JP2002338336A - Alumina ceramics product for sliding part and its manufacturing method - Google Patents

Alumina ceramics product for sliding part and its manufacturing method

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JP2002338336A
JP2002338336A JP2001146510A JP2001146510A JP2002338336A JP 2002338336 A JP2002338336 A JP 2002338336A JP 2001146510 A JP2001146510 A JP 2001146510A JP 2001146510 A JP2001146510 A JP 2001146510A JP 2002338336 A JP2002338336 A JP 2002338336A
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JP
Japan
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alumina
sintering
alumina ceramic
ceramic product
sliding part
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JP2001146510A
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Japanese (ja)
Inventor
Moriyoshi Kanamaru
守賀 金丸
Nobuhiro Hara
宣宏 原
Katsuhiko Maehara
克彦 前原
Tomiharu Matsushita
富春 松下
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To determine optimum alumina ceramics texture for obtaining favorable surface roughness and to establish manufacturing technique for embodying the texture in an alumina ceramics product for a sliding part. SOLUTION: The alumina ceramics product for the sliding part is characterized by that the product has >=99.9% purity, relative density of >=99%, maximum of maximum circumscribed circle diameter of alumina particles is <=5 μm and an average grain size thereof is <=1.4 μm in an observation visual field 20 of 20 μm×15 μm of a sintered compact when observed by using a scanning type electron microscope of 5,000 magnifications. The alumina ceramics product is manufactured by using alumina particles of single crystal as a raw material, adding MgO by <1000 ppm (0 ppm is not included) as a sintering assistant and sintering at 1250 to 1590 deg.C otherwise by using alumina particles of single crystal or polycrystal as the raw material, sintering at 1250 to 1590 deg.C and then subjecting to hot hydrostatic pressing sintering at 1200 to 1550 deg.C.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、均一微細で緻密な
摺動部用アルミナセラミックス製品に関し、更に詳しく
は人工関節などのインプラント材に用いられる摺動部用
アルミナセラミックス製品に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a uniform and fine alumina ceramic product for a sliding portion, and more particularly to an alumina ceramic product for a sliding portion used for implant materials such as artificial joints.

【0002】[0002]

【従来の技術】アルミナセラミックスは生体不活性な材
料である上、機械的強度、耐磨耗性に優れることから人
工関節や人工歯根といった医療用材料としての適用が進
んでいる。例えば、人工股関節では、アルミナ−超高分
子量ポリエチレンの組合せが磨耗しにくく、且つ欠陥も
生じにくいとされていることから、骨頭にアルミナセラ
ミックスが、臼蓋ソケット(寛骨側のカップ)に超高分
子量ポリエチレンが採用されている。
2. Description of the Related Art Alumina ceramics is a biologically inert material and is excellent in mechanical strength and abrasion resistance, so that it has been applied to medical materials such as artificial joints and artificial tooth roots. For example, in a hip prosthesis, the alumina-ultrahigh molecular weight polyethylene combination is considered to be less likely to wear and less likely to cause defects. High molecular weight polyethylene is employed.

【0003】しかし、このような「アルミナセラミック
ス骨頭/超高分子量ポリエチレン臼蓋ソケット」からな
る人工股関節であっても、実際にはポリエチレンの臼蓋
ソケットが歩行の度にアルミナセラミックス骨頭と摺動
することで磨耗減少してしまう。そして、磨耗に伴って
発生するポリエチレンの磨耗粉が人工股関節近傍の組織
内に蓄積され、骨吸収を引き起こして人工股関節と骨と
の間のルーズニングの原因となる。
However, even with such an artificial hip joint composed of "alumina ceramics head / ultrahigh molecular weight polyethylene acetabular socket", the polyethylene acetabular socket actually slides on the alumina ceramics head every time walking. This will reduce wear. And, abrasion powder of polyethylene generated by abrasion accumulates in the tissue in the vicinity of the artificial hip joint, causing bone resorption to cause loosening between the artificial hip joint and the bone.

【0004】この問題を解決するためには、アルミナセ
ラミックス骨頭の表面を鏡面化させることが有効であ
る。また、最近では臼蓋ソケット側にもアルミナセラミ
ックスを適用する動きもあるが、この場合もアルミナセ
ラミックス骨頭および臼蓋ソケットの体内での磨耗を低
減させるために、骨頭/臼蓋ソケット摺動部位の表面粗
さを極力小さくすることが重要である。現在の技術レベ
ルでは、アルミナセラミックス骨頭表面、およびアルミ
ナセラミックス臼蓋ソケット内面の表面粗さが0.01
μmRa近くに達している。
In order to solve this problem, it is effective to make the surface of the head of the alumina ceramic mirror-mirror. In recent years, there has been a movement to apply alumina ceramic to the acetabular socket side, but also in this case, in order to reduce abrasion of the alumina ceramic bone head and the acetabular socket inside the body, the sliding portion of the head / acetabular socket slides. It is important to minimize the surface roughness. At the current technology level, the surface roughness of the alumina ceramic bone head surface and the inner surface of the alumina ceramic acetabular socket is 0.01
It has reached near μmRa.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、アルミ
ナセラミックス骨頭表面およびアルミナセラミックス臼
蓋ソケット内面の鏡面加工技術に関して鋭意研究をした
結果、加工傷の除去と同時に、加工中のアルミナ粒子の
脱落防止も表面粗さ向上の重要な因子であることを見出
した。即ち、従来の医療用アルミナセラミックスでは2
0μm×15μmの観察視野20視野程度で観察される
アルミナ粒子の中に、平均粒径としては1μm程度なが
ら、最大外接円直径が5μm以上にも及ぶものが含まれ
ており、このようなアルミナセラミックスでは、いくら
鏡面研磨しても大きな粒子を起点に粒子脱落が生じ、表
面粗さが改善されない。
SUMMARY OF THE INVENTION The inventors of the present invention have made intensive studies on the mirror surface finishing technology of the surface of the head of the alumina ceramic and the inner surface of the acetabular socket of the alumina ceramic. It has been found that dropout prevention is also an important factor in improving the surface roughness. That is, in the conventional medical alumina ceramics, 2
Among the alumina particles observed in a visual field of about 20 μm × 15 μm, those having an average particle diameter of about 1 μm and a maximum circumscribed circle diameter of 5 μm or more are included. However, no matter how much the mirror polishing is performed, particles fall off starting from large particles, and the surface roughness is not improved.

