生体用Ｃｏ基合金の製造方法
【課題】Ｃｏ基合金を仕上がり形状に近い形状にまで鍛造することができる生体用Ｃｏ基合金の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】Ｃｒ：２６〜３０％、Ｍｏ：５〜８％、Ｃ：０．２０％以下、Ｎ：０．０５〜０．２５％を含有する生体用Ｃｏ基合金の製造方法であって、９５０℃〜１２５０℃で加熱した後、８５０℃〜１０５０℃で３０％以上の加工歪みを加えて鍛造を行い、終了後５秒以内に３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第１工程と、８５０〜１０５０℃で５〜６０分間加熱した後、８５０〜１０００℃で１５％以下の加工歪みを加えて鍛造を行い、終了後２０秒以内に３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第２工程とよりなる。
【解決手段】Ｃｒ：２６〜３０％、Ｍｏ：５〜８％、Ｃ：０．２０％以下、Ｎ：０．０５〜０．２５％を含有する生体用Ｃｏ基合金の製造方法であって、９５０℃〜１２５０℃で加熱した後、８５０℃〜１０５０℃で３０％以上の加工歪みを加えて鍛造を行い、終了後５秒以内に３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第１工程と、８５０〜１０５０℃で５〜６０分間加熱した後、８５０〜１０００℃で１５％以下の加工歪みを加えて鍛造を行い、終了後２０秒以内に３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第２工程とよりなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐食性が高いのは勿論のこと、強度と延性の両方のバランスが良く、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基合金の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生体用Ｃｏ基合金は、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基合金としては、ＡＳＴＭ規格のＦ７９９が知られている。しかしながら、このＡＳＴＭ−Ｆ７９９には、人工骨用の生体用Ｃｏ基合金が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。
【０００３】
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。
【０００４】
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加工する必要性がある。
【０００５】
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。
【０００６】
特許文献１には、ＨＣＰ相であるε相を実質的に単相とすることで、十分な延性を得ることができた生体適合性Ｃｏ基合金とその合金の製造方法が開示されている。しかしながら、８００℃で２４時間の長時間熱処理を施す必要があるため、十分な延性は確保できるものの、最高強度は８００ＭＰａ程度に留まっており、人工骨、特に人工関節の素材として用いるには強度不足である。
【０００７】
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、その実施例によると、Ｃｏ−２９Ｃｒ−６Ｍｏ合金の場合で１２００ＭＰａ近い強度を得ることができている。また、Ｎｉを１６〜２４％添加したＣｏ基合金では、１０００ＭＰａ程度の強度ながら真歪みで０．５近い破断伸びも得ることができており、一方、Ｎｉを添加しないＣｏ基合金では、真歪みで０．２程度までの破断伸びが得られている（強度は１２００ＭＰａ）。
【０００８】
しかしながら、Ｎｉの添加は生体適合性の観点からは好ましくはなく、たとえ添加するとしても必要最小限の量にすべきであり、１６〜２４％というＮｉの多量添加は、生体適合性の観点から特に好ましくはない。また、Ｎｉを添加しない場合に得られる強度および延性は、特殊な鋳型を用いて鋳込むという方法を採用することで得られるものであり、大幅なコスト増を避けることはできない。
【０００９】
また、本発明者らは、多量のＮｉ添加、特殊な鋳型を用いて鋳込む方法を共に採用しなくても、従来の生体用Ｃｏ基合金と同等もしくはそれ以上の強度および延性を得ることができる生体用Ｃｏ基合金とその製造方法を提案している。
【００１０】
この生体用Ｃｏ合金は、Ｃｒ：２６〜３０質量％、Ｍｏ：５〜８質量％、Ｃ：０．２０質量％以下（０質量％を含まず）、Ｎ：０．０５〜０．２５質量％を含有し、残部が実質的にＣｏからなると共に、結晶粒径の平均値が１．５〜１５μｍであり、ＦＣＣ相の割合が面積率で９０％以上である生体用Ｃｏ基合金である。また、所定の成分組成のＣｏ基合金を、結晶粒径の平均値を１．５〜１５μｍ、ＦＣＣ相の割合（面積率）を９０％以上とするための方法として３種の製造方法を提案している。
【００１１】
その製造方法は、所定の成分組成のＣｏ基合金を、９５０〜１２５０℃に加熱し、鍛造打ち上がり温度：８７０℃以上、付与する鍛造歪み：３０％以上の条件で鍛造した後、２〜２００秒空冷し、しかる後、直ちに水冷する方法、所定の成分組成のＣｏ基合金を、９５０〜１２５０℃に加熱し、鍛造打ち上がり温度：８７０℃以上、付与する鍛造歪み：３０％以上の条件で鍛造した後、１〜５０℃／ｓの冷却速度で冷却する方法、所定の成分組成のＣｏ基合金を、１２５０℃以上の温度に加熱した後、この加熱温度以下１０００℃以上の温度で合計３０％以上の加工歪を加える鍛造をし、この鍛造の終了後０．５〜２０秒以内の間に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下まで冷却する方法、以上３種の方法である。
【００１２】
しかしながら、これら何れの方法で生体用Ｃｏ合金を製造したとしても、最終的に３次元の複雑な形状に加工するためには、バリ取りを行った後で必ず切削加工を行う必要があった。このように、高強度な材料を加工するために切削加工を行うと、結果として多大な時間とコストを費やすこととなり、この事後の切削加工が生体用Ｃｏ基合金を製造するための大きな負担となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−２６９９９４号公報
【特許文献２】特開２００２−３６３６７５号公報
