JP2013198698A - マグネシウム合金製インプラントとその加工方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マグネシウム合金を押出し加工することにより、塑性変形したマグネシウム合金成形材料を得る押出し工程S1と、該押出し工程S1により得られたマグネシウム合金成形材料を押出し方向に対して70°〜110°の角度で切断する切断工程S2と、該切断工程S2により得られた塊状マグネシウム合金材料に対して押出し方向に直交する方向の圧縮力を加える圧縮工程S3とを含むマグネシウム合金製インプラントの加工方法を提供する。
【選択図】図1
Description
本発明の一態様は、マグネシウム合金を押出し加工することにより、塑性変形したマグネシウム合金成形材料を得る押出し工程と、該押出し工程により得られたマグネシウム合金成形材料を押出し方向に対して70°〜110°の角度で切断する切断工程と、該切断工程により得られた塊状マグネシウム合金材料に対して前記押出し方向に直交する方向の圧縮力を加える圧縮工程とを含むマグネシウム合金製インプラントの加工方法を提供する。
このようにすることで、非底面すべりを発生させて加工性を向上することができる。
このようにすることで、医療用マグネシウム合金で代表的な希土類を含む合金、より具体的にはWE43に対しても割れを発生させることなく塑性加工することができる。
このようにすることで、マグネシウム合金の材料粒径を微細化させ均質にすることができる。すなわち、塊状マグネシウム合金材料に圧縮力を加えていくと、45%程度の圧下率において、再結晶粒径がほぼ平衡に達するので、材料粒径を均質にして耐食性を向上することができる。ここで、圧下率は、
圧下率=(圧縮前の厚さ−圧縮後の厚さ)/圧縮前の厚さ×100(%)
により算出することができる。
このようにすることで、金型から塊状マグネシウム合金材料に加えられる圧力を潤滑剤によって分散させ、均一変形に近づけることができる。
このようにすることで、塑性加工に伴い金属新生面が発生しても、該金属新生面が金型に直接接触して凝着あるいは焼き付きを生じないように、潤滑剤によって保護することができる。その結果、不良品の発生や、金型の損傷の発生を防止することができる。
このようにすることで、圧縮工程によって圧縮されたマグネシウム合金材料が、せん断工程にかけられることによって塑性加工製品が製造される。せん断工程は、例えば、プレス装置による打ち抜き加工である。この場合に、せん断加工に伴い、切断面には比較的滑らかなせん断部分(せん断面)と瞬間的に分離し荒れた面を呈する破断部分(破断面)が発生するが、せん断工程を1.5mm/sec以下の圧下速度で行うことにより、切断面における破断部分を50%以下に抑え、応力集中の原因となる破断領域を少なくして、高い強度の塑性加工製品を製造することができる。
上述したように、c軸に平行な圧縮力に対する変形は、c軸に直交する圧縮力に対する変形よりも変形し難いので、主たる荷重方向にc軸を配向することによって、強度を向上することができる。
このようにすることで、マグネシウム合金の金属結晶のc軸をほぼ厚さ方向に配向させ、構造欠陥が少なく、厚さ方向の荷重に対する強度を向上することができる。
このようにすることによっても、マグネシウム合金の金属結晶のc軸をほぼ厚さ方向に配向させ、構造欠陥が少なく、厚さ方向の荷重に対する強度を向上することができる。
この場合に、打ち抜き加工により形成された厚さ方向に沿う面におけるせん断面の割合が厚さに対して50%以上であることが好ましい。
このようにすることで、応力集中の原因となる破断部分を少なくして強度の高いマグネシウム合金製インプラントを提供することができる。
本実施形態に係る加工方法は、図1に示されるように、マグネシウム合金材料を押出し加工して塑性変形したマグネシウム合金材料を得る押出し工程(ステップS1)と、押し出されたマグネシウム合金材料を切断する切断工程(ステップS2)と、切断された塊状マグネシウム合金材料に圧縮力を加える圧縮工程(ステップS3)と、該圧縮工程において圧縮されたマグネシウム合金材料から製品を打ち抜く打ち抜き工程(ステップS4)とを備えている。
実際には、極点図測定等によって、押出し材1の(0001)面の配向性を測定し、(0001)面が顕著に配向されている面に対して直交する角度で切断して塊状マグネシウム合金材料2を得ることが好ましい。
そして、圧縮工程S3は、潤滑剤を塗布する工程と、金型によって塊状マグネシウム合金材料2を圧下する工程とを複数回繰り返して行うようになっている。
ここで、圧下率は、下式により表される。
圧下率=(圧縮前の厚さ−圧縮後の厚さ)/圧縮前の厚さ×100(%)
本実施形態に係る加工方法によりマグネシウム合金材料を塑性加工するには、まず、マグネシウム合金素材を押出し工程S1によって押出し加工することにより、棒状の押出し材1を得る。
また、圧縮工程S3においては、金型と塊状マグネシウム合金材料2との間に潤滑剤が塗布された状態で圧縮力Fが加えられるので、潤滑剤の作用によって、圧縮力Fが塊状マグネシウム合金材料2と金型との接触面全面に分散され、塊状マグネシウム合金材料2の全体にわたってより均一な圧縮力Fを加えることができる。
(実施例1)
実施例1は、塊状マグネシウム合金材料2に対する圧縮力Fの印加方向と、圧縮後の板状のマグネシウム合金材料の表面における金属結晶の配向性との関係を示す。
