JPWO2019065372A1

JPWO2019065372A1 - セラミックス焼結体、インサート、切削工具、及び摩擦攪拌接合用工具

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Publication number: JPWO2019065372A1
Application number: JP2019507368A
Authority: JP
Inventors: 恵人小嶋; 宏米倉; 祐介勝; 健光岡
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2038-09-18
Also published as: CN111132952B; JP6683887B2; EP3689839A4; CN111132952A; US20200223758A1; US11299431B2; WO2019065372A1; EP3689839A1

Abstract

耐摩耗性及び耐欠損性に優れたセラミックス焼結体を提供するとともに、この性能の優れたセラミックス焼結体を用いたインサート、切削工具及び摩擦攪拌接合用工具を提供する。セラミックス焼結体は、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＷＣ（炭化タングステン）、及びＺｒＯ２（ジルコニア）を含み、下記（１）、（２）の一方又は両方の粒界にＺｒ（ジルコニウム）元素が存在する。（１）Ａｌ２Ｏ３結晶粒子間の粒界（２）Ａｌ２Ｏ３結晶粒子とＷＣ結晶粒子の粒界セラミックス焼結体は、更に、ＷＣを５５．０〜９７．５ｖｏｌ％、ＺｒＯ２を０．１〜１８．０ｖｏｌ％含有し、残部がＡｌ２Ｏ３であり、ＺｒＯ２は、正方晶（Ｔ）、又は正方晶（Ｔ）と単斜晶（Ｍ）との混晶からなる。

Description

本発明はセラミックス焼結体、インサート、切削工具、及び摩擦攪拌接合用工具に関する。

セラミックス材料は、例えば、鋳鉄高速加工の切削工具として応用されている。鋳鉄高速加工に用いられる切削工具は、アルミナ系工具、窒化珪素系工具、ｃＢＮ工具が主にあり、耐摩耗性及び耐欠損性の向上に対して、下記の取り組みがなされている。

まず、アルミナ系工具について説明する。アルミナ系工具として、アルミナ単体やアルミナ−ジルコニア複合体からなるいわゆる白セラミック系工具が知られている。白セラミック系工具は高硬度及び優れた化学的安定性により、耐摩耗性に優れる工具である（特許文献１参照）。
また、アルミナ系工具として、アルミナの粒成長抑制成分として添加される炭化チタン等の硬質分散粒子を添加したいわゆる黒セラミック系工具が知られている。黒セラミック系工具は、硬度及び強度に優れ、白セラミック系工具よりも耐摩耗性に優れた工具である（特許文献２参照）。
また、アルミナ系工具として、アルミナに炭化タングステン、ジルコニアを添加した工具も知られている。この工具は、高強度及び高硬度に加えて、熱伝導率に優れ、難削材である耐熱合金加工への応用が提案されている（特許文献３参照）。

次に、窒化珪素系工具について説明する。窒化珪素系工具は、靱性が高く、かつ熱膨張係数が小さいため、耐欠損性に優れ、鋳鉄の仕上げ用途から粗加工用途まで使用されている（特許文献４参照）。
次に、ｃＢＮ工具について説明する。ｃＢＮ工具は、熱特性に優れ、かつ高温特性の高いｃＢＮを用いているため、耐摩耗性及び耐欠損性の両立が図れる優れた工具である（特許文献５参照）。

特開昭５７−１００９７６号公報特開平３−２９０３５６号公報特許第５６５４７１４号公報特開２００６−１７５５６１号公報特開２０１４−１９８６３７号公報

しかし、上記の各種工具では、以下に挙げる課題があった。
すなわち、アルミナ系工具は、耐摩耗性に優れた工具であるが、靱性が低く耐欠損性に劣る。このため、アルミナ系工具の使用用途は、仕上げ加工等、負荷の少ない加工用途に限られてしまう。特許文献１、２に開示された工具においては、ジルコニアや炭化チタンの粒成長抑制効果によってアルミナの高強度化がなされているものの、依然として耐欠損性に課題があり、加工領域は仕上げ加工領域に限られる。また、特許文献３においては、特許文献１、２に記載の工具以上に高強度化がなされているものの、アルミナ量が多いため、熱膨張係数が高い。このため、特許文献３の工具は、耐欠損性に劣る。

窒化珪素系工具は、耐欠損性に優れた工具であるが、被削材との反応性が高く、耐摩耗性に劣る。窒化珪素系工具は、仕上げ加工用途では、アルミナ系工具やｃＢＮ工具よりも耐摩耗性に劣る。このため、窒化珪素系工具の使用用途は、粗加工や断続加工に限られている。

