JP2018015793A - 摩擦攪拌接合用工具 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合用工具の組成及び製造工程を複雑化することなく、摩擦攪拌接合用工具の耐熱性、耐摩耗性、耐酸化性、強度、および靱性を向上させる。【解決手段】摩擦攪拌接合用工具（１０）は、αサイアロンおよびＳｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚで表わされるβサイアロンを含むサイアロン相と、粒界相と、を含む。βサイアロンのＺ値は、０．２≦Ｚ≦０．７である。粒界相の少なくとも一部は、希土類元素とケイ素との酸窒化物により形成されている。酸窒化物は、βサイアロンの含有量に対して最高Ｘ線強度比で０．１５以上０．７５以下の割合で含有されている。サイアロン相中のαサイアロンの割合を示すα率は、１０％以上４０％以下である。【選択図】図４

Description

本発明は、摩擦攪拌接合用工具に関する。

従来、突起部を備えた工具を回転させつつ突起部側から被接合物に押し込み、摩擦熱によって被接合物の一部を軟化させ、軟化した部分を突起部によって攪拌して被接合物を接合する摩擦攪拌接合が知られている。このような摩擦攪拌接合に用いる摩擦攪拌接合用工具においては、より優れた耐熱性、耐摩耗性、耐酸化性、および靱性を有することが望まれる。そのため、従来、摩擦攪拌接合用工具を構成する材料として、窒化ケイ素を用いることが提案されていた。また、このように窒化ケイ素を用いた摩擦攪拌接合用工具において、例えば耐摩耗性をさらに向上させるために、窒化ケイ素からなる第１相と共に、Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉから選択される元素の窒化物等によって構成される第２相を設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−９８８４２号公報 国際公開第２０１６／０４７３７６号

しかしながら、上記のように第２相を設ける場合には、第２相を設けることによる耐摩耗性向上の効果は得られるものの、第２相を設けて相対的に第１相の割合が低下することに起因して、摩擦攪拌接合用工具全体の強度低下が低下する場合があった。このような場合には、結果的に、摩擦攪拌接合用工具の耐久性を十分に向上させることが困難であった。また、第２相を設ける場合には、摩擦攪拌接合用工具を製造する際に、第２相を設けるための追加の材料を加える必要があった。さらに、第２相を設ける場合には、望ましい第２相を設けるために製造工程が複雑化する可能性があった。そのため、摩擦攪拌接合用工具の組成及び製造工程を複雑化することなく、摩擦攪拌接合用工具における耐熱性、耐摩耗性、耐酸化性、強度、および靱性を向上させる技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、摩擦攪拌接合用工具が提供される。この摩擦攪拌接合用工具は、αサイアロンおよびＳｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚで表わされるβサイアロンを含むサイアロン相と、粒界相と、を含み；前記βサイアロンのＺ値が、０．２≦Ｚ≦０．７であり；前記粒界相の少なくとも一部が、希土類元素とケイ素との酸窒化物により形成されており；前記酸窒化物は、前記βサイアロンの含有量に対して最高Ｘ線強度比で０．１５以上０．７５以下の割合で含有されており；前記サイアロン相中の前記αサイアロンの割合を示すα率が、１０％以上４０％以下である。
この形態の摩擦攪拌接合用工具によれば、摩擦攪拌接合用工具の組成及び製造工程を複雑化することなく、摩擦攪拌接合用工具の耐熱性、耐摩耗性、耐酸化性、強度、および靱性を向上させ、摩擦攪拌接合用工具の耐久性を高めることができる。

（２）上記形態の摩擦攪拌接合用工具において、ビッカース硬度が１６ＧＰａ以上であることとしてもよい。この形態の摩擦攪拌接合用工具によれば、摩擦攪拌接合用工具の耐摩耗性および強度をさらに高めることができる。

（３）上記形態の摩擦攪拌接合用工具において、該摩擦攪拌接合用工具の軸線方向に延びる軸部と、該軸部における被接合物と接触する側の端部の面から前記軸線方向に突出して設けられた突起部と、を有し、前記端部の面、および、前記突起部の表面のうちの少なくとも一方が、焼肌面であることとしてもよい。この形態の摩擦攪拌接合用工具によれば、摩擦攪拌接合用工具の加工の工程を簡素化することができ、摩擦攪拌接合用工具の耐摩耗性をさらに向上させることができる。

（４）上記形態の摩擦攪拌接合用工具において、前記端部の面、および、前記突起部の表面のうちの一方のみが、焼肌面であることとしてもよい。このような構成とすれば、摩擦攪拌接合用工具の耐摩耗性を、より向上させることができる。

本発明は、摩擦攪拌接合用工具以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、摩擦攪拌接合用工具を備える摩擦攪拌接合装置、摩擦攪拌接合用工具の製造方法、摩擦攪拌接合方法等の形態で実現することができる。

