JPH09510501A

JPH09510501A - 合成物、合金及び方法

Info

Publication number: JPH09510501A
Application number: JP7524188A
Authority: JP
Inventors: ダリルディーンアミック; ジョンシー．ヘイガース; ハーシェルアール．ヘンソン; サリベハリバーデゥリ; ケントウェインストレイ
Original assignee: テラダインインダストリーズインコーポレイテッド
Priority date: 1994-03-17
Filing date: 1995-03-17
Publication date: 1997-10-21
Also published as: WO1995025183A1; AU2227595A; KR970701798A; EP0750684A4; CN1143981A; EP0750684A1; CZ265496A3; US5868879A; CN1054647C

Abstract

(57)【要約】あるチタニウムジルコニウム合金は、小さな割合のニオビウム、タンタルもしくはバナジウム又はこれらの混合物を利用することによって制御可能に酸化され、これから形成された物品を部分的に酸化させることによって、深く、硬い、表面層を含む一体構造の酸化物を形成するか又はさらにもしくは完全に酸化させることによってサーメット又はセラミック体を形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】合成物、合金及び方法発明の分野本発明は、金属上のセラミック層、成形されたセラミック体、サーメット製品、合成物の製造及びこのような製造に使用される合金に関し、特に、反応によって形成されるセラミックス、それにより作られる製品、この製造に使用される合金に関する。発明の背景チタニウムとジルコニウムもしくはハフニウムとの合金の多くは、温度が緩やかに上昇している場合に、空気中で非常に急速に酸化することを特徴としている。このような特徴を有しているので、合金の他の物理的特徴は有用であろう多くの用途において、合金の有用性が制限されてきた。特に、合金が軽量であること、強度を有すること、耐摩耗性を備えること、さらに導電性を有すること、生物学的に適合性があること、閉じられた型を形成し易いこと、その他の望ましい特性は、比較的低い温度で空気中において合金が点火する可能性があるので、十分利用されていなかった。加工中の合金の酸化を低減するためにとられている現在の方法では、酸化の問題が完全に解決されていない。発明の目的従って、本発明の目的は、ある種のチタニウムとジルコニウムとの合金に有用性を与えることである。本発明のもう一つの目的は、このような合金及び合金により生成された化合物から直接、反応によりある種のセラミックを製造する方法を提供することである。さらに、本発明の目的は、このような合金に、硬く、滑らかで、実質上、不活性であり、刃物類から、植え込み可能な人工器官まで多様な用途に適している表面を形成する方法及びこのような密着表面を新たにする方法を提供することである。図面の簡単な説明図１は、時間を関数とした７００℃での特定合金の重量増加の表ＩＩＩに報告されている結果のいくつかを表しているグラフである。図２は、時間を関数とした８００℃での特定合金の重量増加の表ＩＩＩに報告されている結果のいくつかを表しているグラフである。図３は、ニオビウムを様々な量、添加することがＴｉ−Ｚｒ合金の酸化率に与える影響を表しているグラフである。図４は、ニオビウムを様々な量、添加することによって化学的に反応しにくいように表面処理された、チタニウムを多く含むジルコニウム合金の不動態化の範囲を原子パーセントで表している三元酸化図である。図５は、アメリカセラミック協会誌１６９頁、１９７５付録、窯業者のための位相図であり、レビン、イー．、エイチ．マックマーディーによる出版の、チタニウム、ジルコニウム及びニオビウムの混合物の１５００℃での位相図である。図６は７５０℃で１０分間空気中で酸化された本発明による不動態化Ｔｉ−Ｚｒ−Ｎｂ合金のティルトサンプルの表面を示す顕微鏡写真である。図７は７５０℃で２０分間空気中で酸化された本発明による不動態化Ｔｉ−Ｚｒ−Ｎｂ合金のティルトサンプルの表面を示す顕微鏡写真である。図８は７５０℃で３０分間空気中で酸化された本発明による不動態化Ｔｉ−Ｚｒ−Ｎｂ合金のティルトサンプルの表面を示す顕微鏡写真である。図９は１２００℃で１時間窒化された純ジルコニウムの顕微鏡写真である。図１０は１２００℃で１時間窒化されたチタニウムの顕微鏡写真である。図１１は１２００℃で１時間窒化された本発明による不動態化Ｔｉ−Ｚｒ−Ｎｂ合金の顕微鏡写真である。図１２は１２００℃で６時間窒化された本発明による不動態化Ｔｉ−Ｚｒ−Ｎｂ合金の顕微鏡写真である。図１３は８００℃で１０分間空気中で酸化された本発明による不動態化Ｔｉ− Ｚｒ−Ｎｂ合金のティルトサンプルの表面を示す顕微鏡写真である。図１４は８００℃で３０分間空気中で酸化された本発明による不動態化Ｔｉ− Ｚｒ−Ｎｂ合金のティルトサンプルの表面を示す顕微鏡写真である。図１５は１３００℃で空気中で酸化された本発明による不動態化Ｔｉ−Ｚｒ− Ｎｂ合金の薄い金属部分の顕微鏡写真である。図１６は１２００℃で２４時間空気中で酸化された本発明による合金の顕微鏡写真である。図１７は１０００℃で３９時間空気中で酸化された本発明による合金の顕微鏡写真である。図１８は１１００℃で６４時間空気中で酸化された本発明による合金の顕微鏡写真である。図１９は１４００℃で本発明によって形成されたセラミックの２００倍の顕微鏡写真である。図２０は１５００℃で本発明によって形成されたセラミックの２００倍の顕微鏡写真である。図２１は、Ｎｂ添加によって形成された不動態化の範囲全体を原子パーセントで表しているＴｉ、Ｚｒ及びＮｂの合金すべての三元酸化図である。図２２は、ニオビウムを様々な量、添加することによって不動態化されたチタニウムを多く含むジルコニウム合金の不動態化範囲を原子パーセントで表している三元酸化図である。図２３は、温度を関数としたＴｉＺｒＴａ及びＴｉＺｒＮｂ合金を含む合金の重量増加を表しているグラフである。発明の要約発明者は、チタニウム、ジルコニウム及び／又はハフニウムを含む合金と、ニオビウム、タンタル及びバナジウムからなるグループから選択される小量の金属とから基板を形成することによって、金属体にセラミック体及び多様なセラミック表面層が形成されることを発見した。合金基板の酸化を制御することによって、金属の酸化物を本来の位置に得ることができる。さらに、本発明は、小量のニオビウム又はタンタルの存在において急速な酸化に対してチタニウム及びジルコニウム合金を不動態化する場合に、特に有効である。さらに、選択された合金に金属を含む酸化物が選択された酸化体と反応することによって合金構造全体に形成可能なので、一体構造のサーメット及びセラミック体構造のいずれかが適切な酸化条件を選択することによって形成される。発明の詳細な説明明細書及び添付の請求の範囲に使用する用語を下記のように定義する。「セラミック」は古典的な意味のセラミック材に限定して解釈されるものではなく、即ち非金属及び無機材の全体を含み、むしろ組成及び優性特性のいずれかに関してセラミックが主要素をなす材料に関する。但し、この材料は一以上の金属成分を小量または相当量含んでいてもよい。「微小孔構造」：孔の直径が約１〜１０μｍ（「ミクロン」）である多孔性これに対して、「マクロ孔構造」における孔は１０μｍ（ミクロン）よりもかなり大きい。「酸化反応製品」は通常、ある金属が他の元素、化合物又はこれらの組合せに電子を譲るか又は電子を共有している酸化状態における一以上の金属を意味する。従って、このように定義された「酸化反応製品」には、酸化体と本願で述べられているような一以上の金属との反応による製品が含まれている。「酸化体」は、工程条件によって固体、液体、気体またはこれらの組合せでもよい一以上の電子受容体又は電子共有体を意味する。「親金属」は、不純物及び／又は合金成分を含む市場で入手可能な比較的、純粋な金属、及びこれらの金属の合金並びに金属間化合物に関する。