(57)【要約】【課題】ボールシート部との摺動性を優れたものにし、ボールシート部の摩耗を抑制することができ、筆記性能の持続性に優れた炭化珪素質セラミック製ボールペン用ボールを提供する。【解決手段】炭化珪素を主成分とし、遊離炭素を含む炭化珪素質セラミックスからなり、遊離炭素を炭化珪素質セラミックスに対して４〜１０重量％含有することにより必要十分なインク流出量を確保しつつ、滑らかな書き味も同時に確保し、かつボールシート部の摩耗も有効に抑えることが可能になる。【選択図】図１
2004202973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素を主成分とし、４〜１０重量％の遊離炭素を含有した炭化珪素質セラミックスからなることを特徴とするボールペン用ボール。
【請求項２】
表面の平均気孔径が５０μm以下、且つ最大気孔径が７５μm以下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ボール。
【請求項３】
Fe系金属製ボールシート部との動摩擦係数が０．５以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のボールペン用ボール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素質セラミックスからなるボールペン用ボールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボールペンの原理は以下の通りである。
ボールペンは図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ボールペン用のボール１及びホルダー４より成る。ボールペン用ボール１はボール受け部分であるボールシート部２に圧入されており、加締めによって固定されている。
【０００３】
ボールペン用ボール１を紙等に押し付けて転がすと、インク誘導孔５を介してインク溝３に導かれたインクがボールペン用ボール１表面に導き出される。
【０００４】
従来、ボールペン用ボール１としては金属製のものが使用されることが多かったが、近年、摩耗しにくく、又はインキによる腐食も受けにくいセラミック製ボールペン用ボール１を使用したボールペンが実用化されている。例えば炭化珪素を始めとして、窒化珪素、サイアロン、ジルコニア、アルミナ、窒化アルミニウムなど、各種セラミックにて構成したボールペン用ボール１が開示されている。
【０００５】
ところで、ボールペン用ボール１の表面は、ベアリングボールのような極めて平滑な仕上り状態になっていると、インクを弾いてスムーズな書き味が損なわれるので、インク保持・転写性を確保するために、適度に空隙が分散形成された表面状態としておく必要がある。
【０００６】
例えば、炭化珪素質セラミックにて構成されたボールペン用ボール１の表面部の平均孔径を１〜３０μｍとする発明が開示されている。このように平均孔径を調整する理由として、ボールシート部２の削り取りを抑制し、いわゆる球下がり（ボールシート部２の摩耗）を抑制することが記載されている（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭５９−１３５１９５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ボールペン用ボール１においてはボールシート部２の摩耗防止のみでなく、滑らかで鮮明な書き味が保証されるための、適度なインク流出性能が当然に両立されていなければならないという問題があった。
【０００９】
例えば、炭化珪素質セラミックス製のボールペン用ボール１は、ボールシート部２（具体的にはステンレス鋼等のＦｅ系金属で構成される）に組み付けて実際にボールペンとして使用したときに、インク流出量が不足して、特にボール径が小さかったり、筆記速度が速くなったりしたときにかすれ等が生じ易くなっていた。
【００１０】
また、粗大な空隙ばかりが多数形成されている場合には、ボールペン用ボール１表面のインク保持量が増大し、インク流出量を増大させることができるが、ボールシート部２の削り取りが進行しやすくなる上、筆記対象物（例えば紙等）上でのボールペン用ボール１の滑りが悪くなり、書き味がざらざらとした心地の悪いものになってしまう問題があった。
