JPH10251057A - Sintering method of calcium phosphate ceramic material - Google Patents
Sintering method of calcium phosphate ceramic materialInfo
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- JPH10251057A JPH10251057A JP9327054A JP32705497A JPH10251057A JP H10251057 A JPH10251057 A JP H10251057A JP 9327054 A JP9327054 A JP 9327054A JP 32705497 A JP32705497 A JP 32705497A JP H10251057 A JPH10251057 A JP H10251057A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、骨補填材、人工骨
等の生体材料として使用されるリン酸カルシウム系セラ
ミックスの焼結方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for sintering a calcium phosphate-based ceramic used as a biomaterial such as a bone substitute or an artificial bone.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、骨補填材、人工骨等の生体材
料として使用されるリン酸カルシウム系セラミックスの
焼結方法としては、粉体を加圧しながら焼結するホット
プレス（ＨＰ）、ホットプレスの一種で粉体を全方向か
ら等圧で加圧しながら焼結する熱間静水圧プレス（ＨＩ
Ｐ）、予め冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）などで成形した
成形体を常圧下で焼結する常圧焼結等が知られている。2. Description of the Related Art Conventionally, methods for sintering calcium phosphate-based ceramics used as biomaterials such as bone replacement materials and artificial bones include hot press (HP), which sinters powder while pressing it, and hot press. A type of hot isostatic press (HI) that sinters powder while pressing it at equal pressure from all directions.
P), normal pressure sintering, and the like, in which a compact previously formed by a cold isostatic press (CIP) or the like is sintered under normal pressure, are known.
【０００３】[0003]
【解決しようとする課題】しかしながら、このような従
来の焼結方法で、焼結体の十分な機械的強度を得るに
は、１０００〜１１００°Ｃで４〜５時間保持する必要
がある。そのため、焼結に費やす所用時間は、焼結装置
（炉）の昇温及び降温に要する時間を含めて２４時間程
度となり、時間がかかり過ぎるという問題点がある。さ
らに、ホットプレスや熱間静水圧プレスによる焼結法の
場合、大がかりな設備を必要とするためコストがかかる
上、設備の取り扱い操作が複雑になるという問題点があ
る。However, in order to obtain sufficient mechanical strength of the sintered body by such a conventional sintering method, it is necessary to hold the sintered body at 1000 to 1100 ° C. for 4 to 5 hours. Therefore, the time required for sintering is about 24 hours including the time required for raising and lowering the temperature of the sintering apparatus (furnace), and there is a problem that it takes too much time. Furthermore, in the case of the sintering method using a hot press or a hot isostatic press, there is a problem that a large-scale facility is required, so that the cost is high and a handling operation of the facility becomes complicated.
【０００４】本発明は、上記のような事情に鑑み、短い
焼結時間で緻密な焼結体を得ることができるリン酸カル
シウム系セラミックスの焼結方法を提供することを目的
とするものである。[0004] In view of the above-mentioned circumstances, an object of the present invention is to provide a method for sintering a calcium phosphate-based ceramic which can obtain a dense sintered body in a short sintering time.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの、本発明によるリン酸カルシウム系セラミックスの
焼結方法は、リン酸カルシウム系セラミックスの粉体を
所定の押圧力で圧縮して圧粉体とすると共に、当該圧粉
体にパルス状電圧を印可することにより、リン酸カルシ
ウム系セラミックスを所定温度に加熱するものである。
このようにリン酸カルシウム系セラミックスの圧粉体に
パルス状電圧を印可することによって、圧粉体を自身の
ジュール熱により加熱すると同時に、圧粉体内部の空隙
における放電現象を利用して緻密化を促進させることが
できる。そのため、常温焼結・ホットプレス・熱間静水
圧プレス等に比較して低温且つ短時間で、緻密な焼結体
を得ることができる。According to the present invention, there is provided a method for sintering a calcium phosphate-based ceramic according to the present invention. At the same time, a pulsed voltage is applied to the green compact to heat the calcium phosphate-based ceramic to a predetermined temperature.
By applying a pulse-like voltage to the calcium phosphate-based ceramic compact in this way, the compact is heated by its own Joule heat, and at the same time, the densification is promoted by utilizing the discharge phenomenon in the voids inside the compact. Can be done. Therefore, a dense sintered body can be obtained at a lower temperature and in a shorter time as compared with room temperature sintering, hot pressing, hot isostatic pressing and the like.
【０００６】上記の圧縮を、導電性材料で構成された成
形型及び押圧子を用いて行い、上記のパルス状電圧を当
該成形型及び押圧子を介して圧粉体に印加するようにす
れば、加圧と加熱を共通の装置で行うことが可能にな
る。なお、リン酸カルシウム系セラミックスとしては、
ハイドロキシアパタイト、第３リン酸カルシウム等を使
用することができる。[0006] If the above-mentioned compression is performed by using a molding die and a pressing element made of a conductive material, and the above-mentioned pulse voltage is applied to the green compact through the molding die and the pressing element. Pressurization and heating can be performed by a common device. In addition, as calcium phosphate ceramics,
Hydroxyapatite, tricalcium phosphate and the like can be used.
