JP2015137739A - 摺動部用部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属基材と表面反応層との密着を確保しつつ、緻密で厚く、かつ高純度のα−アルミナ（α−アルミナ単相）を主成分とする表面反応層を備えた摺動部用部材を提供する。【解決手段】金属基材部２と、金属基材部２上の摺動部に設けられたα−アルミナ単相からなる表面反応層４と、金属基材部２と表面反応層４との間に設けられた、金属間化合物を主成分として含む中間反応層４と、を備え、表面反応層４の厚さが、１μｍ以上であることを特徴とする摺動部用部材１を採用する。【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部用部材およびその製造方法に関するものである。

人工関節は、摺動部とそれを支える脚部（ステム等）とから成り立っており、脚部は骨に固定される。従来、摺動部の材料として超高分子量ポリエチレンと鏡面に磨かれた金属やアルミナ、ジルコニアと組み合わせてできた部材が用いられていたが、臨床結果からアルミナが超高分子量ポリエチレンの摩耗量を最も少なくすることが知られている。しかし、アルミナ単体でできた部材は脆く割れやすい問題を持っていた。そこで、高い破壊靭性をもち、かつ摩耗量を減少させる材料でできた摺動部材が希求されている。その対策として、金属を基材とし、摺動部表面にアルミナやジルコニアなどの優れた耐摩耗性を示すセラミックスの膜を形成することが有効であると考えられている。

そこで、その手段としてＴｉＡｌ_３の金属間化合物を酸素雰囲気中で加熱し、アルミニウムだけを酸化させる、Ｚｒ−Ｎｂ合金を表面酸化する、ＴｉもしくはＴｉ合金の基材の表面にアルミナ粉末を溶射する、ＴｉもしくはＴｉ合金の基材の表面にアルミニウムを蒸着させるとともに酸素イオンを照射するなどの方法が提案されている。

ところで、特許文献１には、金属基材の表面にアルミニウム成分からなる粉末をコールドスプレーすることにより、同表面をアルミニウムで被覆し、真空もしくは不活性ガス中で加熱した後、被覆部分の少なくとも表面を加熱処理により酸化させる方法（以下、「加熱処理法」という）により、金属基材の表面に１種以上のアルミナ酸化物からなる緻密な表面層（表面反応層）を設けた人工関節部材及びその製造方法が開示されている。

特開２０１３−１２３５８０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された加熱処理法によって、金属基材の表面を被覆するアルミニウム金属を直接酸化し、アルミナの緻密で厚い層（表面反応層）を形成するためには、加熱処理温度を１０００℃以上にする必要があるが、この温度ではアルミ二ウム自身が溶けてしまうという問題を抱えている。

また、特許文献１に開示された人工関節部材によれば、金属基材と表面反応層との密着を確保するために、金属基材と表面反応層との間にＴｉＡｌ_３等を含む中間反応層を設ける必要があった。しかしながら、この中間反応層が厚い場合には、その層が脆いために破損を誘発する問題を有している。

そこで、上記人工関節部材では、まず金属基材の表面をアルミニウムで被覆し、表面反応層を形成する前に、５００℃〜６６０℃（アルミニウムの融点）未満の加熱処理を行ってアルミニウム膜と金属基材との界面付近に中間反応層を形成していた。その後、１０００℃以上で加熱処理することによって表面反応層を形成していた。

しかしながら、ＴｉＡｌ_３等を含む中間反応層を形成した後に、加熱処理法によって表面反応層を形成しようとすると、一般的に、反応式「ＴｉＡｌ_３＋Ｏ_２→Ａｌ_２Ｏ_３＋ＴｉＯ_２」に示す反応により、アルミナと同時にＴｉＯ_２などのチタンの酸化物が副生成物として形成されてしまうため、緻密で厚く、かつ高純度のα−アルミナ（α−アルミナ単相）からなる表面反応層を形成することは困難であった。また、加熱温度が高すぎるためにチタンもしくはチタン合金基材の変質を誘発する問題を抱えていた。

そこで、アルミナ以外の副生成物の形成を抑えるために、表面反応層（α−アルミナ単相）形成時の加熱処理温度を１０００℃以下に下げると、アルミナの緻密化（焼結）が不十分になり、実用的ではないという課題があった。

