(57)【要約】【課題】セラミック組成物の特性を向上させる。【解決手段】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る。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、周期表の４〜６族に属する遷移金属原子（タングステン原子（Ｗ）を除く）、イットリウム原子（Ｙ）、スカンジウム原子（Ｓｃ）及びランタノイド原子から選択される少なくとも１種の原子を含んで形成された原子層Ｌが、存在している。原子層Ｌに含まれる少なくとも１種の原子が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の酸素原子（Ｏ）と、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の炭素原子（Ｃ）と、に結合している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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原子（タングステン原子（Ｗ）を除く）、イットリウム原子（Ｙ）、スカンジウム原子（Ｓｃ）及びランタノイド原子から選択される少なくとも１種の原子を含んで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し、
前記原子層に含まれる前記少なくとも１種の原子が、前記アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の酸素原子（Ｏ）と、前記炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の炭素原子（Ｃ）と、に結合していることを特徴とする、セラミック組成物。
【請求項２】
前記少なくとも１種の原子は、ジルコニウム原子（Ｚｒ）、ハフニウム原子（Ｈｆ）、又はチタン原子（Ｔｉ）を含むことを特徴とする請求項１に記載のセラミック組成物。
【請求項３】
前記原子層は、前記結晶粒界において、前記炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の（００１）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。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミック組成物を用いた切削工具。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミック組成物を用いた摩擦攪拌接合用工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセラミック組成物、切削工具、及び摩擦攪拌接合用工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミック組成物の特性改善を目的に、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ス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。
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原子、イットリウム原子（Ｙ）、スカンジウム原子（Ｓｃ）及びランタノイド原子から選択される少なくとも１種の原子が分布することである。第１の結晶粒界とは、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２の結晶粒界とは、２つアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子が隣接する界面である。
特許文献７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、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、周期表の４〜６族に属する遷移金属原子、イットリウム原子（Ｙ）、スカンジウム原子（Ｓｃ）及びランタノイド原子から選択される少なくとも１種の原子によって形成された原子層が、存在していることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４―１１４１６３号公報
【特許文献２】特開平５―０６９２０５号公報
【特許文献３】特開２００６―２０６３７６号公報
【特許文献４】特開２０１０―２３４５０８号公報
【特許文献５】特開平６―３４０４８１号公報
【特許文献６】特開２０１６―１１３３２０号公報
【特許文献７】国際公開第２０１８／０５６２７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これらのセラミック組成物の特性は必ずしも十分でなく、更なる特性の向上が求められていた。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、セラミック組成物の特性を向上させることを目的とし、以下の形態として実現することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