【０００７】特に、粒子径５μｍから１００μｍのリン
酸カルシウム系セラミックス粉体を、５ＭＰａから３０
ＭＰａの押圧力で圧縮することによって、内部にある程
度の空隙を含んだ圧粉体を得ることができる。この圧粉
体にパルス電圧を印可し、圧粉体を９００°Ｃ〜１１０
０°Ｃの所定温度で５分から１５分の間加熱することに
よって、圧粉体全体を焼結させることができる。[0007] Particularly, calcium phosphate ceramic powder having a particle size of 5 μm to 100 μm is
By compressing with a pressing force of MPa, it is possible to obtain a green compact including a certain amount of voids inside. A pulse voltage is applied to the green compact, and the green compact is heated to 900 ° C to 110 ° C.
By heating at a predetermined temperature of 0 ° C. for 5 to 15 minutes, the entire green compact can be sintered.
【０００８】なお、成形型と押圧子との間に導電性材料
でできたシートを介在させることによって、押圧子が成
形型の内周面に食いつくことなくスムースに摺動させる
ことができる。また、粉体と押圧子との間に導電性材料
で形成されたシートを介在させることによって、押圧子
により与えられる押圧力が粉体に局所的に集中すること
が防止される。By interposing a sheet made of a conductive material between the molding die and the pressing member, the pressing member can smoothly slide without digging into the inner peripheral surface of the molding die. Further, by interposing a sheet formed of a conductive material between the powder and the pressing element, the pressing force applied by the pressing element is prevented from being locally concentrated on the powder.
【０００９】[0009]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。実施の形態では、放電焼結装置を用いてリ
ン酸カルシウム系セラミックスの焼結を行う。放電焼結
装置は、粉体を圧縮して圧粉体とし、この圧粉体にパル
ス電圧を印可することによって、粉体に生ずるジュール
熱と粉体粒子間に生ずる放電現象及び電界拡散効果を利
用して焼結を促進するものである。Next, an embodiment of the present invention will be described. In the embodiment, the calcium phosphate-based ceramic is sintered using a discharge sintering apparatus. The discharge sintering device compresses the powder into a green compact, and applies a pulse voltage to the green compact to reduce the Joule heat generated in the powder, the discharge phenomenon generated between the powder particles, and the electric field diffusion effect. It is used to promote sintering.
【００１０】図１に放電焼結装置の概略構成を示す。放
電焼結装置２は、粉体１を装填する成形型３０及び、成
形型３０内の粉体を押圧・圧縮する上下一対のパンチ
（押圧子）３２，３４を有している。パンチ３２，３４
は、加圧駆動機構２４により駆動される上下一対の加圧
ラム４２，４４に夫々取り付けられている。FIG. 1 shows a schematic configuration of a spark sintering apparatus. The discharge sintering apparatus 2 includes a molding die 30 into which the powder 1 is loaded, and a pair of upper and lower punches (pressing elements) 32 and 34 for pressing and compressing the powder in the molding die 30. Punches 32, 34
Are mounted on a pair of upper and lower pressure rams 42 and 44 driven by the pressure drive mechanism 24, respectively.
【００１１】粉体１にパルス電圧を印可させるため、成
形型３０及びパンチ３２，３４は導電性の部材で構成さ
れており、パンチ３２，３４は加圧ラム４２，４４内に
設けられた図示しない給電端子を介して、焼結用電源２
２に接続されている。即ち、焼結用電源２２により発生
したパルス電流が、成形型３０及びパンチ３２，３４を
介して粉体１を流れるように構成されている。In order to apply a pulse voltage to the powder 1, the mold 30 and the punches 32 and 34 are made of conductive members, and the punches 32 and 34 are provided in pressurizing rams 42 and 44. Power supply for sintering 2
2 are connected. That is, the pulse current generated by the power source 22 for sintering is configured to flow through the powder 1 via the molding die 30 and the punches 32 and 34.
【００１２】なお、粉体１の焼結時の酸化を防止するた
め、成形型３０及びパンチ３２，３４は、真空ポンプ２
６を備えた真空チャンバー２５内に収容されている。真
空チャンバー２５内は所定の真空度（例えば１０-2Ｔｏ
ｒｒ）に維持される。なお、真空チャンバー内は、真空
の代わりにアルゴン雰囲気等としても良い。In order to prevent the powder 1 from being oxidized during sintering, the mold 30 and the punches 32 and 34 are connected to the vacuum pump 2.
6 is housed in a vacuum chamber 25 provided with the same. The inside of the vacuum chamber 25 has a predetermined degree of vacuum (for example, 10 −2 To
rr). Note that the inside of the vacuum chamber may be an argon atmosphere or the like instead of the vacuum.
