JPH0647702B2 - コバルト−クロム超合金から形成された医用人工具 - Google Patents

コバルト−クロム超合金から形成された医用人工具

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JPH0647702B2
JPH0647702B2 JP3233295A JP23329591A JPH0647702B2 JP H0647702 B2 JPH0647702 B2 JP H0647702B2 JP 3233295 A JP3233295 A JP 3233295A JP 23329591 A JP23329591 A JP 23329591A JP H0647702 B2 JPH0647702 B2 JP H0647702B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、多量のクロムを含み、
そしてこゝでコバルト−クロム超合金と呼んでいるとこ
ろのコバルト基合金から形成された医用人工具に関す
る。より詳しくは本発明は機械的合金法でつくられる酸
化物分散強化（Ｏ．Ｄ．Ｓ．）コバルト−クロム超合金
から形成された医用人工具に関する。
【０００２】用語「超合金」は通常特別に強力で良好な
機械的性質および耐食性そして安定なミクロ組織を有す
る合金を意味する技術用語である。特に関心の対象とし
ているのは、さらに非常な高温の熱処理後も高強度（そ
して安定なミクロ組織）を保持する合金である。
【０００３】
【従来の技術】公知の合金Vitallium （米国登録商標）
（以下「Vitallium 」と称する。）は多くの整形外科用
途に好適に使用される高耐食性のコバルト−クロム合金
である。Vitallium の典型的組成は次のとおりである。
【０００４】元 素 重量パーセント 炭 素 ０．２５ 珪 素 ０．７５ マンガン ０．７０ クロム ２８．００ モリブデン ５．５０ コバルト ６４．８０ 多くの好ましい性質、特に耐食性によりVitallium は整
形外科用途、特に医用人工具に広く用いられる。整形外
科の埋込み分野における特に有益な開発は、無セメント
系で骨の成長を促がすためにVitallium 埋込み具の表面
にVitallium 球状粒が複層になった形に多孔質の被覆を
施すようにしたことである。
【０００５】与えられた金属合金の性質がその組成に、
そしてまたいろいろな合金成分が最終合金内に構成され
る手法に依存していることは知られている。「機械的合
金法」とは親密に分散した均一な内部組織を有する均質
な複合粒子をつくる方法である。その方法は、John S.
Benjaminの「Dispersion Strenghened Superalloys by
Mechanical Alloying （機械的合金による分散強化超合
金）」（Metallurgical Transactions,Vol.l.October 1
970,p.２９４３）という標題の報文に記載されている。
【０００６】１９７１年７月６日発行のJohn S. Benjam
inの米国特許第３，５９１，３６２号には、機械的合金
の技術によってつくられた複合金属粉のことが開示され
ている。
【０００７】機械的合金法は、特に溶融法や通常の粉末
治金法では容易につくり得ない超合金をつくるのに有利
である。超合金の強度その他の性質が究極的には金属間
化合物の分散に依存し、超合金の有用性は本質的にこれ
ら成分の安定性によって制限を受けるものであるから、
合金金属と同様分散物の選択が最終合金の性能にとって
重要なものとなる。
【０００８】合金成分内に選択された酸化物が介在する
ことによって最終合金の性質が改善され得、そして機械
的合金法によってつくられた酸化物分散強化（Ｏ．Ｄ．
Ｓ．）超合金は熱損傷を防ぐ安定な酸化物を分散させる
ことにより高温強度と安定性を示し、合金設計において
遥かに大きい自由度を許容するものであることは知られ
ている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】今や、Ｏ．Ｄ．Ｓ．機械
的合金操作によってつくられた改良コバルト−クロム超
合金はVitallium の典型的な高い耐食性を有するのみな
らず、すぐれた常温強度性（引張り強さおよび疲労強
さ）をも有し、それが厳しい熱条件に曝されたあとでも
実質的に保持されることが見出されたのである。これら
の性質は、類似の技術によってつくられた従来技術の合
金たとえば米国特許第３，５９１，３６２号に開示され
ているニッケル−クロム系、コバルト−クロム系（ここ
に特定されているものとは異なる組成のもの）および鉄
−クロム系の合金から期待できる以上に実質的に有利な
ものである。
【００１０】本発明では、機械的合金法によってつくら
れ、高い強度、耐食性、高温安定性及び生物適合性を有