ｃＢＮ工具は、耐欠損性及び耐摩耗性に関しては、窒化珪素工具以上の性能を示すものの、超高圧合成法を用いて製造されるため高コストである。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性及び耐欠損性に優れたセラミックス焼結体を提供するとともに、これらの性能の優れたセラミックス焼結体を用いたインサート、切削工具及び摩擦攪拌接合用工具を提供することを目的とする。本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態は、
Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＣ、及びＺｒＯ_２を含み、
下記（１）、（２）の一方又は両方の粒界にＺｒ元素が存在し、
（１）Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子間の粒界
（２）Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子とＷＣ結晶粒子の粒界
前記ＷＣを５５．０〜９７．５ｖｏｌ％、前記ＺｒＯ_２を０．１〜１８．０ｖｏｌ％含有し、残部が前記Ａｌ_２Ｏ_３であり、
前記ＺｒＯ_２は、正方晶、又は正方晶と単斜晶との混晶からなるセラミックス焼結体である。

この形態のセラミックス焼結体は、常圧焼成やホットプレス、ＨＩＰ（熱間等方圧加圧法）等、通常のセラミックスと同様の製法で作製できる。よって、この形態のセラミックス焼結体を用いると、ｃＢＮ工具よりも安価な工具を提供できる。
（１）Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子間の粒界、（２）Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子とＷＣ結晶粒子の粒界の一方又は両方の粒界にＺｒ元素が存在することで、粒界の結合強度が強化され、セラミックス焼結体の強度が向上する。これに伴い、工具の耐欠損性を向上できる。
ＷＣ（炭化タングステン）を特定量含有することで、セラミックス焼結体の強度が向上する。また、ＷＣを特定量含有することで、熱膨張係数を低減できるため、耐欠損性を向上できる。
ＺｒＯ_２（ジルコニア）を特定量含有することで、結晶粒界へジルコニウム元素が十分に存在するようになるため、粒界強化の効果が得られる。
なお、本発明のセラミックス焼結体には、発明の効果が失われない程度に、ＷＣ、ＺｒＯ_２、及びＡｌ_２Ｏ_３以外の不純物が混入したセラミックス焼結体も含まれる。すなわち、発明の効果が失われない程度に、ＷＣ、ＺｒＯ_２、及びＡｌ_２Ｏ_３以外の不純物が混入したセラミックス焼結体は、本発明のセラミックス焼結体の範囲から排除されず、本発明のセラミックス焼結体の範囲内に入る。

（２）前記ＷＣを７０．０〜８０．０ｖｏｌ％含有することができる。

セラミックス焼結体がＷＣを７０．０〜８０．０ｖｏｌ％含有すると、工具の耐欠損性がより向上する。

（３）Ｘ線回折における、前記ＺｒＯ_２の単斜晶の（−１１１）面のピーク強度をＩ_Ｍとし、正方晶の（１０１）面のピーク強度をＩ_Ｔとしたとき、
［Ｉ_Ｍ／（Ｉ_Ｔ＋Ｉ_Ｍ）］の値が、０．００よりも大きく、０．９５以下であることができる。なお、ミラー指数では、負の成分を持つ方向は、数字の上にバーを付して記載するのが通常であるが、本明細書及び特許請求の範囲においては便宜上数字と並列に記載する。例えば、上述のように「（−１１１）」と記載する。この場合において、最初の「−１」は、「１」の上に「バー」を付した記載と同じ意味である。

Ｘ線回折によって求められる上記値の範囲が０．００よりも大きく、０．９５以下であると、工具の耐欠損性が向上する。

（４）前記［Ｉ_Ｍ／（Ｉ_Ｔ＋Ｉ_Ｍ）］の値が、０．５２以上、０．９５以下であることができる。

［Ｉ_Ｍ／（Ｉ_Ｔ＋Ｉ_Ｍ）］の値が、０．５２以上、０．９５以下であると、工具の耐欠損性がより向上する。

（５）（１）から（４）のいずれかに記載のセラミックス焼結体を用いたインサートとすることができる。

本発明のセラミックス焼結体を用いたインサートは、耐摩耗性と耐欠損性にすぐれているので、切削工具に好適に用いることができる。

（６）（５）に記載のインサートを備える切削工具とすることができる。

本発明のインサートを備える切削工具は、耐摩耗性と耐欠損性の両立が図れる。

（７）（１）から（４）のいずれかに記載のセラミックス焼結体を用いた摩擦攪拌接合用工具とすることできる。

本発明のセラミックス焼結体を用いた摩擦攪拌接合用工具は、耐摩耗性と耐欠損性の両立が図れる。

（８）（１）から（４）のいずれかに記載のセラミックス焼結体を基材とし、
前記基材の表面にＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭窒化物、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物、及びＴｉの炭窒酸化物からなる群より選ばれた少なくとも１種類を含有する表面被覆層が形成されたインサートを備える切削工具とすることができる。

