JP4083275B2 - セラミックスと金属との接合方法 - Google Patents
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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、簡易な方法で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方法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）〜（３）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の金属粉体とを少なくとも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、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１の金属は、ＴｉまたはＴｉ系合金であり、
前記第２の金属は、前記第１の金属より展延性に優れた貴金属または貴金属基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）に記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００１０】
（３） 前記中間層中の前記第２の金属の含有量は５〜９０質量％である上記（２）に記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００２２】
【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。
【００２３】
図１は、本発明のセラミックスと金属との接合方法の実施例を示す概略図である。この図に示すように、本発明の接合方法は、セラミックス１２の粉体と第１の金属１８の粉体とを少なくとも１層の中間層１４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１４はセラミックス１２の粉体および第１の金属１８の粉体の双方と、前記第１の金属１８以外の第２の金属粉体とを含有する混合粉体であることを特徴とする。
【００２４】
このような中間層１４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。
【００２５】
また、中間層１４に第１の金属１８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１２と第１の金属１８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。
【００２６】
第２の金属としては、展延性に優れるものが用いられる。展延性に優れた第２の金属の柔軟性により、第１の金属１８とセラミックス１２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、応力の差により発生するクラックを防止することができる。また、粉体間、特に各層間の結合性が向上し、接合力を向上させることができる。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
中間層１４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５〜９０質量％が好ましく、２５〜５０質量％がより好ましい。第２の金属の含有量が５質量％未満の場合、上記の効果が有効に発揮されず、一方、９０質量％を超える場合、他の成分である第１の金属１８またはセラミックス１２の割合が小さくなり、第１の金属１８またはセラミックス１２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。
【００３１】
中間層１４は、上記のセラミックス１２および第１の金属１８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１４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１４中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１２および第１の金属１８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１４を調製することができる。また、中間層１４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。
【００３２】
本実施例では、中間層１４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１２側から第１の金属１８側へ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。このような構成とすることにより、中間層１４とセラミックス１２、中間層１４と第１の金属１８との接着強度を高めつつセラミックス１２と第１の金属１８との間に生じる温度差による材料の歪を軽減することができる。
【００３３】
本実施例では、中間層１４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１４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１４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１２の粉体と第１の金属１８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、後述する成形型３０内に投入する方法等が挙げられる。
【００３４】
中間層１４を構成する混合粉体を調整するために、乳鉢等を用いることができ、その他の混合機としては、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。
【００３５】
セラミックス１２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。
【００３６】
第１の金属としては、生体適合性を有するものが好ましく、具体的にはＴｉまたはＴｉ系合金が用いられる。これにより、上記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。
【００３７】
上述したセラミックスの粉体と第１の金属の粉体とは、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
図３は、材料粉末の積層体を加圧・加熱する放電プラズマ焼結装置２の要部を示す概略図である。放電プラズマ焼結装置２は、積層体の接合および粉体の焼結等に用いられるものであり、積層体や粉体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。
【００４１】
図３に示すように、セラミックス１２の粉体、中間層１４を構成する混合粉体、第１の金属１８の粉体を順次成形型３０に投入し積層体１０を形成する。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、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境界が不明瞭で連続的な接合体を得ることができる。
【００４２】
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なう。