【0006】本発明は上記事情に着目してなされたもの
であり、良好な表面粗さを得るための最適アルミナセラ
ミックス組織の決定と、その組織を具現化するための製
造技術の確立を目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to determine an optimal alumina ceramic structure for obtaining good surface roughness and to establish a manufacturing technique for realizing the structure. I do.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し得た本
発明に係る摺動部用アルミナセラミックス製品は、純度
99.9%以上で、相対密度が99%以上であり、且つ
走査型電子顕微鏡を用いて5000倍で観察した焼結体
の20μm×15μmの観察視野20視野におけるアル
ミナ粒子の最大外接円直径の最大値が5μm以下で、平
均粒径が1.4μm以下であるところに要旨を有するも
のである。
The alumina ceramic product for a sliding portion according to the present invention which has solved the above-mentioned problems has a purity of 99.9% or more, a relative density of 99% or more, and a scanning type electronic device. The maximum value of the maximum circumscribed circle diameter of the alumina particles in the 20 visual field of 20 μm × 15 μm of the sintered body observed at 5,000 times using a microscope is 5 μm or less, and the average particle diameter is 1.4 μm or less. It has.

【0008】本発明の摺動部用アルミナセラミックス製
品は、荷重を受ける摺動部、具体的には人工関節の骨頭
や臼蓋ソケット、特に人工股関節の骨頭や臼蓋ソケット
に好ましく用いられるものである。
The alumina ceramic product for a sliding portion of the present invention is preferably used for a sliding portion which receives a load, specifically, an artificial joint head and an acetabular socket, particularly a hip joint and an acetabular socket of an artificial hip joint. is there.

【0009】また、本発明の摺動部用アルミナセラミッ
クス製品は、単結晶のアルミナ粒子を原料とし、焼結助
剤としてMgOを1000ppm未満(0ppmを含ま
ない)添加し、1250〜1590℃で焼結することに
よって、または、単結晶若しくは多結晶のアルミナ粒子
を原料とし、1250〜1590℃で焼結し、次いで1
200〜1550℃で熱間静水圧加圧焼結(HIP焼
結)することによって製造し得る。なお、本発明の摺動
部用アルミナセラミックス製品が人工関節や人工股関節
の骨頭または臼蓋ソケットに使用される場合は、HIP
焼結なしに製造する場合、HIP焼結で製造する場合を
問わず、単結晶のアルミナ粒子を原料とすることが好ま
しい。
The alumina ceramic product for a sliding portion of the present invention is prepared by using single crystal alumina particles as a raw material, adding less than 1000 ppm (not including 0 ppm) of MgO as a sintering aid, and firing at 1250-1590 ° C. By sintering, or using single crystal or polycrystalline alumina particles as a raw material and sintering at 1250 to 1590 ° C.
It can be manufactured by hot isostatic pressing (HIP sintering) at 200 to 1550 ° C. When the alumina ceramic product for a sliding portion of the present invention is used for an artificial joint or a hip joint or an acetabular socket of an artificial hip joint, HIP is used.
In the case of manufacturing without sintering, it is preferable to use single crystal alumina particles as a raw material regardless of the case of manufacturing by HIP sintering.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】従来、鏡面研磨時のアルミナ粒子
の脱落は、加工条件のみと関係があるものと考えられて
いた。しかし、本発明者らは、アルミナ粒子の脱落とア
ルミナセラミックス組織との関係について検討した結
果、焼結体中のアルミナ粒子の最大外接円直径の最大値
と平均粒径を特定の範囲に制御した場合に、アルミナ粒
子の脱落が極めて生じにくくなることを見出し、本発明
を完成するに至ったのである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Conventionally, it has been considered that the detachment of alumina particles during mirror polishing is related only to processing conditions. However, the present inventors studied the relationship between the alumina particles falling off and the alumina ceramic structure, and as a result, controlled the maximum value and the average particle diameter of the maximum circumscribed circle diameter of the alumina particles in the sintered body to a specific range. In such a case, it was found that falling off of alumina particles was extremely unlikely to occur, and the present invention was completed.

