医 療 用 チ タ ン合金 の 材 料 特 性*
花
田
修
治**
1.は じ め に 最 近,Ti合 金 の 用 途 と して 航 空 機 以外 の 各 種 民 生 品 が 注 目さ れ,各 国 で そ の市 場 が 年 々拡 大 傾 向 にあ る.そ れ に つ れ てTi合 金 に 多 様 な 材 料 特 性 が新 た に求 め られ る よ う に な っ て きた.こ れ ま で に もTi合 金 は 医 療 用 器 具 と して 広 く実 用 化 さ れ て い る が,高 付 加 価 値 の 付 与 で き る生 体 材料 と して最 近 特 に 注 目さ れ て い る.例 え ば,細 胞 毒 性 の 無 い βTiNb基 合金 は,低 弾 性 率(1)(10)や超 弾 性-形 状 記 憶(11)(22)を示 す こ とか ら,人 工 骨 イン プ ラン ト材 料,血 管 狭 窄部 の拡 張 用 ス テ ン ト材 料,歯 列 矯 正 用 アー チ ワ イヤ 材料 な ど と して盛 ん に研 究 さ れ て い る.そ こ に は材 料 学 的 に興 味 深 い 研 究課 題 が 山積 して い る が,本 稿 で は チ タ ン合 金 の 生 体 応用 へ の代 表 的 な例 と して,低 ヤ ン グ 率 ・高 強 度 が 必 要 と さ れ る 人 工 股 関 節 用 Ti合 金 イ ン プ ラン ト(ス テ ム)に 焦 点 を絞 り,ス テ ム の 材 料 特 性 を ど こ ま で高 度 化 で き るか につ い て筆 者 らの最 近 の研 究 成 果 を中 心 に概 説 す る. 2.人 工 股 関 節 ス テ ム に 求 め ら れ る 材 料 特 性 人 工 股 関 節 は,大 腿 骨 上 端 か ら髄 腔 に挿 入 固定 す る ス テム とス テム 上 端 部 に取 り付 け た球 形 の骨 頭 お よび骨 盤 に埋 め 込 ん で 骨 頭 の 受 け皿 とな る カ ップ(ソ ケ ッ ト)か ら構 成 さ れ る (図1).こ の よ うな 構 造 か ら容 易 に理 解 さ れ る よ うに,ス テ ム 各 部 には 著 し く異 な った 力学 特 性 が求 め られ る.骨 頭 へ の 接 合 部(ネ ック部)は 体 重 を 支 え て圧 縮 ・曲 げ ・振 りな ど複 雑 な 応 力 を 繰 り返 し受 け る部 分 で あ り,高 強 度 や 高 疲 労 強 度 が 求 め られ る.さ らに,人 工 股 関 節 置 換 手 術 後 に大 腿 骨 の運 動 の 自 由 度 を 大 き く す る と い う 点 で も 高 強 度 化 は 不 可 欠 で あ る.大 腿 骨(ス テ ム)を 骨 盤 に 対 し て 大 き く傾 斜 さ せ る と ス テ ム が カ ッ プ と接 触 し,脱 臼 す る恐 れ が 生 じ る が,高 強 度 化 に よ り こ の 部 分 の 直 径 を 細 くで き れ ば 可 動 域 を 広 げ ら れ る か ら で あ る. 一 方,大 腿 骨 髄 腔 に 挿 入 固 定 す る 部 分 で は,ス テ ム の 強 度 や ヤ ン グ 率 な ど の 力 学 特 性 が 大 腿 骨 の 皮 質 骨 に 比 べ 著 し く大 き く な る と,ス テ ム 周 辺 の 骨 にstress shieldingに よ る 骨 萎 縮 が 発 生 す る.そ の 結 果,骨 折 し や す い,再 置 換 手 術 が 困 難 に な る,な ど の 弊 害 が 生 じ る こ と か ら,ス テ ム の ヤ ン グ 率 を 下 げ て 皮 質 骨 の 値 に 近 づ け る こ と が で きれ ば こ れ ら を 回 避 で き る と考 え ら れ る.現 在 ス テ ム 用 と し てTi-6A1-4Vを は じ め と す る α+βTi合 金 が 主 流 に な っ て い る が,ヤ ン グ 率 は 100∼110GPaで,皮 質 骨 の 値20∼30GPaに 比 べ て 著 し く 図1 人 工 股 関節 置換 手術 後 の レソ トゲ ン写 真. * 2008年3月26日,武 蔵工 業 大 学 世 田谷 キ ャン パ ス にお け る第142回 本会 春 期 大 会 に お いて 講 演 ** 東 北 大学 金 属 材料 研究 所;名 誉 教 授(〒980-8577仙 台 市 青 葉 区 片 平2-1-1)Materials Properties of Biomedical Titanium Alloys; Shuji Hanada (Emeritus Professor, Institute for Materials Research, Tohoku Univer-sity, Sendai)