特定の金属について述べられている場合、文脈に他の意味が記載されていなければ、この定義を考慮に入れて解釈されるものとする。上述したように、固体、液体、蒸気相の酸化体又はこのような酸化体の組合せが使用可能である。例えば、強調可能な酸化体には制限なく酸素、窒素、アンモニア、ハロゲン、硫黄、リン、ヒ素、炭素、ホウ素、セレニウム、テルル、及びこれらの化合物並びに組合せ、例えばシリカ（酸素源として）、メタン、エタン、プロパン、アセチレン、エチレン、プロピレン（炭素源として）、及び空気分留アンモニア、Ｎ₂／Ｈ₂、Ｈ₂／ＣＨ₄、その他の炭化水素Ｈ₂／Ｈ₂Ｏ、ＣＯ／ＣＯ₂が含まれる。後者の二つ（即ちＨ₂／Ｈ₂Ｏ及びＣＯ／ＣＯ₂）は環境の酸素活動を低減させる上で有用である。蒸気相（ガス）酸化体が好ましい。また、本発明の実施例において蒸気相の酸化体の使用について記載している。ガスまたは蒸気酸化体が使用される場合、「蒸気相酸化体」は酸化雰囲気を形成する気化された又は通常ガス状の材料を意味している。例えば、酸素、空気を含む、酸素を含む空気を含むガス混合物は明らかに経済上の理由で好ましい。酸化体が特定のガス又は蒸気を含むとされる場合、これは、酸化環境の条件において親金属の単一の酸化剤とされる特定のガスまたは蒸気からなる酸化体を意味する。例えば、空気の主要成分は窒素であるが、酸素は窒素よりも実質上、強い酸化体であるので、空気に含まれる酸素が親金属の酸化剤になる。従って、空気は「酸素含有ガス」酸化体の定義に含まれるが、通常「窒素含有ガス」酸化体の定義には含まれない。好適な実施における本発明を、チタニウム、ジルコニウムもしくはハフニウムの合金、又は金属添加がなされない合金よりも上述の温度での急速で、燃焼状の酸化に対して合金全体がより耐性を備えるように小量のその他の特定金属が添加された合金混合物に関して以下に記載する。急速な反応を避けるように酸化条件が十分制御される場合、本発明の実施例において組成制限は広くなる。例えば、制御されない酸化を防ぐのに十分な量の不活性ガス希釈剤又は還元ガス希釈剤を使用することによって、又は合金の表面を高濃度のガス状酸化体に過度にさらさないようにして、制御されない酸化を防ぐことができる。しかしながら、特に利点のある治金特性を得るためには、空気中で上昇温度大気圧で、即ち通常、燃焼が生じるであろう条件で酸化反応を行う必要があるかもしれない。従って、ニオビウム、タンタル、バナジウム又はこれらの混合物からなるグループから選択される小量の不動態化金属又は合金によって、ジルコニウム、ハフニウム又はこれらの混合物を含むチタニウム合金を不動態化する必要がある。上述した不動態化は、酸素圧力が過度であり、Ｔｉ合金がニオビウム、タンタルまたはバナジウムで不動態化される場合にも予想される。後に詳述するが、ここに記載されているチタニウム合金及びこの合金を酸化物もしくは酸化反応製品に変換する方法を制御することによって、従来技術とは根本的に異なるサーメットまたはセラミック製品の製造が可能であり、無機質のセラミック状材料を金属表面に固着するか若しくは溶融塩等で表面を不動態反応させるか、又は溶融金属のみの酸化によってセラミック体を反応形成するか若しくは前もって形成されたマトリックスに酸化可能金属を浸透させセラミックを形成することによって、不活性で摩耗耐性を有する表面又はサーメット若しくはセラミック体が形成される。通常、ここに述べられている合金のいくつかを空気中で急速に燃焼状の反応をさせることによって、親金属及び合金成分の単一または混合酸化物を含む密ではない粉体が製造される。当然、このような結果は、さらにセラミックを処理する工程をとらずに、セラミック体の製造をするには十分ではない。本発明による制御された酸化によって、直接、ほぼ所定の深さ若しくは厚さを有する単一で一体構造の密着層、又は堅固なセラミック若しくはサーメット体が形成される。本発明による方法は、成形されたセラミック体、セラミックと金属との合成物の形成、及び金属に平滑で硬く衝撃強さを有するセラミック表面を形成するのに適している。酸化可能な金属を他の金属又はセラミック基板に固着させ次に表面を酸化体と接触させることによって、所望の深さ若しくは厚さを有するセラミック層が形成され、又は選択された基板上に完全に酸化されたセラミックの外層が形成される。同様に、強化セラミック体に酸化による変換をする前に、金属に強化材又は強化材の前駆物質を含めることによって強化合成セラミックが製造可能である。また本発明によって、高温で、ここに述べるセラミックに変換可能なセラミック体に上述の合金を強化材として使用することが提案されている。本発明はその実施例において、約３００℃〜８００℃、好ましくは約５００℃ 〜８００℃で、空気その他の適切な酸化体含有ガス内で、上述した不動態化合金の表面に酸化層が形成される。これらの層は、密着性があり一体構造を有し硬く平滑で摩耗耐性を備え、温度及び時間によって所望の深さを有する表面層である。通常、２〜５０ミクロン以上の層が容易に形成可能である。さらに、好適な合金を複雑な形状に形成可能なので、合金から酸化物または混合酸化物への変換が、好ましくは約８００℃〜約１５００℃の温度で十分な時間、制御可能であり、実質上完全に酸化され、酸化工程が様々な温度で同じ開始材におこなわれた場合、通常、孔のサイズが可変であり均一に分布された微小孔構造を有するセラミック成形物が製造される。ここに述べられている方法及び組成による酸化速度は適度であるため、適度な温度及び比較的短時間で親金属または合金上に比較的厚い酸化層を形成することができる。これは図６〜８に明らかに示されている。従って、親金属に硬い表面が形成される一方で、その下の金属基板の強さ又は硬さが維持される。例えば、表面酸化物の厚さが２．５〜２５μｍの場合、３５重量％のジルコニウム、１０重量％のニオビウム、残りはチタニウムからなるチタニウム合金からなる刃物の刃先の硬さは約ＲＣ７０である。この刃物を空気中で、十分な時間、約３００℃ 〜約８００℃に加熱することによって、上述した硬く平滑な酸化物又はセラミック層が形成される。摩耗した刃物の表面を新たに硬化する必要がある場合は、約３００℃の温度に達することができる従来の自己清浄オーブンのようなすぐに入手可能な設備を使用することによって上述の方法を繰り返してもよい。上述したチタニウム合金の製造可能性は優れているので、本発明の最終用途に対する有用性は高められた。広範囲の機械特性が得られる。通常、３５重量％のジルコニウム及び１０重量％のニオビウムを含むチタニウム合金は１、３５０° Ｆで２、０００〜３、０００ｐｓｉの降伏強度しか有していない（２００％の伸び率）。しかしながら、このような合金は、溶液処理、焼き入れ、時効硬化によって室温で１４０，０００ｐｓｉの降伏強度を得る。合金は閉じられた型で複雑な形状に鍛造された後、ここで述べられている制御された酸化工程によって表面が硬化する一方、上述した製造工程によって機械的特性のいくつかを維持する。製品は、ここで述べられているように完全に酸化することによって一体構造のセラミック体となる。前もって形成された合金を酸化することによって、人骨に相当する弾性率その他の特性を備えた、ほぼ最終形状を有するセラミック製品が製造可能である。同様に、合金を焼流し精密鋳造によって所望の形状に形成した後、記載されている方法による部分的または完全な酸化を行うこともできる。このように、刃物類、歯科用鋳造品、成形外科用人口器官を製造することができる。特に、例えば火器機構に使用される高い耐摩耗性を必要とする小さな部品の場合、本発明の実施が有用である。例えばきわめて高い分子量のポリエチレンのようなプラスチック要素に対して使用されるように意図されている医療装置を製造する際、本発明の実施により予期しない利点が得られる。成形品は、本発明による制御された酸化の後、平滑な表面層が形成されるので、成形外科用人工器官を植え込む際に望ましくない現象であるプラスチックの摩滅、即ちプラスチックがすり減って小さな粒子になることが妨げられる。このような長所に加え、チタニウム−ジルコニウム合金は生物に対する適合性に優れ、通常低い弾性率を有する材料が形成可能なので、記載されているように成形品は医療装置、特に人工器官に非常に好適である。