【００１１】
また、従来この炭化珪素質セラミックスの遊離炭素量は、４重量％未満であり、ボールペン用ボール１と金属製ボールシート部２との動摩擦係数は０．５より大きかった為、金属製ボールシート部２との摩擦が大きくなり書き味が損なわれていた。
【００１２】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであってその目的は、従来の炭化珪素質セラミックの欠点を解消し、遊離炭素の自己潤滑作用によりボールシート部２との摺動性を優れたものにし、ボールシート部２の摩耗を抑制することができ、筆記性能の持続性に優れた炭化珪素質セラミック製ボールペン用ボール１を提供することにある。また、インク流出量を増大させる為に平均気孔径を大きくしても遊離炭素の自己潤滑作用によりボールシート部２との摺動性を優れたものにするため、ボールシート部２の摩耗を抑制することができる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のボールペン用ボールは、炭化珪素を主成分とし、４〜１０重量％の遊離炭素を含有した炭化珪素質セラミックスからなることを特徴とする。
【００１４】
更に、表面の平均気孔径が５０μm以下、かつ最大気孔径が７５μm以下であることを特徴とする。
【００１５】
また更に、Ｆｅ系金属製ボールシート部との動摩擦係数が０．５以下であることを特徴とする。
【００１６】
これにより、本発明のボールペン用ボールによれば、上記炭化珪素質セラミックスに対して４〜１０重量％の遊離炭素を含有していることから、遊離炭素の自己潤滑性によってボールシート部との摺動性を優れたものとすることができる。
【００１７】
更に、本発明のボールペン用ボールによれば平均気孔径を５０μｍ以下、最大気孔径を７５μm以下と大きくできることから、インク流出量を増大することができ、かすれ等が生じにくくすることができる。
【００１８】
また更に、本発明のボールペン用ボールによれば、ステンレス鋼等のＦｅ系金属との動摩擦係数が０．５以下であることから、ボールシート部の摩耗を防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
ボールペンは図１（Ｂ）に示すように、ボールペン用ボール１及びホルダー４より成る。図１（Ａ）に示すように、ボールペンの原理は以下の通りである。
図１に示すように、ボールペン用ボール１はボールシート部２に圧入されており、加締めによって固定されている。
【００２０】
ボールペン用ボール１を紙等に押し付けて転がすと、インク誘導孔５を介してインク溝３に導かれたインクがボールペン用ボール１表面に導き出される。
【００２１】
本発明のボールペン用ボール１は、炭化珪素を主成分とし、遊離炭素を４〜１０重量％含む炭化珪素質セラミックスからなる。
【００２２】
上記炭化珪素質セラミックスは、カーボンブラック、グラファイト等の他に熱分解により炭素を生成しうるフェノール樹脂やコールタールピッチ等の炭素化合物を炭素換算で１〜４重量％の割合で含有し、硼素成分としてＢ4Ｃや金属硼素等の含有量が０．２〜０．４重量％含有することが好ましく、これらの成分は焼結助剤として作用するとともに遊離炭素の含有量を適切な値として摺動性を高め、高強度を有するものとすることができる。
【００２３】
ここで、炭素換算とは、炭素化合物の炭素の質量数だけを対比させた割合である。
【００２４】
また、上記炭化珪素質セラミックスは、４〜１０重量％の遊離炭素を含んでおり、この自己潤滑作用によってボールシート部２との動摩擦抵抗を小さくして摺動性を優れたものとすることができる。即ち、本発明のボールペン用ボール１は、全体あるいは表層部に自己潤滑作用をもつ遊離炭素を有することによって、高い強度を維持したままボールシート部２との動摩擦抵抗を小さくして摺動性の優れたものにでき、長期間に渡って優れた筆記性能を維持することができる。
【００２５】
