JP3766519B2

JP3766519B2 - チタン合金

Info

Publication number: JP3766519B2
Application number: JP26911597A
Authority: JP
Inventors: 充雄伊藤; 良平熊谷; 雅美吉武; 謙介日高
Original assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd
Current assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2017-10-02
Also published as: JPH11106852A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の合金は、チタンよりも低融点で融点付近の融液がチタン材とよくなじみ、外科医療に使用される人工関節や歯科治療に使用される人工歯根等のような、生体へ埋め込まれる金属製インプラントのうち、それらがチタン及びチタン合金である場合の接合補修または部材とりつけ接合に用いて特にその効果を奏するチタン合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インプラントに用いる金属または合金は生体の体液へ溶出した場合、その元素によっては、何らかの疾患を引きおこすか、その誘引になることが懸念され、溶出元素と疾患の種類との関係について多くの研究がなされて来た。いっぽう材料面からは擬似体液中で時間との関係でイオン溶出量の少ないものが先ず選ばれ動物実験等により安全性の検討がなされて来た。
これらの結果、チタンおよび或種のチタン合金等が選ばれ、インプラント材へ適用されることが多くなって来た。しかるに、チタンはインプラント材への加工に難点を残しており、とくに歯科用の義床やブリッヂを遠心鋳造や加圧鋳造によってつくる際には、チタンの鋳造性が悪いため、その細部構造に鋳造欠陥を生じやすく、歩留りの低いことを克服して、所期のものが得られるまで試作をくり返す必要があった。また、人工関節の１部では、骨への固定効果を上げる方法のひとつとしてスクリューネジどめに代わるか、または補う形でのペグを設けることがあり、その場合、形状的に機械加工上の制約があって十分な形のペグを設けにくく、人工関節そのものを生体骨へ接着するボーンセメント等の他の固定補助手段が必要であった。
【０００３】
これらの製作において、金属的に接合できれば、形状設計上極めて有効であるが、接合用合金の開発には生体有害性から、使用できる元素に制約があること、およびチタンは多くの他の元素と金属間化合物を形成し、ろう接材としての湯流れを阻害する場合が多く、本発明が目的とする生体インプラントに適用できるろう接用チタン合金は、未だ開発されていない。もし、一般の工業材料で行われているように母材と同質のチタン及びチタン合金をフィラーメタルとして溶接しようとすると、本発明が目的としている生体用材料では、母材が小物であるため、プラズマやレーザーのような集中熱源を使ったとしても母材の溶け落ちは避けられないので、溶接は、なされていないのが現状である。
また、チタンまたはチタン合金以外のＣｏ合金やＮｉ合金の歯科用金属材料では、金、銀、パラジウム等の合金が接合用材料として用いられているが、今後は生体アレルギーなどを考慮してチタン及びチタン合金への転換がはかられており、接合用合金についてもチタンを主成分とした合金の開発が望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
生体用金属部材において、接合を適用したい部分には薄肉厚かまたは小物があり、複雑な形状を有するので、接合の際の入熱量は低く抑えないと母材の溶け落ちを生ずるか、形状の変形をもたらすものである。このため母材より融点の低い接合用合金で、チタン系母材とのなじみが良く、とくにろう接法に使う場合は狭い間隙にも流入しやすい液体物性を備えていることが必要である。
合金化元素としては、その多くは長時間生体内へ挿入されるので微量溶出した場合癌の誘引になることが懸念されているＮｉ、Ｚｎ、ＣｄおよびＰｂは避けたい元素である。また、チタンよりそれほど融点が低くない元素をチタンへの合金化添加元素として選ぶにおいても、それらとの共晶点はあまり低くないものが多く、且つ、チタンとの金属間化合物等により、融点付近での液体のひろがりに不十分なものが多い。この場合でもクロムやバナジウムは、アレルギー性が高いので、今のところ避けたい元素である。以上のとおり、本目的に適用できるチタンへの添加合金元素の選択には極めて狭い制約がつけられる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
チタン及びチタン合金からなる生体挿入材の接合用チタン合金として本発明は質量％でＭｎを３〜１５％、Ａｇを５〜３０％含み、残りはＴｉより成る事を特徴とするチタン合金である。また、他の態様として質量％でＭｎを３〜１５％、Ａｇを５〜３０％含み、さらにＣｏ１〜５％、Ｓｉ０．１〜１．５％を含み、且つＣｏ＋Ｓｉを５．１以下に制限し、残りはＴｉより成る事を特徴とするチタン合金である。これらの合金はチタンが基材であるため、通常の耐火材によってつくられた溶解炉を使用すると炉材構成元素の混入があるので、真空または不活性ガス雰囲気のもとでカルシアルツボを使用するか、またはこれらの雰囲気中で水冷銅容器によるハース溶解等によりつくり得るものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
【作用】
本発明のチタン基合金は不活性ガス雰囲気の下でチタン及びチタン合金母材上での湯流れと融液のひろがりを考慮して融点を１９００Ｋ以下とし、さらに接合用合金として硬さについてはＨＶ３００以下にすることを合金設計上のひとつの目安とした。その結果得られた本発明は、請求項１において合金化元素としてＭｎおよびＡｇを選んだ。これらはいづれもＴｉとの合金において比較的低温度までβ相領域を有する組成域をもっており、脆化を避け得るものである。Ｍｎはその量が増えるにしたがい硬化するが、本発明の上限値である１５％以下では硬化の程度は小さい。また、Ｍｎは少量の添加でも融点を下げるものであり、本発明合金では３％以上で効果がある。Ａｇは本発明の合金系において他元素の存在下においても、その量によって硬化する傾向はみられず、むしろ融液の母材へのなじみを良くし、その量は５％以上において効果がある。融点について言えば、Ａｇは若干の低融点化をもたらすものである。したがって、Ａｇ量は上限を本発明の請求範囲の上限値である３０％以上にすることも可能であるが、実用接合作業の中で生ずる表面の酸化色が母材のそれと変ることからその上限値を３０％にした。
【０００７】
請求項２は請求項１の他にさらにＣｏおよびＳｉを特定の量添加するものである。これらの元素を添加することによっていづれも硬化が大きくその量的傾向はＳｉ量の段階に応じＣｏ添加量に対する硬化の傾向が変わってくる。Ｓｉ量が低いときはＣｏ量の増加に対する硬化の程度は小さい。このためＳｉの量は上限を１．５％に制限し、且つＣｏ５％以下においてＣｏ＋Ｓｉの量は５．１％以下にすることでＳｉ量の高い方ではＣｏの過剰添加を行わないものである。
ＣｏおよびＳｉは硬化傾向がある反面、融点の低下には極めて有効な元素であり、Ｃｏについては、本発明に至る過程で２６％までの添加は、その量が増加するにしたがって融点はなお低下する傾向であった。Ｓｉについても８％付近まで融点は下がることがわかった。そして、その低融点化の効果はＣｏで１％以上、Ｓｉで０．１％以上にみられた。しかし硬化が大きいため夫々上限を５％および１．５％とし、且つその範囲の中でＣｏ＋Ｓｉの量を５．１％以下にするものである。
【０００８】
【実施例】
アルゴンガス雰囲気の下で、水冷銅容器を用いてくり返しアーク溶解してインゴットをつくった。それらの各試料について硬さ測定ののち、熱分析装置により一定加熱速度の下で溶融完了温度を求めた。これらの結果を表１に例示する。また、各試料の５×５×５ｍｍの立方体を切り出し、鏡面研磨したＴｉの平面板の上に置き、管状炉を使ってアルゴン雰囲気のもとで１９００Ｋに３．６ｋｓの時間保持したあとの各合金の溶着形状を観察し、母材Ｔｉとのなじみ、表面の平滑性およびシュリンケージの形態を観察した本発明の合金は、いづれも良好なひろがりをもっており、表面は光沢をもって平滑なものでシュリンケージホールもなく凝固われの生じにくいものと判定され、これらの合金系が接合材として適正であることを示した。
【０００９】
本発明に含まれるＴｉ−Ｍｎ−Ａｇ合金のＮｏ．２および６について、鋳造と圧延により、直径が約３ｍｍの棒に加工し、これらをフィラーメタルとして、直径が６ｍｍ、長さ６０ｍｍのチタン丸棒をアルゴンガス雰囲気中のグローブボックスの中でＴｉｇアーク溶接を行なった。溶接部が母材面と同じになるよう余盛部を削除したのち、引張試験の結果いづれも母材で破断した。また、Ｔｉ−Ｍｎ−Ａｇ−Ｃｏ−Ｓｉ合金のＮｏ．１０および１３についてはテープ状に加工した。直径６ｍｍ、長さ６０ｍｍのチタン丸棒２本の断面同志を突き合わせ、この部分を前記合金テープで覆い１４７３Ｋで真空加熱しろう接を行なった、接合部の余盛削除後、引張試験の結果、いずれも母材から破断した。
【００１０】
【表１】