Keywords: fiTi alloy, Young's modulus, tensile strength, martensitic transformation, implant, grain refinement, biomedical application
高 い. この よ うに,ス テ ム に は高 強 度 と低 ヤ ン グ率 が 同時 に求 め られ る が,一 般 に金 属 材 料 の 高 強 度 と低 ヤ ン グ率 は相 反 す る 力 学特 性 で あ る.本 稿 で は,ス テ ム に 求 め られ る,部 分 的 に 異 な る力 学 特 性 を満 足 させ る た め に,Ti合 金 の 高 強 度 化 と 低 ヤ ン グ 率化 を い か に し て達 成 す るか につ い て,合 金 設 計 と 加 工 プ ロ セ ス を紹 介 した後,高 強 度化 お よび低 ヤ ン グ率 化 の メカ ニ ズ ム を考 え る.最 後 に,そ れ ぞ れ の特 性 を ス テ ム 各部 で い か に して部 分 的 に発 現 させ る か につ い て検 討 した結 果 を 概 説 す る. 3. Ti合 金 の 低 ヤ ン グ 率 化 開 発 し よ う とす るス テ ム用Ti合 金 に求 め られ る特 性 と し て,上 記 の 力 学 特性 お よび 力学 的 適 合 性 の 他 に細胞 毒性,生 体 為 害 性,ア レル ギ ー性,発 癌 性 な どの 排 除 は 必須 で あ る. 金 属 の 細 胞 毒 性 に つ い て は動 物 実 験 に よ り詳 し く調 べ られ て い る.そ れ に よ る と,細 胞 毒 性 が無 い,あ るい は 極 め て 少 な い 金 属 と し てTi,Zr,Nb,Ta,Snが 報 告 さ れ て い る(23)こと か ら,こ れ らの 元 素 の組 み 合 わせ で特 性 発 現 を 試 み た.周 期 律 表 か ら これ らの 元 素 は(Ti,Zr)一(Nb,Ta)-Snの よ うに 分類 で き る.IVa-Va-IVbの 組 み 合 わ せ に よ る3元 合 金 は 高 温 の β相域 か らの焼 入 れ に よ り,組 成 に依 存 して マ ル テ ン サ イ ト 相(六 方 晶 α'また は斜 方 晶 α"),ω 相(六 方 晶 また は三 方 晶), β相(体 心 立 方 晶)と な る.多 くの組 み合 わ せ の 中 で,Ti-Nb 2元 合 金 を基 本 合金 と して選 択 した.そ の 根拠 は ヤ ン グ 率 の 組 成 依 存 性 が 詳 し く調 べ られ て い る こ と,超 伝 導 材 料 として 細 線 材 が 実 用 化 され て い る こ とか ら明 らか な よ う に冷 間 加 工 性 に 優 れ る こ と,TiとZrお よびNbとTaの 比較 で は,融 点 お よび コ ス トが 低 い こ とで あ る, 図2は 文 献(24)よ り引 用 した,高 温 β単 相 域 か ら焼 入 れ したTi-Nb2元 合 金 の ヤ ン グ 率 の 組 成 依 存 性 で,マ ル テ ン サ イ トが 生 成 す る組 成 域 とβ相 の 組 成 域 にヤ ン グ 率 の 極 小 値 が存 在 す る.極 小 値 を示 す そ れ ぞ れ の 合 金 の室 温 での 塑 性 加 工 性 を比 較 す る と,β 相 合 金 が優 れ て い る こ とか ら,β 相 合 金 に注 目 して極 小 値 がな ぜ 現 れ るか に つ い て検 証 し,そ の 結 果 に基 づ い て低 ヤ ン グ率 化 を 考 え る.図3に ヤ ン グ率 の極 小 値 付 近 の 組 成 を もつ 合 金 を 高 温 β相 か ら焼 入 れ た と き の 電 子 回折 図 形 を示 す(25).指 数 付 け した βの 基 本格 子 反 射 以 外 に観 察 され る 弱 い 回 折 斑 点 が ω で あ るが,そ の 回 折 強 度 には 著 しい 組 成 依 存 性 が あ る.極 小値 よ り高Nb濃 度 側 の ω の 回折 強 度 はNb濃 度 の 増 加 と と も に弱 くな る こ とか ら,β 相 が 安 定 化 す る に つ れ て,ヤ ン グ 率 は 純Nbの 値105GPa に 向 か って 上 昇 す る と考 え られ る 。 