JP2011032530A - 切削性に優れた生体用Ｃｏ基鋳造合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度と延性の両方のバランスが良い上に、切削加工性に優れ、人工骨の素材として好適に用いることができる生体用Ｃｏ基鋳造合金と、その生体用Ｃｏ基鋳造合金の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】質量％で、Ｃｒ：２６〜３０％、Ｍｏ：５〜８％、Ｃ：０．０１〜０．０８％、Ｎ：０．１２〜０．２５％、Ｏ：１００ｐｐｍ未満（０ｐｐｍは含まない）を含有し、残部がＣｏおよび不可避的不純物からなると共に、鋳造された合金が凝固するときに形成される金属組織の２次デンドライドアーム間隔の平均値が４０μｍ以下である。
【選択図】なし

Description

本発明は、強度と延性の両方のバランスが良い上に、切削性に優れ、人工骨、特に人工関節の素材として好適に用いることができる生体用Ｃｏ基鋳造合金と、その生体用Ｃｏ基鋳造合金の製造方法に関するものである。

生体用Ｃｏ基鋳造合金は、従来から人工骨、特に人工関節の素材として使用されており、この生体用Ｃｏ基鋳造合金として、ＡＳＴＭ規格のＦ７５が知られている。このＡＳＴＭ−Ｆ７５には、鋳造によって製造される人工骨用の満たすべき特性として、大まかな化学組成の範囲と機械的性質、および大まかな製造方法の規定はあるものの具体的な規定はされていない。

人工骨、特に人工関節が求められる主な特性は強度と延性であり、まず、この強度と延性の両方のバランスが良いことが必要である。その中でも、膝関節や股関節には、生体用金属材料（生体用Ｃｏ基鋳造合金）と、生体用ポリエチレンがこすれ合う部位があり、この生体用金属材料は、生体用ポリエチレンを摩耗させずに、且つ、生体用ポリエチレンによって摩耗されない特性が求められている。また、当然のことではあるが、人工関節そのものが大型化することは問題があるので、強度が基本的特性として必要である。

その上で、特に膝関節などに用いられる生体用金属材料においては、３次元の複雑な形状に削りだす必要性があり、高い切削加工性が求められている。

このような、人工骨に用いられる生体用金属材料、特に生体用Ｃｏ基合金に関する先行技術としては、例えば、以下の特許文献１〜３に記載された提案がある。

特許文献１には、クロム、モリブデン、窒素、カーボン、マンガン、シリコン、鉄、ニッケルを含有するコバルト基鋳造合金が、外科用移植材や人工寛骨（骨盤の一部）の材料として用いられることが記載されており、特に窒素を０．１０〜０．２５重量％含有することで、強度と耐疲労性を付与することが記載されてはいる。しかしながら、強度と延性の両方のバランスが良い上に、切削加工性が優れた合金であることについては何ら触れられてはおらず、切削性が優れた合金であるということはできない。従って、この特許文献１に記載されたコバルト基鋳造合金は、切削性の面から、人工骨、特に人工関節に用いることに適した材料であるとはいうことはできない。

また、特許文献２には、生体用Ｃｏ基合金とその合金の製造方法が記載されている。この合金は、水冷銅鋳型を用いて急冷鋳造し、得られた鋳塊を鍛造して、平均結晶粒径を５０μｍ以下の組織に調整することで得られるものであるが、水冷銅鋳型を用いて鋳込むという特殊な方法を採用して微細粒を作製する必要があり、大幅なコスト増を招く方法である。また、伸び延性、換言すると加工性が良好になるという記載があり、切削加工性が優れた合金ではない。従って、この合金も切削性の面から、人工骨、特に人工関節に用いることに適した材料であるとはいうことはできない。

また、特許文献３には、Ｎを添加することで、γ相の相比率を８０％以上に高めた塑性加工性に優れる生体用Ｃｏ基合金およびその製造方法が記載されている。この提案は、Ｎの添加率とγ相（ＦＣＣ、面心立方晶）の比率の関係に着目することで、塑性加工性に優れた生体用Ｃｏ基合金を得ようとする提案であるが、鋳造合金としての強度の確保や、切削性については何ら言及されていない。すなわち、この合金も人工骨、特に人工関節に用いることに適した材料であるとはいうことはできない。

特開昭５４−１０２２４号公報 特開２００２−３６３６７５号公報 特開２００８−１１１１７７号公報

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたもので、強度と延性の両方のバランスが良い上に、切削加工性に優れ、人工骨の素材として好適に用いることができる生体用Ｃｏ基鋳造合金と、その生体用Ｃｏ基鋳造合金の製造方法を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、質量％で、Ｃｒ：２６〜３０％、Ｍｏ：５〜８％、Ｃ：０．０１〜０．０８％、Ｎ：０．１２〜０．２５％、Ｏ：１００ｐｐｍ未満（０ｐｐｍは含まない）を含有し、残部がＣｏおよび不可避的不純物からなると共に、二次デンドライドアーム間隔の平均値が４０μｍ以下であることを特徴とする切削性に優れた生体用Ｃｏ基鋳造合金である。