【００１３】図２に、放電焼結装置２の成形型３０及び
パンチ３２，３４を拡大して示す。成形型３０は、所望
の焼結体形状に応じた形状に構成することができるが、
ここでは、成形型３０はシリンダ形状に構成され、パン
チ３２，３４は成形型３０の内周に嵌挿される円柱形状
に構成されている。即ち、本実施形態では円柱ペレット
状の焼結体が得られる。なお、成形型３０及びパンチ３
２，３４は、導電性を持つカーボンで構成されている
が、導電性と耐熱性及び加圧に耐えうるだけの強度を持
つものであれば他の材質、例えば超硬合金で構成しても
良い。FIG. 2 is an enlarged view of the mold 30 and the punches 32 and 34 of the spark sintering apparatus 2. The molding die 30 can be formed in a shape corresponding to a desired sintered body shape.
Here, the forming die 30 is formed in a cylindrical shape, and the punches 32 and 34 are formed in a cylindrical shape to be inserted into the inner periphery of the forming die 30. That is, in this embodiment, a cylindrical pellet-shaped sintered body is obtained. The molding die 30 and the punch 3
2, 34 are made of conductive carbon, but may be made of another material, for example, a cemented carbide, as long as they have conductivity, heat resistance, and strength enough to withstand pressure. good.
【００１４】粉体１を圧縮する際のクッションとして、
成形型３０の内周面にはカーボンペーパー３６が貼られ
ている。カーボンペーパー３６は、粉体１に電圧を印可
する際の抵抗にならないよう導電性のカーボンで形成さ
れている。パンチ３２，３４と成形型３０内周の間にカ
ーボンペーパー３６が介在しているため、パンチ３２，
３４は成形型３０内周に食いつくことなく、スムースに
摺動することができる。また、パンチ３２，３４により
付与される押圧力が粉体１に局所的に集中することを防
止するため、パンチ３２，３４の端面にもカーボンペー
パー３８が貼られている。As a cushion when the powder 1 is compressed,
A carbon paper 36 is attached to the inner peripheral surface of the mold 30. The carbon paper 36 is formed of conductive carbon so as not to become a resistance when a voltage is applied to the powder 1. Since the carbon paper 36 is interposed between the punches 32 and 34 and the inner periphery of the molding die 30, the punches 32 and 34
34 can slide smoothly without digging into the inner periphery of the mold 30. Further, in order to prevent the pressing force applied by the punches 32 and 34 from being locally concentrated on the powder 1, carbon paper 38 is also attached to the end surfaces of the punches 32 and 34.
【００１５】図１に示す制御部２０は、加圧駆動機構２
４、焼結用電源２２、真空ポンプ２６、及び冷却系２８
を駆動制御するものである。制御部２０は、加圧駆動機
構２４を駆動し、パンチ３２，３４が所定の押圧力で粉
体１を圧縮して圧粉体１’とするよう構成されている。
粉体１に与えられる押圧力は、最大１００ＭＰａまで設
定することができる。The control unit 20 shown in FIG.
4. Power supply 22 for sintering, vacuum pump 26, and cooling system 28
Is driven. The control unit 20 is configured to drive the pressure driving mechanism 24 so that the punches 32 and 34 compress the powder 1 with a predetermined pressing force to form the powder 1 ′.
The pressing force applied to the powder 1 can be set up to a maximum of 100 MPa.
【００１６】圧粉体１’の温度は、成形型３０に取り付
けられた図示しない熱電対により検出される。検出値は
制御部２０に入力され、制御部２０は当該検出値に基づ
いて焼結用電源２２を駆動しパルス電圧を発生させる。
図３は、パルス電圧の一例を模式的に示す図である。パ
ルス電圧は直流電圧のオン／オフパターンからなる矩形
状のパルスであり、１回のオン／オフが１パルスｔを構
成している。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の比は１：１
から１２：１の範囲、例えば６：１である。The temperature of the compact 1 ′ is detected by a thermocouple (not shown) attached to the mold 30. The detected value is input to the controller 20, and the controller 20 drives the sintering power supply 22 based on the detected value to generate a pulse voltage.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an example of a pulse voltage. The pulse voltage is a rectangular pulse composed of an on / off pattern of a DC voltage, and one on / off constitutes one pulse t. In one on / off operation, the ratio of the on-state duration t1 to the off-state duration t0 is 1: 1.
To 12: 1, for example 6: 1.
【００１７】電圧Ｅは０から数ボルトまで調節可能であ
り、パルスの周期は３００Ｈｚから３０ｋＨｚまで調節
可能である。制御部２０は、圧粉体１’の温度の検出値
が、予め設定された昇温曲線と一致するよう、電圧Ｅあ
るいはパルス周期を調節するよう構成されている。The voltage E is adjustable from 0 to several volts, and the pulse period is adjustable from 300 Hz to 30 kHz. The control unit 20 is configured to adjust the voltage E or the pulse period so that the detected value of the temperature of the green compact 1 ′ matches a preset temperature rising curve.
【００１８】なお、放電焼結装置２は、焼結終了後の冷
却のための冷却系２８を有している。冷却系２８は、下
方の加圧ラム４４内に形成された冷却水通路２９に連通
している。焼結が完了すると、制御部２０は冷却系２８
を作動して冷却水通路２９に冷却水を循環させ、焼結体
及び成形型３０を短時間で常温まで降温させる。The spark sintering apparatus 2 has a cooling system 28 for cooling after sintering is completed. The cooling system 28 communicates with a cooling water passage 29 formed in the lower pressure ram 44. When the sintering is completed, the control unit 20 sets the cooling system 28
Is operated to circulate the cooling water through the cooling water passage 29, and the temperature of the sintered body and the mold 30 is lowered to room temperature in a short time.
