JPWO2018056275A1

JPWO2018056275A1 - セラミック組成物、切削工具、摩擦攪拌接合用工具

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Publication number: JPWO2018056275A1
Application number: JP2017564519A
Authority: JP
Inventors: 祐介勝; 利明倉橋; 嗣人山田; 光岡　健; 健光岡
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: JP6491363B2; EP3517517A1; CN109790074A; EP3517517A4; KR20190039748A; US20190241475A1; WO2018056275A1; KR102195415B1

Abstract

セラミック組成物の特性の改善を課題とし、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）と、炭化タングステン（ＷＣ）と、を含有するセラミック組成物であって、周期表の４〜６族に属する遷移金属、イットリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びランタノイドから選択される少なくとも１つの元素によって形成された原子層が、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）結晶粒子と炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子との結晶粒界に存在することを特徴とする。

Description

本開示は、セラミック組成物に関する。

セラミック組成物の特性の改善を目的に、種々の技術が開示されている。特許文献１，２は、アルミナの強度、硬度、熱特性改善を目的に、各種炭窒化物との複合化について開示している。

特許文献３は、炭化ケイ素の粒子と酸化アルミニウムの粒子との粒界に希土類元素が存在するセラミック焼結体を開示している。

特許文献４，５は、アルミナ−炭化タングステン系セラミック組成物を開示している。この組成物は、硬度、熱特性に優れ、様々な産業分野での使用が期待されている。

特許文献６は、アルミナ−炭化タングステン系セラミック組成物として、次の特徴を有する組成物を開示している。その特徴とは、第１の結晶粒界と第２の結晶粒界との少なくとも一方に、添加化合物を構成する周期表の４〜６族に属する遷移金属（タングステンを除く）、イットリウム、スカンジウム及びランタノイドから選択される少なくとも１つが分布することである。第１の結晶粒界とは、アルミナ結晶粒子と炭化タングステン結晶粒子とが隣接する界面である。第２の結晶粒界とは、２つのアルミナ結晶粒子が隣接する界面である。

特開２００４−１１４１６３号公報特開平５−０６９２０５号公報特開２００６−２０６３７６号公報特開２０１０−２３４５０８号公報特開平６−３４０４８１号公報特開２０１６−１１３３２０号公報

上記の通り、セラミック組成物の特性の改善のために、様々な手法が提案されている。本開示は、セラミック組成物の特性の更なる改善を解決課題とする。

本開示は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

本開示の一形態は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）と、炭化タングステン（ＷＣ）と、を含有するセラミック組成物であって；周期表の４〜６族に属する遷移金属、イットリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びランタノイドから選択される少なくとも１つの元素によって形成された原子層が、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）結晶粒子と炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子との結晶粒界に存在することを特徴とするセラミック組成物である。この形態によれば、原子層が結晶粒界に存在するため、結晶粒子間の結合力を向上させることができる。このため、セラミック組成物全体の機械特性ひいては耐久性を向上させることができる。

上記形態において、前記原子層は、前記結晶粒界において、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）結晶粒子、または、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の配列周期に沿って形成されていてもよい。上記のように原子層が形成されているため、結晶粒子間の結合力を更に向上させることができる。

上記形態において、前記原子層は、前記結晶粒界において、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の（１００）面の配列周期に沿って形成されていてもよい。この形態によれば、上記のように原子層が形成されているため、結晶粒子間の結合力を更に向上させることができる。

上記形態において、前記原子層は、前記結晶粒界において、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の（１００）面の１配列分の厚みで形成されていてもよい。この形態によれば、原子層による熱伝導率の低下が抑制される。このため、セラミック組成物を高温で使用する場合の耐久性を向上させることができる。

上記形態において、前記原子層は、前記少なくとも１つの元素として、ジルコニウム（Ｚｒ）を含んでもよい。この形態によれば、８００℃における曲げ強度が高くなる。

上記形態において、前記原子層は、前記少なくとも１つの元素として、周期表の４〜６族に属する遷移金属（ジルコニウム（Ｚｒ）を除く）、イットリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びランタノイドから選択される少なくとも１つの元素を含んでも良い。この形態によれば、８００℃における曲げ強度が高くなる。

本開示は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、上記セラミック組成物を含む切削工具または摩擦攪拌接合用工具の形態で実現できる。