上記表面被覆層を形成すると、表面の硬質化、及び表面におけるＷＣの酸化を抑制でき、工具の耐摩耗性を向上できる。

（９）（１）から（４）のいずれかに記載のセラミックス焼結体を基材とし、
前記基材の表面にＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭窒化物、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物、及びＴｉの炭窒酸化物からなる群より選ばれた少なくとも１種類を含有する表面被覆層が形成された摩擦攪拌接合用工具とすることができる。

セラミックス焼結体を用いたインサートの一例の斜視図である。切削工具の一例の平面図である。セラミックス焼結体を用いたインサートの一例の斜視図である。切削工具の一例の平面図である。摩擦攪拌接合用工具の一例の斜視図等である。摩擦攪拌接合用工具の一例の使用状態を説明する斜視図である。

以下、本発明を詳しく説明する。なお、本明細書において、数値範囲について「〜」を用いた記載では、特に断りがない限り、下限値及び上限値を含むものとする。例えば、「１０〜２０」という記載では、下限値である「１０」、上限値である「２０」のいずれも含むものとする。すなわち、「１０〜２０」は、「１０以上２０以下」と同じ意味である。

１．セラミックス焼結体
本発明のセラミックス焼結体は、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、ＷＣ（炭化タングステン）、及びＺｒＯ_２（ジルコニア）を含み、下記（１）、（２）の一方又は両方の粒界にＺｒ（ジルコニウム）元素が存在する。
（１）Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子間の粒界
（２）Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子とＷＣ結晶粒子の粒界
本発明のセラミックス焼結体は、更に、ＷＣを５５．０〜９７．５ｖｏｌ％、ＺｒＯ_２を０．１〜１８．０ｖｏｌ％含有し、残部がＡｌ_２Ｏ_３であり、ＺｒＯ_２は、正方晶（Ｔ）、又は正方晶（Ｔ）と単斜晶（Ｍ）との混晶からなる。

Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子（アルミナ結晶粒子）間の粒界にＺｒ元素が存在することは、次のようにして確認できる。すなわち、２つのＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子が隣接する界面（結晶粒界）を走査透過型電子顕微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＴＥＭ）で観察する。この界面を横断するように、エネルギ分散形Ｘ線分光器（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ、ＥＤＳ）にてＺｒ元素の濃度を測定する。粒界にＺｒ元素が存在する場合には、界面においてＺｒ元素の濃度が高いピークが観察される。

Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子（アルミナ結晶粒子）とＷＣ結晶粒子（炭化タングステン結晶粒子）の粒界にＺｒ元素が存在することは、次のようにして確認できる。すなわち、Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子とＷＣ結晶粒子が隣接する界面（結晶粒界）を走査透過型電子顕微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＴＥＭ）で観察する。この界面を横断するように、エネルギ分散形Ｘ線分光器（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ、ＥＤＳ）にてＺｒ元素の濃度を測定する。粒界にＺｒ元素が存在する場合には、界面においてＺｒ元素の濃度が高いピークが観察される。

本発明のセラミックス焼結体は、ＷＣ（炭化タングステン）を５５．０〜９７．５ｖｏｌ％含有する。ＷＣを５５．０ｖｏｌ％以上とすることで、強度が向上する。また、ＷＣを５５．０ｖｏｌ％以上とすることで、熱膨張係数を低減できるため、耐欠損性を向上できる。他方、ＷＣを９７．５ｖｏｌ％以下とすることで、Ａｌ_２Ｏ_３量を十分に確保して耐酸化性を得ることができ、十分な耐摩耗性が担保される。ＷＣ量は、熱膨張係数低減、及び耐酸化性の両立の観点からは、７０．０〜８０．０ｖｏｌ％であることがより好ましい。

本発明のセラミックス焼結体は、ＺｒＯ_２（ジルコニア）を０．１〜１８．０ｖｏｌ％含有する。ＺｒＯ_２を０．１ｖｏｌ％以上含むと、結晶粒界へジルコニウム元素が十分に存在するため、粒界強化の効果が得られる。他方、ＺｒＯ_２を１８．０ｖｏｌ％以下とすることで、熱特性を十分に確保することができ、工具の耐欠損性が担保される。ＺｒＯ_２量は、熱特性低下抑制と粒界強化の観点からは、０．１〜１０．０ｖｏｌ％であることがより好ましい。
なお、本発明において、「ｖｏｌ％（体積％）」とは、セラミックス焼結体に含まれる全物質の体積の総量を１００％としたときの、各物質の割合を意味する。また、セラミックス焼結体における各物質の含有量は、蛍光Ｘ線分析法等により各元素の量を求めることで算出できる。