〔１〕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原子（タングステン原子（Ｗ）を除く）、イットリウム原子（Ｙ）、スカンジウム原子（Ｓｃ）及びランタノイド原子から選択される少なくとも１種の原子を含んで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し、
前記原子層に含まれる前記少なくとも１種の原子が、前記アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の酸素原子（Ｏ）と、前記炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の炭素原子（Ｃ）と、に結合していることを特徴とする、セラミック組成物。
【０００６】
この構成のセラミック組成物は、原子層に含まれる少なくとも１種の原子が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の酸素原子（Ｏ）と、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の炭素原子（Ｃ）と、に結合することによって、結晶粒界の界面の結合が強化されており、機械特性が極めて良好である。
【０００７】
〔２〕前記少なくとも１種の原子は、ジルコニウム原子（Ｚｒ）、ハフニウム原子（Ｈｆ）、又はチタン原子（Ｔｉ）を含むことを特徴とする〔１〕に記載のセラミック組成物。
【０００８】
この構成のセラミック組成物は、原子層が、ジルコニウム原子（Ｚｒ）、ハフニウム原子（Ｈｆ）、又はチタン原子（Ｔｉ）を含むことにより、結晶粒界の界面の結合が強化されており、機械特性が極めて良好である。
【０００９】
〔３〕前記原子層は、前記結晶粒界において、前記炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の（００１）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〔１〕又は〔２〕に記載のセラミック組成物。
【００１０】
この構成のセラミック組成物では、原子層は、結晶粒界において、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の（００１）面の配列周期に沿って形成され、結晶粒界の界面の結合が強化されており、機械特性が極めて良好である。
【００１１】
〔４〕〔１〕〜〔３〕のいずれか１項に記載のセラミック組成物を用いた切削工具。
【００１２】
この構成の切削工具は、機械特性が極めて良好である。
【００１３】
〔５〕〔１〕〜〔３〕のいずれか１項に記載のセラミック組成物を用いた摩擦攪拌接合用工具。
【００１４】
この構成の摩擦攪拌接合用工具は、機械特性が極めて良好である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のセラミック組成物は、結晶粒界の界面の結合が強化されており、機械特性が極めて良好である。
本発明の切削工具は、機械特性が極めて良好である。
本発明の摩擦攪拌接合用工具は、機械特性が極めて良好である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一例の界面結合パターン（Ｏ−Ｚｒ−Ｃ結合パターン）を模式的に示す概念図である。
【図２】本発明以外の一例の界面結合パターン（Ｏ−Ｚｒ−Ｗ結合パターン）を模式的に示す概念図である。
【図３】本発明以外の一例の界面結合パターン（Ａｌ−Ｚｒ−Ｃ結合パターン）を模式的に示す概念図である。
【図４】本発明以外の一例の界面結合パターン（Ａｌ−Ｚｒ−Ｗ結合パターン）を模式的に示す概念図である。
【図５】セラミック組成物の一例の斜視図である。
【図６】切削工具の一例の平面図である。
【図７】摩擦攪拌接合用工具の一例の斜視図等である。
【図８】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。
【図９】原子層の直上で破壊される場合の概念図である。（Ａ）破壊前のセラミック組成物の概念図である。（Ｂ）破壊後のセラミック組成物の概念図である。
【図１０】原子層の直下で破壊される場合の概念図である。（Ａ）破壊前のセラミック組成物の概念図である。（Ｂ）破壊後のセラミック組成物の概念図である。
【図１１】結合パターンと界面の密着強度との関係を示すグラフである。
【図１２】セラミック組成物の断面の模式図である。
【図１３】結晶粒界のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像である。
【図１４】セラミック組成物の調製方法を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明について、項目毎に具体的かつ詳細に説明する。