【００１９】このような放電焼結装置２を用いた焼結法
は、圧粉体自体のジュール熱を利用しているため、誘導
加熱あるいは輻射加熱を用いた焼結法に比べ高い熱効率
を持つ。また、パルス状電圧を圧粉体に印可することに
よって、粉体粒子間の空隙で放電現象及び電界拡散効果
を生じさせ、放電に伴う局所的な高温により粒子間のネ
ック（剄部）の成長を促進させることができる。そのた
め、直流電圧あるいは交流電圧を印可した場合よりも焼
結を短時間で進めることができる。Since the sintering method using such a discharge sintering apparatus 2 utilizes the Joule heat of the green compact itself, it has higher thermal efficiency than the sintering method using induction heating or radiant heating. . In addition, by applying a pulsed voltage to the green compact, a discharge phenomenon and an electric field diffusion effect occur in the gaps between the powder particles, and a neck between the particles grows due to local high temperature accompanying the discharge. Can be promoted. Therefore, sintering can be advanced in a shorter time than when a DC voltage or an AC voltage is applied.
【００２０】次に、上記の放電焼結装置を用いて、リン
酸カルシウム系セラミックスを焼結する方法について図
１を参照して説明する。焼結に用いるリン酸カルシウム
系セラミックスの粉体は、平均粒径５〜１００μｍのも
のが望ましい。これは、粒径が大きすぎると粉体内の空
隙が多過ぎて通電による緻密化が難しくなり、逆に粒径
が小さすぎると焼結時に粒成長しすぎて機械的強度が低
下するためである。Next, a method for sintering a calcium phosphate-based ceramic using the above-described discharge sintering apparatus will be described with reference to FIG. The calcium phosphate ceramic powder used for sintering preferably has an average particle size of 5 to 100 μm. This is because if the particle size is too large, the voids in the powder are too large and it is difficult to densify by energization, and if the particle size is too small, the particles grow too much during sintering and the mechanical strength decreases. .
【００２１】粉体１を成形型３０に装填した後、真空チ
ャンバー２５は密閉され、真空チャンバー２５内の真空
度は１０-2Ｔｏｒｒ程度に保持される。制御部２０は加
圧駆動機構２４を作動してパンチ３２，３４により所定
の押圧力で成形型３０内の粉体１の圧縮を行う。押圧力
が小さすぎると粉体内の空隙が多過ぎて通電による緻密
化が難しくなり、逆に押圧力が大きすぎると通電開始前
に空隙が無くなって抵抗が減少し過ぎるため、押圧力は
５〜３０ＭＰａに設定される。After the powder 1 is loaded into the mold 30, the vacuum chamber 25 is sealed, and the degree of vacuum in the vacuum chamber 25 is maintained at about 10 -2 Torr. The control unit 20 operates the pressure driving mechanism 24 to compress the powder 1 in the molding die 30 with a predetermined pressing force by the punches 32 and 34. If the pressing force is too small, there are too many voids in the powder and it becomes difficult to make the powder dense by energization. Conversely, if the pressing force is too large, the voids disappear before the energization starts and the resistance decreases too much. It is set to 30 MPa.
【００２２】粉体１が圧縮され圧粉体となると、焼結用
電源２２により圧粉体１’にパルス電圧が印可される。
制御部２０は、図４に一例を示す昇温曲線に従って焼結
用電源２２を駆動制御する。リン酸カルシウム系セラミ
ックスの場合、昇温曲線のピーク温度Ｔ（保持温度）は
９００〜１１００°Ｃであり、保持時間は５〜１５分で
ある。また、この場合、圧粉体１’に印可される電圧は
数Ｖ程度である。When the powder 1 is compressed into a green compact, a pulse voltage is applied to the green compact 1 ′ by the power source 22 for sintering.
The control unit 20 controls the driving of the sintering power supply 22 according to a temperature rise curve shown in FIG. In the case of calcium phosphate ceramics, the peak temperature T (holding temperature) of the temperature rising curve is 900 to 1100 ° C, and the holding time is 5 to 15 minutes. In this case, the voltage applied to the green compact 1 'is about several volts.
【００２３】図４に示すように、通電開始後約１０分で
保持温度まで昇温させることができる。また、保持終了
後は、制御部２０は前述の冷却系２８を作動し、圧粉体
１’（既に焼結体になっている）を常温まで３０分程度
で冷却することができる。このように昇温・保持・降温
を含む加熱処理に要する時間は５０分である。焼結体の
温度が常温まで降下すると、真空チャンバー２５の真空
を解除し、焼結体を成形型３０から取り出す。なお、焼
結体は周囲を前述のカーボンペーパー３６により囲まれ
ているため、成形型３０からの離型性は良い。As shown in FIG. 4, the temperature can be raised to the holding temperature about 10 minutes after the start of energization. After the holding is completed, the control unit 20 activates the above-described cooling system 28, and can cool the green compact 1 ′ (already a sintered body) to room temperature in about 30 minutes. Thus, the time required for the heat treatment including the temperature rise / hold / temperature decrease is 50 minutes. When the temperature of the sintered body drops to room temperature, the vacuum in the vacuum chamber 25 is released, and the sintered body is taken out of the mold 30. Since the sintered body is surrounded by the above-described carbon paper 36, the releasability from the mold 30 is good.