【００４３】
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、後述の焼結用電源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。
【００４４】
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、第１の金属１８は、成形型３０あるいはパンチ３２のカーボンと反応する場合があるため、カーボンペーパー３６を介在させることにより、第１の金属１８が内壁面に固着するのを防止することができる。
【００４５】
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１の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。
【００４６】
この放電プラズマ焼結法は、成形型３０に直接通電することによりプラズマを発生させ焼結を行なう。
【００４７】
図４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、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なうのが好ましい。また、同様の理由から不活性ガス中で行うことも可能である。
【００４８】
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、積層体１０を加圧する加圧駆動機構２４、真空チャンバー２５内の脱気を行なう真空ポンプ２６を駆動制御するものである。
【００４９】
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。
【００５０】
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、図１（ｂ）に示す積層体１０の未接合の境界が密着し、積層体１０に通電することが可能になる。
【００５１】
図５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。
【００５２】
図６に、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セラミックス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。
【００５３】
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。
【００５４】
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なうことが好ましい。これにより、積層体１０の未接合の境界（例えば、セラミックス１２の粉体と第１中間層１５との境界、第１中間層１５と第２中間層１６との境界、および第２中間層１６と第１の金属１８の粉体との境界）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１２、中間層成分、第１の金属１８の各粉体の表面の溶融と拡散が促進される。この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。
【００５５】
さらに、第１中間層１５と第２中間層１６には、展延性に優れる第２の金属が含まれているため、互いに固相拡散し易く、また、第１中間層１５とセラミックス１２の層、第１の金属１８の層と第２中間層１６との接合も、第２の金属の存在によってより接合力の向上を図ることができる。
【００５６】
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、本発明の接合方法により製造された接合体を得ることができる。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態の接合方法は、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において未接合の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第１の金属および第２の金属表面の溶融を促進し、これにより、当該境界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。
【００５８】
また、各中間層１５および１６に含まれる第２の金属が展延性に優れるものであるため、第１の金属とセラミックスとの熱膨張率の差に起因する応力が吸収される。そのため、応力によって生じるセラミックスのクラックの発生を防止することができる。
【００５９】
以上、本発明のセラミックスと金属との接合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、第１の金属１８の粉体、セラミックの粉体１２は、各々予め任意の方法で加圧形成した圧粉体として用いてもよい。
【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、第１の金属（Ｔｉ）の粉体の平均粒径、重量および中間層の構成、各成分の重量を表１に示す。
【００６３】
【表１】
【００６４】
まず、図７に示すようにＳＰＳ装置用の成形型３０（カーボン製）に、表１に示すＴｉ粉体１８０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、Ａｕ粉体、Ｔｉ粉体からなる中間層１４０を構成する混合粉体を充填し、さらに大気炉で７００℃焼成した球状Ａｐ粉体１２０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１０に示す。
【００６６】
【表１０】
【００６７】
（実施例２）
まず、図８に示すようにＳＰＳ装置用の成形型３０（カーボン製）に、表２に示すＴｉ粉体１８０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とを充填し、さらに大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１２０を充填した。
【００６８】
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１０に示す。
【００６９】
【表２】
【００７０】
（実施例３）
まず、図８に示すようにＳＰＳ装置用の成形型３０（カーボン製）に、表３に示すＴｉ粉体１８０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、Ａｇ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と、大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１．０ｇ、Ａｇ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を充填し、さらに大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１２０を充填した。
【００７１】
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１０に示す。
【００７２】
【表３】
【００７３】
（実施例４）
焼結温度を８００℃とした以外は実施例２と同様にして、Ｔｉ粉体１８０、第１の中間層１６、第２の中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００７４】
