JPWO2015019391A1 - セラミック組成物および切削工具 - Google Patents
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Abstract
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と、炭化タングステン（ＷＣ）と、ジルコニア（ＺｒＯ２）とから主に成るセラミック組成物において、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子と炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子とが隣接する界面である第１の結晶粒界と、２つのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子が隣接する界面である第２の結晶粒界とに、ジルコニウム（Ｚｒ）が分布する。
Description
本発明は、セラミック組成物および切削工具に関する。
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）から主に成るセラミック組成物は、比較的に優れた機械特性、耐反応性および耐熱性を有することから、工具、構造部材および構造部品などに利用される。アルミナ−炭化タングステン系セラミック組成物は、アルミナに炭化タングステン（ＷＣ）を添加したセラミック組成物であり、さらに優れた機械特性および耐熱性を有する。そのため、アルミナ−炭化タングステン系セラミック組成物は、切削工具および金型などにも利用される（例えば、特許文献１，２を参照）。
アルミナ−炭化タングステン−ジルコニア系セラミック組成物は、アルミナおよび炭化タングステンにジルコニア（ＺｒＯ２）をさらに添加したセラミック組成物であり、いっそう優れた機械特性を有する。そのため、アルミナ−炭化タングステン−ジルコニア系セラミック組成物は、いっそう高い耐衝撃性および耐熱性などが要求される耐熱合金用の切削工具にも利用可能である（例えば、特許文献３を参照）。
耐熱合金用の切削工具には、ウィスカ系セラミック組成物が多く利用されている。ウィスカ系セラミック組成物は、アルミナに炭化ケイ素ウィスカを添加したセラミック組成物である。ウィスカ系セラミック組成物には、原料となる炭化ケイ素ウィスカが比較的に高価であるという問題や、針状結晶を成す炭化ケイ素ウィスカによる健康被害を回避するために取り扱いに注意を要するという問題がある。アルミナ−炭化タングステン−ジルコニア系セラミック組成物は、ウィスカ系セラミック組成物と同等の機械特性および耐久性を実現可能であるとともに、ウィスカ系セラミック組成物よりもコストおよび健康被害の面で優れる。
特許文献１〜３のセラミック組成物では、アルミナと炭化タングステンとの間の熱膨張率の差に起因してアルミナ結晶粒子に発生する引張残留応力によって、アルミナ結晶粒子間の結合力が低下するという課題があった。アルミナ結晶粒子間の結合力の低下は、セラミック組成物に発生する亀裂の進展を助長するため、セラミック組成物の機械特性を低下させ、結果的に、セラミック組成物の耐久性を低下させる。
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、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と、炭化タングステン（ＷＣ）と、ジルコニア（ＺｒＯ２）とから主に成るセラミック組成物が提供される。このセラミック組成物において、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子と炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子とが隣接する界面である第１の結晶粒界と、２つのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子が隣接する界面である第２の結晶粒界とに、ジルコニウム（Ｚｒ）が分布する。この形態によれば、第１の結晶粒界および第２の結晶粒界に分布するジルコニウム（Ｚｒ）によって、各結晶粒界における結晶粒子間の結合力を向上させることができる。したがって、アルミナ−炭化タングステン−ジルコニア系セラミック組成物の機械特性を向上させ、結果的に、その耐久性を向上させることができる。「アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と、炭化タングステン（ＷＣ）と、ジルコニア（ＺｒＯ２）とから主に成る」とは、アルミナ、炭化タングステン、ジルコニアの他に不可避不純物を含有することを意味する。「不可避不純物」とは、製造工程において不可避的に混入する鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも１つであり、その量は、炭化タングステンに固溶して曲げ強度、硬度、熱伝導率を低下させない程度の量（例えば、０．１質量％以下）である。
（２）上述のセラミック組成物の断面において、他の炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子に隣接することなくアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子およびジルコニア（ＺｒＯ２）結晶粒子の少なくとも一方の結晶粒子によって包囲された炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の断面積Ａと、他の炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子に隣接する炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の断面積Ｂとの関係は、１．５≦Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００≦５０．０を満たしてもよい。この形態によれば、比較的に高い熱膨張率を有するアルミナやジルコニアに囲まれた炭化タングステン結晶粒子に発生する圧縮残留応力による結晶粒子の強化と、炭化タングステン結晶粒子同士が連結した熱伝導路による熱伝導性の向上とを両立させることができる。したがって、アルミナ−炭化タングステン−ジルコニア系セラミック組成物の機械特性および耐熱性を向上させ、結果的に、その耐久性を更に向上させることができる。
（３）上述のセラミック組成物において、炭化タングステン（ＷＣ）が２０．０体積％以上５０．０体積％以下を占め、ジルコニア（ＺｒＯ２）が０．１体積％以上１８．０体積％以下を占め、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が残部を占めてもよい。この形態によれば、アルミナ−炭化タングステン−ジルコニア系セラミック組成物の機械特性および耐熱性を向上させ、結果的に、その耐久性を更に向上させることができる。
本発明は、セラミック組成物以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上述のセラミック組成物から成る切削工具、上述のセラミック組成物から成る金型、上述のセラミック組成物を製造する製造方法などの形態で実現することができる。
Ａ．セラミック組成物の構成
本発明の一実施形態としてのセラミック組成物は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と、炭化タングステン（ＷＣ）と、ジルコニア（ＺｒＯ２）とから主に成るアルミナ−炭化タングステン−ジルコニア系セラミック組成物である。本発明の一実施形態としてのセラミック組成物では、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子と炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子とが隣接する界面である第１の結晶粒界と、２つのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子が隣接する界面である第２の結晶粒界とに、ジルコニウム（Ｚｒ）が分布する。
本発明の一実施形態としてのセラミック組成物は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と、炭化タングステン（ＷＣ）と、ジルコニア（ＺｒＯ２）とから主に成るアルミナ−炭化タングステン−ジルコニア系セラミック組成物である。本発明の一実施形態としてのセラミック組成物では、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子と炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子とが隣接する界面である第１の結晶粒界と、２つのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子が隣接する界面である第２の結晶粒界とに、ジルコニウム（Ｚｒ）が分布する。
図１は、一実施形態としてのセラミック組成物における典型的な構造を示す説明図である。図１の（Ａ）欄に示す画像は、鏡面研磨を施した後にサーマルエッチングを施したセラミック組成物における任意の表面を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、ＳＥＭ）で観察した画像である。図１の（Ｂ）欄に示す画像は、図１の（Ａ）欄に示す画像における結晶粒子を模式的に表現した画像である。図１の（Ａ）欄および（Ｂ）欄にそれぞれ示す画像の１辺は、実際のセラミック組成物における１０μｍ（マイクロメートル）の長さに対応する。
