JP2017192737A - セラミック刃物 - Google Patents

Abstract

【課題】 切れ味と硬度が比較的高いセラミック刃物を提供する。【解決手段】 酸化ジルコニウムを主成分とする刀身を有するセラミック刃物であって、前記刀身には、酸化アルミニウム、炭化ケイ素または窒化ケイ素のいずれかを主成分とする粒子が含まれており、前記粒子は酸化アルミニウムを主成分としてもよい。【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミック刃物に関するものである。

近年、包丁等の刃物用の材料としてセラミック、特に耐摩耗性と靭性が比較的高いジルコニアセラミックが採用されている（特許文献１および２等参照）。近年、切れ味がより長く持続するセラミック刃物が要求されている。

実開昭６２−１５９８５４号公報 特開２００４−３５８０６９号公報

本開示のセラミック刃物は、酸化ジルコニウムを主成分とする刀身を有し、該刀身には、酸化アルミニウム、炭化ケイ素または窒化ケイ素のいずれかを主成分とする粒子が含まれている。

セラミック刃物の平面図である。 図１のセラミック刃物の部分透視図である。 図１のセラミック刃物の先端部に向かってみた図である。 図１および図２のＡ−Ａ線で切断したときの図３のＺｍの領域に相当する部分の断面図である。 図１のセラミック刃物の頂部に向かってみた模式図である。 図５ＡにおけるＢ−Ｂ線で切断したときの断面模式図である。 セラミック刃物の頂部を観察した走査型電子顕微鏡像である。 セラミック刃物の刃部を側面側から１０００倍に拡大して観察した走査型電子顕微鏡像である。 セラミック刃物の刃部を側面側から１００００倍に拡大して観察した走査型顕微鏡像である。 セラミック刃物の切れ味試験の結果を示すグラフである。

以下、本開示のセラミック刃物について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。

＜セラミック刃物＞
本開示のセラミック刃物について以下説明する。本開示のセラミック刃物１は、酸化ジルコニウムを主成分とする刀身２を有する。刀身２には、酸化アルミニウム、炭化ケイ素または窒化ケイ素のいずれかを主成分とする粒子が含まれている。

セラミック刃物１は、全長Ｈｔ１が例えば８ｃｍ以上４０ｃｍ以下である。セラミック刃物１は、図１および図２に示すように、刀身２および柄３を備えて構成されている。また、図２に示すように、刀身２は一部が柄３の中に配置されている。セラミック刃物１は柄３を有さず、刀身２のみで構成されていてもよい。

刀身２は、刃物としての用途に合わせた形状・大きさに設定される。刀身２の具体的な形状としては、例えば、出刃包丁、三徳包丁などの和包丁、牛刀などの洋包丁、または中華包丁などの形状に設定することができる。なお、刀身２は包丁に限らず、例えばナイフ、手術用器具等の形状であってもよい。

刀身２は、柄３から露出した基体露出部２ｃと、柄３の内部に配置される中子２ｄとを有している。基体露出部２ｃは、刃部２ａおよび基体部２ｂを有して構成されている。

中子２ｄの横幅は適宜設定すればよく、例えば、基体露出部２ｃの横幅との関係で決定される。中子２ｄには、孔部２ｄａが設けられている。孔部２ｄａは、１つのみ設けられていてもよいし、複数設けられていてもよい。孔部２ｄａが複数設けられている場合には、刀身２を柄３に強固に固定することができる。本実施形態では、中子２ｄにフック２ｄｂが設けられている。フック２ｄｂは、中子２ｄの一部が切り欠かれるように設けられている。

孔部２ｄａは、例えば半径が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の円形状に形成されている。また孔部２ｄａまたはフック２ｄｂを介して柄３と固定することにより、刀身２が柄３から抜けることを低減することができる。さらに柄３の内部に金属板が配置されていてもよい。柄３の内部に金属板が配置されている場合、金属探知器等で検知可能とすることができる。