実施形態の摩擦攪拌接合用工具の全体構成を示す斜視図である。 工具の使用状態を例示した説明図である。 工具の使用状態を例示した説明図である。 工具の使用状態を例示した説明図である。 工具の製造方法の一例を示したフローチャートである。 各サンプルに係る測定結果および試験結果を示す説明図である。 各サンプルに係る測定結果および試験結果を示す説明図である。 サンプル１９の研磨面と焼肌面とをＸ線回折装置で分析した結果を示す図である。 セラミック焼結体の加工前の断面をＳＥＭで観察した様子を示す図である。 セラミック焼結体の加工前の断面をＳＥＭで観察した様子を示す図である。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．工具の構成：
図１は、本発明の実施形態としての摩擦攪拌接合用工具１０（以下、単に「工具１０」とも呼ぶ）の全体構成を示す斜視図である。工具１０は、セラミックスの焼結体により構成されている。工具１０は、軸部１１と突起部１２とを備える。軸部１１は、軸線Ｘ方向に延びる略円柱状に形成されている。突起部１２は、略円柱状に形成されており、軸部１１の一方の端部における軸線Ｘに垂直な面から、軸線Ｘ方向に突出して設けられている。突起部１２は、軸部１１の上記一方の端部における軸線Ｘに垂直な面の中心部に形成されており、突起部１２の軸線は、軸部１１の軸線Ｘと一致する。摩擦攪拌接合時には、工具１０は、突起部１２を被接合物に接触させつつ、被接合物に押圧して用いる。すなわち、軸部１１における上記一方の端部は、被接合物に接触する側の端部である。工具１０の表面のうち、軸部１１の上記一方の端部における軸線Ｘに垂直な面を、ショルダー部１３とも呼ぶ。

図２Ａ〜図２Ｃは、工具１０の使用状態を例示した説明図である。工具１０は、図示しない接合装置に取り付けられて使用される。工具１０を使用する際には、まず、突起部１２を、積み重ねられた被接合物（被接合部材２１，２２）の上方に配置する（図２Ａ参照）。そして、軸線Ｘを中心に突起部１２を回転させた状態において、工具１０の突起部１２を、接合装置によって加圧しつつ、被接合部材２１，２２に対して上方から押し込む（図２Ｂ参照）。このようにして、突起部１２が被接合部材２１，２２に押し込まれた状態のまま、軸線Ｘを中心に突起部１２を回転させ続けることにより、突起部１２付近の被接合部材２１，２２の領域は、摩擦熱によって塑性流動する。被接合部材２１，２２の塑性流動した部分（図２Ｂおよび図２Ｃにおいてハッチングを付して示す部分）を突起部１２が攪拌することにより、接合領域が形成される（図２Ｃ参照）。この接合領域によって、被接合部材２１，２２が互いに結合される。なお、このような接合の工程においては、突起部１２だけでなく、少なくともショルダー部１３も、上記組成流動した部分に接する。その後、突起部１２を被接合部材２１，２２から引き抜くことにより、摩擦攪拌接合が完了する。本実施形態において、被接合部材２１，２２は、鋼の板材であるが、鋼に代えてアルミニウムなどの他の任意の金属であってもよい。

工具１０は、「サイアロン相」と「粒界相」とを含む。「サイアロン相」は、αサイアロン、および、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚで表わされるβサイアロンを含む。すなわち、工具１０においては、αサイアロンの結晶粒とβサイアロンの結晶粒とが、焼結体中で混在している。βサイアロンは、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）と同様に、針状の結晶粒が絡み合った組織を形成するため高靱性であるという性質を有する。αサイアロンは、βサイアロンに比べて低靱性であるが、βサイアロンよりも硬度が高いという性質を有する。

なお、サイアロン相は、αサイアロンおよびβサイアロン以外のサイアロンを、さらに含んでいてもよい。αサイアロンおよびβサイアロン以外のサイアロンとしては、例えば、１５Ｒ−サイアロン、２１Ｒ−サイアロン、および１２Ｈ−サイアロンを例示することができる。

本実施形態では、サイアロン相中におけるαサイアロンの割合を示すα率を、１０％以上、４０％以下としている。α率は、以下のようにして求められる。すなわち、α率は、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折装置によって、各サイアロンのピークのうちで強度が高い上位２つのピーク（以下、２つの最強ピークとも呼ぶ）のピーク強度を測定することにより求めている。具体的には、サイアロン相が、実質的にαサイアロンとβサイアロンのみを含有する場合には、α率は、βサイアロンの（１０１）面ピーク強度をβ１、βサイアロンの（２１０）面ピーク強度をβ２、αサイアロンの（１０２）面ピーク強度をα１、αサイアロンの（２１０）面ピーク強度をα２としたときに、以下の（１）式により求められる。なお、サイアロン相が、αサイアロンおよびβサイアロン以外のサイアロンを含む場合には、他種のサイアロンの各々についても、２つの最強ピークのピーク強度を測定して、（１）式の分母に加算することによって、α率を求めればよい。

α率（％）＝（α１＋α２）／（β１＋β２＋α１＋α２）×１００ …（１）

α率を１０％未満にすると、硬度が高いαサイアロンの割合が低いことにより、工具１０の耐摩耗性が不十分となる可能性がある。また、α率が４０％を超えると、靱性が高いβサイアロンの割合が低いことにより、工具１０が脆くなり、使用中に欠損が生じるなど、耐久性が低下する可能性がある。α率は、例えば、工具１０を製造する際の後述する焼成処理における加熱温度を高くするほど、また、焼成処理における加熱時間を長くするほど、小さくなる傾向がある。