（実施例５）
焼結温度を１１００℃とした以外は実施例２と同様にして、Ｔｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００７５】
（実施例６）
焼結時間を３０分とした以外は実施例２と同様にして、Ｔｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００７６】
（実施例７）
焼結時の加圧力を５００[kgf/cm2] とした以外は実施例２と同様にして、Ｔｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００７７】
（実施例８）
表４に示すように平均粒径２２μｍのＴｉ粉体の代わりに、１５０mesh以下のＴｉ粉体を使用した以外は実施例２と同様にしてＴｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００７８】
【表４】
【００７９】
（実施例９）
表５に示すように平均粒径４０μｍ球形の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２と同様にしてＴｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００８０】
【表５】
【００８１】
（実施例１０）
表６に示すように各中間層の混合粉体の組成を変化させた以外は、実施例２と同様にしてＴｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００８２】
【表６】
【００８３】
（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７に示すＴｉ粉体１８０とＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００８４】
【表７】
【００８５】
（比較例２）
まず、図９に示すように、ＳＰＳ装置用の成形型３０（カーボン製）に表８に示すＴｉ粉体１８０を充填した。
【００８６】
さらに、第２の金属を包含しない中間層を構成する混合粉体を充填した。すなわち、乳鉢を用いて混合した大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体０．２５ｇ、Ｔｉ粉体０．７５ｇからなる第２中間層１６を構成する混合粉体と、乳鉢を用いて混合した大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体０．５ｇ、Ｔｉ粉体０．５ｇからなる第３中間層１７を構成する混合粉体と、大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体０．７５ｇ、Ｔｉ粉体０．２５ｇからなる第１中間層１５を構成する混合粉体とを充填し、さらに大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１２０を充填した。
【００８７】
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、９５０℃、５分間保持して焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
【００８８】
【表８】
【００８９】
（比較例３）
焼結温度を７００℃とした以外は実施例２と同様にして、Ｔｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００９０】
【表９】
【００９１】
（比較例４）
焼結温度を１２００℃とした以外は実施例２と同様にして、表９に示すＴｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００９２】
２．接合体の接合力の評価
実施例１〜１０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。
【００９３】
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。
【００９４】
強度（σf ）[kgf/cm2] ＝（８×Ｐ×Ｌ）／（π×ｄ3 ）・・・（Ｉ）
【００９５】
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１０に示す。
【００９６】
以上の結果から、実施例１〜１０で得られた接合体は、図２に示すようにセラミックス１２、第１中間層１５、第２中間層１６および第１の金属１８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。
【００９７】
さらに圧力が同じであれば、焼結温度が高くなると原料粉末の粒成長が進行し緻密な接合体が得られ、一方、焼結温度を低くすると比較的空孔率の高い接合体が得られ、焼結温度を制御することにより接合体の接合力の加減が可能であることがわかった。
【００９８】
比較例１では中間層を介在させないものであるため、焼結過程において、応力によって無数のクラックが発生して崩壊し、接合体を得ることができなかった。
【００９９】
また、比較例２の第２の金属を含まない中間層を設けたものは、ＨＡｐとＴｉが接合せずＨＡｐにクラックが入り崩壊した。
【０１００】
比較例３は焼結温度が低過ぎたため十分な接合強度が得られず、比較例４は焼結温度が高過ぎるためＨＡｐとＴｉは接合したが、ＨＡｐにクラックが入り崩壊した。
【０１０１】
【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、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、優れた接合力を維持することができる。また、短時間で製造できるため高効率で、信頼性の高い接合体を製造することができる。
【０１０２】
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。さらに、焼結温度を制御することにより、接合力および空孔率の比較的高い接合体を作製することが可能であり、このような接合体は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】本発明のセラミックスと金属との接合方法の実施例を示す図である。
【図２】図１に示す接合方法により得られた接合体の接合面を模式的に示す図である。
【図３】放電プラズマ焼結装置の要部を示す概略図である。
【図４】図３の放電プラズマ焼結装置の全体図を示す概略図である。
【図５】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６】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。
【図７】本発明の接合方法の実施例において使用された原料混合粉体の断面図である。
【図８】本発明の接合方法の実施例において使用された原料混合粉体の断面図である。
【図９】本発明の接合方法の比較例において使用された原料混合粉体の断面図である。
【符号の説明】
１ 接合体
２ 放電プラズマ焼結装置
１０ 積層体
１２ セラミックス
１２０ ハイドロキシアパタイト粉体
１４ 中間層
１４０ 中間層
１５ 第１中間層
１６ 第２中間層
１７ 第３の中間層
１８ 第１の金属
１８０ Ｔｉ粉体
