JP2009270163A

JP2009270163A - チタン合金

Info

Publication number: JP2009270163A
Application number: JP2008121974A
Authority: JP
Inventors: Michiharu Ogawa; 道治小川; Toshiharu Noda; 俊治野田; Katsuhiko Ikeda; 勝彦池田; Masato Ueda; 正人上田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-11-19

Abstract

【課題】従来と比較して、低弾性化、低廉化を図ることが可能なチタン合金を提供すること。
【解決手段】質量％で、Ｃｒ：５〜１５％、Ａｌ：１〜８％、および、Ｏ：０．０１〜０．５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物よりなり、溶体化処理後のヤング率が８５ＧＰａ以下であるチタン合金とする。当該チタン合金は、ＢおよびＳｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を、質量％で、０．０１〜０．５％含有していても良い。また、ＣおよびＮからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を、上記Ｏとの合計の質量％で、０．０１〜１．０％含有していても良い。また、ＳｎおよびＺｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を、上記Ａｌとの合計の質量％で、１〜８％含有していても良い。また、質量％で、Ｆｅ：０．０１〜２．０％を含有していても良い。
【選択図】なし

Description

本発明は、チタン合金に関するものである。

チタン合金は、鋼と比較して、軽くて強く、耐食性に優れた材料である。そのため、古くから航空、軍事、宇宙、海洋探査等の分野で使用されてきた。チタン合金は、生体適合性にも優れていることから、最近では、人工骨等の生体用材料として使用されるようになっている。

生体用等に用いられる代表的なチタン合金としては、例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖが知られている。近年では、低弾性化の要求が強く求められており、Ｔｉ−２９Ｎｂ−１３Ｔａ−４．６Ｚｒなども開発されている。

また、特許文献１には、Ｃｒ、Ｆｅ、Ａｌといった元素を適量組み合わせることで、Ｖ、Ｍｏ等の添加を省略したチタン合金も提案されている。

特開２００２−２３５１３３号公報

しかしながら、従来のチタン合金は、未だ十分な低弾性化が図れているとはいえない状況にあった。

また、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−２９Ｎｂ−１３Ｔａ−４．６Ｚｒは、Ｖ、Ｎｂ等といった高価な元素を多く含んでいる。そのため、チタン合金の高コスト化の原因になっていた。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、従来と比較して、低弾性化、低廉化を図ることが可能なチタン合金を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係るチタン合金は、質量％で、Ｃｒ：５〜１５％、Ａｌ：１〜８％、および、Ｏ：０．０１〜０．５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物よりなり、溶体化処理後のヤング率が８５ＧＰａ以下であることを要旨とする。

ここで、上記チタン合金は、ＢおよびＳｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を、質量％で、０．０１〜０．５％含有していても良い。

また、上記チタン合金は、ＣおよびＮからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を、上記Ｏとの合計の質量％で、０．０１〜１．０％含有していても良い。

また、上記チタン合金は、ＳｎおよびＺｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を、上記Ａｌとの合計の質量％で、１〜８％含有していても良い。

また、上記チタン合金は、質量％で、Ｆｅ：０．０１〜２．０％を含有していても良い。

上記チタン合金は、溶体化処理後に冷間加工を施した際のヤング率が８５ＧＰａ以下であることが好ましい。

本発明に係るチタン合金は、上記特定成分を特定割合で含有し、上記溶体化処理後のヤング率が特定の値以下である。そのため、従来に比べ、低弾性化を図ることができる。また、Ｃｒ、Ａｌといった比較的入手しやすく安価な元素を用いているので、低廉化を図ることができる。

さらに、Ｎｂ等を用いていないので、融点が低くなり、溶体化処理等を施す際の熱エネルギー量を減少させることが可能になる。そのため、これによっても低廉化に寄与することができる。

上記チタン合金は、従来のチタン合金に比べ低弾性であることから、生体用材料などとして好適に用いることができる。

以下に、本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明に係るチタン合金は、β相を含む合金であり、以下の構成元素を含有し、残部が実質的にＴｉおよび不可避的不純物よりなる。含まれる構成元素の種類、成分割合および限定理由などは、以下の通りである。なお、成分割合の単位は、質量％である。

・Ｃｒ：５〜１５％
Ｃｒは、β相安定化のために添加する元素であり、比較的安価な元素である。β相の安定化を図る観点から、Ｃｒ含有率の下限を５％以上とする。好ましくは、５．５％以上、より好ましくは、６％以上であると良い。

一方、Ｃｒ含有率が過剰になると、その効果も飽和するし、また、比重も高くなって軽量化の利点が失われるなどの傾向が見られる。そのため、Ｃｒ含有率の上限を１５％以下とする。好ましくは、１４．５％以下、より好ましくは、１４％以下であると良い。

・Ａｌ：１〜８％
Ａｌは、合金のα相を強化する元素であり、比較的安価な元素である。α相の強化を図る観点から、Ａｌ含有率の下限を１％以上とする。好ましくは、１．５％以上、より好ましくは、２％以上であると良い。

