JP3760488B2

JP3760488B2 - Low melting point high strength titanium alloy and casting

Info

Publication number: JP3760488B2
Application number: JP23920895A
Authority: JP
Inventors: 道彦藤根
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1995-08-23
Filing date: 1995-08-23
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2015-08-23
Also published as: JPH0959732A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は歯科用鋳造品等として好適な低融点高強度チタン合金及び鋳造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歯科用の義歯床，クラウン，ブリッジ等の金属材料として、従来コバルト−クロム合金が用いられている。
これに対し近時チタンが、機械的性質に優れ、軽量であり、生体との馴染みが良く、また耐食性が良いなどの特長を有していることから歯科用の材料として注目されている。
【０００３】
しかしながらチタンは一方で融点が１６７０℃と高融点であり、義歯床等を鋳造する際の鋳造温度が高くなる問題がある。
しかもチタンは高温度での活性が高く、従って鋳造時にチタンが鋳造型となる耐火材の酸素と反応してチタンの酸化物を形成し、硬く、脆く、また伸びが少なくなって、歯科用材料としての適正が損なわれてしまうといった固有の問題がある。
【０００４】
図１はＴｉＯ₂や各種酸化物の標準生成自由エネルギー、つまり酸化物の安定度を比較して示したものであって、図示のようにチタンは酸化物を生成し易い。
而してチタンは図２に示しているように酸化物形成によって、即ち酸素を含有することによって且つその酸素含有量が多くなるにつれて硬度が硬く、強度が強くなる一方、伸びが低下し、歯科用の義歯床やクラウン，インレー等の鋳造品の加工性を低下させる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願の発明はこのような課題を解決するためになされたものである。
而して本願の発明は、チタン合金組成を重量％でＣｒ：１６〜４０％を含有するとともに、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｐｄ，Ｓｉ，Ｓｎの１種又は２種以上を、Ｃｕ：１〜（３６．８−１．０５［Ｃｒ］）％，Ｆｅ：１〜７％，Ｍｎ：１〜９％，Ｐｄ：０．２〜１５％，Ｓｉ：０．６〜１．５％，Ｓｎ：１〜８％の範囲で含有し、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなる組成とすることを特徴とする。
【０００６】
【作用】
以上のように本発明は、ＴｉにＣｒを１６〜４０重量％の範囲で含有させ、更にＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｐｄ，Ｓｉ，Ｓｎ等を第三成分として適正量で含有させたものである。
【０００７】
而してＴｉにＣｒを含有させた場合、その含有量とともに物理的性質が変化し、とりわけその融点がＣｒの含有量の増加とともに効果的に低下する。
図３はＣｒ含有による物理的性質の変化を示したもので、この図からＣｒの含有量の増加とともに融点が連続的に低下すること、とりわけＣｒを１６％以上含有させることによって融点が１５５０℃以下に低下することが分かる。
【０００８】
尚、Ｃｒを４０％を超えて含有させた場合、融点はＣｒ含有量の増加ほどには低下せず、逆に含有量が一定以上多くなると却って融点が上昇傾向に転ずる。
【０００９】
而してチタン合金の融点が低下した場合、これを耐火材製の鋳造型を用いて鋳造したとき、低い温度での鋳造が可能となって、その鋳造の際にチタン中に酸素が取り込まれるのを抑制することができる。
【００１０】
図４はチタン合金の融点と酸素含有量との関係を表わしたもので、図示のように融点が下がるにつれて酸素含有量は効果的に減少している。
【００１１】
即ち、チタン合金の融点が低下することによって、これを歯科用の材料として用いたとき加工性が良く、また良好な表面肌が得られるようになる（酸素含有量が多いと表面肌が荒れるようになる）。
【００１２】
本発明は、上記のように第三成分としてＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｐｄ，Ｓｉ，Ｓｎを含有させることを特徴としている。
これら一群の元素はαＴｉ，βＴｉ相に固溶してマトリックス相を固溶強化する元素であり、これら元素を第三成分として合金化することにより、チタン合金の強度を効果的に高め得ることが確認された。
尚、添加すべき第三成分を選択する場合においてその望ましい順位はＣｕ，Ｐｄ，Ｓｎ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｓｉの順である。
【００１３】
次に本発明における各成分の限定理由を以下に具体的に説明する。
Ｃｒ：１６〜４０％
Ｃｒ含有量が低いと、延性は良いが融点が高くなってしまい、低融点チタン合金としてのメリットがなくなってしまう。そこでＴｉ−Ｃｒ合金の融点が１５５０℃である１６％を下限とした。
一方、Ｃｒ含有量を増大していくと硬さが増大し、高強度化が図れるが、延性も低減してしまう。特に４０％を超えると著しい脆化が認められたので、上限を４０％とした。望ましくは２０〜３０％である。
【００１４】
Ｃｕ：１〜（３６．８−１．０５［Ｃｒ］）％
Ｃｕが１％未満では高強度化は期待できない。Ｃｕ添加量を増していくと硬さが大きくなり、強度も向上する。図５に示すように延性のあるＣｕ含有量の範囲はＣｒ含有量に依存していることが分かった。そこでＣｕの上限値は３６．８−１．０５［Ｃｒｗｔ％］から計算される値とした。
【００１５】
Ｆｅ：１〜７％
Ｆｅの含有量１％未満では高強度化の効果がほとんどなくなり、また７％を超えると硬さが著しく大きくなり、延性がほとんどなくなってしまう。望ましくは２〜５％である。
【００１６】
Ｍｎ：１〜９％
Ｍｎの含有量１％未満では高強度の効果がほとんどなくなり、また９％を超えると硬さが著しく大きくなり、延性がなくなってしまう。望ましくは２〜７％である。
【００１７】
Ｐｄ：０．２〜１５％
Ｐｄはチタンの耐食性を向上させる合金として知られているが、０．２％未満では高強度化は期待できない。
一方、１５％を超えると合金の延性がなくなるという問題がある。望ましくは１〜１０％である。
【００１８】
Ｓｉ：０．６〜１．５％
Ｓｉは０．６％以上の添加で強度が向上する。但し多量に添加すると延性が低下するため、１.５％以下とした。
【００１９】
Ｓｎ：１〜８％
Ｓｎの含有量１％未満では高強度の効果がほとんどなくなり、また８％を超えると硬さが著しく大きくなり、延性がなくなってしまう。望ましくは２〜６．５％である。
【００２０】
【実施例】
次に本発明の実施例を以下に詳述する。
表１に示す各種組成のチタン合金を純チタン，金属クロム及びＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ等の材料を適量に配合した約１５０ｇの原料を用いてアルゴン雰囲気中，水冷銅ルツボ中でアーク溶解した。
尚、組成の均一化を図るためにボタンインゴットを裏返して溶解する操作を４回繰り返して実施した。
この条件及び手順でインゴットを製造し、これより試験片を作成してビッカース硬さ測定及び常温圧縮試験を行なった。
ここでビッカース硬さ測定は、樹脂に埋め込んだ試験片の一面を鏡面研磨して荷重３００ｇで微小硬度計を用いて測定した。
また常温圧縮試験は４ｍｍφ（直径）×７ｍｍ（高さＨｏ）の試験片を用いて油圧式万能試験機を用いて歪速度［数１］の条件で行なった。
結果が表１に併せて示してある。
【００２１】
【数１】

