JPS63250453A - セラミツクス刃物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はセラミックス刃物の改良に関する。ざらには耐
摩耗性、耐熱水性耐摩耗性などに優れたセラミックス刃
物に関する。

［従来の技術］ 従来からセラミックス刃物はよく知られている。

たとえばハサミ、カミソリ、包丁、ナイフ、繊維カッタ
ー、フィルムカッターなどにおいて既に実用化されてい
る。たとえばアルミナセラミックス、タングステン−カ
ーバイド超硬セラミックス、ジルコニアセラミックス、
及びこれらの混合体等がよく知られている。とくにセリ
ウム、イツトリウム、マグネシウム、カルシウムおよび
その他の希土類元素の酸化物により部分安定化されたジ
ルコニア（以後ＰＳＺと称する）を主成分とするセラミ
ックスは、強度、靭性、および耐摩耗性がきわめて高く
、この特性を利用して刃物として利用されている。

しかし刃こぼれなど耐久性に未だ問題がある。

また手術用のメスはこれまで金属製のものヤマイクロサ
ージエリー用としてダイヤモンド、サファイア、ルビー
刃を用いたものなどが利用されている。

しかしながら、金属製のものは耐食性および耐摩耗性が
比較的低く、このため劣化しやすくさらに切れあじにも
問題がある。

またダイヤモンド、サファイア、ルビー刃は大きさが限
られ、靭性、強度が低く、単結晶であるため方向性があ
るなど加工性が悪く、更に高価であるという問題点があ
る。

また、ＰＳＺは水の存在下で高温にざらされると、正方
品系から単斜晶系への転位が促進され、この結果ＰＳＺ
成型物にクラックができる欠点がおることが知られてお
り（たとえば本発明者の中島らの発表にかかる昭和６０
年窯業学会年会予稿集第６５７頁、第２回国際ジルコニ
ア会議Ｂ−２０（１９８３）、米国セラミック学会、「
ジルコニアの化学と技術」第１２巻第３９９頁（１９８
５）（＾ｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ、　
Ｖｏｌ、１２　５ｉｅｎｃｅ　ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ　ｏｆ　Ｚｉｒｃｏｎｉａ　■、Ｔｈｅ　Ａｍｅｒ
ｉＣａｎＣｅｒａｍｉｃｓ　５ｏｃｒｃｔｙ　）　、こ
のためＰＳＺは水による沸騰消毒が必要である外斜用の
メスとしては利用困難であった。かかる問題点は長年改
良することができなかった。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明はかかる従来技術の欠点を解消しようとするもの
であり、セラミックスの上にジルコニウムカーバイド、
ジルコニウムナイトライド、および炭化ケイ素から選択
された層からなる被膜を設けることにより、耐熱水性の
向上と、刃部の耐摩耗性を向上することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために下記の構成を有す
る。

「　セラミックス刃物において、セラミックスの表面に
ジルコニウムカーバイド、ジルコニウムナイトライド、
および炭化ケイ素から選択された少なくとも一つの被膜
を有することを特徴とするセラミックス刃物。」 本発明におけるセラミックスとは、アルミナ系セラミッ
クス、タングステン−カーバイド系超硬セラミックス、
ジルコニア系セラミックス、及びこれらの混合体（とく
にはアルミナ系とジルコニア系）等、刃物に適用できる
セラミックスであればいかなるものでもよい。ジルコニ
ウムカーバイド、ジルコニウムナイトライド、および炭
化ケイ素から選択された被膜を被覆すれば耐摩耗性が向
上できるからである。

このうちとくに顕著な効果を発揮するのはジルコニア系
セラミックスである。耐摩耗性が向上するとともに、前
記従来技術の項で説明したとおり耐熱水性も向上できる
からである。

本発明においてジルコニアを主成分とするセラミックス
とは、ジルコニアにセリウム、イツトリウム、マグネシ
ウム、カルシウムおよびその他の希土類元素の酸化物を
添加して得られるジルコニア（ＰＳＺ）を主成分とする
セラミックスである。