一方、Ａｌ含有率が過剰になると、金属間化合物Ｔｉ_３Ａｌが析出し、合金が脆化する傾向が見られる。そのため、Ａｌ含有率の上限を８％以下とする。好ましくは、７．５％以下、より好ましくは、７％以下であると良い。

・Ｏ：０．０１〜０．５％
Ｏは、α相を強化することが可能な元素である。その効果を得るため、Ｏ含有率の下限を０．０１％以上とする。好ましくは、０．０２％以上、より好ましくは、０．０３％以上であると良い。

一方、Ｏ含有率が過剰になると、合金の延性が低下する傾向が見られる。そのため、Ｏ含有率の上限を０．５％以下とする。好ましくは、０．４５％以下、より好ましくは、０．４％以下であると良い。

本発明に係るチタン合金は、上述した必須構成元素に加えて、さらに、以下の元素群より選ばれた少なくとも１種の元素を任意に含有しても良い。

・ＢおよびＳｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素：０．０１〜０．５％
Ｂ、Ｓｉは、ＴｉＢやＴｉ_５Ｓｉ_３などを形成し、結晶粒の粗大化を抑制する効果がある元素である。その効果を得るため、ＢおよびＳｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素の含有率の下限は、０．０１％以上にすると良い。好ましくは、０．０２％以上、より好ましくは、０．０３％以上にすると良い。

一方、ＢおよびＳｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素の含有率が過剰になると、ＴｉＢやＴｉ_５Ｓｉ_３などが粗大化したり、粒界に形成されるため延性が低下する傾向が見られる。そのため、ＢおよびＳｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素の含有率の上限は、０．５％以下にすると良い。好ましくは、０．４５％以下、より好ましくは、０．４％以下にすると良い。

・ＣおよびＮからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素：Ｏとの合計％で、０．０１〜１．０％
Ｃ、Ｎは、Ｏと同様にα相を強化することが可能な元素である。その効果を得るため、ＣおよびＮからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素の含有率の下限は、Ｏとの合計％で、０．０１％以上にすると良い。好ましくは、０．０２％以上、より好ましくは、０．０３％以上にすると良い。

一方、ＣおよびＮからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素の含有率が過剰になると、合金の延性が低下する傾向が見られる。そのため、ＣおよびＮからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素の含有率の上限は、Ｏとの合計％で、１．０％以下にすると良い。好ましくは、０．９５％以下、より好ましくは、０．９％以下にすると良い。

・ＳｎおよびＺｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素：Ａｌとの合計％で、１〜８％
Ｓｎ、Ｚｒは、α相およびβ相の両方を強化することが可能な元素である。その効果を得るため、ＳｎおよびＺｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素の含有率の下限は、Ａｌとの合計％で、１％以上にすると良い。好ましくは、１．５％以上、より好ましくは、２％以上にすると良い。

一方、ＳｎおよびＺｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素の含有率が過剰になると、ヤング率が上昇するなどの傾向が見られる。そのため、ＳｎおよびＺｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素の含有率の上限は、Ａｌとの合計％で、８％以下にすると良い。好ましくは、７．５％以下、より好ましくは、７％以下にすると良い。

・Ｆｅ：０．０１〜２．０％
Ｆｅは、Ｃｒと同様にβ相安定化のために添加可能な元素である。添加により機械的性質の向上を図るなどの観点から、Ｆｅ含有率の下限は、０．０１％以上にすると良い。好ましくは、０．０２％以上、より好ましくは、０．０３％以上にすると良い。

一方、Ｆｅ含有率が過剰になると、溶解時にＦｅが偏析しやすくなるなどの傾向が見られる。そのため、Ｆｅ含有率の上限は、２．０％以下にすると良い。好ましくは、１．９５％以下、より好ましくは、１．９％以下にすると良い。

上述した本発明に係るチタン合金は、溶体化処理後のヤング率が８５ＧＰａ以下である。低弾性化を図りやすくなるなどの観点から、好ましくは、８４ＧＰａ以下、より好ましくは、８３ＧＰａ以下であると良い。

なお、本発明に係るチタン合金は、溶体化処理が施されていても良いし、施されていなくても良い。「溶体化処理後のヤング率が８５ＧＰａ以下」とは、上述した成分割合のチタン合金があったときに、当該合金に溶体化処理が施されているか否かに関わらず、当該合金に溶体化処理を施して加工等の影響を一旦取り除き、この溶体化処理が施された後の合金から試験片を採取し、自由共振法により測定した際のヤング率が８５ＧＰａ以下という意味である。

本発明に係るチタン合金は、好ましくは、溶体化処理後に冷間加工を施した際のヤング率が８５ＧＰａ以下であると良い。生体材料等の用途に合わせて形状を付与する際に冷間加工が好適に施されるため、製品の低弾性化に寄与しやすくなるからである。より好ましくは、８４ＧＰａ以下、さらに好ましくは、８３ＧＰａ以下であると良い。