なお、サイアロン相におけるαサイアロンとβサイアロンの合計の割合は、８０〜１００％であることが望ましい。ここで、サイアロン相における各サイアロンの割合は、サイアロン相におけるαサイアロンの割合である既述したα率と同様にして、各々のサイアロンの２つの最強ピークのピーク強度を測定して算出することができる。サイアロン相におけるαサイアロン、βサイアロン、およびその他のサイアロンの割合は、例えば、工具１０の製造時に配合する原料粉末の割合によって調節することができる。

また、本実施形態では、サイアロン相に含まれるβサイアロンにおいて、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）にアルミニウム（Ａｌ）および酸素（Ｏ）が固溶する程度を表わすＺ値は、０．２≦Ｚ≦０．７としている。ここで、サイアロンは、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）にアルミニウムおよび酸素が固溶することにより、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）に比べて、耐熱性、高温環境下での機械的強度、耐熱衝撃性、および耐酸化性等に優れるという性質を示す。また、工具１０を構成するセラミック焼結体としてサイアロンを用いる場合には、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いる場合に比べて、被加工部材との化学反応が発生しにくくなる。このように、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）に比べて、被加工部材との反応が起こりにくく強度が高いことにより、サイアロンは、優れた耐摩耗性を示す。Ｚ値が０．２未満であると、サイアロンとしての上記性能を十分に得られず、耐摩耗性が低下する可能性がある。また、Ｚ値が０．７を超える場合には、アルミニウムおよび酸素の固溶量が過剰になることに起因して、工具１０において強度低下や熱伝導率低下の影響が大きくなる。例えば、βサイアロンの熱伝導率が低下すると、工具１０が過熱状態となって耐久性が低下したり、工具１０内で熱膨張率の差が大きい部位が生じることによって工具１０の耐久性が低下する可能性がある。また、上記固溶量が過剰になることによって、βサイアロンの結晶粒が脆くなり、焼結体全体の強度が低下する可能性がある。

ここで、βサイアロンのＺ値は、Ｘ線回折により、セラミック焼結体の焼肌面から約１ｍｍ以上内部におけるβサイアロンのａ軸格子定数を求め、β−窒化ケイ素のａ軸格子定数（７．６０４４２Å）との差によって算出する値である。算出方法は、下記の（２）式による。式中のａは、測定されたβサイアロンのａ軸格子定数を表わす。なお、焼肌面とは、工具１０の製造工程における後述する焼成工程によってセラミック焼結体を得た後、研削や研磨などの加工を施した加工面とは異なり、このような加工を施していない未加工の面をいう。

Ｚ＝（ａ−７．６０４４２Å）／０．０３ …（２）

βサイアロンのＺ値は、例えば、工具１０を製造するために用いる後述する焼結助剤の種類や量によって調節することができる。例えば、焼結助剤の割合を多くするほど、Ｚ値が大きくなる傾向がある。

なお、サイアロン相を構成するβサイアロンの各結晶粒子は、長軸の長さが１０μｍ以下、短軸の長さが１．２μｍ以下であることが望ましい。ここで、βサイアロンの長軸の長さとは、βサイアロン粒子において幅が最も大きい部分の長さを指す。またβサイアロンの短軸の長さとは、βサイアロン粒子において、上記長軸と直交する方向の幅のうち、最も小さい部分の長さを指す。βサイアロン粒子の大きさを上記のようにすることで、粒子が過大となることに起因する工具１０の強度低下を抑えることができる。なお、βサイアロンが、針状の結晶粒が絡み合った組織を形成することにより高靱性であるという特徴を確保するためには、βサイアロンの各粒子の長軸は、０．１μｍ以上であることが望ましい。

「粒界相」とは、結晶粒と結晶粒の境界が現れている部分をいう。粒界相は、光学顕微鏡による組織観察で網の目状に見える部分である。本実施形態では、この粒界相の少なくとも一部が、希土類元素とケイ素との酸窒化物により形成されている。希土類元素とケイ素との酸窒化物は、ＲｅＳｉＯ_２Ｎ、あるいはＲｅ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４（ただし、Ｒｅは希土類元素）と示すことができる。粒界相に存在する酸窒化物がどのようなタイプであるのかは、工具１０を製造する際に用いる後述する焼結助剤の組成による。粒界相に存在する酸窒化物としては、Ｒｅ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４が、より望ましい。ここで、希土類元素は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、およびランタノイドを総称するものである。ランタノイドとしては、例えば、ユウロピウム（Ｅｕ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、およびプラセオジム（Ｐｒ）などを挙げることができる。希土類元素とケイ素との酸窒化物としては、例えば、ＹＳｉＯ_２Ｎ、Ｙ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４、ＹｂＳｉＯ_２Ｎ、Ｙｂ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４、ＤｙＳｉＯ_２Ｎ、Ｄｙ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４、ＥｒＳｉＯ_２Ｎ、Ｅｒ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４、ＬｕＳｉＯ_２Ｎ、Ｌｕ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４などを挙げることができる。希土類元素としては、例えば、イットリウム（Ｙ）が望ましく、希土類元素とケイ素との酸窒化物としては、例えば、ＹＳｉＯ_２ＮおよびＹ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４が望ましく、Ｙ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４が特に望ましい。