【0011】本発明の摺動部用アルミナセラミックス製
品(以下、単に「アルミナセラミックス製品」と称す)
は、走査型電子顕微鏡を用いて5000倍で観察した焼
結体の20μm×15μmの観察視野20視野における
アルミナ粒子の最大外接円直径の最大値が5μm以下、
好ましくは3μm以下であり、平均粒径が1.4μm以
下、好ましくは1.3μm以下、更に好ましくは1.2
μm以下である。最大外接円直径の最大値、あるいは平
均粒径が上記範囲を超えると、粒子脱落が頻繁に生じて
しまい、良好な表面粗さを達成することができない。
Alumina ceramic product for a sliding portion of the present invention (hereinafter simply referred to as "alumina ceramic product")
The maximum value of the maximum circumscribed circle diameter of the alumina particles in 20 visual fields of 20 μm × 15 μm of the sintered body observed at 5000 times using a scanning electron microscope is 5 μm or less,
Preferably it is 3 μm or less, and the average particle size is 1.4 μm or less, preferably 1.3 μm or less, more preferably 1.2 μm or less.
μm or less. If the maximum value of the maximum circumscribed circle diameter or the average particle diameter exceeds the above range, particles are frequently dropped, and good surface roughness cannot be achieved.

【0012】また、本発明のアルミナセラミックス製品
はその相対密度が99%以上であることが必要である。
アルミナの理論密度は3.98g/cm3であるが、相
対密度が99%を下回るものは、もともとその組織中に
空隙が存在しているため、表面粗さが向上しない。
The alumina ceramic product of the present invention must have a relative density of at least 99%.
Although the theoretical density of alumina is 3.98 g / cm 3 , the one having a relative density of less than 99% does not improve the surface roughness because voids are originally present in the structure.

【0013】このような本発明のアルミナセラミックス
製品は極めて良好な表面粗さを有するため、荷重を受け
る摺動部、具体的には人工関節の骨頭や臼蓋ソケット、
特に人工股関節の骨頭や臼蓋ソケットに用いた場合であ
っても、摺動による磨耗粉の発生の極めて少ない、良好
な製品である。
Since the alumina ceramic product of the present invention has an extremely good surface roughness, the sliding portion which receives a load, specifically, a head of an artificial joint, an acetabular socket,
In particular, even when used for a head of an artificial hip joint or an acetabular socket, it is a good product with very little generation of abrasion powder due to sliding.

【0014】次に、本発明のアルミナセラミックス製品
の製造方法について説明する。本発明のアルミナセラミ
ックス製品は、次の二通りの方法によって製造すること
ができる。
Next, a method for producing the alumina ceramic product of the present invention will be described. The alumina ceramic product of the present invention can be manufactured by the following two methods.

【0015】まず第1には、単結晶のアルミナ粒子を原
料とし、焼結助剤としてMgOを用いて、常圧焼結する
ことにより製造される。
First, it is produced by sintering under normal pressure using single crystal alumina particles as a raw material and MgO as a sintering aid.

【0016】第1の製造方法において、単結晶のアルミ
ナ粒子を原料として用いるのは、原料が多結晶のアルミ
ナ粒子では、所望の微細組織と99%以上の相対密度を
同時に得ることができないからである。また、その粒径
は0.1〜0.2μmが好ましい。なお、単結晶のアル
ミナ粒子は、化学蒸着法(CVD法)などによって得る
ことができる。
In the first production method, the reason why the single crystal alumina particles are used as the raw material is that the desired fine structure and the relative density of 99% or more cannot be obtained simultaneously with the polycrystalline alumina particles as the raw material. is there. Further, the particle size is preferably from 0.1 to 0.2 μm. Note that single-crystal alumina particles can be obtained by a chemical vapor deposition method (CVD method) or the like.

【0017】また、第1の製造方法では、所望の微細組
織と99%以上の相対密度を同時に達成するために、焼
結助剤としてMgOを1000ppm未満(0ppmを
含まない)添加する必要がある。MgOの添加量は3p
pm以上、好ましくは5ppm以上で添加の効果が顕著
となる。また、MgOの添加量が1000ppmを超え
ると医療材料用アルミナセラミックスとして適さなくな
る。より好ましくは500ppm以下である。
In the first manufacturing method, it is necessary to add less than 1000 ppm (not including 0 ppm) of MgO as a sintering aid in order to simultaneously achieve a desired microstructure and a relative density of 99% or more. . The addition amount of MgO is 3p
At pm or more, preferably 5 ppm or more, the effect of the addition becomes remarkable. On the other hand, if the added amount of MgO exceeds 1000 ppm, it is not suitable as alumina ceramics for medical materials. More preferably, it is 500 ppm or less.

【0018】第1の製造方法では、まず、上記の単結晶
アルミナ粉末とMgOを混合し、これにバインダーを
0.1〜2質量%加える。バインダーにはヒドロキシプ
ロピルセルロース、ポリビニルアルコール、アクリル系
などの有機溶剤を用いることができる。更に溶媒として
水を加える。また、必要に応じて、分散剤としてポリカ
ルボン酸アンモニウムなどを0.1〜0.5質量%加え
る。
In the first production method, first, the above-mentioned single-crystal alumina powder and MgO are mixed, and a binder is added to the mixture at 0.1 to 2% by mass. As the binder, an organic solvent such as hydroxypropylcellulose, polyvinyl alcohol, and acrylic can be used. Further, water is added as a solvent. If necessary, 0.1 to 0.5% by mass of a polycarboxylic acid ammonium or the like is added as a dispersant.