切削工具を示す図。セラミック組成物の外観を示す斜視図。図２の３−３断面における画像を示す図。結晶粒子を模式的に表現した図。結晶粒界を観察した画像を示す図。結晶粒界の周辺におけるジルコニウムの濃度を測定したグラフ。結晶粒界付近のHAADF-STEM像を示す図。結晶粒界付近のABF-STEM像を示す図。セラミック組成物の製造方法を示す工程図。強度と熱伝導率とを測定した試験結果をまとめたテーブル。切削工具による切削試験の結果をまとめたテーブル。摩擦攪拌接合用工具の全体構成を示す斜視図。摩擦攪拌接合用工具の摩耗試験の様子を示す図。摩擦攪拌接合用工具の摩耗試験の様子を示す図。摩擦攪拌接合用工具の摩耗試験の様子を示す図。切削工具による第２の切削試験の結果をまとめたテーブル。チップブレーカが形成された切削工具を示す斜視図チップブレーカが形成された第２の切削工具を示す斜視図

実施形態１を説明する。図１は、切削工具２００を示す。切削工具２００は、刃先を形成するセラミック組成物１００を備える。

図２は、セラミック組成物１００の外観を示す斜視図である。セラミック組成物１００は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）と、炭化タングステン（ＷＣ）と、添加化合物と、を含有する。この添加化合物とは、所定元素群から選択される少なくとも１つの元素の化合物である。所定元素群とは、周期表の４〜６族に属する遷移金属、及び希土類元素である。言い換えると、所定元素群は、周期表の３〜６族に属する遷移金属から、アクチノイドを除外した元素の総称である。希土類元素は、スカンジウム（Ｓｃ）と、イットリウム（Ｙ）と、ランタノイドとの総称である。ランタノイドは、ランタン（Ｌａ）からルテチウム（Ｌｕ）までの１５元素の総称である。

図３は、図２の３−３断面における画像を示す。この画像は、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４は、図３に示す画像における結晶粒子を模式的に表現した図である。なお、図３及び図４それぞれに示す画像の１辺は、実際に用いた基部における１０μｍ（マイクロメートル）の長さに対応する。

セラミック組成物１００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、複数の添加化合物結晶粒子３０とを備える。アルミナ結晶粒子１０は、アルミナ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、炭化タングステンから成る結晶粒子である。添加化合物結晶粒子３０は、先述した添加化合物から成る結晶粒子である。本実施形態における添加化合物は、ジルコニア（ＺｒＯ₂）である。

図５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結晶粒界４０を観察した画像である。この観察のための試料は、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ装置、Focused Ion Beam system）を用いて、任意の部分から１００ｎｍ四方の薄片を切り出した。観察の対象は、その薄片における任意の表面とした。観察には、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いた。

図６は、結晶粒界４０の周辺におけるジルコニウムの濃度をエネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥＤＳ，Energy Dispersive X-ray Spectrometer）で測定したグラフである。

図６におけるグラフの横軸は、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、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６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。すなわち、グラフの縦軸において上方である程、ジルコニウム元素の濃度が高い事を意味する。図６に示された結果から、結晶粒界４０又はその付近に、添加元素としてのジルコニウムが存在していることが確認された。

図７及び図８は、結晶粒界４０付近の画像である。図７及び図８に示された画像の倍率は、図３や図５に示された画像の倍率よりも大きい。

図７は、HAADF-STEM像を示す。HAADF-STEM(High-Angle Annular Dark Field Scanning Transmission Electron Microscopy)は、高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法のことである。観察の詳細な手順は後述する。HAADF-STEM像においては、重い元素が明るく示される。構造モデルと比較すると、輝度の高い白点が炭素（Ｗ）の原子カラムに対応することが分かる。

図８は、ABF-STEM像を示す。ABF-STEM(Annular Bright-Field Scanning Transmission Electron Microscopy)は、環状明視野法のことである。観察の詳細な手順は後述する。ABF-STEM像においては、重い元素が暗く示される。構造モデルと比較すると、輝度の低い黒点が炭素の原子カラムに対応することが分かる。

図７及び図８の何れにおいても、結晶粒界４０に、中間層が存在している。この中間層は、アモルファス及び原子配列から、又は原子配列のみからなる。本実施形態では、この中間層を原子層５０と呼ぶ。結晶粒界４０に原子層５０が存在することは、原子層５０が結晶粒界４０を形成しているとも表現できる。

