JP4083272B2 - セラミックスと金属との接合方法および接合体 - Google Patents
セラミックスと金属との接合方法および接合体 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、セラミックスと金属との接合方法および接合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまでの通電焼結法等の焼結法では良好な焼結接合が困難とされていた焼結温度の異なる異種材料、例えばセラミックス−金属の接合を行なう方法として、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）が開発されてきた。
【０００３】
ＳＰＳ法は、粒子間隙に直接パルス状の電気エネルギーを投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマの高エネルギーを熱拡散、電界拡散等へ効果的に応用した固体圧縮焼結の一種である。このようにＳＰＳ法は、放電による直接発熱方式のため極めて熱効率に優れ、その放電点の分散による均等加熱で、均質高品位の焼結体が容易に得られるという利点を有しており、ホットプレス焼結法等の従来の焼結法に比べ、焼結エネルギーの制御性の良さ、取扱い操作の容易さ、安全性、確実性の良さ等の優れた特徴を持っている。
【０００４】
特に、ＳＰＳ焼結法の中でも傾斜接合法は、異種材料からなる接合物の中間層として、該両端接合物と同一材質の混合組成物を少なくとも１層挟み、焼結接合する方法であり、異種材料間に生じる応力の軽減等が図られている。
【０００５】
しかし、セラミックスが高密度に焼結された場合には、熱処理後の冷却時にやはりその応力からセラミックス側で著しいクラックが発生し、また、低温焼結等により焼結温度が不十分である場合には、接合力の不足や焼結体をしばらく放置するとセラミックス側が崩壊する等の問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記のような問題点を解決し、簡易かつ高効率であって、かつ接合力に優れたセラミックスと金属との接合体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）〜（８）の本発明により達成される。
【０００８】
（１） ハイドロキシアパタイト粉体と第１の金属のブロック体とを少なくとも１層の中間層を介在させて焼結しこれらを接合する接合方法において、
前記焼結は、放電プラズマ焼結法により、８００〜１１００℃の温度で行われるものであり、
前記中間層は、前記ハイドロキシアパタイトおよび前記第１の金属の双方と、前記第１の金属以外の第２の金属とを含有する混合粉体で構成されており、
前記第２の金属は、貴金属または貴金属を主とする合金であることを特徴とするセラミックスと金属との接合方法。
【０００９】
（２） 前記第２の金属は展延性に優れるものである上記（１）に記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００１０】
（３） 前記第２の金属は生体適合性を有する金属である上記（１）または（２）に記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００１２】
（４） 前記貴金属はＡｕおよびＡｇのうち少なくとも一方を含む上記（１）ないし（３）のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００１３】
（５） 前記中間層中の前記第２の金属の含有量は５〜９０wt％である上記（１）ないし（４）のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００１６】
（６） 前記第１の金属は生体適合性を有するものである上記（１）ないし（５）のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００１７】
（７） 前記第１の金属はＴｉまたはＴｉ系合金である上記（１）ないし（６）のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００２０】
（８） 上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の接合方法により接合されたことを特徴とするセラミックスと金属との接合体。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックスと金属との接合方法を添付図面に示す好適実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
本発明のセラミックスと金属との接合方法は、セラミックスの粉体と第１の金属のブロック体（ペレット）とを、少なくとも１層の中間層を介在させて焼結し、これらを接合する接合方法であって、中間層はセラミックスおよび第１の金属の双方と、前記第１の金属以外の第２の金属とを含有する混合粉体であることを特徴とする。
【００２３】
このような中間層を介在させることにより、融点やその他の熱的性質の異なる金属とセラミックスとが同じ温度で加熱、焼結、冷却される場合に生じる応力を緩和し、多くの場合に発生するセラミックス側の割れ等を防止することができる。
【００２４】
また、中間層に第１の金属とは異なる第２の金属を含有させることにより、セラミックスと第１の金属との間に生じる温度差による応力をさらに効果的に軽減することができる。
【００２５】
中間層に含まれる第２の金属としては、展延性に優れるものが好ましい。展延性に優れた第２の金属の柔軟性により、第１の金属とセラミックスとの熱膨張率の相違に起因して生じる応力が吸収されるため、応力差によるクラックを防止することができる。
【００２６】
前記第２の金属は、生体適合性を有する金属であることが好ましい。特に、後述するハイドロキシアパタイト等のようなバイオセラミックス等と組合せることにより、接合体を医療材料等として応用することが可能となる。
【００２７】
前記第２の金属は貴金属または貴金属を主とする合金である。貴金属または貴金属を主とする合金は優れた安定性を有するため、接合体の安定性の向上を図ることができる。
【００２８】
以上のような性質を備えた金属としては、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ等が挙げられ、なかでもＡｕ、Ａｇが特に好ましく、これらを１種または２種以上混合して用いてもよい。
【００２９】
中間層における各成分の混合割合については特に限定されないが、上記第２の金属の含有量は５〜９０wt％が好ましく、２５〜５０wt％がより好ましい。第２の金属の含有量が５wt％未満の場合、上記の効果が有効に発揮されず、一方、９０wt％を超える場合、他の成分である第１の金属またはセラミックスの割合が小さくなり、第１の金属またはセラミックスとの接合強度が低下するおそれがある。さらに含有量が増加しても効果の向上が図れず、また製造コストが大きくなる。
【００３０】
