JP5272532B2

JP5272532B2 - β型チタン合金

Info

Publication number: JP5272532B2
Application number: JP2008158811A
Authority: JP
Inventors: 寛宮脇; 俊治野田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-06-18
Also published as: JP2010001502A

Description

この発明は生体用材料等として好適なチタン合金、特にβ型チタン合金に関する。

チタン合金は耐食性に優れ、生体との馴染み（生体適合性）の良い材料でしかも軽量、高強度であり、こうした特性により従来から生体用材料として用いられてきた。
その代表的な合金としてα＋β型チタン合金であるTi-6Al-Vが挙げられるが、このものは弾性率（ヤング率）が生体用材料として、例えば人工骨材料や補助材料としては高過ぎるといった問題がある。

例えばこの合金を骨折した個所に固定して使用した場合、生体の骨の有する弾性率に対し、チタン合金の有する弾性率が異なり且つ高過ぎるために（生体の骨の弾性率が２０〜４０ＧＰａであるのに対し、上記チタン合金の弾性率は１１０ＧＰａ程度である）、外からの力に対して主としてチタン合金がこれを受けてしまって、生体の骨に対して力があまりかからなくなり、結果として骨への刺激が少なくなって骨が痩せ、細くなってしまうといった問題を生ずる。
またTi-6Al-4V合金は、そこに含有されるVが生体に対し毒性を有するとの指摘もなされている。

人工骨材等に好適な材料として、下記特許文献１にはNbを15〜50％，Taを6〜20％含有したチタン合金が開示されている。その代表的な合金組成はTi-29Nb-13Ta-4.6Zrである。
しかしながらこのチタン合金は、高融点のNb，Taを多量に含有していることから、合金自体が非常に高融点で製造性が悪く、また高価な原料であるNb，Taを多く含んでいるために合金のコストも高価となってしまう。
更にこの合金は溶体化処理状態で非常に強度が低いといった問題も有している。

一方下記特許文献２には、生体適合性を有する、融点が低くて加工が容易なチタン合金が開示されている。
このものは質量％でNb：25〜35％，Zr：5〜20％を含有し、更にCr，Fe，Siから選択される少なくとも１種を0.5％以上含有し、残部がTi及び不可避的不純物から成る組成のβ型チタン合金である。
この特許文献２に開示のβ型チタン合金は高融点のTaの使用を避け、低融点化元素を添加した合金組成を有している。
しかしながらこの特許文献２に開示のチタン合金は、高融点のNbを多量に含有しており、これに起因して合金の融点がなお高融点であり、またコストも高い問題を有する。

特開平１０−２１９３７５号公報特開２００５−２９８４５号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、高融点で高価なTaを使用することなく低弾性率を実現でき、また従来材と同等若しくは場合によってそれ以上の強度を有する生体適合性に優れたβ型チタン合金を提供することを目的としてなされたものである。

而して請求項１のものは、質量％でNb：10.5〜25％未満，Zr：0.1〜10％及びCr：0.1〜8％，Mo：0.1〜10％，Mn：0.1〜5.8％，Fe：0.1〜4％のうちのCrを含む１種若しくは２種以上を下記式(１)，式(２)を満たすように含有し、残部がTi及び不可避的不純物から成る、弾性率８０ＧＰａ以下であることを特徴とする。
Ｘ＝Mo+1.25Cr+1.7Mn+2.5Fe：4〜10・・・式(１)
(Nb/3.5)+Ｘ：11〜13 ・・・・・・・・・式(２)
（但し式中の元素記号は各元素の含有質量％を表す）

請求項２のものは、請求項１において、質量％でSn：0.1〜8％を、Zr+Sn：0.1〜10％且つZr≧Snとなる量で含有させてあることを特徴とする。

請求項３のものは、請求項１において、質量％でSn：0.1〜8％，Al：0.1〜6％の１種又は２種を、Zr+Sn+Al：0.1〜10％且つZr≧Snとなる量で含有させてあることを特徴とする。