弾性率が低いので、哺乳動物の骨のように比較的硬度の低いものに適合する。同様に、セラミックへ変換された時の容量変化はほとんどの用途において受け入れ可能であり、膨張率が不適合である場合の問題も最小である。合金の組成及び生成を調節することによって最適な所望の特性を得るために過度な実験を行うことは必要であると思われない。ここに述べる合金から物品を形成する理由は現時点では十分理解されていない。本発明の実施による利点を有する特徴は、合金をその二つの成分の粒子境界に存在している第三合金成分に溶解させることによって溶解された酸素をチタニウムとジルコニウムとの二成分からなる合金に比較的急速に移送することから得られると考えられる。このような機構は、比較的低温で得られるセラミック層が、ここに述べられている酸化が行われると除去し易いスケールができるであろう従来の表面現象のみで形成される酸化物と比べて、その単一構造及び密着力が維持される理由を理解する助けとなるであろう。従って、酸化体の移送特性が高い合金材は本発明の実施における使用に適しているはずである。本発明の実施において、ニオビウム、タンタル及びバナジウムによってＴｉ−Ｚｒの二成分からなる合金の点火特性が不動態化されセラミック形成のために溶解された酸素を移送できることが発見された。特定の理論に拘束されない本発明を、さらに理解し易いように以下に説明する。１０、２０、３０、４０、５０及び５５原子％の酸素レベルを表すＮｂ−Ｔｉ −Ｚｒ位相図を解釈する上でダブリュ．ワイダ及びエム．ホッフの広範囲に及ぶ研究は（移送冶金協会１９６２年度、米国機械学会、２２４巻、３７３〜３７８頁、１５００℃におけるシステムニオビウム−チタニウム−ジルコニウム−酸素）古典的な業績として認識されている一方、実際は、本発明の実施に使用されている低温における酸化を研究する上で、１５００℃の等温式がその有用性を限定していることを示しているにすぎない。より関連性のある位相図は１９６８年にエフ．イシダによって出版されたＺｒ −Ｔｉ−Ｎｂシステムの図である（イシダエフ．、ティー．ドイ及びエム．ケイ．タダ、日本金属学会誌、１９６８年度３２巻７号６８４〜６８５頁）。但し、金属−酸素二位相図から推測可能であるシステムに対する酸素の影響を常に考慮にいれておかなければならない。本願において発明者は実験によって、合金を「不動態」及び「点火可能」の範疇に分けるＴｉＺｒＮｂ三元システムにおける境界を決めた。境界は原子ベースのパーセント量の単位で三元位相図に示されている。販売用の文献に重量ベースで合金を述べることは好都合であるが、三元組成図を解釈する場合は、様々な成分の交換値は重量よりも均一な原子ベースで表した方が好都合である。重量ベースの大きさの境界はかなり可変である一方、原子変化は小さい。これは含まれる材料の分子または原子重量が異なるためである。原子％で表されている三元図を読む場合、０％としての三角形の底辺から１００％の要素が示されている頂点へ読むことによって要素のパーセントが判断される。各合金は図において点で示されているが、原子％から重量％に変換するために計算をしなければならない。計算は、選択された要素の原子重量及びその原子パーセントの積をとり三つの全ての要素の積の合計で割ることによって行われる。例えば、図の正確な中心点は各要素の３３1/3原子％である。この点をＮｂ，Ｚｒ及びＴｉの重量％に変換するための計算は、重量％を原子％に変換する手順は、要素の原子％で割った重量％の商を三つの全ての要素の商の合計で割ることである。例えば、合金Ｔｉ−１３Ｚｒ−１３Ｎｂ（重量％）は下記のように原子％に変換される。点火可能及び不動態領域が識別されているＴｉ−Ｚｒ−Ｎｂ合金の三元酸化図が図２１に示されている。この図のチタニウムが豊富な部分は図４により大きく示されている。図２２はチタニウムが豊富な部分の別の図である。あや目陰影が付けられているＡ領域は本発明による好適な不動態組成を表している。これらの組成は少なくとも下記によって画定されている領域からなる。（ａ）下記原子パーセントの角点を有する平行四辺形７０Ｔｉ−２０Ｚｒ−１０Ｎｂ８０Ｔｉ−１０Ｚｒ−１０Ｎｂ８５Ｔｉ−１０Ｚｒ−５Ｎｂ並びに７５Ｔｉ−２０Ｚｒ−５Ｎｂ、及び（ｂ）下記原子パーセントの角点を有する隣接している三角形７０Ｔｉ−２０Ｚｒ−１０Ｎｂ７５Ｔｉ−２０Ｚｒ−５Ｎｂ並びに６０Ｔｉ−３０Ｚｒ−１０Ｎｂ。図１の合金７、８、９及び図２、３の合金８、９に対してグラフで示されている重量増加は本願に含まれているデータと関連がある。様々なＴｉＺｒＮｂ合金の違いを説明しようとして、金属位相における変態が必ずしも酸化反応において観察された違いを示すわけではないことが認められた。このような観察によって、全てのこのような合金が酸化耐性を有しているのは保護的な酸化表面膜が形成されているからであるという認識とともに、酸化位相を研究することが酸化反応には適しているという結論に達することができるであろう。１９６６年にニューヨークでジョンウィリーアンドサンズ、インコーポレイテッドによって出版されたコフスタッド、ピー．の研究である金属の高温酸化及び様々な酸化機構を認識するための現在のその他の方法は、酸化率曲線の特徴的形状を決めることに基づいていた。この方法の一例は、様々な温度におけるチタニウム酸化の反応速度論である。一般式Ｗⁿ＝ｋｔ（但しｗ＝単位面積当りの重量増加、ｔ＝時間、ｋ＝定数）を参照すると、所定の温度の規則性において下記の率で酸化が生じる：Ｉ：１００〜４００℃：対数関数的ＩＩ：４００〜６００℃：遷移（ログ−放物線または三次曲線）ＩＩＩ：６００〜１０００℃：放物線ＩＶ：１０００〜１１００℃：線状位相１は酸化膜形成に支配され、ＩＩは金属に予め存在している酸素勾配によって三次曲線対放物線反応が決められる酸素溶解に支配され、ＩＩＩは酸素溶解及びスケール形成の組合せに支配され、ＩＶは保護作用の損失に支配される。酸化反応速度論の経験的な研究を検討することに加えて、ＴｉＺｒＮｂ合金の酸化製品にみられうる多数の位相を評価することが重要である。酸化物におけるＺｒは大抵４価であるが、ＺｒＯ₂の三つの同素体がみられる：単斜晶系（≦９４９℃）、正方晶系（９４９〜１２２１℃）、立方晶系（＞１２２１℃）₃₀。チタニウムは、より広範囲の酸化物のスペクトルを示す。酸化物構造 α−ＴｉＯ単斜晶系 β−ＴｉＯ立方晶系Ｔｉ₂Ｏ₃ 六方晶系Ｔｉ₃Ｏ₅ 単斜晶系ＴｉＯ₂（鋭錐石）正方晶系ＴｉＯ₂（金紅石）斜方晶系ＴｉＯ２（板チタン石）六方晶系ニオビウム酸化物はチタニウムの酸化物とほぼ同じに多様である。酸化物構造ＮｂＯ立方晶系Ｎｂ₂Ｏ₃ ＮｂＯ₂ 正方晶系Ｎｂ₂Ｏ₅ 斜方晶系ＴｉＺｒＮｂ酸化製品にみられうる位相を理解する場合、各金属の単一酸化物だけではなく、図５（さらに記載）に示されている四元システムＴｉ−Ｚｒ−Ｎｂ−Ｏに形成されるより複雑な化合物も考慮に入れなければならない。さらに下記に本発明の範囲内の方法、組成及び製品の例を述べる。例において条件によってはニオビウム、タンタル、バナジウム（又はこれらの混合物）を適度な量、添加することによって上述した燃焼状の酸化からチタニウムとジルコニウムとの二成分からなる合金が不動態にされることが立証されている。例えば、タンタルがニオビウムに置換され同様な重量増加をみせる図２３を参照する。例１Ａ．６００〜８００℃でのＴｉＺｒＮｂ合金の酸化様々なＺｒ：Ｔｉ原子率（２：１〜１：３）で５つの異なるＮｂ濃度（３．５、５．７、７．０、１０．５、１４原子％）を示している２０個の真空アーク溶融合金ボタン（表１）が、酸化率の熱重量分析研究を行うために生成された。さらにボタンが重複して作られ、１５の異なる組成のうち５個の組成が研究された。熱重量分析評価をするために、各合金の４００グラムのボタンが区分され機械で切断され約１０×１８×１８ｍｍの試験片が作成された。全てのボタンは１５００℃で一時間、真空熱処理がなされ、炉で冷却され合金の均質性が確実にされた。各試験片はほぼ０．１ｍｇまで計測され、寸法が測定されることによって表面積の合計が決定された。各合金の試験片からなるセットを各々、６００、６５０、７００、７５０及び８００℃の温度で１０、２０及び３０分間、電気抵抗炉（大気）に置くことによって酸化が行われた。特定の炉の温度における点火時期をより正確に決めるために、約５分間毎に試験片の目視観察が行われた。目で見える火花及び試験片の温度が炉の温度を急速に越えるにつれて生じる明かな色の変化によって点火が示された。酸化時、炉の底面に置かれ温度が熱電対で監視されている金属板の任意の位置に、サンプルを配置した。試験片は、隣接している試験片が汚染されないように破砕酸化製品を含有するために、２５ｍｌの耐火粘土るつぼに入れた。各炉の周期には周知の酸化反応速度論の規準となる純粋なＺｒ、Ｈｆ、Ｔｉ及びＮｂの切取試片（１．５ ×２５×５−０ｍｍ）を含めた。酸化に続いて、重量増加の値は従来の腐食評価方法によってｍｇ／ｄｍ²の単位で決めた。「不動態」合金と「着火性」合金とを分離するＴｉＺｒＮｂ三元システムにおいて境界を設定するためのデータ項目をより多く得ようとして、さらに６個の組成物を鋳造した（表ＩＩ）。これらの組成の試験片は６５０、７００及び８００℃で着火性のみをテストした。時間による重量増加データはこれらの試験片についてはとらなかった。Ｂ．１２００〜１５００℃におけるＴｉＺｒＮｂ合金の酸化実験のための合金の追加試験片を１２００℃で１時間、空気中で酸化した。この処理は、最も不動態である合金上にさえ重い酸化層を形成するには十分であった。酸化物はＸ線回折、金属組織学及び電子マイクロプローブにより評価した。Ｃ．Ｔｉ３５Ｚｒ１０Ｎｂ（重量％）開発インゴットの評価トリプル溶融され、４インチ（１０１．６ｍｍ）の直径を有する合金番号９（表１）は、従来の消耗されうる電極真空アーク溶融方法によって、Ｔｉスポンジ、Ｚｒスポンジ及びＮｂ４６Ｔｉ（重量％）削り屑から製造された。この合金の化学組成は５４．７Ｔｉ３４．６Ｚｒ１０．７Ｎｂ（重量％）で６９．８Ｔｉ２３．２Ｚｒ７Ｎｂ（原子％）と等価であった。シュリンクパイプを除去し側壁をわずかに機械加工した後のインゴットの測定値は直径３．９５″×長さ６．５″ であり、重量は１５．３ポンドであった（１００．３ｍｍ×１６５．１−ｍｍ、６．９４ｋｇ）。下記のスケジュールに従って８００℃での鍛造が行われた。１）６．５″寸法を４．５″にすえ込む。２）厚さ４″×幅６″の四角にする。３）８００℃で１５分間、再加熱する。４）厚さを２″に縮める。５）８００℃で１５分間、再加熱する。６）１．３７５×５″×長さに仕上げる。化学分析を行うため、スラブの上から下へサンプルを切り出した。鍛造品は再加熱することなく８００℃で熱間圧延し（１パス当り１７％の減少量）、厚さを０．５１０″（１２．９５ｍｍ）にし、半分に切断した。錆落し及び化学洗浄（ＨＦ／ＨＮＯ₃）に続いて、板の一部分を再度８００℃に加熱し、再加熱することなく１７％の減少量で、０．２６０″（６．６ｍｍ）に再度、圧延した。圧延状態を示すサンプルは８００℃で一時間焼きなまし、その他の材料は８５０℃で６０分間の溶液処理の後に水冷した。水冷した板はその後、剪断し、５００℃で１５、３０、６０、１２０及び１８０分間、析出硬化を研究するための試験片を作成した。水冷したままで１２０分を経過した状態を示す試験片は張力テストに提供された。ヤング率は圧延したまま、水冷したまま、及び様々に老化させた状態の試験片に対して決定した。これらの測定値は動的な「インパルス応答分析」（ＩＲＡ）方法によって得た。この方法では、試験片は機械的インパルスが加えられた時に自由に振動運動ができるように支えられた。ＩＲＡ器具及びこれに伴うソフトウェアによって試験片の振動特徴が分析され、弾性率が計算された。この方法では曲げ強度及びねじり強度の両方が決定可能であり、これらはポアソン比から計算することができるが、この研究では曲げ強度のみを決定した。この方法によって同じ試験片を、適宜、多様な熱処理を施した後で、非破壊的に評価することができた。１／４″及び１／２″板の追加サンプルを様々な温度（５００〜１５００℃）及び時間（１〜４０時間）の条件下で酸化した。酸化物のメタログラフ及びＳＥＭ評価を行った。切断具としての合金の可能性を決めるために、水冷したままの板及び析出硬化した板の両方から作成したナイフブランクの切断端部を機械加工した後、様々な表面酸化処理を行うことによって予備評価を行った。ナイフブランクは、現行のナイフ刃を機械加工し、熱処理し、仕上げることによって作成した。この実証用の刃は下記の所定の工程を用いて製造された。１）１／４″の板を６０分間、８５０℃で溶液処理し、水冷する。２）２時間、５００℃で析出硬化し、空冷する。３）錆落し、化学洗浄。４）一様に０．１６０″の厚さに刃形を機械加工する。５）輪郭及び端部を研磨する。６）９０分間、６５０℃で酸化し、暗青色にする。７）組立て、ナイフに完成する。このナイフは、様々な材料の切断再刃付け、再仕上げの周期を繰り返すことによって定性方法でテストされた。再仕上げは、自動洗浄型家庭用オーブンで約５００℃に一時間から二時間加熱することを含む様々な方法で行われた。この再仕上げ処理は、この型のナイフ刃を家庭で再度、研ぎ、よみがえらせる場合の顧客に与えられる指示を作るために使用される。Ｄ．より大きな合金インゴットの評価約１００ポンドの直径９．０″（２２９ｍｍ）のインゴットが、前述した直径４″の開発鋳造品に使用された方法と同じトリプル真空アーク溶融によって製造された。８５０℃で２″×１１″の断面に鍛造した後、３０分間、８１５℃で焼きなましした。１パス当り１７％の減少量、８００℃で、０．３１０″（７．９ｍｍ）、０．２７０″（６．８５ｍｍ）及び０．１８０″（４．６ｍｍ）の厚さに熱間圧延した。これらのサイズは、二つの異なる型のナイフ刃及びプライヤージョーの鍛造版の実験製造として作られた。これらの圧延製品に加えて、プライヤージョーの焼き流し精密鋳造版への入力材の製造時、スクラップ材は取り退けられた。結果、製品は、メタログラフ及び張力テストによって評価された。結果６００〜８５０℃でのＴｉＺｒＮｂ合金の酸化表１は２０個の鋳造ボタンの最初の１組の計算された及び実際の化学組成を示している。最初の２０個のボタンの酸化重量増加（ｍｇ／ｄｍ²）が表ＩＩＩに示されている一方で、表ＩＩの追加の６組成の着火性の定性定格のみが表ＩＶに示されている。表ＩＩＩの空欄は、テスト中にサンプルの破壊的な点火が生じ、又は初期の周期において厳密性が低かったために点火が生じ、さらに評価する必要がなくなったことを示している。図１及び３は、Ｎｂ含有合金及び相当する二成分からなるＴｉＺｒ合金の７００℃及び８００℃の酸化率の比較を示している。三元酸化図が図４に示されＺｒ−Ｔｉ−Ｎｂ合金は「着火性」及び「不動態」行動の一次的範疇に分けられている。表Ｉ及びＩＩに示されている合金から得たデータ項目は領域及び境界線を作るために使用された。生物医学材Ｔｉ−Ｚｒ合金及びこれらの表面酸化製品は、生物医学界から求められている植え込み人工器官に使用される特性の多くを示した。これらの特性のいくつかは周知であり、例えば毒性が低く、耐腐食性が高く、強度が高い等である。また、植え込み材の弾性率を骨の弾性率により近づけることができ、組織が「内方成長」によって結合可能である多孔性表面を形成できることも望ましい。現時点では５個の金属元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ及びＰｔ）が植え込まれてもあまり又は全く悪影響を及ぼさないことが立証されている。金属からなる整形外科の植込物に関する文献を検討すると、過去に多様な材料及び設計から選択がなされていたことが明かである。例えば、異なる合金から形成されているねじ及びピンのような部品が無差別に混合される。当然結果として、電解液（即ち体液）の存在下で異種の金属に生じるであろうと予測されるように、より多くの陽極部品の接触腐食が生じた。このような腐食は人工器官の強度が低減されることから考えて不利益であるばかりではなく、腐食製品（金属イオン及び無機質残渣）が人体に入ることを考えても不利益である。接触腐食が生じるために、異種金属を密接に接触させることが必要ではない場合もある。このような材料は人体の局所に配置するだけで十分である。植え込み使用に対する様々な合金の適性を生体外及び生体内腐食評価の両方によって序列づけることによって、腐食耐性は、３１６Ｌ、Ｃｏ−Ｃｒ合金及びＴｉ６Ａ１４Ｖの順に増加し、これら全ては植え込みに広く使用されている。さらに、序列づけるためには、人骨が実際に治癒することによって決められる、生物適合性に関する電気化学的影響を研究するという方法がある。高速反応の酸化還元システムＫ₄［Ｆｅ（ＣＮ）₆］／Ｋ３−［Ｆｅ（ＣＮ）₆］における現行密度を測定した時、金が一番高く、続いてステンレススチール、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｔｉ６Ａ１４Ｖであった。同じ順序が初期の骨治癒過程での外乱の程度を観察した際にも見られた。即ち金が最も治癒に干渉した一方で、Ｔｉ６Ａ１４Ｖは殆ど干渉しなかった。このような結果は、これらの合金のいくつかが電子交換を妨げることにより植え込み表面での酸化還元反応を抑制すると考えられているからであると説明される。上述した合金の全ては、多様な化学種がさらに拡散することの障壁として作用する保護酸化フィルムの存在に対して腐食耐性を有している。いままでに、Ｔｉ−Ｚｒ合金を含むこのような材料に保護酸化物フィルムを形成する方法の多くの成功例がある。これらの保護フィルムの例えば機械的摩耗による破壊及びフィルムが再形成し易いことはこのような使用に材料を選択する場合の重要な要因である。フィルム形成合金の自発的な不動態時に、腐食制御から分極耐性の電子交換制御までの変遷がある。従って、研磨による摩耗これに続く不動態フィルムの再形成が考えられる場合、極度に複雑な変遷状態が連続するかもしれない。研磨は腐食耐性を下げるばかりではなく関節に残渣が沈積する。主にこれが理由でＣｏ− Ｃｒ合金が人工膝関節に使用されている一方、Ｔｉ６Ａ１４Ｖは激しい剪断／研磨応力を伴わない股間節の代替品として優れている。従来のＴｉ合金の「フレッティング摩耗」に対する耐性が低いので、研磨、フレッティング摩耗に耐えうる保護酸化物表面層がその上に形成できるチタニウム含有合金を実証する必要がある。図２１及び顕微鏡写真をみると、小量のニオビウム、タンタル又はバナジウムを添加することによって急速な酸化行動を緩和しなければ、約１０〜２０重量％以上のジルコニウムを含む通常のＴｉ−Ｚｒ合金は上述した好ましくない着火特性を有する。これらの着火合金は多くの用途特に金属人工器官の製造に適していなかったので、その他の特性の研究は殆ど無視されてきた。チタニウム及びジルコニウムを含む非着火性合金に不動態酸化物表面を形成する多くの提案があるが、約２０重量％以下のＺｒを含むＴｉ−Ｚｒ−Ｎｂの合金のみが報告されてきた。溶融塩浴によって形成される表面酸化物は、使用時、研磨に耐えるには非常に薄い層である。このような表面酸化物層を形成する通常の合金は、１３重量％のＺｒ、１３重量％のＮｂ、残りの重量％のチタニウムからなる。エー．ケイ．ミシュラ等は、「ルイジアナ州、ニューオリンズで２月２１〜２４日に開かれた整形外科研究学会の第４０回会合」の５９５頁に掲載されている「拡散硬化：チタニウム合金における黒い残渣の形成を防ぐための新たな表面処理」に、整形外科用に開発された低係数チタニウム合金Ｔｉ−１３Ｎｂ−１３Ｚｒについて論じている。酸化するとセラミック表面は０．２〜０．８ミクロンの厚さになった。この材料のサンプル、Ｔｉ、Ｚｒ及び本発明による３５１０合金の酸化による重量増加を測定した。その結果は表Ｖに示されている。表Ｖから６５０℃及び７００℃、空気中でゆっくりと酸化するという点でＴｉ −１３Ｚｒ−１３ＮｂはＴｉと似通っているようにみえる。１４００℃で１７時間加熱した時は、３５１０のように酸化しなかった。Ｔｉ−１３Ｚｒ−１３Ｎｂ酸化物は破損し、非付着性であった。本願に記載されている好例のＴｉＺｒＮｂ合金、即ち３５重量％のＺｒ、１０重量％のＮｂの合金は、様々な温度で空気中で短時間、酸化されると、厚い一体構造の付着性を有する酸化層を金属の表面に形成する。例えば、図６には７５０ ℃、１０分間の酸化、図７には７５０℃、２０分間の酸化、図８には７５０℃、３０分間の酸化が示されている。各写真に示されている結果として形成される酸化物表面層は密度が高く付着性を有する。その他の酸化行動も研究された。図９には１２００℃、１時間で形成される純ジルコニウム上の窒化物層が示されている。図１０には１２００℃、１時間で形成される純チタニウム上の窒化物層が示されている。これら二層は目視によって、１２００℃、１時間で形成される３５Ｚｒ１０Ｎｂ重量％上の窒化物層（図１２）と比較可能である。これらの合金で低い弾性率が得られるので、本発明による合金及び製品からさらに値を得ることが可能である。低弾性率の材料は以下の理由により好適である。人工器官を接着剤で骨に取り付けるには問題があるので、セメントのない、しまりばめ方法の使用が開発される傾向となった。人間の大腿骨を前後からみると、膝腔の方へ通常直線に延びている大腿骨の下部から骨がずれるにつれて、重大な湾曲（下向きのくぼみ）が見られる。通常の骨では身体の重量によって、この領域は曲がる傾向にあり、重量が身体の側方に移動するにつれて、湾曲部は大きくなる。皮質骨のヤング弾性率は約３１ＧＰａで、通常のエンジニアリング合金の値よりもはるかに低い。比較的堅固な人工器具を大腿骨の髄内管に挿入すると、該当する湾曲領域は曲げ応力から「シールド」可能である。その他の生物構造（例えば筋肉）にも当てはまるが、応力及び曲げがなければ萎縮が生じるかもしれない。骨の「シールディング」という特定の場合、身体は骨を分解吸収し弱めるので結果として、人工茎部のゆるみ又は破損が生じる。湾曲した頸部の長さを増加させることによって大腿骨湾曲領域の応力が増加するように人工器官を設計しようとした結果、他の部位に過度のモーメントが生じ、破損が起こった。この間題の論理的な解決方法は、より低い弾性率の値を備える一方で適度の強度、腐食耐性その他の必要な属性を維持している適切な合金を開発することのようである。骨吸収がかなり低減されることが低弾性率の人工股間節を植え込んだ犬及び羊で立証されている。また、有限要素を分析することによって、低弾性材によって健康な大腿骨に近い人工骨が作られることが確認された。このことは、歪ゲージ分析によっても確認された。人間の患者の場合、骨吸収、緩み及び明らかに人工器官が過度に堅固なことによる傷みは、低弾性率の人工股間節を使用することによってその頻度及び強さが減少することが示された。金属材は、ポリマー合成物のようなその他の材料よりも、コスト面及び合成物の耐摩耗性が低いことからみても好ましいと思われる。医療用人工器官のために最近開発されたチタニウム合金にはＴｉ５Ａ１２．５Ｆｅ、Ｔｉ６Ａ１７Ｎｂ、及びＴｉ１１．５Ｍｏ６Ｚｒ２Ｆｅが含まれている。これらのうち最初の二つはかなり高い弾性率（１０５〜１１５ＧＰａ、一方Ｔｉ６Ａ１４Ｖの場合は１２０ＧＰａ）を有し、望ましくないと思われる元素アルミニウムを含有する。二番目はかなり高い濃度のＭｏ及びＦｅを含有し、これらは両方とも強い組織反応を生じさせることが立証された。本発明の合金には生物的に適合性のある元素しか含んでいないので、より望ましい。後に詳述するが、本発明による合金の、反応形成セラミックの形状の相当する酸化物及び混合酸化物への高い温度での部分的又は完全な変換は、人工器官の材料としても有用でありうる。なぜならばセラミックが不活性であり、セラミックへ部分的に変換される場合、組織の内方成長及び下層の金属の物性促進する可能性のある多様な孔のサイズが得られるから等である。主題のＴｉＺｒＮｂ合金から形成されるセラミックは骨及び歯の代替品又は強化材として関与する。骨が成長して安定した界面を形成する多孔性のセラミック構造を得るその他の様々な方法も評価されてきた。これらには、焼結粉、気泡セラミック、含まれた位相を除去するための選択的なエッチング、サンゴのような自然物質のか焼が含まれている。これらの材料における最適な特性を得るためには孔サイズ及び一様性を制御することが重要であることが発見された。栄養を生きている細胞構造に連続的に行き渡らせるために、骨の内方成長には少なくとも１００μｍの孔の直径が必要である一方、過度な多孔性又は不必要に大きな孔の直径はセラミックの人工器官を弱らせる傾向にある。主題のＴｉＺｒＮｂ合金から形成される酸化物に関して、一様なサイズと断定可能な結晶粒及び孔を均等に分布させることによって医療用に望ましくなる。刃物類の材料刃物の材料を選択する際、耐摩耗性が主な条件であるが、耐破壊性、強度、弾性率も重要である。通常の炭素及び低合金スチールの耐腐食性が低い結果、通常、関係式％Ｃｒ−（１７×％Ｃ）〈１２．５によって表されるマルテンサイト級のステンレススチールの市場が拡大した。これらの合金は焼き入れ後すぐにオーステナイトからマルテンサイトに変化可能であり硬度は比較的高い（５０〜５５Ｒ_o）。一方％Ｃｒ−（１７−Ｘ％Ｃ）＞１２．５の合金は厳密にはフェライトなので硬化できない。最近、刃物の重量を低減させることに関心が集まり、チタニウムベースの合金が評価されるようになった。また、海水その他の化学的環境での高い耐腐食性がチタニウムを望ましい材料としうる特定の用途もある。軍事使用によっては非磁気の、表面反射力が低い材料または低温で延性のある状態から低い状態への変化を示さない材料を必要とすることもある。また、その他に、魚を切るナイフのような道具の可撓性を高めるために高い耐衝撃性又は低い弾性率を必要とする場合もある。このような所望の特性の多くはＴｉ６Ａ１４Ｖのような従来のチタニウム合金によって得られるが、切断端部を適切な硬度にすることは困難で高価であり、オートクレーブのような特別な環境では、しばしば高温で長時間、表面拡散処理を必要とする。さらに、硬い表面フィルム（例えば、酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物）は、研ぐ必要がある場合に顧客の方で修理できない。主題のＴｉＺｒＮｂ合金の酸化特性は、このような問題の解決になりうる。大量の刃物のような商品に適用可能な条件の多くは本来、技術的ではない。例えば、スポーツマンは長く「端部を保持」して研ぎ易い柔らかいナイフを好む一方で、主婦はあまり鋭くなく頻繁に研ぐ必要のないキッチンナイフを好む。本発明によって非燃性になされたＴｉ−Ｚｒ合金のセラミック酸化物への変態の構造は複雑であり記載し難い。顕微鏡写真を再び参照すると、図１３は８００ ℃、１０分間、空気中で酸化された通常、検査済みの３５Ｚｒ１０Ｎｂのティルトサンプルの顕微鏡写真である。これは、同時に図６〜８に示されている７５０ ℃の結果よりも、わずかに高いだけの温度である。Ａ、Ｂで示されている酸化層の表面は、それ自身酸化層であり、Ｃは混合酸化物及び金属位相の領域であり、Ｄはアルファ酸素の安定された金属合金である。図１４には、８００℃、３０分間、空気中での酸化後の同じ金属合金が示されている。酸化層Ａの表面は優れた特性を備えているように見える。酸化層Ｂは混合酸化及び金属領域Ｃと同様、大きい。アルファ安定化領域Ｄは依然として明白である。図１５に示されている３５Ｚｒ１０Ｎｂのサンプルは１３００℃で空気中で酸化された。より複雑な変換工程の写真が示されている。金属基板１は元々、結果として生じる酸化物によって被覆されている構造とほぼ同じ厚さであった。酸化物材の第一層もしくは領域２はニオビウムが多く含まれ、いくつかの酸化物又は下級酸化物種からなると思われる。金属から外側に移動している次の層３は、最終酸化物種へ変換している状態が外側表面４に見られる場合、変態領域を示す。多分この変換工程の結果として孔が層４に形成されつつあり、変換が高温で行われると、より大きな孔が形成される。図１９及び図２０は各々、２００倍に拡大され、形成温度が１４００℃の場合（図１９）、１５００℃で大きな孔が形成される場合よりも暗い領域（孔）が小さいことを示している。一様に分布された孔が形成され、孔の容量パーセントの多孔性をほぼ一定にする一方でセラミック酸化物形成の温度を調節することによって孔のサイズを制御できることは、完成品の意図された性能において孔のサイズが重要である場合、触媒の支持物等を含む多くの物品の形成に有用でありうる。図１６及び１７は時間及び温度の両方の調節は、最終酸化製品に異なる結果を得ようとする際、重要である。図６〜８に示されている酸化層が比較的低い温度で短時間で形成可能である一方、やや高温で長時間の場合、本来、異なる現象が生じる。図１６に示されている金属基板１０は、３９時間、１０００℃で酸化された。２００倍の顕微鏡写真には、金属１０、二つの目視で識別可能な中間領域１１、１２、その下の最終酸化物１３が示されている。図１７に示されている金属基板は、少なくとも三つの目視で識別可能な領域２１、２２、２３、その下に最終酸化層２４を有する。領域２１は内部で粒界酸化が行われている金属領域に思われる。図１７は３９時間、１０００℃で酸化された３５Ｚｒ１０Ｎｂのサンプルの２００倍写真である。また、図１８も、本願に記載されているセラミック形成の形態における可能な変化の例である。３５Ｚｒ１０Ｎｂ合金は１１００℃、６４時間、空気中で酸化された。２００倍顕微鏡写真には金属領域Ａ、混合酸化物位相を含む酸素安定金属領域Ｂ並びに中間領域Ｃ、及び表面酸化物Ｄが明示されている。図５に示されているように、セラミック変換工程時、非常に複雑なスペクトルの酸化物種が形成されうる。１４００〜１５００℃で形成される酸化物の研究では、かなりの量のＮｂを含むＴｉＯ₂（ルチル状）の存在及び微量のＮｂを含むＺｒ−リッチ位相（多分ＴｉＺｒＯ₄）が確認されている。従って、３５Ｚｒ１０Ｎｂの適度な酸化速度は、Ｎｂが、単斜晶系の＜− −＞正方晶系ジルコニアの変態温度を低下させるであろう、Ｚｒ−リッチとＴｉ−リッチ位相との間の相互作用を防ぐことができることに帰し得る。上述したように、タンタル及びバナジウムは本願の合金においてニオビウムに首尾よく置換された。また、合金の窒化は通常、同様に反応し、本願に記載する空気酸化と似た結果を生じさせる。本発明の合金は異なる物性を備えるように処理可能である。次に材料が加工され加熱焼鈍される時の引張強度の変化を示す。本願に述べる３５１０合金のサンプルが６７５℃に加熱され、塩浴で加熱され、水に冷やされた。結果を表ＶＩの初期と表された行に示す。初期材料は１２１．４Ｋｐｓｉの最大引張強度、その他に表に示されている特性を有していた。その後、様々な加熱処理が行われた。表中ＴＹＳは引張降伏強度で車位はＫｐｓｉ％Ｅｌｏｇはパーセント伸び率％ＲＯＡはパーセント面積減少量Ｅはヤング率表ＶＩに示されているように、３時間、４５０℃で加熱処理することによって初期引張降伏強度は４８．６から１４９．３に増加させることができる。合金を鍛造することによってさらに、特性が改善されうる。表ＶＩからロッドはさらにスエージ加工がなされた。金属形成処理時、金属を酸化及び燃焼から保護するために金属の表面はメタルーブコーポレーションのメタルガード１０１のように保護ガラス組成物で被覆することができる。改善された特性が表ＶＩＩの初期の列に述べられている。極限引張強度は１５９６であり、引張強度は１５７．４に増加した。さらに熱処理を行ったが、その結果は表ＶＩＩに示す。再度、４５０℃で加熱処理することによって引張強度は１６７．７の増加可能である。スエージ加工による改善は、表ＶＩ及びＶＩＩのデータを比較することによってわかる。表ＶＩにおける１０時間、４５０℃の時効硬化処理で引張強度は１４７．５であった。さらに材料をスエージ加工し、同じ加熱処理をすると、引張強度は１６０．２であった。同様にＶＩにおける６時間、５００℃の時効硬化処理で引張強度は１３０．７であった。材料をさらにスエージ加工し、同じ時効硬化処理をすると引張強度は１３７．７に増加した。広い範囲の組成に対する１１％Ｎｂ（重量％）の影響を決めるために、サンプルは次のようにテストされた。Ｔｉの含有量が１０〜６９％（重量％）の範囲の１０の異なる組成の、各々、１１重量％のＮｂを含有するアーク融解されたボタンが作成された。これらは冷間圧延／焼鈍され０．１インチのストリップに形成された。各サンプルは３５０、４００、４５０、５００並びに５５０℃の温度で４５時間、空気中で酸化された。さらに、６７７℃塩浴から水に急冷された（ＷＱ）各合金のサンプルは４２５℃及び５５０℃、４５分間、酸化された。これら７０の見本の結果を表ＶＩＩＩに示す。表ＶＩＩＩからわかるように、合金番号８、９、１０及び合金３５１０は、製造時、６３５と７００℃との間で空気中で加熱する際、十分に受動的であるため発熱反応に耐えることができた。このような低温（３５０〜５５０℃）酸化からわかるように最大酸化率は約５〜１０％のかなり低いＴｉ含有量で生じる。これに対して二成分からなるＴｉ− Ｚｒ合金の反応の最大酸化率は約６０〜８０重量％のＴｉで生じる。これらの二成分合金は５００〜６００℃でＮｂ含有合金の約１、０００倍の酸化率を有する。４２５℃〜５５０℃で酸化する前に、６７７℃から溶液にて急冷することは、いずれの研究合金の酸化反応にもあまり影響しなかったようである。表ＶＩＩＩからわかるように合金３５１０に似通った酸化反応をする合金はやや高いＴｉレベルで得られる。Ｔｉ含有量には、酸化物の耐摩耗性が劣るであろう上限があると考えられる。Ｚｒが約２０〜３５％の範囲内にある場合約１１重量％のＮｂを有する合金に耐摩耗性の酸化物がありうるようである。この範囲内でＺｒが増加すると、生産コストからみて望ましい酸化率の増加がみられる。１１重量％のＮｂを含む様々なＴｉ−Ｚｒ組成物の硬度がテストされた。また研究によってＴｉの濃度がこれらの合金において変化すると、酸化スケール形態に変化があることが示された。合金は各々、１４００℃で一時間、加熱処理された。酸化スケールのサンプルは各サンプルから収集即ち削り採られ、モルタル及び乳棒で研がれ、バッキング材としてＮａＦを使用して取り付けられた。各サンプルの試片が切断され、サンプルの断面が透明なスライドに載せられ、１ミクロンに仕上げられた。サンプルの硬度はＬＥＣＯ微小硬度テスタ上のビッカース押し込み器を使用してテストされた。結果を表ＩＸに示す。これらの合金は比較的薄い酸化スケールを形成するので、取り付け面を使用することなくスケールの微小硬度の値を得ることは困難である。データが示すように、中間酸化層は通常、中心のベース金属と同じかそれよりもやや高い硬度を有する傾向にある。好適な合金組成の一つは合金３５１０と称され通常、３４〜３６重量％のＺｒ、約１０〜１１．５重量％のＮｂ、及び残りはＴｉからなる組成を有する。インゴットは、この合金から形成されている場合、約２８５〜３０６の範囲で約２９６のブリネル硬さを有する。この合金は約６５０〜８５０℃の温度で鍛造及び圧延可能である。冷間圧延によって４０％ＲＯＡ、冷間スエージ加工で４０％ＲＯＡ、チューブ変形により５０％ＲＯＡに冷間加工することができる。冷間変形の間の中間焼鈍は、例えば７３２℃で２時間、製造真空炉において６７７℃で４時間、融解塩化化合物の塩浴にて６７７℃で３０〜６０分間、首尾よくなされた。加熱後の合金は６７７℃から８５０℃の温度で焼き入れ可能である。焼き入れに適している水温は７０°Ｆ（２１℃）と２００°Ｆ（９３℃）との間である。時効硬化は２〜１０時間、４２５〜５００℃でなされたが、２時間、４５０℃の処理が適切であった。時効硬化についての研究はすべて、暗青色の酸化フィルムが形成される環境で行われた。空気酸化表面硬化は、所望の酸化深さによって２〜７２時間、４２５〜６００ ℃で行うことができる。酸化表面の色及び外観は表面加工次第である。窒化による硬化は純粋の窒素において１０００〜１４００℃で様々な時間、行うことができる。表Ｘに通常の機械特性を示す。合金の表面を酸化することによて耐摩耗性の高い表面が形成される。これは例えば人工器官、火器の焼成機構及び無限耐用年数を有する硬化表面を備える大型手動工具に使用される。合金は熱間鍛造、特に型鍛造に適している。鋭い角、凹部、その他の細部も形成可能である。これは約１３５０°Ｆ（７３２℃）の温度で合金が超塑性を示すからである。この特性の理由は明かではない。特性の一つの要因として、これ一つとは限らないが、合金のベータトランス温度が約６３５℃と低いためである。１３５０°Ｆ（７３２℃）〜１４００°Ｆ（７６０℃）のより高い温度で合金を形成することによって、合金はベータ位相になり、低温のアルファ状態よりも形成し易くなる。金属合金とその酸化被膜との組合せ材料システムに耐引掻性テストを行ったところ耐摩耗性は非常に優れている。酸化フィルムは非常に硬く金属表面に固着している。媒体負荷において低速スライディングによる摩耗状態では、１０００メートル以後わずかな摩耗しか観察されなかった。耐引掻性テストの結果、より重要であったのは、酸化フィルムが破損または表面領域からはがれてもフィルムの完全性が維持されることである。あまり大きな領域がはがれない。耐引掻性テストは酸化物を破壊するようになされているが、標準のテスト設備ではこの目的は得難い。０．２１〜１．４９ｋｇの異なる負荷で異なる直径（２０、５０及び２００ミクロン）のダイヤモンド押し込み器を用いて酸化ディスク材に単一及び複数のパス引掻テストを行った。引掻テストでは長さ約５ｍｍの摩耗きずが作られた。きずの幅はダイヤモンド押し込み器のサイズ及び与えられた負荷によって変化した。０．４２８ｋｇの負荷で（約１３．４ＧＰａの表面圧力）２０ミクロンの円錐形ダイヤモンドで酸化表面を引っかくと、酸化物が変形し、きずの内部及びきずの周囲の両方における酸化物の破損に沿って溝が形成された。酸化物が合金の表面からはがれた領域もあったが、その下の金属合金には損傷はみられない。１．４９ｋｇの負荷でさえ（約７．５ＧＰａの表面圧力）５０ミクロンのダイヤモンド押し込み器で酸化表面を引っかいた結果、損傷はかなり少なかった。テストした全ての負荷で引掻傷は非常に浅く、あまり変形せず、傷跡の周囲に破損が見られることが特徴である。１．４９ｋｇの最大負荷で、酸化物が合金表面からのはがれることはなかった。３００ミクロンのダイヤモンド押し込み器を使用した場合、酸化表面には目に見える傷ができなかった。０．８５ｋｇの負荷で（４．３ＧＰａの表面圧力）２００ミクロンのダイヤモンド押し込み器を使用して複数パスの耐引掻性テストを行った。１０パスの後、損傷は軽い可塑性の変形、所々に見られる破損、きず幅のはがれにとどまった。２０までパスが増えると、破損領域からきずの長さを横断して様々な損傷がみられ、ごくわずかな可塑性変形領域までのはがれがみられた。破損及びはがれは酸化が異質にみられる領域で最も頻繁に生じた。しかしながら、広範囲の酸化物のはがれている領域では下の金属に重大な損傷はみられない。微小な割れの形成を最低限度にとどめるため好適な酸化表面処理が考え出された。硬い酸化下層の形成速度は１４００℃よりも１２００℃及び１３００℃の低温で、より低いので、二段階の加熱処理が行われ、合金構造は最初に約１２００ ℃の低温で比較的短時間、例えば２時間、実質上、酸化される。第二段階で例えば１３５０℃の高温で例えば２〜１２時間の比較的長時間、加熱処理され、酸化材料が焼成され、密度が高められる。結果、大きな割れ、変形、開始材の形状変化がない、強度を有する酸化コーティングが形成される。合金３５１０の一連の処理の結果は表Ｘ１に示す。サンプル１は１４００℃で一回加熱処理されただけであったが、割れのある製品となった。残りのサンプルは二段階手順で作られ、大きな割れがなかった。表ＸＩに示されているように、弾性率の値は低く、人間の骨の弾性率の範囲内である。サンプル５、６は比較的高い破断強度を有していた。これらの材料は、弾性率が低く、組織成長及び強化を助ける表面特性が組み合わされているので、生物医学システムに使用可能である。本発明の好適な実施例及び意図されている有用性を記載した。当業者であれば、過度な実験作業をすることなく、適用可能な従来技術からみて解釈されるように添付の請求の範囲に記載されている発明の要旨及び範囲を逸脱することなく、予期した結果とともに変形例を作ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩＣ２２Ｃ 29/12 7356−4ＫＣ２２Ｃ 29/12 Ｚ 32/00 7356−4Ｋ 32/00 Ｈ (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者ヘンソンハーシェルアール. アメリカ合衆国オレゴン州 97321 アルバニコロンブスアベニュー 2804 (72)発明者バーデゥリサリベハリアメリカ合衆国アイダホ州 83843 モスコウダーメンストリート 1666 (72)発明者ストレイケントウェインアメリカ合衆国ワシントン州 99206 スポケーンアベニューエイティーンスイースト 10203

Claims

【特許請求の範囲】１．金属合金品の酸化によって生産される反応形成セラミックを含む物品であって、該合金は少なくとも第一金属であるチタニウムと、ジルコニウム、ハフニウム及びこれらの混合物からなるグループから選択される第二金属と、ニオビウム、タンタル、バナジウム及びこれらの混合物からなるグループから選択される第三金属とを含み、該第三金属は第一及び第二金属合金の約３００℃以上の温度での酸化の予測速度を遅らせるために十分な量、存在し、前記合金全体は十分な時間、約８００℃と１５００℃との間の温度で酸化され、部分的または完全に合金は、相当する前記第一、第二、もしくは第三金属の酸化物またはこれらの混合酸化物に変換され、前記酸化物は十分な高温で形成され、均一の多孔性を有する硬いセラミック物が製造される物品。２．金属合金品の酸化によって生産される反応形成セラミックを含む物品であって、該合金は少なくとも第一金属であるチタニウムと、ジルコニウム、ハフニウム及びこれらの混合物からなるグループから選択される第二金属と、ニオビウム、タンタル、バナジウム及びこれらの混合物からなるグループから選択される第三金属とを含み、該第三金属は第一及び第二金属合金の約３００℃以上の温度での酸化の予測速度を遅らせるために十分な量、合金に存在し、前記合金は十分な時間、約３００℃と８００℃との間の温度で酸化され、完全に金属合金の表面は、相当する前記第一、第二、もしくは第三金属の酸化物またはこれらの混合酸化物に変換され、前記酸化物表面は、密度が高く、硬く、滑らかで十分に下の金属合金に固着し、第一、第二及び第三金属から選択された金属の合金に形成された表面酸化層よりも耐衝撃性及び耐摩耗性に優れていることを特徴とする物品において、第三金属は、その他の金属が通常、使用温度で空気中で制御されない酸化を生じさせるであろう割合で存在する場合、金属合金のその他の金属の酸化速度を遅らせるために十分な量は存在しない物品。３．チタニウム並びにジルコニウムもしくはハフニウム又はこれらの混合物からなる、主に通常、急速に酸化可能な合金からなる合金製品であって、ニオビウム、タンタルもしくはバナジウム及びこれらの混合物からなるグループから選択される有効量の金属と組み合わされ、３００℃と８００℃との間の温度での、通常急速に酸化可能な合金の酸化速度を十分に遅らせることによって合金製品は使用温度で合金の表面でセラミック酸化物を形成することができ、金属合金成分のセラミック酸化物は硬く、密度が高く、金属合金に固着し、前記合金の表面に２５ミクロンを越える厚さに形成されうる合金製品。４．チタニウム並びにジルコニウムもしくはハフニウム又はこれらの混合物からなる、主に通常、急速に酸化可能な金属合金からなる合金製品であって、ニオビウム、タンタルもしくはバナジウム及びこれらの混合物からなるグループから選択される有効量の金属と組み合わされ、８００℃と１５００℃との間の温度での、通常急速に酸化可能な合金の酸化速度を十分に遅らせることによって合金製品は、合金製品の、存在している金属の酸化物からなるセラミック酸化物製品への完全または部分的な変換を表すセラミック酸化製品を形成することができ、前記製品は均一の微小孔構造を有することを特徴としている合金製品。５．合金基板に固着するセラミック酸化物の一体構造の表面層を形成する方法であって、主にチタニウム並びにジルコニウムもしくはハフニウム又はこれらの混合物からなる合金と、ニオビウム、タンタル並びにバナジウム及びこれらの混合物からなるグループから選択された十分な量の金属とを組合せ、約３００℃と８００℃との間の温度でのチタニウム合金の酸化反応速度を遅らせ、合金を酸化ガス雰囲気において十分な時間、約３００℃から約８００℃の温度に加熱し、十分な厚さを有する合金の表面に、固着し密度の高い一体構造の金属酸化物層を形成し耐衝撃性及び耐摩耗性を与えることからなる方法。６．形成された金属合金から直接、部分的または完全に孔を有するセラミック体を形成する方法であって、主にチタニウム並びにジルコニウムもしくはハフニウム又はこれらの混合物からなる合金と、ニオビウム、タンタル並びにバナジウム及びこれらの混合物からなるグループから選択された十分な量の金属とを組合せ、約８００℃と１５００℃との間の温度でのチタニウム合金の酸化反応速度を遅らせ、合金を酸化ガス雰囲気において十分な時間、約８００℃から約１５００℃ の温度に加熱し、均一の微小孔構造を有するセラミック酸化物製品を形成する方法。７．チタニウム、ジルコニウム又はハフニウムと、ニオビウム、タンタル、バナジウム及びこれらの混合物からなるグループから選択される金属との合金製品であって、該合金製品は図４の三元図の可燃境界線の上の領域に画定されている組成を有し、合金製品はさらに、所望の製品を形成するために十分な時間、約３００℃から１５００℃の予め選択された温度で酸化体に接触して加熱された場合、合金が酸化されることによって合金製品に表面セラミック層を形成するか又は合金製品から微小孔構造を有するセラミック体を形成することができることを特徴とする合金製品。８．二つの金属が追加されるチタニウム合金であって、ジルコニウム、ハフニウム及びこれらの混合物からなるグループから選択された第二金属と、ニオビウム、タンタル、バナジウム及びこれらの混合物からなるグループから選択される第三金属とを備え、前記第二及び第三金属は、図２２の三元図のあや目陰影がつけられている領域Ａにおいて、各々、Ｚｒ及びＮｂの量に相当する原子％量存在しているチタニウム合金。９．図２２の原子パーセント三元図のあや目陰影領域Ａによって画定されているＴｉ、Ｚｒ及びＮｂ組成からなるチタニウム−ジルコニウム−ニオビウム合金。１０．あや目陰影領域Ａが少なくとも（ａ）７０Ｔｉ−２０Ｚｒ−１０Ｎｂ、８０Ｔｉ−１０Ｚｒ−１０Ｎｂ、８５Ｔｉ−１０Ｚｒ−５Ｎｂ、及び７５Ｔｉ−２０Ｚｒ−５Ｎｂの原子パーセントに角を有する平行四辺形、及び（ｂ）７０Ｔｉ−２０Ｚｒ−１０Ｎｂ、７５Ｔｉ−２０Ｚｒ−５Ｎｂ、及び６０Ｔｉ−３０Ｚｒ−１０Ｎｂ（原子％の３５１０）の原子パーセントに角を有する隣接した三角形によって画定される領域からなる請求項９記載のチタニウム−ジルコニウム−ニオビウム合金。１１．Ｚｒが約２２．６から２４．４原子％であり、Ｎｂが約６．５から７．７原子％である請求項９記載のチタニウム−ジルコニウム−ニオビウム合金。１２．Ｚｒが約１９．６原子％でＮｂが約７．０原子％である請求項９記載のチタニウム−ジルコニウム−ニオビウム合金。１３．Ｚｒが約３４から３６重量％であり、Ｎｂが約１０から１１．５重量％である請求項９記載のチタニウム−ジルコニウム−ニオビウム合金。１４．Ｚｒが約３０重量％であり、Ｎｂが約１１重量％である請求項９記載のチタニウム−ジルコニウム−ニオビウム合金。１５．請求項７記載の合金を混合酸化物含有セラミック材に変換する方法であって、合金を空気中で第一温度に加熱し、合金をセラミック体に実質上、完全に酸化させ、酸化された合金セラミック体をより高い温度に十分な時間、加熱し、５ｍｓｉ以下のヤング弾性率を有する強化酸化材を製造する方法。１６．第一温度が約１２００℃であり、第二温度が約１３５０℃である請求項１５記載の方法。１７．強化酸化材が３ｍｓｉ以下のヤング弾性率を有する請求項１５記載の方法。１８．請求項８記載の合金を混合酸化物含有セラミック材に変換する方法であって、合金を空気中で第一温度に加熱し、合金をセラミック体に実質上、完全に酸化させ、酸化された合金をより高い温度に十分な時間、加熱し、５ｍｓｉ以下のヤング弾性率を有する強化酸化材を製造する方法。１９．請求項９記載の合金を混合酸化物含有セラミック材に変換する方法であって、合金を空気中で第一温度に加熱し、合金をセラミック体に実質上、完全に酸化させ、酸化された合金をより高い温度に十分な時間、加熱し、５ｍｓｉ以下のヤング弾性率を有する強化酸化材を製造する方法。