中間層は、上記セラミックスおよび第１の金属の双方と、第２の金属とを含む混合粉体で構成されている。これにより、混合粉体の全体量や中間層の成分組成比を自由に変化させることができる。例えば、中間層の成分比を連続的または段階的に変化させることが容易であり、接合させるセラミックスおよび第１の金属の種類等に応じて接合性および応力緩和性のよい中間層を調製することができる。また、中間層の厚さ、層数等を任意に選択することができ、加工性に優れる。
【００３１】
セラミックスとしては、ハイドロキシアパタイト（ＨＡｐ）が用いられる。ハイドロキシアパタイトは生体適合性材料として、人工骨、人工歯根等多くの用途に応用できる。
【００３２】
一方、第１の金属としては、特に限定されないが、生体適合性を有するものが好ましく、なかでもＴｉまたはＴｉ系合金がより好ましい。これにより、上記ハイドロキシアパタイト等と組合せることにより、生体材料として生体適合性と強度・靱性を併せ持つ人工関節等、多くの分野への応用が可能になる。
【００３３】
また、本発明のセラミックスと金属との接合方法は、両端接合物としての第１の金属はブロック体であり、セラミックスは粉体であることを特徴とする。
【００３４】
セラミックスを粉体とすることにより、投入エネルギーに対し効率よく焼結することができ、また、目的に応じてセラミックス層の厚さを容易に調整することができる。
【００３５】
一方、第１の金属をブロック体とすることにより、焼結体の強度をより向上させ、かつ焼結体の目的形状維持を図ることができる。また、金属粉体を材料として使用する場合よりも成形型への充填率を高くすることができるため、装置全体を小型化することができ、製造効率が向上する。さらに、焼結過程においてセラミックスの最適条件下で焼結しても第１の金属が過焼結状態等の焼結不良となることを防止できる。
【００３６】
上述したセラミックスの粉体と第１の金属のブロック体とは、中間層を構成する混合粉体を介して焼結により接合される。焼結方法には放電プラズマ焼結法が用いられる。
【００３７】
放電プラズマ焼結法は、圧粉体粒子間隙に直接パルス状の電気エネルギーを投入し、火花放電により瞬時に発生する高温プラズマの高エネルギーを熱拡散・電界拡散等へ効果的に応用することで、ホットプレス法等に比べ、昇温、保持時間を含め、５〜２０分程度の短時間の焼結あるいは焼結接合を可能とする。
【００３８】
以下、放電プラズマ焼結による本発明のセラミックスと金属との接合方法を説明する。
【００３９】
図１に、放電プラズマ焼結装置２の全体構成を示す。
成形型３０およびパンチ３２、３４は真空ポンプ２６を備えた真空チャンバー２５内に収容されている。空気中では、酸素、窒素、水等が金属材料やセラミックス材料に悪影響を及ぼす可能性があるために緻密な接合体が得られない場合がある。そのため、焼結に先立ち、予め真空チャンバー２５内を減圧し焼結時も減圧下で行うのが好ましい。また、同様の理由から不活性ガス中で焼結を行うことが好ましい。
【００４０】
放電プラズマ焼結装置２の制御部２０は、パルス電圧を発生させる焼結用電源２２、セラミックス粉体、中間層を構成する混合粉体および第１の金属のブロック体からなる積層体１０を加圧する加圧駆動機構２４、真空チャンバー２５内の脱気を行う真空ポンプ２６を駆動制御するものである。
【００４１】
制御部２０は、成形型３０に設けられた熱電対（図示せず）により検出される積層体１０の温度が、予め設定された昇温曲線に一致するように焼結用電源２２を制御する。なお、パンチ３２、３４は、加圧駆動機構２４により昇降駆動される上下一対の加圧ラム４２、４４に各々固定されており、加圧ラム４２、４４内に設けられた給電端子（図示せず）により焼結用電源２２と接続されている。
【００４２】
このように構成された放電プラズマ焼結装置によって、積層体１０を所定の押圧力で加圧するととともに、パルス電圧を印可する。積層体１０を１００〜２０００kgf/cm2 の押圧力で加圧することにより、積層体１０の未接合の境界（例えば、セラミックスの粉体と中間層との境界、および中間層と第１の金属のブロック体との境界）、粉体同士の隙間が密着し、積層体１０に通電することが可能になる。
【００４３】
図２は、積層体１０を加圧・加熱する放電プラズマ焼結装置２の要部を示す概略断面図である。
【００４４】
放電プラズマ焼結装置２は、混合粉体の圧縮・焼結等に用いられるものであり、積層体１０等の被加工物を圧縮するとともに、当該被加工物にパルス電圧を印可して加熱するものである。
【００４５】
まず、図に示すように第１の金属のブロック体１８、中間層１４を構成する混合粉体およびセラミックスの粉体１２を成形型３０に投入する。成形型３０への装填工程において、上記の各粉体を装填する毎に予備加圧を行ってもよい。予備加圧を行った場合、中間層とセラミックス層との境界が明確な接合体を得ることができ、一方、予備加圧を行わないで各成分を投入し、その後振動を加えることにより前記境界が不明瞭で連続的な接合体を得ることができる。
【００４６】
なお、中間層１４を構成する混合粉体を調製するために、乳鉢等を用いることができ、その他の混合機としては、例えばボールミル、ロッドミル、ダブルコートブレンダ、Ｖ型混合機等を使用することができる。
【００４７】
次に、上下一対のパンチ（押圧子）３２、３４により加圧し、加圧下で放電プラズマ焼結を行う。成形型３０およびパンチ３２、３４は導電性のカーボンで形成されており、焼結用電源２２により発生したパルス電流が、成形型３０およびパンチ３２、３４を介して積層体１０に流れるよう構成されている。
【００４８】
また、パンチ３２、３４と成形型３０の内周との間には、クッション材として導電性を有するカーボンペーパー３６が介在している。これによりパンチ３２、３４は、成形型３０の内周に食いつくことなく円滑に摺動することができる。また、混合粉体中の第１の金属および第２の金属等の金属粉体は、成形型３０あるいはパンチ３２、３４のカーボンと反応するおそれがあるため、カーボンペーパー３６を介在させることにより、前記金属粉体が内壁面に固着するのを防止することができる。
【００４９】
焼結時の圧力は１００〜２０００kgf/cm2 程度が好ましく、２００〜７００kgf/cm2 程度がより好ましい。焼結時の圧力が低過ぎると接合体の接合力や緻密性が不十分となるおそれがあり、一方、圧力が高すぎると成形型３０の耐圧性が問題となる。
【００５０】
図３に示す実施例では、中間層は第１の中間層１５と第２の中間層１６とから構成されている。これにより、セラミックスの粉体１２と第１の金属のブロック体１８との間で中間層の組成を段階的に変化させることができる。例えば、第１の中間層１５は、第２の中間層１６よりもセラミックスの含有量が多く、一方、第１の金属の含有量が少なくなっている。このような傾斜混合層を間に介在させることにより、中間層１５とセラミックスの粉体１２、中間層１５と中間層１６および中間層１６と第１の金属のブロック体１８との接着強度を高めつつ、セラミックスの粉体１２と第１の金属のブロック体１８との熱特性の差による材料間の歪をより効果的に軽減することができる。
【００５１】