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、簡易な方法で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方法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）〜（３）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の金属粉体とを少なくとも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、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１の金属は、ＴｉまたはＴｉ系合金であり、
前記第２の金属は、前記第１の金属より展延性に優れた貴金属または貴金属基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）に記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００１０】
（３） 前記中間層中の前記第２の金属の含有量は５〜９０質量％である上記（２）に記載のセラミックスと金属との接合方法。
【００２２】
【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。
【００２３】
図１は、本発明のセラミックスと金属との接合方法の実施例を示す概略図である。この図に示すように、本発明の接合方法は、セラミックス１２の粉体と第１の金属１８の粉体とを少なくとも１層の中間層１４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１４はセラミックス１２の粉体および第１の金属１８の粉体の双方と、前記第１の金属１８以外の第２の金属粉体とを含有する混合粉体であることを特徴とする。
【００２４】
このような中間層１４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。
【００２５】
また、中間層１４に第１の金属１８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１２と第１の金属１８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。
【００２６】
第２の金属としては、展延性に優れるものが用いられる。展延性に優れた第２の金属の柔軟性により、第１の金属１８とセラミックス１２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、応力の差により発生するクラックを防止することができる。また、粉体間、特に各層間の結合性が向上し、接合力を向上させることができる。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
中間層１４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５〜９０質量％が好ましく、２５〜５０質量％がより好ましい。第２の金属の含有量が５質量％未満の場合、上記の効果が有効に発揮されず、一方、９０質量％を超える場合、他の成分である第１の金属１８またはセラミックス１２の割合が小さくなり、第１の金属１８またはセラミックス１２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。
【００３１】
中間層１４は、上記のセラミックス１２および第１の金属１８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１４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１４中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１２および第１の金属１８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１４を調製することができる。また、中間層１４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。
【００３２】
本実施例では、中間層１４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１２側から第１の金属１８側へ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。このような構成とすることにより、中間層１４とセラミックス１２、中間層１４と第１の金属１８との接着強度を高めつつセラミックス１２と第１の金属１８との間に生じる温度差による材料の歪を軽減することができる。
【００３３】
本実施例では、中間層１４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１４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１４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１２の粉体と第１の金属１８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、後述する成形型３０内に投入する方法等が挙げられる。
【００３４】
中間層１４を構成する混合粉体を調整するために、乳鉢等を用いることができ、その他の混合機としては、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。
【００３５】
セラミックス１２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。
【００３６】
第１の金属としては、生体適合性を有するものが好ましく、具体的にはＴｉまたはＴｉ系合金が用いられる。これにより、上記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。
【００３７】
上述したセラミックスの粉体と第１の金属の粉体とは、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
図３は、材料粉末の積層体を加圧・加熱する放電プラズマ焼結装置２の要部を示す概略図である。放電プラズマ焼結装置２は、積層体の接合および粉体の焼結等に用いられるものであり、積層体や粉体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。
【００４１】
図３に示すように、セラミックス１２の粉体、中間層１４を構成する混合粉体、第１の金属１８の粉体を順次成形型３０に投入し積層体１０を形成する。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、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境界が不明瞭で連続的な接合体を得ることができる。
【００４２】
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なう。
【００４３】
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、後述の焼結用電源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。
【００４４】
