(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料粉末を圧縮成形して成形体とした後、該成形体を焼結して球体または楕円体の硬質ボールを製造する方法において、
該硬質ボールの形状の半分に対応する半球面状または半楕円面状の内面を有するキャビティを先端に備え、該キャビティの外縁と実質的に同じ形状を有する第１のパンチと、
該硬質ボールの形状の頂点近傍に対応した形状の部分球面状または部分楕円面状の内面を有するキャビティを該第１のパンチのキャビティに対面した先端に備え、自身のキャビティの外縁と実質的に同じ形状を有する第２のパンチと、
該第１のパンチの端部を挿入する筒状の部分と該第１及び第２のパンチのキャビティの内面と共に該硬質ボールの形状を画成し得る部分球面状の部分からなる内面形状を備え、且つ、該第２のパンチを挿通可能な貫通穴を該部分球面状の部分の底頂部に備えるダイとを用い、
該第１のパンチおよび該ダイにより形成されたキャビティに原料粉末を装入した後、該第２のパンチを該貫通穴に挿通した後該第２のパンチの後方から圧縮力を印加することにより該原料粉末を圧縮成形する工程を含むことを特徴とする硬質ボールの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載された硬質ボールの製造方法において、前記第２のパンチの前記成形体に接触する部分の直径が、該硬質ボールの直径の１／３以下、１／４以上であることを特徴とする硬質ボールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、硬質ボールの製造方法に関する。より詳細には、本発明は、硬質焼結体の原料粉末の混合等に用いられる硬質ボールであって、それ自体が粉末原料を圧縮成形した後焼結して製造される硬質ボールの新規な製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆるセラミックスの製造において、原料粉末の粒度調整並びに混合は極めて基礎的且つ重要な工程である。ここで、所謂セラミックスの原料粉末は、それ自体が硬質な粉末であり、原料粉末の調製に使用する器具もそれ自体が硬質粉末に対する耐久性を有していることが望まれる。
【０００３】
図４は上記のような目的で使用される装置の構成を模式的に示す図である。
【０００４】
同図に示すように、この装置は、混合槽11と攪拌装置とから主に構成されている。混合槽11内には多数の硬質ボール12が収容されている。また、攪拌装置は、混合槽11内の硬質ボール12を攪拌するための攪拌棒13を備えており、更に、混合槽11の内部では複数の攪拌腕14が攪拌棒13に装着されている。攪拌棒13の上端は攪拌モータ15に結合されている。
【０００５】
以上のように構成された混合装置を使用する場合、原料粉末は硬質ボール12と共に混合槽11内に装入される。この状態で攪拌モータ15を駆動して攪拌棒13を回転させ、硬質ボール12内で攪拌腕14を移動させることにより混合槽11内の硬質ボール12が攪拌される。攪拌された硬質ボール12は相互に擦れ合うので、硬質ボール12と共に混合槽11内にある原料粉末は万遍なく粉砕、混合される。
【０００６】
上記のような装置で用いる硬質ボール12は、その用途に鑑みて、硬質材料の粉末である原料粉末との摩擦により摩耗しない充分な硬度を有し、且つ、硬質ボールどうしの衝突により割れ等が生じない充分な強度を有している必要がある。即ち、硬質ボールの硬度が不足した場合は、原料粉末の混合に際して硬質ボール自体が摩耗し、それによって生じた硬質ボールの原料の粉末が処理すべき原料粉末に混入してしまう。また、硬質ボール自体の急速な消耗は、混合装置の運転コストにも関わる。一方、硬質ボールの強度が不足した場合は、原料粉末の混合に際して硬質ボールが破損し、さらにその破損箇所から偏摩耗を生じる等の問題がある。尚、硬質ボールは一般に硬質焼結体として製造されている。
【０００７】
硬質焼結体により硬質ボールの製造においては、まず、硬質ボール自体の原料粉末を球形の成形した後焼結する。ここで、原料粉末の成形には、図５に示すような成形器具を用いた圧縮成形が行われる。
【０００８】