請求項２記載の発明は、大気圧もしくは減圧下で、請求項１記載の成分組成として溶解、鋳造した後、１１００℃までを０．１〜１０℃／ｓで冷却することを特徴とする切削性に優れた生体用Ｃｏ基鋳造合金の製造方法である。

本発明の請求項１記載の生体用Ｃｏ基鋳造合金は、強度と延性の両方のバランスが良い上に、切削加工性に優れた合金であり、人工骨の素材として好適に用いることができる。

本発明の請求項２記載の生体用Ｃｏ基鋳造合金の製造方法によると、強度と延性の両方のバランスが良い上に、切削加工性に優れ、人工骨の素材として好適に用いることができる生体用Ｃｏ基鋳造合金を、コスト増の問題もなく、容易に製造することができる。

２次デンドライドアーム間隔（ＳＤＡＳ）を説明するための金属組織の顕微鏡写真である。 実施例１での切削性評価試験の試験方法を説明するための斜視図である。 実施例１で測定した切削合力と工具摩耗幅の関係を示すグラフ図である。 実施例２で確認した絞りとＮの含有量との関係を示すグラフ図である。 実施例３で求めた２次デンドライドアーム間隔（ＳＤＡＳ）の平均値と０．２％耐力の関係を示すグラフ図である。

以下、本発明を実施形態に基づいて更に詳細に説明する。

人工骨、特に膝関節や股関節といった人工関節に用いる生体用金属材料は、その基本特性である強度と延性の両方のバランスが良い上に、３次元の複雑な形状に削りだす必要性があり、高い切削加工性が求められている。

そこで、本発明者らは、強度と延性の両方のバランスが良い上に、切削性に優れた生体用として用いることが可能な金属材料を得るために鋭意研究を重ねた。その結果、従来から生体用金属材料として広く用いられているＣｏ基鋳造合金を生体用金属材料として採用し、その成分組成を適切な範囲とすると共に、鋳造された合金が凝固するときに形成される金属組織の２次デンドライドアームの間隔を適切な間隔に制御することで、強度と延性の両方のバランスが良い上に、切削性に優れた金属材料が得られることを見出し、本発明の完成に至った。

（成分組成）
まず、本発明の生体用Ｃｏ基鋳造合金に添加する各元素の成分範囲（含有量）の限定理由について説明する。尚、単位は全て％と記載するが、他の明細書中の記載を含め、断りのない限り全て質量％のことを示す。

Ｃｒ：２６〜３０％
Ｃｒは、耐食性を確保する上で必須の元素であるが、その含有量が２６％未満であると耐食性が劣化し、逆に３０％を超えると加工性が劣化してしまう。こうしたことから、Ｃｒの含有量の範囲は２６〜３０％とした。

Ｍｏ：５〜８％
Ｍｏは、耐食性を確保する上で必要な元素であり、耐摩耗性の向上に寄与する元素でもある。しかしながら、その含有量が５％未満であると耐食性が劣化し、逆に８％を超えると加工性が劣化してしまう。こうしたことから、Ｍｏの含有量の範囲は５〜８％とした。

Ｃ：０．０１〜０．０８％
Ｃは、強度上昇のために添加されるべき元素であるが、０．０１％未満の含有量であると使用する原料の制約が大きくなり、また、精錬時間も長くなってしまう。一方、０．０８％を超えると炭化物形成により延性が低下してしまい、また、合金がポリエチレンとこすれ合うときにポリエチレンを局部的に摩耗させてしまう。こうしたことから、Ｃの含有量の範囲は０．０１〜０．０８％とした。尚、Ｃの含有量の好ましい下限は０．０２％であり、好ましい上限は０．０６％である。

Ｎ：０．１２〜０．２５％
Ｎは、Ｃと同様に侵入型の元素であるが、ＦＣＣ相（面心立方晶）を安定させる効果と延性を上昇させる効果があるため、必須添加元素とした。Ｎの含有量により伸び、絞り量は変化し、０．２％前後の含有量でその効果を最も大きく発揮する。その効果は、０．１２％未満の含有量であると十分ではなくなり、０．２５％を超えると発揮されなくなってしまう。こうしたことから、Ｎの含有量の範囲は０．１２〜０．２５％とした。尚、Ｎの含有量の好ましい下限は０．１４％であり、好ましい上限は０．２０％である。