【００２４】[0024]
【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。 （実施例１）実施例１は、リン酸カルシウム系セラミッ
クスとして、ハイドロキシアパタイトを用いるものであ
る。ハイドロキシアパタイトの粉体は、平均粒径が約４
０μｍであり、焼結助剤は含まれていない。粉体を圧縮
する際の押圧力は１５ＭＰａであり、圧粉体を加熱する
際の保持温度は９７５°Ｃ、保持時間は５分である。ま
た、昇温及び降温は夫々１０分及び３０分で行う。な
お、成形型は、外径４０ｍｍ、内径１５．４ｍｍ、高さ
３０ｍｍの円筒型のカーボン型を用いる。このようにし
て得られた焼結体の嵩密度と、圧縮強度試験により得ら
れた強度の測定結果を以下の表１に示す。Next, embodiments of the present invention will be described. (Example 1) In Example 1, hydroxyapatite is used as a calcium phosphate-based ceramic. Hydroxyapatite powder has an average particle size of about 4
0 μm, and does not include a sintering aid. The pressing force when compressing the powder is 15 MPa, the holding temperature when heating the green compact is 975 ° C., and the holding time is 5 minutes. The temperature rise and the temperature decrease are performed in 10 minutes and 30 minutes, respectively. Note that a cylindrical carbon mold having an outer diameter of 40 mm, an inner diameter of 15.4 mm, and a height of 30 mm is used as a molding die. Table 1 below shows the bulk density of the sintered body thus obtained and the measurement results of the strength obtained by the compression strength test.
【００２５】一方、比較例として、ハイドロキシアパタ
イトの粉体を冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）により成形し
た後、常圧焼結法により１０７０°Ｃ（保持時間は４時
間）で焼結した焼結体についての測定結果を表１に示
す。On the other hand, as a comparative example, a hydroxyapatite powder was formed by cold isostatic pressing (CIP) and then sintered at 1070 ° C. (holding time: 4 hours) by normal pressure sintering. Table 1 shows the measurement results for the body.
【００２６】[0026]
【表１】 嵩密度（g/cm3） 相対密度（％） 圧縮強度（MPa） 実施例１ ３．１３ ９９．１ ３８．５ 比較例（常圧焼結） ３．１４ ９９．４ ３３．４Table 1 Bulk density (g / cm3) Relative density (%) Compressive strength (MPa) Example 1 3.13 99.1 38.5 Comparative example (normal pressure sintering) 3.14 99.4 33.4
【００２７】表１に示すように、実施例１の焼結方法に
よって、相対密度９９％以上の緻密な燒結体が得られ
た。また、実施例１による焼結体の圧縮強度試験による
強度は３８．５ＭＰａで、比較例の常圧焼結で得られた
焼結体よりも高い値を示している。また、３０分という
短時間で降温したにも係わらず、焼結体にクラックが発
生することは無かった。As shown in Table 1, a dense sintered body having a relative density of 99% or more was obtained by the sintering method of Example 1. Further, the strength of the sintered body according to the example 1 in the compression strength test was 38.5 MPa, which is higher than that of the sintered body obtained by the normal pressure sintering of the comparative example. In addition, no crack was generated in the sintered body despite the temperature drop in a short time of 30 minutes.
【００２８】（実施例２、３）実施例１における保持温
度を９５０°Ｃと９００°Ｃに夫々変更し、保持温度以
外は実施例１と同一条件とした。即ち、粉体の平均粒径
は約４０μｍ、押圧力は１５ＭＰａ、保持時間は５分、
昇温及び降温は夫々１０分及び３０分とした。また、成
形型は、実施例１と同様のものを用いた。実施例２、３
による焼結体の嵩密度及び圧縮強度の測定結果を以下の
表２に示す。(Examples 2 and 3) The holding temperature in Example 1 was changed to 950 ° C. and 900 ° C., respectively, and the conditions were the same as in Example 1 except for the holding temperature. That is, the average particle size of the powder is about 40 μm, the pressing force is 15 MPa, the holding time is 5 minutes,
The temperature was raised and lowered for 10 minutes and 30 minutes, respectively. The same mold as that used in Example 1 was used. Examples 2 and 3
Table 2 below shows the measurement results of the bulk density and the compressive strength of the sintered body according to the present invention.