原子層５０は、炭化タングステン結晶粒子２０の配列周期に沿って形成されている。より具体的には、原子層５０は、炭化タングステン結晶粒子２０の（１００）面の配列周期に沿って形成されている。このような規則的な配列によって、アルミナ結晶粒子１０と炭化タングステン結晶粒子２０との結合力が高められていると考えられる。

原子層５０は、炭化タングステン結晶粒子の（１００）面の１配列分の厚み（約０．３ｎｍ）で形成されている。つまり、原子層５０の厚みは、おおよそ原子１個分である。従って、原子層５０の厚みは、原子層５０を形成する元素によって変わり得る。このように原子層５０は、厚みがおおよそ原子１個分であるため、アルミナ結晶粒子１０と炭化タングステン結晶粒子２０との界面に共有されていると表現することもできる。

原子層５０、及び図７に示された領域５１，５２のそれぞれを対象に、ＥＤＳ限定視野分析を実施した。Ｗ＿Ｍａ１強度で合わせた場合、原子層５０の分析結果において、ジルコニウム（Ｚｒ）ピークが最もはっきりした。このため、原子層５０を構成する原子の少なくとも一部は、ジルコニウムであることが確認された。

ジルコニウムは、添加化合物であるジルコニアを構成する元素である。このように、添加化合物を構成し、且つ、原子層５０を形成する元素を、本実施形態では添加元素と呼ぶ。なお、「添加元素が原子層５０を形成する」という意味は、原子層５０が添加元素のみを含むという意味に限らない。アルミナ結晶粒子１０や炭化タングステン結晶粒子２０を構成する元素（例えば炭素またはタングステン）を含んでもよい。

結晶粒界４０の撮影及びＥＤＳ分析には、非点収差補正器（Ｃｓコレクタ）並びにＥＤＳを装備した透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）装置を用い、走査透過
電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）モードに切り替えて実施した。

これらの測定に際し、ＴＥＭ分析用試料は、次のように準備した。最初に、焼結体を直径３ｍｍのディスク状に切り出し、約５０μｍの厚さまで機械研磨を実施した。その後、ディスクの平面中心部にディンプルグラインダを用いて１０μｍ以下の窪みをつけた。そして、加速電圧２〜４ｋＶのＡｒ⁺イオンを入射角度４度で表裏面に入射加工させることでＴＥＭ分析用試料を準備した。

そして、電子線回折像で結晶方位を確認しながら試料角度を調整し、粒子界面の重なりがない部位を探索して、観察分析位置を決定した。ＴＥＭ及びＣｓ−ＳＴＥＭ観察分析は加速電圧２００ｋＶで実施した。

ＴＥＭモードで観察分析位置を決定した後、Ｃｓ−ＳＴＥＭモードの最適観察装置状態に調整し、装置機能を使い明瞭となるフォーカシング、色調の調整を適宜、実施した。ＥＤＳ線分析は、粒子界面を含む長さ５０ｎｍ範囲を設定し、Ｚｒ−Ｋ線の強度をプロファイル化した。

ＴＥＭによる観察、ＥＤＳ分析方法の手順で作製した試料をＴＥＭで観察し、アルミナ結晶粒子１０と炭化タングステン結晶粒子２０とが隣接する部位を探索し、炭化タングステン結晶粒子２０の観察方位が（００１）になるよう試料角度を調整した。この際のアルミナ結晶粒子１０と炭化タングステン結晶粒子２０との結晶粒界４０に重なりが無いエッジの立った状態であるか確認し、全ての条件を満たした部位を観察分析位置に決定した。

ＴＥＭ及びＣｓ−ＳＴＥＭ観察分析は加速電圧２００ｋＶで実施した。取り込み時間は、５分間に設定した。先述のＴＥＭモードで観察分析位置を決定した後にＣｓ−ＳＴＥＭモードの最適観察装置状態に調整し、装置機能を使い明瞭となるフォーカシング、色調の調整を適宜、実施した。

図９は、セラミック組成物１００の製造方法を示す工程図である。まず、セラミック組成物１００の原料であるアルミナと、炭化タングステンと、添加化合物と、を用意する（Ｓ３００）。

Ｓ３００では、先述した各原料を粉末の状態で用意する。具体的には、平均粒径０．５μｍ程度のアルミナ粉末、平均粒径０．７μｍ程度の炭化タングステン粉末、平均粒径０．７μｍ程度のジルコニア粉末を用いる。これら平均粒径の値は例示であって、変更してもよい。ジルコニア粉末は、安定化剤として３ｍｏｌ％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）であることが好ましい。なお、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。