【００２２】
【表１】

【００２３】
この結果から、Ｃｒを本発明の範囲内で含有させ、また第三成分としてのＣｕ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｐｄ，Ｓｉ，Ｓｎを含有させることによってチタン合金の融点を効果的に低下させ、また強度を高め得ることが分かる。
【００２４】
以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその主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。
【００２５】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、チタン合金の融点を低下させて鋳造時における酸化反応を抑制でき、以て加工性の良好なチタン鋳造品を得ることができるとともに、強度においても優れたチタン鋳造品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＴｉＯ₂を含む各種酸化物の標準生成自由エネルギーを比較して示す図である。
【図２】チタンにおける酸素含有量と物理的性質の関係を表す図である。
【図３】チタンにクロムを合金化した場合のクロム含有量と合金融点を含む物理的性質の変化の関係を表す図である。
【図４】チタン合金の融点と酸素含有量との関係を示す図である。
【図５】チタン−クロム合金に銅を添加した場合の延性の評価を示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a low-melting-point high-strength titanium alloy suitable for dental castings and the like, and a casting.
[0002]
[Prior art]
Cobalt-chromium alloys have been conventionally used as metal materials for dental denture bases, crowns, bridges and the like.
On the other hand, titanium has recently attracted attention as a dental material because of its excellent mechanical properties, light weight, good familiarity with living organisms, and good corrosion resistance.
[0003]
However, titanium, on the other hand, has a high melting point of 1670 ° C., and there is a problem that the casting temperature when casting a denture base or the like becomes high.
Moreover, titanium is highly active at high temperatures, and therefore, titanium reacts with oxygen in the refractory material that becomes a casting mold during casting to form titanium oxide, which is hard, brittle, and less stretched. There is an inherent problem that the suitability of the system is impaired.
[0004]
FIG. 1 shows a comparison of the standard free energy of formation of TiO ₂ and various oxides, that is, the stability of the oxide. Titanium tends to generate an oxide as shown in the figure.
Thus, as shown in FIG. 2, titanium is hardened and strengthened as a result of oxide formation, that is, by containing oxygen and as its oxygen content increases, while elongation decreases, This lowers the workability of cast products such as denture bases, crowns, and inlays.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The invention of the present application has been made to solve such problems.
Thus, the invention of the present application contains the titanium alloy composition in Cr: 16 to 40% by weight, and at least one of Cu, Fe, Mn, Pd, Si, Sn, Cu: 1 to (36.8-1.05 [Cr])%, Fe: 1-7%, Mn: 1-9%, Pd: 0.2-15%, Si: 0.6-1.5%, Sn: It is contained in the range of 1 to 8%, and the balance is made of Ti and inevitable impurities .
[0006]
[Action]
As described above, the present invention contains Ti in a range of 16 to 40% by weight and further contains Cu, Fe, Mn, Pd, Si, Sn and the like as a third component in an appropriate amount. .
[0007]
Thus, when Cr is contained in Ti, physical properties change with the content thereof, and in particular, the melting point thereof is effectively lowered with an increase in the Cr content.
FIG. 3 shows the change in physical properties due to the Cr content. From this figure, the melting point continuously decreases with increasing Cr content, in particular, the melting point becomes 1550 ° C. by containing 16% or more of Cr. It turns out that it falls below.
[0008]
In addition, when Cr is contained exceeding 40%, the melting point does not decrease as the Cr content increases, and conversely, when the content increases beyond a certain level, the melting point tends to increase.
[0009]
Thus, when the melting point of the titanium alloy is lowered, when it is cast using a casting mold made of a refractory material, casting at a low temperature becomes possible, and oxygen is taken into titanium during the casting. Can be suppressed.
[0010]
FIG. 4 shows the relationship between the melting point of the titanium alloy and the oxygen content. As shown in the figure, the oxygen content effectively decreases as the melting point decreases.
