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2016 年度 実績報告書

超高密度格子欠陥の導入に基づく生体用Co-Cr合金の組織制御と塑性変形機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 26870050
研究機関東北大学

研究代表者

山中 謙太  東北大学, 金属材料研究所, 助教 (30727061)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワード生体用Co-Cr合金 / 熱間加工 / 転位組織 / 放射光回折 / ラインプロファイル解析 / マルテンサイト変態 / 力学特性
研究実績の概要

平成28年度は、前年度までに蓄積した知見を基に熱間加工により導入された格子欠陥と材料特性の関係について研究を行った。
まず、N添加量の異なるCo-Cr-Mo合金を作製し、熱間加工組織と力学特性との関係について検討した。高周波誘導溶解法により30 kg鋳塊を溶製し、実機設備を用いた熱間鍛造・圧延により0.15 mass%のNを添加したCo-28Cr-6Mo (mass%)合金およびN無添加の比較合金を作製した。引張試験の結果、同じ加工履歴であってもN添加合金の方が高強度を示し、優れた引張延性が得られることがわかった。このような高強度の理由として、熱間加工により導入される転位のN原子による固着が示唆された。また、室温にて応力比R = 0.1の疲労試験を行い、S-N(応力振幅-サイクル数)曲線を作成し、N添加により疲労特性が改善かのうであることを初めて明らかにした。さらに、上記試料について分極試験及び浸漬試験により生体材料として重要な耐食性を評価したところ、熱間加工を行っても耐食性はほとんど低下しないことを確認した。以上より、本研究で提案した高強度化コンセプトである「高密度格子欠陥の導入」の有用性を示すことができた。
本研究により得られた成果を応用し、脊椎固定用ロッドを具体的なアプリケーションとした高強度ロッド材の熱間伸線・圧延プロセスを構築した。φ5mm程度のロッド材を対象に熱間加工温度および熱間加工率の影響を調査し、20%程度の低加工率であっても極めて高い強度が得られることを明らかにした。また、熱間加工温度を制御することにより、格子欠陥の導入と熱間加工中の動的再結晶の発現を最適化することができることを見出した。得られた材料については、生体適合性評価を行い、人体に悪影響を及ぼさないことを確認し、実用的にも重要な知見を得ることができた。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 2件、 招待講演 4件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] INSA Lyon(France)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      INSA Lyon
  • [国際共同研究] The University of British Columbia(Canada)

    • 国名
      カナダ
    • 外国機関名
      The University of British Columbia
  • [国際共同研究] Indonesian Institute of Sciences(Indonesia)

    • 国名
      インドネシア
    • 外国機関名
      Indonesian Institute of Sciences
  • [雑誌論文] Continuous Measurements of Recrystallization and Grain Growth in Cobalt Super Alloys2017

    • 著者名/発表者名
      Mahsa Keyvani, Thomas Garcin, Damien Fabregue, Matthias Militzer, Kenta Yamanaka, Akihiko Chiba
    • 雑誌名

      Metallurgical and Materials Transactions A

      巻: 48 ページ: 2363-2374

    • DOI

      10.1007/s11661-017-4027-8

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Development of microstructure and mechanical properties during annealing of a cold-swaged Co-Cr-Mo alloy rod2016

    • 著者名/発表者名
      Manami Mori, Nanae Sato, Kenta Yamanaka, Kazuo Yoshida, Koji Kuramoto, Akihiko Chiba
    • 雑誌名

      Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials

      巻: 64 ページ: 187-198

    • DOI

      10.1016/j.jmbbm.2016.07.009

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Co合金における加工に伴うマルテンサイト相発達と転位増殖の強度への影響2017

    • 著者名/発表者名
      中川 真惟子, 小貫 祐介, 山中 謙太, 森 真奈美, 千葉 晶彦, 佐藤 成男
    • 学会等名
      日本金属学会2017年春期(第160回)講演大会
    • 発表場所
      八王子市
    • 年月日
      2017-03-15 – 2017-03-17
  • [学会発表] X線回折ラインプロファイル解析を用いた生体用Co-Cr-Mo合金の高強度化メカニズムとひずみ誘起マルテンサイト変態挙動の評価2017