すなわち、特許文献１に開示された加熱処理法のみでは、金属基材と表面反応層との密着を確保するための中間反応層と、緻密で厚く、かつ高純度のα−アルミナ（α−アルミナ単相）を主成分とする表面反応層とを共に形成することが困難であるのが実情であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、金属基材と表面反応層との密着を確保しつつ、緻密で厚く、かつ高純度のα−アルミナ（α−アルミナ単相）を主成分とする表面反応層を備えた摺動部用部材を提供することを課題とする。

また、本発明は、上述したような表面反応層を形成することができる摺動部用部材の製造方法を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するために鋭意検討した結果、本願発明者らは、金属基材部の表面を被覆するアルミニウム皮膜を直接酸化させる方法として、マイクロアーク法を適用することにより、金属基材部及びアルミニウム皮膜の温度上昇を抑制できる点に着目し、所要の厚さを確保した表面反応層を形成可能であることを見出し、またマイクロアーク法の条件を選ぶことによって、所要の厚さを確保した中間反応層及び表面反応層をともに形成可能であることを見出して、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は以下の構成を有する。
請求項１にかかる発明は、金属基材部と、前記金属基材部上の摺動部に設けられたα−アルミナ単相からなる表面反応層と、前記金属基材部と前記表面反応層とを強固に結合させるために当該金属基材部と当該表面反応層との間に設けられた、金属間化合物を主成分として含む中間反応層と、を備え、前記表面反応層の厚さが、１μｍ以上であることを特徴とする摺動部用部材である。

請求項２にかかる発明は、前記表面反応層の厚さが、５μｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部用部材である。

請求項３にかかる発明は、前記表面反応層の表面が、１０００以上のビッカース硬度を有することを特徴とする請求項２に記載の摺動部用部材である。

請求項４にかかる発明は、前記表面反応層が、０．５％以下の気孔率を有することを特徴とする請求項２に記載の摺動部用部材である。

請求項５にかかる発明は、前記中間反応層の厚さが、５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の摺動部用部材である。

請求項６にかかる発明は、前記金属基材部が、チタン又はチタン合金であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の摺動部用部材である。

請求項７にかかる発明は、前記金属間化合物が、前記金属基材部中の金属成分とアルミニウム成分とを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の摺動部用部材である。

請求項８にかかる発明は、前記金属間化合物が、ＴｉＡｌ_３であることを特徴とする請求項６又は７に記載の摺動部用部材である。

請求項９にかかる発明は、金属基材部の表面にアルミニウム皮膜を形成する工程と、前記アルミニウム皮膜に対してマイクロアーク法による酸化処理を行なう工程と、を含むことを特徴とする摺動部用部材の製造方法である。

請求項１０にかかる発明は、前記アルミニウム皮膜に対して５００℃以上６６０℃未満の温度で加熱処理を行う工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の摺動部用部材の製造方法である。

請求項１１にかかる発明は、前記マイクロアーク法による酸化処理により前記アルミニウム皮膜の表面に形成される多孔質γ―アルミナ層を除去する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項９又は１０に記載の摺動部用部材の製造方法である。

本発明の摺動部用部材は、金属基材部と、α−アルミナ単相からなる表面反応層と、金属基材部と表面反応層との間に設けられた中間反応層と、を備えているため、金属基材と表面反応層との密着を確保することができる。また、表面反応層の厚さが１μｍ以上であるため、摺動部の表面が優れた耐摩耗性を発揮することができる。特に、表面反応層の厚さが５μｍ以上の場合には、摺動部の表面がさらに優れた耐摩耗性を発揮することができる。

また、本発明の摺動部用部材の製造方法は、金属基材部の表面を被覆するアルミニウム皮膜を直接酸化させる方法として、マイクロアーク法を適用することにより、局所的に酸化を進行させ、金属基材部の温度上昇を極力抑えることができるので、所要の厚さを確保した中間反応層及び表面反応層を形成すること、すでに中間反応層が形成されている場合は表面反応層のみを形成することができる。

本発明を適用した一実施形態である摺動部用部材の構成を示す断面模式図である。 本発明の実施例１の、表面反応層を形成した後の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

以下、本発明を適用した実施の形態である摺動部用部材について、その製造方法とともに図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜第１の実施形態＞
先ず、本発明を適用した第１の実施形態である摺動部用部材の構成の一例について説明する。図１は、本発明を適用した一実施形態である摺動部用部材の構成を示す断面模式図である。図１に示すように、本実施形態の摺動部用部材１は、金属基材部２と中間反応層３と表面反応層４とを備えて、概略構成されている。