一 方,極 小 値 よ り低Nb 側 で はNb濃 度 の 減 少 と と も に ω の 回 折 斑 点 が 明 瞭 に観 察 さ れ る よ う に な る こ とか ら,焼 入 れ ω 相 に よ りヤ ン グ 率 が 上 昇 す る と考 え られ る.Nb濃 度 が さ らに減 少 す る と,α"マ ル テ ン サ イ トが 主 相 とな り,ω を 含 ん だ 残 留 β も観 察 さ れ るが,臨 界 のNb濃 度 以下 で は α"また は α'のマル テ ン サ イ ト単 相 に な る こ と(26)から,図2に 見 られ るヤ ン グ率 の 二 つ 図2 Ti-Nb2元 合 金 の ヤ ン グ 率 の 組 成 依 存 性. 図3 β 相 領 域 か ら 焼 き 入 れ し たTi-Nb2元 合 金 の 電 子 回 折 図 形.(a)Ti-36%Nb,(b)Ti-40%Nb,(c) Ti-45%Nb,(d)Ti-52%Nb. の 極 小 は ω に よ る ヤ ン グ 率 の 極 大 に よ っ て 生 じ る と理 解 さ れ る,Ti-Nbと 類 似 し た ヤ ン グ 率 の 組 成 依 存 性 を 示 すTi-V 合 金 に お い て,Snを 添 加 す る と ω 変 態 が 抑 制 さ れ(27)(28),β 相 の ヤ ン グ 率 が 低 下 す る こ と が 知 ら れ て い る(6).そ こ で,図 2で ヤ ン グ 率 が 極 小 と な るTi-40%Nb2元 合 金(本 稿 で の 組 成 表 示 は す べ てmass%)にSnを 添 加 し,焼 入 れ 後 の ヤ ン グ 率 のSn添 加 量 依 存 性 を 調 査 し た.そ の 結 果,ω 変 態 が 抑 制 さ れ て ヤ ン グ 率 が 低 下 し,2%Sn添 加 で 極 小 値 を 示 し た(29).こ れ ら の 結 果 は,ω の 抑 制 が ヤ ン グ 率 低 下 に 有 効 で あ る こ と を 示 し て い る. と こ ろ で,母 相 がbcc規 則 構 造 のTi合 金 単 結 晶 やCu合 金 単 結 晶 の マ ル テ ン サ イ ト変 態 で は,Ms直 上 の 温 度 で の 弾 性 定 数c'=(c11-c12)/2の 減 少 と弾 性 異 方 性c44/c'の 増 加 が 変 態 の 開 始 と 密 接 に 関 係 す る と 指 摘 さ れ て い る(30)-(33).こ れ ら 弾 性 率 の 異 常 は マ ル テ ン サ イ1一変 態 の 前 駆 現 象 と し て, 変 態 機 構 を 理 解 す る う え で 極 め て 重 要 で あ る と考 え ら れ,多 くの 研 究 者 に よ り 実 験 的 あ る い は 理 論 的 に 検 討 さ れ た 結 果, ま て り あ 第47巻 第5号 (2008) Materia Japan 243
図4 (Ti-35%Nb)-4%Nbの ヤ ン グ 率 の 温 度 依 存 性. 最 近 そ の 本 質 が 次 第 に 明 らか に な りつ つ あ る(34)-(36).βTi-Nb-Sn合 金 単 結 晶 の 弾 性 率 の 温 度 依 存 性 は報 告 さ れ て い な い が,βTi-Nb(29)お よび βTi-Nb-Al(37)の 多 結 晶 の ヤ ン グ 率 がMs温 度 に 向 か っ て減 少 す る こ とが 見 出 され て い る.そ の 原 因 に つ い て は 不 明 で あ る が,βTi-Nb系 合 金 に 共 通 す る α"変態 の前 駆 現 象 で あ る とす れ ば,Msの 組 成 依 存 性 か ら室 温 あ る い は 体 温 で 低 ヤ ン グ 率 を示 す 合 金 の 探 索 が 可 能 に な る.種 々 の組 成 の 準 安 定 な βTi-Nb-Sn合 金 焼 入 れ材 の ヤ ン グ率 の 温 度 依 存 性 を 測 定 した結 果,い ず れの 合 金 で も母 相 の ヤン グ率 はMsに 向 か っ て低 下 す る こ とが確 か め られ た.そ こで,こ こ で はMsが 室 温 付 近 に存 在 す る合 金 の 一 例 として (Ti-35%Nb)-4%Snを 選 び,焼 入 れ し た 合 金 の ヤ ン グ 率 (Es)の 温 度依 存性 を 引 張試 験 に よ り測 定 した 結 果 を図4に 示 す(8).ヤ ン グ 率 はMs以 上 の 温 度 で 明 瞭 な 温 度 依 存 性 を 示 し,温 度 低 下 と と もに42GPaま で 減 少 す る(図 中 の 圧 延 後 熱 処 理 材 に つ い て は 後 出).こ の よ う に,Msの 組 成 依 存 性 か ら低 ヤ ン グ 率 合 金 を 知 る こ とが で き る が,α"変 態 と ω 変 態 は 競 合 的 で あ る(高 温 か らの 焼 入 れ 途 中 で 起 こ る 両 変 態 は,そ の 開 始 温 度 が 接 近 して い る た め,ω 変 態 が 先 に起 き る と α"変態 は起 き に く くな る)(38)-(43)ことか ら,低 ヤ ン グ 率 化 に は,ω 変 態 を抑 制 す る 第 三 元 素 の 合 金 化 と と も に,冷 却 速 度 に つ い て も留 意 す る必 要 が あ る.