本発明のセラミックス焼結体では、Ｘ線回折における、ＺｒＯ_２（ジルコニア）の単斜晶の（−１１１）面のピーク強度をＩ_Ｍとし、ＺｒＯ_２（ジルコニア）の正方晶の（１０１）面のピーク強度をＩ_Ｔとしたとき、［Ｉ_Ｍ／（Ｉ_Ｔ＋Ｉ_Ｍ）］の値が、０．００よりも大きく、０．９５以下であることが好ましい。
Ｘ線回折によって求められた上記値が上記範囲内にあると、単斜晶ジルコニアによるマイクロクラック強化と正方晶ジルコニアによる応力誘起変態強化が効果的に得られるため、工具の耐欠損性が向上する。なお、この値が０．９５より大きい範囲では、応力誘起変態強化が十分には発揮されない場合があるため上限値を０．９５としている。また、硬度向上によって耐摩耗性を向上させる観点からは、下限値を０．５２とすることが好ましい。

２．セラミックス焼結体の製造方法
セラミックス焼結体の製造方法は特に限定されない。セラミックス焼結体の製造方法の一例を以下に示す。
セラミックス焼結体の原料には、Ａｌ_２Ｏ_３粉末（アルミナ粉末）とＷＣ粉末（炭化タングステン粉末）、ＺｒＯ_２粉末（ジルコニア粉末）を用いる。
Ａｌ_２Ｏ_３粉末の粒径は特に限定されない。例えば、平均粒径０．５μｍ程度のＡｌ_２Ｏ_３粉末を用いることができる。原料のＡｌ_２Ｏ_３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。
ＷＣ粉末の粒径は特に限定されない。例えば、平均粒径０．７μｍ程度のＷＣ粉末を用いることができる。原料のＷＣ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。
ＺｒＯ_２粉末の粒径は特に限定されない。例えば、平均粒径０．７μｍ程度のＺｒＯ_２粉末を用いることができる。ＺｒＯ_２粉末には、安定化剤としてのイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）で部分安定化されたＺｒＯ_２粉末を用いることができる。原料のＺｒＯ_２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ＺｒＯ_２粉末は、イットリアによる部分安定化ジルコニア粉末に限らず、ジルコニアを含有する他の粉末であってもよい。
なお、各粉末の平均粒径は、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。

各粉末を秤量して配合し、溶媒と分散剤を加えて混合および粉砕を行う。このようにしてスラリーを調製する。混合及び粉砕を行う時間は、特に限定されない。
溶媒としては、特に限定されず、例えば、アセトン、エタノール等を用いることができる。溶媒の量は、特に限定されず、適宜調整可能である。
分散剤としては、特に限定されず、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）等を用いることができる。分散剤の量は、特に限定されない。分散剤の量は、全ての原料粉末の質量（１００質量部）に対して、好ましくは０．０１〜４．０質量部である。

スラリーを調製した後、スラリーから混合粉末を調製する。スラリーから得られる混合粉末には、アルミナ、炭化タングステン、及びジルコニアの各粒子が混在する。スラリーを湯煎しつつ脱気することにより、スラリー中から溶媒を除去した後、溶媒を除去した粉体をふるいに通すことによって、混合粉末を調製する。

混合粉末を調製した後、ホットプレスによって混合粉末からセラミックス焼結体を作製する。ホットプレスにおいては、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、混合粉末が焼結したセラミックス焼結体を得る。

ホットプレスにおける条件は特に限定されない。例えば、以下の条件が用いられる。
・焼成温度：１７００〜１９００℃
・焼成時間：１〜５時間
・圧力：３０〜５０ＭＰａ（メガパスカル）
・雰囲気ガス：アルゴン（Ａｒ）

セラミックス焼結体は、ホットプレスを行った後に、切削、研削、及び研磨の少なくとも１つの加工法によって形状や表面の仕上げが行われてもよい。

なお、本発明のセラミックス焼結体におけるＺｒ元素の分布、ＺｒＯ_２の結晶相は、使用するＺｒＯ_２粉末中に含まれる安定化剤の固溶量にて調整することが可能である。例えば、安定化度の小さいＺｒＯ_２粉末を用いることによって、単斜晶の割合を大きくすることができる。