次に、用意した原料を秤量し、所定の割合で混合する（Ｓ３１０）。そして、予備混合粉砕を実施する（Ｓ３２０）。具体的には、ボールミルを用いて、アルミナ粉末と炭化タングステン粉末とジルコニウムイオンとを含む溶液を溶媒とともに混合しつつ、各粉末の粒子を粉砕する。

本実施形態における溶液は、例えば８５％ジルコニウム（ＩＶ）ブトキシド１−ブタノール溶液である。本実施形態における上記溶媒は、例えばエタノールである。本実施形態における予備粉砕を行う時間は、約２０時間である。他の実施形態では、２０時間未満であってもよいし、２０時間より長くてもよい。

続いて、混合粉砕によってスラリを得る（Ｓ３３０）。具体的には、ボールミル内の混合物に、ジルコニアと溶媒とを加えて、更に混合および粉砕を実施する。これによって、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、ジルコニアを加えて更に混合および粉砕する時間は、約２０時間である。他の実施形態では、２０時間未満であってもよいし、２０時間より長くてもよい。

次に、スラリを乾燥させて混合粉末を作製する（Ｓ３４０）。スラリから混合粉末を得る方法としては、例えば、スラリを湯煎しつつ乾燥させることによりスラリ中から溶媒を除去して粉体を得て、得られた粉体を篩に通す方法を挙げることができる。

最後に、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（Ｓ３５０）。本実施形態では、ホットプレスにおいて、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、混合粉末が焼結した焼結体であるセラミック組成物１００を得る。本実施形態におけるホットプレスの条件は、次の通りである。焼成温度は１７５０℃、焼成時間は２時間、圧力は３０ＭＰａ、雰囲気ガスはアルゴン（Ａｒ）である。

図１０は、セラミック組成物１００の組成ごとに、強度と熱伝導率とを測定した試験結果をまとめたテーブルを示す。

各試料の結晶粒界４０における添加元素を特定するために、先述したように、集束イオンビーム装置を用いて薄片を用意し、結晶粒界４０から５箇所ずつ添加元素の濃度をＥＤＳで測定した。

試料NO.1,2,3には、結晶粒界４０に原子層５０が存在しなかった。但し、試料NO.2の結晶粒界４０には、ケイ素（Ｓｉ）及びカルシウム（Ｃａ）から成るアモルファス相が存在した。試料NO.4〜11には、結晶粒界４０に原子層５０が存在した。試料NO.3は、アルミナ−ＳｉＣウィスカ工具として知られている材料であるので、組成の表示を省略する。

試料NO.4〜8の場合、添加化合物はジルコニアであり、添加元素はジルコニウムである。試料NO.9の場合、添加化合物は酸化イットリウム（III）（Ｙ₂Ｏ₃）であり、添加元素はイットリウムである。試料NO.10の場合、添加化合物は炭酸スカンジウム（III）（Ｓｃ₂（ＣＯ₃）₃）であり、添加元素はスカンジウムである。試料NO.11の場合、添加化合物は酸化イッテルビウム（III）（Ｙｂ₂Ｏ₃）であり、添加元素はイッテルビウム（Ｙｂ）である。このように、試料NO.4〜11の添加元素は何れも、所定元素群に属する。

まず、組成が同じである試料NO.1,2,5を比較する。曲げ強度については、室温及び８００℃の場合の何れも、試料NO.5の値が最も大きい。よって、ジルコニウムによる原子層５０の存在によって、曲げ強度が向上したことが分かる。

熱伝導率については、室温及び８００℃の場合の何れも、試料NO.5の値は、試料NO.1よりは小さいものの、試料NO.3よりは大きい。よって、原子層５０の存在による熱伝導率の低下は、アモルファス相よりも抑制されていることが分かる。

次に、アルミナの割合が５０体積％、炭化タングステンの割合が４５体積％で共通の試料NO.1,2,5,9,10,11を比較する。以下、試料NO.1,2を「原子層なし」、試料NO.5,9,10,11を「原子層あり」とも言う。

曲げ強度については、室温及び８００℃の場合の何れも、原子層なしの最大値よりも、原子層ありの最小値の方が大きい。曲げ強度に対する影響の大きさは、添加化合物よりも原子層５０の方が大きいと考えられるので、所定元素群から選択される何れか１つの元素による原子層５０の存在によって、曲げ強度が向上したことが分かる。