[0011]
That is, when the melting point of the titanium alloy is lowered, when it is used as a dental material, the workability is good and a good surface skin can be obtained (the surface skin becomes rough when the oxygen content is high). become).
[0012]
As described above, the present invention is characterized by containing Cu, Fe, Mn, Pd, Si, and Sn as the third component.
These groups of elements are elements that solid-solution strengthen the matrix phase by dissolving in the αTi and βTi phases. By alloying these elements as a third component, the strength of the titanium alloy can be effectively increased. confirmed.
When selecting the third component to be added, the desirable order is Cu, Pd, Sn, Fe, Mn, and Si.
[0013]
Next, the reasons for limiting each component in the present invention will be specifically described below.
Cr: 16-40%
If the Cr content is low, the ductility is good, but the melting point becomes high, and the merit as a low melting point titanium alloy is lost. Therefore, 16% where the melting point of the Ti—Cr alloy is 1550 ° C. is set as the lower limit.
On the other hand, when the Cr content is increased, the hardness increases and the strength can be increased, but the ductility is also reduced. In particular, when it exceeds 40%, significant embrittlement was observed, so the upper limit was made 40%. Desirably, it is 20 to 30%.
[0014]
Cu: 1 to (36.8-1.05 [Cr])%
If Cu is less than 1%, high strength cannot be expected. Increasing the amount of Cu added increases hardness and improves strength. As shown in FIG. 5, it was found that the range of the ductile Cu content depends on the Cr content. Therefore, the upper limit value of Cu is a value calculated from 36.8-1.05 [Cr wt%].
[0015]
Fe: 1-7%
If the Fe content is less than 1%, the effect of increasing the strength is almost lost, and if it exceeds 7%, the hardness is remarkably increased and the ductility is almost lost. Desirably, it is 2 to 5%.
[0016]
Mn: 1-9%
If the Mn content is less than 1%, the effect of high strength is almost lost, and if it exceeds 9%, the hardness is remarkably increased and the ductility is lost. Desirably, it is 2 to 7%.
[0017]
Pd: 0.2 to 15%
Pd is known as an alloy that improves the corrosion resistance of titanium, but if it is less than 0.2%, high strength cannot be expected.
On the other hand, if it exceeds 15%, there is a problem that the ductility of the alloy is lost. Desirably, it is 1 to 10%.
[0018]
Si: 0.6 to 1.5%
The strength of Si is improved by adding 0.6% or more. However, if added in a large amount, the ductility decreases, so the content was made 1.5% or less.
[0019]
Sn: 1-8%
If the Sn content is less than 1%, the effect of high strength is almost lost, and if it exceeds 8%, the hardness is remarkably increased and the ductility is lost. Desirably, it is 2 to 6.5%.
[0020]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described in detail below.
Titanium alloys having various compositions shown in Table 1 were arc-dissolved in a water-cooled copper crucible in an argon atmosphere using about 150 g of raw materials in which pure titanium, metallic chromium, and materials such as Cu, Fe, and Mn were blended in appropriate amounts.
In order to make the composition uniform, the button ingot was turned over and melted four times.
An ingot was manufactured under these conditions and procedures, a test piece was prepared from the ingot, and a Vickers hardness measurement and a room temperature compression test were performed.
Here, the Vickers hardness was measured by mirror-polishing one surface of the test piece embedded in the resin and using a micro hardness tester with a load of 300 g.
The room temperature compression test was conducted using a test piece of 4 mmφ (diameter) × 7 mm (height Ho) using a hydraulic universal testing machine under the condition of strain rate [Equation 1].
The results are also shown in Table 1.
[0021]
[Expression 1]