本実施形態の摺動部用部材１としては、耐摩耗性が要求される摺動部を有するものであれば、特に限定されるものではない。このような摺動部用部材としては、具体的には、例えば、回転軸の支持部（軸受方式あるいはピボット方式）、医療用の血液循環ポンプ支持部や人工関節等が挙げられる。これらの中でも、特に、高い破壊靱性が要請されるとともに、摺動部に耐摩耗性が要請される人工関節用部材として有用である。

金属基材部２は、摺動部に必要な強度、破壊靱性等の特性を有し、アルミニウムと金属間化合物を形成する金属部材であれば、特に材質は限定されるものではない。具体的には、例えば、摺動部用部材１に対して耐熱性が要求される場合には、金属基材部２として、耐熱性のあるニッケルを含む合金を用いることが望ましい。また、摺動部用部材１が人工関節部材である場合には、金属基材部２として、チタン又はチタン合金（例えば、「Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ」等）を用いることが望ましい。これらの部材は、ある程度の強度を有し、生体環境下で使用された実績を有しているためである。

金属基材部２の形状としては、特に限定されるものではなく、平坦な板状の部材や曲面を有する部材であってもよい。また、摺動部の全てが金属基材部２と同じ材質で形成されていてもよいし、摺動部の表面のみが金属基材部２であってもよい。

中間反応層３は、金属基材部２と表面反応層４とを強固に結合させるために設けられた密着層である。この中間反応層３は、図１に示すように、金属基材部２と表面反応層４との間に設けられている。

中間反応層３は、金属基材部２中の金属成分とアルミニウム成分とを含む金属間化合物を主成分として含んでいる。具体的には、例えば、金属基材部２としてチタン又はチタン合金を用いている場合には、チタンとアルミニウムとの金属間化合物はチタンアルミニウム（ＴｉＡｌ_３）である。

本実施形態の摺動部用部材１は、表面反応層４が、主として金属基材中の金属成分とアルミニウム成分との金属間化合物からなる中間反応層３を介して金属基材部２と接合しているので、金属基材部２と表面反応層４とが高い密着性を示す。

中間反応層３の厚さは、特に限定されるものではないが、０．１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。ここで、中間反応層３の厚さが０．１μｍ未満であると、金属基材部２と表面反応層４との密着性にばらつきが生じて不十分となるために好ましくない。一方、５μｍを超えると、摺動部に圧力をかけた際に中間反応層３にクラックが発生するおそれが生じるために好ましくない。これに対して、中間反応層３の厚さが上記範囲内であると、充分な密着性を確保しつつ、クラック発生等の不具合が生じないために好ましい。

表面反応層４は、図１に示すように、中間反応層３を介して金属基材部２上の摺動部に設けられている。また、表面反応層４は、緻密かつ高純度のα−アルミナ（すなわち、α−アルミナ単相）を主成分としている。このため、本実施形態の摺動部用部材１は、優れた耐摩耗性を発揮することができる。

表面反応層（α−アルミナ単一相）４の厚さは、特に限定されるものではないが、１μｍ以上であることが好ましく、５μｍ以上５ｍｍ以下であることがより好ましい。ここで、表面反応層４の厚さが１μｍ未満であると十分な耐摩耗性が得られないために好ましくない。一方、５ｍｍを超えると基材のもつ優れた靱性が発揮できなくなるために好ましくない。これに対して、表面反応層４の厚さが上記範囲内であると、充分な耐摩耗性を有するとともに、複合材料としての靱性も確保できるために好ましい。

なお、表面反応層４は、当該表面反応層４の表面からの厚さ方向の全ての領域において、１０００以上のビッカース硬度を有している。また、表面反応層４は、当該表面反応層４の表面からの厚さ方向の全ての領域において、当該表面反応層が０．５％以下の気孔率を有している。ここで、気孔率が０．５％を超えると、気孔の一部が表面にも存在して表面反応層４の平滑性が失われるため、摩耗が促進される。また、ビッカース硬度が１０００に満たないときも、ビッカース硬度がより大きい場合よりも摩耗が促進される。

