(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、優れた真球度と表面粗さを有するアモルファス金属球とすることで、十分な硬度を有し、かつ安価なボールペン用金属球を提供することにある。【解決手段】    すなわち本発明は、あらかじめ定められた体積の溶滴が凝固されたボールペン用金属球であって、該金属球はアモルファス金属からなり、真球度が５μｍ以下であり、表面粗さＲａが０．２μｍ以下である、ボールペン用金属球である。好ましくは、金属球の硬さが８００ＨＶ以上であり、より好ましくは、金属球の粒径が０．０５ｍｍ以上３．００ｍｍ以下であるボールペン用金属球である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
あらかじめ定められた体積の溶滴が凝固されたボールペン用金属球であって、該金属球はアモルファス金属からなり、真球度が５μｍ以下であり、表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることを特徴とするボールペン用金属球。
【請求項２】
前記金属球の硬さが８００ＨＶ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のボールペン用金属球。
【請求項３】
前記金属球の粒径が０．０５ｍｍ以上３．００ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１乃至２のいずれかに記載のボールペン用金属球。
【請求項４】
アモルファス金属からなる、あらかじめ定められた体積の液滴を冷却凝固させ、真球度が５μｍ以下で表面粗さＲａが０．２μｍ以下となることを特徴とするボールペン用金属球の製造方法。
【請求項５】
前記金属球の硬さが８００ＨＶ以上であることを特徴とする請求項４に記載のボールペン用金属球の製造方法。
【請求項６】
前記金属球の粒径が０．０５ｍｍ以上３．００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４乃至５のいずれかに記載のボールペン用金属球の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールペンに使用される金属球およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボールペンの機構は、筒状のホルダー先端に保持された球体を紙の上に押しつけながら移動させることにより、保持部で球体がインクを潤滑剤として回転し、球体を押しつけた紙の上にインクが転写される仕組みである。したがって、使用される球体の材料には、ホルダーとの摩擦に耐えられる耐摩耗性が要求されており、球体の材料としては従来の軸受鋼に加えて超硬合金やセラミックスが使用されている。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
球体の形状は高い真球度が求められ、転がりによって紙にインクを転写するため、一定以下の表面粗さが必要である。球体に用いられる素材は、鍛造等の熱間加工や引き抜き等の冷間加工、あるいは粉末冶金法で最終的に球状に成形され、表面を研磨されて高い真球度と表面粗さを得る。十分な硬度、高い真球度と一定以上の表面粗さを有するボールペン用金属球は、耐摩耗性と高い転動特性を両立しているため、初期の優れた書き味を長時間に渡って得ることができる。
【０００４】
一方、ボールペン用の材料としてアモルファス金属を使用する提案がある。（特許文献２参照）このアモルファス金属は、ガラス形成能の指標である過冷度、すなわち過冷却液体の温度間隔を４０Ｋ以上に高めた、Ｆｅ主体の鉄族三元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）及びＭｏを含有し、さらに半金属成分としてＳｉ及びＢを含有した鉄族合金が開示されている。本合金からアモルファス金属球を製造するには、アトマイズ法が望ましく、溶融金属を冷却液である水中に噴霧することで、最大で約φ２ｍｍ程度のアモルファス金属球が得られるとある。
【特許文献１】特開２００４−２０２９７３号公報
【特許文献２】特開２００２−８０９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した超硬合金やセラミックスの球体は、粉末冶金法により製造されるため、製造プロセスに係るコストが高いことが問題である。また、材料の硬度が高いため、所望のサイズと表面粗さを有する球体に成形するのに多大な時間を要する。
一方、アモルファス金属球は、強度・靱性ともに結晶材料に引けをとらない特性を発揮する可能性を有しており、ボールペン用金属球の用途に向いていると言える。
【０００６】
アモルファス金属球をアトマイズ法によって作製し、ボールペン用の金属球とするのは、直接的に粒子を製造できるので、一見すると粉末冶金法よりも効率的である。しかしながら、アトマイズ法では、溶湯に加速させたガス及び冷媒を衝突させ、それらのエネルギーを利用して溶湯を粉砕する。
