JPH11106852A - チタン合金 - Google Patents

チタン合金

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JPH11106852A
JPH11106852A JP9269115A JP26911597A JPH11106852A JP H11106852 A JPH11106852 A JP H11106852A JP 9269115 A JP9269115 A JP 9269115A JP 26911597 A JP26911597 A JP 26911597A JP H11106852 A JPH11106852 A JP H11106852A
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Ryohei Kumagai
良平 熊谷
Masami Yoshitake
雅美 吉武
Kensuke Hidaka
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 チタン及びチタン合金の接合用低融点合金と
して、Ti−Mn−Ag及びTi−Mn−Ag−Co−
Si合金を提供するものである。 【解決手段】 本発明は、重量でMnを3〜15%、A
gを5〜30%含み、場合によりCo1〜5%、Si
0.1〜1.5%含み、且つCo+Siを5.1%以下
に制限し、残りは実質的にTiより成る事を特徴とする
チタン合金で、前者のTi−Mn−Agは、Mnによる
硬化を許せる範囲内において添加し、低融点化をはか
り、Agは接合材として母材へのなじみを付与するもの
である。また、後者のTi−Mn−Ag−Co−Siは
さらに低融点化し、狭い接合部へ流入し、小さい断面積
で高い強度を得るための合金である。CoおよびSiは
融点の低下に効果があるが硬度上昇があるので、両元素
の関連の中で硬化を押さえた組成である。また、合金化
のための添加元素は生体安全性を配慮しており、さらに
人工関節や歯科用材料におけるチタン及びチタン合金に
おいて母材を溶損しないで接合できる合金として、更に
鋳造用合金として鋳造欠陥の生じにくい合金である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明の合金は、チタンより
も低融点で融点付近の融液がチタン材とよくなじみ、外
科医療に使用される人工関節や歯科治療に使用される人
工歯根等のような、生体へ埋め込まれる金属製インプラ
ントのうち、それらがチタン及びチタン合金である場合
の接合補修または部材とりつけ接合に用いて特にその効
果を奏するチタン合金に関するものである。
【0002】
【従来の技術】インプラントに用いる金属または合金は
生体の体液へ溶出した場合、その元素によっては、何ら
かの疾患を引きおこすか、その誘引になることが懸念さ
れ、溶出元素と疾患の種類との関係について多くの研究
がなされて来た。いっぽう材料面からは擬似体液中で時
間との関係でイオン溶出量の少ないものが先ず選ばれ動
物実験等により安全性の検討がなされて来た。これらの
結果、チタンおよび或種のチタン合金等が選ばれ、イン
プラント材へ適用されることが多くなって来た。しかる
に、チタンはインプラント材への加工に難点を残してお
り、とくに歯科用の義床やブリッヂを遠心鋳造や加圧鋳
造によってつくる際には、チタンの鋳造性が悪いため、
その細部構造に鋳造欠陥を生じやすく、歩留りの低いこ
とを克服して、所期のものが得られるまで試作をくり返
す必要があった。また、人工関節の1部では、骨への固
定効果を上げる方法のひとつとしてスクリューネジどめ
に代わるか、または補う形でのペグを設けることがあ
り、その場合、形状的に機械加工上の制約があって十分
な形のペグを設けにくく、人工関節そのものを生体骨へ
接着するボーンセメント等の他の固定補助手段が必要で
あった。
【0003】これらの製作において、金属的に接合でき
れば、形状設計上極めて有効であるが、接合用合金の開
発には生体有害性から、使用できる元素に制約があるこ
と、およびチタンは多くの他の元素と金属間化合物を形
成し、ろう接材としての湯流れを阻害する場合が多く、
本発明が目的とする生体インプラントに適用できるろう
接用チタン合金は、未だ開発されていない。もし、一般
の工業材料で行われているように母材と同質のチタン及
びチタン合金をフィラーメタルとして溶接しようとする
と、本発明が目的としている生体用材料では、母材が小
物であるため、プラズマやレーザーのような集中熱源を
使ったとしても母材の溶け落ちは避けられないので、溶