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。
【００１８】
１．セラミック組成物
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、を含有する。
そして、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子と炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子との結晶粒界に、周期表の４〜６族に属する遷移金属原子（タングステン原子（Ｗ）を除く）、イットリウム原子（Ｙ）、スカンジウム原子（Ｓｃ）及びランタノイド原子から選択される少なくとも１種の原子を含んで形成された原子層が、存在している。
原子層に含まれる少なくとも１種の原子は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の酸素原子（Ｏ）と、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の炭素原子（Ｃ）と、に結合している。
【００１９】
（１）原子層を構成する原子
原子層に含まれる原子は、周期表の４〜６族に属する遷移金属原子（タングステン原子（Ｗ）を除く）、イットリウム原子（Ｙ）、スカンジウム原子（Ｓｃ）及びランタノイド原子から選択される少なくとも１種の原子である（以後、便宜上、これらの原子を「添加原子」ともいう。）。
結晶粒界の界面の結合をより強化するという観点から、原子層を構成する原子には、ジルコニウム原子（Ｚｒ）、ハフニウム原子（Ｈｆ）、又はチタン原子（Ｔｉ）が含まれていることが好ましい。
なお、原子層は、これらの原子のみから構成されてもよいが、他の原子としてタングステン原子（Ｗ）を含んでいてもよい。
【００２０】
原子層の厚みは、特に限定されない。原子層の厚みは、結晶粒界の界面の結合をより強化するという観点から、原子１個分に相当する厚みが好ましい。
原子層は、結晶粒界において、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の（００１）面の配列周期に沿って形成されていることが好ましい。このように形成されることにより、添加原子は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の酸素原子（Ｏ）と、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の炭素原子（Ｃ）と、に結合しやすくなるので、結晶粒界の界面の結合が強化される。
【００２１】
（２）原子層に含まれる少なくとも１種の原子の結合パターン
本発明では、原子層に含まれる少なくとも１種の原子が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の酸素原子（Ｏ）と、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の炭素原子（Ｃ）と、に結合している。
この概念を、原子層に含まれる少なくとも１種の原子がジルコニウム原子（Ｚｒ）の場合を例として説明する。
図１−４は、界面の結合パターンを示している。すなわち、図１−４は、界面の原子層Ｌのジルコニウム原子（Ｚｒ）が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の原子と、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の原子と、に結合した様子を模式的に表している。
図１の結合パターンでは、界面の原子層Ｌのジルコニウム原子（Ｚｒ）が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の酸素原子（Ｏ）と、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の炭素原子（Ｃ）と、に結合している。なお、図１の右図は、左図の部分図である。図１の結合パターンは、ジルコニウム原子（Ｚｒ）が、酸素原子（Ｏ）と炭素原子（Ｃ）と、に結合しており、本明細書では、これを「Ｏ−Ｚｒ−Ｃ結合パターン」ともいう。
図２の結合パターンでは、界面の原子層Ｌのジルコニウム原子（Ｚｒ）が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の酸素原子（Ｏ）と、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側のタングステン原子（Ｗ）と、に結合している。なお、図２の右図は、左図の部分図である。図２の結合パターンは、ジルコニウム原子（Ｚｒ）が、酸素原子（Ｏ）とタングステン原子（Ｗ）と、に結合しており、本明細書では、これを「Ｏ−Ｚｒ−Ｗ結合パターン」ともいう。
図３の結合パターンでは、界面の原子層Ｌのジルコニウム原子（Ｚｒ）が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側のアルミニウム原子（Ａｌ）と、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の炭素原子（Ｃ）と、に結合している。なお、図３の右図は、左図の部分図である。図３の結合パターンは、ジルコニウム原子（Ｚｒ）が、アルミニウム原子（Ａｌ）と炭素原子（Ｃ）と、に結合しており、本明細書では、これを「Ａｌ−Ｚｒ−Ｃ結合パターン」ともいう。