Ｏ：１００ｐｐｍ未満（０ｐｐｍは含まない）
Ｏは、実質は不可避的不純物であるが、その含有量が１００ｐｐｍを超えると、酸化物が合金中に残留する可能性が高くなる。酸化物が残留すると合金特性に悪影響を及ぼすため、１００ｐｐｍ未満の含有量とした。Ｏの含有量の好ましい上限は６０ｐｐｍである。

以上が各添加元素の成分範囲の限定理由であるが、残部は、Ｃｏおよび不可避的不純物である。

（２次デンドライドアーム間隔）
本発明の要件として２次デンドライドアーム間隔（ＳＤＡＳ）の平均値を規定したが、２次デンドライドアーム間隔とは、図１の金属組織の顕微鏡写真に示すａのことである。因みにｂは１次デンドライドアーム間隔である。

この２次デンドライドアーム間隔は、鋳造された合金が凝固するときに形成される金属組織を特徴付けるパラメータの一つであり、その間隔が小さければ鋳造された合金の強度が高くなり、逆にその間隔が大きければ鋳造された合金の強度が低くなるという関係がある。

本発明者らが研究開発を進めた結果、この２次デンドライドアーム間隔の平均値が４０μｍ以下では、Ｃの濃度を下げても、具体的にはＣの含有量を０．０８％以下に下げても十分な強度を発揮できるのに対し、その間隔の平均値が４０μｍを超えると、生体用金属材料として必要な強度とすることができなくなることが分かった。従って、２次デンドライドアーム間隔の平均値は４０μｍ以下とした。好ましい２次デンドライドアーム間隔の平均値は３５μｍ以下で、より好ましくは３０μｍ以下である。尚、ここでは、２次デンドライドアーム間隔の平均値の下限は規定しないが、０μｍということはなく、実際は２０μｍ程度である。

（面心立方晶の分率）
本発明では、面心立方晶の分率は特に規定しないが、もう一つのＣｏの結晶構造である稠密六方晶と比較してすべり系が多いため、面心立方晶の分率が高い方が延性が向上する。この面心立方晶の分率が７０％以上であると十分な延性を確保することができる。尚、本発明の要件を満足する生体用Ｃｏ基鋳造合金の面心立方晶の分率は、全て７０％以上となる。

（製造条件）
次に、本発明の生体用Ｃｏ基鋳造合金の製造方法について説明する。通常、生体用Ｃｏ基鋳造合金は、「合金原料の調合→大気中もしくは真空中での昇温→成分微調整→鋳型での鋳造→放冷→（ＨＩＰ→熱処理→）機械加工」という工程を経て製造されるが、製造するＣｏ基鋳造合の成分組成や各工程の設定条件によって、得られる物性や組織状態は変わるので、一連の製造工程として総合的に条件を選択して決定すべきであって、個々の工程毎に条件を厳密に設定することは必ずしも適切でない。

しかしながら、本発明の生体用Ｃｏ基鋳造合金を製造するための製造条件を、本発明者らが鋭意検討したところ、以下に示す製造条件を採用することで、本発明で意図する強度と延性の両方のバランスが良い上に、切削性に優れた生体用Ｃｏ基鋳造合金を確実に製造することができることを確認した。

その製造条件は、大気圧もしくは減圧下で、前記したような適切な成分組成として溶解し、鋳造した後、１１００℃までを０．１〜１０℃／ｓで冷却することである。尚、大気圧もしくは減圧下とは、通常の大気中もしくは０．００１〜０．０１Ｐａ程度の真空中のことを示す。

冷却速度が０．１℃／ｓより遅い場合は、２次デンドライドアーム間隔の平均値が４０μｍを超えてしまう。一方、冷却速度が１０℃／ｓを超える場合は、引け巣やピンホールなどの鋳造欠陥を発生し易い。こうしたことから、鋳造後の冷却速度を０．１〜１０℃／ｓの範囲とした。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。

（実施例１）
大気中もしくは減圧下で、表１に示す各成分組成として溶解し、鋳造した後、１０００℃まで２℃／ｓで冷却することで、３種の成分組成の試験体を作製した。これら試験体に対し、図２に示すように、エンドミル加工を施し、切削合力と工具摩耗幅を測定することで、切削性の評価を行った。試験結果を表１並びに図３に示す。尚、表１には２次デンドライドアーム間隔（ＳＤＡＳ）の平均値についても参考のため示す。

エンドミル加工による切削条件は以下に示す条件とした。
切削速度：７８．５ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．０４ｍｍ／刃
切削油：水溶性切削油
軸方向切込み：１．０ｍｍ
径方向切込み：１．０ｍｍ
工具：三菱マテリアル製Ｃ−２ＭＳ（φ１０）