本実施形態の摺動部用部材１を構成する表面反応層４は、当該表面反応層４の表面からの厚さ方向の全ての領域において、１０００以上のビッカース硬度及び０．５％以下の気孔率を有している。すなわち、本実施形態の摺動部用部材１は、緻密で厚く、かつ高純度のα−アルミナ（α−アルミナ単相）を主成分とする表面反応層４を備えるため、優れた耐摩耗性を発揮することができる。

次に、本実施形態の摺動部用部材１の製造方法について説明する。
本実施形態の摺動部用部材１の製造方法（以下、単に「製造方法」という）は、金属基材部２の表面にアルミニウム皮膜を形成する工程（第１工程）と、アルミニウム皮膜に対して５００℃以上６６０℃未満の温度で加熱処理を行う工程（第２工程）と、アルミニウム皮膜に対してマイクロアーク法による酸化処理を行なう工程（第３工程）と、マイクロアーク法による酸化処理によりアルミニウム皮膜の表面に形成される多孔質γ―アルミナ層を除去する工程（第４工程）と、を含んで概略構成されている。以下に、各工程について詳細に説明する。

（第１工程）
第１工程では、金属基材部２の表面にアルミニウム皮膜を形成する。ここで、金属基材部２の表面をアルミニウム粉末で被覆してアルミニウム皮膜を形成する手段としては、コールドスプレー法が挙げられる。コールドスプレー法では、アルミニウム粉末を不活性ガスとともに超音速で基材に衝突させるため、アルミニウムの金属粉末が酸化することなく基材上で塑性変形する。このため金属基材部２の表面が湾曲していてもアルミニウムの金属粉末を所望の厚さで緻密に堆積させることができる。また、真空装置を必要とせず、基材の酸化劣化や熱変質を生じることがなく、熱応力も残留しないという効果も得られる。

なお、コールドスプレー法を用いた際の条件は、例えば、以下の通りである。
［コールドスプレー条件］
作動ガス：ヘリウム、アルゴン、窒素、またはそれらの混合
作動ガスの温度：３００〜６６０℃
ガス流量：１００〜４０００Ｌ／分（温度と圧力に依存する）
ガス圧力：０．５〜５ＭＰａ
スプレーガンの速度：５０〜２００ｍｍ／ｓ
スプレーガンと基材との距離：２０〜４０ｍｍ
粒体供給量：１０〜２００ｇ／分

これにより、金属基材部２の表面に、膜厚が１０μｍ〜５ｍｍのアルミニウム皮膜を形成することができる。

（第２工程）
次に、第２工程では、第１工程で得られたアルミニウム皮膜が形成された金属基材部２に対して５００℃以上６６０℃未満の温度で加熱処理を行う。
加熱処理条件は、例えば以下の通りである。
［加熱処理条件］
温度：５００℃以上６６０℃未満
時間：０．１〜１２時間
雰囲気：大気、真空もしくはアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガス

これによりアルミニウムがチタンと反応し、ＴｉＡｌ_３などの金属間化合物からなる中間反応層３が形成される。化合物種（結晶相）についてはＴＦ−ＸＲＤなどにより、同定することができ、表面および断面微細構造（傾斜構造を含む）についてはＳＥＭなどにより観察することができる。また、各元素の含有比はＥＤＸで元素分析することで求めることができる。

なお、アルミニウム粉末で被覆された金属基材部２を加熱する雰囲気の温度は、５００℃以上６６０℃未満であることが望ましい。温度が低いと、金属基材部２とアルミニウム金属粉末とが反応しない。温度が高すぎると、中間反応層３が深部まで拡散してしまい、後工程で表面反応層４を構成する金属（アルミニウム）を最表面に留めることができない。

また、本実施形態の製造方法では、加熱処理中の雰囲気としては、大気雰囲気が好ましい。大気雰囲気で加熱処理を行うことにより、中間反応層３のＴｉＡｌ_３の形成時に、一部Ａｌ金属が残存し、これがアルミナの形成に役立つためである。

（第３工程）
次に、第３工程では、アルミニウム皮膜が設けられた金属基材部２（すなわち、中間反応層３が形成された後のアルミニウム皮膜）に対してマイクロアーク法による酸化処理を行なう。ここで、マイクロアーク酸化法について説明する。マイクロアーク酸化法とは、電解液中に設置した陽極に酸化させる金属、陰極にステンレス鋼などの電極を用い、両極間に数百Ｖ以上（金属種により異なる）の高周波数高電圧を加えることにより、断続的な火花放電が繰り返されて、金属表面を酸化処理するものである。このマイクロアーク酸化法では、アルマイト処理などの陽極酸化と比べて、高い電圧が利用される。なお、電解液としては、以下に記載のもの以外にも、ＮａＯＨ，Ｎａ_３Ｐ_２Ｏ_７、Ｈ_２Ｏ_２などを使用することもできる。