即ち、図５は、上記のような用途で使用される硬質ボールの一般的な製造方法を説明するための図である。この成形器具は、１対のパンチ21、22とひとつのダイ23とから主に構成されている。各パンチ21、22は、互いに対抗する半球面または半楕円面の内面をそれぞれ備えており、両者が対向することにより概ね球体状または楕円体状のキャビティが形成されるように構成されている。従って、このキャビティに硬質ボールの原料粉末を充填した後、ダイ13の支持の下で各パンチ21、22に圧縮力を印加することにより原料粉末が圧縮成形される。こうして得られる球体状または楕円体状の成形体を焼結することにより、前述のような装置で使用できる硬質焼結体製の硬質ボールが得られる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようにして製造された硬質焼結体製の硬質ボールは、その材料である硬質焼結体の特性から考えると充分な硬度と強度を有しているはずである。しかしながら、この種の硬質ボールを用いた装置では、硬質ボールの微細な欠損や割れがかなり頻繁に生じている。このために、硬質ボールの破片が混入して混合装置で調製された原料粉末の品質が低下したり、硬質ボールの消耗のために混合装置の運転コストが上昇する等の問題が生じていた。
【００１０】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、硬質焼結体本来の特性を活かした新規な硬質ボールの製造方法を提供することをその目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明により、原料粉末を圧縮成形して成形体とした後、該成形体を焼結して球体または楕円体の硬質ボールを製造する方法において、該硬質ボールの形状の半分に対応する半球面状または半楕円面状の内面を有するキャビティを先端に備える第１のパンチと、該硬質ボールの形状の頂点近傍に対応した形状の部分球面状または部分楕円面状の内面を有するキャビティを、該第１のパンチのキャビティに対面した先端に備える第２のパンチと、該第１および第２のパンチのキャビティの内面と共に該硬質ボールの形状を画成し得る内面形状を有し、且つ、該第２のパンチを挿通可能な貫通穴を該内面の底頂部に有するダイとを用い、該第１のパンチおよび該ダイにより画成されたキャビティに原料粉末を装入した後、該第２のパンチを該貫通穴に挿通した後該第２のパンチの後方から圧縮力を印加することにより該原料粉末を圧縮成形する工程を含むことを特徴とする硬質ボールの製造方法が提供される。
【００１２】
【作用】
本発明に係る硬質ボールの製造方法は、特に、その圧縮成形工程に主要な特徴がある。
【００１３】
即ち、前述のようにして製造された硬質ボールの形状は、理想的には完全な球体である。しかしながら実際には、図６に示すように、従来の製造方法で作製された硬質ボール30では、その赤道に相当する位置の表面に帯状のランド部31が形成されている。その理由は以下のようなものである。
【００１４】
図５を参照して説明したように、硬質ボールの原料粉末の成形時には被成形体を圧縮する。即ち、上下１対のパンチの間に形成されたキャビティに原料粉末を装入した後、これら１対のパンチが近づくように圧縮力を印加して原料粉末を圧縮成形する。このとき、１対のパンチが互いに当接した状態で圧縮力を印加すると装置自身が破壊されるので、実際にはパンチの先端の相互の間に間隙を残している。この隙間に入り込んだ原料粉末が、上下パンチの下端面および上端面とダイの内面とによって画成される領域に入り込んで成形され、最終的に前述の帯状のランド部31となる。
【００１５】
上述のような事情で硬質ボールに形成された２次曲面の表面形状を有するランド部では、その角部において局部的に強度が不足し、使用時に他の硬質ボールと衝突したときに割れや欠損を生じる。また、図６中で点線で囲った領域では応力集中が発生し、甚だしい場合は、このランド部が硬質ボールから剥離する場合もある。更に、上述の角部や剥離部から偏摩耗が生じ、硬質ボールの形状が歪になってしまう場合もある。
【００１６】