請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、O，C，Nの１種又は２種以上の元素を全体を合計した総和の質量％で0.01〜1％含有させてあることを特徴とする。

請求項５のものは、請求項４において、引張強度が９００ＭＰａ以上であることを特徴とする。

発明の作用・効果

以上のように本発明は、Taを添加せず、且つNbの含有量を25％未満に低く抑えつつ、Zr並びにCr，Mo，Mn，FeのうちのCrを含む１種以上を適正量且つ適正なバランスで添加することによって、チタン合金をβ型チタン合金となし且つその弾性率を８０ＧＰａ以下の低弾性率となした点を特徴としたものである。

Nb，Taはチタン合金の弾性率を低弾性率化する上で最も有用な元素であるが、これら元素を多量に添加すると上記のようにチタン合金が非常に高融点となって製造性が悪化し、またコストが高くなるといった問題を生ずる。

ここにおいて本発明は、Nbの添加量を25％未満と低く抑え、これと併せてZr，Crを必須元素として添加するとともに、β安定化元素としてのMo，Cr，Mn，Fe等を上記の式(１)，式(２)を満たすように所定量で且つ適正な質量比率となるように加え、チタン合金をβ型チタン合金となし且つその弾性率を低くなし得たものである。

尚、式(１)のＸはMo当量を表しており、その値が4未満であると添加量不足によりチタン合金を十分にβ型チタン合金とした上でその弾性率を低くすることができない（Ｘが4未満の下で低弾性率化しようとするとNbの添加量を25％を超えて多く含有しなければならない）。
一方Ｘが10を越えて大となると、添加量過大となって合金の弾性率を高めてしまう。

他方式(２)の値は、弾性率が最も低くなる範囲（極小となる範囲）を表しており、式(２)の値が11未満であっても、或いは逆に13超であっても弾性率は高くなってしまう。

かかる本発明によれば、合金を低融点化して製造性を高め得、またコストを安価に抑えつつチタン合金の弾性率を８０ＧＰａ以下に有効に低弾性率化でき、また十分な強度を発現させることができる。

本発明ではZrの一部を置換する形でSn：0.1〜8％をZr+Sn：0.1〜10％且つZr≧Snの範囲内となるように含有させることができる（請求項２）。

或いはZrの一部を置換する形でSn：0.1〜8％，Al：0.1〜6％の１種又は２種をZr+Sn+Al：0.1〜10％且つZr≧Snの範囲内となるように含有させることができる（請求項３）。

更に本発明ではO，C，Nの何れか１種以上の元素を合計で0.01〜1％含有させることができる（請求項４）。
これら元素の添加により、合金の引張強度を９００ＭＰａ以上まで高めることも可能となる（請求項５）。

次に本発明の各化学成分の限定理由を以下に詳述する。
Nb：10.5〜25％未満
Nbは細胞毒性がないと考えられている元素であり、マトリックスを低弾性率で冷間加工性の高いβ相にする働きがある。
その添加量が少ないと冷間加工性に乏しく、弾性率も十分に低下しない。また、その添加量が多くなると溶解性が著しく低下し、弾性率も高くなるため、本発明ではその添加量は10.5％以上25％未満に止める。好ましくは15％以上24％以下である。

Mo，Cr，Mn，Feはβ相を安定化させる働きがあり、低Nbの下で弾性率を低くする効果がある。但し過剰の添加は弾性率を上昇させ、加工性を悪化させるため、Mo：0.1〜10％，Cr：0.1〜8％，Mn：0.1〜5.8％，Fe：0.1〜4％とする。
好ましくは、Mo：1〜3％，Cr：3〜5％，Mn：0.5〜2％，Fe：0.1〜2.0％である。

Zrは、硬質相であるω相の析出を抑制してω相の析出による弾性率上昇を抑え、またα相とβ相の両方に固溶して強化作用を示す合金元素で、その含有量が不足すると弾性率が十分に低下せず、強度も不充分となり、使用中に折損する可能性がある。逆に含有量が過剰になると熱間加工性や冷間加工性を大幅に低下させてしまうため、0.1〜10％の範囲内とする。好ましくは3〜8％である。