３．切削工具
本発明の切削工具は、上記セラミックス焼結体を用いたインサートを備える。切削工具は、セラミックス焼結体を用いたインサートをスローアウェイチップとして装着して、高性能の切削工具として使用される。本発明の切削工具は、普通鋳鉄のみならず難削材である例えばダクタイル鋳鉄、耐熱合金等を高速加工する際、工具刃先の摩耗量が小さく、かつ欠損率が低く、工具寿命が長い。本発明の切削工具は、粗切削加工用工具として用いても、被削材の面粗度及び寸法精度等に影響する工具刃先の耐摩耗性に優れ、面粗度や寸法精度のよい切削加工が長時間継続できる。なお、本発明の切削工具は、広義の切削工具であり、旋削加工、フライス加工などを行う工具全般を言う。

切削工具の一例を図示して説明する。図１は、セラミックス焼結体を用いたインサート１を示している。図２は、切削工具Ａを示している。切削工具Ａは、外径加工用ホルダー２と、これにセットされたインサート１と、インサート１を押さえる押さえ金３とを備えている。
図３は、切削工具Ｂとしてのフライス加工用カッターに用いるインサート１を示している。図４は、切削工具（フライス加工用カッター）Ｂを示している。切削工具Ｂは、フライスカッター用ホルダー６を有している。フライスカッター用ホルダー６には、インサート設置用カートリッジ８と、インサート取付け用くさび９が備えられるとともに、インサート１が取り付けられている。

また、上記のセラミックス焼結体を基材とし、基材の表面にＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭窒化物、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物、及びＴｉの炭窒酸化物からなる群より選ばれた少なくとも１種類を含有する表面被覆層が形成されたインサートを備える切削工具としてもよい。表面被覆層を形成すると、表面硬度を増加できると共に、被削材との反応・溶着による摩耗進行を抑制できる。その結果、工具の耐摩耗性を向上できる。
Ｔｉの炭化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭窒化物、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物、Ｔｉの炭窒酸化物としては、特に限定されないが、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮを好適な例として挙げることができる。
表面被覆層の厚みは、特に限定されない。表面被覆層の厚みは、耐摩耗性の観点から、好ましくは０．０２〜１５．０μｍであり、より好ましくは０．０５〜１０．０μｍである。

４．摩擦攪拌接合用工具
摩擦攪拌接合用工具は、摩擦攪拌接合に用いられる工具である。ここで、摩擦攪拌接合について説明する。摩擦攪拌接合では、摩擦攪拌接合用工具の突起部（プローブ部）を回転させながら被接合部材に押し込み、摩擦熱によって被接合部材の一部を軟化させる。そして、軟化した部分を突起部によって攪拌して被接合部材同士を接合する。
摩擦攪拌接合用工具の一例を図示して説明する。図５（ａ）〜（ｄ）は、摩擦攪拌接合用工具１０の正面図、底面図、上面図及び斜視図をそれぞれ示している。摩擦攪拌接合用工具１０は、セラミックス焼結体により構成されている。摩擦攪拌接合用工具１０は、略円柱状の本体部１１と、プローブ部１２とを備える。プローブ部１２は、略円柱状の突起により構成され、本体部１１の先端部１１ｅの中心部に形成されている。プローブ部１２の軸線は、本体部１１の軸線Ｘと一致する。摩擦攪拌接合用工具１０の各寸法は任意の値を採用することができる。

図６は、摩擦攪拌接合用工具１０の使用状態を例示した説明図である。摩擦攪拌接合用工具１０は、図示しない接合装置に取り付けられて使用される。摩擦攪拌接合用工具１０のプローブ部１２は、接合装置からの加圧を受けて、被接合部材２１、２２の境界である接合線ＷＬへ回転しながら押し込まれる。その後、プローブ部１２が被接合部材２１、２２に押し込まれた状態のまま、被接合部材２１、２２は、図６において白抜きの矢印で示す方向に摩擦攪拌接合用工具１０に対して相対的に移動する。これにより、摩擦攪拌接合用工具１０は、接合線ＷＬに沿って相対的に移動する。被接合部材２１、２２は、鋼の板材を用いることができるが、鋼に代えて他の任意の金属を用いてもよい。被接合部材２１、２２の接合線ＷＬ付近は、プローブ部１２との間の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をプローブ部１２が攪拌することにより、接合領域ＷＡが形成される。この接合領域ＷＡによって、被接合部材２１、２２が互いに結合される。

また、上記のセラミックス焼結体を基材とし、基材の表面にＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭窒化物、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物、及びＴｉの炭窒酸化物からなる群より選ばれた少なくとも１種類を含有する表面被覆層が形成された摩擦攪拌接合用工具としてもよい。表面被覆層を形成すると、表面硬度を増加できると共に、被削材との反応・溶着による摩耗進行を抑制できる。その結果、工具の耐摩耗性を向上できる。
Ｔｉの炭化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭窒化物、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物、Ｔｉの炭窒酸化物としては、特に限定されないが、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮを好適な例として挙げることができる。
表面被覆層の厚みは、特に限定されない。表面被覆層の厚みは、耐摩耗性の観点から、好ましくは０．０２〜１５．０μｍであり、より好ましくは０．０５〜１０．０μｍである。

