JPWO2006054368A1 - 組織制御によってイオン溶出を抑えた生体用Co−Cr−Mo合金及びその製造法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Co−Cr−Mo合金の組織制御技術を駆使することで、イオン溶出速度が遅い結晶構造であるε相を積極的に活用して、生体内に埋入されたCo−Cr−Mo合金表面からのイオン溶出速度を低下させることにより、アレルギー発症を抑制する技術を提供するものである。
Mo:5.0〜7.0wt%、Cr:26.0〜30.0wt%、C:≦0.35 wt%、
Ni:≦1.0wt%、Fe:≦0.75wt%、Mn:≦1.0wt%、
Si:≦1.0wt%、N2:≦0.25wt%、そして
残部が、Coである。
Mo:おおよそ5.50wt%、Cr:おおよそ28.00wt%、
C:おおよそ0.25wt%、Mn:おおよそ0.70wt%、
Si:おおよそ0.75wt%、そして
残部が、Coである
0.0001〜10.0wt%、好ましくは、0.001〜5.0wt%、より好ましくは、0.01〜2.0wt%で、ある場合には0.001〜1.0wt%、より好ましくは、0.01〜0.5wt%であるが、これには限定されず、所要の目的が得られ且つ得られる合金の特性に実質的に悪影響を及ぼさない範囲でその配合量を変えることができる。代表的な場合、合金組成における添加元素の配合割合は、合金中1wt%のNiに対して、例えば、Zrでは0.0001〜1.0wt%、好ましくは、0.001〜0.5 wt%、より好ましくは、0.01〜0.1wt%で、Tiでは0.001〜5.0wt%、好ましくは、0.01〜1.0wt%、より好ましくは、0.1〜0.5wt%で、Alでは0.001〜5.0wt%、好ましくは、0.01〜1.5wt%、より好ましくは、0.1〜0.8wt%で、Nbでは0.001〜5.0wt%、好ましくは、0.01〜1.5wt%、より好ましくは、0.1〜0.8wt%であるが、これには限定されず、所要の目的が得られ且つ得られる合金の特性に実質的に悪影響を及ぼさない範囲でその配合量を変えることができる。
Cr:19.0〜23.0wt%、Mn:21.0〜24.0wt%、Mo:0.5〜1.5wt%、
N2:19.0〜23.0wt%、そして
残部が、Feである
Cr:25.0〜31.0wt%、好ましくは26.0〜30.0wt%、より好ましくは28.0〜29.5wt%、
Mo:4.0〜8.0wt%、好ましくは5.0〜7.0wt%、より好ましくは5.5〜6.5wt%、そして
残部が、Coである
元素周期表第4族の元素としては、Ti,Zr,Hfなどである。元素周期表第5族の元素としては、V,Nb,Taなどである。元素周期表第13族の元素としては、B,Al,Ga,In,Tlなどである。
(微量Niを固定化する添加元素Xの探索)
2元状態図上で、Niと化合物を形成する元素であって、さらに生体毒性が少ない元素を探索した。その結果、候補添加元素Xとして、アルミニウム(Al),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb)を選択した。
試料組成は以下の通りである。
Co:Balance,Cr:29wt%,Mo:6wt%,Ni:1wt%をコントロールとして、これにAl:0.5wt%,Ti:0.3wt%,Zr:0.05wt%, Nb:0.5wt%をそれぞれ添加した。本試料組成においては、Niの溶出量を比較しやすくするために、あえてNiを1wt%含有せしめた。溶解は高周波真空誘導溶解炉を用いて行った。溶湯を真空に保持した状態で炭素を添加して十分な脱酸処理を施した後で、添加元素Xを添加した。
試験用合金試料は溶湯鍛造装置によって作製した。
作製した試料をワイヤーカット放電加工機で10×30×1mm3のサイズに加工し、偏析を完全除去するために均質化熱処理(1150℃、12時間→水焼入れ(water quenching:W.Q.))を施した。また、試験片は蒸留水でSiC 1000番まで研磨を行い、その後アセトン、蒸留水中で各5分間超音波洗浄によって十分に洗浄した後、大気皮膜を形成させるため大気中に24時間以上放置した。
合金試料の試験片につき、各金属溶出量をより明らかにし、また比較しやすいようにするために、試験溶液には加速試験用として(1+99)乳酸(1%乳酸水溶液)を用いた。