本実施形態の工具１０は、粒界相の少なくとも一部が、希土類元素とケイ素との酸窒化物により形成されていることにより、工具１０を構成するセラミック焼結体の耐酸化性を向上させることができる。その結果、工具１０の耐摩耗性を向上させることができる。

本実施形態の工具１０では、希土類元素とケイ素との酸窒化物は、βサイアロンの含有量に対して最高Ｘ線強度比で０．１５以上０．７５以下の割合で含有されている。上記した酸窒化物のβサイアロンに対する含有量を表わす最高Ｘ線強度比Ｒは、以下の（３）式により算出される。

最高Ｘ線強度比Ｒ ＝ Ｐ１／Ｐ２ …（３）
（式中、Ｐ１は、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折装置によって測定したピークであって、希土類元素とケイ素との酸窒化物を示すピークの中で、最も高い強度を示すピークの強度を表わす。Ｐ２は、Ｘ線回折装置によって測定したピークであって、βサイアロンを示すピークの中で最も高い強度を示すピークの強度を表わす。）

上記最高Ｘ線強度比Ｒが０．１５未満であると、セラミック焼結体の粒界において、高温特性（例えば、耐熱性および耐酸化性）および機械的特性（例えば強度）が低いガラス相の割合が高まる可能性がある。そのため、最高Ｘ線強度比Ｒを０．１５以上とすることで、工具１０の化学的安定性および強度を向上させて、耐摩耗性を向上させることができる。一方、βサイアロンに対する上記酸窒化物の最高Ｘ線強度比Ｒが０．７５を超える場合には、工具１０を構成するセラミック焼結体における異相の割合が高まり、異相に起因する工具１０の強度低下が引き起こされる可能性がある。したがって、上記最高Ｘ線強度比Ｒを０．１５以上０．７５以下とすることにより、工具１０において、耐摩耗性の向上と強度の向上とを、両立させることができる。

なお、希土類元素とケイ素との酸窒化物として、複数種類の酸窒化物が存在する場合には、各々の酸窒化物における最も高い強度を示すピークの強度を合計して、上記した最高Ｘ線強度比Ｒを求めればよい。具体的には、例えば、希土類元素としてイットリウム（Ｙ）を用い、酸窒化物としてＹ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４とＹＳｉＯ_２Ｎとの双方が存在する場合には、Ｙ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４の最高強度とＹＳｉＯ_２Ｎの最高強度との和を、既述した（３）式におけるＰ１として、最高Ｘ線強度比Ｒを求めればよい。

βサイアロンの含有量に対する上記酸窒化物の含有量を表わす最高Ｘ線強度比Ｒは、例えば、工具１０の製造時の後述する焼成処理において、熱処理温度を高くすることや、熱処理時間を長くすることにより、大きくなる傾向がある。一方、熱処理温度を低くすることや、熱処理時間を短くすることにより、上記最高Ｘ線強度比Ｒは小さくなる傾向がある。この最高Ｘ線強度比Ｒは、工具１０の耐久性をより向上させる観点から、０．３以上とすることがより好ましい。

希土類元素とケイ素との酸窒化物は、粒界相において、できるだけ細かく分散して存在することが望ましい。具体的には、例えば、上記酸窒化物の最大粒径が５μｍ以下の状態で、上記酸窒化物が粒界相に分散していることが望ましい。このように、上記酸窒化物が、粒径が細かい状態で粒界相に分散することにより、粒界相に上記酸窒化物が存在することによる上記効果が得られ易くなる。これに対して、上記酸窒化物の粒径が過大である場合には、粒界に異物が存在することによる影響が大きくなり、セラミック焼結体全体、すなわち、工具１０の強度が低下する可能性がある。なお、粒界相における上記酸窒化物の粒径とは、ラインインターセプト法により求めた平均粒径を指す。ラインインターセプト法とは、観察画像上に複数の直線を平行に引き、粒子（上記酸窒化物の凝集体として観察される部分）を上記直線が横切った部分の直線の長さの平均値を、平均粒径として得るという公知の手法である。観察画面は、例えば、工具１０の任意の断面を、５０００倍の倍率にて観察した視野とすることができる。また、平均粒径を求める際に引く直線の数は、例えば１０本とすることができる。

また、本実施形態の工具１０は、ビッカース硬度が１６ＧＰａ以上であることが望ましい。これにより、工具１０の耐摩耗性および強度をさらに向上させることができる。本明細書において、ビッカース硬度は、ＪＩＳ Ｒ１６１０に規定された測定方法に従って、室温（２５℃）にて測定された値を指す。ビッカース硬度の測定時の試験荷重は１０ｋｇｆである。工具１０のビッカース硬度は、工具１０における既述したα率が高いほど、高くなる傾向がある。また、工具１０のビッカース硬度は、工具１０における既述した最高Ｘ線強度比Ｒが小さいほど、高くなる傾向がある。ただし、工具１０のビッカース硬度は、１６ＧＰａ未満とすることもできる。