する複合合金であって、重量％で、 クロム ２６〜３０ モリブテン ５〜７ マンガン １以下 珪素 １以下 鉄 １．５以下 ニッケル ２．５以下 炭素 ０．３５以下 耐火性酸化物 ０．０５〜１．０ アルミニウム ０．０５〜０．６ チタン ０．０５〜０．６ および極微量の不可避不純物を除いて残部がコバルトか
らなる組成をもち、耐火性酸化物は、シリカ又はマグネ
シウム、カルシウム、アルミニウム、イットリウム、セ
リウム、チタン及びジルコニウムから選択された金属の
酸化物であって、高温安定で非付着性の微細な粒子を形
成し且つ分散相として含まれるものであり、機械的合金
法、固結更に熱間圧延によってつくられた後に、２５０
以上好ましくは２８０〜３００ksi （１７６以上好まし
くは１９７〜２１１kgf/mm2 ）の極限引張り強さ、２２
０ksi 以上好ましくは２３５〜２７５ksi （１５５以上
好ましくは１６５〜１９３kgf/mm2 ）の０．２％オフセ
ット降伏強さ、２〜５％の伸び及び１０7 サイクル（回
転片持ちばり）において１００ksi （７０kgf/mm2 ）以
上の疲れ強さを有する、前記合金から形成された医用人
工具を提供するものである。
【００１１】ここで、本発明の合金は生物適合性を有さ
なければならない。また、大量に存在すると毒性を有す
る又はその疑いがある元素は厳格な上限の範囲内でのみ
含有することが許容される。その上、本発明の合金は、
人工医用具を形成するに適するように高強度、耐食性及
び高温安定性を有しなければならない。
【００１２】かかる観点から、本発明の合金の各組成及
び含有量を決定した。なお、アルミニウムは過剰に存在
すると重大な毒性の副作用を起こす場合があるので、含
有量の上限を０．６％と厳格に限定している。また、特
に人工医用具に使用することを意図された生物適合性を
有する合金中のニッケルの含有量は、２．５％を越えて
はならず、２．５％未満が好ましい。
【００１３】本発明の改善されたＯＤＳ超合金に分散酸
化相を与える耐火性酸化物は好適には約２５℃での酸素
１グラム原子あたり酸化物生成の負自由エネルギーが少
なくとも約９０，０００カロリーであり、融点が少なく
とも約１３００℃の金属の酸化物である。追加的には、
酸化物は分散相内で非付着性の微粒子を形成するのに適
したものでなければならない。好適な耐火性酸化物の例
はシリカ又は、マグネシウム、カルシウム、アルミニウ
ム、イットリウム、セリウム、チタン及びジルコニウム
から選択された金属の酸化物である。
【００１４】本発明の目的のために、そして特に超合金
が医用人工具製造のために用いられる場合に最も好まし
い酸化物は酸化イットリウムＹ2 Ｏ3 であって、ここで
は特に本発明をこの好ましい酸化物でもって説明する。
【００１５】本発明の好ましい実施態様は上記したよう
に高強度で耐食性のある高温安定性の複合合金であり、
重量パーセント組成が クロム ２６．２０ モリブデン ５．４０ マンガン ０．７８ 珪素 ０．６７ 鉄 ０．１８ ニッケル ０．４５ 炭素 ０．０２５ 酸化イットリウム（Ｙ2 Ｏ3 ） ０．５０ アルミニウム ０．５９ チタン ０．３０ そして極微量の不可避不純物を除いて残部がコバルトか
らなるものである。
【００１６】他の好ましい実施態様は上記した合金で重
量パーセント組成で クロム ２６．００ モリブデン ５．２０ マンガン ０．７９ 珪素 ０．７６ 鉄 ０．１７ ニッケル ０．５６ 炭素 ０．０３ 酸化イットリウム ０．５４ アルミニウム ０．２７ チタン ０．３０ および極微量の不可避不純物を除いて残部がコバルトか
らなるものである。
【００１７】本発明はまた上記した合金から形成された
医用人工具をも提供する。好ましくは本合金は医用人工
具たとえば人工股として必要な形に鍛造される。
【００１８】本発明の高い強度、耐食性、高温安定性及
び生物適合性を有する複合合金は、機械的合金法によっ
て粉末状につくられる。この機械的合金法は金属成分と
酸化物成分の混合物を粉砕機内で乾式の高エネルギー粉
砕に供することそして酸化物と金属成分の均一分布が達
成されるまで制御された条件のもとで粉砕を継続するこ
とからなるものである。出来上りの粉末状の均質な複合
合金は次いで（好ましくは熱間押出しにより）固結さ
れ、そして出来上りの押出された固体合金はさらに熱間
圧延により加工される。
【００１９】機械的合金法は制御された非常に微細なミ
クロ組織をもつ複合金属粉をつくる乾式高エネルギー粉
砕方法である。粉末は高エネルギー摩砕機（attrition
mill) または特殊な大型ボールミルでつくられる。本発
明のＯＤＳ合金をつくるには市場で入手し得る金属粉
末、母合金粉および非常に微細な酸化物粉の混合物を粉
砕機に供する。
【００２０】制御された条件のもとで粉末粒子はまず互
に冷間接合して大きい粒子をつくり、次いで破砕されて