ＰＳＺとしては、なかでも、比較的低温で焼結可能であ
り、したがってより結晶粒子径を小さくでき機械的強度
をより大きくできる、イツトリア（酸化イツトリウム）
およびマグネシア（酸化マグネシウム）を含むＰＳＺが
好ましい。この場合、イツトリアでは全体に対して１〜
５モル％程度添加すれば良く、マグネシアでは７〜９モ
ル％程度の添加でよい。マグネシアとイツトリアを併用
しても良い。また正方品系の結晶を安定化させ、高い靭
性を有する焼結体を得ることができるという点でセリア
を添加することも好ましい。この場合セリアは全体の２
〜１０モル％程度添加することが適当である。もちろん
他の添加物を共用することもできる。

本発明におけるＰＳＺは、たとえばジルコニア粉末とイ
ツトリア粉末またはジルコニア粉末とマグネシア粉末を
所定の割合に混合し、ついでこれを８００〜１０００’
Ｃで仮焼した後粉砕することで合成できる。かかる仮焼
、粉砕を繰りかえして得た粉末をラバープレス法、金型
成型法などの周知の方法で所望の医用器具の形に成型し
、ついで１３００〜１７００℃まで２０〜１００’Ｃ／
ｈｒ程度の速度で昇温し、この温度で２〜６時間前後保
持し、ライで２０〜１８０’Ｃ／ｈｒの速度で８ｏｏ’
ｃ程度まで冷却し、ざらに室温まで冷却し成型物を得る
ことができる。このようにして得た焼結物の表面を研磨
し、ホーニング加工、ラッピング等で刃立をおこなう。

本発明におけるＰＳＺは正方品系の結晶溝造が主体であ
るものが好ましい。

ＰＳＺの表面に塗布して有効である炭化ケイ素薄膜は通
常炭素とケイ素を含有する原料からＣＶＤ等の方法で合
成できる。炭素とケイ素を含有する原料としてはこれら
の元素を同一の分子に含む、アルキルハロゲン化シラン
、等の化合物でもよく、メタン等の炭化水素とシラン等
のケイ素化合物との混合物でもよい。反応は通常水素等
の希釈剤の右下でおこなわれる。水素中の原料濃度は他
の条件により変化するが、０．１〜１０％程度が好適で
ある。しかしこの範囲に限定されるものではない。

反応はこれら原料を種々の方法で活性化し行なうことが
できる。活性化の方法としてはプラズマによる方法、熱
による方法、レーザ等の光エネルギーによる方法などが
挙げられる。プラズマは直流放電、ラジオ波、マイクロ
波等の電磁波等により励起される。マイクロ波で励起し
プラズマを発生させる場合には、マイクロ波電力および
周波数は広い範囲、たとえば数Ｗから数ＫＷ、１０８〜
１０１１Ｈ２に渡り選択可能である。基板をマイクロ波
の中に置くことも、マイクロ波の後に置くことも可能で
ある。ＰＳＺ基板はマイクロ波により発生するプラズマ
により熱せられるが、これとは別に適当な方法で基板を
熱し、または冷却し基板温度を調節することも可能であ
る。基板温度は通常５００〜１０００℃とされる。ラジ
オ波で原料を活性化する場合電源の結合は誘導的でも容
量的でもかまわない。この場合も周波数および電力は広
い範囲で選択できる。たとえば周波数は１０２〜１０７
Ｈ２に渡り選択可能である。また必要に応じ基板にバイ
アス電圧をかけることも可能である。

反応の圧力は原料の活性化方法にもよる。プラズマ法の
場合は、通常０．１〜１００　ｔｏｒｒ、とくに１〜４
０　ｔｏｒｒ前後が好適であり、熱ＣＶＤの場合には７
６０　ｔｏｒｒから１　ｔｏｒｒまでの範囲が好適であ
る。しかし、これ以外の圧力でもかまわない。