ま た,多 元 系Ti合 金 のMsは 森 永 ら の 方 法(44)に よ り理 論 的 に予 測 で き る の で,こ れ を参 考 に しな が ら候 補 合 金 の ヤ ン グ 率 の 温 度依 存 性 をMs付 近 で 測 定 す る こ とに よ り,効 率 的 に低 ヤ ン グ率 合 金 の組 成 を実 験 的 に見 つ け られ る. 4. Ti合 金 の 高 強 度 化 低 ヤン グ 率 を もつ βTi-Nb-Sn合 金 の 探 索 にMsの 組 成 依 存 性 を利 用 で き る こ とを指 摘 した が,低 ヤ ン グ率 がMs直 上 の 温 度 で 得 られ る とい う こ とは,こ の 温 度 付 近 で はClau-sius-Clapeyronの 関 係 式 に 律 速 さ れ て 極 め て 低 応 力 で 加 工 誘 起 マル テ ンサ イ ト変 態 が 起 こ る こ とを 意 味 す る.上 述 した よ うに,ス テム に は低 ヤ ン グ 率 と同 時 に 高強 度 が必 要 とされ 図5 (Ti-35%Nb)-4%Nbの 冷 間 圧 延 率(%)と 光 学 顕 微 鏡 組 織.(a)0%,(b)30%,(c)50%,(d)89%. る の で,焼 入 れ た 低 ヤ ン グ 率 合 金 を こ の ま ま で は ス テ ム に 適 用 で き な い.そ こ で,こ の 焼 入 れ 合 金 を 加 工 熱 処 理 に よ り組 織 制 御 し,低 ヤ ン グ 率 を 維 持 し た ま ま で 高 強 度 化 で き る か ど う か を 検 討 し た.図5に 圧 延 率 を 変 化 さ せ た と き の 焼 入 れ 後 の 冷 間 圧 延 組 織 を 示 す(10).圧 延 初 期 に は 針 状 生 成 物 が ラ ン ダ ム な 方 向 に 形 成 さ れ る が,圧 延 率 が 上 が る に つ れ て 圧 延 方 向 に 伸 び た 波 状 組 織 に 変 化 す る.X線 回 折 に よ り,針 状 生 成 物 は 斜 方 晶 の 加 工 誘 起 α"マ ル テ ン サ イ トで あ る と 同 定 さ れ た.さ ら に,圧 延 初 期 に 急 激 に α"が 生 成 す る も の の,そ の 後 の 圧 延 に よ る α"の 増 加 は そ れ ほ ど 顕 著 で は な く,89% 圧 延 で も β 相 が 残 留 し た α"+β の 二 相 合 金 で あ る こ と が 明 ら か に さ れ た. 共 振 法 で 測 定 し た ヤ ン グ 率(Ed)の 冷 間 圧 延 率 に よ る 変 化 を 図6に 示 す(10).図6(a)に 見 ら れ る よ う に,溶 体 化 材 の 圧 延 方 向 の ヤ ン グ 率 は 圧 延 初 期 に55か ら57GPaへ わ ず か に 増 加 す る が,そ の 後 は 圧 延 率 の 増 加 と と も に 減 少 し,89% 圧 延 で は42GPaま で 低 下 す る(図 中 の 圧 延 後 熱 処 理 材 に つ い て は 後 出).こ の と き ヤ ン グ 率 の 引 張 軸 方 位 依 存 性 に は 異 方 性 が 認 め ら れ,圧 延 方 向 で 最 小 と な る(図6(b)).そ こ で 次 に β(Ti-35%Nb)-4%Snの ヤ ン グ 率 の 圧 延 に よ る 低 下 と 異 方 性 に つ い て 考 え る(圧 延 前 の 溶 体 化 焼 入 れ 材 に 見 ら れ る 僅 か な ヤ ン グ 率 の 異 方 性 は β 相 の 再 結 晶 集 合 組 織 に 起 因 す る). 圧 延 に よ る 集 合 組 織 変 化 をX線 極 点 図 に よ り測 定 し た 結 果(8)(10),β 相 に つ い て は 圧 延 前 の 再 結 晶 集 合 組 織 の 主 方 位 は{211}β<110>β で あ り,89%圧 延 後 に は 主 方 位 の 他 に {200}β<110>β の 集 積 が 観 察 さ れ た.一 方,89%圧 延 後 の α" 相 に つ い て は(220)α"[001]α"と(200)α"[010]α"の 集 積 が 観 察 さ れ た.Bakerに よ る と,βTi合 金 の α"マ ル テ ン サ イ ト変 態 に お い て は,β と α"の 間 に 次 の 格 子 対 応 が 成 立 す る(こ こ で,∼ は ず れ が2°,//は 平 行 を 示 す)(45).