試験容器に試験片2枚を重ならないように入れ、完全に試験溶液に浸るようにする。また試験溶液の液量は30mlとした。試料を入れない試験溶液だけで同様に試験する(空試験)。溶出条件は、静置条件を基本として、溶液温度:37±1℃、試験期間:7日間とする。
試験終了後に試験片を取り出し、(1+99)硝酸(1%硝酸水溶液)で試験片、容器内の洗浄を行い、それを濾過せしめ、分析溶液を一定(100ml)にする。そして、ICP発光分光分析法により、金属濃度を測定し、以下の式を用いて各金属溶出量を求めた。
Wi =L(ICi−IBi)/S
ここで、Wi:i元素の単位面積当たりの溶出量(g/cm2)
ICi:溶出試験後の溶出中のi元素の濃度(g/ml)
IBi:空試験溶液中のi元素の濃度の平均値(g/ml)
L:溶出試験溶液の全量(ml)
S:試験片全体の表面積(cm2)
とする。
金属溶出について試験した結果を図1〜5に示す。
Co−29Cr−6Mo−1Niに0.5Al,0.5Nb添加せしめた合金は、Ni金属の溶出に対して抑制の効果は見られなかった。Co−29Cr−6Mo−1Niに0.3Ti,0.05Zr添加せしめた合金に関しては、Ni金属の溶出に対して抑制の効果が認められるばかりでなく、Ni以外のCo,Moに対しても溶出抑制の効果が見られた。特に0.05Zr添加合金では、Niの溶出は見られなかった。
Zr微量添加合金で、金属の溶出が最も抑制されていた。しかし、微量添加による機械的特性への影響は明らかになっていない。そこで、Zrを微量添加した合金とコントロール材の機械的特性を比較した。
試料組成は以下の通りである。
試料組成は以下の通りである。
金属溶出についての試験結果を図7〜10に示す。また実施例1で用いたCo−29Cr−6Mo−1Ni合金をcontrolとし、Al2O3坩堝で作製した合金をSample A,MgO坩堝で作製した合金をSample Bとする。
Al2O3坩堝,MgO坩堝を使用して、溶湯温度を1600℃以上に保持すると溶湯と坩堝が反応して、AlやMgが溶け出す。この溶け出したAl及びMgとNiが結びついてNiが固定化される。ないしはAl及びMgとNiが結びついたものが、比重の差で溶湯表面に浮き、スラグとして除去されて脱Niが起きた結果溶出量が低減したものと推察される。
Co−Cr−Mo合金に積層欠陥エネルギーを増加させる元素を添加して、合金組織のγ相を安定化させ、得られた合金からのイオン溶出量の変化を調べる。
図11は、CoのHCP→FCC相変態温度(Ms)に及ぼす添加元素の影響について示している(C.T.Sims,N.S.Stoloff&W.C.Hagel:SUPERALLOYSII,Wiley−Interscience(1987)(ISBN:0471011479))。縦軸は添加元素の固溶限を示し、横軸は添加元素1%あたりのMsの変化する温度を示す。0からマイナスの温度が高いほど(図11では、より左側ほど)、Coの積層欠陥エネルギーを増加させ、FCC結晶を安定化する効果を有する(左側)。逆に、ゼロからプラスに温度が高くなるほど(図11ではより右側ほど)、Coの積層欠陥エネルギーを減少させ、HCP結晶が安定化する(右側)。
Co−29wt%Cr−6wt%Mo−1wt%Ni合金に0.3wt%の量のNbあるいは0.1wt%の量のZrを添加した合金を、アルゴンアーク溶解炉を用いて溶製した。1150℃で12時間保持して水焼入れした合金の試験片を蒸留水でSiC 1000番まで研磨し、その後、アセトン、蒸留水中で各5min超音波洗浄によって十分に洗浄した後、大気皮膜を形成させるため大気中に24h以上放置した。
実施例1と同様、合金試料の試験片につき、各金属溶出量をより明らかにし、また比較しやすいようにするために、試験溶液には加速試験用として(1+99)乳酸を用いた。試験容器に試験片2枚を重ならないように入れ、完全に試験溶液に浸るようにする。また試験溶液の液量は30mlとした。試料を入れない試験溶液だけでも、同様に試験(空試験)する。
実施例1と同様、試験終了後に試験片を取り出し、(1+99)硝酸で試験片、容器内の洗浄を行い、それを濾過せしめ、分析溶液を一定量(100ml)にする。そしてICP発光分光分析法により、金属濃度を測定し、以下の式を用いて各金属溶出量を求めた。
Wi =L(ICi−IBi)/S
ここで、Wi:i元素の単位面積当たりの溶出量(g/cm2)
