JP2003040673A - 高強度ジルコニア質焼結体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ジルコニア質焼結体の抗折強度を飛躍的に向上
させること。 【解決手段】ジルコニアを主成分とし、アルミナを１５
〜４５重量％の割合で含有し、ジルコニアの全結晶相の
うち正方晶と立方晶の結晶相が９０％以上を占める高強
度ジルコニア質焼結体において、前記焼結体中のジルコ
ニア結晶粒子のみの平均粒径とこのジルコニア結晶粒子
と前記アルミナ結晶粒子とを合わせた全体の平均粒径と
の比を０．９５〜１．００とし、かつ上記ジルコニア結
晶粒子の平均粒径を０．２５μm以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、アルミナを含有し
た高強度ジルコニア質焼結体に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、セラミック部材の中でも耐摩耗
性、耐熱性、耐薬品性等の点で優れた特性を有するとと
もに、圧倒的に安価でかつ工業的に有用な材料としてア
ルミナ質焼結体が使用されており、例えば、ディスクバ
ルブ、ベアリングボール、ベーンポンプのベーン、プラ
ンジャーポンプのプランジャーロッド等の摺動部材や粉
砕部材、また切削、研磨工具、さらには生体用補綴部材
など様々な用途で使用されている。 【０００３】しかしながら、アルミナ質焼結体は上述の
ような優れた特性を有する反面、ジルコニア質焼結体や
窒化珪素質焼結体などの他のセラミック焼結体に比べて
抗折強度が低いことから、高い応力のかかる部分に安定
して使用することができなかった。 【０００４】そこで、高強度材料としてジルコニア質焼
結体が用いられることがあり、特に、抗折強度が必要な
用途には、アルミナを含有した高強度ジルコニア質焼結
体が用いられている。ジルコニア結晶粒子のマトリック
ス中に数十重量％（２０〜４０％）のアルミナ結晶粒子
を分散させるとより高強度な複合体が得られる。これは
マイクロクラックに対してジルコニア結晶粒子が正方晶
から単斜晶へ変態することと、ジルコニアとアルミナの
熱膨張係係率のミスマッチによる残留応力が存在するこ
とでマイクロクラックが効果的に遮蔽されるためである
と考えられる。通常のジルコニア質焼結体でもその抗折
強度は最大で１４００ＭＰａ程度であり、これに対して
工業的に利用されているアルミナを含有した高強度ジル
コニア質焼結体の抗折強度は１８００ＭＰａ程度であっ
た。因みに、上記アルミナを含有した高強度ジルコニア
質焼結体においてアルミナ結晶粒子の平均粒径はジルコ
ニア結晶粒子の平均粒径よりかなり大きく、ジルコニア
結晶粒子の平均粒径に比べて２倍以上の平均粒径であっ
た。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例え
ば、人工股関節の骨頭部材のように非常に大きな応力受
ける部位に用いるジルコニア質焼結体としては、より大
きな抗折強度を持った高強度ジルコニア質焼結体が望ま
れている。それは、ジルコニアは生体内で用いても生体
組織に対する毒性がほとんどない生体材料だからであ
る。生体用としては、概ね２０００ＭＰａを超える抗折
強度であれば、生体内高荷重部位で使用しても破壊の恐
れがほとんどなくなる。そこで、本発明はジルコニア質
焼結体の抗折強度を飛躍的に向上させることを目的とす
るものである。 【０００６】 【課題を解決するための手段】上記従来技術の課題を解
決するため本発明の高強度ジルコニア質焼結体は、ジル
コニアを主成分とし、アルミナを１５〜４５重量％の割
合で含有し、かつジルコニアの全結晶相のうち正方晶と