炭化ケイ素はＣＶＤ以外にスパッタ法等によってもセラ
ミクス上に作製できる。

またＰＳＺの表面に塗布して有効であるジルコニウムカ
ーバイドはＣＶＤ、スパッタ、反応性スパッタ、溶射法
およびイオンブレーティング法等により作製される。Ｃ
ＶＤ法においては原料として塩化ジルコニウム、臭化ジ
ルコニウム等のハロゲン化ジルコニウムとメタン、エタ
ン等の炭化水素が用いられ、キャリアーガスとしては通
常水素が用いられる。ＣＶＤの条件は炭化ケイ素の作製
とほぼ同じ条件でよい。

セラミックスとしてジルコニア系を用いる場合には、Ｃ
ＶＤ法においてメタン、エタン等の炭化水素のみを原料
としてプラズマにより活性化するかまたは約１５００℃
以上で反応させると、ジルコニアを構成する酸化ジルコ
ニウムがこれらの炭化水素により還元され、ジルコニア
成分を原料として添加しなくとも、ジルコニウムカーバ
イドが生成する。

ジルコニウムナイトライドもＣＶＤ、スパッタ、反応性
スパッタ、溶射法およびイオンブレーティング法等によ
り作製される。ＣＶＤ法においては原料として塩化ジル
コニウム、臭化ジルコニウム等のハロゲン化ジルコニウ
ムとアンモニア、ヒドラジン、メチルアミン等のアンモ
ニア化合物が用いられ、キャリアーガスとしては通常水
素、または窒素が用いられる。ＣＶＤの条件は炭化ケイ
素の作製とほぼ同じ条件でよい。

セラミックスとしてジルコニア系を用いる場合には、Ｃ
ＶＤ法においてアンモニア、ヒドラジン、メチルアミン
または窒素等の窒素を含む化合物のみを原料としてプラ
ズマにより活性化するかまたは１５００℃以上で反応さ
せると、ジルコニアを構成する酸化ジルコニウムがこれ
らの窒素を含゛む化合物により窒化され、ジルコニア成
分を原料として添加しなくとも、ジルコニウムナイトラ
イトが生成する。

本発明においては、これらのジルコニウムカーバイド、
ジルコニウムナイトライドおよび、炭化ケイ素が単独で
被覆されていてもよいが、これらの混合物がセラミック
スを被覆していてもよい。

ジルコニウムカーバイド、ジルコニウムナイトライド、
および炭化ケイ素から選択された被膜はその表面の耐熱
水性がＰＳＺと比較して増大していればよく特別の制限
はないが、その厚さは、通常３μｍ以下が好ましく、さ
らには、１μｍ以下、５００人程度で効果がおる。

また本発明の被覆層は単独で存在していてもよいし、他
の被覆層と積層されていてもよい。さらに本発明の被覆
層は、最表面層から内部のセラミック層に連続的に変化
していてもよい。

本発明の刃物は、前記の外科手術用メスの他、ハサミ、
カミソリ、包丁、ナイフ、繊維カッター、フィルムカッ
、ター、バリカン刃、特殊なものとして顕微鏡試料の作
製用のミクロトームのカッター刃などその用途を問わな
い。

次に図面を用いて説明する。

第１図Ａ−Ｆは本発明の外科手術用メスの一例である。

刃部としては長さ３〜１２ｍｍ程度幅１〜５ｍｍ厚さ０
．２〜０．７ｍｍ程度が適当である。刃を保持するホル
ダーとしてはいかなるものでもよい。

第２図は第１図りの刃部の断面図を示す。１はセラミッ
クス部、２はジルコニウムカーバイド、ジルコニウムナ
イトライド、および炭化ケイ素から選択された被覆部層
を示す。３が刃の先端部である。

［実施例］ 以下の実施例において更に具体的に説明するが本発明は
、これらに限定されるものではない。

実施例１ 純度９９．９％のオキシ塩化ジルコニウムと純度９９．
９％の塩化イツトリウムとを所定の割合で含む水溶液を
徐々に加熱蒸発し１ｑた生成物を１００℃で１５０時間
乾燥し、さらに１０００℃で空気中で２ｈｒ焼成した。

塩素イオンが検出できなくなるまで水洗し、ついでボー
ルミルで０．０５〜０．１μの粒径になるまで粉砕した
。このようにして得た粉末を１４７ＭＰａの圧力で成型
し、ついで１５００℃、２ｈｒ空気中で焼成した。得ら
れた焼結体のイツトリア含有量は２．５モル％であった
。