接は、なされていないのが現状である。また、チタンま
たはチタン合金以外のCo合金やNi合金の歯科用金属
材料では、金、銀、パラジウム等の合金が接合用材料と
して用いられているが、今後は生体アレルギーなどを考
慮してチタン及びチタン合金への転換がはかられてお
り、接合用合金についてもチタンを主成分とした合金の
開発が望まれている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】生体用金属部材におい
て、接合を適用したい部分には薄肉厚かまたは小物があ
り、複雑な形状を有するので、接合の際の入熱量は低く
抑えないと母材の溶け落ちを生ずるか、形状の変形をも
たらすものである。このため母材より融点の低い接合用
合金で、チタン系母材とのなじみが良く、とくにろう接
法に使う場合は狭い間隙にも流入しやすい液体物性を備
えていることが必要である。合金化元素としては、その
多くは長時間生体内へ挿入されるので微量溶出した場合
癌の誘引になることが懸念されているNi、Zn、Cd
およびPbは避けたい元素である。また、チタンよりそ
れほど融点が低くない元素をチタンへの合金化添加元素
として選ぶにおいても、それらとの共晶点はあまり低く
ないものが多く、且つ、チタンとの金属間化合物等によ
り、融点付近での液体のひろがりに不十分なものが多
い。この場合でもクロムやバナジウムは、アレルギー性
が高いので、今のところ避けたい元素である。以上のと
おり、本目的に適用できるチタンへの添加合金元素の選
択には極めて狭い制約がつけられる。
【0005】
【課題を解決するための手段】チタン及びチタン合金か
らなる生体挿入材の接合用チタン合金として本発明は重
量でMnを3〜15%、Agを5〜30%含み、残りは
実質的にTiより成る事を特徴とするチタン合金であ
る。また、他の態様として重量でMnを3〜15%、A
gを5〜30%含み、さらにCo1〜5%、Si0.1
〜1.5%を含み、且つCo+Siを5.1以下に制限
し、残りは実質的にTiより成る事を特徴とするチタン
合金である。これらの合金はチタンが基材であるため、
通常の耐火材によってつくられた溶解炉を使用すると炉
材構成元素の混入があるので、真空または不活性ガス雰
囲気のもとでカルシアルツボを使用するか、またはこれ
らの雰囲気中で水冷銅容器によるハース溶解等によりつ
くり得るものである。
【0006】
【発明の実施の形態】
【作用】本発明のチタン基合金は不活性ガス雰囲気の下
でチタン及びチタン合金母材上での湯流れと融液のひろ
がりを考慮して融点を1900K以下とし、さらに接合
用合金として硬さについてはHV300以下にすること
を合金設計上のひとつの目安とした。その結果得られた
本発明は、請求項1において合金化元素としてMnおよ
びAgを選んだ。これらはいづれもTiとの合金におい
て比較的低温度までβ相領域を有する組成域をもってお
り、脆化を避け得るものである。Mnはその量が増える
にしたがい硬化するが、本発明の上限値である15%以
下では硬化の程度は小さい。また、Mnは少量の添加で
も融点を下げるものであり、本発明合金では3%以上で
効果がある。Agは本発明の合金系において他元素の存
在下においても、その量によって硬化する傾向はみられ
ず、むしろ融液の母材へのなじみを良くし、その量は5
%以上において効果がある。融点について言えば、Ag
は若干の低融点化をもたらすものである。したがって、
Ag量は上限を本発明の請求範囲の上限値である30%
以上にすることも可能であるが、実用接合作業の中で生
ずる表面の酸化色が母材のそれと変ることからその上限
値を30%にした。
【0007】請求項2は請求項1の他にさらにCoおよ
びSiを特定の量添加するものである。これらの元素を
添加することによっていづれも硬化が大きくその量的傾
向はSi量の段階に応じCo添加量に対する硬化の傾向
が変わってくる。Si量が低いときはCo量の増加に対
する硬化の程度は小さい。このためSiの量は上限を
1.5%に制限し、且つCo5%以下においてCo+S
iの量は5.1%以下にすることでSi量の高い方では
Coの過剰添加を行わないものである。CoおよびSi
は硬化傾向がある反面、融点の低下には極めて有効な元
素であり、Coについては、本発明に至る過程で26%
までの添加は、その量が増加するにしたがって融点はな
お低下する傾向であった。Siについても8%付近まで
融点は下がることがわかった。そして、その低融点化の
効果はCoで1%以上、Siで0.1%以上にみられ
た。しかし硬化が大きいため夫々上限を5%および1.