図４の結合パターンでは、界面の原子層Ｌのジルコニウム原子（Ｚｒ）が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側のアルミニウム原子（Ａｌ）と、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側のタングステン原子（Ｗ）と、に結合している。なお、図４の右図は、左図の部分図である。図４の結合パターンは、ジルコニウム原子（Ｚｒ）が、アルミニウム原子（Ａｌ）とタングステン原子（Ｗ）と、に結合しており、本明細書では、これを「Ａｌ−Ｚｒ−Ｗ結合パターン」ともいう。
図１−４に示された結合パターンのうち、図１に示された「Ｏ−Ｚｒ−Ｃ結合パターン」が本発明の要件を満たし、その他の図２−４の結合パターンは本発明の要件を満たさない。
【００２２】
（３）セラミック組成物の製造方法
セラミック組成物の製造方法は、特に限定されない。
セラミック組成物は、例えば次の方法で好適に製造される。アルミナ粉末、炭化タングステン粉末、添加原子を含む化合物（添加原子含有化合物）の粉末、及び溶媒を含むスラリーを調製する。スラリーを乾燥させて混合粉末を作製する。混合粉末をホットプレスによって焼成してセラミック組成物（焼成体）を作製する。
セラミック組成物の製造に用いる各原料粉末の平均粒径は、特に限定されない。
なお、焼成条件（酸素分圧、焼成温度等）を制御することで、原子層における添加原子の結合状態を調整できる。例えば、同じ酸素分圧雰囲気で焼成する場合、焼成温度をより高温にするにつれて、Ｏ−Ｚｒ−Ｃ結合、Ａｌ−Ｚｒ−Ｃ結合、Ａｌ−Ｚｒ−Ｗ結合へと変化させることができる。
【００２３】
２．切削工具
本発明の切削工具は、上述の本発明のセラミック組成物を用いている。
切削工具の形状、大きさは、用途等に応じて適宜変更できる。
切削工具の一例を図示して説明する。図５は、セラミック組成物２０１を示している。図６は、切削工具２００を示している。切削工具２００は、外径加工用ホルダー２０２と、これにセットされたセラミック組成物２０１（インサート）と、セラミック組成物２０１を押さえる押さえ金２０３とを備えている。
【００２４】
３．摩擦攪拌接合用工具
本発明の摩擦攪拌接合用工具は、上述の本発明のセラミック組成物を用いている。
摩擦攪拌接合用工具の形状、大きさは、用途等に応じて適宜変更できる。
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７（ａ）〜（ｄ）は、摩擦攪拌接合用工具２１０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２１０は、セラミック組成物２０１により構成されている。摩擦攪拌接合用工具２１０は、略円柱状の本体部２１１と、プローブ部２１２とを備える。プローブ部２１２は、略円柱状の突起により構成され、本体部２１１の先端部２１１ｅの中心部に形成されている。プローブ部２１２の軸線は、本体部２１１の軸線Ｘと一致する。摩擦攪拌接合用工具２１０の各寸法は任意の値を採用することができる。
【００２５】
図８は、摩擦攪拌接合用工具２１０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２１０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２１０のプローブ部２１２は、接合装置からの加圧を受けて、被接合部材２２１、２２２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２１２が被接合部材２２１、２２２に押し込まれた状態のまま、被接合部材２２１、２２２は、図８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２１０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２１０は、接合線ＷＬに沿って相対的に移動する。被接合部材２２１、２２２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２２１、２２２の接合線ＷＬ付近は、プローブ部２１２との間の摩擦熱によって塑性流動する。被接合部材２２１、２２２の塑性流動した部分をプローブ部２１２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２２１、２２２が互いに結合される。
【実施例】
【００２６】
実施例により本発明を更に具体的に説明する。
【００２７】
１．界面の結合強度のシミュレーション計算
界面の結合強度は、第１原理計算と呼ばれる電子状態のシミュレーション計算を活用した理論的予測にて確認した。
ここで、第１原理計算とは、経験的なフィッティングパラメータ等を一切使用しない電子状態計算の総称であり、単位格子や分子等を構成する各元素の原子番号と座標を入力するだけで、電子状態計算が可能な手法である。