【特許文献３】特開２００９−４６７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、耐食性が高いことは勿論のこと、強度と延性の両方のバランスが良く、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基合金を、最終的な３次元の複雑な仕上がり形状に近い形状にまで鍛造することができ、事後の切削加工の手間の軽減或いは切削加工自体を不要にすることができる生体用Ｃｏ基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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１記載の発明は、質量％で、Ｃｒ：２６〜３０％、Ｍｏ：５〜８％、Ｃ：０．２０％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．０５〜０．２５％を含有し、残部がＣｏおよび不可避的不純物からなる生体用Ｃｏ基合金の製造方法であって、前記成分組成のＣｏ基合金を、９５０℃〜１２５０℃で加熱した後、この加熱温度以下であり且つ８５０℃〜１０５０℃の温度で、合計３０％以上の加工歪みを加えて鍛造を行い、この鍛造終了後５秒以内に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第１工程と、その第１工程終了後、Ｃｏ基合金の表面のバリや余肉を除去した後に８５０〜１０５０℃で５〜６０分間加熱し、その後、この加熱温度以下であり且つ８５０〜１０００℃の温度で合計１５％以下の加工歪みを加えて鍛造を行い、この鍛造終了後２０秒以内に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第２工程とよりなることを特徴とする生体用Ｃｏ基合金の製造方法である。
【００１６】
請求項２記載の発明は、前記生体用Ｃｏ基合金が、質量％で、Ｓｉ：０．５〜１．０％、および／または、Ｍｎ：０．５〜１．０％を含有する請求項１記載の生体用Ｃｏ基合金の製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の生体用Ｃｏ基合金の製造方法によると、耐食性が高いのは勿論のこと、強度と延性の両方のバランスが良く、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基合金を、最終的な３次元の複雑な仕上がり形状に近い形状にまで鍛造することが可能となり、多大な時間とコストを費やす事後の切削加工の手間を軽減、或いはその切削加工自体を不要にすることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
【００１９】
Ｃｏ基合金は、耐食性が高いのは勿論のこと、強度と延性の両方のバランスが良いという特長を有するため、従来から人工骨、特に人工関節の素材として好適に用いられていたが、製造時において最終的な３次元の複雑な形状に加工するために、多大な時間とコストを費やす切削加工が必ず必要となっていた。そのため、本発明者らは、この切削加工を不要、或いは少なくとも切削加工の手間の軽減を図ることができる生体用Ｃｏ基合金の製造方法を開発するために、鋭意研究を重ねた。
【００２０】
その結果、従来は一工程のみで行っていた鍛造を、二つの工程に分け、第１工程および第２工程の製造条件を適宜規定することで、多大な時間とコストを費やす事後の切削加工を不要とすること、或いは少なくとも切削加工の手間の軽減を図れることを見出し、本発明の完成に至った。
【００２１】
（成分組成）
まず、生体用Ｃｏ基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、特に断りのない限り全て質量％のことを示す。
【００２２】
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。従って、Ｃｒの含有量の範囲は２６〜３０％とした。
【００２３】
Ｍｏ：５〜８％
Ｍｏも、耐食性を確保する上で必要な元素であり、また、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。従って、Ｍｏの含有量の範囲は５〜８％とした。
【００２４】
Ｃ：０．２０％以下（０％を含まない）
Ｃは、耐摩耗性の必要性や必要具合によって添加されるべき元素であるが、Ｃの含有量が０．２０％を超えた場合には形成される炭化物によって延性が低下することがある。また、融点の低下によって、鍛造時の加熱で１２５０℃付近まで昇温したときに、合金の一部が溶融して鍛造ができなくなる場合がある。従って、Ｃの含有量を０．２０％以下とした。尚、Ｃの含有量の好ましい上限は０．１０％である。
【００２５】
Ｎ：０．０５〜０．２５％
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。しかしながら、Ｎの添加量（含有量）が０．０５％未満では、そのＮの添加効果（ＦＣＣ相安定化効果）が顕著でなくなる。一方、０．２５％を超えると、窒化物形成などの延性を低下させる現象の発生が懸念される。従って、Ｎの含有量の範囲は０．０５〜０．２５％とした。尚、ＦＣＣ相安定化の点からはＮ含有量を０．１０％以上とすることが望ましく、０．１５％以上とすることが更に望ましい。
【００２６】
以上が本発明で規定する必須の含有元素であって、残部はＣｏおよび不可避的不純物である。不可避的不純物の例としてＯ、Ｎｉ、Ｆｅ等を挙げることができるが、Ｏの含有量が１００ｐｐｍを超えると、伸びや絞りを低下させる影響がある。Ｏの含有量を１００ｐｐｍ以下に制御することによって、同様の強度であっても伸びや絞りを向上させることができる。従って、Ｏの含有量を１００ｐｐｍ以下とすることが望ましい。尚、Ｏの含有量を１００ｐｐｍ以下とするには、この合金の溶製を真空溶製により行えばよい。酸素濃度を特に制御する必要がない場合には、溶製方法として大気溶製方法を採用することができる。
【００２７】
また、生体用Ｃｏ基合金には、更に以下に示す元素を積極的に含有させることも有効であり、含有される化学成分（元素）の種類によって生体用Ｃｏ基合金の特性が更に改善される。
【００２８】
Ｓｉ：０．５〜１．０％、および／または、Ｍｎ：０．５〜１．０％
ＳｉおよびＭｎは、生体用Ｃｏ基合金を固溶強化し、強度を上げるととともに、熱間加工時およびその直後の空冷において、粒成長を幾分抑制する効果がある。その効果は０．５％未満では顕著ではなく、１．０％を超えるとＦ７９９合金の規格外となってしまう。従って、Ｓｉ：０．５〜１．０％、および／または、Ｍｎ：０．５〜１．０％とした。
【００２９】
（製造条件）
次に、以上説明した成分組成のＣｏ基合金を用いて生体用Ｃｏ基合金を製造する方法について説明する。通常、生体用Ｃｏ基合金を鍛造により製造する場合は、一度の鍛造で行っており、結晶粒径の平均値を１．５〜１５μｍ、ＦＣＣ相の割合を面積率で９０％以上とすることで、強度と延性の両方のバランスが良い生体用Ｃｏ基合金を製造することができていたが、本発明の製造方法では二つの工程に分けて鍛造を行う。このように鍛造を二つの工程に分けて行うことにより、生体用Ｃｏ基合金を、鍛造のみで最終的な３次元の複雑な仕上がり形状に近い形状にすることが可能となる。