工具１０は、既述したセラミック焼結体の表面に、さらにコーティング層を有していてもよい。コーティング層を設けることにより、工具１０の耐摩耗性をさらに向上させることができる。コーティング層は、摩擦攪拌接合用工具を構成するために十分な耐熱性を有し、セラミック焼結体との間で望ましくない反応が進行しない物質を用いて構成すればよい。コーティング層の形成方法は，例えばＣＶＤやＰＶＤを採用することができる。

Ａ−２．工具の製造方法：
図３は、工具１０の製造方法の一例を示したフローチャートである。以下の説明で用いられる各種の材料や数値（例えば、粉末の平均粒径、混合時間、加熱時間、加熱温度など）は、その一例を示したものであり、これら以外の値を任意に採用することができる。

工具１０を製造する際には、まず、セラミック焼結体を得るための原料粉末を秤量する（工程Ｓ１１０）。具体的には、原料粉末は、主原料である窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末と、焼結助剤と、を含み、得られるセラミック焼結体において、αサイアロンおよびβサイアロン、並びに、希土類元素とケイ素の酸窒化物が形成される化合物によって構成される。焼結助剤は、少なくとも、アルミニウム化合物と、希土類元素を含む化合物と、を含む。

アルミニウム化合物としては、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうちの少なくとも一方が含まれることが好ましい。このようなアルミニウム化合物を用いることにより、窒化ケイ素にアルミニウムと酸素とを固溶させて、窒化ケイ素をサイアロン化することができる。希土類元素を含む化合物としては、例えば、既述した希土類元素の酸化物を用いることができる。このような希土類元素の酸化物と共に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いる場合には、得られるセラミック焼結体において、上記希土類元素の酸窒化物を容易に形成させることが可能になる。

工程Ｓ１１０の後、秤量した原料粉末の混合および粉砕を行ないスラリーを作製する（工程Ｓ１２０）。混合および粉砕は、例えば、ボールミルを用いて、原料粉末を溶媒（例えば、エタノール）と共に混合することにより、行なうことができる。粉砕時間については、特に限定はないが、例えば２０時間〜３０時間を例示することができる。これにより、原料粉末を含んだスラリーが得られる。その後、得られたスラリーを湯煎乾燥してエタノールを除去することにより、混合粉末を得ることができる（工程Ｓ１３０）。

工程１３０の後、得られた混合粉末に対してプレス成形および焼成処理を行ない、セラミック焼結体を得る（工程Ｓ１４０）。プレス成形により得られる成形体の形状については特に限定はないが、例えば、略円柱状とすることができる。工程Ｓ１４０では、混合粉末のプレス成形後、さらに冷間等方圧加圧処理（ＣＩＰ処理）を行なって成形体を得てもよい。焼成処理は、一次焼成と、熱間等方圧加圧処理（ＨＩＰ処理）と、粒界相形成のための熱処理と、を含むことができる。一次焼成時の焼成温度は１５５０〜１９５０℃、焼成時間は１〜３時間とすることが好ましい。ＨＩＰ処理の焼成温度は１５００〜１８００℃、焼成時間は１〜３時間、ガス圧は１０〜２００ＭＰａ、Ｎ_２雰囲気下で行なうことが好ましい。熱処理の加熱温度は１３００〜１７５０℃、加熱時間は１〜３時間、Ｎ_２雰囲気下で行なうことが好ましい。工程Ｓ１４０の後、得られたセラミック焼結体を工具形状に加工（例えば、切削加工、研削加工、研磨など）することにより（工程Ｓ１５０）、工具１０が完成する。

以上のように構成された本実施形態の工具１０によれば、工具１０中に特別な相を設けることによって工具の組成及び製造工程を複雑化することなく、耐熱性および靱性に優れるというサイアロンの特徴を保持しつつ、さらに、耐酸化性および強度(硬度）がより優れた工具とすることができる。すなわち、耐酸化性を高めて被接合物との化学反応を抑えることにより、工具１０の耐摩耗性を向上させることができる。また、工具１０の強度（硬度）を高めることにより、摩擦攪拌接合時に工具１０が損傷することを抑えることができる。その結果、工具１０の耐久性を向上する（長寿命化する）ことができる。このような工具１０は、アルミニウム等に比べて軟化温度が高い鋼製の被接合物を用いる場合に、特に好適に用いることができる。

Ｂ．変形例：
上記実施形態では、工具１０の製造時における工程Ｓ１４０で略円柱状に成形すると共に、工程Ｓ１５０において、加工によって突起部１２を有する工具形状に加工しているが、異なる構成としてもよい。例えば、工程Ｓ１４０において、工具形状に成形し、工程Ｓ１５０においては、成形体の表面の少なくとも一部を加工することなく、工具１０を作製してもよい。