このとき、溶滴は粉砕される際に、上述したエネルギーを受けて変形した状態から、自身の表面張力で球形となる前に凝固するため、球形にならなかったり、表面に凹凸が残ったりする。そこで、球状化をさせることを目的に、ガス及び冷媒の速度や量を調整することで、溶湯の粉砕能力や冷却能力を低下させるため、十分に球状化できなくなることや、アモルファス状態とならず結晶化するという問題があった。
【０００７】
このような金属球は、凝固ままでは表面粗さが大きく、真球度も低いため、ボールペン用ボールとして到底使用できない。その上、後の研磨工程で球状に成形することも困難であり、工数を多大に要する上、著しく歩留まりを低下させることになる。また、結晶化したボールは、硬度が低下するため、ボールペンに必要な耐摩耗性が得られない。したがって、アトマイズ法でボールペン用の金属球を製造することは、工業的に実現性が低い。
【０００８】
本発明の目的は、優れた真球度と表面粗さを有するアモルファス金属球とすることで、十分な硬度を有し、かつ安価なボールペン用金属球を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、滴下した液滴に極力外力を与えないで、アモルファス金属球を製造することを検討した結果、ボールペンに最適な優れた形状の球が作製可能なことを見出し、本発明に到達した。
【００１０】
すなわち本発明の第一は、あらかじめ定められた体積の溶滴が凝固されたボールペン用金属球であって、該金属球はアモルファス金属からなり、真球度が５μｍ以下であり、表面粗さＲａが０．２μｍ以下である、ボールペン用金属球である。
本発明の第二は、本発明の第一に記載された金属球の硬さが８００ＨＶ以上である、ボールペン用金属球である。
本発明の第三は、本発明の第一乃至第二に記載された金属球の粒径が０．０５ｍｍ以上３．００ｍｍ以下である、ボールペン用金属球である。
【００１１】
また、本発明の第四は、アモルファス金属からなる、あらかじめ定められた体積の液滴を冷却凝固させ、真球度が５μｍ以下で表面粗さＲａが０．２μｍ以下となるボールペン用金属球の製造方法である。
本発明の第五は、前記金属球の硬さが８００ＨＶ以上であるボールペン用金属球の製造方法である。
本発明の第六は、前記金属球の粒径が０．０５ｍｍ以上３．００ｍｍ以下であるボールペン用金属球の製造方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、アモルファス金属をあらかじめ定められた体積の溶滴が凝固されたことにより、十分な硬度を有し、粒径の揃った、表面が平滑なボールペン用金属球を提供することができ、工業上欠くことのできない技術となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の重要な特徴は、アモルファス金属が優れた球形をなす点にある。以下に本発明の特徴を詳細に説明する。
【００１４】
本発明において、アモルファス金属に着目したのは、適切に凝固させれば優れた球形にできるからである。アモルファス金属は、結晶核を発生させずに過冷液体の構造を保ちつつ固体とするので、液体から固体結晶への配列に伴う凝固収縮が少なく、凝固が等方的に起こりやすい。したがって結晶材料のように最終凝固部に引け巣が発生することがない。
加えて、一般的な金属の凝固体にみられるようなデンドライトや金属間化合物の生成に伴う凝固体表面あるいは内部のテクスチャがなく、アモルファス相の単相となる。すなわち、凝固ままでも表面にこれらの凹凸が形成されないので、極めて平滑な表面となる。
さらに、単相なのでミクロ組織に硬度差が存在せず、研磨加工時にも硬質な金属間化合物によるキズや、欠落によるマイクロボイドの発生がないため、研磨によっても容易に、より平滑な表面を得ることが可能であると考えられる。
【００１５】
アモルファス金属としては、特許文献２に開示されるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ−Ｍｏ系合金の他、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｃ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｃ−Ｂ−Ｐ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃ−合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｐ−Ｃ−Ｎｂ合金等のＦｅ基合金の他、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｐ−Ｂ合金、Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ合金等も適用可能である。中でも、鉄基アモルファス粒子は、強度・靱性ともに結晶材料に引けをとらない特性を発揮する可能性を有しており、ボールペン用金属球の用途に向いている。好ましくは、アモルファス形成能の指標となる過冷度（ΔＴ）が３０Ｋ以上となるような合金組成が良い。