図6 (a)(Ti-35%Nb)-4%Nbの 冷 間 圧 延 率(%)と ヤ ン グ 率.(b)89%冷 間 圧 延 し た(Ti-35%Nb)-4% Nbの ヤ ン グ 率 の 異 方 性. した が っ て,圧 延 に お い て 両 相 中 に 起 こ るす べ り(ま た は双 晶)に よ る 結 晶 回 転 は 上 記 方 位 関 係 を保 っ た ま ま 進 行 し, 89%圧 延 後 に β と α"のそ れ ぞ れ に観 察 さ れ た二 種 類 の 集 積 は,β と α"の間 の格 子 対 応 を 満 足 して い る と仮 定 す る と, と な る.圧 延 前 後 の β に は と も に 圧 延 方 向 に<110>β の 強 い 集 積 が あ る こ と か ら,圧 延 方 向 の ヤ ン グ 率 の 低 下 あ る い は 異 方 性 は 主 に α"の 集 合 組 織 に 起 因 す る と 推 察 さ れ る. Baker(45)は,Ti-35%Nb2元 合 金 の β→ α"変 態 の 格 子 対 応 に お い て,結 晶 格 子 は[1pp]♂ で は3.9%の 収 縮,[010]α"と [pO1]♂ で は そ れ ぞ れ5.4%,1.1%の 膨 張 を 伴 う こ と を 報 告 し た.こ れ と 同 じ様 な 傾 向 を 示 す 膨 張 ・収 縮 が,β(Ti-35% Nb)-4%Snの 圧 延 に よ り生 成 し た α"と 母 相 β の 間 に も 確 認 さ れ た(8).こ の 結 果 は,圧 延 に よ っ て 生 成 す る α"に お い て は,圧 延 方 向 に 格 子 膨 張 の 大 き い[010]α"が,圧 延 面 垂 直 方 向 に 格 子 収 縮 す る[100]α"が 形 成 し や す い こ と を 示 唆 す る. 圧 延 し た(Ti-35%Nb)-4%Snに 生 成 し た 斜 方 晶 α"の 格 子 定 数 は,aα"=0.325gnm,bα"=0.4859nm,cα"=0.4652nmと 測 定 さ れ た(8)の で,α"単 結 晶 の ヤ ン グ 率 を 測 定 す る こ と が で き れ ば,ヤ ン グ 率 は 格 子 定 数 の 最 も 大 き いb方 向[010]α"で 図7 89%冷 間 圧 延 し た(Ti-35%Nb)-4%Nbの 加 熱 に よ るX線 回 折 図 形 の 変 化. 最 小 に な り,格 子 定 数 の 小 さ いa方 向[100]α"で 最 大 に な る と考 え られ る(α"単 結 晶 の ヤ ン グ率 は 報)告さ れ て い な い). 圧 延 方 向 に[010]α"の 集 積 が発 達 す る と と もに ヤ ン グ率 が 低 下 す る,圧 延 方 向 よ り圧 延 直 角 方 向 のヤ ン グ 率 が 高 くな る, 圧 延 後 の α"→β熱 処 理 で ヤ ン グ 率 は圧 延 前 の 値 に 回 復 す る (図6(a))と い う実 験 結 果 は,上 述 した α"単結 晶 の ヤ ン グ 率 の 異 方 性 を 仮 定 す る と説 明 で き る.圧 延 方 向 へ の[010]α"集 合 組 織 発 達 が ヤ ン グ率 低 下 を引 き起 こ す とい う説 明 を裏 付 け るた め に,板 圧延 とは拘 束 条 件 の異 な る溝 ロー ル 圧 延 に よ っ て 丸 棒 を作 製 し た と きの 集 合 組 織 とヤ ン グ 率 の 測 定 を行 っ た.そ の 結 果,圧 延 方 向 へ の[010]α"集 合 組 織 は板 圧 延 よ り さ らに発 達 し,ヤ ン グ率(Ed)が36GPaま で低 下 す る こ とが 確 認 さ れ た(強 加 工 後 で も α"界面 は 応 力 下 で動 く可 能 性 が あ るの で,厳 密 には み か け の ヤ ン グ率 で あ る). 