複合粉粒に破壊される。接合と破壊との相互作用は全成
分をさらに細分し練り合わせて酸化物と金属成分の非常
に均一な分布を斉らす。
【００２１】出来上った酸化物含有粉は医用人工具に必
要な形に鍛造されるのに先立ち、押出しおよび熱間圧延
によって固められる。押出し以外の固結技術たとえば熱
間等圧プレス（hot isostatic pressing）または急速全
方向圧密化（rapid omnidirectional compaction；ＲＯ
Ｃ）（米国特許第４，１４２，８８８号を参照）も用い
られる。
【００２２】本発明を添付図を引用してさらに詳しく説
明する。
【００２３】図１は鍛造した高性能合金についての引張
り強さと伸びパーセントとの間の関係を示した図、そし
て図２は本発明の好ましい合金の疲労性およびＦＨＳ
Vitallium と鋳造Vitallium のそれらとの間の比較を示
した２つの図を組み合わせたものである。
【００２４】図面の図１を説明すると、この図は本発明
の合金成分の典型的な混合物からつくられ、こゝで述べ
られた機械的合金、押出しおよび熱間圧延工程によって
つくられた超合金片は同族で、工業用合金系のうちで最
も強度の高いレベルを有する超高強度鋼の強度レベルに
匹敵するものであることを明らかに示している。
【００２５】これら超高強度鋼の１０7 繰返えし回転梁
疲労強さは１０５，０００ないし１３５，０００psi
（７４ないし９５kgf/mm2 ）の範囲である。熱間圧延さ
れた本発明のＯＤＳ超合金は１５７，０００psi （１１
０kgf/mm2 ）という１０7 繰返えしの値を有し、これら
材料を遥かに凌いでいる。十分な焼結時間で焼鈍された
材料でさえ１０７，０００psi （７５kgf/mm2 ）で十分
な競合性をもっている。これらの非常に高い強度値は図
１にみられるように、鍛造されたコバルト基超合金にみ
られるものを遥かに凌いでいる。事実、十分な焼結時間
で焼鈍された材料でさえも容体化処理されそして時効さ
れたものの性質を越える強度値を有している。
【００２６】熱間圧延によってつくられた棒材は熱処理
され必要な医用人工具の形に鍛造され、次いで機械加工
して滑らかな表面に仕上げられた医用人工具にされ得
る。
【００２７】必要ならば、この滑らかな表面の医用人工
具はさらに処理されて多孔質の被覆をされた医用人工具
となされる。
【００２８】図面の図２においては、実施例１に示され
たような本発明の好ましい合金の疲労性が第１番目の図
でＦＨＳ Vitallium および鋳造Vitallium のそれぞれ
の疲労性と比較されている。第２番目の図は本発明の合
金が熱に曝されたあとでもＦＨＳ Vitalliumの疲労強さ
と比較し得る疲労強さを保持していることを示してい
る。
【００２９】次の実施例は本発明が実施される方法を示
したものである。
【００３０】
【実施例】実施例１ 重量パーセントで、 クロム ２６．２０ モリブテン ５．４０ マンガン ０．７８ 珪素 ０．６７ 鉄 ０．１８ ニッケル ０．４５ 炭素 ０．０２ 酸化イットリウム ０．５０ アルミニウム ０．５９ チタン ０．３０ コバルト 残 からなる合金成分の混合物が攪拌粉砕または高エネルギ
ー粉砕をなし得る粉砕機または攪拌ボールミル式の摩砕
機に供給された。このことは摩砕成分の実質的な部分が
連続的にすり合う動作をなす状態に保持されるように十
分な機械的エネルギーが全装入物に加えられる条件にな
る。この方式の粉砕は米国特許第３，５９１，３６２号
に記載されている。
【００３１】空気中での高エネルギー粉砕は実質的に均
質な酸素含有超合金粉がつくられるまで約２４時間継続
された。
【００３２】前記超合金粉は摩砕機から押出し容器に通
され、次いで押出しプレスに通され、そこで約４インチ
（１０２mm）径の押出しビレットに固結された。
【００３３】押出しプレスから出されたビレットは、次
いで約１インチ（２５mm）径のロッドに熱間圧延され
た。
【００３４】圧延されたままの１インチ（２５mm）径の
ロッドはKrouse式片持ち梁回転疲労試験に供されたが、
その得られたデータは第２図左側の図に示してある。
【００３５】次いでロッドは、完全焼結時間の焼鈍に供
された。完全焼結時間の焼鈍に供された超合金の疲労性
は、図２右側の図に示してある。
【００３６】上記のようにつくられた熱間圧延したまま
の超合金は２９９ksi(１６１kgf/mm2 ）の引張り強さ、
２５９ksi(１８２kgf/mm2 ）の２％伸びの耐力および
４．４％の常温延性（伸び）を有していた。
【００３７】完全焼結時間の焼鈍を施した合金は１８４
ksi （１２９kgf/mm2 ）の引張り強さ、１５０ksi （１
０５kgf/mm2 ）の２％伸び耐力および１４．５％の延性
を有していた。