Ｎｏ．１は、ＣｒとＮの含有量が本発明の要件を満足しない比較例、Ｎｏ．２は、成分組成が本発明の要件を満足する発明例、Ｎｏ．３は、Ｃの含有量が本発明の要件を満足しない比較例である。発明例のＮｏ．２と、比較例のＮｏ．１、３を比べると、発明例のＮｏ．２は、他の比較例より、切削合力並びに工具摩耗幅の測定値が小さく切削性が優れていることが分かる。

Ｎｏ．１は、Ｎの含有量が少なすぎるため、切削合力が大きくなりすぎたと判断することができるが、Ｎの含有量を０．１２％以上に増加させたＮｏ．２では、切削合力が大幅に低下し、工具摩耗幅も低下した。すなわち、切削性が大幅に向上した。これに対し、Ｎの含有量と共に、Ｃの含有量も併せて０．０８％超に増加させたＮｏ．３では、逆に、切削合力、工具摩耗幅が共に大きく増加してしまった。

（実施例２）
実施例２でも、実施例１と同じ条件で、表２に示す各成分組成の試料（試験片）を作製し、引張試験を実施することで、各試料の絞り（延性）とＮの含有量との関係を確認した。試験結果を表２並びに図４に示す。また、表２には、次の実施例３に示す０．２％耐力と抗張力についても参考のため併せて示す。

絞りについては、試験後の試料の破断面の最大直径と最小直径を平均化して仮に直径とし、その直径をもとに断面積を計算し、試験前の平行部の断面積から減少した率（％）を求めて絞りとした。

尚、引張試験は以下に示す条件で実施した。
試験片：平行部φ６．２５ｍｍ×ゲージ長２５ｍｍ
（ＡＳＴＭ Ｅ８−０４）
試験機：島津製作所製、２００ｋＮ万能試験機
引張速度：０．５％／ｍｉｎ（耐力まで）、１０％／ｍｉｎ（それ以降）

絞り（％）が大きくなると延性が向上するが、この試験結果によると、０．２％程度のＮの添加で絞り（％）が最も大きくなっており、Ｎの含有量が０．２％前後で最も延性が向上することが分かる。また、この試験結果によると、Ｎの含有量が０．１１０％で、絞りは１５．０％を僅かに割っており、Ｎの含有量が０．２５８％でも、絞りは１５．０％を僅かに割っている。この試験結果から、Ｎの含有量を０．１２〜０．２５％の範囲とすることで、優れた延性を確保できることが分かる。

（実施例３）
実施例３では、表２に示す成分組成の試料をはじめとした１８種の合金を鋳造丸棒の直径を変化させることで、冷却速度を変えて合計２７種の試料を作製した。他の製造条件は実施例２と同様である。この実施例３では、２次デンドライドアーム間隔（ＳＤＡＳ、図１の金属組織の顕微鏡写真に示すａ）の平均値と０．２％耐力の関係を確認した。

２次デンドライドアーム間隔（ＳＤＡＳ）の平均値については、実施例２の引張試験に用いた試料を採取した近傍（表２に示す成分組成の試料のみ）等から組織観察を行う試料を切り出し、その試料の切断面の１００〜４００倍の光学顕微鏡写真を２〜４視野撮影し、各視野毎に１０箇所以上の２次デンドライドアーム間隔（ＳＤＡＳ）を切片法により測定し、その平均値を求めることで得た。尚、実施例１でも同様の方法で求めた２次デンドライドアーム間隔（ＳＤＡＳ）の平均値を表１に記載している。

一方、０．２％耐力は、実施例２で示した引張試験によって、歪みが０．２％のときの変形荷重を、試験前の試料の平行部の断面積で割った公称応力で算出した。

この２次デンドライドアーム間隔（ＳＤＡＳ）の平均値と０．２％耐力の関係を示したのが、図５である。この結果から、Ｃｏ基鋳造合金の成分組成が同じ組成であっても、１／２次デンドライドアーム間隔（ＳＤＡＳ）≧０．０２５、すなわち、２次デンドライドアーム間隔（ＳＤＡＳ）の平均値が４０μｍ以下でないと、０．２％耐力が３５０ＭＰａを割ることになり、十分な強度が得られないことが分かる。

Claims (2)

1. 質量％で、
   Ｃｒ：２６〜３０％、
   Ｍｏ：５〜８％、
   Ｃ：０．０１〜０．０８％、
   Ｎ：０．１２〜０．２５％、
   Ｏ：１００ｐｐｍ未満（０ｐｐｍは含まない）
   を含有し、残部がＣｏおよび不可避的不純物からなると共に、
   ２次デンドライドアーム間隔の平均値が４０μｍ以下であることを特徴とする切削性に優れた生体用Ｃｏ基鋳造合金。
2. 大気圧もしくは減圧下で、請求項１記載の成分組成として溶解、鋳造した後、１１００℃までを０．１〜１０℃／ｓで冷却することを特徴とする切削性に優れた生体用Ｃｏ基鋳造合金の製造方法。

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