柄３は、樹脂、セラミックスまたは木材等で構成されている。樹脂材料としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルなどの合成樹脂、エラストマ樹脂、いわゆるＡＢＳ樹脂、あるいは合成ゴムを適当な硬さに加硫したものなどが挙げられる。樹脂中に必要に応じて抗菌剤を添加したり、抗菌剤を表面加工したりしてもよい。柄３が樹脂の場合、曲げ弾性係数が例えば４００ｋｇ／ｃｍ^２以上４０００ｋｇ／ｃｍ^２、圧縮弾性係数が例えば５２０ｋｇ／ｃｍ^２以上３３００ｋｇ／ｃｍ^２以下のものを用いることができる。

そして、セラミック刃物１の先端部２ｅに向かってみた図３に示す、刀身２の全長Ｈｔ１と直交する方向の幅Ｈｔ３（身幅）は、セラミック刃物１の用途によって適宜設定すればよい。例えば一般的なキッチン包丁に用いる場合など、幅Ｈｔ３は例えば１５ｍｍ以上５０ｍｍ以下とすればよい。刀身２の厚みＨｔ４は、最も厚みのある部分であり、例えば１．３ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とすればよい。

図１および図２に示すように、刃部２ａは、切刃稜線部２ａａ（以降、単に頂部２ａａともいう）が、刀身２の上辺２Ａ（みね）と側辺２Ｂに連続している。図１および図２の側面視で、刀身２（より具体的には刃部２ａ）の先端部２ｅは湾曲している。刀身２の先端部２ｅの湾曲の曲率は、例えば２ｍｍ以上１０ｍｍ以下となっている。刀身２の先端部２ｅが湾曲していることによって、先端部２ｅが欠けることを低減することができる。刀身２の刃渡り（刃の付いている部分の長さ）Ｈｔ２は、用途に応じて適宜設定すればよく、一般的なキッチン包丁として用いる場合など、例えば５ｃｍ以上２０ｃｍ以下に設定すればよい。

図１および２に示すように、刃部２ａと側辺２Ｂとが接続される中端部２ｆも湾曲していてもよい。このように湾曲していることにより、刀身２ａが欠けることが抑制されている。中端部２ｆの曲率は、先端部２ｅの曲率よりも小さく設定されている。中端部２ｆの曲率半径は、例えば１ｍｍ以上５ｍｍ以下となっている。

次に、図１および図２のＡ−Ａ線で切断したときの図３のＺｍの領域に相当する部分の断面図である図４を用いて刃部２ａの構成について説明する。刀身２の刃部２ａは、基体部２ｂから頂部２ａａに近づくにつれて間隔が狭まるような角度で配置された、２つの切刃側面２ａｂを備えている。頂部２ａａは２つの切刃側面２ａｂの切刃稜辺側の辺で挟まれた面に対応する。図４では頂部２ａａを平坦面として示しているが、頂部２ａａは細かい凹凸が連続して配置された形状であってもよい。頂部２ａａの横幅Ｙｈが比較的小さいと切れ味がよくなり、頂部２ａａの横幅Ｙｈが比較的大きいと、いわゆる刃こぼれ等の不良が発生し難い。例えば頂部２ａａの横幅Ｙｈが例えば１μｍ以上１０μｍ以下の場合など、切れ味と耐久性が比較的高い。また、刃部２ａの刃先角度Ｄｇを、断面視において例えば３５°±５°の範囲に設定した場合も、セラミック刃物１の切れ味と耐久性が比較的高い。

刀身２は、セラミック材料の焼結体で構成されている。刀身２を構成するセラミック材料は、酸化ジルコニウム（ジルコニア）を主成分とする材料である。主成分とは、５０体積％以上の割合で含まれていることを指す。ジルコニアの他には、例えば安定化剤としてイットリアなどが含まれていてもよい。

