コバルトクロム
WorkNC Dentalを使用して製造された歯科用ブリッジとクラウンを備えたコバルトクロムディスク

コバルトクロム（CoCr）は、コバルトとクロムの合金です。コバルトクロムは非常に高い比強度を有し、ガスタービン、歯科インプラント、整形外科用インプラントなどに広く使用されています。[ 1 ]

歴史

Co-Cr合金は、1900年代初頭にエルウッド・ヘインズによってコバルトとクロムを溶融することで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、他の多くの元素を含む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性があり、沸騰硝酸にさらしても目に見える変色を示さないと報告しました。[ 2 ]ステライトという名称で、Co-Cr合金は航空宇宙産業、[ 3 ]刃物、軸受、刃物 など、高い耐摩耗性が求められる様々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器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ました。この弁は30年以上も持続し、高い耐摩耗性を示しました[ 5 ] 。近年では、優れた耐性、生体適合性、高い融点、そして高温での驚異的な強度により、Co-Cr合金は股関節や膝関節を含む多くの人工関節、歯科部分ブリッジ、ガスタービンなど、多くの用途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、酸化コバルト鉱石と酸化クロム鉱石からコバルトとクロムを抽出する必要があります。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ります。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ます。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ます。[ 4 ]高温での金属の化学反応性のため、金属による酸素の吸収を防ぐために、プロセスには真空状態または不活性雰囲気が必要です。 ASTM F75 の Co-Cr-Mo 合金は、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ます。[ 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。2010年、ケンブリッジ大学の科学者たちは、酸化物前駆体カソードを溶融塩化物電解質中で還元する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を用いて、この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からな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で幅広く応用されていることからもわかるように、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によるもので、Co-Cr 合金の硬度が大幅に向上します。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、熱処理すると引張強度と疲労強度が劇的に増加します。 [ 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。この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

Co-Cr合金は様々な分野で広く生産・使用されている。ASTM F75、ASTM F799、ASTM F1537はCo-Cr-Mo合金であり、組成は非常に類似しているものの、製造工程が若干異なる。ASTM F90はCo-Cr-W-Ni合金であり、ASTM F562はCo-Ni-Cr-Mo-Ti合金である。[ 3 ]

構造

コバルトまたはクロムの組成率と温度によって、Co-Cr合金は異なる構造を示す。合金が約60～75%のクロムを含むσ相は脆く、破壊しやすい傾向がある。FCC結晶構造はγ相に見られ、γ相はσ相に比べて強度と延性が向上する。FCC結晶構造はコバルトを多く含む合金によく見られるが、クロムを多く含む合金はBCC結晶構造をとる傾向がある。γ相のCo-Cr合金は高圧下でε相に変化し、HCP結晶構造を示す。[ 12 ]

用途

ジュエリー作り

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るため、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に記載されています。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0.75％未満、ニッケル0.5％未満、および炭素、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）に加え、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。CoNiCr合金から溶出する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上で懸念事項です。そのため、人工関節全置換術では、通常、CoCrMoが主流の合金となっています。

歯科補綴

Co-Cr 部分入れ歯。

コバルトクロム合金製の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、コバルトクロム合金は弾性率と繰返し疲労耐性に優れている傾向があり、これらは歯科補綴物にとって重要な要素です。[ 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広く使用されています。この用途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が高いため、風力タービン、エンジン部品、その他高い耐摩耗性が求められる多くの産業用/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もジュエリー、特に結婚指輪を作るためによく使われています。

危険

Co-Cr合金製の工具や義肢から放出される金属は、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

  1. ^ a b ARCAM ASTM F75 CoCr合金Archived 2011-07-07 at the Wayback Machine
  2. ^ヘインズ、E. 金属合金。米国特許第873745号、1907年。
  3. ^ a b c d Ratner, BD; Hoffman, AS; Schoen, FJ; Lemons, JE Biomaterial Science、第2版、Academic Press、1996年。
  4. ^ a b c d e 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.
  5. ^ Tarzia, V.; Bottio, T.; Testolin, L.; Gerosa, G. 僧帽弁位におけるStarr-Edwards人工心臓の耐久性（31年）の延長。Interactive CardioVasc Thorac Surg. 2007, 6, 570-571.
  6. ^ 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.
  7. ^ Elements, American. 「コバルトクロム合金」 . American Elements . 2023年8月18日閲覧。
  8. ^ 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.
  9. ^ Carek, A.; Babic, JZ; Schauperl, Z.; Tomislav, B. 金属ベースフレームワーク用Co-Cr合金の機械的特性. Int. J. Prosthodont. Restor. Dent. 2011, 1, 13-19.
  10. ^ Devine, TM; Wulff, J. 鋳造vs. 鍛造コバルトクロム外科用インプラント合金。J . Biomed. Mater. Res. 1975, 9, 151-167.
  11. ^ Longquan, S.; Northwood, D.; Cao, Z. バイオメディカル用鍛造コバルトクロム合金の特性. J. Mat. Sci. 1994, 29, 1233-1238.
  12. ^ a b c Lee, S.; Nomura, N.; Chiba, A. N添加とCr濃縮の組み合わせによるバイオメディカルCo-Cr-Mo合金の機械的特性の大幅な改善。Materials Transactions。2008年、2、260-264。
  13. ^ Hermawan, H.; Ramdan, D.; Djuansjah, JRP; 生体医学用途における金属．生体医学工学 ― 理論から応用まで． 2011年， 410-430ページ．
  14. ^ Kereiakes, DJ; Cox, DA; Hermiller, JB; Midei, MG; コバルトクロム冠動脈ステント合金の有用性. The Amer. J. Cardi. 2003, 92, 463-466.
  15. ^ Cheng, H.; Xu, M.; Zhang, H.; Wu, W.; Zheng, M.; Li, X. 部分取り外し可能歯科補綴物用コバルトクロム合金クラスプの繰返し疲労特性．J . Prosthetic Dent. 2010, 104, 389-396.
  16. ^ Kettelarij, JA; Liden, C.; Axen, E.; Julander, A. 歯科用器具および合金からのコバルト、ニッケル、およびクロムの放出。接触性皮膚炎。2014年、70、3-10頁。
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