【0019】上記のアルミナ粉末、MgO、バインダー
などを混合してスラリーを調製するのであるが、このと
きのスラリーの濃度は40〜80質量%とするのが好ま
しい。また、これらを混合させる方法は特に限定される
ことなく、通常の方法が採用される。なお、スラリーが
発泡していれば、消泡剤を少量添加することが推奨され
る。
The slurry is prepared by mixing the above-mentioned alumina powder, MgO, binder and the like, and the concentration of the slurry at this time is preferably 40 to 80% by mass. The method for mixing them is not particularly limited, and a usual method is adopted. If the slurry is foaming, it is recommended to add a small amount of an antifoaming agent.

【0020】上記のスラリーをスプレードライヤーで造
粒乾燥し、焼結助剤を含有する二次粒子とする。造粒乾
燥時のスプレードライヤーの条件は、顆粒を急激に乾燥
するとバインダーが表面に濃化するため、熱風温度を溶
媒の沸点より若干高い80〜150℃程度とすることが
推奨される。
The above slurry is granulated and dried with a spray drier to obtain secondary particles containing a sintering aid. As for the conditions of the spray dryer at the time of granulation drying, it is recommended that the hot air temperature be set to about 80 to 150 ° C., which is slightly higher than the boiling point of the solvent, because the binder is concentrated on the surface when the granules are rapidly dried.

【0021】次いで、上記の焼結助剤含有アルミナ二次
粒子を所望の形状に成形する。このときの成形方法は特
に限定されるものではないが、静水圧プレス法、射出成
形法、一軸成形法などを適用することができる。かかる
成形後に機械加工によって更に成形しても良いし、ある
いは単純なフロック状に成形しておき、その後に機械加
工によって所望の形状に成形しても良い。
Next, the alumina secondary particles containing the sintering aid are formed into a desired shape. The molding method at this time is not particularly limited, but an isostatic pressing method, an injection molding method, a uniaxial molding method, or the like can be applied. After such forming, it may be further formed by machining, or may be formed into a simple floc shape and then formed into a desired shape by machining.

【0022】次いで、上記の成形体を焼結する。焼結温
度の下限は1250℃以上が好ましく、1350℃以上
が更に好ましく、1450℃以上が特に好ましい。ま
た、その上限は、1590℃以下が好ましく、1550
℃以下が更に好ましい。焼結温度が上記範囲を下回ると
焼結体の密度が十分に上がらず、上記範囲を超えると結
晶粒の成長が著しく進んで強度が低下する。焼結時間
は、量や形状にもよるが、大抵の場合は0.5〜4時間
程度で十分であり、この時間を長くしても却って結晶粒
の成長が進んでしまうことになる。なお、焼結時の雰囲
気は空気中で良い。
Next, the above compact is sintered. The lower limit of the sintering temperature is preferably 1250 ° C or higher, more preferably 1350 ° C or higher, and particularly preferably 1450 ° C or higher. Further, the upper limit is preferably 1590 ° C. or less, and 1550 ° C.
C. or lower is more preferable. When the sintering temperature is lower than the above range, the density of the sintered body does not sufficiently increase, and when the sintering temperature is higher than the above range, the growth of crystal grains remarkably proceeds and the strength decreases. The sintering time depends on the amount and shape, but in most cases, about 0.5 to 4 hours is sufficient. Even if this time is extended, the growth of crystal grains will rather proceed. The atmosphere during sintering may be air.

【0023】第2の製造方法では、第1の製造方法と同
じ手順で焼結して得られた常圧焼結体をHIP焼結す
る。この場合、原料となるアルミナは単結晶であって
も、多結晶であっても差し支えない。多結晶アルミナで
あっても、HIP焼結を行うことで所望の微細組織と9
9%以上の相対密度とを達成することができるからであ
る。その粒径は、単結晶、多結晶のいずれの場合も0.
1〜0.2μmが好ましい。また、焼結助剤であるMg
Oを添加する必要はないが、添加しても差し支えない。
添加する場合は、第1の製造方法と同じ添加量が推奨さ
れる。
In the second manufacturing method, the normal pressure sintered body obtained by sintering in the same procedure as in the first manufacturing method is HIP-sintered. In this case, the raw material alumina may be a single crystal or a polycrystal. Even in the case of polycrystalline alumina, the desired microstructure and 9
This is because a relative density of 9% or more can be achieved. The particle size is 0.1 in both cases of single crystal and polycrystal.
1 to 0.2 μm is preferred. In addition, Mg as a sintering aid
It is not necessary to add O, but it can be added.
When adding, the same addition amount as in the first production method is recommended.

【0024】HIP焼結時には、常圧焼結体を、例えば
アルミナ、ジルコニア、チタニアなどの耐火物粉末中に
埋め込むと共に、アルゴン、窒素などの不活性ガス加圧
雰囲気中で焼結を行う。但し、上記雰囲気が達成される
のであれば必ずしも常圧焼結体を上記の耐火物粉末中に
埋め込む必要はない。
At the time of HIP sintering, the normal pressure sintered body is embedded in a refractory powder such as alumina, zirconia, titania and the like, and is sintered in a pressurized atmosphere of an inert gas such as argon or nitrogen. However, as long as the above atmosphere is achieved, it is not always necessary to embed the normal pressure sintered body in the refractory powder.