図7は89%圧 延 した(Ti-35%Nb)-4%Snを 二 次 元 検 出器 付 きのX線 回折 装 置 内 で 加 熱 し,加 熱 途 中 の 各 温 度 で 測 定 したデ バ イ環 強 度 分布 を一 次 元 回 折 図形 に変 換 して示 す(46). 398K以 上 で α"から β への 逆変 態 が開 始 す る こ とが 分 か る. DSC測 定 に お い て も この温 度 領 域 で α"か ら βへ の 変 態 が確 か め られ た.図8に(Ti-35%Nb)-4%Snの 溶 体 化 材(ST), 89%圧 延 材(CR)お よび 圧 延 後 熱 処 理(各 温 度 に2h保 持)材 (HT)の 応 力-ひ ず み 曲線 を 示 す(8).こ の 図 か ら,溶 体 化 材 は低 応 力 で変 形 し て大 き な延 性 を示 す こ と,圧 延 に よ り著 し く加工 硬 化 す る こ と,圧 延 後 の 熱 処 理 で さ ら に強 度 が上 昇 す る こ とが 分 か る.溶 体 化 材 の 低 応 力 で の 変 形 に は加 工 誘 起 α"変態 が 関 与 し,圧 延 材 の 加 工 硬 化 は 強 加 工 さ れ た β+α" 二 相 微細 組 織 形 成 に起 因 す る.熱 処 理 に よ る高 強 度 化 を理 解 す る た め に,熱 処 理 後 の 組 織 をEBSPお よ びTEMで 観 察 し た(8)(10).図9に523Kで 熱 処 理 した と き のOIMを 圧 延 前 の焼 鈍 材 と比 較 し て示 す.α"の 逆 変 態 が 終 了 して い るた めX線 回 折 で は β単 相 と 同 定 さ れ た.圧 延 方 向 に 幅 数 ま て り あ 第47巻 第5号 (2008) Materia Japan 245
μm,長 さ10∼20μmの 伸 長 し た β 結 晶 粒 が 見 ら れ る が,そ れ ら の 結 晶 粒 は{200}β ま た は{211}β と 色 付 け さ れ,X線 回 折 の 集 合 組 織 測 定 結 果 と 一 致 し た.そ れ 以 外 の 結 晶 粒 は 数 μmあ る い は そ れ 以 下 で あ り,圧 延 前 の 初 期 粒(100μm以 上)に 比 べ て 微 細 化 が 顕 著 で あ る.TEMに よ る と,523K× 2hの 熱 処 理 後 に は 高 密 度 転 位 と微 細 α が 観 察 さ れ た.こ れ ら の 結 果 か ら,熱 処 理(523K×2h)材 の 高 強 度 は,加 工 誘 起 α"変 態 と そ の 逆 変 態 過 程 で 生 じ る β 結 晶 粒 超 微 細 化,高 密 度 転 位 の 導 入,微 細 α 析 出 に 関 係 づ け ら れ る.熱 処 理(523 K×2h)材 の ヤ ン グ 率(Es)は,図4に 見 ら れ る よ う に,約42 GPaで 温 度 依 存 性 を 示 さ な い(8).β 母 相 の 結 晶 粒 超 微 細 化(47)(48)お よ び α 析 出 に よ る β溶 質 濃 度 上 昇 が α"変 態 を 抑 制 し て い る た め と 考 え ら れ る.こ の と き の 引 張 強 度 は850 図8 (Ti-35%Nb)-4%Nbの 加 工 熱 処 理 に よ る 応 力-ひ ず み 曲 線 の 変 化. 図9 (Ti-35%Nb)-4%Nbの 加 工 熱 処 理 後 のOIM写 真. MPaま で 上 昇 す る が,延 性 が あ る(破 断 伸 び6.5%).低 ヤ ン グ 率 高 強 度 を 評 価 す る 目安 と し て しば し ば 引 張 強 度 を ヤ ン グ 率 で 除 し た 値(MPa/GPa)が 用 い ら れ る が,523K×2h熱 処 理 材 の 値 は16×10-3と な り,こ れ ま で に 生 体 用 と し て 開 発 さ れ たTi合 金 の 値5∼12×10.3に 比 べ 著 し く大 き い(10).