JP4487062B2

JP4487062B2 - Ti alloy and its castings

Info

Publication number: JP4487062B2
Application number: JP2000249321A
Authority: JP
Inventors: 峻朱; 晶神谷; 章渡津; 野浪　　亨; 知人飯久保; 昭弘鈴木
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2020-08-21
Also published as: JP2002060871A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規なＴｉ合金に関する。このＴｉ合金は、その加工方法を問わないが、とくに鋳造により製品とするのに適しているから、このＴｉ合金の鋳造品も、本発明の対象に含む。
【０００２】
【従来の技術】
工業用純ＴｉおよびＴｉ合金は、軽量であって耐食性がすぐれているため、工業装置の部品として広く使用されているが、用途はそれに限らず、ゴルフクラブのヘッドや釣り具のような民生品、さらには、人工関節、ボーンプレート等のインプラント部材、歯冠、歯根等の歯科材料といった、各種医療部材にも及んでいる。
【０００３】
純Ｔｉは強度が高くないので、この欠点を補うものとして、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金をはじめとする、種々のＴｉ合金が開発され、使用されている。しかし、医療部材として見たとき、Ｖが細胞毒性を示すという報告があるため、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の使用は避けたい。原料としても、Ｖのような高価なものを使用しないで済めば、より好ましいことである。
【０００４】
このような観点からＴｉ合金を研究してきた発明者らは、Ｔｉに適量のＳｉ、さらにはＳｉに加えて適量のＢを添加するとともに、合金中のＯおよびＮの量を適切に調節することによって、Ｖを含有しない組成においても、常用のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に匹敵する機械的特性、とくに強度を示すものが得られることを見出した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の一般的な目的は、発明者らが得た新しい知見を活用し、安価な合金成分を用いながら、十分な強度を有するＴｉ合金を提供することにありる。本発明の特定的な目的は、有害である可能性をもつ成分を含まず、それゆえ生体にも安心して使用できる、医療部材の材料として好適なＴｉ合金を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の一般的および特定的な目的に叶う本発明のＴｉ合金は、重量で、Ｓｉ：０．２〜２．３％を含有するとともに、［Ｏ＋１．６Ｎ］：０．１〜０．７％を含有し、残部がＴｉおよび不可避の不純物からなるＴｉ合金である。
【０００７】
上記の合金成分に加えて、Ｂ：０．００１〜０．３０％を含有するＴｉ合金もまた、本発明の目的に叶う。
【０００８】
【発明の実施形態】
とくに好ましい合金組成は、Ｓｉ：０．４〜２．３％、かつ、［Ｏ＋１．６Ｎ］：０．２〜０．５％、残部Ｔｉおよび不可避的不純物、である。これらの合金成分に、Ｂ：０．００１〜０．３０％、好ましくは０．０１〜０．２０％を添加した合金組成も、もちろん有用である。
【０００９】
本発明において合金組成を上記のように限定した理由を、以下に説明する。
Ｓｉ：０．２〜２．３％、好ましくは０．４〜２．３％
ＳｉをＴｉに添加すると、チタン・シリサイドＴｉ₅Ｓｉ₃が生成し、これが凝固冷却の過程で析出する。それによって析出強化がはかれるとともに、結晶粒も微細化され、強度を高めることができる。この機構による強度向上の効果は、Ｓｉの添加量が少なくとも０．２％ないと認められない。一方、あまり多量にＳｉを添加すると、上記のシリサイドが粒界を取り巻くように生成し、延性が低下する。適切な範囲は、０．４〜２．３％である。
【００１０】
［Ｏ＋１．６Ｎ］：０．１〜０．７％、好ましくは０．２〜０．５％
ＯはＴｉに固溶して強化する元素であり、しばしば０．１％またはそれ以上、たとえば０．１５％程度まで添加されている。本発明は、上記したＳｉ量のＴｉ−Ｓｉ合金においては、さらに多量の、すなわち０．２％以上のＯを添加してもなお、延性が損なわれず強度の向上がはかれる、という事実の発見に立脚している。一方、強度に対する影響は、添加量の増大につれて飽和するうえ、多量の添加は、鋳造欠陥を招いたりして不利になる。Ｎもまた、Ｏよりは影響が若干小さいものの、Ｏと同様な作用を示す元素である。
【００１１】
そこで、本発明では、［Ｏ＋１．６Ｎ］とひとまとめにして、強度向上の効果が認められる最小限である０．１％を下限とし、効果が飽和して不利益が生じるおそれのない最大限である０．７％を上限として、添加量の範囲を設定した。好適な添加量の範囲は、［Ｏ＋１．６Ｎ］：０．２〜０．５％である。
【００１２】
Ｂ：０．００１〜０．３０％、好ましくは０．０１〜０．２０％
Ｂは少量でホウ化物ＴｉＢを形成する元素であり、前記チタン・シリサイドとともに結晶粒を微細化し、強度および延性を改善する働きをする。この効果は、０．００１％以上の添加で認められ、０．０１％以上で顕著である。一方、多量の添加は粒界におけるホウ化物の析出を助長し、かえって延性を低下させる。この点から適切なＢ量の上限は０．３０％であり、好ましくは０．２０％である。
【００１３】
本発明のＴｉ合金は、前述のように、加工手段に限定があるわけではないが、とくに鋳造に好適であるから、その製品または中間製品として、鋳造品は中心となる存在である。
【００１４】
【実施例】
真空アーク溶解−加圧鋳造装置を使用して、表に記載の合金組成をもつＴｉ合金を溶解し、長さ４５mm、幅２０mm、厚さ１０mmの棒材を鋳造した。この鋳造品から、平行部寸法が長さ１０mm、幅２mm、厚さ０．５mmの引張り試験の試験片を切り出し、引張り特性を測定した。結果は、下の表に示すとおりである。表の比較例Ｃおよび比較例Ｄは、それぞれ工業用純ＴｉおよびＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金である。
【００１５】