【００３０】
尚、第１工程では結晶粒径はより小さめとし、第２工程で結晶粒径の平均値を最終的な大きさの１．５〜１５μｍとする。このように第１工程で結晶粒径をより小さめとする理由は、次に説明するとおりである。すなわち、第２工程では大きな加工歪みを加えることができないため、再結晶が発生せず結晶粒径を微細にすることができない。しかし、第２工程の加熱でどうしても結晶粒の粗大化が発生してしまう。よって、大きな加工歪みを加えることが可能な第１工程で結晶粒径を事前に小さくした上で次の第２工程に渡せば、第２工程で結晶粒径の平均値を最終的な大きさの１．５〜１５μｍとすることが可能となるためである。
【００３１】
本発明の生体用Ｃｏ基合金の製造方法は、より詳しくは、前記した所定の成分組成のＣｏ基合金を、９５０℃〜１２５０℃で加熱した後、この加熱温度以下であり且つ８５０℃〜１０５０℃の温度で、合計３０％以上の加工歪みを加えて鍛造を行い、この鍛造終了後５秒以内に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第１工程と、その第１工程終了後、Ｃｏ基合金の表面のバリや余肉を除去した後に８５０〜１０５０℃で５〜６０分間加熱し、その後、この加熱温度以下であり且つ８５０〜１０００℃の温度で合計１５％以下の加工歪みを加えて鍛造を行い、この鍛造終了後２０秒以内に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第２工程とよりなる。以下、第１工程および第２工程に分けて、その製造条件を更に詳細に説明する。
【００３２】
・第１工程
まず、所定の成分組成のＣｏ基合金を、鍛造前に加熱するが、その加熱温度は９５０℃〜１２５０℃とする。鍛造前の加熱温度の下限を９５０℃とした理由は、その温度が９５０℃未満では十分なＦＣＣ相が得られず、かつ、鍛造するには変形抵抗が高くなりすぎるからである。一方、鍛造前の加熱温度の上限を１２５０℃とした理由は、加熱温度が１２５０℃を超えると、Ｃｏ基合金の炭素濃度によっては一部溶融するおそれがあり、また、鍛造温度まで下げるのに待ち時間が長くかかりすぎるからである。
【００３３】
続いて、この加熱温度以下であり且つ８５０℃〜１０５０℃の温度で、合計３０％以上の加工歪みを加えて鍛造を行うが、鍛造温度の下限を８５０℃とした理由は、鍛造温度が８５０℃未満では延性を劣化させるε相が生成されるからである。一方、鍛造温度の上限を１０５０℃とした理由は、鍛造温度が１０５０℃を超えた場合、結晶粒径が粗大化してしまうからである。
【００３４】
また、この鍛造の際に付与する加工歪みを合計で３０％以上としているのは、ＦＣＣ相に歪みを加え、動的および静的再結晶を促し、結晶粒径の微細化を促進するためである。加工歪を合計で３０％未満にすると再結晶が不十分になり、結晶粒径が粗大化し、平均結晶粒径が１５μｍ超となる。結晶粒径の微細化の点からは、付与する加工歪みを５０％以上とすることが望ましい。
【００３５】
この鍛造終了後５秒以内に冷却を開始する。冷却開始が鍛造終了後５秒を超えた場合は、結晶粒径が粗大化してしまう。
【００３６】
この冷却の際の冷却速度は３０℃／ｓ以上とし、水冷で行うことが望ましい。冷却速度が３０℃／ｓ未満の場合、例えば冷却を空冷で行った場合は、結晶粒径が粗大化すると共に、ε相が生成されてしまう。
【００３７】
また、冷却は３００℃以下になるまで実施する。３００℃に到達する前に冷却を停止すると、ε相が生成されてしまう可能性がある。
【００３８】
・第２工程
第１工程終了後、Ｃｏ基合金の表面に僅かに形成されたバリや余肉を、打ち抜きやレーザー加工などによって除去した後に第２工程を開始するが、まず、鍛造前を開始する前にＣｏ基合金を加熱する。その加熱温度は８５０〜１０５０℃とし、加熱時間は５〜６０分とする。鍛造前の加熱温度の下限を８５０℃とした理由は、加熱温度が８５０℃未満ではε相が生成されてしまう可能性があるからである。一方、鍛造前の加熱温度の上限を１０５０℃とした理由は、結晶粒径が粗大化するからである。
【００３９】
また、鍛造前の加熱時間の下限を５分とした理由は、加熱時間がそれ未満であると素材の均熱を確保できなくなるためである。一方、鍛造前の加熱時間の上限を６０分とした理由は、加熱時間が６０分を超えると、結晶粒径が粗大化するからである。
【００４０】
続いて、この加熱温度以下であり且つ８５０〜１０００℃の温度で、合計１５％以下の加工歪みを加えて鍛造を行うが、鍛造温度の下限を８５０℃とした理由は、鍛造温度が８５０℃未満では素材の均熱を確保できなくなるためである。一方、鍛造温度の上限を１０００℃とした理由は、鍛造温度が１０００℃を超えた場合、結晶粒径が粗大化してしまうからである。
【００４１】
また、この鍛造の際に付与する加工歪みを合計で１５％以下としているのは、加工歪みが合計で１５％を超えるとバリが発生する歪み量となってしまい、第２工程終了後にもバリ取りが必要になってしまうからである。
【００４２】
この鍛造終了後２０秒以内に冷却を開始する。冷却開始が鍛造終了後２０秒を超えた場合は、結晶粒径が粗大化してしまう。
【００４３】
この冷却の際の冷却速度は３０℃／ｓ以上とし、水冷で行うことが望ましい。冷却速度が３０℃／ｓ未満の場合、例えば冷却を空冷で行った場合は、結晶粒径が粗大化すると共に、ε相が生成されてしまう。
【００４４】
また、冷却は３００℃以下になるまで実施する。３００℃に到達する前に冷却を停止すると、ε相が生成されてしまう可能性がある。
【００４５】
以上の条件で生体用Ｃｏ基合金を製造することで、結晶粒径の平均値が１．５〜１５μｍ、ＦＣＣ相の割合が面積率で９０％以上、且つ、最終的な３次元の複雑な仕上がり形状に近い形状とすることができる。このように、結晶粒径の平均値を１．５〜１５μｍ、ＦＣＣ相の割合を面積率で９０％以上とすることで、強度と延性の両方のバランスが良い生体用Ｃｏ基合金を製造することができる理由は以下に説明する通りである。
【００４６】
（結晶粒径の平均値）
結晶粒径の平均値が１．５μｍ未満であると、強度は高くなるものの延性が低下する。一方、結晶粒径の平均値が１５μｍを超えると、人工骨に求められる強度が維持できない。従って、結晶粒径の平均値は１．５〜１５μｍとすれば良い。延性の点からは結晶粒径の平均値は３．０μｍ以上とすることが望ましく、５．０μｍ以上とすることがより望ましく、７．０μｍ以上とすることが更に望ましい。強度の点からは結晶粒径の平均値は１３μｍ以下とすることが望ましく、１０μｍ以下とすることがより望ましい。
【００４７】
（ＦＣＣ相の割合）