さらに、第１の中間層１５および第２の中間層１６に、展延性に優れる第２の金属が含まれる場合、互いに固相拡散し易く、また、第１の中間層１５とセラミックスの粉体１２、第１の中間層１５と第２の中間層１６、および第２の中間層１６と第１の金属のブロック体１８間の接合力をより向上させることが可能である。
【００５２】
本実施例では、各中間層の成分比が段階的に変化する場合の接合方法であるが、中間層の成分比をその厚さ方向に連続的に変化させることも可能である。例えば、各成分の混合比をさらに細かく変化させた中間層を準備することにより、より連続的な機能変化をもたらすこともできる。具体例として、セラミックスの粉体と第１の金属の粉体と第２の金属の粉体とを連続的に供給量を変化させながら混合装置に送り込んで撹拌混合し、これを連続的にあるいは極少量づつバッチ方式により、成形型３０内に投入する方法等が挙げられる。
【００５３】
図４に、積層体１０に印可されるパルス電圧の一例を示す。
パルス電圧は直流電圧のオン／オフパターンからなるパルスであり、１回のオン／オフが１パルスｔを構成する。なお、１回のオン／オフにおいて、オン状態の持続時間ｔ1 とオフ状態の持続時間ｔ0 との比は、１：１〜１２：１であることが好ましく、例えば、６：１であることが好ましい。このようなパルス電圧の印可により、積層体１０自身のジュール熱によって急速に加熱される。
【００５４】
図５は、積層体１０の昇温曲線の一例を示す。
積層体１０のピーク温度Ｔ（保持温度または焼結温度）は、セラミックス材料としてハイドロキシアパタイトを用いる場合、８００〜１１００℃とされる。焼結温度が低過ぎると十分な接合強度および靱性等を得ることができない場合があり、焼結温度が高過ぎると、特にセラミックス側にクラックが生じるおそれがある。さらに、焼結温度をこの範囲とすることにより、セラミックス材料の分解を防止しつつ、十分に緻密な焼結が可能となる。
【００５５】
また、上記と同様の理由により、焼結温度での保持時間は５〜１５分程度が好ましい。
【００５６】
放電プラズマ焼結は、パルス電圧を印可することにより行うことが好ましい。これにより、積層体１０の未接合の境界において放電現象や電界拡散効果が生じて、セラミックスの粉体１２、中間層１４を構成する混合粉体および第１の金属のブロック体１８の表面における溶融と拡散が促進される。この境界面および粒子表面の溶融および拡散の促進によって、上記の境界部分での固相拡散が促進される。
【００５７】
ピーク温度Ｔ（焼結温度）で所定時間保持した後、徐冷し、成形型３０から焼結体を取り出して、本発明の接合体を得ることができる。
【００５８】
このように、本実施形態のセラミックスと金属との接合体の製造方法は、積層体１０を加圧しつつパルス電圧を印可することによって積層体１０をジュール熱により急速に加熱するとともに、積層体１０において構成材料間の境界における放電現象および電界拡散効果を利用して金属材料（混合粉体、ブロック体）の表面の溶融を促進し、これにより当該表面における固相拡散を促進することによって、短時間かつ低温での接合を可能にするものである。
【００５９】
以上、本発明のセラミックスと金属の接合体の製造方法を図示の各実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば、積層体１０は焼結助剤等の添加剤等を含むものとしてもよい。また、セラミックスの粉体、第１の金属のブロック体はいかなる方法で作製されたものであってもよく、特に第１の金属のブロック体は、例えば積層面に接合強度を向上させる等のための物理的・化学的処理が施されていてもよい。
【００６０】
【実施例】
次に、本発明のセラミックスと金属との接合方法の具体的実施例について説明する。
【００６１】
１．接合体の作製
（実施例１）
【００６２】
セラミックス（ＨＡｐ）粉体、中間層を組成、各組成の粉体の平均粒径、重量および第１の金属（Ｔｉ）のブロック体のサイズを表１に示す。
【００６３】
【表１】
【００６４】
まず、図２に示すようにＳＰＳ装置用の成形型３０（導電性カーボン製、外径φ３５mm、内径φ１０．５mm、高さ８０mm）内に、表１に示す第１の金属（Ｔｉ）のブロック体１８を充填し、続いて乳鉢を用いて混合した大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体、Ａｕ粉体、Ｔｉ粉体からなる中間層１４を構成する混合粉体（Ａｕ含有量：２５wt％）を充填し、さらに大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１２を充填した。
【００６５】
次に、住友石炭鉱業（株）製ＳＰＳ−５１０Ｌ放電プラズマ焼結装置を用い、真空中にて上下から３００kgf/cm2 の加圧を行い、パルス電圧（パルス条件−１２：２）を印可して圧縮通電系を加熱し、９５０℃、５分間保持して焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００６６】
【表９】
【００６７】
（実施例２）
図３に示すように、上記実施例１と同様のＳＰＳ装置用の成形型３０内に、表２に示すＴｉブロック１８を充填した。続いて乳鉢を用いて混合した大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体０．４ｇ、Ａｕ粉体０．６ｇ、Ｔｉ粉体１．０ｇからなる第２中間層１６を構成する混合粉体（Ａｕ含有量：３０wt％）と、大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１．０ｇ、Ａｕ粉体０．６ｇ、Ｔｉ粉体０．４ｇからなる第１中間層１５を構成する混合粉体（Ａｕ含有量：３０wt％）とを充填し、さらに大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１２を充填した。
【００６８】
【表２】
【００６９】
次に、住友石炭鉱業（株）製ＳＰＳ−５１０Ｌ放電プラズマ焼結装置を用い、上記実施例１と同様にして焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７０】
（実施例３）
中間層の組成を、表３に示すように第２の金属としてＡｇ粉体（１５０mesh）を含むもの（Ａｇ含有量：２５wt％）とした以外は実施例１と同様にして焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７１】
【表３】
【００７２】
（実施例４）
焼結温度を８００℃とした以外は実施例１と同様にして、焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７３】
（実施例５）
焼結温度を１１００℃とした以外は実施例１と同様にして、焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７４】
（実施例６）
焼結時間を３０分とした以外は実施例１と同様にして、焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７５】
（実施例７）