【００３８】実施例２ 重量パーセントで クロム ２６．００ モリブテン ５．２０ マンガン ０．７９ 珪素 ０．７６ 鉄 ０．１７ ニッケル ０．５６ 炭素 ０．０３ 酸化イットリウム ０．５４ アルミニウム ０．２７ チタン ０．３０ コバルト 残 からなる合金成分の混合物が実施例１における混合物に
対するのと同様の方法で処理された。得られた合金粉は
固結され、熱間圧延され、実施例１の合金と同様の熱処
理工程に供されたが、得られた合金の引張り特性は実施
例１の合金のそれらに匹敵するものであった。
【００３９】上記の実施例１および２双方の合金は生物
学的適合性のあるもので、特に医用人工具に好適なもの
である。双方共に１．０％以下のニッケルおよび１．５
％以下の鉄を許容するＡＳＴＭ Ｆ７９９−８２の「St
andardSpecification for Thermody-namically Process
ed Cobalt-Chromium-Molybdenum Alloy for Surgical I
mplants（熱力学的処理を施した外科埋込み用コバルト
−クロム−モリブデン合金の規格明細）」を満足してい
る。
【００４０】
【発明の効果】本発明のＯＤＳ超合金の性質は独特なも
のである。ＦＨＳ Vitalliumに比べ、本発明の超合金は
酸化イットリウム、アルミニウムおよびチタンという特
別な合金添加物を有しており、それにより引続く熱に対
する暴露において実質的に高い値の引張り強さおよび疲
労強さを保持するという必要な目的を達し得るものであ
る。
【００４１】この合金の性質は結合分散（Ｙ2 Ｏ3 - Ａ
ｌ2 Ｏ3 ）を形成させ、密な粒子間隔によって結晶寸法
が著しく成長することを防ぎ、それによる性質劣下を避
けるようにすることによって上記したことを達成するも
のである。
【００４２】この独特なコバルト基合金の性質は、特に
多孔質な被覆を施した医用人工具という特別な用途に適
応しており、骨セメントの使用を避ける医用人工具固定
の新しい改善方法を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】高性能鍛造合金および本発明の酸化物分散強化
超合金について、引張り強さと伸び率を示した比較図、
そして
【図２】鋳造Vitallium およびＦＨＳ Vitallium と本
発明の酸化物分散強化超合金について疲労性を示した比
較図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２２Ｆ 7/00 Ｚ Ｃ２２Ｃ 1/05 Ｄ Ｃ２２Ｆ 1/10 Ｊ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 (1) 金属成分と酸化物成分の混合物を粉
    砕機内での乾燥高エネルギー粉砕に供すること、およ
    び、金属成分と酸化物成分の均一分布が得られるまで制
    御された条件のもとで粉砕を継続することによって、機
    械的混合法を行う工程； (2) 得られた粉末状の均質な複合合金を熱間押出しによ
    って行う工程；更に、 (3) 押し出されて固結した合金を熱間圧延する工程； の各工程によって製造された、高い強度、耐食性、高温
    安定性及び生物適合性を有する複合合金から形成された
    医用人工具であって：重量％で、 クロム ２６〜３０ モリブテン ５〜７ マンガン １以下 珪素 １以下 鉄 １．５以下 ニッケル ２．５以下 炭素 ０．３５以下 耐火性酸化物 ０．０５〜１．０ アルミニウム ０．０５〜０．６ チタン ０．０５〜０．６ および極微量の不可避不純物を除いて残部がコバルトか
    らなる組成からなり、耐火性酸化物は、シリカ又はマグ
    ネシウム、カルシウム、アルミニウム、イットリウム、
    セリウム、チタン及びジルコニウムから選択された金属
    の酸化物であって、高温安定で非付着性の微細な粒子を
    形成し且つ分散相として含まれるものであり；２５０ks
    i(１７６kgf/mm2 ）以上の極限引張り強さ、２２０ksi
    (１５５kgf/mm2 ）以上の０．２％オフセット降伏強
    さ、２〜５％の伸び及び１０7 サイクル（回転片持ちば
    り）において１００ksi(７０kgf/mm2 ）以上の疲れ強さ
    を有する；前記合金から形成された医用人工具。
  2. 【請求項２】 前記合金を鍛造して必要な形状にされた
    ものである、請求項１に記載の医用人工具。
  3. 【請求項３】 人工股の形状をしている、請求項２に記
    載の医用人工具。
JP3233295A 1985-02-20 1991-09-12 コバルト−クロム超合金から形成された医用人工具 Expired - Lifetime JPH0647702B2 (ja)

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