上記冷間加工としては、例えば、スウェージング加工、引抜加工、押出加工、圧延加工、プレス、曲げ、転造などを例示することができる。

次に、本発明に係るチタン合金の製造方法の一例について説明する。
本発明に係るチタン合金を得るには、先ず、上述した化学組成となるように各原料を秤量し、例えば、プラズマスカル炉や真空アーク溶解炉などの種々の溶解炉を用いて、チタン合金インゴットを溶製する。

その後、得られたチタン合金インゴットを、必要に応じて、熱間鍛造、熱間圧延するなどすれば、所望の形状のチタン合金を得ることができる。

また、得られたチタン合金インゴットに対して、必要に応じて、溶体化処理、時効処理などの熱処理を施しても良い。また、必要に応じて、冷間あるいは温間での加工も可能である。

上記溶体化処理としては、具体的には、例えば、組成に応じて定まるβ相変態温度以上の温度に加熱した後、急冷する方法などを例示することができる。これにより、均一なβ相が得られやすく、優れた強度、靱性を付与することができる。

また、上記時効処理の温度としては、具体的には、例えば、３５０〜６００℃、好ましくは、４５０〜５５０℃の温度を例示することができる。上記時効処理を行った場合には、合金の硬さが増加するので、機械的性質を向上させることができる。

以上説明した本発明に係るチタン合金の用途は、特に限定されるものではない。本発明に係るチタン合金の用途としては、例えば、人工骨、人工歯根等の生体材料、医療器具、ＭＲＩ等の医療装置部材、ファスナー部材、産業用部材などを好適な用途して例示することができる。

以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。
初めに、後述する表１に示す化学組成（単位は質量％）となるように、プラズマスカル炉を用いて、質量約６ｋｇ、直径１００ｍｍの各チタン合金インゴットを溶製した。

次いで、得られた各チタン合金インゴットを９５０℃に加熱して熱間鍛造を行い、直径２０ｍｍの丸棒とした。

次いで、得られた各丸棒を９００℃で１時間保持した後、水冷することにより、溶体化処理を施し、実施例、比較例に係る試験材（１）とした。なお、一部の比較例については、溶体化処理を施さなかった。

また、上記とは別に、得られた各丸棒を９００℃で１時間保持し、水冷して溶体化処理を施した後、さらに、加工率５０％の冷間加工を施し、実施例に係る試験材（２）とした。

（ヤング率）
上記各試験材（１）・（２）から、ＪＩＳＺ２２８０に準拠し、ヤング率測定用試験片（２ｍｍ×８ｍｍ×６０ｍｍ）を作製した。その後、上記試験片を用いて、ヤング率を自由共振法により測定した。

（引張強さ）
上記各試験材（１）・（２）から、機械加工によってＡＳＴＭＥ８に規定される３号引張試験片（直径６．３５ｍｍ、標点距離２５ｍｍ）を作製した。

次いで、上記各引張試験片を用いて引張試験を行い、引張強さを測定した。なお、引張試験装置には、インストロン型引張試験機を使用した。また、クロスヘッド速度は、５×１０^−５ｍ／ｓとした。

（硬さ）
上記各試験材（１）・（２）から直径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの素材を切り出し、ビッカース硬度計（荷重３００ｇ）を用いて、ビッカース硬さを５点平均で測定した。

表１に実施例、比較例に係るチタン合金の化学組成を、表２、表３に上記評価結果を示す。

上記評価結果によれば、以下のことが分かる。すなわち、比較例１に係るチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）は、本発明で規定される条件を満たしていないので、低弾性化が十分でないことが分かる。また、高価なＶを含んでいるので、低廉化を図る上でも不利であるといえる。

比較例２、３に係るチタン合金は、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒを含有している。そのため、低廉化を図る上では有利であるといえる。しかしながら、本発明で規定される条件を満たしていないので、低弾性化が十分でないことが分かる。

これらに対し、実施例に係るチタン合金は、何れも本発明で規定される条件を満たしているので、従来のチタン合金と比較して、低弾性化、低廉化を図ることが可能なことが確認できた。

以上、本発明に係るチタン合金について説明したが、本発明は、上記実施形態、実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能なものである。

Claims

質量％で、
Ｃｒ：５〜１５％、
Ａｌ：１〜８％、および、
Ｏ：０．０１〜０．５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物よりなり、溶体化処理後のヤング率が８５ＧＰａ以下であるチタン合金。
ＢおよびＳｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を、質量％で、０．０１〜０．５％含有する請求項１に記載のチタン合金。
ＣおよびＮからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を、前記Ｏとの合計の質量％で、０．０１〜１．０％含有する請求項１または２に記載のチタン合金。
ＳｎおよびＺｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を、前記Ａｌとの合計の質量％で、１〜８％含有する請求項１から３の何れかに記載のチタン合金。
質量％で、
Ｆｅ：０．０１〜２．０％を含有する請求項１から４の何れかに記載のチタン合金。
溶体化処理後に冷間加工を施した際のヤング率が８５ＧＰａ以下である請求項１から５の何れかに記載のチタン合金。