焼結時の加圧力を５００[kgf/cm2] とした以外は実施例１と同様にして、焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７６】
（実施例８）
表４に示すように、中間層を構成するＴｉ粉体の粒径を１５０mesh以下とした以外は実施例１と同様にして焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
【００７７】
【表４】
【００７８】
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７９】
（実施例９）
表５に示すように平均粒径４０μｍの球形ＨＡｐ粉体の代わりに大気炉で９５０℃焼成した平均粒径４μｍの破砕状ＨＡｐ粉体を用いた以外は実施例１と同様にして焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
【００８０】
【表５】
【００８１】
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００８２】
（比較例１）
中間層を設けないこととした以外は実施例１と同様にして、表６に示すＴｉブロック体１８とＨＡｐ粉体１２とを焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００８３】
【表６】
【００８４】
（比較例２）
中間層１４として第２の金属を包含しない混合粉体を使用した以外は、実施例１と同様にして、表７に示すＴｉブロック体１８、中間層１４およびＨＡｐ粉体１２とを焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
【００８５】
【表７】
【００８６】
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００８７】
（比較例３）
焼結温度を７００℃とした以外は実施例１と同様にして、表８に示すＴｉブロック体１８、中間層１４、ＨＡｐ粉体１２を焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
【００８８】
【表８】
【００８９】
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００９０】
（比較例４）
焼結温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にして、表８に示すＴｉブロック体１８、中間層１４、ＨＡｐ粉体１２を焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００９１】
２．接合体の接合力の評価
実施例１〜９および比較例１〜４で作製した接合体について３点曲げ強度を測定した。
【００９２】
なお、強度は、スパン１．７cmの３点曲げ試験を行い、その測定値から以下の計算式（Ｉ）により算出した。
【００９３】
強度（σf ）[kgf/cm2] ＝（８×Ｐ×Ｌ）／（π×ｄ3 ）・・・（Ｉ）
【００９４】
Ｐ・・・破壊荷重［kgf ]
Ｌ・・・スパン［cm］
ｄ・・・供試体（接合体）直径［cm］
結果を表９に示す。
【００９５】
以上の結果から、実施例１〜９で得られた接合体は、セラミックス層、中間層、第１の金属の層の各層はいずれも全体として一体化して焼結形成されたものであった。また、緻密性に優れクラック等が生じない強固なものであった。
【００９６】
さらに、焼成条件および中間層を構成する混合粉体の組成、粉体の粒径等を変化させることにより接合体の接合力の制御が可能であることがわかった。
【００９７】
比較例１は中間層を設けなかったためＨＡｐ層とＴｉ層が接合せず、また、ＨＡｐ層にクラックが入り崩壊した。比較例２では、中間層に第２の金属を含まないものであるためＨＡｐ層とＴｉ層が接合せず、また、ＨＡｐ層にクラックが入り崩壊した。比較例３では、焼結温度が低すぎるため焼結不良となり、ＨＡｐ層とＴｉ層が接合しなかった。
【００９８】
比較例４は焼結温度が高過ぎるため焼結不良となり、ＨＡｐ層とＴｉ層は接合したがその接合力は極めて小さく、さらにＨＡｐ層にクラックが入り崩壊した。
【００９９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のセラミックスと金属との接合方法によれば、焼結接合が困難である異種材料からなる固体―粉体間の接合も容易かつ確実に行うことができる。
【０１００】
また、セラミックスが高密度に焼結された場合であっても、加熱・冷却時等における応力によりクラックが発生することがなく、優れた接合力を発揮することができる。さらに、短時間で製造できるため、高効率よく接合体を製造することができる。焼結条件および中間層の構成を制御することにより、所望の接合力および強度の接合体を作製することが可能である。
【０１０１】
また、本発明の方法により得られた接合体は緻密に成形され、強度に優れるため、従来、二物質を接着していた部品の代替や、強度と靱性を併せ持つ生体材料等への応用等、多様な用途を広く展開することができる。
【０１０２】
さらに、生体適合性を有する材料からなる接合体は、信頼性の高い生体材料として広い用途が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】放電プラズマ焼結装置の全体図を示す概略断面図である。
【図２】図１の放電プラズマ焼結装置２の要部を示す概略断面図である。
【図３】本発明の接合方法の他の実施例において使用される原料混合粉体の断面図である。
【図４】積層体に印加されるパルス電圧の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の接合方法における昇温曲線の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
２ 放電プラズマ焼結装置
１０ 積層体
１２ セラミックス（ＨＡｐ）粉体
１４ 中間層
１５ 第１中間層
１６ 第２中間層
１８ 第１の金属（Ｔｉ）のブロック体
２０ 制御部
２２ 焼結用電源
２４ 加圧駆動機構
２５ 真空チャンバー
３０ 成形型
３２ パンチ（押圧子）
３４ パンチ（押圧子）
３６ カーボンペーパー
４２ 加圧ラム
４４ 加圧ラム
【発明が属する技術分野】
本発明は、セラミックスと金属との接合方法および接合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまでの通電焼結法等の焼結法では良好な焼結接合が困難とされていた焼結温度の異なる異種材料、例えばセラミックス−金属の接合を行なう方法として、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）が開発されてきた。
【０００３】
ＳＰＳ法は、粒子間隙に直接パルス状の電気エネルギーを投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマの高エネルギーを熱拡散、電界拡散等へ効果的に応用した固体圧縮焼結の一種である。このようにＳＰＳ法は、放電による直接発熱方式のため極めて熱効率に優れ、その放電点の分散による均等加熱で、均質高品位の焼結体が容易に得られるという利点を有しており、ホットプレス焼結法等の従来の焼結法に比べ、焼結エネルギーの制御性の良さ、取扱い操作の容易さ、安全性、確実性の良さ等の優れた特徴を持っている。