【0025】HIP焼結の焼結温度の下限は1200℃
以上が好ましく、1300℃以上が更に好ましく、14
00℃以上が特に好ましい。また、その上限は1550
℃以下が好ましく、1500℃以下が更に好ましい。焼
結温度が上記範囲を下回ると焼結体の緻密化が十分に達
成されず、上記範囲を超えると緻密化は進むが結晶が粗
大化して所望の微細組織が得られない。また、HIP焼
結時の圧力は50.7〜203MPa(500〜200
0atm)が好ましい。圧力が上記範囲を下回ると緻密
化のための加圧効果が不十分であり、上記範囲を超えて
も加圧の効果はそれほど得られず、却って装置のコスト
が上がることになる。なお、焼結時間は試料の大きさに
もよるが、人工関節の大きさ程度であれば通常1〜2時
間で十分である。
The lower limit of the sintering temperature of HIP sintering is 1200 ° C.
Or higher, more preferably 1300 ° C. or higher, and 14
A temperature of at least 00 ° C. is particularly preferred. The upper limit is 1550
C. or lower, and more preferably 1500 C. or lower. If the sintering temperature is lower than the above range, the densification of the sintered body cannot be sufficiently achieved. If the sintering temperature exceeds the above range, the densification proceeds but the crystal becomes coarse and a desired fine structure cannot be obtained. The pressure during HIP sintering is 50.7 to 203 MPa (500 to 200 MPa).
0 atm) is preferred. If the pressure is lower than the above range, the pressurizing effect for densification is insufficient, and if the pressure exceeds the above range, the effect of pressurization is not so much obtained, and the cost of the apparatus is rather increased. The sintering time depends on the size of the sample, but usually 1 to 2 hours is sufficient if it is about the size of the artificial joint.

【0026】[0026]

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べ
る。但し、下記実施例は本発明を制限するものではな
く、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施するこ
とは全て本発明の技術的範囲に包含される。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail based on embodiments. However, the following embodiments do not limit the present invention, and all changes and implementations without departing from the spirit of the preceding and following embodiments are included in the technical scope of the present invention.

【0027】表1〜3に示すアルミナ粒子を原料とし、
これに表1〜3に示す量のMgO、更には成形用アクリ
ル系バインダーを1質量%、および分散剤ステアリン酸
アンモニウムを0.3質量%加え、溶媒に水を用いて、
溶質の濃度を60質量%とした。これらの原料をボール
ミルによって20時間湿式混合してスラリーとした。
Using alumina particles shown in Tables 1 to 3 as raw materials,
To this, MgO in the amounts shown in Tables 1 to 3, 1% by mass of an acrylic binder for molding, and 0.3% by mass of a dispersant ammonium stearate were added, and water was used as a solvent.
The solute concentration was 60% by mass. These materials were wet-mixed with a ball mill for 20 hours to form a slurry.

【0028】このスラリーをスプレードライヤーを用い
て乾燥し、平均粒径:約100μmのアルミナ二次粒子
を得た。
The slurry was dried using a spray drier to obtain alumina secondary particles having an average particle size of about 100 μm.

【0029】得られたアルミナ二次粒子を冷間静水圧加
圧で147MPa(1.5t/cm 2)の圧力で成形
し、これを表1に示す温度で2時間常圧焼結してアルミ
ナセラミックス製品を得た。得られたアルミナセラミッ
クス製品の純度はいずれも99.9%であった。
The obtained alumina secondary particles are cold isostatically pressed.
147MPa at pressure (1.5t / cm Two) Pressure
And sintering them at the temperature shown in Table 1 under normal pressure for 2 hours.
A ceramic product was obtained. The obtained alumina ceramic
The purity of all the box products was 99.9%.

【0030】HIP焼結による場合は、上記のアルミナ
二次粒子成形体を表2および3に示す温度で2時間常圧
焼結し、更にこの焼結体を表2および3に示す温度で、
圧力:152MPa(1500atm)のAr雰囲気中
で2時間HIP焼結してアルミナセラミックス製品を得
た。得られたアルミナセラミックス製品の純度はいずれ
も99.9%であった。
In the case of HIP sintering, the above-mentioned alumina secondary particle compact was sintered under normal pressure at the temperatures shown in Tables 2 and 3 for 2 hours.
The alumina ceramics product was obtained by performing HIP sintering for 2 hours in an Ar atmosphere at a pressure of 152 MPa (1500 atm). The purity of each of the obtained alumina ceramic products was 99.9%.