実施例により本発明を更に具体的に説明する。

１．実験１（試料１〜２４）
（１）セラミックス焼結体の作製
市販の平均粒径０．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末、市販の平研粒径０．７μｍのＷＣ粉末、市販の平均粒径１．０μｍ以下のＺｒＯ_２粉末を表１の通りに配合して配合粉末とした。樹脂ポットに配合粉末と、アセトン及び分散剤を入れて７２時間、混合及び粉砕してスラリーを得た。分散剤の投入量は、全粉末量（１００質量部）に対して０．０５質量部とした。スラリーを湯煎乾燥にてアセトンの抜気を行い、混合粉末を調製した。得られた混合粉末をＡｒ雰囲気下でホットプレス（１７００〜１９００℃、３０〜５０ＭＰａ）を行うことでセラミックス焼結体を作製した。
なお、セラミックス焼結体中におけるＺｒＯ_２の結晶相は、使用するＺｒＯ_２粉末中に含まれる安定化剤の固溶量にて調整した。
得られたセラミックス焼結体に対して、Ｘ線解析（鏡面）、室温強度、及び室温硬度を測定した。更に試験片を鏡面研磨し、酸処理及びサーマルエッチングを施した後、電子顕微鏡で組織観察を行い、組織写真からインターセプト法により結晶粒子径を計測した。
加えて、得られた焼結体の粒界をＳＴＥＭにて観察し、各種粒界中のＺｒ元素の有無を確認した。
上記の方法で作製したセラミックス焼結体を研磨加工することでＩＳＯＳＮＧＮ４３２型の寸法となるように加工し、切削工具を作製した。切削工具について、普通鋳鉄粗加工に関する耐摩耗性試験（摩耗加速試験）を行った。各種の測定方法は下記の通りである。
なお、比較例として、既存工具である、黒セラミックス工具（試料２３、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ系工具）、及び窒化珪素系工具（試料２４）を用いた。表１に各試料の配合組成等を示す。なお、本明細書の表中の表記は、以下のようにした。「ｖｏｌ％」は「体積％」と表記している。「Ｔ」は正方晶を示す。「Ｍ」は単斜晶を示す。「Ｃ」は立方晶を示す。表１、表２において、「＊」は、本発明の範囲外であることを示す。
また、表におけるＺｒ元素有無については、「○」がＺｒ元素有を示し、「×」がＺｒ元素無しを示す。

（２）各種測定方法
（２．１）粒界におけるＺｒ元素の有無の確認
各試料の結晶粒界におけるＺｒ元素の有無については、次の手順で調べた。
＜手順１＞集束イオンビーム装置（ＦＩＢ装置、ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍｓｙｓｔｅｍ）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、Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子間の粒界、及びＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子とＷＣ結晶粒子の粒界を確認した。
＜手順２＞各試料におけるＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子間の粒界、及びＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子とＷＣ結晶粒子の粒界の各結晶粒界について、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元素の有無を確認した。

（２．２）耐摩耗性試験
得られた試験片について、普通鋳鉄粗加工に関する耐摩耗性試験（摩耗加速試験）を行った。試験条件は下記の通りである。切削加工後の工具の逃げ面を、デジタルマイクロスコープを用いて拡大観察し、摩耗幅を逃げ面摩耗量として評価した。逃げ面摩耗量を単に摩耗量ともいう。

・チップ形状：ＳＮＧＮ４３２−ＴＮ
・被削材：ＦＣ２００（鋳肌付）
・切削速度：１０００ｍ／ｍｉｎ
・切込み量：１．５ｍｍ
・送り量：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．
・切削環境：乾式施削試験
・評価：１ｐａｓｓ経過後の逃げ面摩耗量
・判定基準：
「◎」：摩耗量≦０．６５ｍｍ
「○」：０．６５ｍｍ＜摩耗量≦０．９０ｍｍ
「×」：０．９０ｍｍ＜摩耗量

（２．３）機械特性
試料の機械特性については、次のように各試料から試験片を作製し、試験片を用いて曲げ強度、及び硬度を求めた。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。硬度は、日本工業規格ＪＩＳＲ１６１０に準拠して各試料のビッカース硬さを求めた。

（２．４）熱特性
日本工業規格ＪＩＳＲ１６１８に準拠して６００℃における各試料の熱膨張係数を求めた。日本工業規格ＪＩＳＲ１６１１に準拠して室温における各試料の熱伝導率を求めた。