【０００４】
特に、ＳＰＳ焼結法の中でも傾斜接合法は、異種材料からなる接合物の中間層として、該両端接合物と同一材質の混合組成物を少なくとも１層挟み、焼結接合する方法であり、異種材料間に生じる応力の軽減等が図られている。
【０００５】
しかし、セラミックスが高密度に焼結された場合には、熱処理後の冷却時にやはりその応力からセラミックス側で著しいクラックが発生し、また、低温焼結等により焼結温度が不十分である場合には、接合力の不足や焼結体をしばらく放置するとセラミックス側が崩壊する等の問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記のような問題点を解決し、簡易かつ高効率であって、かつ接合力に優れたセラミックスと金属との接合体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）〜（８）の本発明により達成される。
【０００８】
（１） ハイドロキシアパタイト粉体と第１の金属のブロック体とを少なくとも１層の中間層を介在させて焼結しこれらを接合する接合方法において、
前記焼結は、放電プラズマ焼結法により、８００〜１１００℃の温度で行われるものであり、
前記中間層は、前記ハイドロキシアパタイトおよび前記第１の金属の双方と、前記第１の金属以外の第２の金属とを含有する混合粉体で構成されており、
前記第２の金属は、貴金属または貴金属を主とする合金であることを特徴とするセラミックスと金属との接合方法。
【０００９】
（２） 前記第２の金属は展延性に優れるものである上記（１）に記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００１０】
（３） 前記第２の金属は生体適合性を有する金属である上記（１）または（２）に記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００１２】
（４） 前記貴金属はＡｕおよびＡｇのうち少なくとも一方を含む上記（１）ないし（３）のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００１３】
（５） 前記中間層中の前記第２の金属の含有量は５〜９０wt％である上記（１）ないし（４）のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００１６】
（６） 前記第１の金属は生体適合性を有するものである上記（１）ないし（５）のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００１７】
（７） 前記第１の金属はＴｉまたはＴｉ系合金である上記（１）ないし（６）のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００２０】
（８） 上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の接合方法により接合されたことを特徴とするセラミックスと金属との接合体。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックスと金属との接合方法を添付図面に示す好適実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
本発明のセラミックスと金属との接合方法は、セラミックスの粉体と第１の金属のブロック体（ペレット）とを、少なくとも１層の中間層を介在させて焼結し、これらを接合する接合方法であって、中間層はセラミックスおよび第１の金属の双方と、前記第１の金属以外の第２の金属とを含有する混合粉体であることを特徴とする。
【００２３】
このような中間層を介在させることにより、融点やその他の熱的性質の異なる金属とセラミックスとが同じ温度で加熱、焼結、冷却される場合に生じる応力を緩和し、多くの場合に発生するセラミックス側の割れ等を防止することができる。
【００２４】
また、中間層に第１の金属とは異なる第２の金属を含有させることにより、セラミックスと第１の金属との間に生じる温度差による応力をさらに効果的に軽減することができる。
【００２５】
中間層に含まれる第２の金属としては、展延性に優れるものが好ましい。展延性に優れた第２の金属の柔軟性により、第１の金属とセラミックスとの熱膨張率の相違に起因して生じる応力が吸収されるため、応力差によるクラックを防止することができる。
【００２６】
前記第２の金属は、生体適合性を有する金属であることが好ましい。特に、後述するハイドロキシアパタイト等のようなバイオセラミックス等と組合せることにより、接合体を医療材料等として応用することが可能となる。
【００２７】
前記第２の金属は貴金属または貴金属を主とする合金である。貴金属または貴金属を主とする合金は優れた安定性を有するため、接合体の安定性の向上を図ることができる。
【００２８】
以上のような性質を備えた金属としては、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ等が挙げられ、なかでもＡｕ、Ａｇが特に好ましく、これらを１種または２種以上混合して用いてもよい。
【００２９】
中間層における各成分の混合割合については特に限定されないが、上記第２の金属の含有量は５〜９０wt％が好ましく、２５〜５０wt％がより好ましい。第２の金属の含有量が５wt％未満の場合、上記の効果が有効に発揮されず、一方、９０wt％を超える場合、他の成分である第１の金属またはセラミックスの割合が小さくなり、第１の金属またはセラミックスとの接合強度が低下するおそれがある。さらに含有量が増加しても効果の向上が図れず、また製造コストが大きくなる。
【００３０】
中間層は、上記セラミックスおよび第１の金属の双方と、第２の金属とを含む混合粉体で構成されている。これにより、混合粉体の全体量や中間層の成分組成比を自由に変化させることができる。例えば、中間層の成分比を連続的または段階的に変化させることが容易であり、接合させるセラミックスおよび第１の金属の種類等に応じて接合性および応力緩和性のよい中間層を調製することができる。また、中間層の厚さ、層数等を任意に選択することができ、加工性に優れる。
【００３１】
セラミックスとしては、ハイドロキシアパタイト（ＨＡｐ）が用いられる。ハイドロキシアパタイトは生体適合性材料として、人工骨、人工歯根等多くの用途に応用できる。
【００３２】
一方、第１の金属としては、特に限定されないが、生体適合性を有するものが好ましく、なかでもＴｉまたはＴｉ系合金がより好ましい。これにより、上記ハイドロキシアパタイト等と組合せることにより、生体材料として生体適合性と強度・靱性を併せ持つ人工関節等、多くの分野への応用が可能になる。
【００３３】
また、本発明のセラミックスと金属との接合方法は、両端接合物としての第１の金属はブロック体であり、セラミックスは粉体であることを特徴とする。
