JPH10130757A - Ti合金製インプラント材 - Google Patents

Ti合金製インプラント材

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JPH10130757A
JPH10130757A JP8301225A JP30122596A JPH10130757A JP H10130757 A JPH10130757 A JP H10130757A JP 8301225 A JP8301225 A JP 8301225A JP 30122596 A JP30122596 A JP 30122596A JP H10130757 A JPH10130757 A JP H10130757A
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Japan
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implant material
alloy
present
casting
temperature
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JP8301225A
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Akihiro Suzuki
昭弘 鈴木
Michio Okabe
道生 岡部
Yoshihisa Yamamoto
佳久 山本
Tokio Kato
時男 加藤
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Daido Steel Co Ltd
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Daido Steel Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】生体適合性に優れ、軽量で高強度且つコストの
安価なインプラント材を提供する。 【解決手段】重量%でAl:5.5〜7.5%,Nb:
6.5〜8.0%,O:≦0.30%,残部不可避的不
純物及びTiから成る合金組成の素材を鋳造成形してイ
ンプラント材と成す。また必要に応じて素材の合金組成
をC,N,Ta,Feの何れか1種若しくは2種以上を
C:≦0.10%,N:≦0.08%,Ta:≦1.0
%,Fe:≦1.0%の範囲で、更にはB:≦0.02
%の範囲で含有する組成となす。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は医療用の人工骨,
人工関節等生体内に埋め込まれるインプラント材に関
し、詳しくはTi合金製のインプラント材に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】骨折或
いは各種の疾患により骨或いは関節としての機能回復が
望めない場合に生体内への人工骨,人工関節等の埋植が
行われる。
【0003】この人工骨(人工関節)等の埋植材(イン
プラント材)用の材料として先ずステンレス鋼が実用化
され、現在でも使用されている。初期においては18%
Cr−8%Niが使用されていたが耐食性が十分でな
く、そこでSUS316系が使用されるようになったが
未だ耐食性が不十分で、長期間生体内に埋植されている
間に腐食が起こったりする例が報告されている。
【0004】そこで耐食性に優れ、また生体との馴染み
の良いTi合金から成るインプラント材が注目され、実
際にTi−6Al−4Vの鍛造品から成るインプラント
材が使用されるようになって来ている。
【0005】ところがこのTi−6Al−4Vの鍛造品
から成るインプラント材の場合、Vがアレルギー性を有
し、人体に悪影響があるとの指摘がなされている。また
鍛造品から成るインプラント材の場合、加工工数が多く
なってコストが高くなってしまうといった問題も内包し
ている。
【0006】
【課題を解決するための手段】本願の発明はこのような
課題を解決するためになされたものである。而して請求
項1のインプラント材は、重量%で、Al:5.5〜
7.5%,Nb:6.5〜8.0%,O:≦0.30
%,残部不可避的不純物及びTiから成る合金組成の素
材を鋳造成形して成ることを特徴とする。
【0007】請求項2のものは、請求項1において、前
記素材の合金組成を、更にC,N,Ta,Feの何れか
1種若しくは2種以上を重量%で、C:≦0.10%,
N:≦0.08%,Ta:≦1.0%,Fe:≦1.0
%の範囲で含有する組成と成したことを特徴とする。
【0008】請求項3のものは、請求項1,2の何れか
において、前記素材の合金組成を、更に重量%で、B:
≦0.02%の範囲で含有する組成と成したことを特徴
とする。
【0009】請求項4のものは、請求項1,2,3の何
れかにおいて、前記鋳造成形後に800℃以上且つβト
ランザス以下の温度でHIP処理してあることを特徴と
する。
【0010】請求項5のものは、請求項1,2,3の何
れかにおいて、前記鋳造成形後に800℃以上且つβト
ランザス以下の温度でHIP処理した後、更に600〜