具体的には、工具１０の表面において、突起部１２の表面およびショルダー部１３の面のうちの少なくとも一方が、焼肌面であることとしてもよい。このようにすることで、工程Ｓ１５０における加工の工程を簡素化することができる。また、工具１０の耐摩耗性をさらに向上させることが可能になる。特に、突起部１２の表面およびショルダー部１３の面のうちの一方のみを焼肌面とする場合には、工具１０の耐摩耗性を、より向上させることが可能になる。工具１０の耐摩耗性を向上させる上記効果は、突起部１２の表面およびショルダー部１３の面のうちの少なくとも一方が焼肌面であることにより、摩擦攪拌接合時に軟化した被接合物の流動性が影響を受けることにより得られると推察される。なお、突起部１２の表面およびショルダー部１３の面のうちの少なくとも一方が、焼肌面であるとは、突起部１２の表面およびショルダー部１３の面のうちの少なくとも一方における少なくとも一部が、焼肌面である場合を含む。

α率、Ｚ値、最高Ｘ線強度比Ｒ、およびビッカース硬度等が異なる種々の工具としてサンプル１〜２６の工具を作製した。そして、各サンプルについて接合試験を行なって、工具としての性能を評価した。図４および図５は、各サンプルに係る測定結果および試験結果を示す説明図である。

［焼結体および工具の作製］
図３に基づき説明した方法により、サンプル１〜２６の工具を作製した。より具体的には、いずれのサンプルにおいても、工程Ｓ１１０では、主原料である平均粒径０．１μｍの窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末と、平均粒径１．０μｍ以下の焼結助剤粉末とを用いた。サンプル１〜１３、１８〜２６では、焼結助剤粉末として、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）粉末、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末、および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末を用いた。これらのサンプル１〜１３、１８〜２６では、それぞれ、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末と各焼結助剤粉末の配合比や、焼成処理における加熱温度および加熱時間を異ならせた。また、焼結助剤粉末中の上記酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）に代えて、サンプル１４では酸化ユウロピウム（Ｅｕ_２Ｏ_３）を用い、サンプル１５では酸化ジスプロシウム（Ｄｙ_２Ｏ_３）を用い、サンプル１６では酸化イッテルビウム（Ｙｂ_２Ｏ_３）を用い、サンプル１７では酸化ルテチウム（Ｌｕ_２Ｏ_３）を用いた。

原料粉末を配合した後、配合した原料粉末とエタノールとを樹脂ポットに入れて２４時間混合粉砕してスラリーを得た（工程Ｓ１２０）。その後、スラリーを湯煎乾燥することによりエタノールを除去し、混合粉末を作製した（工程Ｓ１３０）。得られた粉末をプレス成形後、冷間等方圧加圧処理（ＣＩＰ処理）を行うことで成形体を作製した。

そして、０．１ＭＰａ〜０．９ＭＰａの窒素雰囲気下において一次焼成（１７００℃〜１８００℃、２時間）を行った後、１００ＭＰａの窒素雰囲気下において熱間等方圧加圧処理（ＨＩＰ処理）（１６５０℃〜１７５０℃、２時間）を行うことで焼結体を作製した。その後、窒素雰囲気下において熱処理（１５００℃〜１７００℃、２時間）を行った（工程Ｓ１４０）。この熱処理により、粒界相として、Ｙ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４相が生成した。

サンプル１〜１７、２１〜２６では、工程Ｓ１４０において略円柱状に成形し、工程Ｓ１５０において、作製した焼結体に対して加工を行い、ショルダー部１３および突起部１２を有する工具を作製した（工程Ｓ１５０）。

サンプル１８〜２０では、工程１４０において、ショルダー部１３および突起部１２を有する形状に成形しており、工程１５０において、ショルダー部１３および突起部１２の少なくとも一方の表面に対して加工を施していない。具体的には、サンプル１８は、ショルダー部１３および突起部１２の双方の表面全体を、焼肌面とした。サンプル１９は、ショルダー部１３の表面全体のみを焼肌面とした。サンプル２０は、突起部１２の表面全体のみを焼肌面とした。なお、サンプル１８〜２０は、表面に対する加工の有無に係る条件以外は、同じ条件にて作製した。

サンプル２１は、ビッカース硬度を低くするために、熱処理温度を他の試料よりも高い１８００℃とした。

サンプル２２〜２６は、工程Ｓ１５０における加工を施したセラミック焼結体の表面に、さらにコーティング層を設けた。具体的には、サンプル２２は、サンプル１のセラミック焼結体を基材として用い、サンプル２３、２５、２６は、サンプル３のセラミック焼結体を基材として用い、サンプル２４は、サンプル５のセラミック焼結体を基材として用いた。これらの基材に対して、サンプル２２〜２５はＣＶＤ（chemical vapor deposition）法によりコーティング層を形成し、サンプル２６はＰＶＤ（physical vapor deposition）法によりコーティング層を形成した。ＣＶＤ法を用いたサンプル２２〜２５では、成膜材料として、酸窒化アルミニウム（α−ＡｌＯＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、および窒化チタン（ＴｉＮ）を用いた。ここで、サンプル２２〜２４では、膜厚は１．５μｍとしており、サンプル２５では、膜厚は３．０μｍとした。ＰＶＤ法を用いたサンプル２６では、成膜材料として窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）を用い、膜厚は１．５μｍとした。