なお、８００℃の曲げ強度が最大なのは、添加化合物がジルコニアである試料NO.5であるので、８００℃の曲げ強度を向上させる場合は、添加元素はジルコニウムが好ましい。一方、室温の曲げ強度が最大なのは、添加化合物が酸化イッテルビウムである試料NO.11であるので、室温の曲げ強度を向上させる場合は、添加元素はイッテルビウムが好ましい。

室温における熱伝導率については、原子層ありの値は何れも、試料NO.1よりは小さいものの、試料NO.3よりは大きい。８００℃における熱伝導率については、原子層ありの値は何れも、試料NO.3より大きい。さらに、試料NO.9,11の値は、試料NO.1よりも大きい。特に、添加化合物が酸化イットリウムである試料NO.9は、室温および８００℃の何れの場合も最大なので、熱伝導率の値を重視する場合は、添加元素はイットリウムが好ましい。

熱伝導率に対する影響の大きさは、添加化合物と原子層５０とで何れが大きいかは一概には言えないものの、原子層５０の存在によって熱伝導率が大きく低下することは確認された。これは、先述したように、原子層５０が薄いためであると考えられる。

試料NO.5と試料NO.6とを比較すると、炭化タングステンの割合が大きくなると、室温及び８００℃の場合の何れも、曲げ強度および熱伝導率の値（以下、４つの値）が大きくなることが分かる。試料NO.8が他に比べて４つの値の何れについても突出しているのは、炭化タングステンの割合が大きいからであると考えられる。

曲げ強度の測定には、全長４０ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ３ｍｍの試験片を用いた。試験者は、日本工業規格ＪＩＳＲ１６０１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。

熱伝導率の測定には、φ１０ｍｍ、厚さ２ｍｍの試験片を用いた。試験者は、日本工業規格ＪＩＳＲ１６１１に準拠して室温及び８００℃における各試料の熱伝導率を求めた。

次に、図１０に示された組成（体積％）について説明する。セラミック組成物１００を構成する各成分の割合を、所望の体積％にするには、セラミック組成物１００を作製するために用いる原料の混合割合を、先述した所望の体積％にすればよい。各原料粉末の体積％は、混合に用いる各原料粉末の質量と、各原料の比重とに基づいて求めることができる。各原料は、製造工程において互いに殆ど反応しないため、混合に用いる各原料の体積％を調節することによって、セラミック組成物１００における各成分の体積％を所望の値にすることができる。

製造されたセラミック組成物１００における各成分の割合（体積％）は、以下のようにして求めることができる。

手順１．セラミック組成物１００の表面を露出させて、露出させた面に対して鏡面研磨を施した後にエッチングを施し、ＳＥＭで観察する。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箇所ずつ選択する。

手順２．選択された領域においてアルミナ結晶粒子１０が占める面積ａ、炭化タングステン結晶粒子２０が占める面積ｂ、および添加化合物結晶粒子３０が占める面積ｃを、画像解析ソフトウエアを用いて算出する。画像解析ソフトウエアには、三谷商事株式会社が提供するＷｉｎＲＯＯＦを用いた。

手順３．算出した値に基づいて、ａ／（ａ＋ｂ＋ｃ）、ｂ／（ａ＋ｂ＋ｃ）、ｃ／（ａ＋ｂ＋ｃ）を算出する。

セラミック組成物１００における各成分の割合（体積％）を求める際には、セラミック組成物１００について種々の異なる角度で表面を露出させて先述した値を算出し、各々の値について平均値を求めればよい。これにより、セラミック組成物１００におけるアルミナの含有割合（体積％）としてのａ／（ａ＋ｂ＋ｃ）、炭化タングステンの含有割合（体積％）としてのｂ／（ａ＋ｂ＋ｃ）、添加化合物の含有割合（体積％）としてのｃ／（ａ＋ｂ＋ｃ）を求めることができる。

なお、セラミック組成物１００は、不可避不純物を含有してもよい。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物質であり、例えば、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つを挙げることができる。不可避不純物が混入する量は、炭化タングステンに固溶して曲げ強度、熱伝導率を殆ど低下させない程度の量（例えば０．１質量％以下）であればよい。

図１１は、切削工具２００による切削試験の結果をまとめたテーブルを示す。切削試験は、セラミック組成物１００の組成ごとに実施した。図１１に示された試料NO.1〜5の組成は、図１０に示された試料NO.1〜5として示された組成と同じである。