立方晶の結晶相が９０％以上を占める高強度ジルコニア
質焼結体であって、前記焼結体中のジルコニア結晶粒子
のみの平均粒径とこのジルコニア結晶粒子と前記アルミ
ナ結晶粒子とを合わせた全体の平均粒径との比が０．９
５〜１．００であり、かつ上記ジルコニア結晶粒子の平
均粒径が０．２５μm以上であることを特徴とする。か
かる構成によれば、アルミナの含有率が１５〜４５重量
％のジルコニア質焼結体において平均粒径を上記範囲に
設定したので、ジルコニア質焼結体に高い抗折強度をも
たらす応力誘起変態を起こそうとするジルコニア結晶粒
子のエネルギーが高くなる一方で、これを阻害しようと
するアルミナ結晶粒子のエネルギーが低くなる。したが
って上記応力誘起変態が起こりやすい組織状態であるの
で、抗折強度が非常に大きい。ジルコニア結晶粒子の平
均粒径が０．２５μm未満のとき、結晶粒子の表面積が
小さく、上記応力誘起変態を起こそうとするジルコニア
結晶粒子のエネルギーが不十分となる。また前記焼結体
中のジルコニア結晶粒子のみの平均粒径とこのジルコニ
ア結晶粒子と前記アルミナ結晶粒子とを合わせた全体の
平均粒径との比が０．９５以下のとき、上記応力誘起変
態を起こそうとするジルコニア結晶粒子のエネルギーに
対して、これを阻害しようとするアルミナ結晶粒子のエ
ネルギーが大きくなり、十分な応力誘起変態が起こりに
くくなる。これに対して、前記焼結体中のジルコニア結
晶粒子のみの平均粒径とこのジルコニア結晶粒子と前記
アルミナ結晶粒子とを合わせた全体の平均粒径との比が
１．００より大きいとき、アルミナとジルコニアの熱膨
張係数の違いにより無視できない内部応力（アルミナは
圧縮応力、ジルコニアは引っ張り応力）が発生する。そ
して、引っ張り応力過多となり、その結果、抗折強度の
低下につながる。なお、アルミナの含有率が１５重量％
未満の場合、アルミナ結晶粒子の存在による残留応力の
寄与が不十分となり抗折強度があまり向上しない。これ
に対して、アルミナ含有率が４５重量％より大きい場
合、アルミナ結晶粒子の存在がジルコニア結晶粒子の応
力誘起変態を抑える方向に働いてしまうため抗折強度が
あまり向上しない。 【０００７】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
詳述する。 【０００８】本発明の高強度ジルコニア質焼結体（以
下、ジルコニア質焼結体と略称する）は、ほぼ全体が正
方晶と立方晶の結晶相を有する微細なジルコニア質焼結
体中の粒界にアルミナを分散してなる。上記焼結体中、
ジルコニアの全結晶相のうち正方相と立方相の結晶相が
９０％以上を占める。これは、正方晶と立方晶の結晶相
が９０％未満であると、正方相ジルコニアが相変態した
としても、既存の単斜晶に存在するマイクロクラックに
より、焼結体の抗折強度を向上させることが出来ないか
らである。なお、正方晶と立方晶の結晶相の割合は、Ｘ
線回折法にて測定することができる。すなわち、Ｘ線回
折により単斜晶ジルコニアのピーク強度と正方晶ジルコ
ニアと立方晶ジルコニアのピーク強度を測定し、数１に
示す式から算出すれば良い。 【０００９】 【数１】 【００１０】ところで、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に
よる反射電子像を画像解析すると、アルミナ質焼結体中
のジルコニア結晶粒子は白色に見え、アルミナ結晶粒子
は黒色又は灰色に見える。なお、画像解析において、白
色に見える結晶粒子がジルコニアであるかどうかは、波
長分散型Ｘ線マイクロアナライザー分析（ＥＰＭＡ）に
より定性分析し、その元素を同定すれば良い。また、ジ