第１原理計算の手法の一つとして、ＰＡＷ（Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ  Ａｒｇｍｅｎｔｅｄ−Ｗａｖｅ）法と呼ばれる計算方法がある。この手法は、高精度に、かつ、比較的短時間で計算を行うことができるという利点があり、単位格子等を構成する各原子のポテンシャルを予め用意し電子状態計算を行うことで、結晶構造の最適化の計算も可能である。
また、結晶中に多数存在する電子の相互作用を計算するため、密度汎関数法と呼ばれる計算手法を用いる。その密度汎関数法を用いた近似方法の一つとしてＧＧＡ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）と呼ばれる方法がある。この方法を用いることで、比較的精度良く電子状態の計算を行うことができる。
これらを内包した第１原理計算パッケージプログラムとして、ＶＡＳＰ（ｔｈｅ  Ｖｉｅｎｎａ  Ａｂ−ｉｎｉｔｉｏ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  Ｐａｃｋａｇｅ）と呼ばれるものがある。本実施例での第１原理計算は、全てこのＶＡＳＰを用いて行った。
第１原理計算を用いて、結晶粒界界面と表面構造の最適化計算及び全エネルギー計算を行った。計算により得られる粒界界面の全エネルギーＥｔ及び表面の全エネルギーＥｓｌａｂの値、更に、界面の断面積Ａから、界面の結合強度Ｗｓを算出することができる。界面の結合強度Ｗｓは式（１）により算出した。
ＷＳ＝１／４Ａ（２Ｅｓｌａｂ＿Ａｌ２Ｏ３＋２Ｅｓｌａｂ＿ＷＣ−Ｅｔ）・・・式（１）
【００２８】
ここで、Ａｌ２Ｏ３（００１）／ＷＣ（００１）界面にＺｒ原子層が、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た場合、図１−４に示す４つの界面構造モデル（結合パターン）が考えられる。
図１−４に示す各界面構造モデルについて、表面の全エネルギーを計算した。このようにして得られた計算結果と式（２）を用いて界面の結合強度の評価を行った。
【００２９】
結合強度の計算は、図９の界面構造モデルの例（「Ｏ−Ｚｒ−Ｃ結合パターン」の例）に示されるように原子層Ｌの直上で破壊される場合と、図１０に示されるように原子層Ｌの直下で破壊される場合を想定して、これらの２通りについて、それぞれ行った。そして、両方の計算結果のうち低い方を、界面の結合強度として採用した。なお、このようにした理由は、実際の材料が破壊される場合は、結合の弱いところから破壊するためである。
【００３０】
図１１に、各界面構造モデル（結合パターン）における界面の密着強度（結合強度）の計算結果を示す。なお、「Ｏ−Ｚｒ−Ｗ結合パターン」は、計算によって安定構造が得られず、現実的に得られない構造と考えられる。このため、「Ｏ−Ｚｒ−Ｗ結合パターン」の場合の密着強度は、得られていない。
図１１の結果から、「Ｏ−Ｚｒ−Ｃ結合パターン」の場合、すなわち、原子層Ｌに含まれるＺｒ原子が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の酸素原子（Ｏ）と、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の炭素原子（Ｃ）と、に結合している場合に高い密着強度を示すことが分かる。
【００３１】
２．セラミック組成物における結晶粒子
図１２は、セラミック組成物の断面図である。この断面図では、セラミック組成物における結晶粒子が模式的に表現されている。なお、図１２では、１０μｍ×１０μｍの視野を表している。
図１２に示された様子は、次のようにして観察できる。すなわち、セラミック組成物を切断し、切断面に対して鏡面研磨及びサーマルエッチングを施した後に、切断面を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，  ＳＥＭ）で観察すると、図１２に示された様子が観察できる。
図１２に示されるように、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、複数の添加原子含有結晶粒子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。添加原子含有結晶粒子３０は、添加原子含有化合物から成る結晶粒子である。添加原子含有化合物は、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２）、ハフニア（ＨｆＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）等である。
【００３２】
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結晶粒界の周辺における添加原子の濃度はエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ，  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）で測定できる。これにより、添加原子としてのジルコニウム原子（Ｚｒ）等が存在することを確認できる。