一実施形態としてのセラミック組成物は、多結晶体であり、複数のアルミナ結晶粒子１０と、複数の炭化タングステン結晶粒子２０と、複数のジルコニア結晶粒子３０とを備える。アルミナ結晶粒子１０は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）から成る結晶粒子である。炭化タングステン結晶粒子２０は、炭化タングステン（ＷＣ）から成る結晶粒子である。ジルコニア結晶粒子３０は、ジルコニア（ＺｒＯ２）から成る結晶粒子である。
複数の炭化タングステン結晶粒子２０は、他の炭化タングステン結晶粒子２０に隣接することなくアルミナ結晶粒子１０およびジルコニア結晶粒子３０の少なくとも一方の結晶粒子によって包囲された炭化タングステン結晶粒子２０（Ａ）と、他の炭化タングステン結晶粒子２０に隣接する炭化タングステン結晶粒子２０（Ｂ）とを含む。本実施形態の説明では、炭化タングステン結晶粒子を示す符合として、周囲の結晶粒子との関係を特定しない場合には符合「２０」を使用し、周囲の結晶粒子との関係を特定する場合には符合「２０（Ａ）」および符合「２０（Ｂ）」を使用する。炭化タングステン結晶粒子２０（Ａ）は、他の炭化タングステン結晶粒子２０に隣接していない結晶粒子であり、炭化タングステン結晶粒子２０（Ｂ）は、１つ以上の他の炭化タングステン結晶粒子２０に隣接する結晶粒子である。
図２は、一実施形態としてのセラミック組成物における典型的な結晶粒界を示す説明図である。図２の（Ａ）欄の紙面左側に示す画像は、アルミナ結晶粒子１０と炭化タングステン結晶粒子２０とが隣接する任意の界面である第１の結晶粒界４０を走査透過型電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope、ＳＴＥＭ）で観察した画像である。図２の（Ａ）欄の紙面右側に示す画像は、第１の結晶粒界４０の周辺におけるジルコニウム（Ｚｒ）元素の濃度をエネルギ分散形Ｘ線分光器（Energy Dispersive X-ray Spectrometer、ＥＤＳ）で測定したグラフである。
図２の（Ａ）欄におけるグラフの横軸は、第１の結晶粒界４０を横切る直線上の位置として、アルミナ結晶粒子１０における位置Ａ１から、第１の結晶粒界４０上の位置Ａ２を経て、炭化タングステン結晶粒子２０における位置Ａ３までの各位置を示す。位置Ａ１から位置Ａ３までの距離は、約５０ｎｍ（ナノメートル）である。図２の（Ａ）欄におけるグラフの縦軸は、ジルコニウム元素の濃度を示す。一実施形態としてのセラミック組成物では、アルミナ結晶粒子１０と炭化タングステン結晶粒子２０とが隣接する第１の結晶粒界４０に、ジルコニウム（Ｚｒ）が分布する。
図２の（Ｂ）欄の紙面左側に示す画像は、２つのアルミナ結晶粒子１０が隣接する任意の界面である第２の結晶粒界５０をＳＴＥＭで観察した画像である。図２の（Ｂ）欄の紙面右側に示す画像は、第２の結晶粒界５０の周辺におけるジルコニウム元素の濃度をＥＤＳで測定したグラフである。図２の（Ｂ）欄におけるグラフの横軸は、第２の結晶粒界５０を横切る直線上の位置として、一方のアルミナ結晶粒子１０における位置Ａ４から、第２の結晶粒界５０上の位置Ａ５を経て、他方のアルミナ結晶粒子１０における位置Ａ６までの各位置を示す。位置Ａ４から位置Ａ６までの距離は、約５０ｎｍである。図２の（Ｂ）欄におけるグラフの縦軸は、ジルコニウム元素の濃度を示す。一実施形態としての典型的なセラミック組成物では、２つのアルミナ結晶粒子１０が隣接する第２の結晶粒界５０に、ジルコニウム（Ｚｒ）が分布する。
一実施形態としてのセラミック組成物は、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０に分布するジルコニウム（Ｚｒ）によって、各結晶粒界における結晶粒子間の結合力を向上させることができる。したがって、アルミナ−炭化タングステン−ジルコニア系セラミック組成物の機械特性を向上させ、結果的に、その耐久性を向上させることができる。
一実施形態としてのセラミック組成物では、セラミック組成物の任意の断面において、炭化タングステン結晶粒子２０（Ａ）の断面積Ａと、炭化タングステン結晶粒子２０（Ｂ）の断面積Ｂとの関係は、１．５≦Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００≦５０．０を満たすことが好ましい。これによって、比較的に高い熱膨張率を有するアルミナやジルコニアに囲まれた炭化タングステン結晶粒子２０（Ａ）に発生する圧縮残留応力による結晶粒子の強化と、炭化タングステン結晶粒子２０（Ｂ）同士が連結した熱伝導路による熱伝導性の向上とを両立させることができる。したがって、アルミナ−炭化タングステン−ジルコニア系セラミック組成物の機械特性および耐熱性を向上させ、結果的に、その耐久性を更に向上させることができる。
一実施形態としてのセラミック組成物では、炭化タングステン（ＷＣ）が２０．０体積％以上５０．０体積％以下を占め、ジルコニア（ＺｒＯ２）が０．１体積％以上１８．０体積％以下を占め、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が残部を占めることが好ましい。これによって、アルミナ−炭化タングステン−ジルコニア系セラミック組成物の機械特性および耐熱性を向上させ、結果的に、その耐久性を更に向上させることができる。一実施形態としてのセラミック組成物では、曲げ強度（日本工業規格ＪＩＳ Ｒ １６０１に準拠した外部支点間距離（スパン）３０ｍｍの条件による３点曲げ強さ）が１１００ＭＰａより高く、かつ、熱伝導率（日本工業規格ＪＩＳ Ｒ １６１１に準拠した室温における熱伝導率）が２６Ｗ／（ｍ・Ｋ）より高いことが好ましい。
Ｂ．セラミック組成物の製造方法
図３は、セラミック組成物の製造方法を示す工程図である。図３の製造方法は、上述した一実施形態としてのセラミック組成物を製造するための製造方法である。セラミック組成物の製造にあたって、まず、製造者は、セラミック組成物の原料であるアルミナ粉末と炭化タングステン粉末とジルコニア粉末とをそれぞれ秤量する（工程Ｐ１０５）。
図３は、セラミック組成物の製造方法を示す工程図である。図３の製造方法は、上述した一実施形態としてのセラミック組成物を製造するための製造方法である。セラミック組成物の製造にあたって、まず、製造者は、セラミック組成物の原料であるアルミナ粉末と炭化タングステン粉末とジルコニア粉末とをそれぞれ秤量する（工程Ｐ１０５）。
セラミック組成物の原料には、平均粒径０．５μｍ程度のアルミナ粉末を用いることができる。原料のアルミナ粉末の平均粒径は、０．５μｍ未満であってもよいし、０．５μｍ超過であってもよい。本実施形態の説明における粉末の平均粒径は、いずれもレーザ回折式粒度分布測定装置を用いて測定した値である。
セラミック組成物の原料には、平均粒径０．７μｍ程度の炭化タングステン粉末を用いることができる。原料の炭化タングステン粉末の平均粒径は、０．７μｍ未満であってもよいし、０．７μｍ超過であってもよい。
セラミック組成物の原料には、平均粒径０．７μｍ程度のジルコニア粉末であって、安定化剤として３ｍｏｌ％（モルパーセント）のイットリア（Ｙ２Ｏ３）で部分安定化されたジルコニア粉末（３ＹＳＺ粉末）を用いることができる。原料のジルコニア粉末の平均粒径は、０．７μｍ未満であってもよいし、０．７μｍ超過であってもよい。原料のジルコニア粉末は、３ＹＳＺ粉末に限らず、ジルコニアを含有する他の粉末であってもよい。
各粉末を秤量した後（工程Ｐ１０５）、製造者は、予備粉砕を行う（工程Ｐ１１０）。予備粉砕において、製造者は、ボールミルを用いて、アルミナ粉末とジルコニア粉末とを溶媒（例えば、エタノール）とともに混合しつつ各粉末の粒子を粉砕する（工程Ｐ１１０）。本実施形態では、予備粉砕を行う時間は、約２０時間であり、他の実施形態では、２０時間未満であってもよいし、２０時間超過であってもよい。
予備粉砕を行った後（工程Ｐ１１０）、製造者は、ボールミル内の混合物に、炭化タングステン粉末と溶媒と分散剤とを加えて、更に混合および粉砕を行う（工程Ｐ１２０）。これによって、製造者は、アルミナ、炭化タングステンおよびジルコニアの各粒子が分散したスラリを得る。本実施形態では、炭化タングステン粉末を加えて更に混合および粉砕する時間は、約２０時間であり、他の実施形態では、２０時間未満であってもよいし、２０時間超過であってもよい。
混合物に加える分散剤には、例えば、フローレンＧ−７００（共栄社化学株式会社製）、ＳＮディスパーサント９２２８（サンノプコ株式会社製）、マリアリムＡＫＭ−０５３１（日油株式会社製）、カオーセラ８０００（花王株式会社製）などを用いることができる。分散剤の投入量は、全ての原料粉末の質量に対して１．５質量％以上３．５質量％以下が好ましく、本実施形態では、２．０質量％である。他の実施形態では、分散剤の投入量は、１．５質量％未満であってもよく、３．５質量％超過であってもよい。
スラリを作製した後（工程Ｐ１２０）、製造者は、スラリから混合粉末を作製する（工程Ｐ１３０）。スラリから得られる混合粉末には、アルミナ、炭化タングステンおよびジルコニアの各粒子が混在する。本実施形態では、製造者は、スラリを湯煎しつつ脱気することによりスラリ中から溶媒を除去した後、スラリから溶媒を除去した粉体をふるいに通すことによって、混合粉末を作製する。
混合粉末を作製した後（工程Ｐ１３０）、製造者は、ホットプレスによって混合粉末からセラミック組成物を作製する（工程Ｐ１５０）。本実施形態では、ホットプレスにおいて、製造者は、カーボン製の型に混合粉末を充填し、その混合粉末を一軸加圧しながら加熱する。これによって、製造者は、混合粉末が焼結した焼結体であるセラミック組成物を得る。
本実施形態におけるホットプレス（工程Ｐ１５０）の条件は、次のとおりである。
・焼成温度：１７５０℃
・焼成時間：２時間
・圧力：３０ＭＰａ（メガパスカル）
・雰囲気ガス：アルゴン（Ａｒ）
・焼成温度：１７５０℃
・焼成時間：２時間
