Zr

３．人体組織と接触する界面で適切な構造と性質を有する必要合金および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金を取り上げ，溝ロール圧延がある．我々はこのような条件を満たす金属系生体材料としてにより棒状試験片を作製するとともに，塑性変形挙動，ヤング準安定βTi-Cr-Sn-Zr 合金を研究開発してきた．

率および超弾性特性を板材と比較し，その特性の違いを，集合現在，金属系インプラント材料として主に使用されている組織の違いから考察することとする．

Ti- 6Al-4V合金などのTi合金やSUS316Lなどのステンレス鋼，Co-Cr 合金などには，生体に毒性のある V や Co や強いアレルギ

２．実験方法ー性を持つ Ni が含まれているが，準安定βTi-Cr-Sn-Zr 合金に質量%(mass%)で，Ti-2Cr-6Sn-45Zr および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr

は生体に対し毒性を示す合金元素は含まれていない．準安定βの組成となるよう高純度の素金属を秤量し，アーク溶解法によTi-Cr-Sn-Zr 合金圧延板は，組成によって，50GPa 以下の極めてりアルゴン雰囲気中でボタンインゴットを作製した．いくつか低いヤング率を示す

6,7）．SUS316L や Ti-6Al-4V 合金のヤング率のボタンインゴットをまとめて再溶解し，大きな直方体のブロはそれぞれ 193GPa および 114GPa と高い．人骨のヤング率はック状インゴットとした．この直方体のインゴットを，径の異10GPa から 30GPa であり，インプラント材料とのヤング率に大なる多数の溝を持つ溝状ロールで，800℃にて直径 8mm まで熱間きな違いがあると，ストレスシールディング効果により，人骨圧延を行った．表面の酸化膜を除去した後，石英管中に真空封はやせ細ってしまう危険がある．そのため荷重を支えるインプ入し，950℃にて 2 時間の均質化熱処理を行ってβ相とした後，ラント材料としては，準安定βTi-Cr-Sn-Zr 合金のような低ヤ氷水中に焼き入れることにより，試験供試用棒材とした．棒材ング率合金が望まれる．

から放電加工機により引っ張り試験片を切りだし，機械的性質

Ti-Cr-Sn-Zr 合金は，Cr の狭い組成範囲かつ Zr の広い組成範8,9)の評価を行った．

．Zr 添加量がわず試験片の微細組織は，光学顕微鏡にて調べた．構成相は引っかに異なる，Ti-2Cr-6Sn-xZr 合金および Ti-3.5Cr-6Sn-xZr 合張り試験前後に X 線回折装置にて調査した．機械的性質は，島囲の特定の合金組成で低ヤング率を示す

金（x=0 60mass%）のヤング率は，Zr 添加量依存性を示す．溶津製オートグラフ(AG-IS10kN)を用い，単軸引っ張り試験によっ体化熱処理後の焼き入れ組織は，Zr 添加量によって，マルテンて評価した．引っ張り試験片は幅 2.5mm、厚さ約 1.5mm であり，サイト組織からβ単相組織へと移行し，この，組織がマルテン

ゲージ長は 10mm および 26mm である．塑性変形挙動は，初期ひサイトからβ相へ移行する組成近傍の準安定βTi-Cr-Sn-Zr 合

ずみ速度が金のヤング率が極小を示す．それぞれの合金系でヤング率の最定で引っ張り試験を行った．ヤング率は，引っ張り試験片にひ小値を示す組成は，Ti-2Cr-6Sn-45Zr 合金と Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr

ずみゲージを貼り付け，荷重を段階的に増加させ，一定荷重下合金である．Ti-2Cr-6Sn-45Zr 合金および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zrの応力とひずみゲージから評価したひずみとの関係から算出し合金圧延板は，引っ張り試験において，応力誘起マルテンサイた．さらに，超弾性特性は,繰り返し負荷除荷試験により評価し

7)