なお、マイクロアーク法を用いた酸化処理条件は、例えば以下の通りである。
［マイクロアーク酸化処理条件］
電解液： Ｎａ_２ＳｉＯ_３（２ｇ／Ｌ），ＫＯＨ（１ｇ／Ｌ）水溶液
電源： バイポーラパルス電源（Ｂｉｐｏｌａｒ ｐｕｌｓｅ ＤＣ）
振動数（Ｈｚ）： １０〜３０００
電流密度（Ａ／ｃｍ^２）： ０．０５〜１．６
負荷サイクル： １０〜１００％
処理時間： １０〜１８０分
処理溶液温度： ２０〜８０℃

本実施形態の製造方法では、上記マイクロアーク酸化法において、高電圧、高周波数火花放電による酸化が進行する時に金属基材部２の表面に設けられたアルミニウム膜が酸化して、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が形成される。
マイクロアーク法による酸化処理で形成される表面反応層（α−アルミナ層）４の膜厚は、１０μｍ〜５ｍｍである。なお、マイクロアーク法による酸化処理で形成されるアルミナ層は、ガンマ（γ）層（γ−アルミナ層）とアルファ（α）層（α−アルミナ層）との２種類である。ここで、γ層は、アルミナ層の最表面に多孔質層として形成される。一方、α層は、γ層の下部（すなわち、γ層と中間反応層３との間）に緻密層として形成される。

（第４工程）
次に、第４工程では、マイクロアーク法による酸化処理によりアルミニウム皮膜の表面に形成される多孔質層のγ―アルミナ層を除去する。すなわち、多孔質層であるγ−アルミナ層は不要なので、研磨などの物理的手法により除去する。これにより、金属基材部２と、金属基材部２上に設けられたＴｉＡｌ_３などの金属間化合物からなる中間反応層３と、中間反応層３上に設けられた、緻密で厚く、かつ高純度のα−アルミナ（α−アルミナ単相）を主成分とする表面反応層４とを備える摺動部用部材１を得ることができる。

ところで、従来の摺動部用部材の製造方法（例えば、上記特許文献１を参照）では、５００〜６６０℃の加熱処理によってＴｉＡｌ_３等を含む中間反応層を形成した後に、１０００℃以上の加熱処理によって表面反応層を形成しようとすると、アルミニウムが溶解してしまう場合や、アルミナと同時にＴｉＯ_２などのチタンの酸化物が副生成物として形成されてしまう場合があるため、純度の高いα−アルミナ層（すなわち、α−アルミナ単相）からなる表面反応層を形成することは困難であった。

そこで、ＴｉＯ_２などの副生成物の形成を抑えるために、表面反応層の形成時の加熱処理温度を１０００℃以下に下げると、アルミナの緻密化（焼結）が不十分になり、逆に、表面反応層を構成するアルミナを緻密化させるために温度を１０００℃以上に上げると、ＴｉＯ_２等の副生成物の形成に加え、チタン等からなる金属基材自体が相変態して強度が低下してしまうという課題があった。

すなわち、加熱処理法によって、緻密かつ高純度のα−アルミナ層（α−アルミナ単相）を主成分とする表面反応層を厚く形成することが困難であり、１μｍ未満であるのが実情であった。また、加熱処理法による酸化処理で形成されるアルミナ層は、多孔質層であるガンマ（γ）層（γ−アルミナ層）の膜厚が厚くなってしまうため、緻密層であるα−アルミナ層の膜厚が得られにくいのが実情であった。

これに対して、本実施形態の製造方法では、マイクロアーク法による酸化処理によってアルミナ層を形成する際、電解液中で酸化処理を行うので、金属基材部２及びアルミニウム皮膜の温度上昇を抑制することができる。このため、アルミナと同時にＴｉＯ_２などのチタンの酸化物が副生成物として形成されることがないため、純度の高いα−アルミナ層（すなわち、α−アルミナ単相）からなる表面反応層を形成することができる。また、酸化処理条件を調整することにより、所望の膜厚の表面反応層４（すなわち、α−アルミナ単相）を容易に形成することができる。さらに、マイクロアーク法による酸化処理で形成されるアルミナ層は、多孔質層であるガンマ（γ）層（γ−アルミナ層）よりも、緻密層であるα−アルミナ層のほうが厚く形成されるため、表面反応層４の膜厚を容易に厚くすることができる。