ＦＣＣ相は延性に富む相であり、延性を向上させる作用効果がある。ＦＣＣ相の割合が面積率で９０％未満であると、延性が低下して不十分となる。よって、ＦＣＣ相の割合は面積率で９０％以上とすれば良い。延性の点からは、ＦＣＣの割合は面積率で９３％以上とすることが望ましい。尚、ＦＣＣ相とは、面心立方格子の結晶構造を有する相のことである。
【実施例】
【００４８】
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。
【００４９】
まず、表１に示す成分組成のＣｏ基合金を真空溶製で溶製して溶製材を得た。この溶製材を一旦φ２６ｍｍに熱間鍛造し、長さ１８０ｍｍに切り揃えて試験用のＣｏ基合金素材（試料）とした。
【００５０】
【表１】
【００５１】
これら試料を用いて表２に示す条件で第１工程の鍛造を実施した。より詳しくは、作製した各試料を用い、高周波加熱→鍛造→冷却の順序を経て鍛造を実施した。その際の、加熱温度、鍛造温度、鍛造歪（加工歪）、鍛造後保持時間（冷却開始までの時間）、冷却の種別、冷却速度を表２に示す。
【００５２】
次いで、第１工程での鍛造を終了した各試料を用いて表３に示す条件で第２工程の鍛造を実施した。より詳しくは、第１工程で鍛造を終了した各試料の表面のバリや余肉を除去した後、高周波加熱→鍛造→冷却の順序を経て鍛造を実施した。その際の、加熱温度、加熱時間、鍛造温度、鍛造歪（加工歪）、鍛造後保持時間（冷却開始までの時間）、冷却の種別、冷却速度を、表３に示す。
【００５３】
このように、第１工程および第２工程を経て得られた各Ｃｏ基合金から試験片を採取し、下記する結晶粒径の測定、引張り試験、およびバリの発生の有無の確認を実施した。尚、参考ではあるが第１工程終了後にも試験片を採取し、結晶粒径の測定、および引張り試験を実施した。試験結果を表３に、第１工程終了後の結果を表３に、それぞれ示す。
【００５４】
＜結晶粒径の測定方法＞
結晶粒径は以下に示すＥＢＳＰ測定のイメージクオリティマップを用いて測定した。これは、上記Ｃｏ基合金は非常に耐食性が高く、且つ、結晶粒径が微細なものもあるため、光学顕微鏡での組織観察が困難であったためである。上記イメージクオリティマップの組織写真上で、直線交切法にて粒径を測定し、５点以上の測定を行い、その平均切片長さを測定粒径（平均粒径）とした。
【００５５】
この測定に用いた装置および測定条件は下記のとおりである。
・装置： ＳＥＭ ＪＥＯＬ ＪＳＭ ５４１０
ＥＢＳＰ測定解析システム ＴＳＬ 社ＯＩＭ
解析ソフト ＯＩＭＡｎａｌｙｓｉｓ
・測定条件： 測定面積５０μｍｘ５０μｍ〜５００μｍｘ５００μｍ
・測定間隔： ０．１〜０．４μｍ
【００５６】
＜ＦＣＣ率の測定方法＞
上記ＥＢＳＰ測定にて、０．１〜０．４μｍの測定点ごとにＦＣＣ相、ε相（ＨＣＰ相）もしくはそれ以外の相（今回は殆どない）に自動で判定される。それを図示させるとある種の写真のごとくＦＣＣとＨＣＰの相別に表示させることができる。本実施例では、ＦＣＣの測定点数を全測定点数で割ってＦＣＣ率（面積率）、すなわちＦＣＣ相の割合とした。
【００５７】
＜引張り試験方法＞
φ６．５ｍｍｘ２５ｍｍの平行部を有する引張り試験片を製作し、これを用いて引張り試験を行い、ＹＳ：降伏応力（０．２％耐力）、ＴＳ：抗張力（引張り強度）、伸び（ＥＬ）、絞り（ＲＡ）を測定した。このとき、０．２％耐力までは０．５％／ｍｉｎの引張り速度、０．２％耐力から以降破断するまでは１０％／ｍｉｎの引張り速度とした。引張り試験機としては、島津２００ＫＮ油圧式万能試験機を用いた。
【００５８】
本実施例では、ＹＳ：降伏応力（０．２％耐力）が８００ＭＰａ以上、ＴＳ：抗張力（引張り強度）が１１５０ＭＰａ以上であり、ＥＬ：伸びが１２％以上、ＲＡ：絞りが１２％以上という条件を合格判定条件とし、それら条件を全て満たすものを、強度と延性の両方のバランスが良い生体用Ｃｏ基合金とした。
【００５９】
【表２】
【００６０】
【表３】
【００６１】
Ｎｏ．１，Ｎｏ．６，Ｎｏ．９は、Ｃｏ基合金の成分組成が本発明の要件を満たすと共に製造条件も本発明の要件を満たす発明例である。その結果、強度と延性の両方のバランスが良いＣｏ基合金を、バリが発生することなく製造することができた。
【００６２】
これに対し、Ｎｏ．２は、第１工程での冷却開始が鍛造終了後５秒を超えた比較例、Ｎｏ．３は、第２工程での加熱温度が１０５０℃を超え、鍛造温度も１０００℃を超えた比較例、Ｎｏ．４は、第１工程での鍛造温度が１０５０℃を超えた比較例である。また、Ｎｏ．５−１は、第２工程での加工歪みが１５％を超えた比較例、Ｎｏ．５−２は第２工程での冷却開始が鍛造終了後２０秒を超えた比較例である。尚、Ｎｏ．５−１とＮｏ．５−２は、第１工程は同じ条件であるので、表２にはＮｏ．５として示す。
【００６３】
更に、Ｎｏ．１０−１とＮｏ．１０−２は、第１工程での冷却を空冷で行ったため冷却速度が３０℃／ｓ未満となった比較例である。尚、Ｎｏ．１０−２は第２工程での冷却も空冷で行ったため第２工程での冷却速度も３０℃／ｓ未満となった。因みに、Ｎｏ．１０−１とＮｏ．１０−２は、第１工程での鍛造温度が１０５０℃を超えると共に、第１工程での冷却開始も鍛造終了後５秒を超えており、これらの条件でも本発明の条件を満たしていない。尚、Ｎｏ．１０−１とＮｏ．１０−２は、第１工程は同じ条件であるので、表２にはＮｏ．１０として示す。
【００６４】
その結果、Ｎｏ．２〜４、Ｎｏ．５−２、Ｎｏ．１０−１、Ｎｏ．１０−２では、ＹＳ：降伏応力（０．２％耐力）、ＴＳ：抗張力（引張り強度）、ＥＬ：伸び、ＲＡ：絞りの何れか１項目以上で合格判定条件を満足することができず、強度と延性の両方のバランスが良いＣｏ基合金を製造することができなかった。また、Ｎｏ．５−１では、鍛造で得たＣｏ基合金にバリが発生してしまった。
【００６５】
尚、Ｎｏ．２，Ｎｏ．４，Ｎｏ．１０（Ｎｏ．１０−１、Ｎｏ．１０−２）では第１工程の製造条件が好ましくないので、第１工程終了後の結晶粒径が粗大化しており、また、Ｎｏ．１０−１、Ｎｏ．１０−２では、ＦＣＣ相の割合が面積率で９０％未満となっている。
【００６６】
また、Ｎｏ．７はＣの含有量が多すぎる比較例、Ｎｏ．８はＮの含有量が多すぎる比較例である。このようにＣやＮの含有量が多すぎるため、第１工程の鍛造時に割れが発生してしまい、第２工程に進むことができなかった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐食性が高いのは勿論のこと、強度と延性の両方のバランスが良く、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基合金の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生体用Ｃｏ基合金は、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基合金としては、ＡＳＴＭ規格のＦ７９９が知られている。しかしながら、このＡＳＴＭ−Ｆ７９９には、人工骨用の生体用Ｃｏ基合金が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。