【００１６】
【発明の効果】
本発明のＴｉ合金は、Ｔｉに適量のＳｉまたはＳｉおよびＢを添加するとともに、［Ｏ＋１．６Ｎ］の量を適切に調節することにより、延性を保ったまま強度を向上させることに成功したものであって、合金成分は安価であるからコストが低くて済む。生体に有害になる可能性がある成分を含まないから、医療部材の材料としても、安心して使用できる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel Ti alloy. Although this Ti alloy is not particularly limited in its processing method, it is particularly suitable for being made into a product by casting. Therefore, this Ti alloy cast product is also included in the object of the present invention.
[0002]
[Prior art]
Pure industrial Ti and Ti alloys are lightweight and have excellent corrosion resistance, so they are widely used as parts for industrial equipment. However, their use is not limited to this, and consumer products such as golf club heads and fishing gear. Furthermore, it extends to various medical members such as implant materials such as artificial joints and bone plates, and dental materials such as crowns and roots.
[0003]
Since pure Ti is not high in strength, various Ti alloys including Ti-6Al-4V alloy have been developed and used to compensate for this drawback. However, since it has been reported that V shows cytotoxicity when viewed as a medical member, the use of Ti-6Al-4V alloy should be avoided. It is more preferable if it is not necessary to use an expensive material such as V as a raw material.
[0004]
The inventors who have researched Ti alloys from this point of view should add an appropriate amount of Si to Ti, and an appropriate amount of B in addition to Si, and appropriately adjust the amounts of O and N in the alloy. Thus, it has been found that even in a composition containing no V, a mechanical property comparable to that of a conventional Ti-6Al-4V alloy, in particular, strength can be obtained.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, a general object of the present invention is to provide a Ti alloy having sufficient strength while using inexpensive alloy components by utilizing the new knowledge obtained by the inventors. A specific object of the present invention is to provide a Ti alloy suitable as a material of a medical member that does not contain a component that may be harmful and can therefore be used safely in a living body.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The Ti alloy of the present invention that fulfills the above general and specific purposes contains Si: 0.2-2.3% by weight and [O + 1.6N]: 0.1-0.7%. And the balance is Ti alloy consisting of Ti and inevitable impurities.
[0007]
In addition to the alloy components described above, a Ti alloy containing B: 0.001 to 0.30% also fulfills the object of the present invention.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Particularly preferable alloy compositions are Si: 0.4 to 2.3%, [O + 1.6N]: 0.2 to 0.5%, the balance Ti and inevitable impurities. Of course, an alloy composition in which B: 0.001 to 0.30%, preferably 0.01 to 0.20% is added to these alloy components is also useful.
[0009]
The reason why the alloy composition is limited as described above in the present invention will be described below.
Si: 0.2 to 2.3%, preferably 0.4 to 2.3%
When Si is added to Ti, titanium-silicide Ti ₅ Si ₃ is generated and precipitates in the course of solidification cooling. As a result, precipitation strengthening can be achieved and crystal grains can be refined to increase strength. The effect of improving the strength by this mechanism is not recognized unless the amount of Si added is at least 0.2%. On the other hand, when Si is added too much, the above-mentioned silicide is generated so as to surround the grain boundary, and ductility is lowered. A suitable range is 0.4 to 2.3%.