Snは、α相とβ相の両方に固溶して強化作用を示す合金元素であり、ω相の析出を抑制し、弾性率をより一層低下させる働きもある。しかし過剰の添加は弾性率を上昇させるため、0.1〜8％とする。好ましくは0.5〜2％である。

Alはω相の析出を抑制し、弾性率をより一層低下させ、マトリックスに固溶して強化作用を示す合金元素である。但し多量の添加は延性を低下させるため0.1〜6％の範囲内とする。好ましくは0.1〜2.0％である。

O，C，N：0.01〜1％
O，C，Nはマトリックス中に固溶して強化作用を示す合金であり、その効果は0.01％から現れ、1％を超えると材料の延性低下につながるため、0.01〜1％とする。好ましくは0.2〜0.4％である。

次に本発明の実施形態を以下に詳述する。
アルゴン雰囲気中にてアーク溶解法にて合金を溶解，鋳造し、高さ１５ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ８５ｍｍ，重量１５０ｇのインゴットを得た。次に加熱温度１０００℃で熱間プレスにより高さ１５ｍｍを高さ４ｍｍまでプレスし、板材とした。
その後、８００℃で１時間保持後、水冷して溶体化処理（ＳＴ）を施し、試験片加工を行い（試験片形状は弾性率測定用：２ｍｍ×８ｍｍ×６０ｍｍ、引張試験用：２ｍｍ×２０ｍｍ×８０ｍｍ）、試験を実施した。
弾性率測定はＪＩＳＺ２２８０に準拠し、室温にて試験片の共振周波数の測定結果（共振法）から求めた。また、弾性率については、溶体化処理後に５０％冷間圧延を施した試験片についても測定を実施した。

結果が表１に示してある。

表１に示しているように実施例は全て、８０ＧＰａ以下の弾性率が得られている。また実施例３，１０，１１に見られるようにO，C，N（浸入型元素）を添加した合金は引張強度が高くなっている。これはO，C，Nの固溶強化によるものであると考えられる。また、溶体化処理後に５０％圧延を施した材料に関してもほぼ同等の弾性率が得られている。
これに対し比較例２，４はβ安定化元素（Nb及びＸ）の添加量が多く弾性率が高い。これはNb，Ｘの弾性率に近づいたため弾性率が高くなったと考えられる。
比較例３，５，６はβ相の安定度が不充分であるため、弾性率が高いと考えられる。

以上本発明の実施形態を詳述したが、これはあくまで一例示であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。

Claims

質量％で
Nb：10.5〜25％未満
Zr：0.1〜10％
及び
Cr：0.1〜8％
Mo：0.1〜10％
Mn：0.1〜5.8％
Fe：0.1〜4％
のうちのCrを含む１種若しくは２種以上を下記式(１)，式(２)を満たすように含有し、残部がTi及び不可避的不純物から成る、弾性率８０ＧＰａ以下のβ型チタン合金。
Ｘ＝Mo+1.25Cr+1.7Mn+2.5Fe：4〜10・・・式(１)
(Nb/3.5)+Ｘ：11〜13 ・・・・・・・・・式(２)
（但し式中の元素記号は各元素の含有質量％を表す）
請求項１において、質量％でSn：0.1〜8％を、Zr+Sn：0.1〜10％且つZr≧Snとなる量で含有させてあるβ型チタン合金。
請求項１において、質量％でSn：0.1〜8％，Al：0.1〜6％の１種又は２種を、Zr+Sn+Al：0.1〜10％且つZr≧Snとなる量で含有させてあるβ型チタン合金。
請求項１〜３の何れかにおいて、O，C，Nの１種又は２種以上の元素を全体を合計した総和の質量％で0.01〜1％含有させてあるβ型チタン合金。
請求項４において、引張強度が９００ＭＰａ以上であるβ型チタン合金。