【００２９】[0029]
【表２】 嵩密度（g/cm3） 相対密度（％） 強度（MPa） 実施例２（９５０°Ｃ） ２．７２ ８６ ２０ 実施例３（９００°Ｃ） ２．４８ ７９ １７．５ Table 2 Bulk density (g / cm3) Relative density (%) Strength (MPa) Example 2 (950 ° C) 2.72 86 20 Example 3 (900 ° C) 2.48 79 17.5
【００３０】表２に示すように、実施例２、３の焼結方
法によっても、緻密な燒結体が得られた。また、降温中
に焼結体にクラックが発生することも無かった。As shown in Table 2, dense sintered bodies were obtained by the sintering methods of Examples 2 and 3. Also, no cracks occurred in the sintered body during the temperature drop.
【００３１】（実施例４、５）実施例３におけるハイド
ロキシアパタイト粉体の平均粒径（４０μｍ）を１０μ
ｍ、８０μｍに夫々変更して焼結を行った。粉体粒径以
外は実施例３と同一条件とした。即ち、押圧力は１５Ｍ
Ｐａ、保持温度は９００°Ｃ、保持時間は５分、昇温及
び降温は夫々１０分及び３０分とした。また、成形型
は、実施例３と同様のものを用いた。実施例４、５の焼
結方法によっても緻密な燒結体が得られた。また、降温
中に焼結体にクラックが発生することも無かった。(Examples 4 and 5) The average particle size (40 μm) of the hydroxyapatite powder in Example 3 was set to 10 μm.
m and 80 μm, respectively, and sintering was performed. Except for the powder particle size, the conditions were the same as in Example 3. That is, the pressing force is 15M
Pa, the holding temperature was 900 ° C., the holding time was 5 minutes, and the temperature increase and decrease were 10 minutes and 30 minutes, respectively. The same mold as that used in Example 3 was used. Dense sintered bodies were obtained by the sintering methods of Examples 4 and 5. Also, no cracks occurred in the sintered body during the temperature drop.
【００３２】（実施例６、７）実施例３における粉体圧
縮時の押圧力（１５ＭＰａ）を１０ＭＰａ、２０ＭＰａ
に夫々変更して焼結を行った。押圧力以外は実施例３と
同一条件とした。即ち、粉体の平均粒径は約４０μｍ、
保持温度は９００°Ｃ、保持時間は５分、昇温及び降温
は夫々１０分及び３０分とした。なお、実施例７では実
施例３と同様の成形型を用い、実施例６では内径２０ｍ
ｍの成形型を用いた。実施例６、７の焼結方法によって
も緻密な燒結体が得られた。また、降温中に焼結体にク
ラックが発生することも無かった。(Examples 6 and 7) The pressing force (15 MPa) at the time of powder compression in Example 3 was changed to 10 MPa and 20 MPa.
And sintering was performed. Except for the pressing force, the conditions were the same as in Example 3. That is, the average particle size of the powder is about 40 μm,
The holding temperature was 900 ° C., the holding time was 5 minutes, and the temperature increase and decrease were 10 minutes and 30 minutes, respectively. In Example 7, the same mold as that in Example 3 was used, and in Example 6, the inner diameter was 20 m.
m mold was used. Dense sintered bodies were obtained by the sintering methods of Examples 6 and 7. Also, no cracks occurred in the sintered body during the temperature drop.
【００３３】（実施例８，９，１０，１１）実施例８，
９，１０，１１は、粉体を圧縮する際の押圧力を３０Ｍ
Ｐａとし、保持温度を夫々９００°Ｃ、９５０°Ｃ、１
０００°Ｃ及び１１００Ｃ°としたものである。保持時
間はいずれも５分である。成形型は、外径３０ｍｍ、内
径１０．４ｍｍ、高さ８０ｍｍの円筒型のカーボン型を
用いる。他の条件は実施例１と同様とした。このように
して得られた焼結体の嵩密度と、３点曲げ試験により得
られた曲げ強度の測定結果を以下の表３に示す。(Embodiments 8, 9, 10, 11)
9, 10 and 11 have a pressing force of 30M when compressing the powder.
Pa, and the holding temperatures are 900 ° C., 950 ° C., 1
000 ° C. and 1100 ° C. The retention time is 5 minutes for each. As the molding die, a cylindrical carbon mold having an outer diameter of 30 mm, an inner diameter of 10.4 mm, and a height of 80 mm is used. Other conditions were the same as in Example 1. Table 3 below shows the bulk density of the sintered body thus obtained and the measurement results of the bending strength obtained by the three-point bending test.
【００３４】なお、曲げ強度は、スパン１７ｍｍの３点
曲げ試験に基づき、以下の計算式に基づいて算出した。 σ＝（８×Ｐ×Ｌ）／（π×ｄ3） ここで、σは曲げ強度（ｋｇｆ／ｃｍ2）、Ｐは破壊荷
重（ｋｇｆ）、Ｌはスパン（ｍｍ）、ｄは積層体の直径
（ｃｍ）である。また、表３ではσはＭＰａに換算す
る。The bending strength was calculated based on a three-point bending test with a span of 17 mm according to the following formula. σ = (8 × P × L) / (π × d3) where σ is the bending strength (kgf / cm2), P is the breaking load (kgf), L is the span (mm), and d is the diameter of the laminate ( cm). In Table 3, σ is converted to MPa.
