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コバルトクロムまたはコバルトクロム（CoCr）は、コバルトとクロムの金属 合金です。コバルトクロムは非常に高い比強度を持ち、ガスタービン、歯科インプラント、整形外科インプラントによく使用されます。[1]
歴史
Co-Cr合金は、1900年代初頭にエルウッド・ヘインズがコバルトとクロムを融合させて初めて発見されました。この合金は、タングステンやモリブデンなど他の多くの元素が含まれている状態で初めて発見されました。ヘインズは、この合金は酸化や腐食性ガスに耐えることができ、沸騰した硝酸にさらしても目に見える変色の兆候が見られなかったと報告しました。[2]ステライトという名前で、Co-Cr合金は航空宇宙産業、[3]や刃物、ベアリング、刃物など、 高い耐摩耗性が求められるさまざまな分野で使用されてきました。
Co-Cr合金は、その生体医学的用途が発見されるにつれて、より多くの注目を集めるようになりました。20世紀には、この合金は初めて医療用具の製造に使用され、[4] 1960年には最初のCo-Cr人工心臓弁が移植され、その高い耐摩耗性が実証され、30年以上も持続しました。[5]最近では、優れた耐性、生体適合性、高い融点、高温での信じられないほどの強度により、Co-Cr合金は、股関節や膝関節、歯科部分ブリッジ、ガスタービンなど、多くの人工関節の製造に使用されています。[4]
合成
一般的な Co-Cr 合金の製造には、コバルト酸化物とクロム酸化物の鉱石からコバルトとクロムを抽出することが必要である。両方の鉱石は、純粋な金属を得るために還元プロセスを経る必要がある。クロムは通常、アルミノテルミット還元法で還元され、純粋なコバルトは特定の鉱石の特性に応じてさまざまな方法で得られる。その後、純粋な金属は、電気アークまたは誘導溶解によって真空下で融合される。[4]高温での金属の化学反応性のため、このプロセスでは、金属による酸素の吸収を防ぐために真空状態または不活性雰囲気が必要である。Co-Cr-Mo 合金である ASTM F75 は、小さなノズルから溶融金属を噴出させ、すぐに冷却して合金の微粉末を生成することで、不活性アルゴン雰囲気中で製造される。[3]
しかし、上記の方法によるCo-Cr合金の合成は非常に高価で困難です。最近、2010年にケンブリッジ大学の科学者は、溶融塩化物電解質中の酸化物前駆体カソードの還元を伴うFFCケンブリッジプロセスと呼ばれる新しい電気化学的固体還元技術によって合金を製造しました。[4]
プロパティ
Co-Cr合金は、主にCr 2 O 3と少量のコバルトおよびその他の金属酸化物で構成される保護不動態膜が表面に自発的に形成されるため、高い耐腐食性を示します。[6] CoCrの融点は1,330℃（2,430℉）です。[7]
バイオメディカル産業における幅広い応用が示すように、Co-Cr合金は生体適合性があることでよく知られています。生体適合性は、フィルムと、この酸化表面が生理的環境とどのように相互作用するかにも依存します。[8]ステンレス鋼に似た優れた機械的特性は、多相構造と炭化物の析出の結果であり、Co-Cr合金の硬度を大幅に高めます。Co-Cr合金の硬度は550〜800 MPaの範囲で変化し、引張強度は145〜270 MPaの範囲で変化します。[9]さらに、引張強度と疲労強度は熱処理によって劇的に増加します。[10]しかし、Co-Cr合金は延性が低い傾向があり、部品の破損を引き起こす可能性があります。合金は股関節置換術によく使用されるため、これは懸念事項です。[11]延性の低さを克服するために、ニッケル、炭素、窒素が添加されます。これらの元素はγ相を安定化させ、Co-Cr合金の他の相と比較して優れた機械的特性を有する。[12]
一般的なタイプ
様々な分野で一般的に生産され使用されているCo-Cr合金がいくつかあります。ASTM F75、ASTM F799、ASTM F1537は、組成は非常に似ていますが製造プロセスがわずかに異なるCo-Cr-Mo合金です。ASTM F90はCo-Cr-W-Ni合金、ASTM F562はCo-Ni-Cr-Mo-Ti合金です。[3]
構造
コバルトまたはクロムの組成率と温度に応じて、Co-Cr合金は異なる構造を示します。合金に約60～75%のクロムが含まれるσ相は脆く、破損しやすい傾向があります。FCC結晶構造はγ相に見られ、γ相はσ相と比較して強度と延性が向上しています。FCC結晶構造はコバルトを多く含む合金によく見られますが、クロムを多く含む合金はBCC結晶構造になる傾向があります。γ相Co-Cr合金は高圧下でε相に変換され、HCP結晶構造を示します。[12]