・圧力：３０ＭＰａ（メガパスカル）
・雰囲気ガス：アルゴン（Ａｒ）
これらの工程を経て、セラミック組成物が完成する。製造者は、ホットプレスを行った後（工程Ｐ１５０）、切削、研削および研磨の少なくとも１つの加工法によってセラミック組成物の形状や表面を仕上げてもよい。製造者は、上述の製造方法を用いて、セラミック組成物から成る切削工具を作製してもよい。
Ｃ．評価試験
図４および図５は、セラミック組成物の機械特性、熱特性および耐久性に関する評価試験の結果を示す表である。試験者は、セラミック組成物として複数の試料を作製し、各試料について、結晶粒界におけるジルコニウム（Ｚｒ）元素の有無と、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００と、機械特性と、熱特性と、耐久性とを調べた。
図４および図５は、セラミック組成物の機械特性、熱特性および耐久性に関する評価試験の結果を示す表である。試験者は、セラミック組成物として複数の試料を作製し、各試料について、結晶粒界におけるジルコニウム（Ｚｒ）元素の有無と、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００と、機械特性と、熱特性と、耐久性とを調べた。
各試料の結晶粒界におけるＺｒ元素の有無については、試験者は次の手順で調べた。
手順１．集束イオンビーム装置（ＦＩＢ装置、Focused Ion Beam system）を用いて各試料の任意の部分から１００ｎｍ四方の薄片を切り出し、その薄片における任意の表面をＳＴＥＭで観察し、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０を確認
手順２．図２を用いて説明したように、各試料における第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０の各結晶粒界からそれぞれ５箇所ずつＺｒ元素の濃度をＥＤＳで測定することによって、結晶粒界におけるＺｒ元素の有無を確認
手順１．集束イオンビーム装置（ＦＩＢ装置、Focused Ion Beam system）を用いて各試料の任意の部分から１００ｎｍ四方の薄片を切り出し、その薄片における任意の表面をＳＴＥＭで観察し、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０を確認
手順２．図２を用いて説明したように、各試料における第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０の各結晶粒界からそれぞれ５箇所ずつＺｒ元素の濃度をＥＤＳで測定することによって、結晶粒界におけるＺｒ元素の有無を確認
各試料の面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００については、試験者は次の手順で調べた。
手順１．鏡面研磨を施した後にエッチングを施した各試料における任意の表面をＳＥＭで観察し、その表面を１万倍に拡大して撮影した画像から任意の１０μｍ四方の領域を５箇所ずつ選択
手順２．選択された領域において炭化タングステン結晶粒子２０（Ａ）および炭化タングステン結晶粒子２０（Ｂ）が占める面積（Ａ＋Ｂ）と、選択された領域において炭化タングステン結晶粒子２０（Ａ）が占める面積Ａとを、画像解析ソフトウェア（三谷商事株式会社製「ＷｉｎＲｏｏｆ」）を用いて算出
手順３．面積Ａを面積（Ａ＋Ｂ）で除算することによって面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００を算出
手順１．鏡面研磨を施した後にエッチングを施した各試料における任意の表面をＳＥＭで観察し、その表面を１万倍に拡大して撮影した画像から任意の１０μｍ四方の領域を５箇所ずつ選択
手順２．選択された領域において炭化タングステン結晶粒子２０（Ａ）および炭化タングステン結晶粒子２０（Ｂ）が占める面積（Ａ＋Ｂ）と、選択された領域において炭化タングステン結晶粒子２０（Ａ）が占める面積Ａとを、画像解析ソフトウェア（三谷商事株式会社製「ＷｉｎＲｏｏｆ」）を用いて算出
手順３．面積Ａを面積（Ａ＋Ｂ）で除算することによって面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００を算出
各試料の機械特性については、試験者は、各試料から試験片を作製し、試験片を用いて曲げ強度、破壊靱性および硬度を求めた。試験片の形状は、断面が長方形の角柱であり、その寸法は、全長４０ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ３ｍｍである。曲げ強度に関し、試験者は、日本工業規格ＪＩＳ Ｒ １６０１に準拠して外部支点間距離（スパン）３０ｍｍの条件で各試料の３点曲げ強さを求めた。破壊靱性に関し、試験者は、日本工業規格ＪＩＳ Ｒ １６０７に規定されているＩＦ(Indentation Fracture)法に準拠して各試料の破壊靱性値（臨界応力拡大係数）ＫＩＣを求めた。硬度に関し、試験者は、日本工業規格ＪＩＳ Ｒ １６１０に準拠して各試料のビッカース硬さを求めた。
各試料の熱特性については、試験者は、熱膨張係数および熱伝導率を求めた。熱膨張係数に関し、試験者は、日本工業規格ＪＩＳ Ｒ １６１８に準拠して６００℃における各試料の熱膨張係数を求めた。熱伝導率に関し、試験者は、日本工業規格ＪＩＳ Ｒ １６１１に準拠して室温における各試料の熱伝導率を求めた。
各試料の耐久性については、試験者は、各試料から切削工具を作製し、その切削工具を用いて切削試験を行った後、切削工具における刃先の状態と摩耗量とを耐久性として評価した。各試料から作製される切削工具の形状は、日本工業規格ＪＩＳ Ｂ ４１２０に準拠した呼び記号「ＲＣＧＸ１２０７００Ｔ０１０２０」によって特定される形状である。切削試験で切削される被削材は、インコネル７１８から成る鋳造品（「インコネル」は登録商標）であり、その形状は、外径２５０ｍｍの穴あき円盤形状である。
切削試験の条件は、次のとおりである。
・切削速度：２４０ｍ／分、３６０ｍ／分、４８０ｍ／分
・パス回数：５パス
・１パスあたりの長さ：２００ｍｍ
・切り込み量：１．０ｍｍ
・送り量：０．２ｍｍ／回転
・冷却水：あり
・切削速度：２４０ｍ／分、３６０ｍ／分、４８０ｍ／分
・パス回数：５パス
・１パスあたりの長さ：２００ｍｍ
・切り込み量：１．０ｍｍ
・送り量：０．２ｍｍ／回転
・冷却水：あり
刃先の状態についての評価基準は、次のとおりである。
「○（優）」：欠損なし、フレーキング（剥離）なし
「△（可）」：欠損なし、フレーキング（剥離）あり
「×（劣）」：欠損あり
「○（優）」：欠損なし、フレーキング（剥離）なし
「△（可）」：欠損なし、フレーキング（剥離）あり
「×（劣）」：欠損あり
摩耗量についての評価基準は、次のとおりである。
「○（優）」：摩耗量が０．６ｍｍ未満
「△（可）」：摩耗量が０．６ｍｍ以上１．０ｍｍ未満
「×（劣）」：１．０ｍｍ以上
「−（無表記）」：刃先の欠損により摩耗量を評価できない
「○（優）」：摩耗量が０．６ｍｍ未満
「△（可）」：摩耗量が０．６ｍｍ以上１．０ｍｍ未満
「×（劣）」：１．０ｍｍ以上
「−（無表記）」：刃先の欠損により摩耗量を評価できない
Ｃ１．結晶粒界におけるＺｒの有無に関する評価
試料１は、５５．０体積％のアルミナ粉末と、４０．０体積％の炭化タングステン粉末と、５．０体積％のジルコニア粉末とを原料として、図３の製造方法によって作製されたセラミック組成物である。試料１では、アルミナ粉末の平均粒径は約０．５μｍであり、炭化タングステン粉末の平均粒径は約０．７μｍであり、ジルコニア粉末の平均粒径は約０．７μｍである。図１および図２に示す各画像は、試料１の構造を示す。試料１では、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は９．０％であった。試料１では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にもＺｒが分布していた。
試料１は、５５．０体積％のアルミナ粉末と、４０．０体積％の炭化タングステン粉末と、５．０体積％のジルコニア粉末とを原料として、図３の製造方法によって作製されたセラミック組成物である。試料１では、アルミナ粉末の平均粒径は約０．５μｍであり、炭化タングステン粉末の平均粒径は約０．７μｍであり、ジルコニア粉末の平均粒径は約０．７μｍである。図１および図２に示す各画像は、試料１の構造を示す。試料１では、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は９．０％であった。試料１では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にもＺｒが分布していた。
試料ＳＣ１は、ジルコニア粉末の平均粒径が試料１の原料と比較して大きい約１．７μｍである点と、予備粉砕（工程Ｐ１１０）を行わずに全ての原料を一度に混合および粉砕した点とを除き、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。試料ＳＣ１では、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は１０．５％であった。
図６は、試料ＳＣ１における結晶粒界を示す説明図である。図６の（Ａ）欄には、試料ＳＣ１について、図２と同様に、第１の結晶粒界４０の画像と、第１の結晶粒界４０の周辺におけるＺｒ元素の濃度を測定したグラフとが図示されている。図６の（Ａ）欄におけるグラフの横軸は、第１の結晶粒界４０を横切る直線上の位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３に対応する。図６の（Ｂ）欄には、試料ＳＣ１について、図２と同様に、第２の結晶粒界５０の画像と、第２の結晶粒界５０の周辺におけるＺｒ元素の濃度を測定したグラフとが図示されている。図６の（Ｂ）欄におけるグラフの横軸は、第２の結晶粒界５０を横切る直線上の位置Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６に対応する。試料ＳＣ１では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にもＺｒが分布していなかった。
