JP2008111177A - 塑性加工性に優れる生体用Co基合金およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Cr:26〜35質量%、Mo:6〜12質量%、C:0〜0.3質量%およびN:0.08〜0.20質量%質量%を含有し、残部はCoおよび不可避的不純物の成分組成にすると共に、γ相の相比率が体積率で80%以上の結晶構造とする。
【選択図】図1
Description
このような要件を満足する生体用Co基合金の代表例として、鋳造用(ASTM規格F75)と加工用(ASTM規格F90およびF562)の2種類が知られている。
また、F75合金は、Cを添加することで強化されているが、炭化物の析出量が増大すると塑性加工の際に割れる原因となり、塑性加工性を劣化させる。
その結果、Co基合金中に、適量のNを含有させることにより、γ相安定性が格段に向上し、その結果、鋳造ままでも塑性加工性が飛躍的に改善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。
1.Cr:26〜35質量%、Mo:6〜12質量%、C:0〜0.3質量%およびN:0.08〜0.20質量%を含有し、残部はCoおよび不可避的不純物の組成になり、γ相の相比率が体積率で80%以上である結晶構造を有することを特徴とする塑性加工性に優れる生体用Co基合金。
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:26〜35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26質量%に満たないと十分な耐食性が得られず、一方35質量%を超えると脆化するので、Cr量は26〜35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。
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6質量%に満たないと十分な耐食性および耐摩耗性の向上効果が得られず、一方12質量%を超えると加工性の劣化を招くので、Mo量は6〜12質量%の範囲に限定した。
ここに、Cは、加工性や耐摩耗性を向上させる点で有用な元素であるが、含有量が0.3質量%を超えると塑性加工性が劣化する不利が生じるので、Cは0〜0.3質量%の範囲に限定した。
なお、このCは必ずしも含有させる必要はない。
ここに、N量が0.08質量%に満たないと十分なγ相化が達成できず、一方0.20質量%を超えると窒化物が形成され、塑性加工性が劣化するという不利が生じるので、Nは0.08〜0.20質量%の範囲で含有させるものとした。
また、Nを含有させることにより、Cr量が30質量%以上であってもアーチフェクトの発生を抑制できるようになった。
同図に示したとおり、Nを0.08質量%以上含有させることによって、γ相が体積分率で80%以上になっていることが分かる。
ここに、γ相の比率が体積率で80%に満たないと、本発明で所期したほど良好な塑性加工性が得られないので、本発明では、γ相の比率は体積率で80%以上に限定した。
同図から明らかなように、本発明に従い適量のNを添加した場合には、結晶粒径の如何にかかわらず安定してγ相化が達成されている。
本発明の合金組成では、所望組成に溶製後、常法に従い鋳造すれば、80体積%以上のγ相を得ることができるが、上記の鋳造後、1000〜1300℃のγ相単相域で均一化熱処理を施すことは有利である。
すなわち、上記のγ相単相域で均一化処理を施すことにより、γ相比率を一層高めることができ、一層の延性向上ひいては塑性加工性の向上を図ることができる。なお、この均一化処理後の冷却速度は特に大きくする必要はなく、徐冷で十分である。
ここで、徐冷とは、所要の温度で処理後に室温に放置して冷却する程度のことをいい、あえて冷却媒体を使用することをいうものではない。
粉体の形成法については特に限定されることはなく、従来公知の方法いずれもが使用できるが、アトマイズ法はとりわけ有利である。また、粒径は25〜45μm 以下とするのが好適である。
ついで、40〜80 MPa程度の成形力で圧粉成形したのち、900〜1100℃で焼結を施す。
表1に示す種々の成分組成になるCo基合金を、鋳造したのち、1200℃で12時間の熱処理を行った。その後、1200℃以上の温度に加熱してから、種々の圧下率で鍛造加工処理を施し、様々な結晶粒径を有する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組織(平均結晶粒径、相比率)および塑性加工性について調べた結果を表2に示す。
(1)組織
各合金材料から板状試料を切り出し、その表面を鏡面研磨し、電解研磨を行ったのち、光学顕微鏡により組織観察を行い、平均結晶粒径および相比率を求めた。
インストロン型引っ張り試験機を用いて引張り試験を行い、塑性加工性を調べた。試験条件は次のとおりである。
温度:室温
ひずみ速度:5.4×10-4s-1
試験片 標点部長さ:16mm、幅:3mm。厚さ:1.5mm。
そして、塑性伸びが5%〜9%を×、10%〜15%を△、16%〜20%を○、21%以上を◎として塑性加工性を判断した。
ガスアトマイズ法によってCo−29Cr−6Mo合金粉末(粒径:25μm)を作製した。ついで、得られた合金粉末を80MPaの圧力下、1000℃の温度で2時間のホットプレスにより焼結体とした。その際、1気圧のアルゴンガス中でホットプレスした合金の光学顕微鏡組織を図3に示す。また、0.05気圧の窒素分圧、0.95気圧のアルゴン分圧の雰囲気中でホットプレスした合金の光学顕微鏡組織を図4に示す。なお、この混合雰囲気中でホットプレスした焼結体の合金組成はCo−28Cr−6Mo−0.16Nとなっていた。
一方、図4に示されるように、0.05気圧の窒素分圧、0.95気圧のアルゴン分圧の雰囲気中でホットプレスした焼結体は、析出物の無い等軸結晶粒組織になっていることが分かる。このことから、焼結の雰囲気中に窒素を適切に含有させることで、σ相の析出が抑制されることが分かる。
同図から、窒素を含有させて焼結することで、γ相単相の組織が得られることが分かる。一方、窒素を含有させない場合の焼結体の組織は、γ相とε相の他に、σ相のピークが認められた。
同図から、窒素を含む雰囲気で焼結し、焼結体中に適量のNを含有させたものは、窒素を含まないAr雰囲気で焼結して得た焼結体よりも、伸び延性に優れることが分かる。
Claims (3)
- Cr:26〜35質量%、Mo:6〜12質量%、C:0〜0.3質量%およびN:0.08〜0.20質量%を含有し、残部はCoおよび不可避的不純物の組成になり、γ相の相比率が体積率で80%以上である結晶構造を有することを特徴とする塑性加工性に優れる生体用Co基合金。
- Cr:26〜35質量%、Mo:6〜12質量%、C:0〜0.3質量%及びN:0.08〜0.20質量%を含有し、残部はCo及び不可避的不純物の組成になるCo基合金鋳片を、1000〜1300℃の温度域で均一化熱処理を施したのち、徐冷することを特徴とする塑性加工性に優れる生体用Co基合金の製造方法。
- Cr:26〜35質量%、Mo:6〜12質量%、C:0〜0.3質量%およびN:0.08〜0.20質量%を含有し、残部はCoおよび不可避的不純物の組成になるCo基合金粉末を、圧粉成形後、N2分圧が0.05〜0.15気圧のN2ガスと不活性ガスの混合ガス雰囲気中にて、900〜1100℃の温度で焼結したことを特徴とする塑性加工性に優れる生体用Co基合金の製造方法。
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