5%とし、且つその範囲の中でCo+Siの量を5.1
%以下にするものである。
【0008】
【実施例】アルゴンガス雰囲気の下で、水冷銅容器を用
いてくり返しアーク溶解してインゴットをつくった。そ
れらの各試料について硬さ測定ののち、熱分析装置によ
り一定加熱速度の下で溶融完了温度を求めた。これらの
結果を表1に例示する。また、各試料の5×5×5mm
の立方体を切り出し、鏡面研磨したTiの平面板の上に
置き、管状炉を使ってアルゴン雰囲気のもとで1900
Kに3.6ksの時間保持したあとの各合金の溶着形状
を観察し、母材Tiとのなじみ、表面の平滑性およびシ
ュリンケージの形態を観察した本発明の合金は、いづれ
も良好なひろがりをもっており、表面は光沢をもって平
滑なものでシュリンケージホールもなく凝固われの生じ
にくいものと判定され、これらの合金系が接合材として
適正であることを示した。
【0009】本発明に含まれるTi−Mn−Ag合金の
No.2および6について、鋳造と圧延により、直径が
約3mmの棒に加工し、これらをフィラーメタルとし
て、直径が6mm、長さ60mmのチタン丸棒をアルゴ
ンガス雰囲気中のグローブボックスの中でTigアーク
溶接を行なった。溶接部が母材面と同じになるよう余盛
部を削除したのち、引張試験の結果いづれも母材で破断
した。また、Ti−Mn−Ag−Co−Si合金のN
o.10および13についてはテープ状に加工した。直
径6mm、長さ60mmのチタン丸棒2本の断面同志を
突き合わせ、この部分を前記合金テープで覆い1473
Kで真空加熱しろう接を行なった、接合部の余盛削除
後、引張試験の結果、いずれも母材から破断した。
【0010】
【表1】
【0011】
【発明の効果】チタン及びチタン合金が軽くて生体内の
安全性や耐食性にすぐれている事からステンレス鋼やコ
バルトクロム合金などに代わって人工関節や各種歯科材
料に使われはじめた。しかし、チタン系金属は従来使わ
れて来たステンレス鋼やコバルトクロム合金にくらべ鋳
造に難点があり、鋳造欠陥が生じ成功率が低いのでくり
返し鋳造を試みねばならなかった。これを溶接によって
補修または溶接構造にするため、母材と共金を接合材料
として用いることが試みられてきたが、接合作業そのも
のに多くの熟練を要するものであった。溶接の失敗はす
べて母材の溶損であり、これを防止するために、本発明
は母材より融点の低い合金を提供し、溶接およびろう接
を可能にした。さらに、ガン疾患のおそれありとされた
来た合金元素を用いないようにして、生体用材料として
の効果を得たものである。これによって人工関節や歯科
用材の形状設計に自由度を広げると共に、鋳造欠陥の少
ない歯科用鋳造チタン合金としての活用に道を広げる効
果がある。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量でMnを3〜15%、Agを5〜3
    0%含み、残りは実質的にTiであることを特徴とする
    チタン合金。
  2. 【請求項2】 重量でMnを3〜15%、Agを5〜3
    0%含み、さらにCo1〜5%、Si0.1〜1.5%
    を含み、且つCo+Siを5.1%以下に制限し、残り
    は実質的にTiより成る事を特徴とするチタン合金。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100480934B1 (ko) * 2002-12-05 2005-04-07 주식회사 바이오머테리얼즈코리아 강도 및 내식성이 우수한 생체재료용 티타늄-은 합금
CN105525140A (zh) * 2015-12-18 2016-04-27 常熟市中科电机有限公司 工业用主轴电机
CN108179318A (zh) * 2018-02-01 2018-06-19 山东建筑大学 一种高强度可降解纳米医用钛镁硅复合材料的制备方法
CN108193071A (zh) * 2018-02-07 2018-06-22 山东建筑大学 一种钛基可再生多孔纳米复合材料的连续挤压制备方法
JP2021065916A (ja) * 2019-10-25 2021-04-30 株式会社ダイテック 材および方法

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