以上説明したように、本実施形態の摺動部用部材１によれば、金属基材部２と、α−アルミナ単相からなる表面反応層４と、金属基材部２と表面反応層４との間に設けられた中間反応層３と、を備えているため、金属基材２と表面反応層４との密着を確保することができる。また、表面反応層４の厚さが１μｍ以上であるため、摺動部の表面が優れた耐摩耗性を発揮することができる。特に、表面反応層４の厚さが５μｍ以上の場合には、摺動部の表面がさらに優れた耐摩耗性を発揮することができる。

また、本実施形態の摺動部用部材１を人工関節部材に適用した場合、金属基材部２の表面に緻密層であるα―アルミナ単相からなる表面反応層４を有することから、摺動部ではアルミナの優れた耐摩耗性を示す。一方、基材が金属であるから、高い破壊靱性を示す。このため、人工関節の摺動部に適用された場合、摩耗粉が少量しか発生せず、且つ割れやかけを生じることもなく、長期間、人工関節部材として機能することができる。

本実施形態の摺動部用部材１の製造方法によれば、金属基材部２にアルミニウム被膜を形成し、大気雰囲気下、５００℃以上６６０℃未満の加熱処理によって中間反応層３を形成した後、マイクロアーク酸化処理法を用いて表面反応層４を形成し、γ―アルミナ層を除去することにより、α―アルミナ単相を得ることができる。

また、本実施形態の摺動部用部材１の製造方法によれば、金属基材部２の表面を被覆するアルミニウム皮膜を直接酸化させる方法として、マイクロアーク法を適用することにより、局所的に酸化を進行させ、金属基材部２の温度上昇を極力抑えることができるので、所要の厚さを確保した中間反応層３及び表面反応層４を形成すること、すでに中間反応層３が形成されている場合は表面反応層４のみを形成することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明を適用した第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態の摺動部用部材１の製造方法のうち、工程の順番のみが異なる構成となっている。したがって、本実施形態の摺動部用部材の構成および製造方法の各工程については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態の製造方法は、第１の実施形態の製造方法において、上記第２工程と、上記第３工程との順番を入れ替えたものである。すなわち、本実施形態の製造方法は、金属基材部２にアルミニウム被膜を形成し、次いで、マイクロアーク酸化処理法を用いて表面反応層４の形成した後、大気、真空もしくは不活性ガス雰囲気下、５００℃〜６５０℃の加熱処理によって中間反応層３を形成する。その後、γ―アルミナ層を除去することにより、α―アルミナ単相を得る。

以上説明したように、本実施形態の製造方法によれば、上述した第１実施形態の摺動部用部材１の製造方法と同様の効果を得ることができる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明を適用した第３の実施形態について説明する。本実施形態では、第１及び第２実施形態の摺動部用部材１の製造方法のうち、一部の工程のみを省略する構成となっている。したがって、本実施形態の摺動部用部材の構成および製造方法の各工程については、第１及び第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態の製造方法は、第１及び第２の実施形態の製造方法において、上記第２工程を省略したものである。すなわち、本実施形態の製造方法は、金属基材部２にアルミニウム被膜を形成し、次いで、マイクロアーク酸化処理法を用いて中間反応層３と表面反応層４とを形成する。その後、γ―アルミナ層を除去することにより、α―アルミナ単相を得る。

以上説明したように、本実施形態の製造方法によれば、上述した第１及び第２実施形態の摺動部用部材１の製造方法と同様の効果が得られる。また、中間反応層３の形成にマイクロアーク法を用いて形成するため、熱処理法による工程（第２工程）を省略することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

以下、具体例を示す。
本発明の摺動部用部材を適用した人工関節部材を以下の手順で製造した。
＜実施例＞
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金からなる金属基材にアルミニウムを皮膜した基材（Ａｌ被覆基材）を用意する。アルミニウムの皮膜方法は以下の通り。
（アルミニウム皮膜の形成）
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金からなり、なめらかな曲面を有する基材を研磨し、アセトン、２−プロパノール、超純水で順に各３０分間超音波洗浄し、室温で乾燥した。次に、この基材に、平均粒径４０μｍの純アルミニウム粉末を次の条件でコールドスプレーすることにより、基材上に粉末を所定の厚さに堆積させた。