【００３３】
ここで、原子層Ｌの観察方法を説明する。この説明では、添加原子がジルコニウム原子（Ｚｒ）の場合を例に挙げて説明する。
図１３に、結晶粒界のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像の一例を示す。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。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、輝度の高い白い点がタングステン（Ｗ）の原子カラムに対応することが分かる。界面近傍のＷＣ粒子において、タングステン（Ｗ）の原子カラムに対応する白い点よりも輝度の低い中間輝度層１００が存在することがわかる。中間輝度層１００の輝度が低いのは、タングステン（Ｗ）原子の少なくとも一部が、タングステン原子（Ｗ）よりも軽いジルコニウム原子（Ｚｒ）に置換されているからである。このようにして、タングステン原子（Ｗ）を含んで形成された原子層Ｌの存在が確認される。ここでは、Ｚｒ原子の場合を説明したが、他の原子でも同様である。
そして、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＴＥＭ）で観察することによって、原子層Ｌが炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子の（００１）面の配列周期に沿って形成されていることを確認できる。
【００３４】
添加原子がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の酸素原子（Ｏ）と、前記炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の炭素原子（Ｃ）と、に結合していることはＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析により確認できる。ここでは、添加原子がジルコニウム原子（Ｚｒ）の場合を例に挙げて説明する。ＸＰＳによりセラミックス組成物の構成元素を分析すると、Ｚｒ−Ｏ結合とＺｒ−Ｃ結合とを検出できる。本願においては、測定されたＺｒ  ３ｄ  ５／２、Ｚｒ  ３ｄ  ３／２軌道電子に関するピークについて、セラミック組成物中にＺｒＯとＺｒＣとの化合物が存在していると仮定して、そのＺｒＯやＺｒＣに帰属するピークに波形分離する。波形分離にあたっては、Ｚｒ  ３ｄ  ５／２のピークトップについて、ＺｒＯの結合エネルギーが１８２ｅＶ付近、ＺｒＣの結合エネルギーが１８０ｅＶ付近とする。そして、解析ソフトウェア（ＭｕｌｔｉＰａｃｋ）を用いてＺｒＯに帰属するピークの面積比とＺｒＣに帰属するピークの面積比とを算出する。
【００３５】
３．セラミック組成物の曲げ強度
（１）セラミック組成物の調製（製造）
図１４は、セラミック組成物の調製方法（製造方法）を示す工程図である。まず、セラミック組成物の原料であるアルミナと、炭化タングステンと、添加原子含有化合物と、を用意する（Ｓ１）。Ｓ１では、先述した各原料を粉末の状態で用意した。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、添加原子含有化合物粉末としての平均粒径０．５μｍ程度のジルコニア粉末を用いた。なお、ジルコニア粉末は、安定化剤としてのイットリア（Ｙ２Ｏ３）を含まないジルコニア粉末である。粉末の平均粒径は、いずれもレーザー回折式粒度分布測定装置を用いて測定した値である。
【００３６】
次に、用意した原料を秤量し、アルミナ粉末を５５ｖｏｌ％、炭化タングステン粉４５ｖｏｌ％、ジルコニア粉末を０．８ｍｏｌ％（体積比率にして１ｖｏｌ％未満）の割合で混合した（Ｓ２）。そして、予備混合粉砕を実施した（Ｓ３）。具体的には、ボールミルを用いて、〔１〕アルミナ粉末と〔２〕炭化タングステン粉末と〔３〕ジルコニウムイオンを含む溶液とを〔４〕溶媒ととともに混合しつつ、各粉末の粒子を粉砕した。
〔３〕の溶液は、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。〔４〕の溶媒は、例えばエタノールである。予備粉砕を行う時間は、約２０時間とした。なお、予備粉砕を行う時間は、特に限定されず、２０時間未満であってもよいし、２０時間より長くても良い。
【００３７】
続いて、混合粉砕によってスラリーを得た（Ｓ４）。具体的には、ボールミル内の混合物に、添加原子としてのジルコニアと溶媒とを加えて、更に混合及び粉砕を実施した。これによって、各粒子が分散したスラリーが得られた。添加原子としてのジルコニアを加えて更に混合及び粉砕する時間は、約２０時間とした。なお、混合及び粉砕する時間は、特に限定されず、２０時間未満であってもよいし、２０時間より長くても良い。
次に、スラリーを乾燥させて混合粉末を作製した（Ｓ５）。なお、スラリーから混合粉末を得る方法としては、例えば、スラリーを湯煎しつつ乾燥させることによりスラリー中から溶媒を除去して粉体を得て、得られた紛体を篩に通す方法を挙げることができる。