試料ＳＣ２は、予備粉砕（工程Ｐ１１０）を行わずに全ての原料を一度に混合および粉砕した点を除き、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。試料ＳＣ２では、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は、１１．２％であった。
図７は、試料ＳＣ２における結晶粒界を示す説明図である。図７の（Ａ）欄には、試料ＳＣ２について、図２と同様に、第１の結晶粒界４０の画像と、第１の結晶粒界４０の周辺におけるＺｒ元素の濃度を測定したグラフとが図示されている。図７の（Ａ）欄におけるグラフの横軸は、第１の結晶粒界４０を横切る直線上の位置Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に対応する。図７の（Ｂ）欄には、試料ＳＣ２について、図２と同様に、第２の結晶粒界５０の画像と、第２の結晶粒界５０の周辺におけるＺｒ元素の濃度を測定したグラフとが図示されている。図７の（Ｂ）欄におけるグラフの横軸は、第２の結晶粒界５０を横切る直線上の位置Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６に対応する。試料ＳＣ２では、第１の結晶粒界４０にはＺｒが分布していたが、第２の結晶粒界５０にはＺｒが分布していなかった。
図４の説明に戻り、試料１、試料ＳＣ１および試料ＳＣ２の機械特性に関し、試料１の曲げ強度は、試料ＳＣ１の曲げ強度の２倍以上であるとともに、試料ＳＣ２の曲げ強度の１．６倍以上であった。他の機械特性である破壊靱性および硬度に関し、各試料は同等であった。試料１、試料ＳＣ１および試料ＳＣ２の熱特性（熱膨張係数および熱伝導率）に関し、各試料は同等であった。
試料１の切削試験では、いずれの切削速度においても、欠損やフレーキングが発生せず、摩耗量が０．６ｍｍ未満であった。これに対して、試料ＳＣ１,ＳＣ２の切削試験では、いずれの切削速度においても欠損が発生した。
試料１、試料ＳＣ１および試料ＳＣ２に関する曲げ強度および切削試験の結果は、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０に分布するＺｒによって、各結晶粒界における結晶粒子間の結合力が向上したことに起因すると考えられる。
試料１、試料ＳＣ１および試料ＳＣ２を比較することによって、原料であるジルコニア粉末の粒径が、第１の結晶粒界４０におけるＺｒの有無に影響を与えることが分かる。原料であるジルコニア粉末の粒径が大き過ぎる場合、試料ＳＣ１のように第１の結晶粒界４０にＺｒが分布しない。したがって、第１の結晶粒界４０にＺｒを分布させるためには、原料であるジルコニア粉末の平均粒径は、他の原料である炭化タングステン粉末の平均粒径と同程度であることが好ましい。
試料１、試料ＳＣ１および試料ＳＣ２を比較することによって、製造工程における予備粉砕（工程Ｐ１１０）が、第２の結晶粒界５０におけるＺｒの有無に影響を与えることが分かる。予備粉砕（工程Ｐ１１０）を実施しない場合、試料ＳＣ１，ＳＣ２のように第２の結晶粒界５０にＺｒが分布しない。したがって、第２の結晶粒界５０にＺｒを分布させるためには、製造工程において予備粉砕（工程Ｐ１１０）を実施することが好ましい。予備粉砕（工程Ｐ１１０）によって、Ｚｒ元素の供給源であるジルコニアを微細にするとともに均質に分散させることができる。その結果、第２の結晶粒界５０にＺｒを拡散および分布させることができる。
Ｃ２．分散剤の添加量および面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００に関する評価
図４に示す試料２〜６および試料ＳＣ３〜ＳＣ６は、製造時に添加される分散剤の添加量が異なる点を除き、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。分散剤の添加量は、２．０質量％の試料１に対して、試料ＳＣ３において最小の０．１質量％であり、試料６において最大の３．５質量％である。試料２〜６および試料ＳＣ３〜ＳＣ６では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にもＺｒが分布していた。
図４に示す試料２〜６および試料ＳＣ３〜ＳＣ６は、製造時に添加される分散剤の添加量が異なる点を除き、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。分散剤の添加量は、２．０質量％の試料１に対して、試料ＳＣ３において最小の０．１質量％であり、試料６において最大の３．５質量％である。試料２〜６および試料ＳＣ３〜ＳＣ６では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にもＺｒが分布していた。
図８は、分散剤の添加量とスラリの粘度との関係を示すグラフである。図８のグラフでは、横軸は分散剤の添加量を示し、縦軸はスラリの粘度を示す。セラミック組成物の原料粉末を混合したスラリの粘度は、分散剤の添加に従って急激に低下する（状態Ｓ１）。その状態Ｓ１よりも更に分散剤の添加量を増やした場合、スラリの粘度は、緩やかに低下し最低値になる（状態Ｓ２）。その状態Ｓ２よりも更に分散剤の添加量を増やした場合、スラリの粘度は、分散剤の増量に伴って緩やかに増加する（状態Ｓ３）。
図９は、分散剤の添加量に応じたスラリの状態を模式的に示す説明図である。図９の紙面左側の画像は、図８の状態Ｓ１のスラリを模式的に示す。図９の紙面中央の画像は、図８の状態Ｓ２のスラリを模式的に示す。図９の紙面右側の画像は、図８の状態Ｓ３のスラリを模式的に示す。
状態Ｓ１のスラリでは、原料粉末に由来するいくつかの粒子１５０が凝集した状態で溶媒１１０中に分散する。状態Ｓ２のスラリでは、原料粉末に由来する個々の粒子１５０が分散剤によってほぼ分離した状態で溶媒１１０中に分散する。状態Ｓ３のスラリでは、分散剤によって個々に分離していたいくつかの粒子１５０が、分散剤同士の架橋によって再凝集した状態で溶媒１１０中に分散する。
分散剤の添加量が０．１〜０．３質量％である試料ＳＣ３，ＳＣ４では、スラリは状態Ｓ１であった。分散剤の添加量が０．８〜１．０質量％である試料ＳＣ５，ＳＣ６では、スラリは状態Ｓ２であった。分散剤の添加量が１．５〜３．５質量％である試料１〜６では、スラリは状態Ｓ３であった。
図１０は、試料ＳＣ３における構造を示す説明図である。図１０の（Ａ）欄に示す画像は、試料ＳＣ３の任意の表面を、図１の画像と同様にＳＥＭで観察した画像である。図１０の（Ｂ）欄に示す画像は、図１０の（Ａ）欄に示す画像における結晶粒子を模式的に表現した画像である。図１０に示す試料ＳＣ３では、図１に示す試料１よりも炭化タングステン結晶粒子２０（Ａ）の割合が少ない。
図１１は、試料４における構造を示す説明図である。図１１の（Ａ）欄に示す画像は、試料４の任意の表面を、図１の画像と同様にＳＥＭで観察した画像である。図１１の（Ｂ）欄に示す画像は、図１１の（Ａ）欄に示す画像における結晶粒子を模式的に表現した画像である。図１１に示す試料４では、図１に示す試料１よりも炭化タングステン結晶粒子２０（Ａ）の割合が多い。
面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００が１．５〜５０．０％である試料２〜６の切削試験では、試料１と同様に、いずれの切削速度においても、欠損やフレーキングが発生せず、摩耗量が０．６ｍｍ未満であった。これに対して、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００が１．５％未満である試料ＳＣ３，ＳＣ４の切削試験では、比較的に切削抵抗が大きい低速の切削試験（切削速度：２４０ｍ／分および３６０ｍ／分）において欠損が発生し、比較的に高速の切削試験（切削速度：４８０ｍ／分）においてフレーキングが発生するとともに試料１〜６よりも摩耗量が増加した。この結果は、試料ＳＣ３，ＳＣ４では、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００が１．５％未満なので、アルミナの粒成長が進んでしまうこと、また、比較的に高い熱膨張率を有するアルミナやジルコニアに囲まれた炭化タングステン結晶粒子２０（Ａ）に発生する圧縮残留応力による結晶粒子の強化が不十分であることが、曲げ強度の不足に起因すると考えられる。
また、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００が５０．０％超過である試料ＳＣ５，ＳＣ６の切削試験では、比較的に高温になる高速の切削試験（切削速度：３６０ｍ／分および４８０ｍ／分）において欠損が発生し、比較的に低速の切削試験（切削速度：２４０ｍ／分）においてフレーキングが発生するとともに試料１〜６よりも摩耗量が増加した。この結果は、試料ＳＣ５，ＳＣ６では、炭化タングステン結晶粒子２０（Ｂ）同士が連結した熱伝導路による熱伝導性の向上が不十分であり、そのために熱伝導率が不足したことに起因すると考えられる。
したがって、炭化タングステン結晶粒子２０（Ａ）の結晶粒子の強化と、炭化タングステン結晶粒子２０（Ｂ）による熱伝導性の向上とを両立させる観点から、炭化タングステン結晶粒子２０（Ａ）の断面積Ａと、炭化タングステン結晶粒子２０（Ｂ）の断面積Ｂとの関係は、１．５≦Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００≦５０．０を満たすことが好ましい。また、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００の調節を容易にする観点から、分散剤の添加量は、スラリが状態Ｓ２になる量よりも多いことが好ましい。