【０００３】
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。
【０００４】
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加工する必要性がある。
【０００５】
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。
【０００６】
特許文献１には、ＨＣＰ相であるε相を実質的に単相とすることで、十分な延性を得ることができた生体適合性Ｃｏ基合金とその合金の製造方法が開示されている。しかしながら、８００℃で２４時間の長時間熱処理を施す必要があるため、十分な延性は確保できるものの、最高強度は８００ＭＰａ程度に留まっており、人工骨、特に人工関節の素材として用いるには強度不足である。
【０００７】
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、その実施例によると、Ｃｏ−２９Ｃｒ−６Ｍｏ合金の場合で１２００ＭＰａ近い強度を得ることができている。また、Ｎｉを１６〜２４％添加したＣｏ基合金では、１０００ＭＰａ程度の強度ながら真歪みで０．５近い破断伸びも得ることができており、一方、Ｎｉを添加しないＣｏ基合金では、真歪みで０．２程度までの破断伸びが得られている（強度は１２００ＭＰａ）。
【０００８】
しかしながら、Ｎｉの添加は生体適合性の観点からは好ましくはなく、たとえ添加するとしても必要最小限の量にすべきであり、１６〜２４％というＮｉの多量添加は、生体適合性の観点から特に好ましくはない。また、Ｎｉを添加しない場合に得られる強度および延性は、特殊な鋳型を用いて鋳込むという方法を採用することで得られるものであり、大幅なコスト増を避けることはできない。
【０００９】
また、本発明者らは、多量のＮｉ添加、特殊な鋳型を用いて鋳込む方法を共に採用しなくても、従来の生体用Ｃｏ基合金と同等もしくはそれ以上の強度および延性を得ることができる生体用Ｃｏ基合金とその製造方法を提案している。
【００１０】
この生体用Ｃｏ合金は、Ｃｒ：２６〜３０質量％、Ｍｏ：５〜８質量％、Ｃ：０．２０質量％以下（０質量％を含まず）、Ｎ：０．０５〜０．２５質量％を含有し、残部が実質的にＣｏからなると共に、結晶粒径の平均値が１．５〜１５μｍであり、ＦＣＣ相の割合が面積率で９０％以上である生体用Ｃｏ基合金である。また、所定の成分組成のＣｏ基合金を、結晶粒径の平均値を１．５〜１５μｍ、ＦＣＣ相の割合（面積率）を９０％以上とするための方法として３種の製造方法を提案している。
【００１１】
その製造方法は、所定の成分組成のＣｏ基合金を、９５０〜１２５０℃に加熱し、鍛造打ち上がり温度：８７０℃以上、付与する鍛造歪み：３０％以上の条件で鍛造した後、２〜２００秒空冷し、しかる後、直ちに水冷する方法、所定の成分組成のＣｏ基合金を、９５０〜１２５０℃に加熱し、鍛造打ち上がり温度：８７０℃以上、付与する鍛造歪み：３０％以上の条件で鍛造した後、１〜５０℃／ｓの冷却速度で冷却する方法、所定の成分組成のＣｏ基合金を、１２５０℃以上の温度に加熱した後、この加熱温度以下１０００℃以上の温度で合計３０％以上の加工歪を加える鍛造をし、この鍛造の終了後０．５〜２０秒以内の間に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下まで冷却する方法、以上３種の方法である。
【００１２】
しかしながら、これら何れの方法で生体用Ｃｏ合金を製造したとしても、最終的に３次元の複雑な形状に加工するためには、バリ取りを行った後で必ず切削加工を行う必要があった。このように、高強度な材料を加工するために切削加工を行うと、結果として多大な時間とコストを費やすこととなり、この事後の切削加工が生体用Ｃｏ基合金を製造するための大きな負担となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−２６９９９４号公報
【特許文献２】特開２００２−３６３６７５号公報
【特許文献３】特開２００９−４６７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、耐食性が高いことは勿論のこと、強度と延性の両方のバランスが良く、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基合金を、最終的な３次元の複雑な仕上がり形状に近い形状にまで鍛造することができ、事後の切削加工の手間の軽減或いは切削加工自体を不要にすることができる生体用Ｃｏ基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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１記載の発明は、質量％で、Ｃｒ：２６〜３０％、Ｍｏ：５〜８％、Ｃ：０．２０％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．０５〜０．２５％を含有し、残部がＣｏおよび不可避的不純物からなる生体用Ｃｏ基合金の製造方法であって、前記成分組成のＣｏ基合金を、９５０℃〜１２５０℃で加熱した後、この加熱温度以下であり且つ８５０℃〜１０５０℃の温度で、合計３０％以上の加工歪みを加えて鍛造を行い、この鍛造終了後５秒以内に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第１工程と、その第１工程終了後、Ｃｏ基合金の表面のバリや余肉を除去した後に８５０〜１０５０℃で５〜６０分間加熱し、その後、この加熱温度以下であり且つ８５０〜１０００℃の温度で合計１５％以下の加工歪みを加えて鍛造を行い、この鍛造終了後２０秒以内に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第２工程とよりなることを特徴とする生体用Ｃｏ基合金の製造方法である。
【００１６】
請求項２記載の発明は、前記生体用Ｃｏ基合金が、質量％で、Ｓｉ：０．５〜１．０％、および／または、Ｍｎ：０．５〜１．０％を含有する請求項１記載の生体用Ｃｏ基合金の製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の生体用Ｃｏ基合金の製造方法によると、耐食性が高いのは勿論のこと、強度と延性の両方のバランスが良く、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基合金を、最終的な３次元の複雑な仕上がり形状に近い形状にまで鍛造することが可能となり、多大な時間とコストを費やす事後の切削加工の手間を軽減、或いはその切削加工自体を不要にすることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