また曲げ強さをＪ　ｌ５ＲＩ　６０１の方法で測定した
結果、１１００ＭＰａであった。一方破壊靭性をインデ
ンテーションマイクロフラクヂャー法で測定した結果５
．８ＭＰａＪｍで必り、カサ密度は理論値の９８％であ
った。この焼結体を３０度の角度で刃つけし、表面荒さ
が０．８〜１．０μとなるまで研磨しＰＳＺ試料とした
。刃の形状は第１図Ｄ、及び第２図のとおりであった。

直径４０ｃｍの石英製反応管に厚さ３ｍｍ、大きさ３ｘ
１Ｑｍｍのイツトリアを２．５モル％含有するＰＳＺを
入れた。系を１０−７ｔｏｒｒまで減圧した後水素で４
０　ｔｏｒｒまでもどした。２％の５ｉＣｕ４を含む水
素を２００ｃｃ／ｍｉｎ　、メタンを１０００Ｃ／ｍｉ
ｎの流速で反応系に通し、電熱により外部から７００℃
に加熱し、１　Ｒ，間反応させた。

反応後、表面に生成した薄膜を評価した。試料のＸ線回
折スペクトルは２θ＝３５．５°の炭化ケイ素に基づく
ピークを示した。生成した薄膜の厚さは１．３μｍでめ
った。このようにして１ｑた炭化ケイ素をコートしたＰ
ＳＺを熱水処理（１４０℃、２０ｈｒ）した後、Ｘ線回
折法により正方品系と単斜量系の割合を求めるとともに
、肉眼により観察した。炭化ケイ素を塗布しないＰＳＺ
では単斜量系が９０．１モル％に増加していたが、炭化
ケイ素を塗布した試料では単斜量系は１５゜１モル％で
熱水処理の前の値にほぼ等しかった。

また肉眼観察により炭化ケイ素を塗１５シないＰＳＺで
は多数のクランクが試料の表面に認められたが、炭化ケ
イ素を塗布した試料ではクラックはまったく認められな
かった。

ざらに刃こぼれが少なく、耐摩耗性が良好でめった。

実施例２ 実施例１の方法でイツトリアを３．５モル％含有する３
ｘ５ｘ５ｍｍのＰＳＺ試料を作成した。マイクロ波発振
装置（２，５ＧＨ２，１，２に臀）で発生した電磁波を
導波管により直径４０ｍｍの石英製反応管に導いた。反
応管の内部に上述のＰＳＺ試料を保持し、反応管上部か
らメタンを１％含有する水素を４０ｍｌ／ｍｉｎの速度
で導入した。系で消費されたマイクロ波のエネルギーは
０，６ＫＷであった。４時間反応後試料を取り出し、表
面に生成したジルコニウムカーバイドを評価した。試料
のＥＳＣＡスクトルはＺｒ３ｄに帰属される１８１゜４
ｅＶおよびジルコニウムと結合している炭素に基づ＜２
８１．４ｅＶにピークを示した。この結果から、ジルコ
ニウムカーバイドの生成が確認された。生成した膜の厚
さは０．８μｍであった。

このようにして）評だジルコニウムカーバイドをコート
したＰＳＺを熱水処理（１４’Ｏ’Ｃ，３０ｈｒ）した
後、Ｘ線回折法により正方品系と単斜晶系の割合を求め
るとともに、肉眼により観察した。ジルコニウムカーバ
イド、を塗イ「シないＰＳＺでは単斜晶系が７０．８モ
ル％に増加していたが、ジルコニウムカーバイドを塗イ
１した試料では単斜晶系は７．９モル％で熱水処理の前
の値にほぼ等しかった。また肉眼観察によりジルコニウ
ムカーバイドを塗布しないＰＳＺでは多数のクラックが
試料の表面に認められたが、ジルコニウムカーバイドを
塗布した試料ではクラックはまったく認められなかった
。