これに対して、本発明に係る製造方法によれば、硬質ボールの表面に、破損や偏摩耗を生じるようなランド部が形成されない。即ち、本発明に係る硬質ボールの製造方法では、被成形体の球面を形成するために１対のパンチのみならずダイも積極的に利用し、いわば３分割されたキャビティで原料粉末を圧縮成形するという独特の工程により、強度不足や応力集中が生じ易い２次曲面を有するランド部が形成されないようにしている。
【００１７】
以下、図面を参照して本発明をより具体的に説明するが、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技術的範囲を何等限定するものではない。
【００１８】
【実施例】
図１は、本発明に係る硬質ボールの製造方法の特徴を、圧縮成形時に使用する器具の垂直断面形状により示す図である。
【００１９】
同図に示すように、本発明に従う硬質ボールの製造方法においては、上下１対のパンチ１、２とひとつのダイ３とからなるキャビティにおいて原料粉末の圧縮成形を行う。
【００２０】
ここで、上パンチ１は、従来の製造方法の場合と同様に、被成形体の上半分に相当する半球状の内面形状を有している。一方、下パンチ２は、被成形体の下端からその直径の１／３までの部分球面状の内面を有している。また、ダイ３の内面は、被成形体の下半分のうち下パンチ２の内面により包囲されない残りの領域に対応した内面形状を有している。
【００２１】
上述のようなパンチ１、２およびダイ３を使用する本発明の方法では、まず、ダイ３に対して上パンチ１を当接させ、その後で下パンチ２を上昇させることによりキャビティ内の原料粉末を圧縮する。このため、被成形体の表面において原料粉末の支持が上パンチ１からダイ３に切り換わる部分では、従来の製造方法とは異なり、上パンチ１とダイ３とをほぼ完全に当接させることができる。したがって、被成形体の赤道部分に帯状のランド部が形成されることはなく、図２に示すように、不可避な機械的誤差に起因する単一の段差42のみが形成される。
【００２２】
また、被成形体の表面において、原料粉末の支持がダイ３から下パンチ２に切り換わる部分では、下パンチ２に対応する領域が被成形体の表面から突出するように装入する原料粉末の量を調節する。従って、下パンチ２により原料粉末が支持される領域には、段差41により画成された円形のランド部が形成される。
【００２３】
図３は、図２に示した形成体において、パンチまたはダイの切替え部分に形成される段差またはランド部の縁部を拡大して示す図である。
【００２４】
図３(a) に示すように、成形体の下頂部近傍には、下パンチとダイとの切替え部に対応して段差が形成される。しかしながら、この段差は成形体の赤道部からは離れて形成されているので、その稜線部は何れも鈍角を成している。また、従来の２次曲面の表面を有する帯状のランド部と異なり、このランド部は自身の面積に対する周囲の段差の長さの割合が小さく、更に、段差の高さＨも小さく、ランド部の剥離等が生じ難い。従って、この部分で生じる応力集中は、従来の硬質ボールにおいて生じていたものよりも遙かに小さい。
【００２５】
尚、上記のような成形体を作製する際に使用する成形器具における下パンチ内面の寸法は、被成形体の下端からその表面においてその下パンチが原料粉末を支持する領域が被成形体の直径の１／３以下、１／４以上であることが好ましい。下パンチに支持される領域が１／３よりも大きくなると、ランド部外周の段差が大きくなり過ぎて真球との相違が大きくなるからである。また、段差部からの摩耗、亀裂が進展し易くなるからである。一方、下パンチに支持される領域が１／４よりも小さくなると、下パンチからの圧力不足により、硬質ボールの表面の剥離が発生し易くなる。
【００２６】
また、図３(b) に示すように、上パンチとダイとの切替え部に形成される単一の段差42の高さｈは、従来の硬質ボールにおいて形成された帯状のランド部の高さに比較すると相当に小さい。更に、単一の段差しか形成されないので、この部分から硬質ボールの表面が剥離することはなく、段差の角部が早期に摩耗する程度である。従って、この部分は実質的に平坦な表面となる。
【００２７】
以上説明したように、本願発明に係る硬質ボールは、独特な形状のパンチ並びにダイを使用するという点と、圧縮成形時の操作の順序が独特であるという点を除けば、原料粉末の圧縮成形工程として特殊な操作はなく、容易に実施することができる。