【００１９】
Ｃｏ基合金は、耐食性が高いのは勿論のこと、強度と延性の両方のバランスが良いという特長を有するため、従来から人工骨、特に人工関節の素材として好適に用いられていたが、製造時において最終的な３次元の複雑な形状に加工するために、多大な時間とコストを費やす切削加工が必ず必要となっていた。そのため、本発明者らは、この切削加工を不要、或いは少なくとも切削加工の手間の軽減を図ることができる生体用Ｃｏ基合金の製造方法を開発するために、鋭意研究を重ねた。
【００２０】
その結果、従来は一工程のみで行っていた鍛造を、二つの工程に分け、第１工程および第２工程の製造条件を適宜規定することで、多大な時間とコストを費やす事後の切削加工を不要とすること、或いは少なくとも切削加工の手間の軽減を図れることを見出し、本発明の完成に至った。
【００２１】
（成分組成）
まず、生体用Ｃｏ基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、特に断りのない限り全て質量％のことを示す。
【００２２】
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。従って、Ｃｒの含有量の範囲は２６〜３０％とした。
【００２３】
Ｍｏ：５〜８％
Ｍｏも、耐食性を確保する上で必要な元素であり、また、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。従って、Ｍｏの含有量の範囲は５〜８％とした。
【００２４】
Ｃ：０．２０％以下（０％を含まない）
Ｃは、耐摩耗性の必要性や必要具合によって添加されるべき元素であるが、Ｃの含有量が０．２０％を超えた場合には形成される炭化物によって延性が低下することがある。また、融点の低下によって、鍛造時の加熱で１２５０℃付近まで昇温したときに、合金の一部が溶融して鍛造ができなくなる場合がある。従って、Ｃの含有量を０．２０％以下とした。尚、Ｃの含有量の好ましい上限は０．１０％である。
【００２５】
Ｎ：０．０５〜０．２５％
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。しかしながら、Ｎの添加量（含有量）が０．０５％未満では、そのＮの添加効果（ＦＣＣ相安定化効果）が顕著でなくなる。一方、０．２５％を超えると、窒化物形成などの延性を低下させる現象の発生が懸念される。従って、Ｎの含有量の範囲は０．０５〜０．２５％とした。尚、ＦＣＣ相安定化の点からはＮ含有量を０．１０％以上とすることが望ましく、０．１５％以上とすることが更に望ましい。
【００２６】
以上が本発明で規定する必須の含有元素であって、残部はＣｏおよび不可避的不純物である。不可避的不純物の例としてＯ、Ｎｉ、Ｆｅ等を挙げることができるが、Ｏの含有量が１００ｐｐｍを超えると、伸びや絞りを低下させる影響がある。Ｏの含有量を１００ｐｐｍ以下に制御することによって、同様の強度であっても伸びや絞りを向上させることができる。従って、Ｏの含有量を１００ｐｐｍ以下とすることが望ましい。尚、Ｏの含有量を１００ｐｐｍ以下とするには、この合金の溶製を真空溶製により行えばよい。酸素濃度を特に制御する必要がない場合には、溶製方法として大気溶製方法を採用することができる。
【００２７】
また、生体用Ｃｏ基合金には、更に以下に示す元素を積極的に含有させることも有効であり、含有される化学成分（元素）の種類によって生体用Ｃｏ基合金の特性が更に改善される。
【００２８】
Ｓｉ：０．５〜１．０％、および／または、Ｍｎ：０．５〜１．０％
ＳｉおよびＭｎは、生体用Ｃｏ基合金を固溶強化し、強度を上げるととともに、熱間加工時およびその直後の空冷において、粒成長を幾分抑制する効果がある。その効果は０．５％未満では顕著ではなく、１．０％を超えるとＦ７９９合金の規格外となってしまう。従って、Ｓｉ：０．５〜１．０％、および／または、Ｍｎ：０．５〜１．０％とした。
【００２９】
（製造条件）
次に、以上説明した成分組成のＣｏ基合金を用いて生体用Ｃｏ基合金を製造する方法について説明する。通常、生体用Ｃｏ基合金を鍛造により製造する場合は、一度の鍛造で行っており、結晶粒径の平均値を１．５〜１５μｍ、ＦＣＣ相の割合を面積率で９０％以上とすることで、強度と延性の両方のバランスが良い生体用Ｃｏ基合金を製造することができていたが、本発明の製造方法では二つの工程に分けて鍛造を行う。このように鍛造を二つの工程に分けて行うことにより、生体用Ｃｏ基合金を、鍛造のみで最終的な３次元の複雑な仕上がり形状に近い形状にすることが可能となる。
【００３０】
尚、第１工程では結晶粒径はより小さめとし、第２工程で結晶粒径の平均値を最終的な大きさの１．５〜１５μｍとする。このように第１工程で結晶粒径をより小さめとする理由は、次に説明するとおりである。すなわち、第２工程では大きな加工歪みを加えることができないため、再結晶が発生せず結晶粒径を微細にすることができない。しかし、第２工程の加熱でどうしても結晶粒の粗大化が発生してしまう。よって、大きな加工歪みを加えることが可能な第１工程で結晶粒径を事前に小さくした上で次の第２工程に渡せば、第２工程で結晶粒径の平均値を最終的な大きさの１．５〜１５μｍとすることが可能となるためである。
【００３１】
本発明の生体用Ｃｏ基合金の製造方法は、より詳しくは、前記した所定の成分組成のＣｏ基合金を、９５０℃〜１２５０℃で加熱した後、この加熱温度以下であり且つ８５０℃〜１０５０℃の温度で、合計３０％以上の加工歪みを加えて鍛造を行い、この鍛造終了後５秒以内に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第１工程と、その第１工程終了後、Ｃｏ基合金の表面のバリや余肉を除去した後に８５０〜１０５０℃で５〜６０分間加熱し、その後、この加熱温度以下であり且つ８５０〜１０００℃の温度で合計１５％以下の加工歪みを加えて鍛造を行い、この鍛造終了後２０秒以内に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第２工程とよりなる。以下、第１工程および第２工程に分けて、その製造条件を更に詳細に説明する。
【００３２】
・第１工程
まず、所定の成分組成のＣｏ基合金を、鍛造前に加熱するが、その加熱温度は９５０℃〜１２５０℃とする。鍛造前の加熱温度の下限を９５０℃とした理由は、その温度が９５０℃未満では十分なＦＣＣ相が得られず、かつ、鍛造するには変形抵抗が高くなりすぎるからである。一方、鍛造前の加熱温度の上限を１２５０℃とした理由は、加熱温度が１２５０℃を超えると、Ｃｏ基合金の炭素濃度によっては一部溶融するおそれがあり、また、鍛造温度まで下げるのに待ち時間が長くかかりすぎるからである。
【００３３】
