2021 Fiscal Year Annual Research Report
チタン接合界面における反応相とボイドの生成を抑止する焼結接合
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19K05043
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| Research Institution | Nagaoka National College of Technology |
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Principal Investigator |
青柳 成俊 長岡工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (70231785)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 元素拡散 / 界面組織 / 焼結挙動 / 酸化処理 / 界面強度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ジルコニアは化学的に安定かつ超硬質で優れた耐摩耗性を示す。一方、純チタンは優れた耐食性と機械的性質を持つが耐摩耗性は改善の余地がある。この両者を焼結接合することによりチタン表面を超硬質に改質し、生体医療材料用途として開発した。摺動面を有する生体医療用材料では耐摩耗性が重要で、純チタンにジルコニア粉末を焼結接合した接合材の組織と機械的特性の評価が必要である。焼結接合時の元素拡散によるボイド発生を抑制するため、純チタン表面を酸素雰囲気中で加熱して酸化させた。その後ジルコニア粉末を焼結接合した。酸化が接合界面組織に及ぼす影響を調べた。
本研究では、純チタン基材/ジルコニア粉末焼結接合材の界面組織と界面強度に及ぼす酸化条件の影響を明らかにした。酸化処理により純チタン表層部に酸素が固溶する。また表面には二酸化チタン（ルチル）膜を形成する。このような純チタン表面にジルコニア粉末を焼結接合して組織と強度特性を調べた。特に、純チタン表面の酸化処理が界面組織と界面強度に及ぼす影響を調べた。その結果、以下のことを明らかにした。(1)酸化温度の上昇とともに酸化膜が結晶成長する。900℃ で1時間酸化することでルチルが全表面に生成する。(2)焼結ジルコニアの表面硬さは、純チタンの酸化処理条件に依らず、いずれも1625HV程度を示す。酸化処理には影響されない。(3)900℃で1時間の条件で酸化膜が形成されると、焼結接合後のチタンの元素拡散が抑制される。その結果、粗大なボイドの生成が大きく低減できる。(4)酸化処理により界面せん断強度は向上する。以上から、900℃あるいは1000℃で純チタン表面を酸化処理すれば反応層の生成を抑制することが可能で、界面特性を向上できる。生体用チタン材料の表面を硬質化して優れた耐摩耗性機能を付与する手法を示した。将来的には生体医療用材として広範に使用できる可能性を示した。
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