【0031】これらのアルミナセラミックス製品を鏡面
研磨、サーマルエッチングし、走査型電子顕微鏡(SE
M)「日立製作所製、S−4000」により、その表面
の5000倍の写真を撮影した。このSEM写真から画
像解析ソフト「MEDIACYBERNETICS製、
Image−Pro PLUS」を用いて20μm×1
5μmの観察視野20視野における焼結体中の各アルミ
ナ粒子の最大外接円直径および平均粒径を求め、これら
から、最大外接円直径については上記観察視野中のアル
ミナ粒子の最大値を、平均粒径については同じく上記観
察視野中のアルミナ粒子の平均値を夫々求めた。また、
得られたアルミナセラミックス製品の密度はアルキメデ
ス法により求めた。
These alumina ceramic products are mirror-polished and thermally etched, and are then subjected to a scanning electron microscope (SE).
M) A photograph of the surface was taken at a magnification of 5000 times using "S-4000 manufactured by Hitachi, Ltd." From this SEM photograph, image analysis software "MEDIACYBERNETICS,
20 μm × 1 using “Image-Pro PLUS”
The maximum circumscribed circle diameter and the average particle diameter of each alumina particle in the sintered body in the 20 visual fields of 5 μm were determined. From these, the maximum value of the alumina particles in the above observation field was determined for the maximum circumscribed circle diameter. With respect to the diameter, the average value of the alumina particles in the observation visual field was similarly obtained. Also,
The density of the obtained alumina ceramics product was determined by the Archimedes method.

【0032】常圧焼結のみにより得られたアルミナセラ
ミックス製品の結果を表1に示す。
Table 1 shows the results of the alumina ceramics product obtained only by normal pressure sintering.

【0033】[0033]

【表1】 [Table 1]

【0034】まず、No.6〜8,11〜13,16〜
18のアルミナセラミックス製品は本発明の要件を満足
する実施例である。
First, No. 6-8, 11-13, 16-
The alumina ceramic product of No. 18 is an example satisfying the requirements of the present invention.

【0035】これに対し、No.1〜5,9,10,1
4,15,19〜40のアルミナセラミックス製品は本
発明の要件を満足しない比較例であり、表1に示す不具
合を有している。
On the other hand, no. 1-5,9,10,1
4, 15, 19 to 40 alumina ceramic products are comparative examples that do not satisfy the requirements of the present invention, and have the problems shown in Table 1.

【0036】No.1〜3はMgOの添加量が0ppm
の例であり、相対密度が低下している。
No. 1 to 3 have 0 ppm of MgO added
And the relative density is reduced.

【0037】No.4,5はMgOの添加量が0ppm
であると共に、焼結温度が本発明の上限値を超える例で
あり、焼結体中のアルミナ粒子の最大外接円直径および
平均粒径が増大している。
No. 4 and 5 have 0 ppm of MgO added.
In addition, the sintering temperature exceeds the upper limit of the present invention, and the maximum circumscribed circle diameter and the average particle diameter of the alumina particles in the sintered body are increased.

【0038】No.9,10,14,15,19,20
はいずれも焼結温度が本発明の上限値を超える例であ
り、焼結体中のアルミナ粒子の最大外接円直径および平
均粒径が増大している。
No. 9,10,14,15,19,20
Are examples in which the sintering temperature exceeds the upper limit of the present invention, and the maximum circumscribed circle diameter and the average particle diameter of the alumina particles in the sintered body are increased.

【0039】No.21〜23は原料に多結晶のアルミ
ナ粒子を用いると共に、MgOの添加量が0ppmの例
であり、いずれも相対密度が低下しており、更にNo.
23では焼結体中のアルミナ粒子の最大外接円直径およ
び平均粒径が増大している。
No. Nos. 21 to 23 are examples in which polycrystalline alumina particles are used as a raw material and the amount of MgO added is 0 ppm.
In No. 23, the maximum circumscribed circle diameter and the average particle diameter of the alumina particles in the sintered body are increased.

【0040】No.24,25は原料に多結晶のアルミ
ナ粒子を用い、MgOの添加量が0ppmであり、かつ
焼結温度が本発明の上限値を超える例であり、焼結体中
のアルミナ粒子の最大外接円直径および平均粒径が増大
している。
No. Examples 24 and 25 are examples in which polycrystalline alumina particles are used as a raw material, the amount of MgO added is 0 ppm, and the sintering temperature exceeds the upper limit of the present invention. The diameter and average particle size are increasing.

【0041】No.26〜28は原料に多結晶のアルミ
ナ粒子を用いた例であり、いずれも相対密度が低下して
おり、更にNo.27では焼結体中のアルミナ粒子の最
大外接円直径が、No.28では最大外接円直径および
平均粒径が増大している。
No. Nos. 26 to 28 are examples in which polycrystalline alumina particles were used as raw materials, and the relative densities of all were low. In No. 27, the maximum circumscribed circle diameter of the alumina particles in the sintered body was no. In No. 28, the maximum circumscribed circle diameter and the average particle diameter are increased.

【0042】No.29,30は原料に多結晶のアルミ
ナ粒子を用いると共に、焼結温度が本発明の上限値を超
える例であり、焼結体中のアルミナ粒子の最大外接円直
径および平均粒径が増大している。
No. Nos. 29 and 30 are examples in which polycrystalline alumina particles are used as the raw material and the sintering temperature exceeds the upper limit of the present invention, and the maximum circumscribed circle diameter and average particle diameter of the alumina particles in the sintered body are increased. I have.

【0043】No.31〜33は原料に多結晶のアルミ
ナ粒子を用いた例であり、No.31では相対密度が低
下しており、No.32では焼結体中のアルミナ粒子の
最大外接円直径が、No.33では最大外接円直径およ
び平均粒径が増大している。
No. Nos. 31 to 33 are examples using polycrystalline alumina particles as a raw material. In No. 31, the relative density decreased. In No. 32, the maximum circumscribed circle diameter of the alumina particles in the sintered body was no. In No. 33, the maximum circumscribed circle diameter and the average particle diameter are increased.