用途
医療用インプラント
Co-Cr合金は、耐摩耗性と生体適合性が高いため、膝関節や股関節などの人工関節の製造に最も一般的に使用されています。[4] Co-Cr合金は耐腐食性があり、移植時に周囲の組織との合併症を軽減し、化学的に不活性であるため、刺激、アレルギー反応、免疫反応の可能性を最小限に抑えます。[13] Co-Cr合金は、血液や軟部組織との優れた生体適合性も示すため、ステントやその他の外科用インプラントの製造にも広く使用されています。[14]整形外科用インプラントに使用される合金の組成は、業界標準ASTM -F75に記載されており、主にコバルト、クロム27～30％、モリブデン5～7％、その他の重要な元素の上限として、マンガンとシリコンがそれぞれ1％未満、鉄が0.75 ％未満、ニッケルが0.5％未満、炭素、窒素、タングステン、リン、硫黄、ホウ素などがごく微量含まれています。[1]
コバルト-クロム-モリブデン (CoCrMo) のほかに、コバルト-ニッケル-クロム-モリブデン (CoNiCrMo) もインプラントに使用されています。[引用が必要] CoNiCr 合金から放出される Ni イオンの毒性の可能性と、摩擦特性の限界は、これらの合金を関節部品として使用する際の懸念事項です。そのため、CoCrMo は通常、全関節形成術で主に使用されている合金です。[引用が必要]
歯科補綴
Co-Cr合金義歯と鋳造部分義歯は、金合金に比べてコストが低く密度が低いため、1929年以来広く製造されてきました。しかし、Co-Cr合金は、歯科補綴物にとって重要な要素である弾性率と繰返し疲労耐性が高くなる傾向があります。[15]この合金は、歯科部分義歯の金属フレームワークとして一般的に使用されています。この目的でよく知られているブランドはVitalliumです。
業界
Co-Cr合金（例：ステライト）は、耐腐食性や耐摩耗性などの機械的特性により、風力タービン、エンジン部品、その他多くの耐摩耗性が求められる産業用/機械部品の製造に使用されています。[3]
Co-Cr 合金は、ファッション業界ではジュエリー、特に結婚指輪を作るために非常によく使用されています。
危険
Co-Cr合金の工具や義肢から放出された金属は、アレルギー反応や皮膚湿疹を引き起こす可能性があります。 [ 16]ニッケルは人体で最も一般的な金属感作物質であるため、ニッケルの質量パーセントが高いCo-Cr合金を含む義肢や医療機器は、生体適合性が低いため使用を避ける必要があります。[12]
参照
参考文献
- ^ ab ARCAM ASTM F75 CoCr 合金 2011-07-07 にWayback Machineでアーカイブ
- ^ ヘインズ、E. 金属合金。米国特許番号873745; 1907年。
- ^ abcd Ratner, BD; Hoffman, AS; Schoen, FJ; Lemons, JE Biomaterial Science、第2版、Academic Press、1996年。
- ^ abcde Hyslop, DJS; Abdelkader, AM; Cox, A.; Fray, DJ 生体医学的に重要なCo-Cr合金の電気化学的合成。Acta Materialia . 2010, 58, 3124-3130.
- ^ Tarzia, V.; Bottio, T.; Testolin, L.; Gerosa, G. 僧帽弁位における Starr-Edwards プロテーゼの長期（31 年）耐久性Interactive CardioVasc Thorac Surg. 2007, 6, 570-571.
- ^ Bettini, E.; Leygraf, C.; Pan, J. CoCrMo合金の電流増加の性質：「不動態化」溶解と水による酸化。Int . J. Electrochem. Sci. 2013, 8, 11791-11804。
- ^ Elements、American。「コバルトクロム合金」。American Elements 。2023年8月18日閲覧。
- ^ Zimmermann, J.; Ciacchi, LC CoCr合金表面における選択的Cr酸化の起源。J . Pjus. Chem. Lett. 2010, 1, 2343-2348。
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