合 金 組 成 と 熱 処 理 条 件 を 最 適 化 す る こ と に よ り,さ ら に 優 れ た 低 ヤ ン グ 率 高 強 度 が 見 出 さ れ て い る. 5. ス テ ム の 高 機 能 化 現 在 ス テ ム に 使 用 さ れ て い る α+βTi合 金 は 冷 間 加 工 性 に 難 点 が あ り,成 形 加 工 に は1173K以 上 で の 熱 間 型 鍛 造 が 採 用 さ れ て い る.図8に 示 し た よ う に,(Ti-35%Nb)-4%Sn を 溶 体 化 処 理 後 引 張 変 形 す る と,α"変 態 が 誘 起 さ れ る た め 低 応 力 で 変 形 が 進 行 し,低 加 工 硬 化 率 で 大 き な 延 性 を 示 す. こ の よ う な 変 形 挙 動 は 優 れ た 冷 間 成 形 加 工 性 を 示 唆 し て い る.そ こ で,冷 間 で の 曲 げ 加 工 と型 鍛 造 に よ り ス テ ム 形 状 へ の 成 形 を 試 み た(49).図10に 示 す よ う に,ニ ア ネ ッ トシ ェ イ プ 加 工 が 可 能 で あ り(図10(a)),加 工 後 の 僅 か な 切 削 加 工 で 容 易 に 最 終 形 状 に 仕 上 げ ら れ る(図10(b)).熱 間 加 工 に 代 わ る,こ の よ う な 冷 間 成 形 加 工 は 製 造 コ ス トを 大 幅 に 削 減 で き 図10 冷 間 型 鍛 造 に よ るス テ ム試 作. 図11 局 部熱 処 理 に よ る硬 度 お よび ヤ ン グ率 の 傾 斜 化.
る プ ロ セ ス として 期 待 され る. す で に説 明 した よ うに,骨 頭 を 固 定 す る ス テ ム 端 部(ネ ッ ク部)に は 高 強 度 が 求 め られ る の で,加 工 ひ ず み の導 入 と熱 処 理 に よる α析 出を 利 用 す るが,α 析 出 はヤ ン グ 率 を上 昇 さ せ る.し た が って,ネ ッ ク部 に 限定 した局 所 熱 処 理 が不 可 欠 とな る.そ こで,強 度 お よび ヤ ン グ 率 の傾 斜 化 が可 能 か ど う か を検 討 す る た めの 予 備 実 験 として,冷 間溝 ロ ール 圧 延 した (Ti-35%Nb)-4%Sn丸 棒 試 験 片(直 径5mmφ)の 一 端 を加 熱 し,力 学 特 性 の 変 化 を 測 定 した(46).図11は,あ ら か じ め 573Kに 保 持 した穴 付 き銅 ブ ロ ック に,室 温 で保 持 し た丸 棒 一 端 をす ば や く強 固 に か しめ 固 定 し ,4h保 持 した とき の丸 棒 の 加 熱 端 か らの 距 離 の 関 数 と して ヤ ン グ 率(Ed)と 硬 度 を 測 定 した結 果 を示 す.各 測 定 位 置 で の ヤ ン グ 率 は,丸 棒 の各 測 定 位 置 が 局所 熱 処 理 中 に受 け る熱 履 歴 を 自動 記 録 し,そ れ と同一 の 熱 履歴 を別 に準 備 したヤ ン グ 率 測 定 用 丸棒 に そ れ ぞ れ 与 え,共 振 法 で測 定 した値 か ら推 定 した.図 か ら明 らか な よ う に,熱 影 響部 で は硬 度 とヤン グ率 が 上 昇 す るが,熱 源 か らの 距 離 が 増 加 す るに つ れ て熱 影 響 が消 失 し,他 端 で は 初期 の低 ヤ ン グ 率 が保 た れ る.こ の よ うに,局 所 熱 処 理 に よ る力 学 特 性 の 傾 斜 化 が 可 能 で あ る. 以 上 の 結 果 を総 括 す る と,加 工 プ ロ セ スの 検 討 と熱 処 理 に よ り,ス テ ム の さ らな る 高 機 能 化 が 可 能 に な る こ とが分 か る.