Ｃ３．炭化タングステンの分量に関する評価
図５に示す試料７〜９および試料ＳＣ７〜ＳＣ９は、アルミナおよび炭化タングステンの分量が異なる点を除き、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。図５に示す試料ＳＣ１０は、原料であるアルミナ粉末および炭化タングステン粉末の分量が異なる点と、焼成温度が１８００℃である点とを除き、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。炭化タングステンの分量は、４０．０体積％の試料１に対して、試料ＳＣ７において最小の１０．０体積％であり、試料ＳＣ１０において最大の６０．０体積％である。試料７〜９および試料ＳＣ７〜ＳＣ１０では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にもＺｒが分布し、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は３．９〜４８．０％であった。
図５に示す試料７〜９および試料ＳＣ７〜ＳＣ９は、アルミナおよび炭化タングステンの分量が異なる点を除き、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。図５に示す試料ＳＣ１０は、原料であるアルミナ粉末および炭化タングステン粉末の分量が異なる点と、焼成温度が１８００℃である点とを除き、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。炭化タングステンの分量は、４０．０体積％の試料１に対して、試料ＳＣ７において最小の１０．０体積％であり、試料ＳＣ１０において最大の６０．０体積％である。試料７〜９および試料ＳＣ７〜ＳＣ１０では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にもＺｒが分布し、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は３．９〜４８．０％であった。
炭化タングステンの分量が２０．０〜５０．０体積％である試料７〜９の切削試験では、試料１と同様に、いずれの切削速度においても、欠損やフレーキングが発生せず、摩耗量が０．６ｍｍ未満であった。これに対して、炭化タングステンの分量が２０．０体積％未満である試料ＳＣ７，ＳＣ８の切削試験では、欠損またフレーキングが発生するとともに試料１，７〜９よりも摩耗量が増加した。この結果は、炭化タングステンの分量が不十分であり、そのために曲げ強度、硬度および熱伝導率が不足したことに起因すると考えられる。
また、炭化タングステンの分量が５０．０体積％超過である試料ＳＣ９，ＳＣ１０では、機械特性および熱特性が比較的に高いにもかかわらず、その切削試験では、欠損またフレーキングが発生するとともに試料１，７〜９よりも摩耗量が増加した。この結果は、炭化タングステンの分量が過剰であるため、炭化タングステンが化学反応によって比較的に脆い物質（例えば、酸化タングステン（ＷＯ３））に変質する影響を受けやすくなり、セラミック組成物全体の耐反応性が低下したことに起因すると考えられる。
したがって、機械特性、熱特性および耐反応性を向上させる観点から、セラミック組成物において炭化タングステンが２０．０体積％以上５０．０体積％以下を占めることが好ましい。
Ｃ４．ジルコニアの分量に関する評価
図５に示す試料１０および試料ＳＣ１１は、アルミナおよびジルコニアの分量が異なる点を除き、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。図５に示す試料１１，１２および試料ＳＣ１２，１３は、原料であるアルミナ粉末およびジルコニア粉末の分量が異なる点と、焼成温度が１７００℃である点とを除き、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。ジルコニアの分量は、５．０体積％の試料１に対して、試料ＳＣ１１において最小の０．０５体積％であり、試料ＳＣ１３において最大の２５．０体積％である。試料１０〜１２および試料ＳＣ１２，ＳＣ１３では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にもＺｒが分布し、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は８．５〜１２．２％であった。試料ＳＣ１１では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にもＺｒが分布しておらず、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は８．２％であった。
図５に示す試料１０および試料ＳＣ１１は、アルミナおよびジルコニアの分量が異なる点を除き、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。図５に示す試料１１，１２および試料ＳＣ１２，１３は、原料であるアルミナ粉末およびジルコニア粉末の分量が異なる点と、焼成温度が１７００℃である点とを除き、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。ジルコニアの分量は、５．０体積％の試料１に対して、試料ＳＣ１１において最小の０．０５体積％であり、試料ＳＣ１３において最大の２５．０体積％である。試料１０〜１２および試料ＳＣ１２，ＳＣ１３では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にもＺｒが分布し、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は８．５〜１２．２％であった。試料ＳＣ１１では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にもＺｒが分布しておらず、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は８．２％であった。
ジルコニアの分量が０．１〜１８．０体積％である試料１０〜１２の切削試験では、試料１と同様に、いずれの切削速度においても、欠損やフレーキングが発生せず、摩耗量が０．６ｍｍ未満であった。これに対して、ジルコニアの分量が０．１体積％未満である試料ＳＣ１１の切削試験では、いずれの切削速度においても欠損が発生した。この結果は、ジルコニアの分量が不十分であるため、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にもＺｒを分布させることができなかったことに起因すると考えられる。
また、ジルコニアの分量が１８．５〜２５．０体積％である試料ＳＣ１２．ＳＣ１３の切削試験では、欠損またフレーキングが発生するとともに試料１，１０〜１２よりも摩耗量が増加した。この結果は、ジルコニアの分量が過剰であり、そのために硬度および熱伝導率が不足するとともに熱膨張係数が増加したことに起因すると考えられる。
Ｃ５．ウィスカ系セラミック組成物との比較
図５に示す試料ＳＣ１４は、ウィスカ系セラミック組成物から成る市販の切削工具（日本特殊陶業株式会社製「ＷＡ１」）である。試料１の切削試験では、いずれの切削速度においても、欠損やフレーキングが発生せず、摩耗量が０．６ｍｍ未満であった。これに対して、試料ＳＣ１４の切削試験では、比較的に高温になる高速の切削試験（切削速度：３６０ｍ／分および４８０ｍ／分）において欠損が発生し、比較的に低速の切削試験（切削速度：２４０ｍ／分）においてフレーキングが発生するとともに試料１よりも摩耗量が増加した。試料１と試料ＳＣ１４との比較から明らかなように、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０にＺｒを分布させることによって、アルミナ−炭化タングステン−ジルコニア系セラミック組成物の耐久性をウィスカ系セラミック組成物よりも向上させることができる。
図５に示す試料ＳＣ１４は、ウィスカ系セラミック組成物から成る市販の切削工具（日本特殊陶業株式会社製「ＷＡ１」）である。試料１の切削試験では、いずれの切削速度においても、欠損やフレーキングが発生せず、摩耗量が０．６ｍｍ未満であった。これに対して、試料ＳＣ１４の切削試験では、比較的に高温になる高速の切削試験（切削速度：３６０ｍ／分および４８０ｍ／分）において欠損が発生し、比較的に低速の切削試験（切削速度：２４０ｍ／分）においてフレーキングが発生するとともに試料１よりも摩耗量が増加した。試料１と試料ＳＣ１４との比較から明らかなように、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０にＺｒを分布させることによって、アルミナ−炭化タングステン−ジルコニア系セラミック組成物の耐久性をウィスカ系セラミック組成物よりも向上させることができる。
Ｄ．他の実施形態
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、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。
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、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。