ICi:溶出試験後の溶出中のi元素の濃度(g/ml)
IBi:空試験溶液中のi元素の濃度の平均値(g/ml)
L:溶出試験溶液の全量(ml)
S:試験片全体の表面積(cm2)
とする。
イオン溶出実験結果を図13に示す。γ相の割合の多いNbおよびZr添加材ではその全元素溶出量は、γ相以外にε相の析出割合が多い無添加材より大きい値を示した。ただ、Zr添加材ではNiイオンの溶出量が減少する傾向が認められた。
積層欠陥エネルギーを増加させる元素であるZrのCo−Cr−Mo合金に対する添加量を0.05wt%から0.3wt%まで増加させ、γ相を安定化の程度を変化させる。このときのイオン溶出量の変化を調べる。
Co−29wt%Cr−6wt%Mo−1wt%Ni合金にZrを0.05、0.1、および0.3wt%添加した合金を、アルゴンアーク溶解炉を用いて溶製した。1150℃で12時間保持して水焼入れした合金の組織を、図14に示す。
次に、実施例4と同様な方法で、イオン溶出試験を実施した。
Claims (28)
- 生体用Co−Cr−Mo合金又はNiフリーステンレス鋼合金におけるNi微量不純物による生体毒性を無害化する方法であって、合金組成に、元素周期表第4族、第5族、第13族に属する元素、ランタノイド元素、ミッシュメタル、Mgからなる群から選択された元素または化合物を添加することを特徴とする生体用Co−Cr−Mo合金又はNiフリーステンレス鋼合金のニッケル毒性の無毒化法。
- 添加元素が、Mg,Al,Ti,Zr及びNbからなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項1に記載のニッケル毒性の無毒化法。
- 生体用Co−Cr−Mo合金又はNiフリーステンレス鋼合金におけるNi微量不純物による生体毒性を無害化する方法であって、合金組成に、元素周期表第4族に属する元素からなる群から選択された元素を添加することを特徴とする請求項1に記載のニッケル毒性の無毒化法。
- 添加元素が、ジルコニウム及びチタンからなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項3に記載のニッケル毒性の無毒化法。
- 添加元素が、ジルコニウムであることを特徴とする請求項3に記載のニッケル毒性の無毒化法。
- 合金組成中のニッケル含有量が、(1)1.0wt%程度あるいはそれ以下、(2)0.5wt%程度あるいはそれ以下、(3)0.002wt%程度あるいはそれ以下、(4)少なくとも100ppmオーダーあるいはそれ以下、または(5)数100ppmオーダーあるいはそれ以下のもので、Niが不可避的に混在する合金であることを特徴とする請求項1に記載のニッケル毒性の無毒化法。
- 合金溶製後、600℃から1250℃での温度で熱処理を行うことを特徴とする、請求項1から6に記載の生体用Co−Cr−Mo合金又はNiフリーステンレス鋼合金のニッケル毒性の無毒化法。
- 生体用Co−Cr−Mo合金又はNiフリーステンレス鋼合金におけるNi微量不純物による生体毒性を無害化する目的で、合金組成に、元素周期表第4族、第5族、第13族に属する元素、ランタノイド元素、ミッシュメタル、Mgからなる群から選択された元素または化合物を添加されているものであることを特徴とするニッケル毒性の無毒化された生体用Co−Cr−Mo合金又はNiフリーステンレス鋼合金。
- 合金組成中のニッケル含有量が、(1)1.0wt%程度あるいはそれ以下、(2)0.5wt%程度あるいはそれ以下、(3)0.002wt%程度あるいはそれ以下、(4)少なくとも100ppmオーダーあるいはそれ以下、または(5)数100ppmオーダーあるいはそれ以下のもので、Niが不可避的に混在する合金であることを特徴とする請求項8に記載の合金。
- 合金溶製後、600℃から1250℃での温度で熱処理を行うことを特徴とする、請求項8及び9に記載のニッケル毒性の無毒化された生体用Co−Cr−Mo合金又はNiフリーステンレス鋼合金。
- 請求項8に記載のニッケル毒性の無毒化された生体用Co−Cr−Mo合金又はNiフリーステンレス鋼合金から製造されたことを特徴とする医療用デバイス。
- 請求項8に記載のニッケル毒性の無毒化された生体用Co−Cr−Mo合金又はNiフリーステンレス鋼合金を、焼入れ、金属のガス霧化法、機械的合金法、溶湯急冷法、熱間押出し、熱間圧延、熱間線引き及び鍛造からなる群から選択された処理を加えて製造されたことを特徴とする医療用デバイス。