ルコニア質焼結体に含まれるジルコニア結晶粒子の平均
粒径を０．２５μｍ以上とし、かつ前記焼結体中のジル
コニア結晶粒子のみの平均粒径とこのジルコニア結晶粒
子と前記アルミナ結晶粒子とを合わせた全体の平均粒径
との比を０．９５〜１．００とすることが重要である。
これは、ジルコニア結晶粒子の平均粒径が０．２５μｍ
未満であると、ジルコニア結晶粒子が小さくなり過ぎる
ためジルコニアの応力誘起変態が発生せず２０００ＭＰ
ａを越える抗折強度を実現することができないからであ
る。また、前記焼結体中のジルコニア結晶粒子のみの平
均粒径とこのジルコニア結晶粒子と前記アルミナ結晶粒
子とを合わせた全体の平均粒径（以下、焼結体の平均粒
径という）との比が０．９５〜１．００の範囲外である
場合、強度低下を招き２０００ＭＰａを越える抗折強度
を得ることができない。次に、本発明に係る高強度ジル
コニア質焼結体の製造方法について説明する。本発明に
係る高強度ジルコニア質焼結体の原料は共沈法により得
ることが出来る。原料粉末として、イットリア／ジルコ
ニアのモル比が２／９８〜７／９３の範囲であることを
特徴とする混合粉末と、アルミナの粉末を均質に混合し
た粉末を用いる。次に、得られた原料粉体に、溶媒及び
バインダーを添加して混練乾燥することにより造粒体を
作製し、この造粒体を一軸加圧成形法、泥しょう鋳込み
法、等軸加圧成形法、射出成形法など通常のセラミック
成形法により所定形状に成形したあと大気雰囲気あるい
は水素雰囲気中や窒素雰囲気中にて焼成する。この時、
焼成温度が１３５０℃未満では、焼結性が不十分である
ために緻密化することができず、１６５０℃より高くな
ると、粒成長を促進させてしまうため、いずれも得られ
たジルコニア質焼結体の抗折強度を２０００ＭＰａより
高くすることができない。このため、焼成温度は１３５
０℃〜１６５０℃の温度範囲とする。 【００１１】次にガラスなどの高温で軟化するカプセル
に封入し、高温静水圧焼成（以下、ＨＩＰ処理という）
を行う。ＨＩＰ処理の条件は不活性雰囲気中で行い、温
度は１２００℃〜１６００℃、圧力は１９０ＭＰａ以上
が好ましい。 【００１２】このとき、イットリアはジルコニア結晶粒
子内に固溶し、ジルコニア結晶粒子の一部を構成する。 【００１３】なお上記ＨＩＰ処理は、好ましくは１４７
５℃〜１５７５℃の温度で行うことがよい。 【００１４】以上、本発明の実施形態例を説明したが本
発明はこの実施形態に限定されるものではない。発明の
目的を逸脱しない限り任意の形態とすることができる。 【００１５】例えば、材料組成として、イットリア、ジ
ルコニア、アルミナ以外の任意のものを添加してもよ
い。その場合、ジルコニア結晶粒子及びアルミナ結晶粒
子以外に結晶粒子があったとしても、その結晶粒子は平
均粒子径の計測に含める必要はない。 【００１６】 【実施例】（実施例）以下、本発明の具体例について説
明する。 【００１７】共沈法により表１に示す組成の原料粉末を
得た。この原料粉体にバインダーと溶媒としての水を添
加して混練乾燥することにより造粒体を作製し、該造粒
体を型内に充填して冷間静水圧成形法により円柱状に成
形したあと、この成形体を１３５０℃〜１４５０℃の大
気雰囲気中にて焼成し、さらに表1に示す温度によりＨ
ＩＰ処理することにより、アルミナを含有してなるジル
コニア質焼結体を得た。 【００１８】 【表１】 【００１９】これらのジルコニア質焼結体の表面に研磨
加工を施して中心線平均粗さ（Ｒａ）０．２μｍの鏡面
に仕上げ、その表面の反射電子像を走査型電子顕微鏡に
て撮影し、インターセプト法によりジルコニア結晶粒子
の平均粒径とアルミナ結晶粒子の平均粒径、並びに焼結