切削工具の形状は、日本工業規格ＪＩＳＢ４１２０に準拠した呼び記号「

ＲＣＧＸ１２０７００Ｔ０１０２０」によって特定される形状である。被削材には、Ｒｅｎｅ１０４を用いた。被削材の形状は、外径２５０ｍｍの穴あき円盤形状である。

切削試験の条件は、以下の通りである。切削試験は、２４０ｍ／ｍｉｎ、３６０ｍ／ｍｉｎ、４８０ｍ／ｍｉｎの３通りの切削速度について実施した。１パスあたりの長さは、２００ｍｍに設定した。切り込み量は、１．０ｍｍに設定した。送り量は、０．２ｍｍ／回転に設定した。切削試験には、冷却水を使用した。

摩耗については、次のように評価した。評価Ａ（優）は、摩耗量が０．６ｍｍ未満、試験継続可と評価されたことを示す。評価Ｂ（可）は、摩耗量が０．６ｍｍ以上１．０ｍｍ未満、試験継続可と評価されたことを示す。評価Ｃ（劣）は、刃先の欠損により摩耗量を評価できず、試験継続不可と評価されたことを示す。

欠損については、次のように評価した。評価Ａ（優）は、欠損なし、フレーキング（剥離）なし、試験継続可と評価されたことを示す。評価Ｂ（可）は、欠損なし、フレーキングあり、試験継続可と評価されたことを示す。評価Ｃ（劣）は、欠損あり、試験継続不可と評価されたことを示す。

図１１に示された「判定」は、摩耗と欠損との評価を総合し、評価Ａ（優）、評価Ｂ（可）、評価Ｃ（劣）の３ランクで評価した。

試料NO.1は、切削速度が２４０ｍ／ｍｉｎの場合の摩耗が評価Ｂである以外は、全て評価Ｃであった。試料NO.2は、切削速度が２４０ｍ／ｍｉｎの場合の欠損が評価Ｂである以外は、全て評価Ｃであった。試料NO.3は、全て評価Ｃであった。

これに対し、試料NO.4は、切削速度が２４０ｍ／ｍｉｎの場合については全て評価Ａであり、切削速度が３６０ｍ／ｍｉｎ，４８０ｍ／ｍｉｎの場合については全て評価Ｂであった。試料NO.5は、切削速度が２４０ｍ／ｍｉｎ，３６０ｍ／ｍｉｎの場合については全て評価Ａであり、切削速度が４８０ｍ／ｍｉｎの場合については全て評価Ｂであった。

このように、原子層５０を含む試料NO.4,5は、試料NO.1〜3に比べて、切削工具２００に用いるセラミック組成物１００として優れていることが確認された。

切削工具には、チップブレーカを形成するのが好ましい。チップブレーカーを形成する事で、切屑が容易に分断されるので、切屑が刃先に接触した際に生じる刃先の損傷が低減される。さらには、チップブレーカーにより切削抵抗が下がるので、刃先の摩耗が低減される。

図１７〜図１８に、チップブレーカを形成した切削工具の例を示す。チップブレーカは、切削工具に対し切屑が接触する、被削材の種類や切削条件等に応じた箇所に形成すれば良く、図におけるチップブレーカの形状や形成箇所に限定されるものではない。

図１６は、切削工具２００による第２の切削試験の結果をまとめたテーブルを示す。切削試験は、セラミック組成物１００の組成ごとに実施した。図１６に示された試料NO.1〜5の組成は、図１０に示された試料NO.1〜5として示された組成と同じである。

切削工具の形状は、日本工業規格ＪＩＳＢ４１２０に準拠した呼び記号「ＣＮＧＮ１２０４０８ＦＮ」によって特定される形状である。被削材には、チタン系の被削材としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを用いた。被削材の形状は、外径６０ｍｍの円柱形状である。

切削試験の条件は、以下の通りである。切削試験は、６０ｍ／ｍｉｎ、１２０ｍ／ｍｉｎ、３６０ｍ／ｍｉｎの３通りの切削速度について実施した。１パスあたりの長さは、１００ｍｍに設定した。切り込み量は、１．０ｍｍに設定した。送り量は、０．２ｍｍ／回転に設定した。切削試験には、冷却水を使用した。

摩耗については、次のように評価した。評価Ａ（優）は、摩耗量が０．０５ｍｍ未満、試験継続可と評価されたことを示す。評価Ｂ（可）は、摩耗量が０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ未満、試験継続可と評価されたことを示す。評価Ｃ（劣）は、刃先の欠損により摩耗量を評価できず、試験継続不可と評価されたことを示す。