【００３５】[0035]
【表３】 嵩密度(g/cm3) 相対密度(%) 曲げ強度(MPa) 実施例８（９００°Ｃ） ３．１４ ９９．４ ６７．１ 実施例９（９５０°Ｃ） ３．１５ ９９．７ ７３．６ 実施例１０（１０００°Ｃ） ３．１５ ９９．７ ７１．５ 実施例１１（１１００°Ｃ） ３．１５ ９９．７ ９３．１Table 3 Bulk density (g / cm3) Relative density (%) Flexural strength (MPa) Example 8 (900 ° C) 3.14 99.4 67.1 Example 9 (950 ° C) 3.15 99 0.7 73.6 Example 10 (1000 ° C) 3.15 99.7 71.5 Example 11 (1100 ° C) 3.15 99.7 93.1
【００３６】表３に示すように、実施例８，９，１０，
１１の焼結方法により、いずれも相対密度９９％以上の
緻密な燒結体が得られた。また、降温中に焼結体にクラ
ックが発生することは無かった。As shown in Table 3, Examples 8, 9, 10,
By the sintering method No. 11, dense sintered bodies having a relative density of 99% or more were obtained. Also, no cracks occurred in the sintered body during the temperature drop.
【００３７】（実施例１２）実施例１２は、リン酸カル
シウム系セラミックスとして、β−ＴＣＰ（第３リン酸
カルシウム）を用いるものである。β−ＴＣＰ粉体の平
均粒径は約４０μｍであり、焼結助剤は含まれていな
い。β−ＴＣＰ粉体を圧縮する際の押圧力は１５ＭＰ
ａ、圧粉体を加熱する際の保持温度は９５０°Ｃ、保持
時間は１５分、昇温及び降温は夫々１０分及び３０分と
した。また、成形型は、実施例１と同様のものを用い
た。上記各実施例と同様、実施例１２によっても、緻密
な焼結体が得られた。降温中に焼結体にクラックが発生
することは無かった。Example 12 In Example 12, β-TCP (third calcium phosphate) was used as a calcium phosphate-based ceramic. The average particle size of the β-TCP powder is about 40 μm, and does not include a sintering aid. The pressing force when compressing β-TCP powder is 15MP
a, The holding temperature at the time of heating the green compact was 950 ° C., the holding time was 15 minutes, and the temperature increase and decrease were 10 minutes and 30 minutes, respectively. The same mold as that used in Example 1 was used. As in each of the above Examples, a dense sintered body was obtained also in Example 12. No cracks occurred in the sintered body during the cooling.
【００３８】[0038]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
リン酸カルシウム系セラミックス粉体を導電性材料で構
成された成形型に装填し、導電性材料で構成された押圧
子により圧縮すると共に、成形型及び押圧子を介してリ
ン酸カルシウム系セラミックス粉体にパルス状電圧を通
電することによって、緻密なリン酸カルシウム系セラミ
ックス焼結体を短時間で得ることができる。As described above, according to the present invention,
The calcium phosphate-based ceramic powder is charged into a molding die made of a conductive material, compressed by a pressing member made of a conductive material, and a pulse voltage is applied to the calcium phosphate-based ceramic powder through the molding die and the pressing member. , A dense calcium phosphate-based ceramics sintered body can be obtained in a short time.
【図１】実施形態の放電焼結装置の構成を示す概略図で
ある。FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a spark sintering apparatus according to an embodiment.
【図２】図１の放電焼結装置の成形型部分を拡大して示
す側断面図である。FIG. 2 is an enlarged side sectional view showing a mold portion of the spark sintering apparatus of FIG.
【図３】実施形態の焼結方法において粉体に印可される
パルス電圧の一例を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a pulse voltage applied to powder in the sintering method of the embodiment.
【図４】実施形態の焼結方法における昇温曲線の一例を
示す概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an example of a temperature rise curve in a sintering method according to an embodiment.
１ リン酸カルシウム系セラミックス粉体 ２ 放電燒結装置 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 ２６ 真空ポンプ ２８ 冷却系 ３０ 成形型 ３２，３４ パンチ（押圧子） ３６ カーボンペーパー ４２，４４ 加圧ラム DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Calcium phosphate ceramic powder 2 Electric discharge sintering apparatus 20 Control part 22 Power supply for sintering 24 Pressure drive mechanism 25 Vacuum chamber 26 Vacuum pump 28 Cooling system 30 Mold 32,34 Punch (presser) 36 Carbon paper 42,44 Pressure ram
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鴇田 正雄 東京都港区西新橋３丁目20番４号 住友石 炭鉱業株式会社内 (72)発明者 園田 雅之 東京都港区西新橋３丁目20番４号 住友石 炭鉱業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Masao Tokita 3-20-4 Nishishinbashi, Minato-ku, Tokyo Sumitomo Stone Coal Mining Co., Ltd. (72) Inventor Masayuki Sonoda 3-20 Nishishinbashi, Minato-ku, Tokyo No. 4 Sumitomo Stone Coal Mining Co., Ltd.