[0010]
[O + 1.6N]: 0.1 to 0.7%, preferably 0.2 to 0.5%
O is an element strengthened by solid solution in Ti, and is often added to 0.1% or more, for example, about 0.15%. The present invention is based on the discovery of the fact that, in the Ti-Si alloy having the Si amount described above, even if a larger amount, that is, 0.2% or more of O is added, the ductility is not impaired and the strength is improved. Standing. On the other hand, the influence on the strength is saturated as the addition amount is increased, and addition of a large amount is disadvantageous because it causes casting defects. N is also an element that exhibits the same effect as O, although its influence is slightly smaller than that of O.
[0011]
Therefore, in the present invention, [O + 1.6N] collectively, the lower limit of 0.1% at which the effect of improving the strength is recognized is set as the lower limit, and the maximum is not likely to cause a disadvantage due to saturation of the effect. The range of the addition amount was set with a certain upper limit of 0.7%. A preferable range of the addition amount is [O + 1.6N]: 0.2 to 0.5%.
[0012]
B: 0.001 to 0.30%, preferably 0.01 to 0.20%
B is an element that forms boride TiB in a small amount, and works to refine the crystal grains together with the titanium silicide to improve strength and ductility. This effect is observed when 0.001% or more is added, and is remarkable when 0.01% or more. On the other hand, the addition of a large amount promotes precipitation of borides at the grain boundaries, which in turn reduces ductility. From this point, an appropriate upper limit of the amount of B is 0.30%, preferably 0.20%.
[0013]
As described above, the Ti alloy of the present invention is not limited in processing means, but is particularly suitable for casting. Therefore, as a product or an intermediate product, the cast product is the main existence.
[0014]
【Example】
Using a vacuum arc melting-pressure casting apparatus, a Ti alloy having the alloy composition shown in the table was melted to cast a bar having a length of 45 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 10 mm. From this cast product, a tensile test specimen having a parallel part dimension of 10 mm in length, 2 mm in width, and 0.5 mm in thickness was cut out and measured for tensile properties. The results are as shown in the table below. Comparative Example C and Comparative Example D in the table are pure industrial Ti and Ti-6Al-4V alloys, respectively.
[0015]

[0016]
【The invention's effect】
The Ti alloy of the present invention has been successfully improved in strength while maintaining ductility by adding an appropriate amount of Si or Si and B to Ti and adjusting the amount of [O + 1.6N] appropriately. In addition, since the alloy components are inexpensive, the cost is low. Since it does not contain components that may be harmful to the living body, it can be used with peace of mind as a material for medical members.

Claims

A Ti alloy containing, by weight, Si: 0.2 to 2.3% and [O + 1.6N]: 0.1 to 0.7%, with the balance being Ti and inevitable impurities.

A Ti alloy containing B: 0.001 to 0.30% in addition to the alloy components according to claim 1.

A cast product of Ti alloy obtained by casting the Ti alloy of claim 1 or 2 into a part shape.