ト変態を起こし，応力-ひずみ曲線に二段降伏現象が現れる ．

1 x 10-4s-1 となるように，クロスヘッド速度一た．全ての機械的性質は室温で測定した．

さらに，これら圧延板では，応力誘起マルテンサイト変態の可逆的な変態による，超弾性特性も観察されている．
このような，低ヤング率特性や超弾性特性は結晶異方性を持

３．実験結果および考察

p1000Ti-2Cr-6Sn-45Zr

600
400Rod Secimenp
Sheet Secimen

200a

公称応力,σ / MP

800

000.1

0.2

公称ひずみ,

0.30.4
図3εTi-2Cr-6Sn-45Zr 合金棒材および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金棒材の引っ張り試験による変形前後の光学顕微鏡組織写真．
図 1 Ti-2Cr-6Sn-45Zr 合金板材および棒材の引っ張り試験に
図１は，Ti-2Cr-6Sn-45Zr 合金の板材および棒材の引っ張り試おける応力-ひずみ曲線．

験による応力-ひずみ曲線である．図２は，Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr
合金の板材および棒材の引っ張り試験における応力-ひずみ曲p線を比較している．図１および図２の公称ひずみは，クロスヘッドの移動量から算出したひずみである．
弾性域の応力-ひずみ

1000

曲線の傾きが，板材と棒材で異なるが，引っ張り試験に使用しTi-2Cr-6Sn-45Zr

た治具の違いを反映しており、試験片の性質ではない．ヤング

公称応力, σ / MPa

800率の評価は，ひずみゲージによるひずみに基づいて評価している．

600

Ti-2Cr-6Sn-45Zr 合金および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金の板材および棒材のヤング率を表 1 にまとめて示している．Ti-2Cr-

400

6Sn-45Zr 合金棒材のヤング率がやや高いが，いずれも 50GPa およびそれ以下の値を示しており，加工方法にかかわらず低いヤ0ング率となっている．

Rod Secimen
pSheet Secimen

200

Ti-2Cr-6Sn-45Zr 合金の応力-ひずみ曲線は，板材および棒材とも明瞭な二段降伏現象を示している．Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合00.10.2

公称ひずみ,0.30.4

金では，板材および棒材とも，Ti-2Cr-6Sn-45Zr 合金に比べると降伏強度が高く，明瞭な二段降伏とはなっていない．Ti-2Cr-ε6Sn-45Zr 合金および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金とも，板材と棒材の間に、明瞭な応力-ひずみ曲線の形状の違いは見いだせない．
図2

Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金板材および棒材の引っ張り試験

しかし，Ti-2Cr-6Sn-45Zr 合金および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金とも，板材よりも棒材の流動応力の方が高くなっている．これにおける応力-ひずみ曲線．

は，集合組織の違いによるものと思われる．Ti-2Cr-6Sn-45Zr合金および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金とも，圧延方向の優先方位は<001>方位に近く，これは，板材および棒材とも同じであった．
表１ Ti-2Cr-6Sn-45Zr 合金および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金板

しかし，板材は，{110}面が圧延面に平行であったのに，棒材は，材および棒材のヤング率．

{110}面が棒半径方向を向き，軸方向を中心に回転するように分散した集合組織となっているものと推定された．そのため，Alloy Composition

Ti-2Cr-6Sn-45Zr

Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr

Rod Specimen（棒材）

50.3

44.3

Sheet Specimen（板材）

41

43.5

{110}面の軸周りの分散が拘束を生み，流動応力の上昇を招いたのではないかと思われる．
応力-ひずみ曲線に見られる二段降伏現象は，応力誘起マルテンサイト変態による．図３は，Ti-2Cr- 6Sn-45Zr 合金および

Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金棒材の引っ張り試験前後の光学顕微鏡

おける応力-ひずみ曲線に，応力誘起マルテンサイト変態に基づ組織写真である．引っ張り試験前の，焼き入れ組織はβ単相等く，明瞭な二段降伏現象を示した．また，Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr軸材であることを示している．構成相は，X 線回折実験で確認