Claims (14)
を、所定の押圧力で圧縮して圧粉体とすると共に、該圧
粉体にパルス状電圧を印可することにより、前記リン酸
カルシウム系セラミックスを所定温度に加熱すること、
を特徴とするリン酸カルシウム系セラミックスの焼結方
法。1. A method for compressing a powder of a calcium phosphate ceramic with a predetermined pressing force to form a green compact, and applying a pulse voltage to the green compact to bring the calcium phosphate ceramic to a predetermined temperature. Heating,
A method for sintering a calcium phosphate-based ceramic, comprising:
形型と、導電性材料で構成された押圧子とにより行わ
れ、 前記パルス状電圧は、前記成形型及び前記押圧子を介し
て前記圧粉体に印加されること、を特徴とする請求項１
に記載のリン酸カルシウム系セラミックスの焼結方法。2. The compression is performed by a molding die made of a conductive material and a pressing element made of a conductive material, and the pulse voltage is applied through the molding die and the pressing element. 2. The method according to claim 1, wherein the pressure is applied to the green compact.
3. The method for sintering a calcium phosphate-based ceramic according to the item 1.
ハイドロキシアパタイトであること、を特徴とする請求
項１又は２に記載のリン酸カルシウム系セラミックスの
焼結方法。3. The method for sintering a calcium phosphate-based ceramic according to claim 1, wherein the calcium phosphate-based ceramic is hydroxyapatite.
第３リン酸カルシウムであること、を特徴とする請求項
１又は２に記載のリン酸カルシウム系セラミックスの焼
結方法。4. The method for sintering a calcium phosphate-based ceramic according to claim 1, wherein the calcium phosphate-based ceramic is tribasic calcium phosphate.
°Ｃ以下であること、を特徴とする請求項１から４のい
ずれかに記載のリン酸カルシウム系セラミックスの焼結
方法。5. The predetermined temperature is 900 ° C. or higher and 1100 or higher.
The method for sintering calcium phosphate-based ceramics according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature is not higher than ° C.
維持すること、を特徴とする請求項１から５のいずれか
に記載のリン酸カルシウム系セラミックスの焼結方法。6. The method for sintering a calcium phosphate-based ceramic according to claim 1, wherein the predetermined temperature is maintained for 5 minutes to 15 minutes.
Ｐａ以下であること、を特徴とする請求項１から６のい
ずれかに記載のリン酸カルシウム系セラミックスの焼結
方法。7. The predetermined pressing force is 5 MPa or more and 30 M
The method for sintering a calcium phosphate-based ceramic according to any one of claims 1 to 6, wherein the pressure is equal to or lower than Pa.
μｍ以下であること、を特徴とする請求項１から７のい
ずれかに記載のリン酸カルシウム系セラミックスの焼結
方法。8. The particle size of the powder is 5 μm or more and 100
The method for sintering a calcium phosphate-based ceramic according to any one of claims 1 to 7, wherein the thickness is not more than μm.
性材料で形成されたシートを介在させること、を特徴と
する請求項１から８のいずれかに記載のリン酸カルシウ
ム系セラミックスの焼結方法。9. The firing of a calcium phosphate-based ceramic according to claim 1, wherein a sheet made of a conductive material is interposed between the molding die and the pressing element. How to tie.
性材料で形成されたシートを介在させること、を特徴と
する請求項９に記載のリン酸カルシウム系セラミックス
の焼結方法。10. The method according to claim 9, wherein a sheet made of a conductive material is interposed between the powder and the pressing element.
ること、を特徴とする請求項９又は１０に記載のリン酸
カルシウム系セラミックスの焼結方法。11. The method for sintering a calcium phosphate-based ceramic according to claim 9, wherein the sheet is carbon paper.
オフにより形成されること、を特徴とする請求項１から
１１のいずれかに記載のリン酸カルシウム系セラミック
スの焼結方法。12. The method according to claim 1, wherein the pulse voltage is formed by turning on and off a DC voltage.
フの持続時間の比は、１：１から１２：１の範囲にある
こと、を特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載
のリン酸カルシウム系セラミックスの焼結方法。13. Calcium phosphate according to claim 1, wherein the ratio of the on and off durations in the pulsed voltage is in the range from 1: 1 to 12: 1. Method for sintering ceramics.
あること、を特徴とする請求項１から１３のいずれかに
記載のリン酸カルシウム系セラミックスの焼結方法。14. The method for sintering a calcium phosphate-based ceramic according to claim 1, wherein the mold and the pressing element are made of carbon.
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|---|---|---|---|
| JP9327054A JPH10251057A (en) | 1997-01-08 | 1997-11-12 | Sintering method of calcium phosphate ceramic material |
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| JP1314497 | 1997-01-08 | ||
| JP9-13144 | 1997-01-08 | ||
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10251057A true JPH10251057A (en) | 1998-09-22 |
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ID=26348877
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP9327054A Pending JPH10251057A (en) | 1997-01-08 | 1997-11-12 | Sintering method of calcium phosphate ceramic material |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10251057A (en) |
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-
1997
- 1997-11-12 JP JP9327054A patent/JPH10251057A/en active Pending
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