【００３４】
セラミックスを粉体とすることにより、投入エネルギーに対し効率よく焼結することができ、また、目的に応じてセラミックス層の厚さを容易に調整することができる。
【００３５】
一方、第１の金属をブロック体とすることにより、焼結体の強度をより向上させ、かつ焼結体の目的形状維持を図ることができる。また、金属粉体を材料として使用する場合よりも成形型への充填率を高くすることができるため、装置全体を小型化することができ、製造効率が向上する。さらに、焼結過程においてセラミックスの最適条件下で焼結しても第１の金属が過焼結状態等の焼結不良となることを防止できる。
【００３６】
上述したセラミックスの粉体と第１の金属のブロック体とは、中間層を構成する混合粉体を介して焼結により接合される。焼結方法には放電プラズマ焼結法が用いられる。
【００３７】
放電プラズマ焼結法は、圧粉体粒子間隙に直接パルス状の電気エネルギーを投入し、火花放電により瞬時に発生する高温プラズマの高エネルギーを熱拡散・電界拡散等へ効果的に応用することで、ホットプレス法等に比べ、昇温、保持時間を含め、５〜２０分程度の短時間の焼結あるいは焼結接合を可能とする。
【００３８】
以下、放電プラズマ焼結による本発明のセラミックスと金属との接合方法を説明する。
【００３９】
図１に、放電プラズマ焼結装置２の全体構成を示す。
成形型３０およびパンチ３２、３４は真空ポンプ２６を備えた真空チャンバー２５内に収容されている。空気中では、酸素、窒素、水等が金属材料やセラミックス材料に悪影響を及ぼす可能性があるために緻密な接合体が得られない場合がある。そのため、焼結に先立ち、予め真空チャンバー２５内を減圧し焼結時も減圧下で行うのが好ましい。また、同様の理由から不活性ガス中で焼結を行うことが好ましい。
【００４０】
放電プラズマ焼結装置２の制御部２０は、パルス電圧を発生させる焼結用電源２２、セラミックス粉体、中間層を構成する混合粉体および第１の金属のブロック体からなる積層体１０を加圧する加圧駆動機構２４、真空チャンバー２５内の脱気を行う真空ポンプ２６を駆動制御するものである。
【００４１】
制御部２０は、成形型３０に設けられた熱電対（図示せず）により検出される積層体１０の温度が、予め設定された昇温曲線に一致するように焼結用電源２２を制御する。なお、パンチ３２、３４は、加圧駆動機構２４により昇降駆動される上下一対の加圧ラム４２、４４に各々固定されており、加圧ラム４２、４４内に設けられた給電端子（図示せず）により焼結用電源２２と接続されている。
【００４２】
このように構成された放電プラズマ焼結装置によって、積層体１０を所定の押圧力で加圧するととともに、パルス電圧を印可する。積層体１０を１００〜２０００kgf/cm2 の押圧力で加圧することにより、積層体１０の未接合の境界（例えば、セラミックスの粉体と中間層との境界、および中間層と第１の金属のブロック体との境界）、粉体同士の隙間が密着し、積層体１０に通電することが可能になる。
【００４３】
図２は、積層体１０を加圧・加熱する放電プラズマ焼結装置２の要部を示す概略断面図である。
【００４４】
放電プラズマ焼結装置２は、混合粉体の圧縮・焼結等に用いられるものであり、積層体１０等の被加工物を圧縮するとともに、当該被加工物にパルス電圧を印可して加熱するものである。
【００４５】
まず、図に示すように第１の金属のブロック体１８、中間層１４を構成する混合粉体およびセラミックスの粉体１２を成形型３０に投入する。成形型３０への装填工程において、上記の各粉体を装填する毎に予備加圧を行ってもよい。予備加圧を行った場合、中間層とセラミックス層との境界が明確な接合体を得ることができ、一方、予備加圧を行わないで各成分を投入し、その後振動を加えることにより前記境界が不明瞭で連続的な接合体を得ることができる。
【００４６】
なお、中間層１４を構成する混合粉体を調製するために、乳鉢等を用いることができ、その他の混合機としては、例えばボールミル、ロッドミル、ダブルコートブレンダ、Ｖ型混合機等を使用することができる。
【００４７】
次に、上下一対のパンチ（押圧子）３２、３４により加圧し、加圧下で放電プラズマ焼結を行う。成形型３０およびパンチ３２、３４は導電性のカーボンで形成されており、焼結用電源２２により発生したパルス電流が、成形型３０およびパンチ３２、３４を介して積層体１０に流れるよう構成されている。
【００４８】
また、パンチ３２、３４と成形型３０の内周との間には、クッション材として導電性を有するカーボンペーパー３６が介在している。これによりパンチ３２、３４は、成形型３０の内周に食いつくことなく円滑に摺動することができる。また、混合粉体中の第１の金属および第２の金属等の金属粉体は、成形型３０あるいはパンチ３２、３４のカーボンと反応するおそれがあるため、カーボンペーパー３６を介在させることにより、前記金属粉体が内壁面に固着するのを防止することができる。
【００４９】
焼結時の圧力は１００〜２０００kgf/cm2 程度が好ましく、２００〜７００kgf/cm2 程度がより好ましい。焼結時の圧力が低過ぎると接合体の接合力や緻密性が不十分となるおそれがあり、一方、圧力が高すぎると成形型３０の耐圧性が問題となる。
【００５０】
図３に示す実施例では、中間層は第１の中間層１５と第２の中間層１６とから構成されている。これにより、セラミックスの粉体１２と第１の金属のブロック体１８との間で中間層の組成を段階的に変化させることができる。例えば、第１の中間層１５は、第２の中間層１６よりもセラミックスの含有量が多く、一方、第１の金属の含有量が少なくなっている。このような傾斜混合層を間に介在させることにより、中間層１５とセラミックスの粉体１２、中間層１５と中間層１６および中間層１６と第１の金属のブロック体１８との接着強度を高めつつ、セラミックスの粉体１２と第１の金属のブロック体１８との熱特性の差による材料間の歪をより効果的に軽減することができる。
【００５１】
さらに、第１の中間層１５および第２の中間層１６に、展延性に優れる第２の金属が含まれる場合、互いに固相拡散し易く、また、第１の中間層１５とセラミックスの粉体１２、第１の中間層１５と第２の中間層１６、および第２の中間層１６と第１の金属のブロック体１８間の接合力をより向上させることが可能である。
【００５２】
本実施例では、各中間層の成分比が段階的に変化する場合の接合方法であるが、中間層の成分比をその厚さ方向に連続的に変化させることも可能である。例えば、各成分の混合比をさらに細かく変化させた中間層を準備することにより、より連続的な機能変化をもたらすこともできる。具体例として、セラミックスの粉体と第１の金属の粉体と第２の金属の粉体とを連続的に供給量を変化させながら混合装置に送り込んで撹拌混合し、これを連続的にあるいは極少量づつバッチ方式により、成形型３０内に投入する方法等が挙げられる。
【００５３】
図４に、積層体１０に印可されるパルス電圧の一例を示す。
パルス電圧は直流電圧のオン／オフパターンからなるパルスであり、１回のオン／オフが１パルスｔを構成する。なお、１回のオン／オフにおいて、オン状態の持続時間ｔ1 とオフ状態の持続時間ｔ0 との比は、１：１〜１２：１であることが好ましく、例えば、６：１であることが好ましい。このようなパルス電圧の印可により、積層体１０自身のジュール熱によって急速に加熱される。