（３）試験結果
試験結果を表２に示す。

＜Ｚｒ元素の存在状態について＞
試料１〜４の結果から、Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子間の粒界、及びＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子とＷＣ結晶粒子の粒界の少なくとも一方にＺｒ元素が存在する試料１〜３は、耐摩耗性に優れることが分かった。また、試料１のように、上記の両方の粒界にＺｒ元素が存在することで、さらに耐摩耗性に優れた工具が得られることが確認できた。

＜ＷＣ量及びＺｒＯ_２量の影響について＞
試料１、試料５〜２０の比較をすると、本発明の範囲内である試料１、試料７〜１３、試料１６〜１９は、摩耗量の評価が「◎」又は「○」であった。
一方、ＷＣ量が５５．０ｖｏｌ％未満の試料５、試料６は、工具が欠損した。ＷＣ量が９７．５ｖｏｌ％よりも大きい試料１４は、摩耗量の評価が「×」であった。これらの結果から、ＷＣ量が過小であると、熱膨張係数の増大によって工具は欠損することが分かる。一方、ＷＣ量が過剰となると、耐酸化性の低下によって摩耗量が多く基準値（０．９０ｍｍ）を超過することが分かる。
ＷＣ量が７０．０〜８０．０ｖｏｌ％である試料９、試料１０は、摩耗量の評価が「◎」であった。よって、ＷＣ量を７０．０〜８０．０ｖｏｌ％とすると、耐摩耗性に特に優れることが分かった。
また、ＺｒＯ_２量が０．１ｖｏｌ％未満の試料１５、ＺｒＯ_２量が１８．０ｖｏｌ％よりも大きい試料２０は、ともに工具が欠損した。これらの結果から、ＺｒＯ_２量が過小であると、粒界強化が得られないため、工具は欠損することが分かる。一方、ＺｒＯ_２量が過剰となっても熱膨張係数の増大によって工具は欠損することが分かる。
ＺｒＯ_２量が０．１〜１０ｖｏｌ％である試料１６〜１８は、工具の摩耗量の評価が「◎」であった。よって、ＺｒＯ_２量を０．１〜１０ｖｏｌ％とすると、耐摩耗性に特に優れることが分かった。

＜ＺｒＯ_２相の状態について＞
試料１、試料２１、試料２２を比較する。ＺｒＯ_２相が正方晶の試料２２、単斜晶と正方晶の混晶である試料１は、摩耗量の評価がそれぞれ「○」「◎」であった。
特に単斜晶と正方晶の混晶である試料１は、摩耗量の評価が「◎」であり、工具の耐摩耗性を向上でき、より好ましい。
一方、ＺｒＯ_２相が立方晶の試料２１は、工具が欠損した。

＜従来工具との比較について＞
従来の工具である試料２３、試料２４は、摩耗量の評価が良くなかった。これに対して、本発明の範囲内である試料１〜３、試料７〜１３、試料１６〜１９、試料２２は、いずれも欠損がなく、耐摩耗性能において優位性があることを確認できた。

２．実験２（試料２５〜２７）
（１）セラミックス焼結体の作製、及び各種測定方法
実験１と同様の方法で、安定化剤固溶量の異なるＺｒＯ_２粉末の配合比を変え、ＺｒＯ_２（ジルコニア）の単斜晶、正方晶の存在割合を変化させた試料を作製した。これについて実験１と同様の方法で耐摩耗性試験等を行った。

（２）試験結果
各試料の配合組成等を表３に示す。試験結果を表４に示す。

［Ｉ_Ｍ／（Ｉ_Ｔ＋Ｉ_Ｍ）］の値が、０．００よりも大きく、０．９５以下である試料２５〜２７は、摩耗量の評価が「○」又は「◎」であった。この結果は、単斜晶ジルコニアによるマイクロクラック強化と正方晶ジルコニアによる応力誘起変態強化が効果的に得られるため、工具の欠損がなく、摩耗量が基準値以下（０．９０ｍｍ以下）となったものと推測される。
［Ｉ_Ｍ／（Ｉ_Ｔ＋Ｉ_Ｍ）］の値が、０．５２以上、０．９５以下であると、工具の耐摩耗性を向上でき、より好ましい。

３．実験３（試料２８〜３４）
（１）セラミックス焼結体の作製、及び各種測定方法
実験１と同様の方法で作製した工具表面に、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮを表面被覆した。実験１と同様の方法で耐摩耗性試験を行った。なお、表５に記載の基材の番号は、表１に記載の試料の番号（Ｎｏ．）を意味する。