ここで、過冷度（ΔＴｘ）とは、結晶化開始温度（Ｔｘ）とガラス転移温度（Ｔｇ）との差（Ｔｘ−Ｔｇ）で表される。ガラス転移温度とは、液体が過冷されたとき、巨視的分子運動ができずに系が準平衡状態で凍結される温度であり、安定なアモルファス構造を持つ金属はガラス転移温度（Ｔｇ）以上で構造緩和による吸熱反応を示す。
【００１６】
上述のような凝固形状を得るには、自身の表面張力で球状となることを最大限に引き出す必要がある。すなわち、溶湯を噴霧し、溶湯の冷却を最大限に抑えて微粒化した後、急冷することが肝要である。
そこで、所望の金属あるいは合金をるつぼで溶解し、溶湯に圧力と振動を付与して前記るつぼの底部に設けたオリフィスから溶湯を押出し、前記オリフィスから滴下した溶湯を急冷凝固させて金属球を製造する、均一液滴法と呼ばれる方法が好ましい。この均一液適法は、溶湯が表面張力によって分断されるので、微粒化によって冷却されにくいプロセスとして、本発明のボールペン用金属球を製造するのに適した方法である。
【００１７】
本発明においてＪＩＳ  Ｂ１５０１で規定される真球度が５μｍ以下、ＪＩＳ  Ｂ０６０１で規定される表面粗さＲａが０．２μｍ以下と規定するのは、ＪＩＳ  Ｂ１５０１に記載の玉軸受け用鋼球の等級２００に準拠した値によっており、研磨しなくてもボールペン用金属球として使用できるからである。しかしながら、用途に応じてより高い精度が必要な場合は、研磨加工により真球度、表面粗さを高めても良い。
【００１８】
本発明におけるボールペン用金属球は、球体を保持するホルダーとの摩擦と摩耗を抑えることで、球体の変形や損傷を防ぎ、長期間にわたってなめらかな書き味を確保する目的から、ビッカース硬さで８００ＨＶ以上を有するのが望ましい。なお、球体の硬さは、接触応力の高い表面近傍の硬さでもよいが、表面と中心部とで組織あるいは構造が同一であれば、断面中心部の硬さでもよい。
【００１９】
また、本発明におけるボールペン用金属球においては、より小さい字を書きたいという消費者ニーズと相まってボールペン先の加工技術も著しく向上した結果、φ０．５ｍｍ以下の球体を使用した製品が多くなってきている近年の状況を鑑みると、その直径は０．０５ｍｍ以上３．００ｍｍ以下が望ましい。３．００ｍｍを越える粒径では、溶湯から凝固に至る冷却速度が低下するために、結晶化が起こりやすくなる点で、製造性が劣る。より好ましくは、製造性を考慮すれば１．００ｍｍ以下とする。
【実施例】
【００２０】
上述した均一液適法により、組成を質量％で４．５％Ｓｉ−３％Ｂ−２６．７％Ｎｉ−５．８％Ｍｏ−９％Ｃｏ−残部ＦｅのＦｅ基合金とした金属球を製造した。るつぼ内の溶湯に振動を加えることで溶湯を分断して直径が４９０μｍとなるように調整して滴下し、室温の焼入油（大同化学工業製＃１２５、ＪＩＳ  Ｋ２２４２１種２号）中に回収した。
【００２１】
得られた金属球を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図１に示す。図１に示すように金属球は単分散を呈していた。また、図２に示すように、外観に引け巣はなく、極めて平滑な表面を有していた。この金属球５００ヶを投影法によって形状測定した結果、金属球の粒径は中央値でφ４９０μｍであり、真球度は平均で２．５μｍであった。
また、表面粗さ測定をＴａｙｌｏｒ  Ｈｏｂｓｏｎ社製ＦＯＲＭＴＡＬＹＳＵＲＦ  Ｓ６（Ｚ軸測定範囲１０ｍｍ、分解能０．８ｎｍ）を用い、評価長さ０．２４ｍｍとして行った結果、中心線平均粗さＲａは球体５個の平均で０．１２μｍを示し、凝固ままでも極めて平滑な表面を呈していた。また、この製造した凝固ままの金属球断面は、表面と実質同一の組織を呈していることを確認した。
【００２２】
次に、得られた金属球の断面を精研磨によって調整し、アカシ製ビッカース硬度計ＭＵＫ−Ｅ３を用いて荷重１．９６Ｎ（２００ｇｆ）で金属球の断面の硬さを測定した。その結果、１０点平均で９２７ＨＶを示し、ボールペン用金属球として供するに十分な強度を有することを確認した。
【００２３】
また、示差走査熱量計（ＤＳＣ）により熱分析を行い、測定したＤＳＣ曲線から過冷度を求めた。ここで過冷度（ΔＴｘ）とは、ガラス形成能の指標であり、結晶化開始温度（Ｔｘ）とガラス転移温度（Ｔｇ）との差（Ｔｘ−Ｔｇ）で表される。図３に示すように、過冷度ΔＴｘは、およそ５０Ｋであり、本実施例で作製した金属球は安定なアモルファス状態であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のボールペン用金属球の表面形態を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図２】本発明のボールペン用金属球の表面形態を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明の金属球のＤＳＣ曲線を示すグラフである。
【図３】
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【図１】
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【図２】
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