【００３８】
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した（Ｓ６）。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した。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を得た。ホットプレス条件は、次の通りである。焼成温度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。
そして、Ｓ１〜Ｓ５を同様にしながらＳ６における焼成条件を調整することで（酸素分圧を同様にして焼成温度を調整することで）、原子層Ｌにおけるジルコニウム原子（Ｚｒ）の結合状態（結合パターン）を変化させて、実験例１〜３を得た。
【００３９】
（２）セラミック組成物の作製
曲げ強度測定には、全長４０ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ３ｍｍの試験片を用いた。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の条件で各試験片の３点曲げ強さを求めた。
【００４０】
（３）ジルコニウム原子（Ｚｒ））の結合状態の確認
原子層Ｌに含まれるジルコニウム原子（Ｚｒ）の結合状態の確認は、ＸＰＳ分析により行った。測定されたＺｒ  ３ｄ  ５／２、Ｚｒ  ３ｄ  ３／２軌道電子に関するピークについて波形分離を行い、ピークの位置から原子層Ｌに含まれるジルコニウム原子（Ｚｒ）の結合状態を確認した。実験例３では、Ｚｒ  ３ｄ  ５／２  （ＺｒＯ）の結合エネルギーに対応する１８１．８ｅＶと１８２．４ｅＶとにピークが検出され、Ｚｒ  ３ｄ  ５／２  （ＺｒＣ）の結合エネルギーに対応する１８０．１ｅＶにピークが検出された。ＺｒＯに帰属するピークの面積比は合計で９８．８％であり、ＺｒＣに帰属するピークの面積比は合計で１．２％であった。このことから、実験例３では「Ｏ−Ｚｒ−Ｃ結合パターン」が形成されていることが分かった。同様にして、実験例１は「Ａｌ−Ｚｒ−Ｗ結合パターン」が形成されていることが分かった。実験例２は「Ａｌ−Ｚｒ−Ｗ結合パターン」が形成されていることが分かった。なお、Ｚｒ  ３ｄ  ５／２  （ＺｒＯ）に帰属するピークが２つ存在することから、Ｚｒ−Ｏの結合状態は２種類存在することが分かる。その詳細は定かではないが、例えば結合長の相違などと推察される。
【００４１】
（４）測定結果
測定結果を表１に示す。表１の結果から、「Ｏ−Ｚｒ−Ｃ結合パターン」の場合、すなわち、原子層Ｌのジルコニウム原子（Ｚｒ）が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の酸素原子（Ｏ）と、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の炭素原子（Ｃ）と、に結合している場合に、曲げ強度が高いことが分かった。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
（５）実施例の効果
以上の結果から、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原子層Ｌが存在し、原子層Ｌに含まれるジルコニウム原子（Ｚｒ）が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）結晶粒子側の酸素原子（Ｏ）と、炭化タングステン（ＷＣ）結晶粒子側の炭素原子（Ｃ）と、に結合している場合には、セラミック組成物の機械特性が極めて良好であることが確認された。
【００４４】
＜他の実施形態（変形例）＞
なお、本発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
上記実施例では、原子層Ｌに含まれる原子がジルコニウム原子（Ｚｒ）の例を説明したが、ジルコニウム原子（Ｚｒ）以外の周期表の４〜６族に属する遷移金属原子（タングステン原子（Ｗ）を除く）、イットリウム原子（Ｙ）、スカンジウム原子（Ｓｃ）の場合でも、同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００４５】
１０    …アルミナ結晶粒子
２０    …炭化タングステン結晶粒子
３０    …添加原子含有結晶粒子
１００  …中間輝度層
２００  …切削工具
２０１  …セラミック組成物
２０２  …外径加工用ホルダー
２０３  …押さえ金
２１０  …摩擦攪拌接合用工具
２１１  …本体部
２１１ｅ…先端部
２１２  …プローブ部
２２１  …被接合部材
２２２  …被接合部材
Ｌ      …原子層
ＷＡ    …接合領域
ＷＬ    …接合線
Ｘ      …軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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