欠損については、評価Ａ（優）は、欠損なし、フレーキング（剥離）なし、試験継続可と評価されたことを示す。評価Ｂ（可）は、欠損なし、フレーキングあり、試験継続可と評価されたことを示す。評価Ｃ（劣）は、欠損あり、試験継続不可と評価されたことを示す。

図１６に示された「判定」は、摩耗と欠損との評価を総合し、評価Ａ（優）、評価Ｂ（可）、評価Ｃ（劣）の３ランクで評価した。

試料NO.1は、切削速度が６０、１２０ｍ／ｍｉｎの場合の摩耗が評価Ｂである以外は、全て評価Ｃであった。試料NO.2は、切削速度が６０、１２０ｍ／ｍｉｎの場合の欠損が評価Ｂである以外は、全て評価Ｃであった。試料NO.3は、全て評価Ｃであった。

これに対し、試料NO.4は、切削速度が６０ｍ／ｍｉｎの場合については全て評価Ａであり、切削速度が１２０ｍ／ｍｉｎの場合については摩耗がＡであり欠損はＢであった。切削速度が３６０ｍ／の場合については全て評価Ｂであった。試料NO.5は、切削速度が６０ｍ／ｍｉｎ，１２０ｍ／ｍｉｎの場合については全て評価Ａであり、切削速度が３６０ｍ／ｍｉｎの場合については摩耗がＡであり欠損はＢであった。

切削工具には、チップブレーカを形成しても良い。チップブレーカーを形成する事で、切屑が容易に分断されるので、切屑が刃先に接触した際に生じる刃先の損傷が低減される。さらには、チップブレーカーにより切削抵抗が下がるので、刃先の摩耗が低減される。

なお、図示はしないが、鉄系の被削材であるＳ４５Ｃを用いた場合も、チタン系の被削材であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを用いた場合と同様の評価結果が得られた。

実施形態２を説明する。図１２は、摩擦攪拌接合用工具４１０（以下、単に「工具４１０」と呼ぶ）の全体構成を示す斜視図である。

工具４１０は、軸部４１１と突起部４１２とを備える。軸部４１１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４１２は、略円柱状に形成されており、軸部４１１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４１２は、軸部４１１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４１２の軸線は、軸部４１１の軸線Ｘと一致する。

摩擦攪拌接合時には、工具４１０は、突起部４１２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４１１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４１０の表面のうち、軸部４１１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４１３とも呼ぶ。

工具４１０は、全体が、実施形態１で説明したセラミック組成物１００により構成されている。工具４１０は、図９と共に説明した方法で作製した焼結体を加工することによって製造される。加工には、切削、研削、研磨などを用いる。

工具４１０を構成するセラミック組成物１００の種類によって、工具４１０の摩耗量がどのように異なるかを調べるために、接合試験を実施した。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実施した。

点接合について説明する。図１３〜図１５は、工具４１０によって点接合を実施する様子を示す。工具４１０は、図示しない接合装置に取り付けられて使用される。

まず、突起部４１２を、積み重ねられた被接合物（被接合部材４２１，４２２）の上方に配置する（図１３参照）。

そして、軸線Ｘを中心に突起部４１２を回転させた状態において、工具４１０の突起部４１２を、接合装置によって加圧しつつ、被接合部材４２１，４２２に対して上方から押し込む（図１４参照）。

このようにして、突起部４１２が被接合部材４２１，４２２に押し込まれた状態のまま、軸線Ｘを中心に突起部４１２を回転させ続けることにより、突起部４１２付近の被接合部材４２１，４２２の領域は、摩擦熱によって塑性流動する。

被接合部材４２１，４２２の塑性流動した部分（図１４および図１５においてハッチングを付して示す部分）を突起部４１２が攪拌することにより、接合領域が形成される（図１５参照）。

この接合領域によって、被接合部材４２１，４２２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４１２だけでなく、少なくともショルダー部４１３も、上記組成流動した部分に接する。

その後、突起部４１２を被接合部材４２１，４２２から引き抜くことにより、摩擦攪拌接合が完了する。

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４１１の直径は１２ｍｍ、突起部４１２の直径は４ｍｍ、軸線Ｘに沿った軸部４１１の長さは１８．５ｍｍ、突起部４１２の長さは１．５ｍｍとした。