（２）試験結果
試験結果を表５に示す。

基材の表面に被覆層を形成した試料２８〜３３は、それぞれ基材のみの試料と比べて摩耗量を低減できることが分かった。この実験結果から、Ｔｉ化合物系の表面被覆層を形成することで、更に耐摩耗性に優れる工具を提供できることが確認できた。
なお、本発明の範囲外である窒化珪素系工具（試料２４）に被覆層を形成させた試料３４では、被覆層が無い試料２４よりも摩耗量は低下したが、基準値以下（０．６５ｍｍ以下）とはならなかった。

４．実験１〜３のまとめ
以上の結果から、本発明により、耐摩耗性及び耐欠損性に優れた切削工具を提供できることを確認できた。

５．実験４（摩擦攪拌接合試験）
（１）セラミックス焼結体の作製、及び試験方法
実験１と同様の方法で、試料（セラミックス焼結体）を作製し、下記条件によって摩擦攪拌接合試験を試みた。試験には、本発明の範囲外である試料４、６、１４、２３、２４と、本発明の範囲内である試料１、７、１２、３２を用いた。なお、下記、※に示されるように、摩耗量が少ないほどよい結果であり、評価は優れている順に、評価ａ、評価ｂ、評価ｃである。

＜試験条件＞
・被接合部材：ＳＵＳ３０４（ｔ＝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：１．２×１０^４Ｎ
・回転速度：６００ｒｐｍ
・保持時間：１ｓｅｃ
・打点：６０
・評価：６０打点後ショルダー部摩耗量
評価ａ：摩耗量０．３ｍｍ未満
評価ｂ：摩耗量０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ未満
評価ｃ：摩耗量０．５ｍｍ以上又は欠損
※（優）評価ａの摩耗量＜評価ｂの摩耗量＜評価ｃの摩耗量（劣）

（２）試験結果
試料４、６、１４、２３、２４で作製した工具は評価ｃであった。試料７、１２で作製した工具は評価ｂであった。試料１、３２で作製した工具は評価ａであった。
以上の結果より、本発明により、耐摩耗性及び耐欠損性に優れた摩擦攪拌接合用工具を提供できることを確認できた。

本発明は上記で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形または変更が可能である。

１…インサート
２…外径加工用ホルダー
３…押さえ金
６…フライスカッター用ホルダー
８…インサート設置用カートリッジ
９…インサート取付け用くさび
１０…摩擦攪拌接合用工具
１１…本体部
１１ｅ…先端部
１２…プローブ部
２１…被接合部材
２２…被接合部材
Ａ，Ｂ…切削工具
ＷＡ…接合領域
ＷＬ…接合線
Ｘ…軸線

Claims

Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＣ、及びＺｒＯ_２を含み、
下記（１）、（２）の一方又は両方の粒界にＺｒ元素が存在し、
（１）Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子間の粒界
（２）Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子とＷＣ結晶粒子の粒界
前記ＷＣを５５．０〜９７．５ｖｏｌ％、前記ＺｒＯ_２を０．１〜１８．０ｖｏｌ％含有し、残部が前記Ａｌ_２Ｏ_３であり、
前記ＺｒＯ_２は、正方晶、又は正方晶と単斜晶との混晶からなるセラミックス焼結体。
前記ＷＣを７０．０〜８０．０ｖｏｌ％含有する請求項１に記載のセラミック焼結体。
Ｘ線回折における、前記ＺｒＯ_２の単斜晶の（−１１１）面のピーク強度をＩ_Ｍとし、正方晶の（１０１）面のピーク強度をＩ_Ｔとしたとき、
［Ｉ_Ｍ／（Ｉ_Ｔ＋Ｉ_Ｍ）］の値が、０．００よりも大きく、０．９５以下である請求項１又は２に記載のセラミックス焼結体。
前記［Ｉ_Ｍ／（Ｉ_Ｔ＋Ｉ_Ｍ）］の値が、０．５２以上、０．９５以下である請求項３に記載のセラミックス焼結体。
請求項１から４のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体を用いたインサート。
請求項５に記載のインサートを備える切削工具。
請求項１から４のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体を用いた摩擦攪拌接合用工具。
請求項１から４のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体を基材とし、
前記基材の表面にＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭窒化物、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物、及びＴｉの炭窒酸化物からなる群より選ばれた少なくとも１種類を含有する表面被覆層が形成されたインサートを備える切削工具。
請求項１から４のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体を基材とし、
前記基材の表面にＴｉの炭化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭窒化物、Ｔｉの炭酸化物、Ｔｉの窒酸化物、及びＴｉの炭窒酸化物からなる群より選ばれた少なくとも１種類を含有する表面被覆層が形成された摩擦攪拌接合用工具。