850℃の温度で焼鈍処理してあることを特徴とする。
【0011】
【作用】本発明のインプラント材は、上記Ti−6Al
−4Vにおいてアレルギー性の問題が指摘されているV
をNbで置換した形態のもので、生体への適合性に優れ
ており、また軽量で高強度を有し、インプラント材とし
て適したものである。また鋳造品であることから加工の
手間が著しく少なくて済み、従って価格も安価に抑える
ことができる。
【0012】本発明では各種の鋳造法を用いることがで
きるが、特に減圧吸上精密鋳造法にて得たものが、きめ
細かい鋳肌が得られ、且つ薄肉複雑形状品(最小肉厚
0.3mm程度)も容易に得られる点で望ましい。
【0013】図1はこの減圧吸上精密鋳造の一形態例を
模式的に表している。同図において10は減圧室、12
は減圧吸引口、14は減圧室10内にセットされた多孔
質のセラミックシェル鋳型である。16は溶解炉で、こ
の溶解炉16は水冷銅るつぼ18の外周に高周波誘導加
熱コイル20を巻回状に配置したものである。
【0014】この減圧吸上精密鋳造にあっては、不活性
雰囲気の下で合金素材22を高周波誘導加熱コイル20
によって誘導加熱する。このとき合金溶湯は、その表層
部に惹起される電流による磁界と水冷銅るつぼ18壁部
に発生する電流による磁界とが互いに逆位相となること
から、それらの間に生ずる反発力、即ちローレンツ斥力
によってるつぼ18の壁部から離れた状態となる。即ち
合金溶湯がるつぼ18内壁面から離間し、浮遊状態とな
る。
【0015】そこで減圧吸引口12から減圧吸引を行っ
て減圧室10内部を減圧状態とし、多孔質のセラミック
シェル鋳型14内部に負圧を作用させると、その負圧に
より溶解炉16内部の合金溶湯がセラミックシェル鋳型
14側に吸い上げられ、鋳型14内部に充満される。
【0016】その後鋳型14及び合金溶湯を冷却するこ
とでセラミックシェル鋳型14に対応した形状の鋳造品
が得られる。
【0017】この減圧吸上精密鋳造法によれば、合金溶
湯を静かに且つ速やかに鋳型内部に注入することがで
き、鋳型の隅々まで満遍なく合金溶湯を注入・充填する
ことができ、従って鋳造欠陥の少ない且つ薄肉複雑形状
品も容易に鋳造することができ、その鋳肌もきめ細かい
良好な鋳肌となすことができる。従って鍛造品から成る
インプラント材と異なって、その後における機械加工を
大幅に省略することができ、コストを安価とすることが
できる。
【0018】本発明においては、前記素材に対してC,
N,Ta,Feの何れか1種若しくは2種以上をC≦
0.10%,N≦0.08%,Ta≦1.0%,Fe≦
1.0%の範囲で含有させることができ(請求項2)、
これによってインプラント材の強度を効果的に高めるこ
とができる。また更にB≦0.02%の範囲で含有させ
ることができ(請求項3)、これによってインプラント
材における結晶粒を微細化することができる。
【0019】次に請求項4のインプラント材は、鋳造後
に800℃以上且つβトランザス以下の温度でHIP処
理をなしたもので、このインプラント材の場合、鋳造時
に発生したキャビティ等の鋳造欠陥が圧着されて、良好
な延性を有する。
【0020】ここでβトランザスとはβ相と(β+α)
相との境界、即ちβ相から(β+α)相への変態点を意
味する。この請求項4においてβトランザス以下の温度
でHIP処理してあるのは、βトランザスより高い温
度、即ちβ相領域でHIP処理すると結晶粒が粗大化し
てしまうことによる。
【0021】請求項5のインプラント材は、上記HIP
処理に加えて更に600〜850℃の温度で焼鈍処理し
たもので、この処理により延性を更に高めることができ
る。
【0022】次に本発明における各化学成分等の限定理
由を以下に詳述する。 Al:5.5〜7.5% Alは5.5%未満では強度が確保できず、また一方
7.5%を超えると金属間化合物Ti3Alの形成によ
って脆化が生じる。そこで本発明ではAlを5.5〜
7.5%に限定した。
【0023】Nb:6.5〜8.0% Nbは6.5%未満であると強度が確保できず、また逆
に8.0%を超えると比重が大きくなり、またNbは高
価な材料であることからコストアップを招く。そこで本
発明ではNbを6.5〜8.0%の範囲に限定した。
【0024】O:≦0.30%(好ましくは0.05〜
0.25%) Oは強度を高める上で有効な元素であるが、0.30%
を超えると靱性が低下するようになる。そこで本発明で
はOの含有量を0.30%以下に限定した。好ましい含
有量は0.05〜0.25%である。
【0025】C:≦0.10%(好ましくは≦0.07
%) N:≦0.08%(好ましくは≦0.05%) Ta:≦1.0% Fe:≦1.0% これらC,N,Ta,Feは何れもインプラント材の強
化元素として有効な元素である。このうちC,Nは強度
向上に有効であるが、それぞれ0.10%,0.08%
を超えると靱性を著しく低下させるため、これらC,N
については上限値を0.10%,0.08%とした。そ
れぞれの好ましい範囲はC≦0.07%,N≦0.05
%である。
【0026】次にTaはNb原料中に含まれる元素であ
り、生体適合性も良好であることが知られている。但し