ざらに刃こぼれが少なく、耐摩耗性が良好でめった。

実施例３ 実施例１の方法でイツトリアの代りにカルシアを３．５
モル％含有する３ｘ５ｘ５ｍｍのＰＳ７試利を作成した
。外径３Ｑｍｍの石英管に内径４Ｑｍｍの銅コイルを１
０回巻きこれを１３．５）ｆｌｌｚ　、２に臀のラジオ
波電源に容量的に結合した。圧力を１５　Ｔｏｒｒとし
、上述のＰＳＺを中に入れ、塩化ジルコニウムを１％含
有する窒素を６００Ｃ／ｍｉｎの流速で、またヒドラジ
ンを０．５％含有する窒素を４０ｍｌ／ｍｉｎの速さで
流し、２ｈｒ反応させた。

生成したジルコニウムナイトライドの膜の厚さは１．１
μｍであった。このようにして（ｑだジルコニウムナイ
トライドをコートしたＰＳＺを熱水処理（１４０’Ｃ１
３Ｑｈｒ）した俊、Ｘ線回折法により正方品系と単斜晶
系の割合を求めるとともに、肉眼により観察した。ジル
コニウムナイトライドを塗布しないＰＳＺでは単斜晶系
が８１．８モル％に増加していたが、ジルコニウムナイ
トライドを塗布した試料では単斜晶系は１２．６モル％
であった。また肉眼観察によりジルコニウムナイトライ
ドを塗布しないＰＳＺでは多数のクラックが試料の表面
に認められたが、ジルコニウムナイトライドを塗布した
試料ではクランクはまったく認められなかった。

ざらに刃こぼれが少なく、耐摩耗性が良好であった。

実施例４ 実施例１と同じ装置にアルミナ系セラミックス刃物（レ
ザー刃形状）の刃部を入れ、塩化ジルコニウムを１％含
有する水素（５９ｃｃ／ｍｉ　ｎ）とメタン（５ｃｃ／
ｍｉｎ＞とを導入した。系で消費されたマイクロ波のエ
ネルギーは１．０ＫＷであった。２時間反応後試料を取
り出し、表面に生成したジルコニウムカーバイドを評価
した。試料のＥＳＣＡスクトルはＺｒ３ｄに帰属される
１８１．４ｅＶおよびジルコニウムと結合している炭素
に基づ＜２８１．４６Ｖにピークを示した。この結果か
ら、ジルコニウムカーバイドの生成が確認された。生成
した膜の厚さは０．８μｍであった。

得られた刃物で１　、０００デニールのポリエステルフ
ィラメント糸を連続的に切断したところ、８万回切断し
ても刃こぼれはなかった。

これに対してジルコニウムカーバイド被膜の無いものは
、５千回で刃こぼれを生じた。

［発明の効果］ 本発明によって熱水消毒等においてクラックの生成しな
い耐熱水性を有するジルコニウムカーバイド、ジルコニ
ウムナイトライド、および炭化ケイ素から選択された被
膜を有するジルコニアセラミックスを得ることができた
。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ−Ｅは本発明の外科手術用メスの一例である。 第２図は第１図りの刃部の断面図を示す。１はセラミッ
クス部、２はジルコニウムカーバイド、ジルコニウムナ
イトライド、および炭化ケイ素から選択された被覆部居
を示す。３が刃の先端部でおる。 持直出願人　　東し株式会社 第１図 第２ｒｉＪ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス刃物において、セラミックスの表面
   にジルコニウムカーバイド、ジルコニウムナイトライド
   、および炭化ケイ素から選択された少なくとも一つの被
   膜を有することを特徴とするセラミックス刃物。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項において、セラミック
   ス刃物が、外科手術用メスであることを特徴とするセラ
   ミックス刃物。
3. （３）特許請求の範囲第（１）項において、ジルコニウ
   ムカーバイド、ジルコニウムナイトライド、および炭化
   ケイ素から選択された被膜の厚さが３μｍ以下であるこ
   とを特徴とするセラミックス刃物。
4. （４）特許請求の範囲第（１）項において、セラミック
   スが、ジルコニアを主成分とするセラミックスであるこ
   とを特徴とするセラミックス刃物。