なお、試験に供した各サンプルの数は、１とした。また、各サンプルの形状は、軸部１１の直径は１２ｍｍ、突起部１２の直径は４ｍｍ、軸線Ｘに沿った軸部１１の長さは１８．５ｍｍ、突起部１２の長さは１．５ｍｍとした。

［各サンプルの物性測定］
作製した各サンプルについて、α率、Ｚ値、および最高Ｘ線強度比Ｒを導出すると共に、ビッカース硬度を測定した。これらの導出方法及び測定方法は、既述した実施形態と同様の方法とした。

［接合試験］
作製した各サンプルについて、接合試験を行なった。図２に示すように、被接合部材である鋼板を積み重ね、これらの鋼板に工具を押し付けることにより点接合を行った。接合試験は、以下に示す条件で行なった。

＜試験条件＞
・被接合部材：ＳＵＳ３０４（厚さ２ｍｍ）
・シールドガス：アルゴン（Ａｒ）
・降下速度：０．５ｍｍ／ｓ
・工具押し込み荷重：１．２×１０^３ｋｇｆ
・回転速度：６００ｒｐｍ
・保持時間：１ｓｅｃ
・打点：６０

ここで、「シールドガス」とは、試験中に被接合部材と空気との接触を断つために試験空間に配されたガスを示す。「降下速度」とは、工具１０を被接合部材に近接させる際の速度を示す。「工具押し込み荷重」とは、被接合部材に対する工具１０の押し込み荷重を示す。「回転速度」とは、工具１０の回転速度を示す。「保持時間」とは、被接合部材に対して工具１０からの押し込み荷重がかかった状態で保持された時間を示す。「打点」とは、本試験の反復回数を示す。

＜評価方法＞
試験後の工具状態を評価した。工具状態は、突起部１２とショルダー部１３における試験前後の軸線Ｘに沿った長さを測定することにより評価した。判断基準を、以下に示す。判定としては、◎が最も評価が高く、○、△、×の順に評価が下がる。
・×：（ｉ）ショルダー部１３の摩耗量が０．５ｍｍ以上および突起部１２の摩耗量が０．４ｍｍ以上のうちの少なくとも一方を満たす、または、（ｉｉ）サンプルが損傷（欠け等の破損）。
・△：「×」を満たさないサンプルのうちで、ショルダー部１３の摩耗量が０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ未満、および、突起部１２の摩耗量が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ未満、のうちの少なくとも一方を満たす。
・○：「△」を満たさないサンプルのうちで、ショルダー部１３の摩耗量が０．２ｍｍより大きく０．３ｍｍ未満、および、突起部１２の摩耗量が０．０５ｍｍより大きく０．２ｍｍ未満、のうちの少なくとも一方を満たす。
・◎：ショルダー部１３の摩耗量が０．２ｍｍ以下、かつ、突起部１２の摩耗量が０．０５ｍｍ以下。

［評価結果］
図４および図５では、以下の要件を満たすものを実施例とし、以下の要件を満たさないものを比較例として示した。
（Ｉ）α率が１０％以上４０％以下であること。
（ＩＩ）Ｚ値が０．２≦Ｚ≦０．７を満たすこと。
（ＩＩＩ）希土類元素と珪素との酸窒化物は、βサイアロンの含有量に対して最高Ｘ線強度比Ｒで０．１５以上０．７５以下の割合で含有されること。

図４および図５に示すように、サンプル２〜４、７、８、１１、１２、１４〜２１、２３、２５、２６は、上記要件（Ｉ）〜（ＩＩＩ）を満たすため、実施例としている。サンプル１、５、６、９、１０、１３、２２、２４は、上記要件（Ｉ）〜（ＩＩＩ）のいずれかを満たさないため比較例としている。具体的には、サンプル１、５、２２、２４は要件（ＩＩＩ）を満たさず、サンプル６、９は要件（ＩＩ）を満たさず、サンプル１０、１３は要件（Ｉ）を満たさない。

上記した実施例の各サンプルは、接合試験において「◎」〜「△」の評価が得られた。これに対して、比較例の各サンプルは、接合試験において「×」の評価となった。すなわち、要件（Ｉ）〜（ＩＩＩ）を満たすことにより、工具の強度および耐摩耗性が向上することが確認された。

最高Ｘ線強度比を変更させたサンプル１〜５のうち、最高Ｘ線強度比Ｒが要件（ＩＩＩ）の下限値を下回るサンプル１では、摩耗量が大きいことにより、「×」の評価となった（「×」の評価基準の（ｉ））。これに対して、最高Ｘ線強度比Ｒが要件（ＩＩＩ）の上限値を上回るサンプル５では、工具が欠損することにより、「×」の評価となった（「×」の評価基準の（ｉｉ））。

また、Ｚ値を変更させたサンプル６〜９のうち、Ｚ値が要件（ＩＩ）の下限値を下回るサンプル６では、摩耗量が大きいことにより、「×」の評価となった（「×」の評価基準の（ｉ））。これに対して、Ｚ値が要件（ＩＩ）の上限値を上回るサンプル９では、工具が欠損することにより、「×」の評価となった（「×」の評価基準の（ｉｉ））。