1.0%を超えると比重が重くなり、また高価になるた
め上限値を1.0%に規定した。
【0027】FeはNb,Taと同様の働きをする元素
であり、必要に応じて添加が可能である。但しFeは偏
析しやすい元素であって、1.0%を超えると偏析が問
題となるため、上限値を1.0%とした。
【0028】B:≦0.02% Bは結晶粒を微細化する効果があるため、本発明では最
高0.02%までの範囲で添加することができる。但し
0.02%を超えると延性を低下させ脆くなるので上限
値を0.02%とした。
【0029】HIP処理:800℃〜βトランザス温度 HIP処理は上記のように鋳造時に発生するキャビティ
等の鋳造欠陥を圧着し、延性を改善するのに有効であ
る。但し800℃未満の温度であると有効に鋳造欠陥を
圧着できず、逆にβトランザス温度を超えて処理を行う
と結晶粒が粗くなり、延性が低下してしまう。そこで本
発明では800℃〜βトランザスまでの温度範囲でHI
P処理を行う。尚、圧力条件としては1000kg/c
2以上の条件を採用することができる。
【0030】焼鈍処理:600〜850℃ 600〜850℃での焼鈍処理はインプラント材におけ
る強度と延性のバランスを調整する上で有効である。但
し600℃未満の温度では事実上強度に変化がなく、ま
た850℃超の温度では強度低下が生じるようになるた
め、温度条件としては600〜850℃とする必要があ
る。
【0031】
【実施例】次に本発明の実施例を以下に詳述する。表1
に示す各化学組成のTi合金素材を図1に示す方法に従
って減圧吸上精密鋳造し、図2に示す形態のインプラン
ト材25を製造した。ここでインプラント材25は人工
股関節用のものである。
【0032】
【表1】
【0033】尚、表中HIPの欄の例えば900℃×3
h×1220kg/cm2とあるのは、それぞれ温度
(900℃),時間(3h),圧力(1220kg/c
2)を表している。
【0034】更にNo.3,No.5,No.9につい
てはHIP処理後に焼鈍処理を施した。得られたインプ
ラント材25から引張試験片(JIS 14号試験片)
を切り出して引張試験を行った。得られた結果を比較例
とともに同表に示してある。
【0035】以上の結果から、鍛造インプラント材に比
べて延性が低くなりがちな鋳造インプラント材にあって
も、本例のインプラント材の場合には強度とともに良好
な延性を示していることが分る。
【0036】以上本発明の実施例を詳述したがこれはあ
くまで一例示であり、本発明は上例の人工股関節以外に
膝関節、肘,肩,指等の各関節やその他の人工骨を含む
生体への埋植材一般に適用可能であるなど、本発明はそ
の主旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様
で実施可能である。
【0037】
【発明の効果】上記のように本発明のTi合金の鋳造イ
ンプラント材は、生体との適合性に優れており、また軽
量で高強度を有し、更に鋳造品であることから加工の手
間が著しく少なくて済み、価格も安価であるなど実用上
優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明において採用される鋳造法としての減圧
吸上精密鋳造法の一形態を模式的に表す図である。
【図2】本発明の実施例において製造したインプラント
材としての股関節用の人工骨の形状を示す図である。
【符号の説明】
10 減圧室 12 減圧吸引口 14 セラミックシェル鋳型 16 溶解炉 18 水冷銅るつぼ 20 高周波誘導加熱コイル 25 インプラント材

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で Al:5.5〜7.5% Nb:6.5〜8.0% O :≦0.30% 残部不可避的不純物及びTiから成る合金組成の素材を
    鋳造成形して成るTi合金製インプラント材。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記素材の合金組成
    を、更にC,N,Ta,Feの何れか1種若しくは2種
    以上を重量%で C :≦0.10% N :≦0.08% Ta:≦1.0% Fe:≦1.0% の範囲で含有する組成と成したことを特徴とするTi合
    金製インプラント材。
  3. 【請求項3】 請求項1,2の何れかにおいて、前記素
    材の合金組成を、更に重量%で B :≦0.02% の範囲で含有する組成と成したことを特徴とするTi合
    金製インプラント材。
  4. 【請求項4】 請求項1,2,3の何れかにおいて、前
    記鋳造成形後に800℃以上且つβトランザス以下の温
    度でHIP処理してあることを特徴とするTi合金製イ
    ンプラント材。
  5. 【請求項5】 請求項1,2,3の何れかにおいて、前
    記鋳造成形後に800℃以上且つβトランザス以下の温
    度でHIP処理した後、更に600〜850℃の温度で
    焼鈍処理してあることを特徴とするTi合金製インプラ
    ント材。
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