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、第１の金属１８は、成形型３０あるいはパンチ３２のカーボンと反応する場合があるため、カーボンペーパー３６を介在させることにより、第１の金属１８が内壁面に固着するのを防止することができる。
【００４５】
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１の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。
【００４６】
この放電プラズマ焼結法は、成形型３０に直接通電することによりプラズマを発生させ焼結を行なう。
【００４７】
図４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、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なうのが好ましい。また、同様の理由から不活性ガス中で行うことも可能である。
【００４８】
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、積層体１０を加圧する加圧駆動機構２４、真空チャンバー２５内の脱気を行なう真空ポンプ２６を駆動制御するものである。
【００４９】
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。
【００５０】
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、図１（ｂ）に示す積層体１０の未接合の境界が密着し、積層体１０に通電することが可能になる。
【００５１】
図５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。
【００５２】
図６に、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セラミックス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。
【００５３】
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。
【００５４】
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なうことが好ましい。これにより、積層体１０の未接合の境界（例えば、セラミックス１２の粉体と第１中間層１５との境界、第１中間層１５と第２中間層１６との境界、および第２中間層１６と第１の金属１８の粉体との境界）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１２、中間層成分、第１の金属１８の各粉体の表面の溶融と拡散が促進される。この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。
【００５５】
さらに、第１中間層１５と第２中間層１６には、展延性に優れる第２の金属が含まれているため、互いに固相拡散し易く、また、第１中間層１５とセラミックス１２の層、第１の金属１８の層と第２中間層１６との接合も、第２の金属の存在によってより接合力の向上を図ることができる。
【００５６】
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、本発明の接合方法により製造された接合体を得ることができる。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態の接合方法は、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において未接合の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第１の金属および第２の金属表面の溶融を促進し、これにより、当該境界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。
【００５８】
また、各中間層１５および１６に含まれる第２の金属が展延性に優れるものであるため、第１の金属とセラミックスとの熱膨張率の差に起因する応力が吸収される。そのため、応力によって生じるセラミックスのクラックの発生を防止することができる。
【００５９】
以上、本発明のセラミックスと金属との接合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、第１の金属１８の粉体、セラミックの粉体１２は、各々予め任意の方法で加圧形成した圧粉体として用いてもよい。
【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、第１の金属（Ｔｉ）の粉体の平均粒径、重量および中間層の構成、各成分の重量を表１に示す。
【００６３】
【表１】
まず、図７に示すようにＳＰＳ装置用の成形型３０（カーボン製）に、表１に示すＴｉ粉体１８０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、Ａｕ粉体、Ｔｉ粉体からなる中間層１４０を構成する混合粉体を充填し、さらに大気炉で７００℃焼成した球状Ａｐ粉体１２０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１０に示す。
【００６６】
【表１０】
（実施例２）
まず、図８に示すようにＳＰＳ装置用の成形型３０（カーボン製）に、表２に示すＴｉ粉体１８０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とを充填し、さらに大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１２０を充填した。
【００６８】
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１０に示す。
【００６９】
【表２】
（実施例３）
まず、図８に示すようにＳＰＳ装置用の成形型３０（カーボン製）に、表３に示すＴｉ粉体１８０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、Ａｇ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と、大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１．０ｇ、Ａｇ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を充填し、さらに大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１２０を充填した。
【００７１】
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１０に示す。
【００７２】
【表３】
（実施例４）
焼結温度を８００℃とした以外は実施例２と同様にして、Ｔｉ粉体１８０、第１の中間層１６、第２の中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００７４】
（実施例５）
焼結温度を１１００℃とした以外は実施例２と同様にして、Ｔｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００７５】
（実施例６）
焼結時間を３０分とした以外は実施例２と同様にして、Ｔｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００７６】
（実施例７）