体の平均粒径とジルコニア結晶粒子の平均粒径の比を求
めた。これらの結果を表１に示す。ジルコニアの結晶状
態について確認するため、Ｘ線回折により正方晶と立方
晶ジルコニアのピーク強度と単斜晶ジルコニアのピーク
強度をそれぞれ測定し、上記数１の式により正方晶と立
方晶の結晶相の割合を測定したところ、９９．５％と、
焼結体中におけるジルコニアの大部分が正方晶及び／又
は立方晶のジルコニアであった。 【００２０】さらに、ジルコニア質焼結体に切削加工を
施して３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの角柱体を製作し、Ｊ
ＩＳ Ｒ １６０１に準拠して、３点曲げ抗折強度を測
定した。この結果を表１に示す。 【００２１】表１に示すように本発明範囲内の試料３、
４、８、９はすべて抗折強度２０００ＭＰａを超えてい
る。 【００２２】試料１、２、６、７、１２、１３、１４は
ジルコニア結晶粒子の平均粒径が０．２５μｍ未満であ
り、本発明の範囲から外れる。これら試料の抗折強度は
１７００ＭＰａを下まわっていた。また、試料５、１
０、１１、１５、１７はジルコニア結晶粒子の平均粒径
が０．２５μｍ以上であるものの、本発明範囲内のジル
コニア結晶粒子の平均粒径と焼結体の平均粒径の比が
０．９５〜１．００の範囲から外れていた。これらの試
料も抗折強度１７００ＭＰａを下まわっていた。試料１
６はジルコニア結晶粒子の平均粒径が０．２５μｍ以上
で、かつジルコニア結晶粒子の平均粒径と焼結体の平均
粒径の比が０．９５〜１．００の範囲内であったが、抗
折強度１７００ＭＰａを上回ることはなかった。上記の
結果から、ジルコニア質焼結体にアルミナを１５〜４５
重量％含み、ジルコニアの平均粒径が０．２５μｍ以上
であって、かつジルコニア結晶粒子の平均粒径と焼結体
の平均粒径の比が０．９５〜１．００のときに非常に高
い抗折強度が得られた。これにより従来工業的に使用さ
れてきたジルコニア質焼結体では得られなかった２００
０ＭＰａという非常に高い抗折強度を得ることが可能で
ある。これに対して、本発明範囲外のものは抗折強度向
上の十分な効果が見られなかった。 【００２３】 【発明の効果】以上のように、本発明の高強度ジルコニ
ア質焼結体によれば、アルミナの含有率が１５〜４５重
量％のジルコニア質焼結体において結晶粒子の平均粒径
を上記範囲に設定したので、ジルコニア質焼結体に高い
抗折強度をもたらす応力誘起変態を起こそうとするジル
コニア結晶粒子のエネルギーが高くなる一方で、これを
阻害しようとするアルミナ結晶粒子のエネルギーが低く
なる。したがって上記応力誘起変態が起こりやすい組織
状態であるので、抗折強度が非常に大きい。例えば、人
工関節の骨頭部材のような高負荷状況にさらされる箇所
において信頼性よく使用することが出来る。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G031 AA12 AA29 BA18 BA20 CA01 CA04

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】ジルコニアを主成分とし、アルミナを１５
   〜４５重量％の割合で含有し、かつジルコニアの全結晶
   相のうち正方晶と立方晶の結晶相が９０％以上を占める
   高強度ジルコニア質焼結体であって、前記焼結体中のジ
   ルコニア結晶粒子のみの平均粒径とこのジルコニア結晶
   粒子と前記アルミナ結晶粒子とを合わせた全体の平均粒
   径との比が０．９５〜１．００であり、かつ上記ジルコ
   ニア結晶粒子の平均粒径が０．２５μm以上であること
   を特徴とする高強度ジルコニア質焼結体。