【0044】No.34,35は原料に多結晶のアルミ
ナ粒子を用いると共に、焼結温度が本発明の上限値を超
える例であり、焼結体中のアルミナ粒子の最大外接円直
径および平均粒径が増大している。
No. 34 and 35 are examples in which polycrystalline alumina particles are used as a raw material and the sintering temperature exceeds the upper limit of the present invention, and the maximum circumscribed circle diameter and average particle diameter of the alumina particles in the sintered body increase. I have.

【0045】No.36〜38は原料に多結晶のアルミ
ナ粒子を用いた例であり、No.36では相対密度が低
下しており、No.37では焼結体中のアルミナ粒子の
最大外接円直径が、No.38では最大外接円直径およ
び平均粒径が増大している。
No. Nos. 36 to 38 are examples using polycrystalline alumina particles as raw materials. In No. 36, the relative density decreased. In No. 37, the maximum circumscribed circle diameter of the alumina particles in the sintered body was No. In No. 38, the maximum circumscribed circle diameter and the average particle diameter are increased.

【0046】No.39,40は原料に多結晶のアルミ
ナ粒子を用いると共に、焼結温度が本発明の上限値を超
える例であり、焼結体中のアルミナ粒子の最大外接円直
径および平均粒径が増大している。
No. 39 and 40 are examples in which polycrystalline alumina particles are used as a raw material and the sintering temperature exceeds the upper limit of the present invention, and the maximum circumscribed circle diameter and average particle diameter of the alumina particles in the sintered body are increased. I have.

【0047】次に、HIP焼結により得られたアルミナ
セラミックス製品の結果を表2および表3に示す。
Next, the results of the alumina ceramics product obtained by the HIP sintering are shown in Tables 2 and 3.

【0048】[0048]

【表2】 [Table 2]

【0049】[0049]

【表3】 [Table 3]

【0050】表2のNo.41〜49,53〜61,6
5〜73,77〜85、および表3のNo.89〜9
1,93〜95,97〜99,101〜103のアルミ
ナセラミックス製品は本発明の要件を満足する実施例で
ある。
In Table 2, No. 41-49, 53-61, 6
Nos. 5 to 73, 77 to 85, and No. 5 in Table 3. 89-9
The alumina ceramic products of 1,93-95,97-99,101-103 are examples satisfying the requirements of the present invention.

【0051】これに対し、表2のNo.50〜52,6
2〜64,74〜76,86〜88、および表3のN
o.92,96,100,104のアルミナセラミック
ス製品はいずれもHIP焼結温度が本発明の上限値を超
える比較例であり、焼結体中のアルミナ粒子の最大外接
円直径および平均粒径が増大している。
On the other hand, in Table 2, 50-52,6
2 to 64, 74 to 76, 86 to 88, and N in Table 3
o. The alumina ceramic products of 92, 96, 100 and 104 are all comparative examples in which the HIP sintering temperature exceeds the upper limit of the present invention, and the maximum circumscribed circle diameter and average particle diameter of alumina particles in the sintered body are increased. ing.

【0052】また、表4に示す相対密度、最大外接円直
径および平均粒径を有するアルミナセラミックス製品に
ついて、#2000〜8000の砥石で研削した後、3
μmのダイヤモンドスラリーでラッピング加工した後の
表面粗さRaを測定した。0.01μmRa以下を合格
とした。結果を表4に示す。
Alumina ceramic products having the relative density, maximum circumscribed circle diameter and average particle diameter shown in Table 4 were ground with a # 2000-8000 grindstone,
The surface roughness Ra after lapping with a μm diamond slurry was measured. 0.01 μmRa or less was regarded as acceptable. Table 4 shows the results.

【0053】[0053]

【表4】 [Table 4]

【0054】表4のNo.105〜109のアルミナセ
ラミックス製品は本発明の要件を満足する実施例であ
り、良好な表面粗さを有している。
In Table 4, No. The alumina ceramic products of Nos. 105 to 109 are examples satisfying the requirements of the present invention and have good surface roughness.

【0055】これに対し、表4のNo.110のアルミ
ナセラミックス製品は相対密度が発明の下限値を下回る
比較例であり、No.111,112のアルミナセラミ
ックス製品は表面のアルミナ粒子の最大外接円直径が本
発明の上限値を超える比較例であるが、いずれも表面粗
さが向上していない。
On the other hand, in Table 4, No. No. 110 is a comparative example in which the relative density is lower than the lower limit of the invention. The alumina ceramic products 111 and 112 are comparative examples in which the maximum circumscribed circle diameter of alumina particles on the surface exceeds the upper limit of the present invention, but none of them has improved surface roughness.