図5(a)に、本実施形態に係る加工方法と同様に、押出し工程S1における押出し方向に対して垂直な方向に圧縮力Fを加えた場合(A材)、図5(b)に、押出し方向に対して平行な方向に圧縮力Fを加えた場合(B材)の板状のマグネシウム合金材料の表面における金属結晶の配向性を示す。
これらの図5(a)、(b)から、各圧縮方法で圧縮した場合のズレ角の平均値および集積幅を算出すると、表1の通りとなる。
これらの図6(a)、(b)から、各圧縮方法で圧縮した場合のズレ角の平均値および集積幅を算出すると、表2の通りとなる。
実施例2は、医療応用に適した塊状マグネシウム合金材料2(WE43)に対して圧縮力Fを加える際の圧縮条件を変化させて行われたものである。
試料としては、直径8mm長さ12mmの塊状マグネシウム合金材料2を使用し、圧縮工程S3における加熱温度を300℃、375℃、450℃と変化させ、圧縮時の圧下速度を5mm/sec、0.5mm/sec、0.05mm/secと変化させた結果を表3に、さらに、加熱温度を350℃、400℃、450℃と変化させ、圧縮時の圧下速度を1mm/sec、0.1mm/sec、0.01mm/secと変化させた結果を表4に示す。
また、図7に加熱温度375℃、圧下速度0.05mmの場合、図8に加熱温度375℃、圧下速度5mm/secの場合、図9に加熱温度450℃、圧下速度0.05mm/secの場合、図10に加熱温度450℃、圧下速度5mm/secの場合、図11に加熱温度350℃、圧下速度1mm/secの場合、図12に加熱温度350℃、圧下速度0.01mm/secの場合の、真ひずみ率εと負荷σとの関係をそれぞれ示す。
ここで、圧下率は、
圧下率=(圧縮前の厚さ−圧縮後の厚さ)/圧縮前の厚さ×100(%)
と表すことができる。
厚さ1mmの板状のマグネシウム合金材料(WE43)2を350℃に加熱した状態で、圧下速度を変化させてせん断力を加えた場合について、図13および図14を参照して説明する。
図13は、打ち抜き工程S4において、厚さ方向に形成された切断面における破断面部分の比率(破断面率)と、圧下速度との関係を示している。また、図14は、圧下速度を変化させたときの、切断面の顕微鏡写真であり、(a)圧下速度0.24mm/sec、(b)圧下速度1.44mm/sec、(c)圧下速度1.92mm/secの場合をそれぞれ示している。これらの図によれば、圧下速度が大きくなればなるほど、破断面率が大きくなることが示され、破断面率と圧下速度とは略比例関係にあることがわかった。
1 押出し材(マグネシウム合金成形材料)
2 塊状マグネシウム合金材料
S1 押出し工程
S2 切断工程
S3 圧縮工程
S4 打ち抜き工程(せん断工程)
Claims (13)
- マグネシウム合金を押出し加工することにより、塑性変形したマグネシウム合金成形材料を得る押出し工程と、
該押出し工程により得られたマグネシウム合金成形材料を押出し方向に対して70°〜110°の角度で切断する切断工程と、
該切断工程により得られた塊状マグネシウム合金材料に対して前記押出し方向に直交する方向の圧縮力を加える圧縮工程とを含むマグネシウム合金製インプラントの加工方法。 - 前記圧縮工程に先立って、または前記圧縮工程において、前記塊状マグネシウム合金材料を加熱する加熱工程を含む請求項1に記載のマグネシウム合金製インプラントの加工方法。
- 前記加熱工程が、300℃より高く、マグネシウム合金の融点以下の温度で前記塊状マグネシウム合金材料を加熱する請求項2に記載のマグネシウム合金製インプラントの加工方法。
- 前記加熱工程が、350℃以上、マグネシウム合金の融点以下の温度で前記塊状マグネシウム合金材料を加熱する請求項2に記載のマグネシウム合金製インプラントの加工方法。
- 前記圧縮工程が、45%以上の圧下率で前記塊状マグネシウム合金材料を圧縮する請求項2または請求項3に記載のマグネシウム合金製インプラントの加工方法。
- 前記圧縮工程が、前記塊状マグネシウム合金材料との間に潤滑剤を塗布した状態の金型によって圧縮力を加える請求項1から請求項4のいずれかに記載のマグネシウム合金製インプラントの加工方法。
- 前記圧縮工程が、前記金型との前記塊状マグネシウム合金材料との間への潤滑剤の塗布と、圧縮力の印加とを少なくとも2回繰り返す請求項5に記載のマグネシウム合金製インプラントの加工方法。
- 前記圧縮工程の後に、圧縮されたマグネシウム合金材料から製品を切り出すせん断工程を含み、
該せん断工程が、1.5mm/sec以下の圧下速度で行われる請求項1から請求項7のいずれかに記載のマグネシウム合金製インプラントの加工方法。 - 主たる荷重方向に金属結晶のc軸が配向されているマグネシウム合金製インプラント。
- 厚さ方向に対する金属結晶の(0001)面の法線のズレ角の平均値が、25°以下である請求項9に記載のマグネシウム合金製インプラント。
- 表面に沿う方向に対する金属結晶の(0001)面の法線のズレ角の平均値が、80°以上であり、かつ、ズレ角の最大値の16〜84%となるズレ角の累計分布の幅が50°以下である請求項9に記載のマグネシウム合金製インプラント。
- 打ち抜き加工により製造された請求項9から請求項11のいずれかに記載のマグネシウム合金製インプラント。
- 打ち抜き加工により形成された厚さ方向に沿う切断面におけるせん断部分の割合が厚さに対して50%以上である請求項11に記載のマグネシウム合金製インプラント。
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