【００５４】
図５は、積層体１０の昇温曲線の一例を示す。
積層体１０のピーク温度Ｔ（保持温度または焼結温度）は、セラミックス材料としてハイドロキシアパタイトを用いる場合、８００〜１１００℃とされる。焼結温度が低過ぎると十分な接合強度および靱性等を得ることができない場合があり、焼結温度が高過ぎると、特にセラミックス側にクラックが生じるおそれがある。さらに、焼結温度をこの範囲とすることにより、セラミックス材料の分解を防止しつつ、十分に緻密な焼結が可能となる。
【００５５】
また、上記と同様の理由により、焼結温度での保持時間は５〜１５分程度が好ましい。
【００５６】
放電プラズマ焼結は、パルス電圧を印可することにより行うことが好ましい。これにより、積層体１０の未接合の境界において放電現象や電界拡散効果が生じて、セラミックスの粉体１２、中間層１４を構成する混合粉体および第１の金属のブロック体１８の表面における溶融と拡散が促進される。この境界面および粒子表面の溶融および拡散の促進によって、上記の境界部分での固相拡散が促進される。
【００５７】
ピーク温度Ｔ（焼結温度）で所定時間保持した後、徐冷し、成形型３０から焼結体を取り出して、本発明の接合体を得ることができる。
【００５８】
このように、本実施形態のセラミックスと金属との接合体の製造方法は、積層体１０を加圧しつつパルス電圧を印可することによって積層体１０をジュール熱により急速に加熱するとともに、積層体１０において構成材料間の境界における放電現象および電界拡散効果を利用して金属材料（混合粉体、ブロック体）の表面の溶融を促進し、これにより当該表面における固相拡散を促進することによって、短時間かつ低温での接合を可能にするものである。
【００５９】
以上、本発明のセラミックスと金属の接合体の製造方法を図示の各実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば、積層体１０は焼結助剤等の添加剤等を含むものとしてもよい。また、セラミックスの粉体、第１の金属のブロック体はいかなる方法で作製されたものであってもよく、特に第１の金属のブロック体は、例えば積層面に接合強度を向上させる等のための物理的・化学的処理が施されていてもよい。
【００６０】
【実施例】
次に、本発明のセラミックスと金属との接合方法の具体的実施例について説明する。
【００６１】
１．接合体の作製
（実施例１）
【００６２】
セラミックス（ＨＡｐ）粉体、中間層を組成、各組成の粉体の平均粒径、重量および第１の金属（Ｔｉ）のブロック体のサイズを表１に示す。
【００６３】
【表１】
まず、図２に示すようにＳＰＳ装置用の成形型３０（導電性カーボン製、外径φ３５mm、内径φ１０．５mm、高さ８０mm）内に、表１に示す第１の金属（Ｔｉ）のブロック体１８を充填し、続いて乳鉢を用いて混合した大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体、Ａｕ粉体、Ｔｉ粉体からなる中間層１４を構成する混合粉体（Ａｕ含有量：２５wt％）を充填し、さらに大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１２を充填した。
【００６５】
次に、住友石炭鉱業（株）製ＳＰＳ−５１０Ｌ放電プラズマ焼結装置を用い、真空中にて上下から３００kgf/cm2 の加圧を行い、パルス電圧（パルス条件−１２：２）を印可して圧縮通電系を加熱し、９５０℃、５分間保持して焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００６６】
【表９】
（実施例２）
図３に示すように、上記実施例１と同様のＳＰＳ装置用の成形型３０内に、表２に示すＴｉブロック１８を充填した。続いて乳鉢を用いて混合した大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体０．４ｇ、Ａｕ粉体０．６ｇ、Ｔｉ粉体１．０ｇからなる第２中間層１６を構成する混合粉体（Ａｕ含有量：３０wt％）と、大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１．０ｇ、Ａｕ粉体０．６ｇ、Ｔｉ粉体０．４ｇからなる第１中間層１５を構成する混合粉体（Ａｕ含有量：３０wt％）とを充填し、さらに大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１２を充填した。
【００６８】
【表２】
次に、住友石炭鉱業（株）製ＳＰＳ−５１０Ｌ放電プラズマ焼結装置を用い、上記実施例１と同様にして焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７０】
（実施例３）
中間層の組成を、表３に示すように第２の金属としてＡｇ粉体（１５０mesh）を含むもの（Ａｇ含有量：２５wt％）とした以外は実施例１と同様にして焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７１】
【表３】
（実施例４）
焼結温度を８００℃とした以外は実施例１と同様にして、焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７３】
（実施例５）
焼結温度を１１００℃とした以外は実施例１と同様にして、焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７４】
（実施例６）
焼結時間を３０分とした以外は実施例１と同様にして、焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７５】
（実施例７）
焼結時の加圧力を５００[kgf/cm2] とした以外は実施例１と同様にして、焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７６】
（実施例８）
表４に示すように、中間層を構成するＴｉ粉体の粒径を１５０mesh以下とした以外は実施例１と同様にして焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
【００７７】
【表４】
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００７９】
（実施例９）
表５に示すように平均粒径４０μｍの球形ＨＡｐ粉体の代わりに大気炉で９５０℃焼成した平均粒径４μｍの破砕状ＨＡｐ粉体を用いた以外は実施例１と同様にして焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
【００８０】
【表５】
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００８２】
（比較例１）
中間層を設けないこととした以外は実施例１と同様にして、表６に示すＴｉブロック体１８とＨＡｐ粉体１２とを焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００８３】