［コールドスプレー条件］
・ガスの種類、圧力、温度：Ｎ_２、３ＭＰａ、３８０℃
・ノズルトラバース速度：２５０ｍ／ｓ
・ピッチ（ノズルを上下方向に移動させる距離）：１．０ｍｍ
・膜厚：２５０μｍ

＜実施例１＞
形成したＡｌ被覆基材に、中間反応層の形成、マイクロアーク酸化処理（表面反応層の形成）を行った。その後、γ−アルミナ層の除去を行って、α−アルミナ単一相を得た。

（中間反応層の形成）
金属基材にアルミニウムを皮膜したＡｌ被覆基材を大気雰囲気中、６４０℃の処理温度で３時間加熱し、金属基材の金属成分であるＴｉと皮膜のアルミニウムとが反応しＴｉＡｌ_３が形成されて、実質的にＴｉＡｌ_３で成る中間反応層を形成した。ここで、化合物種（結晶相）についてはＴＦ−ＸＲＤなどにより同定した。また、表面及び断面微細構造を含むについては、ＳＥＭなどにより観察した。さらに、各元素の含有比はＥＤＸで元素分析することで求めた。

（表面反応層の形成）
マイクロアーク法により酸化処理を行って、表面反応層を形成した。マイクロアーク酸化処理条件は、以下の通り。

［マイクロアーク酸化処理条件］
電解液：Ｎａ_２ＳｉＯ_３（２ｇ／Ｌ）、ＫＯＨ（１ｇ／Ｌ）
周波数：５００Ｈｚ
電流密度：０．０８
負荷サイクル：４０％
処理時間：９０分

この結果、多孔質γ―アルミナ層と緻密なα―アルミナ層とからなるアルミナ層が形成された。次いで、このアルミナ層の最表面に形成された多孔質表面（γ―アルミナ層）を研磨により除去することで、表面反応層をα―アルミナ単相とした。表面反応層の最表面部をＴＦ−ＸＲＤ及びＥＸＤで分析することにより同定した。図２は、表面反応層を形成した後の、断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。

（表面反応層の気孔率と硬度）
表面反応層の最表面にある多孔質層を除去した表面に対して、島津製作所製のマイクロ硬度計を用い荷重０．９８Ｎのもとで圧子をその面に押付けて硬度を測定した。硬度として、Ｈｖ１６５０〜１７２０の値を得た。ここで、表面反応層の気孔率が０．５％を超えると、気孔の一部が表面にも存在して平滑性が失われるため、摩耗が促進される。ビッカース硬度が１０００に満たないときも、この値より大きいときの摩耗量よりも摩耗が促進される。

次に、この人工関節部材の電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察とＥＤＸ線分析を行った。図２に示すＳＥＭ写真より、アルミナ層の最表面のγ−アルミナ層に数μｍ〜約１００μｍの大きさの空隙が多く確認でき、多孔質の状態となっていることを確認できた。それに対して、図２に示すように、表面反応層の最表面のγ−アルミナ層から約１０〜２０μｍ内側に存在するα−アルミナ層は空隙が認められず、緻密な状態であることを確認できた。

＜実施例２＞
電流密度および処理時間以外は、上述した実施例１と同じ条件で同様のマイクロアーク酸化処理を行った。マイクロアーク酸化処理条件は、以下の通り。

［マイクロアーク酸化処理条件］
電解液：Ｎａ_２ＳｉＯ_３（４ｇ／Ｌ）、ＫＯＨ（２ｇ／Ｌ）
周波数：５００Ｈｚ
電流密度：０．２−０．４
負荷サイクル：４０％
処理時間：３０分

＜実施例３＞
電流密度および処理時間以外は、上述した実施例１と同じ条件で同様のマイクロアーク酸化処理を行った。マイクロアーク酸化処理条件は、以下の通り。

［マイクロアーク酸化処理条件］
電解液：Ｎａ_２ＳｉＯ_３（４ｇ／Ｌ）、ＫＯＨ（２ｇ／Ｌ）
周波数：５００Ｈｚ
電流密度：０．２−０．４
負荷サイクル：４０％
処理時間：６０分

