人工関節用金属材料上への耐摩耗性を示す表面層の形成

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本研究では、骨結合能を付与可能なチタン合金上に、耐摩耗性に優れるAl_2O_3を形成させることにより、優れた骨結合性、耐摩耗性、破壊靭性を併せ示す新規の人工関節用部材の作製指針を明らかにすることを目的とする。しかし、既存の種々の方法では緻密で厚く、高い密着性を示すAl_2O_3を直接チタン合金上に形成することは困難なので、本研究では、まずコールドスプレー(以下、CSと略記)法によりAl金属層を形成後、それを選択的に酸化することによりAl_2O_3層を形成する方法を模索した。昨年度に、CS法によるAl金属の積層条件を明らかにしたので、今年度は、密着性向上のための中間層の形成と、選択的酸化が可能なマイクロアーク酸化(以下、MAOと略記)処理と、得られた試料の密着性や硬度などの力学的評価を行った。CS法でAlを積層した試料は、積層条件を選んでも、下地基板と熱膨張係数などの特性の違いから、切削過程で一部の界面に亀裂を生じやすかった。そこで、Alの融点以下の温度で試料を加熱することにより、その界面に緻密なTiとAlの反応層を傾斜的に形成し、切削しても亀裂を生じないように密着性を向上させることに成功した。ボールテストおよびビッカース試験により、反応層を約μm程度に薄くすると、圧こん周囲に亀裂を生じなかった。これは、ある程度の変形を許容できることを示唆している。続いて、Alを積層した試料をMAO処理することにより、強度低下を引き起こすTi-Al-O系の酸化物や酸化チタンの形成を抑制しながら、積層したAlのみを選択的に酸化し、その表面にAI203を形成することに成功した。最表面には多孔性のγ-Al_2O_3が形成されたが、その下部には緻密で十分な厚みを有するほぼ単相のα-Al_2O_3が形成された。厚さは処理時間により制御可能であった。得られたAl_2O_3層の硬度は1585-1730Hvであった。この値はAl_2O_3の物性値に近ため、耐摩耗性を示すと考えられる。以上のことから、本研究で提案した手法により、チタン合金表面にα-Al_2O_3層を形成させることができた。従って、本手法が、優れた骨結合性、耐摩耗性、破壊靭性を併せ示す新規の人工関節用部材を作製するための新たな手法として有効であることが示された。