【0056】[0056]

【発明の効果】本発明の摺動部用アルミナセラミックス
およびその製造方法は以上のように構成されており、製
品の相対密度、製品表面のアルミナ粒子の最大外接円直
径および平均粒径を特定することで、均一微細で緻密な
摺動部用アルミナセラミックス製品を提供し得るように
なった。本発明によれば、摺動部用アルミナセラミック
ス製品において、0.01μmRa以下といった極めて
良好な表面粗さが達成されるため、荷重を受ける摺動
部、具体的には人工関節の骨頭や臼蓋ソケット、特に人
工股関節の骨頭や臼蓋ソケットに用いた場合であって
も、摺動による磨耗粉の発生の極めて少ない、良好な製
品を提供することができる。
The alumina ceramic for a sliding portion and the method for producing the same according to the present invention are configured as described above, and specify the relative density of the product, the maximum circumscribed circle diameter and the average particle size of the alumina particles on the product surface. As a result, it has become possible to provide uniformly fine and dense alumina ceramic products for sliding parts. According to the present invention, in an alumina ceramic product for a sliding portion, an extremely good surface roughness of 0.01 μm Ra or less is achieved. Even when used for sockets, especially for head caps and acetabular sockets of artificial hip joints, it is possible to provide a good product with very little generation of wear powder due to sliding.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前原 克彦 神戸市中央区脇浜町1丁目3番18号 株式 会社神戸製鋼所神戸本社内 (72)発明者 松下 富春 神戸市中央区脇浜町1丁目3番18号 株式 会社神戸製鋼所神戸本社内 Fターム(参考) 4C097 AA03 AA05 AA06 BB01 CC01 DD06 MM04 SC03 SC05 4G030 AA07 AA36 BA18 BA35 CA04 GA01 GA11 GA15 GA27 GA29 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Katsuhiko Maehara, 1-3-1 Wakihamacho, Chuo-ku, Kobe Kobe Steel, Ltd. Kobe Head Office (72) Inventor Tomiharu Matsushita 1-chome, Wakihamacho, Chuo-ku, Kobe No. 3-18 Kobe Steel Ltd. Kobe Head Office F-term (reference) 4C097 AA03 AA05 AA06 BB01 CC01 DD06 MM04 SC03 SC05 4G030 AA07 AA36 BA18 BA35 CA04 GA01 GA11 GA15 GA27 GA29

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 純度99.9%以上で、相対密度が99
%以上であり、且つ走査型電子顕微鏡を用いて5000
倍で観察した焼結体の20μm×15μmの観察視野2
0視野におけるアルミナ粒子の最大外接円直径の最大値
が5μm以下で、平均粒径が1.4μm以下であること
を特徴とする摺動部用アルミナセラミックス製品。
(1) a purity of 99.9% or more and a relative density of 99%;
% Or more and 5,000 using a scanning electron microscope.
Observation field 2 of 20 μm × 15 μm of the sintered body observed at × 2
An alumina ceramic product for a sliding part, wherein the maximum value of the maximum circumscribed circle diameter of the alumina particles in 0 field of view is 5 μm or less, and the average particle diameter is 1.4 μm or less.
【請求項2】 荷重を受ける摺動部に用いられることを
特徴とする請求項1に記載の摺動部用アルミナセラミッ
クス製品。
2. The alumina ceramic product for a sliding portion according to claim 1, wherein the alumina ceramic product is used for a sliding portion receiving a load.
【請求項3】 人工関節の骨頭に用いられることを特徴
とする請求項1または2に記載の摺動部用アルミナセラ
ミックス製品。
3. The alumina ceramic product for a sliding part according to claim 1, which is used for a head of an artificial joint.
【請求項4】 人工股関節の骨頭に用いられることを特
徴とする請求項1または2に記載の摺動部用アルミナセ
ラミックス製品。
4. The alumina ceramic product for a sliding part according to claim 1, which is used for a head of an artificial hip joint.
【請求項5】 人工関節の臼蓋ソケットの摺動部に用い
られることを特徴とする請求項1または2に記載の摺動
部用アルミナセラミックス製品。
5. The alumina ceramic product for a sliding portion according to claim 1, which is used for a sliding portion of an acetabular socket of an artificial joint.
【請求項6】 人工股関節の臼蓋ソケットの摺動部に用
いられることを特徴とする請求項1または2に記載の摺
動部用アルミナセラミックス製品。
6. The alumina ceramic product for a sliding part according to claim 1, which is used for a sliding part of an acetabular socket of an artificial hip joint.
【請求項7】 単結晶のアルミナ粒子を原料とし、焼結
助剤としてMgOを1000ppm未満(0ppmを含
まない)添加し、1250〜1590℃で焼結すること
を特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の摺動部用
アルミナセラミックス製品の製造方法。
7. The method according to claim 1, wherein the single-crystal alumina particles are used as a raw material, MgO is added as a sintering aid in an amount of less than 1000 ppm (not including 0 ppm), and sintering is performed at 1250 to 1590 ° C. The method for producing an alumina ceramic product for a sliding portion according to any one of the above.
【請求項8】 1250〜1590℃で焼結し、次いで
1200〜1550℃で熱間静水圧加圧焼結することを
特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の摺動部用ア
ルミナセラミックス製品の製造方法。
8. The alumina for a sliding portion according to claim 1, wherein the alumina is sintered at 1250 to 1590 ° C. and then hot isostatically pressed at 1200 to 1550 ° C. Manufacturing method of ceramic products.
【請求項9】 請求項3〜6のいずれかに記載の摺動部
用アルミナセラミックス製品を製造する方法であって、
単結晶のアルミナ粒子を原料とすることを特徴とする請
求項7または8に記載の製造方法。
9. A method for producing an alumina ceramic product for a sliding portion according to any one of claims 3 to 6, wherein
The method according to claim 7, wherein a single-crystal alumina particle is used as a raw material.
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