セラミック組成物の結晶粒界にジルコニウム（Ｚｒ）を効果的に分布させる手法は、上述の実施形態における予備粉砕（工程Ｐ１１０）に限らず、次の手法であってもよい。
・圧縮力および剪断力により粒子を複合化させる手法（例えば、ホソカワミクロン株式会社製ノビルタ（登録商標）を用いて粉体を処理する手法）
・ビーズミルを用いて粉体を処理する手法
・アルコキシド法で作製された超微粒子ジルコニアを用いる手法
これらの手法によっても、Ｚｒ元素の供給源であるジルコニアを微細にするとともに均質に分散させることができる。その結果、セラミック組成物の結晶粒界にＺｒを拡散および分布させることができる
・圧縮力および剪断力により粒子を複合化させる手法（例えば、ホソカワミクロン株式会社製ノビルタ（登録商標）を用いて粉体を処理する手法）
・ビーズミルを用いて粉体を処理する手法
・アルコキシド法で作製された超微粒子ジルコニアを用いる手法
これらの手法によっても、Ｚｒ元素の供給源であるジルコニアを微細にするとともに均質に分散させることができる。その結果、セラミック組成物の結晶粒界にＺｒを拡散および分布させることができる
セラミック組成物の結晶粒界における結合力を向上させる元素は、上述の実施形態におけるジルコニウム（Ｚｒ）に限らず、次の元素であってもよい。
・周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属（タングステン（Ｗ）を除く）
・イットリウム（Ｙ）
・スカンジウム（Ｓｃ）
・ランタノイド（原子番号５７から７１までのいずれかの元素、特にユウロピウム（Ｅｕ）およびイッテルビウム（Ｙｂ）が好ましい。）
・周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属（タングステン（Ｗ）を除く）
・イットリウム（Ｙ）
・スカンジウム（Ｓｃ）
・ランタノイド（原子番号５７から７１までのいずれかの元素、特にユウロピウム（Ｅｕ）およびイッテルビウム（Ｙｂ）が好ましい。）
セラミック組成物の成分は、上述の実施形態におけるジルコニア（ＺｒＯ２）に限らず、周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属の化合物（タングステン（Ｗ）を除く）、イットリウム化合物、スカンジウム化合物、ランタノイド化合物の少なくとも１つの化合物であってもよい。言い換えると、セラミック組成物は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と；炭化タングステン（ＷＣ）と；周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属の化合物（タングステン（Ｗ）を除く）、イットリウム化合物、スカンジウム化合物、ランタノイド化合物の少なくとも１つの化合物と；から主に成ってもよい。このセラミック組成物において、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子と炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子とが隣接する界面である第１の結晶粒界と、２つのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子が隣接する界面である第２の結晶粒界とに、周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属（タングステン（Ｗ）を除く）、イットリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ランタノイドの少なくとも１つが分布してもよい（以下、第１の結晶粒界と第２の結晶粒界とに分布する元素を「添加成分」とも言い、これらの元素の化合物を「添加成分の化合物」とも言う）。この形態によれば、第１の結晶粒界と第２の結晶粒界とに分布する添加成分によって、各結晶粒界における結晶粒子間の結合力を向上させることができる。したがって、アルミナ−炭化タングステン系セラミック組成物の機械特性を向上させ、結果的に、その耐久性を向上させることができる。
結晶粒界における結合力を向上させる添加成分の化合物を用いたセラミック組成物の断面において、他の炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子に隣接することなく、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属（タングステン（Ｗ）を除く）の化合物、イットリウム化合物、スカンジウム化合物、ランタノイド化合物の少なくとも１つの結晶粒子によって包囲された炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の断面積Ａと、他の炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子に隣接する炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の断面積Ｂとの関係は、１．５≦Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００≦５０．０を満たすことが好ましい。
また、結晶粒界における結合力を向上させる添加成分の化合物を用いたセラミック組成物において、炭化タングステン（ＷＣ）が２０．０体積％以上５０．０体積％以下を占め、ジルコニウム化合物が０．１体積％以上１８．０体積％以下を占め、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が残部を占めることが好ましい。また、結晶粒界における結合力を向上させる添加成分の化合物を用いたセラミック組成物において、炭化タングステン（ＷＣ）が２０．０体積％以上５０．０体積％以下を占め、ジルコニウム化合物が０．１体積％以上１８．０体積％以下を占め、周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属（ジルコニウム（Ｚｒ）およびタングステン（Ｗ）を除く）の化合物、イットリウム化合物、スカンジウム化合物、および、ランタノイド化合物が、０．１体積％以上１．０体積％以下を占め、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が残部を占めることが好ましい。また、結晶粒界における結合力を向上させる添加成分の化合物を用いたセラミック組成物において、ジルコニウム化合物が実質的に含まれていない場合、炭化タングステン（ＷＣ）が２０．０体積％以上５０．０体積％以下を占め、周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属（ジルコニウム（Ｚｒ）およびタングステン（Ｗ）を除く）の化合物、イットリウム化合物、スカンジウム化合物、および、ランタノイド化合物が、０．１体積％以上１．０体積％以下を占め、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が残部を占めることが好ましい。添加成分の化合物の含有量が１．０体積％を越える場合、添加成分が炭化タングステン（ＷＣ）に固溶することによって、セラミック組成物の特性を劣化させる。ここで、添加成分の化合物とは、添加成分の酸化物、添加成分の炭化物、添加成分の窒化物、添加成分の炭窒化物、または、これらの組み合わせを意味する。
図１２は、セラミック組成物の機械特性、熱特性および耐久性に関する評価試験の結果を示す表である。試験者は、セラミック組成物として複数の試料１３，１４，１５，１６，１７，ＳＣ１５，ＳＣ１６を作製し、各試料について、図４および図５の評価試験と同様に、各種の特性を調べた。試料１３は、図４，５の試料１と同様であり、試料１３の添加成分は、ジルコニア粉末である。
試料１４は、５９．５体積％のアルミナ粉末と、４０．０体積％の炭化タングステン粉末と、０．５体積％の酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末とを原料として、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。試料１４の添加成分の化合物は、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末である。試料１４では、酸化イットリウム粉末の平均粒径は約０．８μｍである。試料１４では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてＹ元素が分布していた。試料１４では、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は１０．１％であった。
試料１５は、添加成分の化合物が０．５体積％の酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）粉末である点を除き、試料１４と同様に作製されたセラミック組成物である。試料１５では、酸化ニオブ粉末の平均粒径は約０．７μｍである。試料１５では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてＮｂ元素が分布していた。試料１５では、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は９．２％であった。
試料１６は、添加成分の化合物が０．５体積％の酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）粉末である点を除き、試料１４と同様に作製されたセラミック組成物である。試料１６では、酸化クロム粉末の平均粒径は約１．１μｍである。試料１６では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてＣｒ元素が分布していた。試料１６では、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は１１．１％であった。