本開示では、刀身２には、酸化アルミニウム、炭化ケイ素または窒化ケイ素のいずれかを主成分とする粒子４が含まれている。なお、ここでいう粒子４とは、ジルコニアよりもビッカース硬度の高いものである。そして、粒子４の主成分の特定にあたっては、Ｘ線回折装置を用いた測定により同定すればよい。また、走査型電子顕微鏡に付設のエネルギー分散型Ｘ線分析器により、例えば、ＡｌとＯとが確認されれば、酸化アルミニウムであるとみなすことができる。さらに、電子線マイクロアナライザによるカラーマッピングにおいて、粒状体であることが確認されるとともに、対象の粒状体におけるＡｌが存在する領域とＯが存在する領域とが重なっているときにも、酸化アルミニウムであるとみなしてよい。

以降、粒子４が酸化アルミニウムの場合について説明する。刀身２は、ジルコニアの含有量が、例えば５０体積％以上９５体積％以下である。刀身２では、アルミナ粒子（粒子４）の含有量が、５体積％以上５０体積％未満である。ジルコニアおよびアルミナ粒子がこのような含有割合で含まれている場合、比較的長期間にわたって、セラミック刃物１の切れ味は維持される。

粒子４は、平均粒径が例えば１０ｎｍ以上８００ｎｍ以下となっている。平均粒径の算出は、例えば、走査型電子顕微鏡で１００００倍に拡大した画像において、画像内に存在する粒子４の粒径を測定することで確認することができる。なお、走査型電子顕微鏡を用いて撮影した画像または写真を画像解析ソフトで解析することによって平均粒径を算出してもよい。平均粒径が上記範囲にある場合、比較的長期間にわたって、セラミック刃物１の切れ味は維持される。

粒子４は、刀身２の刃部２ａに含まれている。より具体的には、粒子４は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、刃部２ａの頂部２ａａから一部が露出するように位置している。頂部２ａａから露出しているように粒子４が位置している場合、セラミック刃物１の切れ味が比較的高い。粒子４は刀身２全体に分布していてもよい。粒子４が刀身２全体に分布している場合、刀身２が欠けたり割れたりすることを刀身２全体で低減することができる。粒子４は頂部２ａａを含む刃部２ａの一部の領域のみに分布して位置していてもよい。この場合、刃部２ａの刃先の部分が欠け難くなっている。また、粒子４の平均粒径が、刀身２の位置に応じて異なっていてもよい。例えば、基体部２ｂに含まれる粒子４の平均粒径が、刃部２ａに含まれる粒子４の平均粒径よりも大きくてもよい。

粒子４は、図５Ｂに示すように、酸化ジルコニウムを主成分とする焼結体の中に一部が埋まるように頂部２ａａに位置している。粒子４の一部が頂部２ａａに埋まるように位置している場合、セラミック刃物１によって対象物を切った際に頂部２ａａから粒子４が脱落し難く、セラミック刃物１の切れ味が比較的長期間にわたって維持される。複数の粒子４はそれぞれが離れるように分散して位置していてもよいが、複数の粒子４が凝集した集合体が複数形成されていてもよい。複数の粒子４の集合体は、例えば５００ｎｍ以上５μｍ以下である。

（セラミック刃物の他の例）
刀身２（基体部２ｂ）の表面にはマーキングを有していてもよい。マーキングは、文字、図形、絵柄または模様であってもよい。マーキングを有することによって、需要者の嗜好性を向上させることができる。また、製造元または販売者等の文字または図形を含むマーキングを用いることによって製造元または販売者等を容易に特定することができる。

マーキングは、刀身２における他の部分に対して反射率が低くてもよい。反射率が低ければ、視認性が高まる。具体的には、刀身２における基体部２ｂにレーザーを当てると、表面が改質されて反射率が低い黒色の色調を呈するものとなる。改質には、例えば酸化または炭化などを含む。基体部２ｂにもアルミナからなる粒子４が含まれている場合、基体部２ｂの透過率が、粒子４を含まない場合（ジルコニア１００体積％の場合）と比較して低くなっている。この場合、基体部２ｂにレーザー光を照射したときに、基体部２ｂでレーザー光が拡散されにくくなっており、レーザー光によって表面が改質されやすい。このため、基体部２ｂにも粒子４が含まれている場合、セラミック刃物１のマーキングは、アルミナからなる粒子４を添加していない場合と比較して黒色が強くなる。すなわち、セラミック刃物１のマーキングは、アルミナからなる粒子４を添加していない場合と比較して光の反射率が低い。その結果、マーキングの視認性を向上させることができる。反射率を測定する方法は、種々の方法を用いることができ、例えば顕微分光法などを用いることができる。