【００１１】
【発明の効果】
チタン及びチタン合金が軽くて生体内の安全性や耐食性にすぐれている事からステンレス鋼やコバルトクロム合金などに代わって人工関節や各種歯科材料に使われはじめた。しかし、チタン系金属は従来使われて来たステンレス鋼やコバルトクロム合金にくらべ鋳造に難点があり、鋳造欠陥が生じ成功率が低いのでくり返し鋳造を試みねばならなかった。
これを溶接によって補修または溶接構造にするため、母材と共金を接合材料として用いることが試みられてきたが、接合作業そのものに多くの熟練を要するものであった。溶接の失敗はすべて母材の溶損であり、これを防止するために、本発明は母材より融点の低い合金を提供し、溶接およびろう接を可能にした。さらに、ガン疾患のおそれありとされた来た合金元素を用いないようにして、生体用材料としての効果を得たものである。これによって人工関節や歯科用材の形状設計に自由度を広げると共に、鋳造欠陥の少ない歯科用鋳造チタン合金としての活用に道を広げる効果がある。

Claims

質量％でＭｎを３〜１５％、Ａｇを５〜３０％含み、残りはＴｉであることを特徴とするチタン合金。
質量％でＭｎを３〜１５％、Ａｇを５〜３０％含み、さらにＣｏ１〜５％、Ｓｉ０．１〜１．５％を含み、且つＣｏ＋Ｓｉを５．１％以下に制限し、残りはＴｉより成る事を特徴とするチタン合金。