実施例１〜３では、マイクロアーク処理後、表面反応層の最表面に微粒子の凝集体が形成された。この集合体は比較的緻密であるが、所々に１μｍ程度の小さい穴が形成されることが確認された。ここで、電流密度を上昇させると、表面に存在する気孔の数は増大した。また、同じ電流密度で処理時間を増大すると、表面に存在する気孔の数は増大した。さらに、電流密度あるいは処理時間を増大すると、微粒子の凝集体の厚みが増大した。なお、表面反応層は、表面近傍は多孔質だが、内部は緻密質であることが確認された。

＜実施例４＞
金属基材へのアルミニウム被膜を形成し、マイクロアーク酸化処理によって表面反応層を形成した後、大気雰囲気下で５００℃〜６４０℃の加熱処理を行って中間反応層を形成した。その後、γ−アルミナ層の除去を行って、α−アルミナ単一相を得た。
上記実施例１〜３の場合と同様に、ＴｉＡｌ_３からなる中間反応層およびα―アルミナ単一相からなる表面反応層が形成されていることを、ＳＥＭ写真およびＥＤＸによる元素分析により確認できた。

＜実施例５＞
金属基材へのアルミニウム被膜を形成し、マイクロアーク酸化処理によって中間反応層および表面反応層を形成した。その後、γ−アルミナ層の除去を行って、α−アルミナ単一相を得た。
上記実施例１〜３の場合と同様に、３層からなるＴｉＡｌ_３からなる中間反応層およびα―アルミナ単一相からなる表面反応層が形成されていることを、ＳＥＭ写真およびＥＤＸによる元素分析により確認できた。

＜比較例１＞
上述の実施例に記載の方法で金属基材にアルミニウムを所定の厚さに皮膜した後、アルゴン雰囲気中、８００℃で２〜５時間加熱した。これにより、アルミニウムがチタンと反応し、ＴｉＡｌ_３などの金属間化合物からなる中間反応層を形成した。次に、大気中、８００〜９００℃で３〜１０時間保持して酸化処理を行うことで表面反応層を形成した。

表面反応層を形成した後の、断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を確認した結果、γ―アルミナ層（７μｍ）がα―アルミナ層（５μｍ）よりも厚く形成されたアルミナ層からなる表面反応層が形成されたことを確認できた。また、ＴＦ−ＥＤＸ及びＸＲＤで分析したところ、Ａｌ_２Ｏ_３成分以外にＴｉＯ_２が含まれていたことを確認できた。

１・・・摺動部用部材（人工関節部材）
２・・・金属基材部（金属基材）
３・・・中間反応層
４・・・表面反応層

Claims (11)

1. 金属基材部と、
   前記金属基材部上の摺動部に設けられたα−アルミナ単相からなる表面反応層と、
   前記金属基材部と前記表面反応層とを強固に結合させるために当該金属基材部と当該表面反応層との間に設けられた、金属間化合物を主成分として含む中間反応層と、を備え、
   前記表面反応層の厚さが、１μｍ以上であることを特徴とする摺動部用部材。
2. 前記表面反応層の厚さが、５μｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部用部材。
3. 前記表面反応層が、１０００以上のビッカース硬度を有することを特徴とする請求項２に記載の摺動部用部材。
4. 前記表面反応層が、０．５％以下の気孔率を有することを特徴とする請求項２に記載の摺動部用部材。
5. 前記中間反応層の厚さが、５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の摺動部用部材。
6. 前記金属基材部が、チタン又はチタン合金であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の摺動部用部材。
7. 前記金属間化合物が、前記金属基材部中の金属成分とアルミニウム成分とを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の摺動部用部材。
8. 前記金属間化合物が、ＴｉＡｌ_３であることを特徴とする請求項６又は７に記載の摺動部用部材。
9. 金属基材部の表面にアルミニウム皮膜を形成する工程と、前記アルミニウム皮膜に対してマイクロアーク法による酸化処理を行なう工程と、を含むことを特徴とする摺動部用部材の製造方法。
10. 前記アルミニウム皮膜に対して５００℃以上６６０℃未満の温度で加熱処理を行う工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の摺動部用部材の製造方法。
11. 前記マイクロアーク法による酸化処理により前記アルミニウム皮膜の表面に形成される多孔質γ―アルミナ層を除去する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項９又は１０に記載の摺動部用部材の製造方法。