ス テム 製 造 手 順 は 次 の通 りで あ る. (1) 溶 体 化 処 理 後 の 素 材 冷 間圧 延(あ るい は 溝 ロー ル圧 延) (2) 骨 頭 側 ス テム 端 部(ネ ック部)の 鍛 造 ま た は ス ウ ェー ジ に よる強 加 工 (3) ス テ ム遠 位 部 の 圧 延 ま た は ス ウ ェー ジ に よる テー パ ー 加 工 (4) 金 型 に よる冷 間 曲げ お よび 型鍛 造 (5) 型 鍛 造 後 の ス テ ム局 所 熱 処 理 各 プ ロ セ ス の ね らい は以 下 の 通 りで あ る. (1) 長 手方 向 の ヤ ン グ率 の 低 下 (2) 高 加工 ひ ず み を与 え る こ とに よ り,加 工 後 の熱 処 理 に よ る高 強度 化 (3) ヤ ン グ 率 の低 下,高 強 度 化 また は 素 材 歩 留 向 上 (4) 製 造 コス ト削減 お よび加 工 ひず み 導 入 に よ り,加 工 後 の 熱 処 理 に よ る高 強度 化 (5) 骨 頭 側 ス テ ム端 部 の み の強 度 上 昇 6. お わ り に Ti合 金 が 人 工 股 関 節 用 ス テ ム 材 料 とし て 広 く使 用 さ れ る よ うに な り,人 工 股 関 節 手 術 の 臨 床 医学 的 デ ー タ が蓄 積 され るに つ れ て,人 工 股 関 節 の さ らな る長 期 耐 用 性 向上 を 目指 し た,低 ヤ ン グ率Ti合 金 の 開発 が 盛 ん に行 わ れ る よ う に な っ た.確 か に,大 腿 骨 に挿 入 して 固 定 す る部 分 に は低 ヤ ン グ率 が 求 め られ るが,骨 頭 に近 いネ ック部 にお い て は 高 強度 が不 可 欠 で あ る.そ こで,ス テ ム各 部 の 加 工 と熱 処 理 を そ れ ぞ れ 独 自 に最 適 化 す る こ とに よ り,一 般 に は相 反 す る性 質 で あ る 低 ヤ ン グ 率 と高 強 度 を ス テ ム 内 で両 立 させ る,と い う新 しい 概 念 を提 案 した. 交 通 事 故,ス ポー ツ事 故 あ るい は 骨 粗 霧 症 に 起 因 す る股 関 節 障害 の 治療 法 と して開 発 され た 人 工 股 関 節 置 換 手術 の患 者 数 が 国 内外 に お い て年 々急 増 し て い る.置 換 手 術 に よ り患者 は 激痛 か ら解 放 さ れ,短 期 間 で歩 行 活 動 が 再 開 で き るが,術 後 の ス テ ム の “ゆ るみ ” の た め,再 置 換 手 術 を余 儀 な くされ る臨 床 例 も数 多 く報 告 さ れ て い る.長 期 耐 用 性 の あ るス テ ム 開 発 に本 稿 が 貢献 で きれ ば幸 い で あ る. こ こで 提 案 し た概 念 の根 拠 とな る低 ヤ ン グ 率 は,β の 相 安 定 性 の制 御 あ る い は ヤ ン グ 率 に 異 方 性 の あ る 加 工 誘 起 α"マ ル テン サ イ トの 集 合組 織 利 用 に よ り実 現 した.ま た,高 強 度 は,加 工 誘 起 α"マル テ ン サ イ ト とそ の逆 変 態 に伴 う組 織 の 超 微 細 化 に よ り達 成 した.い ず れ も βTi合 金 の 材 料 特 性 を 向上 させ る新 しい 加 工 熱 処 理 法 で あ り,多 方 面 へ の応 用 が可 能 で あ る.な お,本 稿 は 多 くの 研 究者 との共 同研 究 の成 果 を ま とめ た もの で あ る こ とを 記 し,感 謝 の 意 を表 し た い.ま た,本 研 究 の 一 部 は科 学 技 術 振 興 機 構 支 援 事 業(育 成 研 究, H.19∼21)に よ って 行 わ れ た. 文 献
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花 田修治 1971年 東北大学大学院工学研究科博士 課程 修了 1971年 東北大学金属材料研究所助手 1987年 東北大学金属材料 研究所教授 2005年 東北大学金属材料研 究所名誉教授 専門分野:構 造用金属間化合物および医療 用チタン合 金の組織,強 度