[0022]
[Table 1]

[0023]
From this result, Cr is contained within the scope of the present invention, and Cu, Fe, Mn, Pd, Si, Sn as the third component is effectively reduced, and the melting point of the titanium alloy is effectively reduced. It can be seen that can be increased.
[0024]
Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, this is merely an example, and the present invention can be implemented in variously modified forms without departing from the gist of the present invention.
[0025]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the melting point of the titanium alloy can be lowered to suppress the oxidation reaction during casting, so that a titanium cast product with good workability can be obtained, and titanium excellent in strength can also be obtained. A cast product can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a comparison of standard free energies of formation of various oxides containing TiO ₂ .
FIG. 2 is a graph showing the relationship between oxygen content and physical properties in titanium.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between changes in physical properties including chromium content and alloy melting point when chromium is alloyed with titanium.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the melting point and the oxygen content of a titanium alloy.
FIG. 5 is a diagram showing an evaluation of ductility when copper is added to a titanium-chromium alloy.

Claims

In addition to containing Cr: 16-40% by weight%, one or more of Cu, Fe, Mn, Pd, Si, Sn is Cu: 1- (36.8-1.05 [Cr])%
Fe: 1-7%
Mn: 1-9%
Pd: 0.2 to 15%
Si: 0.6 to 1.5%
Sn: 1-8%
A low-melting-point, high-strength titanium alloy, characterized in that the remainder is comprised of Ti and inevitable impurities .

A casting of a dental denture base, crown, bridge, inlay or the like using the titanium alloy according to claim 1.