続いて、この加熱温度以下であり且つ８５０℃〜１０５０℃の温度で、合計３０％以上の加工歪みを加えて鍛造を行うが、鍛造温度の下限を８５０℃とした理由は、鍛造温度が８５０℃未満では延性を劣化させるε相が生成されるからである。一方、鍛造温度の上限を１０５０℃とした理由は、鍛造温度が１０５０℃を超えた場合、結晶粒径が粗大化してしまうからである。
【００３４】
また、この鍛造の際に付与する加工歪みを合計で３０％以上としているのは、ＦＣＣ相に歪みを加え、動的および静的再結晶を促し、結晶粒径の微細化を促進するためである。加工歪を合計で３０％未満にすると再結晶が不十分になり、結晶粒径が粗大化し、平均結晶粒径が１５μｍ超となる。結晶粒径の微細化の点からは、付与する加工歪みを５０％以上とすることが望ましい。
【００３５】
この鍛造終了後５秒以内に冷却を開始する。冷却開始が鍛造終了後５秒を超えた場合は、結晶粒径が粗大化してしまう。
【００３６】
この冷却の際の冷却速度は３０℃／ｓ以上とし、水冷で行うことが望ましい。冷却速度が３０℃／ｓ未満の場合、例えば冷却を空冷で行った場合は、結晶粒径が粗大化すると共に、ε相が生成されてしまう。
【００３７】
また、冷却は３００℃以下になるまで実施する。３００℃に到達する前に冷却を停止すると、ε相が生成されてしまう可能性がある。
【００３８】
・第２工程
第１工程終了後、Ｃｏ基合金の表面に僅かに形成されたバリや余肉を、打ち抜きやレーザー加工などによって除去した後に第２工程を開始するが、まず、鍛造前を開始する前にＣｏ基合金を加熱する。その加熱温度は８５０〜１０５０℃とし、加熱時間は５〜６０分とする。鍛造前の加熱温度の下限を８５０℃とした理由は、加熱温度が８５０℃未満ではε相が生成されてしまう可能性があるからである。一方、鍛造前の加熱温度の上限を１０５０℃とした理由は、結晶粒径が粗大化するからである。
【００３９】
また、鍛造前の加熱時間の下限を５分とした理由は、加熱時間がそれ未満であると素材の均熱を確保できなくなるためである。一方、鍛造前の加熱時間の上限を６０分とした理由は、加熱時間が６０分を超えると、結晶粒径が粗大化するからである。
【００４０】
続いて、この加熱温度以下であり且つ８５０〜１０００℃の温度で、合計１５％以下の加工歪みを加えて鍛造を行うが、鍛造温度の下限を８５０℃とした理由は、鍛造温度が８５０℃未満では素材の均熱を確保できなくなるためである。一方、鍛造温度の上限を１０００℃とした理由は、鍛造温度が１０００℃を超えた場合、結晶粒径が粗大化してしまうからである。
【００４１】
また、この鍛造の際に付与する加工歪みを合計で１５％以下としているのは、加工歪みが合計で１５％を超えるとバリが発生する歪み量となってしまい、第２工程終了後にもバリ取りが必要になってしまうからである。
【００４２】
この鍛造終了後２０秒以内に冷却を開始する。冷却開始が鍛造終了後２０秒を超えた場合は、結晶粒径が粗大化してしまう。
【００４３】
この冷却の際の冷却速度は３０℃／ｓ以上とし、水冷で行うことが望ましい。冷却速度が３０℃／ｓ未満の場合、例えば冷却を空冷で行った場合は、結晶粒径が粗大化すると共に、ε相が生成されてしまう。
【００４４】
また、冷却は３００℃以下になるまで実施する。３００℃に到達する前に冷却を停止すると、ε相が生成されてしまう可能性がある。
【００４５】
以上の条件で生体用Ｃｏ基合金を製造することで、結晶粒径の平均値が１．５〜１５μｍ、ＦＣＣ相の割合が面積率で９０％以上、且つ、最終的な３次元の複雑な仕上がり形状に近い形状とすることができる。このように、結晶粒径の平均値を１．５〜１５μｍ、ＦＣＣ相の割合を面積率で９０％以上とすることで、強度と延性の両方のバランスが良い生体用Ｃｏ基合金を製造することができる理由は以下に説明する通りである。
【００４６】
（結晶粒径の平均値）
結晶粒径の平均値が１．５μｍ未満であると、強度は高くなるものの延性が低下する。一方、結晶粒径の平均値が１５μｍを超えると、人工骨に求められる強度が維持できない。従って、結晶粒径の平均値は１．５〜１５μｍとすれば良い。延性の点からは結晶粒径の平均値は３．０μｍ以上とすることが望ましく、５．０μｍ以上とすることがより望ましく、７．０μｍ以上とすることが更に望ましい。強度の点からは結晶粒径の平均値は１３μｍ以下とすることが望ましく、１０μｍ以下とすることがより望ましい。
【００４７】
（ＦＣＣ相の割合）
ＦＣＣ相は延性に富む相であり、延性を向上させる作用効果がある。ＦＣＣ相の割合が面積率で９０％未満であると、延性が低下して不十分となる。よって、ＦＣＣ相の割合は面積率で９０％以上とすれば良い。延性の点からは、ＦＣＣの割合は面積率で９３％以上とすることが望ましい。尚、ＦＣＣ相とは、面心立方格子の結晶構造を有する相のことである。
【実施例】
【００４８】
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。
【００４９】
まず、表１に示す成分組成のＣｏ基合金を真空溶製で溶製して溶製材を得た。この溶製材を一旦φ２６ｍｍに熱間鍛造し、長さ１８０ｍｍに切り揃えて試験用のＣｏ基合金素材（試料）とした。
【００５０】
【表１】
【００５１】
これら試料を用いて表２に示す条件で第１工程の鍛造を実施した。より詳しくは、作製した各試料を用い、高周波加熱→鍛造→冷却の順序を経て鍛造を実施した。その際の、加熱温度、鍛造温度、鍛造歪（加工歪）、鍛造後保持時間（冷却開始までの時間）、冷却の種別、冷却速度を表２に示す。
【００５２】
次いで、第１工程での鍛造を終了した各試料を用いて表３に示す条件で第２工程の鍛造を実施した。より詳しくは、第１工程で鍛造を終了した各試料の表面のバリや余肉を除去した後、高周波加熱→鍛造→冷却の順序を経て鍛造を実施した。その際の、加熱温度、加熱時間、鍛造温度、鍛造歪（加工歪）、鍛造後保持時間（冷却開始までの時間）、冷却の種別、冷却速度を、表３に示す。
【００５３】
このように、第１工程および第２工程を経て得られた各Ｃｏ基合金から試験片を採取し、下記する結晶粒径の測定、引張り試験、およびバリの発生の有無の確認を実施した。尚、参考ではあるが第１工程終了後にも試験片を採取し、結晶粒径の測定、および引張り試験を実施した。試験結果を表３に、第１工程終了後の結果を表３に、それぞれ示す。
【００５４】
＜結晶粒径の測定方法＞
結晶粒径は以下に示すＥＢＳＰ測定のイメージクオリティマップを用いて測定した。これは、上記Ｃｏ基合金は非常に耐食性が高く、且つ、結晶粒径が微細なものもあるため、光学顕微鏡での組織観察が困難であったためである。上記イメージクオリティマップの組織写真上で、直線交切法にて粒径を測定し、５点以上の測定を行い、その平均切片長さを測定粒径（平均粒径）とした。
【００５５】
この測定に用いた装置および測定条件は下記のとおりである。
・装置： ＳＥＭ ＪＥＯＬ ＪＳＭ ５４１０
ＥＢＳＰ測定解析システム ＴＳＬ 社ＯＩＭ
解析ソフト ＯＩＭＡｎａｌｙｓｉｓ