＜セラミック刃物の製造方法＞
上述したセラミック刃物１は、例えば以下の方法で製造することができる。

まず、セラミックスからなる刀身２を作製する。刀身２は、例えば１．５モル％以上４モル％以下のイットリア粉末を含むジルコニア粉末にアルミナの粉末を添加し、アクリル系、ワックス系、またはポリエチレングリコール系バインダーを２体積％以上１０体積％以下となるように添加し、顆粒状にする。顆粒を作製する際、ジルコニアは、例えば５０体積％以上９５体積％以下であり、アルミナは、例えば５体積％以上５０体積％未満となるように、各粉末を混合する。

次に、得られた顆粒を、金型を用いて成形圧力１０００ｋｇ／ｃｍ^２以上１５００ｋｇ／ｃｍ^２以下の条件で加圧成型して、図２に示す刀身２の形状に成形する。その後、成形体を焼成してジルコニア焼結体を得る。得られたジルコニア焼結体を刃付けし、セラミックスからなる刀身２を得る。なお、上記成形方法は、金型を用いた加圧成形以外にも、当業者が通常行なう方法によって成形することができる。例えば、鋳込み成形、可塑成形法（インジェクション法）、ラバープレス法、ホットプレス法または押し出し成形法など適宜用いることができる。

焼成温度は材料に応じて適宜設定すればよい。ジルコニアの場合、例えば１３００℃以上１７００℃以下の温度で焼成する。焼成後、得られたジルコニア焼結体に対して、必要に応じて、圧力１５００ｋｇ／ｃｍ^２以上２５００ｋｇ／ｃｍ^２以下で２〜５時間保持する熱間等方圧加圧法による処理を行なってもよい。このようにして刀身２を作成すること
ができる。

このようにして作成された刀身２を研磨することにより、刃部２ａを形成することができる。刀身２を研磨する際は、粒子４の平均粒径よりも小さい粒子からなる研磨材を用いたり、ビッカース硬度がジルコニアよりも高く、且つ例えばアルミナからなる粒子４よりもビッカース硬度が低い材料を用いることが好ましい。このような研磨材を用いることで、ジルコニア部分が積極的に研磨されつつ、粒子４の脱粒が抑制され、刃先の頂部２ａａに、一部が露出するように複数の粒子４を配置することができる。その後、刀身２は、中子２ｄが内側に配置されるように柄３が取り付けられる。

上述したセラミック刃物の製造方法を用いて製造したセラミック刃物１を走査型電子顕微鏡で観察した結果を、図６、図７Ａ、図７Ｂに示している。図６はセラミック刃物１の頂部２ａａを観察したものである。図７Ａは、セラミック刃物１の刃部２ａを側面側から１０００倍に拡大して観察した走査型電子顕微鏡像である。図７Ｂは、セラミック刃物１の刃部２ａを側面側から１００００倍に拡大して観察した走査型電子顕微鏡像である。なお、図６、図７Ａおよび図７Ｂは、走査型電子顕微鏡において反射電子を測定した像であり、点線で囲んだ部分に存在するような比較的色調の濃い部分が、アルミナを主成分とする粒子４に対応する。

図６に示すように、刀身２には、アルミナを主成分とする複数の粒子４が含まれており、これら複数の粒子４が刀身２の頂部２ａａに露出している。この粒子４により、セラミック刃物１の切れ味が比較的高くなっている。また図７Ａおよび図７Ｂに示すように、刀身２の全体に粒子４が分散して配置されている。刀身２は全体的に硬度が比較的高く、刃部２ａや刀身の欠け等が抑制されている。