合金棒材においても不明瞭ではあるが二段降伏現象を示した．

している．Ti-2Cr- 6Sn-45Zr 合金および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合

４．Ti-2Cr- 6Sn-45Zr 合金棒材および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金

金棒材とも，引っ張り試験後，双晶状のマルテンサイト組織が棒材とも，応力-ひずみ曲線における流動応力は，板材より棒材発達していることがわかる．

が高く，これは，棒材の半径方向優先方位が軸周りに分散して

図４および図５は，Ti-2Cr- 6Sn-45Zr 合金棒材（図４）およいることによる隣接結晶粒同士の拘束によるものと思われる．

び Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金棒材（図 5）の繰り返し負荷除荷試

５．Ti-2Cr- 6Sn-45Zr 合金および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金の棒験の結果である．ひずみは，試験片に貼り付けたひずみゲージ材は板材同様に，明瞭な超弾性特性を示した．

で評価している．いずれの合金も，明瞭な超弾性特性が観察される．図 1 および図 2 の応力-ひずみ曲線同様，図４および図 5

謝 辞の繰り返し負荷除荷試験でも，Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金棒材の本研究課題，集合組織制御による生体用超弾性 Ti-Cr-Sn-Zr 合

降伏応力は，Ti-2Cr- 6Sn-45Zr 合金棒材に比べると高い．その金の特性改善は，公益財団法人天田財団の平成 25 年度一般研究

ためか，Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金棒材の超弾性による回復ひず開発助成 AF-2013018 によって実施されました。ここに深く感みは，Ti-2Cr- 6Sn-45Zr 合金棒材に比べると幾分小さい．しか謝の意を表します。

し，Ti-2Cr- 6Sn-45Zr 合金棒材および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金

参考文献

棒材とも，板材同様に明瞭な超弾性特性を示した．
1)

4．まとめ

“Design and mechanical properties of new b type

１．溝ロール圧延法により，Ti-2Cr- 6Sn-45Zr 合金およびtitanium alloys for implant materials”, Mater. Sci.

Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金の棒材を作製し，板材との集合組織の違いを比較検討した．すなわち，いずれも圧延方向の優先方位は<001>方位となる。しかし、板材では，{110}面が圧延面に平2)Eng., A243, 244-249 (1998)
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行となるのに対し，棒材では半径方向の{110}面が軸方向周りに35(2000), p.1805-1811

分散した集合組織となる．
２．Ti-2Cr- 6Sn-45Zr 合金および Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr 合金の棒

D.Kuroda, M.Niinomi, M.Morinaga, Y.Kato and T.Yashiro,

3)

T.Ozaki, H.Matsumoto, S.Watanabe and S.Hanada, “Beta

材のヤング率は，板材同様に，50GPa およびそれ以下の，極めTi alloys with low Young’s modulus”, Materialsて低い値となった．

Trans., 45, 2776-2779 (2004)

３．Ti-2Cr- 6Sn-45Zr 合金棒材は板材同様に，引っ張り試験に

yy700700

Ti-2Cr-6Sn-45Zr Rd600500

公称応力, σ / MPa公称応力, σ / MPa

600

400300200

1 Ccle2 Ccle3 Ccle4 Ccle5 Ccle100001234400300
Ti-3.5Cr-6Sn-30Zr Rd200

1 Ccle2 Ccle3 Ccle4 Ccle10005

ひずみ , ε / %図４500

Ti-2Cr- 6Sn-45Zr 合金棒材の，繰り返し負荷除荷試験による応力-ひずみ曲線．ひずみは，ひずみゲージによる．

001122334455

ひずみ , ε / %図５ Ti-3.5Cr- 6Sn-30Zr 合金棒材の，繰り返し負荷除荷試験による応力-ひずみ曲線．ひずみは，ひずみゲージによる．

4)

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Biomaterials

Science: