JPS60262943A - 鉄−クロム−アルミニウム系医療用インプラント合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、鉄−クロム−アルミニウム系医療用インブラ
ント合金に関するものである。本発明合金は、医療用イ
ンブラント材として有用である◇整形外科用インブラン
ト材としては次のような特性を有することが１．要求さ
れている。

（１）生体内で溶解、吸収されないこと。

（２）耐食性が優れていること。

（３）機械的性質に優れており、かつ長期間変質しない
こと。

（４）無毒、無刺激であること。

これは直接的、局部的現象にとどまらず、総合的現象と
して把握すべき問題である。

（５）　周囲の生体組織とよく器質化するとと・即ち、
組織とのなじみつまシ生体との親和性に優れていること
が必要である。異質化が強ければ、インブラント材を使
用する生体中に、インブラント材を包埋隔離するために
繊維組織が発生し、その結果インブラント材と生体との
間にゆるみが生じ種々の障害が現われる。

インブラント材としては、従来から鉄−ニッケルークロ
ム系オーステナイト型ステンレス鋼が用いられている。

しかしながら、これは機械的性質は良好であるが生体と
の親和性などに問題があり、さらには、耐応力腐食割れ
性、耐孔食性、耐隙間腐食性及びその他の耐食性が必ず
しも十分ではないためごく短期間の使用に限られている
。加えて、溶出した金属イオン、特にニッケルイオンな
どの人体への有害性が問題となる＠ また近年においては、α−Ａ１２０．を主体とするセラ
ミック材が試用されている。これは、耐食性に優れ、生
体内で長期間にわたって安定性を保ち、かつ生体に対し
て無毒性であり、また親和性に富むなど多くの利点に恵
まれている。しかし、機械的性質、特に耐抗折性に乏し
いという大きな欠点を有している。

本発明者は、このような現状に鑑みて、種々研究を重ね
た結果、ステンレス材料の良好な機械的性質とセラミッ
ク材料の人体への優れた親和性及び高耐食性とを併有す
る新規なインプラシト合金を完成するに至った。

即ち、本発明は、Ｃｒ　２０〜３２重量−１Ａ１０、５
〜５．０重量％、Ｍｅ）　０．５〜４．０重量％、Ｍ（
但し、ＭＦｉＺｒＳＨｆ　及びＹの少なくとも１種を示
す。以下同じ）０．０５〜０．５重量％、残部Ｆｔから
なる鉄−り０ム一アルミニウム系医療用インブラント合
金に係るものでおる。

本発明インブラント合金は、Ａｌ及びＩを適量含有して
いるため空気中または酸素中で加熱処理を行なうことに
よシ、表面に緻密で密着性の優れたα−Ａ１２０３を主
体とした酸化物皮膜を形成する。

この酸化物皮膜は、生体との親和性において優れた性質
を有し、かつまた優れた耐食性を示す。更に、本発明イ
ンブラント合金は、機械的性質については、従来から生
体用インプラシト材料として用いられている５ＵＳ３（
（、Ｌ又は本発明合金の基本合金であるＦｔ　−３ＱＣ
ｒ−Ｍσ系合金と比較しても、実用性において劣るもの
ではなく、インブラント材として充分な強度を有してい
る。

本発明インブラント合金の含有元素について、その含有
量と作用を次に詳述する。

（１）　Ｃｒ　：２０〜３２重量％ Ｃｒ　は安定な不働態皮膜を形成する成分として鉄基合
金の耐食性向上に不可欠の元素でアシ、その量を増すに
つれて耐食性は増大する。しかし、Ａ１％Ｍｅ　等の元
素との共存下では相乗的に合金の脆化をもたらすため、
上限を３２重量％とする。

また本発明合金の用途としての生体内インプラシトには
２〜３ケ月程度の短期間使用のケースがあり、この場合
は、耐食性への要求水準は若干緩和されるが、少なくと
も１Ｑｃｒ　扱高純度フェライト型ステンレス鋼以上の
耐食性は必要とするため下限を２０重量％とする。

（２）　Ａｌ　：　０．５〜５．０重量％Ｆｔ　−Ｃｒ
　合金系において、Ｃｒ量を３０重量≦程度とすると、
　Ａｌ　−？　Ｈｅｒなどの元素の添加にょシ、靭性や
冷間、熱間加工性が急激に減少する。

耐食性向上のためＭ、を最低で１．５％、望ましくは３
％程度添加することが必要なためＡｄ　の含有量を抑え
ざるを得す、よって上限を５重量％とする。また、Ａｌ
の含有量が少ないと、熱処理によって生成するα−Ａ１
２０３が減少し、Ｃｒ２Ｏ３の生成量が増加する。Ｃｒ
２Ｏ，の比率が高まると２種の酸化物の相境界が増すこ
とになり、表面酸化物皮膜の靭性が劣化し、材料機能が
低下する。よって、このような観点から大気中または酸
素中で熱処理を行なう場合には、　Ａｄは２重量％程度
以上が好ましい。また、大気圧よりも低い圧力に雰囲気
調整を行なって熱処理をする場合には、Ａｔ　ｆｆｉの
下限を０．５重量％とすることができる。

（３）Ｍｅ　：０．５〜４．０重量％ Ｍ＃は耐食性、特に耐孔食性、耐隙間腐食性の向上に顕
著な効果を有するが、そのためには０．５重量％以上必
要である。一方、Ｎｏ量を増すと、脆化を起こしやすく
なり、さらにはＣｒ、Ａｌ　との共存下では特に加工性
の劣化を促進するため上限を４．０重量％とする〇 （４）Ｍ（ｎは：ｌｒ、Ｈｆ　及びＹ（１）少なくとも
１種）：０．０５〜０．５重量％ Ｉの主な役割としては、α−”’２’！主体の皮膜中に
入って、本来非常に脆い皮膜に高い靭性を与えること、
及び酸素との親和性がＡｌ　よりも若干高いため、内部
酸化して、微細な酸化物粒子となシ、これによシ表ＩＩ
［１ｒｌＩ化物層の合金マトリックスへの密着性を向上
させることなどがあるＯただしＨの含有量が多くなると
、皮−中への混入度が増し、皮膜の緻密性を劣化させ、
さらに合金マトリックスの耐食性、合金の冷間及び熱間
加工性や靭性にも悪影響を及ぼすことになるＯしたがっ
て、上限を０．５重量％とする。一方、Ｍの含有量が少
なすざると、皮膜の靭性、密着性ともに添加効果が減少
するので下限を０．０５重多頭とする。

（ （６）　その他 Ｓｉ　は合金脆化を起こし、また加熱処理時にＳｔ　０
２となってα−Ａ４２０３皮膜中に混入し、機能を低下
させることから０．３重量外以下とすることが好ましい
。Ｃ，Ｎは熱処理に伴って容易にＣｒと反応してＣｒ系
化合物を形成する。このＣｒ系化合物は、合金の結晶粒
界に形成される傾向が強く、その付近のＣｒ濃度低下を
招き、粒界腐食を誘起する。さらにＣはＣＯやＣ０２ｆ
ｊスとなってα−Ａｌ、２０．皮膜を破壊する作用もあ
る。これらの点から、Ｃは０．００８重景多量下、Ｎは
０．０１５重量％以下とすることが好ましい。Ｐは鋼の
靭性を損するため０．０２５重量％以下とすることが好
ましい。Ｓも鋼の靭性を害するために、０．０−２５重
量％以下とすることが好ましい。

（６）残部をＦｔ　とする。

本発明インブラント合金の作製方法は、特に限定はなく
、上記組成範囲のものを常法によシ作製することができ
る。

本発明合金は、加熱処理を行った後、インブラント材と
して使用する。この加熱処理によシ緻密であり、かつ合
金マトリックスとの密着性に優れたα−Ａ１２０３を主
体とする酸化物皮膜ができる。

加熱処理は、通常大気圧の空気中または酸素中で、１１
００〜１３００℃程度の温度で行なう。ただしＡｄ含有
量が０．５〜２重量−程度の場合には、大気圧よりｉｂ
低い圧力下で加熱処理を行なうことが好ましい。熱処理
時間は、必要とする酸化皮膜の厚さに応じて０．５〜３
０時間程時間量で適宜選択すればよい。

本発明インブラント合金は、熱処理によシ生成する酸化
皮膜によシ、人体との親和性に優れ、がり高耐食性を有
する。更に１合金マトリックス自体も優れた耐食性を示
す。また機械的性質もインブラント材として実用上充分
である。従ってインブラント材としての要求を満足する
ものであシ、有効に使用できる。

実　施　例 次に本発明インブラント合金について実施例を示す。

実施例１ 第１表に示す組成の鉄−クロム−アルミニウム系インプ
ラント合金を常法に従って作製した。

第　１　表 この合金を酸素中で加熱処理し、酸化物皮膜を形成させ
た。熱処理時間と酸化増量及び生成した皮膜の厚みとの
関係を第１図に示す。また、この酸化皮膜の断面構造を
調べた結果、合金マトリックスと表面酸化物層の境界は
、複雑に入シ込み、密着性が非常に優れたものであるこ
とがわかった。

なお空気中で熱処理した場合にも同様の結果が得られた
。

ｉ）　機械的性質 本発明合金の熱処理前の機械的性質を第２表に示す。比
較として従来から生体用インブラント材として用いられ
ている５ＵＳ３１６Ｌの機械的性質を併せて示す。なお
、引張シ強さ及び伸びは、ＪＩＳ−Ｚ−２２０１に準じ
て試験を行ない、硬さはＪＩＳ−Ｚ−２２４４に準じて
試験を行なったＯ 第　２　表 第２表に示す結果から本発明合金は、従来品と同等の機
械的性質を有していることが明らかである。

本発明合金を大気中、１２５０°Ｃで熱処理した場合の
機械的性質の変化を第３表に示す。

第　３　表 第３表に示す結果から、加熱時間が長くなっても本発明
合金の機械的性質の変化は少なく、実用上差支えないこ
とが明らかである。

ｉ）耐食性試験 耐食性については、加熱処理によシ酸化皮膜に覆われた
状態では良好な耐食性を示すことは実験的に判明してい
る。即ち、後記第４表、第５表に示す耐食試験頃日にお
いて全く腐食や減耗が認められなかった。

ここでは、機械的衝撃による損傷を受けた場合やねじ止
めに伴う擦過傷を受けるなどして合金マトリックスが露
出した場合の耐食性を検討した。

まず実施例１０合金について加熱処理前の試料の隙間腐
食性を調べ九。即ち、平板試料を１０％ＦｔＣら水溶液
中に浸漬し、試料板上に５Ｍφのガラス俸をおき、２４
時間経過後の試料とガラス俸の隙間に発生する腐食状態
を観察した。結果を第４表に示す。

第　４　表 Ｏ：隙間腐食なし　△：ｌｌｉ間腐食の痕跡あシス：激
しい隙間腐食発生 次に加熱処理をしてない試料について耐アルカリ性、耐
粒界腐食性、耐酸性及び耐応力腐食性を調べた結果を第
５表に示す。なお、試験は、　ＪＩＳ、（１；−０５７
３へに準じて行なった〇第　５　表 １）５０％ＮａＯＨ−１−６％ＮａＣ４水溶液の沸騰液
中４８時間浸漬後の減耗量 ２）６５％ＨＮＯ３水溶液の沸騰液中に４８時間浸漬後
の減耗量 ３）１％ＨＣＩＩ水溶液の沸騰液中に４８時間浸漬後の
減耗量 ４）４８％ＭｙＣ１２水溶液の沸騰液中に浸漬し、Ｕ字
曲げを行った時の割れ発生までの時間更に、生理食塩水
（３％ＮａＣ４）中への溶出試験を行った結果、２０℃
１２日間でＦｔ、Ｃｒ及びＡｌの溶出量は、それぞれｌ
ｐｐｍ　未満であり、沸騰液中５時間浸漬した場合は、
Ｆｔ　が２−戸ｍで他は１−戸ｍ未満であった。

以上の結果から、本発明合金の耐食性は、加熱処理によ
シ酸化皮膜を形成させない状態においても、従来品よシ
優れていることがわかる。

更に、加熱処理後の合金マトリックスの耐食性も処理前
と同程度であることが判明した。例えば、第１表に示す
合金を１２５０°Ｃ，５時間大気中で熱処理した後、酸
化皮膜を完全に研摩除失し、前記第４表、第５表の各項
目の試験を行なった結果、第４表及び第５表に示す結果
と差異は全く認めら（れなかった。

実施例２ 実施例１の第１表に示す合金のＺｒ　をＨｆに代えた合
金及びＺｒ　をＹに代えた合金の各々について、実施例
１と同様の試験を行なった。

加熱処理を行なった時の酸化増量は、　Ｈｆ含有合金及
びＹ含有合金ともに実施例１の合金よシも少なかった。

例えば、１２００℃２０時間熱処理を行なった場合、酸
化増量は、Ｈｆ含有合金では約２．０ＴＩＩｌ／ｄ、、
Ｙ含有合金では約１．ＯＷｌ／ｄテ１つた。この酸化皮
膜の密着性は、実施例１と同様に優れたものであった。

つづいて機械的性質及び耐食性について実施例１と同様
の方法で試験を行なった結果、Ｈｆ含有合金、Ｙ含有合
金ともに、実施例１の結果とほぼ同様の結果が得られた
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、熱処理時間と酸化増量及び酸化皮膜の膜厚と
の関係を示すグラフである。 （以　上） 伏臥　弁針　５　０　英　シ１．二）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ■　Ｃ１２０〜３２重量％、ＡＩｏ、５〜５．０重量％
   、Ｍｏ９．５〜４．０重量−１Ｍ（但し、ＭはＺｒ、Ｈ
   ｆ　及びＹの少なくとも１種を示す）０．０５〜０．５
   重量−１残部Ｆｌ　からなる鉄−り０ム一アルミニウム
   系医療用インブラント合金。