試料１７は、添加成分の化合物が０．２５体積％のジルコニア粉末および０．２５体積％の酸化イットリウム粉末である点を除き、試料１４と同様に作製されたセラミック組成物である。試料１７では、ジルコニア粉末の平均粒径は約０．７μｍであり、酸化イットリウム粉末の平均粒径は約０．７μｍである。試料１７では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてＺｒ元素およびＹ元素が分布していた。試料１７では、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は１０．６％であった。
試料ＳＣ１５は、添加成分の化合物が０．５体積％の酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）粉末である点を除き、試料１４と同様に作製されたセラミック組成物である。試料ＳＣ１５では、酸化鉄粉末の平均粒径は約０．９μｍである。試料ＳＣ１５では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素であるＦｅ元素が分布していなかった。この結果は、焼結時にＦｅ元素が液相になって偏折すること、および、Ｆｅ元素が他の添加成分と反応して化合物を生成することなどに起因して、Ｆｅ元素が結晶界面に対して一様に拡散できないためであると考えられる。試料ＳＣ１５では、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は１０．０％であった。
試料ＳＣ１６は、添加成分の化合物が０．５体積％の酸化カルシウム（ＣａＯ）粉末である点を除き、試料１４と同様に作製されたセラミック組成物である。試料ＳＣ１６では、酸化カルシウム粉末の平均粒径は約１．１μｍである。試料ＳＣ１６では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素であるＣａ元素が分布していなかった。この結果は、焼結時にＣａ元素が液相になって偏折すること、および、Ｃａ元素が他の添加成分と反応して化合物を生成することなどに起因して、Ｃａ元素が結晶界面に対して一様に拡散できないためであると考えられる。試料ＳＣ１６では、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は１０．０％であった。
試料１４〜１７では、試料１３と同様に、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも各添加成分元素が分布しており、試料１４〜１７の基本特性（曲げ強度、破壊靱性など）は、試料１３と同等であった。そのため、試料１４〜１７の各切削試験の結果は、試料１３と同様に良好であった。
これに対して、試料ＳＣ１５，ＳＣ１６では、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも各添加成分元素が分布しておらず、試料ＳＣ１５，ＳＣ１６の曲げ強度は、試料１３〜１７と比較して３分の２以下であった。そのため、試料ＳＣ１５，ＳＣ１の切削試験では、いずれの切削速度においても欠損が発生した。
図１２の評価試験の結果から、セラミック組成物の耐久性を向上させる観点から、第１の結晶粒界４０と、第２の結晶粒界５０とに、ジルコニウム（Ｚｒ）、周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属、イットリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ランタノイドの少なくとも１つが分布することが好ましい。
図１３は、セラミック組成物の機械特性、熱特性および耐久性に関する評価試験の結果を示す表である。試験者は、セラミック組成物として複数の試料Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｘを作製し、各試料について、図４および図５の評価試験と同様に、各種の特性を調べた。
試料Ａは、５９．０体積％のアルミナ粉末と、４０．０体積％の炭化タングステン粉末と、１．０体積％のジルコニア粉末とを原料として、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。試料Ａの添加成分の化合物は、ジルコニア粉末である。試料Ａでは、ジルコニア粉末の平均粒径は約０．７μｍである。試料Ａでは、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてＺｒ元素が分布していた。試料Ａでは、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は８．６％であった。
試料Ｂは、５８．３体積％のアルミナ粉末と、４０．０体積％の炭化タングステン粉末と、１．７体積％のジルコニア粉末とを原料として、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。試料Ｂの添加成分の化合物は、ジルコニア粉末である。試料Ｂでは、ジルコニア粉末の平均粒径は約０．７μｍである。試料Ｂでは、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてＺｒ元素が分布していた。試料Ｂでは、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は８．６％であった。
試料Ｃは、５０．０体積％のアルミナ粉末と、４０．０体積％の炭化タングステン粉末と、１０．０体積％のジルコニア粉末とを原料として、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。試料Ｃの添加成分の化合物は、ジルコニア粉末である。試料Ｃでは、ジルコニア粉末の平均粒径は約０．７μｍである。試料Ｃでは、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてＺｒ元素が分布していた。試料Ｃでは、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は９．３％であった。
試料Ｄは、５９．５体積％のアルミナ粉末と、４０．０体積％の炭化タングステン粉末と、０．５体積％の炭化チタン（ＴｉＣ）粉末とを原料として、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。試料Ｄの添加成分の化合物は、炭化チタン粉末である。試料Ｄでは、炭化チタン粉末の平均粒径は約０．８μｍである。試料Ｄでは、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてチタン（Ｔｉ）元素が分布していた。試料Ｄでは、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は１０．３％であった。
試料Ｅは、５９．５体積％のアルミナ粉末と、４０．０体積％の炭化タングステン粉末と、０．５体積％の炭化バナジウム（ＶＣ）粉末とを原料として、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。試料Ｅの添加成分の化合物は、炭化バナジウム粉末である。試料Ｅでは、炭化バナジウム粉末の平均粒径は約１．２μｍである。試料Ｅでは、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてバナジウム（Ｖ）元素が分布していた。試料Ｅでは、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は１０．９％であった。
試料Ｆは、５９．５体積％のアルミナ粉末と、４０．０体積％の炭化タングステン粉末と、０．５体積％の二炭化三クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末とを原料として、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。試料Ｆの添加成分の化合物は、二炭化三クロム粉末である。試料Ｆでは、二炭化三クロム粉末の平均粒径は約１．０μｍである。試料Ｆでは、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてクロム（Ｃｒ）元素が分布していた。試料Ｆでは、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は１２．０％であった。
試料Ｇは、５９．５体積％のアルミナ粉末と、４０．０体積％の炭化タングステン粉末と、０．５体積％の炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）粉末とを原料として、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。試料Ｇの添加成分の化合物は、炭化ジルコニウム粉末である。試料Ｇでは、炭化ジルコニウム粉末の平均粒径は約１．１μｍである。試料Ｇでは、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてジルコニウム（Ｚｒ）元素が分布していた。試料Ｇでは、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は１０．５％であった。
試料Ｈは、５９．５体積％のアルミナ粉末と、４０．０体積％の炭化タングステン粉末と、０．５体積％の炭化ニオブ（ＮｂＣ）粉末とを原料として、試料１と同様に作製されたセラミック組成物である。試料Ｈの添加成分の化合物は、炭化ニオブ粉末である。試料Ｈでは、炭化ニオブ粉末の平均粒径は約１．０μｍである。試料Ｈでは、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてニオブ（Ｎｂ）元素が分布していた。試料Ｈでは、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は１１．３％であった。