    • 著者名/発表者名
      山中 謙太, 森 真奈美, 佐藤 成男, 千葉 晶彦
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第173回春期講演大会シンポジウム「中性子・X線回折、散乱法による金属ミクロ組織解析の課題と展望」
    • 発表場所
      八王子市
    • 年月日
      2017-03-15 – 2017-03-15
    • 招待講演
  • [学会発表] マルテンサイト変態と転位による強化機構の同時解析を指向した中性子回折法の確立2017

    • 著者名/発表者名
      佐藤 成男, 中川 真惟子, 小貫 祐介, 山中 謙太, 森 真奈美, 千葉 晶彦
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第173回春期講演大会シンポジウム「中性子・X線回折、散乱法による金属ミクロ組織解析の課題と展望」
    • 発表場所
      八王子市
    • 年月日
      2017-03-15 – 2017-03-15
    • 招待講演
  • [学会発表] A Novel Strengthening Strategy Using Stacking Faults for Biomedical Co-Cr-Mo Alloys2017

    • 著者名/発表者名
      Kenta Yamanaka, Manami Mori, Shigeo Sato, Akihiko Chiba
    • 学会等名
      TMS 2017 Annual Meeting & Exhibition
    • 発表場所
      San Diego, California, USA
    • 年月日
      2017-02-26 – 2017-03-02
    • 国際学会
  • [学会発表] 生体用Co-Cr系鋳造合金のC, N同時添加による高機能化2016

    • 著者名/発表者名
      山中 謙太, 森 真奈美, 千葉 晶彦
    • 学会等名
      日本バイオマテリアル学会東北地域講演会「バイオマテリアル研究若手交流会」
    • 発表場所
      仙台市
    • 年月日
      2016-09-26 – 2016-09-26
    • 招待講演
  • [学会発表] 高密度格子欠陥組織を有する生体用Co-Cr-Mo合金の引張変形におけるひずみ誘起マルテンサイト変態挙動2016

    • 著者名/発表者名
      森 真奈美, 山中 謙太, 佐藤 成男, 椿 真貴, 佐藤 こずえ, 熊谷 正芳, 今福 宗行, 菖蒲 敬久, 千葉 晶彦
    • 学会等名
      日本金属学会2016年秋期(第159回)講演大会
    • 発表場所
      大阪市
    • 年月日
      2016-09-21 – 2016-09-23
  • [学会発表] 冷間スウェージ加工後の生体用Co-Cr-Mo合金の焼鈍熱処理における組織と機械的特性の変化2016

    • 著者名/発表者名
      佐藤 奈々絵, 森 真奈美, 山中 謙太, 吉田 和男, 倉本 浩二, 千葉 晶彦
    • 学会等名
      日本金属学会2016年秋期(第159回)講演大会
    • 発表場所
      大阪市
    • 年月日
      2016-09-21 – 2016-09-23
  • [学会発表] 加工プロセスを駆使した生体用Co-Cr合金の組織制御と高機能化2016

    • 著者名/発表者名
      山中 謙太
    • 学会等名
      日本金属学会2016年秋期(第159回)講演大会
    • 発表場所
      大阪市
    • 年月日
      2016-09-21 – 2016-09-23
    • 招待講演
  • [学会発表] Processing, Microstructure and Mechanical Properties of Co-Cr-Mo Alloy Rods for Spinal Instrumentation Surgery2016

    • 著者名/発表者名
      K. Yamanaka, M. Mori, K. Yoshida, K. Kuramoto, A. Chiba
    • 学会等名
      PRICM9: 9th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing
    • 発表場所
      京都市
    • 年月日
      2016-08-01 – 2016-08-05
    • 国際学会
  • [備考] 東北大学研究者一覧

    • URL

      http://db.tohoku.ac.jp/whois/detail/82483b36a80cd6391159320edc4f20bb.html

  • [備考] 東北大学金属材料研究所千葉研究室ウェブページ

    • URL

      http://www.chibalab.imr.tohoku.ac.jp

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公開日: 2018-01-16  

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