- 生体用Co−Cr−Mo合金におけるイオン溶出抑制法であって、合金組織を制御調整して、εHCP相組織を富化せしめることを特徴とする生体用Co−Cr−Mo合金からのイオン溶出抑制法。
- 生体用Co−Cr−Mo合金における合金組織の制御調整が、合金組成に、元素周期表第4族、第5族、第13族に属する元素、ランタノイド元素、ミッシュメタル、Mgからなる群から選択された元素または化合物を添加することを特徴とする請求項13に記載の生体用Co−Cr−Mo合金からのイオン溶出抑制法。
- 添加元素が、Mg,Al,Ti,Zr及びNbからなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項14に記載の生体用Co−Cr−Mo合金からのイオン溶出抑制法。
- 添加元素が、元素周期表第4族に属する元素からなる群から選択された元素であることを特徴とする請求項14に記載の生体用Co−Cr−Mo合金からのイオン溶出抑制法。
- 添加元素が、ジルコニウム及びチタンからなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項16に記載の生体用Co−Cr−Mo合金からのイオン溶出抑制法。
- 添加元素が、ジルコニウムであることを特徴とする請求項16に記載の生体用Co−Cr−Mo合金からのイオン溶出抑制法。
- 合金組成中のニッケル含有量が、(1)1.0wt%程度あるいはそれ以下、(2)0.5wt%程度あるいはそれ以下、(3)0.002wt%程度あるいはそれ以下、(4)少なくとも100ppmオーダーあるいはそれ以下、または(5)数100ppmオーダーあるいはそれ以下のもので、Niが不可避的に混在する合金であることを特徴とする請求項14に記載の生体用Co−Cr−Mo合金からのイオン溶出抑制法。
- 合金溶製後、600℃から1250℃での温度で熱処理を行うことを特徴とする、請求項14〜19のいずれか一に記載の生体用Co−Cr−Mo合金からのイオン溶出抑制法。
- 合金組成物を、(i)溶解あるいは1000℃及びそれ以上の温度で熱処理した後、急冷処理を施すか、又は(ii)おおよそ1000℃及びそれ以上の温度であり且つ少なくとも550〜650℃の温度領域での長時間の熱処理を施すことを特徴とする、請求項14〜19のいずれか一に記載の生体用Co−Cr−Mo合金からのイオン溶出抑制法。
- 生体用Co−Cr−Mo合金における合金組織のうち、εHCP相組織が富化せしめられ、合金からのイオン溶出が抑制あるいは低減せしめられていることを特徴とする生体用Co−Cr−Mo合金。
- 生体用Co−Cr−Mo合金組成に、元素周期表第4族、第5族、第13族に属する元素、ランタノイド元素、ミッシュメタル、Mgからなる群から選択された元素または化合物を添加されているものであることを特徴とする請求項22に記載の合金。
- 合金組成中のニッケル含有量が、(1)1.0wt%程度あるいはそれ以下、(2)0.5wt%程度あるいはそれ以下、(3)0.002wt%程度あるいはそれ以下、(4)少なくとも100ppmオーダーあるいはそれ以下、または(5)数100ppmオーダーあるいはそれ以下のもので、Niが不可避的に混在する合金であることを特徴とする請求項22に記載の合金。
- 合金溶製後、600℃から1250℃での温度で熱処理を行うことを特徴とする、請求項22〜24のいずれか一記載の合金。
- 合金組成物を、(i)溶解あるいは1000℃及びそれ以上の温度で熱処理した後、急冷処理を施すか、又は(ii)おおよそ1000℃及びそれ以上の温度であり且つ少なくとも550〜650℃の温度領域での長時間の熱処理を施すことを特徴とする、請求項22〜24のいずれか一に記載の合金。
- 請求項22に記載の生体用Co−Cr−Mo合金から製造されたことを特徴とする医療用デバイス。
- 請求項22に記載の生体用Co−Cr−Mo合金を、焼入れ、金属のガス霧化法、機械的合金法、溶湯急冷法、熱間押出し、熱間圧延、熱間線引き及び鍛造からなる群から選択された処理を加えて製造されたことを特徴とする医療用デバイス。
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