【表６】
（比較例２）
中間層１４として第２の金属を包含しない混合粉体を使用した以外は、実施例１と同様にして、表７に示すＴｉブロック体１８、中間層１４およびＨＡｐ粉体１２とを焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
【００８５】
【表７】
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００８７】
（比較例３）
焼結温度を７００℃とした以外は実施例１と同様にして、表８に示すＴｉブロック体１８、中間層１４、ＨＡｐ粉体１２を焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
【００８８】
【表８】
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００９０】
（比較例４）
焼結温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にして、表８に示すＴｉブロック体１８、中間層１４、ＨＡｐ粉体１２を焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
焼結条件（焼結温度、焼成時間、加圧力）について表９に示す。
【００９１】
２．接合体の接合力の評価
実施例１〜９および比較例１〜４で作製した接合体について３点曲げ強度を測定した。
【００９２】
なお、強度は、スパン１．７cmの３点曲げ試験を行い、その測定値から以下の計算式（Ｉ）により算出した。
【００９３】
強度（σf ）[kgf/cm2] ＝（８×Ｐ×Ｌ）／（π×ｄ3 ）・・・（Ｉ）
【００９４】
Ｐ・・・破壊荷重［kgf ]
Ｌ・・・スパン［cm］
ｄ・・・供試体（接合体）直径［cm］
結果を表９に示す。
【００９５】
以上の結果から、実施例１〜９で得られた接合体は、セラミックス層、中間層、第１の金属の層の各層はいずれも全体として一体化して焼結形成されたものであった。また、緻密性に優れクラック等が生じない強固なものであった。
【００９６】
さらに、焼成条件および中間層を構成する混合粉体の組成、粉体の粒径等を変化させることにより接合体の接合力の制御が可能であることがわかった。
【００９７】
比較例１は中間層を設けなかったためＨＡｐ層とＴｉ層が接合せず、また、ＨＡｐ層にクラックが入り崩壊した。比較例２では、中間層に第２の金属を含まないものであるためＨＡｐ層とＴｉ層が接合せず、また、ＨＡｐ層にクラックが入り崩壊した。比較例３では、焼結温度が低すぎるため焼結不良となり、ＨＡｐ層とＴｉ層が接合しなかった。
【００９８】
比較例４は焼結温度が高過ぎるため焼結不良となり、ＨＡｐ層とＴｉ層は接合したがその接合力は極めて小さく、さらにＨＡｐ層にクラックが入り崩壊した。
【００９９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のセラミックスと金属との接合方法によれば、焼結接合が困難である異種材料からなる固体―粉体間の接合も容易かつ確実に行うことができる。
【０１００】
また、セラミックスが高密度に焼結された場合であっても、加熱・冷却時等における応力によりクラックが発生することがなく、優れた接合力を発揮することができる。さらに、短時間で製造できるため、高効率よく接合体を製造することができる。焼結条件および中間層の構成を制御することにより、所望の接合力および強度の接合体を作製することが可能である。
【０１０１】
また、本発明の方法により得られた接合体は緻密に成形され、強度に優れるため、従来、二物質を接着していた部品の代替や、強度と靱性を併せ持つ生体材料等への応用等、多様な用途を広く展開することができる。
【０１０２】
さらに、生体適合性を有する材料からなる接合体は、信頼性の高い生体材料として広い用途が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】放電プラズマ焼結装置の全体図を示す概略断面図である。
【図２】図１の放電プラズマ焼結装置２の要部を示す概略断面図である。
【図３】本発明の接合方法の他の実施例において使用される原料混合粉体の断面図である。
【図４】積層体に印加されるパルス電圧の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の接合方法における昇温曲線の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
２ 放電プラズマ焼結装置
１０ 積層体
１２ セラミックス（ＨＡｐ）粉体
１４ 中間層
１５ 第１中間層
１６ 第２中間層
１８ 第１の金属（Ｔｉ）のブロック体
２０ 制御部
２２ 焼結用電源
２４ 加圧駆動機構
２５ 真空チャンバー
３０ 成形型
３２ パンチ（押圧子）
３４ パンチ（押圧子）
３６ カーボンペーパー
４２ 加圧ラム
４４ 加圧ラム
Claims (8)
- ハイドロキシアパタイト粉体と第１の金属のブロック体とを少なくとも１層の中間層を介在させて焼結しこれらを接合する接合方法において、
前記焼結は、放電プラズマ焼結法により、８００〜１１００℃の温度で行われるものであり、
前記中間層は、前記ハイドロキシアパタイトおよび前記第１の金属の双方と、前記第１の金属以外の第２の金属とを含有する混合粉体で構成されており、
前記第２の金属は、貴金属または貴金属を主とする合金であることを特徴とするセラミックスと金属との接合方法。 - 前記第２の金属は展延性に優れるものである請求項１に記載のセラミックスと金属との接合方法。
- 前記第２の金属は生体適合性を有する金属である請求項１または２に記載のセラミックスと金属との接合方法。
- 前記貴金属はＡｕおよびＡｇのうち少なくとも一方を含む請求項１ないし３のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合方法。
- 前記中間層中の前記第２の金属の含有量は５〜９０wt％である請求項１ないし４のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合方法。
- 前記第１の金属は生体適合性を有するものである請求項１ないし５のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合方法。
- 前記第１の金属はＴｉまたはＴｉ系合金である請求項１ないし６のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合方法。
- 請求項１ないし７のいずれかに記載の接合方法により接合されたことを特徴とするセラミックスと金属との接合体。
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| JPH11228247A (ja) | 1999-08-24 |
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