試験条件は、下記の通りである。・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：１．２×１０⁴Ｎ・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４１０を被接合部材４２１，４２２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４２１，４２２に対する工具４１０の押し込み荷重を示す。「回転速度」とは、工具４１０の回転速度を示す。「保持時間」とは、被接合部材４２１，４２２に対して工具４１０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。

試験後、工具４１０の摩耗量を評価した。具体的には、突起部４１２とショルダー部４１３と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。評価基準を、以下に示す。評価ａが最も評価が高く、評価ｂ、評価ｃ、評価ｄの順に評価が下がる。

評価ｄ：(i)ショルダー部４１３の摩耗量が０．５ｍｍ以上、(ii)突起部４１２の摩耗量が０．５ｍｍ以上、(iii)工具４１０が損傷（欠け等の破損）のうちの少なくとも一つを満たす。

評価ｃ：評価ｄに該当しないサンプルのうちで、ショルダー部４１３の摩耗量が０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ未満、および、突起部４１２の摩耗量が０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ未満、のうちの少なくとも一方を満たす。

評価ｂ：評価ｃに該当しないサンプルのうちで、ショルダー部４１３の摩耗量が０．２ｍｍより大きく０．３ｍｍ未満、および、突起部４１２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。

評価ａ：ショルダー部４１３の摩耗量が０．２ｍｍ以下、かつ、突起部４１２の摩耗量が０．０５ｍｍ以下。

評価結果は、次の通りであった。実施形態１で説明した試料NO.1,2で作製した工具４１０の場合、評価ｄであった。試料NO.6の場合、評価ｂであった。試料NO.7,8の場合、評価ａであった。また、一般的な超硬合金で作製した工具４１０の場合、評価ｄであった。実施形態２においても、原子層５０の存在による優位性が確かめられた。

本開示は、本明細書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、先述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、先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、組み合わせができる。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、削除できる。例えば、以下のものが例示される。

原子層５０を形成する原子は、所定元素群から選択される少なくとも１つの元素であればよいので、２つ以上が選択されてもよい。所定元素群に属する元素は何れも遷移金属であるため、焼成時に液相になり難く、ひいては偏析し難いので、具体例として挙げた元素と同様な効果を得ることができると考えられる。例えば、２つ以上が選択された場合に、そのうちの１つがタングステンでもよい。

原子層５０は、結晶粒界４０において、アルミナ結晶粒子１０の配列周期に沿って形成されていてもよい。このように形成されても、炭化タングステン結晶粒子２０に沿って形成される場合と同様、結晶粒子間の結合力が高まると考えられる。

１０…アルミナ結晶粒子２０…炭化タングステン結晶粒子３０…添加化合物結晶粒子４０…結晶粒界５０…原子層５１…領域５２…領域１００…セラミック組成物２００…切削工具４１０…摩擦攪拌接合用工具４１１…軸部４１２…突起部４１３…ショルダー部４２１…被接合部材４２２…被接合部材

Claims

アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）と、炭化タングステン（ＷＣ）と、を含有するセラミック組成物であって、

周期表の４〜６族に属する遷移金属、イットリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びランタノイドから選択される少なくとも１つの元素によって形成された原子層が、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）結晶粒子と炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子との結晶粒界に存在することを特徴とするセラミック組成物。
前記原子層は、前記結晶粒界において、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）結晶粒子、または、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の配列周期に沿って形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック組成物。
前記原子層は、前記結晶粒界において、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の（１００）面の配列周期に沿って形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセラミック組成物。
前記原子層は、前記結晶粒界において、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の（１００）面の１配列分の厚みで形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか一項に記載のセラミック組成物。
前記原子層は、前記少なくとも１つの元素として、ジルコニウム（Ｚｒ）を含むことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか一項に記載のセラミック組成物。
前記原子層は、前記少なくとも１つの元素として、周期表の４〜６族に属する遷移金属（ジルコニウム（Ｚｒ）を除く）、イットリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びランタノイドから選択される少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか一項に記載のセラミック組成物
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のセラミック組成物を含む切削工具。
請求項７に記載のセラミック組成物を含む、鉄系又はチタン系の被削材加工用の切削工具。
請求項７に記載のセラミック組成物を含み、

切削工具にチップブレーカーが形成されている事を特徴とする、

切削工具
請求項７に記載の切削工具であり、

切削工具にチップブレーカーが形成されている事を特徴とする、

鉄系又はチタン系の被削材加工用の切削工具。
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のセラミック組成物を含む摩擦攪拌接合用工具。