・測定条件： 測定面積５０μｍｘ５０μｍ〜５００μｍｘ５００μｍ
・測定間隔： ０．１〜０．４μｍ
【００５６】
＜ＦＣＣ率の測定方法＞
上記ＥＢＳＰ測定にて、０．１〜０．４μｍの測定点ごとにＦＣＣ相、ε相（ＨＣＰ相）もしくはそれ以外の相（今回は殆どない）に自動で判定される。それを図示させるとある種の写真のごとくＦＣＣとＨＣＰの相別に表示させることができる。本実施例では、ＦＣＣの測定点数を全測定点数で割ってＦＣＣ率（面積率）、すなわちＦＣＣ相の割合とした。
【００５７】
＜引張り試験方法＞
φ６．５ｍｍｘ２５ｍｍの平行部を有する引張り試験片を製作し、これを用いて引張り試験を行い、ＹＳ：降伏応力（０．２％耐力）、ＴＳ：抗張力（引張り強度）、伸び（ＥＬ）、絞り（ＲＡ）を測定した。このとき、０．２％耐力までは０．５％／ｍｉｎの引張り速度、０．２％耐力から以降破断するまでは１０％／ｍｉｎの引張り速度とした。引張り試験機としては、島津２００ＫＮ油圧式万能試験機を用いた。
【００５８】
本実施例では、ＹＳ：降伏応力（０．２％耐力）が８００ＭＰａ以上、ＴＳ：抗張力（引張り強度）が１１５０ＭＰａ以上であり、ＥＬ：伸びが１２％以上、ＲＡ：絞りが１２％以上という条件を合格判定条件とし、それら条件を全て満たすものを、強度と延性の両方のバランスが良い生体用Ｃｏ基合金とした。
【００５９】
【表２】
【００６０】
【表３】
【００６１】
Ｎｏ．１，Ｎｏ．６，Ｎｏ．９は、Ｃｏ基合金の成分組成が本発明の要件を満たすと共に製造条件も本発明の要件を満たす発明例である。その結果、強度と延性の両方のバランスが良いＣｏ基合金を、バリが発生することなく製造することができた。
【００６２】
これに対し、Ｎｏ．２は、第１工程での冷却開始が鍛造終了後５秒を超えた比較例、Ｎｏ．３は、第２工程での加熱温度が１０５０℃を超え、鍛造温度も１０００℃を超えた比較例、Ｎｏ．４は、第１工程での鍛造温度が１０５０℃を超えた比較例である。また、Ｎｏ．５−１は、第２工程での加工歪みが１５％を超えた比較例、Ｎｏ．５−２は第２工程での冷却開始が鍛造終了後２０秒を超えた比較例である。尚、Ｎｏ．５−１とＮｏ．５−２は、第１工程は同じ条件であるので、表２にはＮｏ．５として示す。
【００６３】
更に、Ｎｏ．１０−１とＮｏ．１０−２は、第１工程での冷却を空冷で行ったため冷却速度が３０℃／ｓ未満となった比較例である。尚、Ｎｏ．１０−２は第２工程での冷却も空冷で行ったため第２工程での冷却速度も３０℃／ｓ未満となった。因みに、Ｎｏ．１０−１とＮｏ．１０−２は、第１工程での鍛造温度が１０５０℃を超えると共に、第１工程での冷却開始も鍛造終了後５秒を超えており、これらの条件でも本発明の条件を満たしていない。尚、Ｎｏ．１０−１とＮｏ．１０−２は、第１工程は同じ条件であるので、表２にはＮｏ．１０として示す。
【００６４】
その結果、Ｎｏ．２〜４、Ｎｏ．５−２、Ｎｏ．１０−１、Ｎｏ．１０−２では、ＹＳ：降伏応力（０．２％耐力）、ＴＳ：抗張力（引張り強度）、ＥＬ：伸び、ＲＡ：絞りの何れか１項目以上で合格判定条件を満足することができず、強度と延性の両方のバランスが良いＣｏ基合金を製造することができなかった。また、Ｎｏ．５−１では、鍛造で得たＣｏ基合金にバリが発生してしまった。
【００６５】
尚、Ｎｏ．２，Ｎｏ．４，Ｎｏ．１０（Ｎｏ．１０−１、Ｎｏ．１０−２）では第１工程の製造条件が好ましくないので、第１工程終了後の結晶粒径が粗大化しており、また、Ｎｏ．１０−１、Ｎｏ．１０−２では、ＦＣＣ相の割合が面積率で９０％未満となっている。
【００６６】
また、Ｎｏ．７はＣの含有量が多すぎる比較例、Ｎｏ．８はＮの含有量が多すぎる比較例である。このようにＣやＮの含有量が多すぎるため、第１工程の鍛造時に割れが発生してしまい、第２工程に進むことができなかった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃｒ：２６〜３０％、Ｍｏ：５〜８％、Ｃ：０．２０％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．０５〜０．２５％を含有し、残部がＣｏおよび不可避的不純物からなる生体用Ｃｏ基合金の製造方法であって、
前記成分組成のＣｏ基合金を、９５０℃〜１２５０℃で加熱した後、この加熱温度以下であり且つ８５０℃〜１０５０℃の温度で、合計３０％以上の加工歪みを加えて鍛造を行い、この鍛造終了後５秒以内に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第１工程と、
その第１工程終了後、Ｃｏ基合金の表面のバリや余肉を除去した後に８５０〜１０５０℃で５〜６０分間加熱し、その後、この加熱温度以下であり且つ８５０〜１０００℃の温度で合計１５％以下の加工歪みを加えて鍛造を行い、この鍛造終了後２０秒以内に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第２工程とよりなることを特徴とする生体用Ｃｏ基合金の製造方法。
【請求項２】
前記生体用Ｃｏ基合金が、質量％で、Ｓｉ：０．５〜１．０％、および／または、Ｍｎ：０．５〜１．０％を含有する請求項１記載の生体用Ｃｏ基合金の製造方法。
【請求項１】
質量％で、Ｃｒ：２６〜３０％、Ｍｏ：５〜８％、Ｃ：０．２０％以下（０％を含まない）、Ｎ：０．０５〜０．２５％を含有し、残部がＣｏおよび不可避的不純物からなる生体用Ｃｏ基合金の製造方法であって、
前記成分組成のＣｏ基合金を、９５０℃〜１２５０℃で加熱した後、この加熱温度以下であり且つ８５０℃〜１０５０℃の温度で、合計３０％以上の加工歪みを加えて鍛造を行い、この鍛造終了後５秒以内に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第１工程と、
その第１工程終了後、Ｃｏ基合金の表面のバリや余肉を除去した後に８５０〜１０５０℃で５〜６０分間加熱し、その後、この加熱温度以下であり且つ８５０〜１０００℃の温度で合計１５％以下の加工歪みを加えて鍛造を行い、この鍛造終了後２０秒以内に冷却を開始し、３０℃／ｓ以上の冷却速度で３００℃以下になるまで冷却を行う第２工程とよりなることを特徴とする生体用Ｃｏ基合金の製造方法。
【請求項２】
前記生体用Ｃｏ基合金が、質量％で、Ｓｉ：０．５〜１．０％、および／または、Ｍｎ：０．５〜１．０％を含有する請求項１記載の生体用Ｃｏ基合金の製造方法。
【公開番号】特開２０１２−２４６５１０（Ｐ２０１２−２４６５１０Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１７０４６（Ｐ２０１１−１１７０４６）
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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