【００２８】
〔作製例１〕
91重量％のＷＣ粉末と９重量％のCo粉末とを混合した原料粉末を用い、図１に示した装置を使用して本発明に係る硬質ボールを作製した。
【００２９】
作製した硬質ボールをメディアとし、90重量％のＷＣ粉末と10重量％のCo粉末とを混合した超硬合金の原料粉末を10時間湿式混合した後、硬質ボールの摩耗を測定した。この結果、従来の方法で作製した硬質ボールに比較して、本発明に係る硬質ボールは摩耗が約35％少なかった。
【００３０】
〔作製例２〕
92重量％のＷＣ粉末と８重量％のCo粉末とを混合した原料粉末を用い、図１に示した装置を使用して本発明に係る方法で直径 4.5mmの硬質ボールを作製した。また、同じ原料粉末を使用し、従来の製造方法で同じ仕様の硬質ボールを作製した。
【００３１】
上記のようにして作製した硬質ボールをメディアとし、90重量％のＷＣ粉末、３重量％のCo粉末および７重量％のCo粉末を混合した平均粒径 4.3μｍの原料粉末を５時間湿式混合した。こうして調製した原料粉末を乾燥並びに造粒した後、焼結して試料を作製した。また、従来の硬質ボールを用いて同じ工程で同じ仕様の試料を作製した。得られた各試料の抗折力を測定したところ、本発明に係る硬質ボールを使用して作製した試料の方が抗折力が約20％高かった。
【００３２】
〔作製例３〕
圧縮成形時に使用する下パンチの径が異なるものを用意して、作製例２と同じ材料および仕様で硬質ボールを作製した。尚、使用する下パンチの径に合わせてダイに形成された穴の径も変更したことは言うまでもない。使用した各下パンチの径は、硬質ボールの直径に対して１／２、１／３、１／４、１／５となるような寸法を選択した。
【００３３】
上述のようにして作製した硬質ボールを用い、作製例２と同じ原料粉末を同じ条件で調製した後、やはり作製例２と同じ仕様の試料を作製して、各試料の抗折力を測定した。その結果、下記の表１に示すように、下パンチの径を小さくした場合の方が、最終的に得られる焼結体試料の抗折力が高いことが判った。
【００３４】
【表１】
0003677318.tif 000002
但し、Ｒは、硬質ボールの直径に対する、下パンチが成形体に接触する部分の直径の割合を示す。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、従来の製造方法で作製した硬質ボールでは、製造方法上不可避に形成される帯状のランド部の周辺で応力集中等が生じ、使用中に欠損や偏摩耗が生じることが避けられなかった。これに対して、本発明に係る製造方法で作製した硬質ボールは、その独特の製造方法により、実質的に完全な球体であり、局部的な応力集中や摩耗が低減されている。従って、硬質ボール自体の寿命が長くなると同時に、使用中に硬質ボールの破片が原料粉末に混入することがなくなり、焼結体製品の品質の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る硬質ボールの製造方法を実施する際に使用できる器具の構成例を示す図である。
【図２】図１に示した成形器具を使用して作製した被成形体の形状を示す図である。
【図３】図２に示した被成形体の部分的な形状を拡大して示す図である。
【図４】硬質ボールを使用した混合装置の構成を模式的に示す図である。
【図５】硬質ボールを製造する際に使用する成形器具の形状を示す図である。
【図６】図５に示した成形器具を使用して従来の方法で製造した硬質ボールの垂直断面形状を示す図である。
【符号の説明】
１、21・・・上パンチ、
２、22・・・下パンチ、
３、23・・・ダイ
11・・・混合槽、
12、30、40・・・硬質ボール、
13・・・攪拌棒、
14・・・攪拌腕、
15・・・攪拌モータ、
31、41・・・ランド部、
42・・・段差
【図１】
0003677318.tif 000003
【図２】
0003677318.tif 000004
【図３】
0003677318.tif 000005
【図４】
0003677318.tif 000006
【図５】
0003677318.tif 000007
【図６】
0003677318.tif 000008