また、α率を変更させたサンプル１０〜１３のうち、α率が要件（Ｉ）の下限値を下回るサンプル１０では、摩耗量が大きいことにより、「×」の評価となった（「×」の評価基準の（ｉ））。これに対して、α率が要件（Ｉ）の上限値を上回るサンプル１３では、工具が欠損することにより、「×」の評価となった（「×」の評価基準の（ｉｉ））。

サンプル１４〜１７の結果より、要件（Ｉ）〜（ＩＩＩ）を満たせば、粒界相に存在する酸窒化物を構成する希土類元素がイットリウム以外の元素であっても、同様の効果が得られることが確認できた。

サンプル１８〜２０の結果より、ショルダー部１３の表面、および、突起部１２の表面のうちの少なくとも一方を焼肌面とすることが有効であることが確認された。特に、サンプル１９、２０の結果より、ショルダー部１３の表面、および、突起部１２の表面のうちの一方のみを焼肌面とすることにより、工具の耐摩耗性および強度をさらに向上させられることが確認できた。

図６は、サンプル１９における加工面（研磨面）である突起部１２の表面と、非加工面（焼肌面）であるショルダー部１３の表面について、Ｘ線回折装置により分析を行なった結果を示す図である。研磨面と焼肌面とを比較すると、希土類元素とケイ素の酸窒化物であるＹ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４のピークのみが、加工によって大幅に小さくなることがわかる。

また、図７Ａおよび図７Ｂは、サンプル３と同様にして作製したセラミック焼結体の、加工前の断面における表面を含む領域について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察した様子を示す説明図である。図７Ａは２０００倍で観察した結果を示し、図７Ｂは５０００倍で観察した結果を示す。図７Ａおよび図７Ｂでは、Ｙ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４の部分がより白く示されている。図７Ａおよび図７Ｂから分かるように、焼肌面である表面近傍（例えば、表面から１０〜２０μｍ）の領域において、Ｙ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４の含有量が極めて多くなっている。このような領域は、研削や研磨等の加工を行なう際には、通常は除去される領域である。また、焼肌面の表面近傍では、加工面の表面近傍に比べて、希土類元素とケイ素の酸窒化物であるＹ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４の含有量が多いことは、サンプル１８〜２０において、焼肌面の方が研磨面よりも最高Ｘ線強度比Ｒが大きいことからも理解できる。

上記のように、サイアロン相と粒界相とを備えるセラミック焼結体において、粒界相の少なくとも一部が、希土類元素とケイ素との酸窒化物により形成される場合には、焼成処理後のセラミック焼結体では、表面近傍において、Ｙ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４がより多く存在することが分かる。そして、摩擦攪拌接合用工具においては、ショルダー部１３の表面と突起部１２の表面のうちの少なくとも一方を焼肌面とし、望ましくはショルダー部１３の表面と突起部１２の表面のうちの一方のみを焼肌面とすることにより、工具の強度および耐摩耗性を向上できることが分かる。

サンプル２１の結果より、工具のビッカース硬度が１６ＧＰａ未満であると、工具の耐摩耗性および強度が比較的抑えられることが確認された。従って、要件（Ｉ）〜（ＩＩＩ）を満たすことに加えて、さらに、工具のビッカース硬度を１６ＧＰａ以上とすることが望ましいといえる。

サンプル２２〜２６の結果から、工具１０の表面にコート層を設ける場合には、接合試験の結果として示される工具の耐摩耗性および強度において、コート層を設けない場合と同様の優劣関係（要件（Ｉ）〜（ＩＩＩ）を満たすことにより、工具の耐久性がより向上すること）が維持されつつ、耐摩耗性および強度が向上する方向に全体的にシフトすることが確認された。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…摩擦攪拌接合用工具
１１…軸部
１２…突起部
１３…ショルダー部
２１，２２…被接合部材

Claims (4)

1. 摩擦攪拌接合用工具であって、
   αサイアロンおよびＳｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚで表わされるβサイアロンを含むサイアロン相と、粒界相と、を含み、
   前記βサイアロンのＺ値が、０．２≦Ｚ≦０．７であり、
   前記粒界相の少なくとも一部が、希土類元素とケイ素との酸窒化物により形成されており、
   前記酸窒化物は、前記βサイアロンの含有量に対して最高Ｘ線強度比で０．１５以上０．７５以下の割合で含有されており、
   前記サイアロン相中の前記αサイアロンの割合を示すα率が、１０％以上４０％以下であることを特徴とする
   摩擦攪拌接合用工具。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合用工具であって、
   ビッカース硬度が１６ＧＰａ以上であることを特徴とする
   摩擦攪拌接合用工具。
3. 請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合用工具であって、
   該摩擦攪拌接合用工具の軸線方向に延びる軸部と、該軸部における被接合物と接触する側の端部の面から前記軸線方向に突出して設けられた突起部と、を有し、
   前記端部の面、および、前記突起部の表面のうちの少なくとも一方が、焼肌面であることを特徴とする
   摩擦攪拌接合用工具。
4. 請求項３に記載の摩擦攪拌接合用工具であって、
   前記端部の面、および、前記突起部の表面のうちの一方のみが、焼肌面であることを特徴とする
   摩擦攪拌接合用工具。