焼結時の加圧力を５００[kgf/cm2] とした以外は実施例２と同様にして、Ｔｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００７７】
（実施例８）
表４に示すように平均粒径２２μｍのＴｉ粉体の代わりに、１５０mesh以下のＴｉ粉体を使用した以外は実施例２と同様にしてＴｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００７８】
【表４】
（実施例９）
表５に示すように平均粒径４０μｍ球形の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２と同様にしてＴｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００８０】
【表５】
（実施例１０）
表６に示すように各中間層の混合粉体の組成を変化させた以外は、実施例２と同様にしてＴｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００８２】
【表６】
（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７に示すＴｉ粉体１８０とＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００８４】
【表７】
（比較例２）
まず、図９に示すように、ＳＰＳ装置用の成形型３０（カーボン製）に表８に示すＴｉ粉体１８０を充填した。
【００８６】
さらに、第２の金属を包含しない中間層を構成する混合粉体を充填した。すなわち、乳鉢を用いて混合した大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体０．２５ｇ、Ｔｉ粉体０．７５ｇからなる第２中間層１６を構成する混合粉体と、乳鉢を用いて混合した大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体０．５ｇ、Ｔｉ粉体０．５ｇからなる第３中間層１７を構成する混合粉体と、大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体０．７５ｇ、Ｔｉ粉体０．２５ｇからなる第１中間層１５を構成する混合粉体とを充填し、さらに大気炉で７００℃焼成した球状ＨＡｐ粉体１２０を充填した。
【００８７】
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、９５０℃、５分間保持して焼結、加熱一体化し接合体を作製した。
【００８８】
【表８】
（比較例３）
焼結温度を７００℃とした以外は実施例２と同様にして、Ｔｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００９０】
【表９】
（比較例４）
焼結温度を１２００℃とした以外は実施例２と同様にして、表９に示すＴｉ粉体１８０、第２中間層１６、第１中間層１５、ＨＡｐ粉体１２０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１０に示す。
【００９２】
２．接合体の接合力の評価
実施例１〜１０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。
【００９３】
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。
【００９４】
強度（σf ）[kgf/cm2] ＝（８×Ｐ×Ｌ）／（π×ｄ3 ）・・・（Ｉ）
【００９５】
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１０に示す。
【００９６】
以上の結果から、実施例１〜１０で得られた接合体は、図２に示すようにセラミックス１２、第１中間層１５、第２中間層１６および第１の金属１８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。
【００９７】
さらに圧力が同じであれば、焼結温度が高くなると原料粉末の粒成長が進行し緻密な接合体が得られ、一方、焼結温度を低くすると比較的空孔率の高い接合体が得られ、焼結温度を制御することにより接合体の接合力の加減が可能であることがわかった。
【００９８】
比較例１では中間層を介在させないものであるため、焼結過程において、応力によって無数のクラックが発生して崩壊し、接合体を得ることができなかった。
【００９９】
また、比較例２の第２の金属を含まない中間層を設けたものは、ＨＡｐとＴｉが接合せずＨＡｐにクラックが入り崩壊した。
【０１００】
比較例３は焼結温度が低過ぎたため十分な接合強度が得られず、比較例４は焼結温度が高過ぎるためＨＡｐとＴｉは接合したが、ＨＡｐにクラックが入り崩壊した。
【０１０１】
【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、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、優れた接合力を維持することができる。また、短時間で製造できるため高効率で、信頼性の高い接合体を製造することができる。
【０１０２】
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。さらに、焼結温度を制御することにより、接合力および空孔率の比較的高い接合体を作製することが可能であり、このような接合体は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】本発明のセラミックスと金属との接合方法の実施例を示す図である。
【図２】図１に示す接合方法により得られた接合体の接合面を模式的に示す図である。
【図３】放電プラズマ焼結装置の要部を示す概略図である。
【図４】図３の放電プラズマ焼結装置の全体図を示す概略図である。
【図５】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６】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。
【図７】本発明の接合方法の実施例において使用された原料混合粉体の断面図である。
【図８】本発明の接合方法の実施例において使用された原料混合粉体の断面図である。
【図９】本発明の接合方法の比較例において使用された原料混合粉体の断面図である。
【符号の説明】
１ 接合体
２ 放電プラズマ焼結装置
１０ 積層体
１２ セラミックス
１２０ ハイドロキシアパタイト粉体
１４ 中間層
１４０ 中間層
１５ 第１中間層
１６ 第２中間層
１７ 第３の中間層
１８ 第１の金属
１８０ Ｔｉ粉体
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 (3)
- ハイドロキシアパタイト粉体と第１の金属粉体とを少なくとも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、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１の金属は、ＴｉまたはＴｉ系合金であり、
前記第２の金属は、前記第１の金属より展延性に優れた貴金属または貴金属基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５〜９０質量％である請求項２に記載のセラミックスと金属との接合方法。
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