試料Ｉは、添加成分の化合物が０．２５体積％のジルコニア（ＺｒＯ２）粉末および０．２５体積％の炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）粉末である点を除き、試料Ｈと同様に作製されたセラミック組成物である。試料Ｉでは、ジルコニア粉末の平均粒径は約０．７μｍであり、炭化ジルコニウム粉末の平均粒径は約１．１μｍである。試料Ｉでは、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてジルコニウム（Ｚｒ）元素が分布していた。試料Ｉでは、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は９．９％であった。
試料Ｘは、添加成分の化合物が０．５体積％の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粉末である点を除き、試料Ｈと同様に作製されたセラミック組成物である。試料Ｘでは、酸化マグネシウム粉末の平均粒径は約０．８μｍである。試料Ｘでは、第１の結晶粒界４０および第２の結晶粒界５０のいずれの結晶界面にも添加成分元素としてマグネシウム（Ｍｇ）元素が分布していた。試料Ｘでは、面積率Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００は９．６％であった。
試料Ａ〜Ｉの各切削試験の結果は、いずれの切削速度においても良好であった。試料Ｘの切削試験では、いずれの切削速度においても欠損が発生した。
試料１〜１２および試料Ａ，Ｂ，Ｃの評価結果によれば、耐欠損性を確保する観点から、添加成分であるジルコニア（ＺｒＯ２）は、１．０体積％以上１５．０体積％以下がさらに好ましく、１．７体積％以上１０．０体積％以下がいっそう好ましい。
セラミック組成物におけるジルコニア結晶粒子３０の少なくとも一部は、ジルコニア（ＺｒＯ２）が炭化によって変質した炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）であってもよいし、ＺｒＯ２とＺｒＣとの固溶体であってもよい。すなわち、セラミック組成物は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と、炭化タングステン（ＷＣ）と、ジルコニウム化合物（例えば、ＺｒＯ２、ＺｒＣなどの少なくとも１つ）とから主に成ってもよい。
１０…アルミナ結晶粒子
２０…炭化タングステン結晶粒子
３０…ジルコニア結晶粒子
４０…第１の結晶粒界
５０…第２の結晶粒界
１１０…溶媒
１５０…粒子
２０…炭化タングステン結晶粒子
３０…ジルコニア結晶粒子
４０…第１の結晶粒界
５０…第２の結晶粒界
１１０…溶媒
１５０…粒子
Claims (10)
- アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と、炭化タングステン（ＷＣ）と、ジルコニア（ＺｒＯ２）とから主に成るセラミック組成物であって、
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子と炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子とが隣接する界面である第１の結晶粒界と、２つのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子が隣接する界面である第２の結晶粒界とに、ジルコニウム（Ｚｒ）が分布することを特徴とするセラミック組成物。 - 請求項１に記載のセラミック組成物であって、
前記セラミック組成物の断面において、他の炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子に隣接することなくアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子およびジルコニア（ＺｒＯ２）結晶粒子の少なくとも一方の結晶粒子によって包囲された炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の断面積Ａと、他の炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子に隣接する炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の断面積Ｂとの関係は、１．５≦Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００≦５０．０を満たす、セラミック組成物。 - 請求項１または請求項２に記載のセラミック組成物であって、
炭化タングステン（ＷＣ）が２０．０体積％以上５０．０体積％以下を占め、
ジルコニア（ＺｒＯ２）が０．１体積％以上１８．０体積％以下を占め、
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が残部を占める、セラミック組成物。 - 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のセラミック組成物から成る切削工具。
- アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と、
炭化タングステン（ＷＣ）と、
周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属の化合物（タングステン（Ｗ）を除く）、イットリウム化合物、スカンジウム化合物、ランタノイド化合物の少なくとも１つの化合物と、から主に成るセラミック組成物であって、
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子と炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子とが隣接する界面である第１の結晶粒界と、２つのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子が隣接する界面である第２の結晶粒界とに、周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属（タングステン（Ｗ）を除く）、イットリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ランタノイドの少なくとも１つが分布することを特徴とするセラミック組成物。 - 請求項５に記載のセラミック組成物であって、
前記セラミック組成物の断面において、他の炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子に隣接することなく、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属（タングステン（Ｗ）を除く）の化合物、イットリウム化合物、スカンジウム化合物、ランタノイド化合物の少なくとも１つの結晶粒子によって包囲された炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の断面積Ａと、他の炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子に隣接する炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の断面積Ｂとの関係は、１．５≦Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００≦５０．０を満たす、セラミック組成物。 - 請求項５または請求項６に記載のセラミック組成物であって、
炭化タングステン（ＷＣ）が２０．０体積％以上５０．０体積％以下を占め、
ジルコニウム化合物が０．１体積％以上１８．０体積％以下を占め、
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が残部を占める、セラミック組成物。 - 請求項５または請求項６に記載のセラミック組成物であって、
炭化タングステン（ＷＣ）が２０．０体積％以上５０．０体積％以下を占め、
ジルコニウム化合物が０．１体積％以上１８．０体積％以下を占め、
周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属（ジルコニウム（Ｚｒ）およびタングステン（Ｗ）を除く）の化合物、イットリウム化合物、スカンジウム化合物、および、ランタノイド化合物が、０．１体積％以上１．０体積％以下を占め、
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が残部を占める、セラミック組成物。 - 請求項５または請求項６に記載のセラミック組成物であって、
炭化タングステン（ＷＣ）が２０．０体積％以上５０．０体積％以下を占め、
周期表のＩＶａ〜ＶＩａ族に属する遷移金属（ジルコニウム（Ｚｒ）およびタングステン（Ｗ）を除く）の化合物、イットリウム化合物、スカンジウム化合物、および、ランタノイド化合物が、０．１体積％以上１．０体積％以下を占め、
アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が残部を占める、セラミック組成物。 - 請求項５から請求項９までのいずれか一項に記載のセラミック組成物から成る切削工具。
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