次に、セラミック刃物１に含まれるジルコニアに添加するアルミナ粒子（粒子４）の量を変化させて紙切り試験を行なった。紙切り試験は、いわゆる本多式切れ味試験機を用いて行なった。この紙切り試験は、４００枚の紙の束に所定の圧力で押圧したときに、何枚切ることができるのかを試験するものである。所定の圧力として６．２（Ｎ）に設定した。紙切り試験として、初期（１回目）切れ味と、１２８回目の切れ味とを測定した結果を表１に示す。

この結果、ジルコニア含有量が５０体積％以上９５体積％以下のとき、すなわちアルミナ粒子の含有量が５体積％以上５０体積％未満のときに、アルミナ粒子が添加されていない従来のジルコニアセラミック刃物（表１のジルコニアが１００体積％の場合）と比較して、１２８回目の切れ味が向上していることがわかる。また、ジルコニア含有量が５０体積％以上のときに、初期切れ味および１２８回目の切れ味が、ともに高いという結果であった。

また、図８に、ジルコニアにアルミナ粒子を２０．９体積％（ＺＴＡ−２０．９）、２７．３体積％（ＺＴＡ−２７．３）および３３．３体積％（ＺＴＡ−３３．３）をそれぞれ含有した場合の１２８回目までの切れ味試験結果を示す。なお、ＺＴＡ−２０．９、ＺＴＡ−２７．３およびＺＴＡ−３３．３はテストピースであり、ＺＴＡ-０の形状は包丁である。

図８は、ＺＴＡ−３３．３、ＺＴＡ−２７．３およびＺＴＡ−２０．９の結果を点線で示し、ＺＴＡ−０の結果を実線で示している。この図８の結果からＺＴＡ−３３．３、ＺＴＡ−２７．３、ＺＴＡ−２０．９およびＺＴＡ−０の順に１２８回目における紙切り試験の紙が切れた枚数が多いので、この順に切れ味が維持されていることが分かる。すなわち、アルミナ粒子の添加量がこの範囲である場合には、ジルコニアが１００体積％である比較例（ＺＴＡ−０）と比べて、切れ味が低下しにくい。

以上の結果から、ジルコニア含有量が５０体積％以上９５体積％未満であり、アルミナ粒子の含有量が５体積％以上５０体積％以下であるときは、従来のジルコニアセラミック刃物と比較して初期切れ味の低下を減らしつつ、切れ味を長持ちさせることができる。セラミック刃物１において、体積パーセント濃度を確認する場合には、例えば蛍光Ｘ線分析法による定量分析を行なえばよい。

１ セラミック刃物
２ 刀身
２ａ 刃部
２ａａ 頂部
２ｂ 基体部
２ｃ 基体露出部
２ｄ 中子
２ｄａ 孔部
２ｄｂ フック
２ｅ 先端部
２ｆ 中端部
２Ａ 上辺
２Ｂ 側辺
３ 柄
４ 粒子

Claims (7)

1. 酸化ジルコニウムを主成分とする刀身を有するセラミック刃物であって、
   前記刀身には、酸化アルミニウム、炭化ケイ素または窒化ケイ素のいずれかを主成分とする粒子が含まれているセラミック刃物。
2. 前記粒子は、酸化アルミニウムを主成分とする請求項１に記載のセラミック刃物。
3. 前記刀身は刃部を有し、前記刃部の頂部に複数の前記粒子が露出している請求項１または請求項２に記載のセラミック刃物。
4. 前記頂部は、短手方向の幅が１μｍ以上１０μｍ以下である請求項３記載のセラミック刃物。
5. 前記粒子の平均粒径は、１０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である請求項１〜４のいずれかに記載のセラミック刃物。
6. 前記刀身は、前記粒子を５体積％以上５０体積％未満含有する請求項１〜５のいずれかに記載のセラミック刃物。
7. 前記刀身の表面にはマーキングをさらに有し、
   前記マーキングは、前記刀身における他の部分に対して光の反射率が低い請求項１〜６のいずれかに記載のセラミック刃物。