上記遊離炭素の含有量が４重量％未満となると、ボールペン用ボール１の潤滑性が劣るためボールシート部２との摺動性が低下しやすい。一方、１０重量％を越えると遊離炭素の生成が多すぎるためボールペン用ボール１の機械的強度が低下しやすい。
【００２６】
尚、上記遊離炭素は、主成分である炭化珪素を高圧窒素雰囲気中で熱処理を行うことによってＳｉＣ＋２Ｎ2→Ｓｉ3Ｎ4＋３Ｃの反応が起こり、炭化珪素中に遊離炭素を生成することができる。熱処理前の炭化珪素質セラミックスの重量に対する熱処理後の重量増加が０．１〜６％の範囲となるよう熱処理することにより炭化珪素質セラミックスに含有される遊離炭素の含有量を４〜１０重量％とすることができ、長期間に渡って優れた筆記性能を維持することができる。
【００２７】
上記遊離炭素の含有量が４重量％未満となると、ボールペン用ボール１の潤滑性が劣るためボールシート部２との摺動性が低下しやすい。一方、１０重量％を越えると遊離炭素の生成が多すぎるためボールペン用ボール１の機械的強度が低下しやすい。
【００２８】
尚、遊離炭素量の測定法には、化学分析法（ＪＩＳＲ６１２４参照）に基づき全珪素量と全遊離炭素量を測定し、ＬＥＣＯ法により全窒素量を測定した上で炭化珪素、窒化珪素、遊離炭素の化学式に基づき計算する。
【００２９】
更に、本発明のボールペン用ボール１は、平均気孔径を５０μｍ以下、最大気孔径７５μm以下と大きくすることが好ましく、これによって、インク流出量を増大することができる。これにより筆記速度が速くなったりしたときにもかすれ等を生じにくくすることができる。
【００３０】
平均気孔径が５０μmを超えると、ボールシート部２の摩耗が大きくなり長期間に渡って筆記性能を維持することが困難であり、また、最大気孔径が７５μmを超えると、インク流出量が激増し細い線を書くことが困難になってしまう。
【００３１】
平均気孔径及び最大気孔径の制御は、焼成した後に高圧窒素雰囲気中で熱処理することによって行うことができ、出発原料の炭化珪素粉末の平均粒径、熱処理温度及び圧力が主たる管理条件となる。熱処理前の炭化珪素質セラミックスの重量に対する熱処理後の重量増加が０．１〜６％の範囲となるよう熱処理することで、上述した気孔径の範囲とする事ができる。
【００３２】
尚、表面部に存在するボイドの平均気孔径の測定方法としては、５０μm平方単位面積当りのボイドの大きさの分布とその個数に基づき、マイコンを内臓した画像処理装置を用いて測定した。その際、気孔径０．５μm以上のものをカウントする設定とした。
【００３３】
また、最大気孔径の測定方法としては、５０μm平方単位面積の範囲に存在する気孔の最大直径を走査型電子顕微鏡で掃引して測定した。２つ以上の連続した気孔については、その長さを最大気孔径とした。
【００３４】
また更に、本発明のボールペン用ボール１は、ステンレス鋼等のＦｅ系金属製ボールシート部２との動摩擦係数を０．５以下とすることによって、ボールペン用ボール１によるボールシート部２の摩耗を有効に防止することができる。これにより、金属製のボールシート部２との潤滑性に優れる為、ボールシート部２の摩耗を抑制し長期間に渡って筆記性能を維持することができる。
【００３５】
尚、上記動摩擦係数を０．５以下とするには遊離炭素の含有量を４〜１０重量％にすることによって達成できる。尚、動摩擦係数の測定にはボールオンディスク法を用いる。
【００３６】
ボ−ルオンデイスク法テストピースを冶具にセットして１００ｒｐｍで１０分間回転させ、相手材（Ｆｅ系金属、１０ｍｍ球）を２ｋｇの荷重Ｆｐ（Ｎ）にてテストピースに押し付け、その際の摩擦力Ｆｓ（Ｎ）を測定する。動摩擦係数μは下式により算出する。
【００３７】
動摩擦係数μ＝Ｆｓ／Ｆｐ
上記動摩擦係数が０．５を超えると、ボールペン用ボール１によるボールシート部２の削り取りが発生し、ボールシート部２の摩耗が生じやすく、筆記性能を維持することができない。
【００３８】
次、本発明のボールペン用ボール１の製造方法について説明する。
【００３９】
先ず、出発原料として炭化珪素粉末及び焼結助剤として炭素および硼素を含有する各種化合物を用意する。上記炭化珪素粉末としてはα型、β型のいずれか、あるいはこれらを混合して使用することができ、平均粒径は０．１〜２μｍが好ましい。０．１μm以下であると焼結が困難となり、２μmを超えると、焼成後の結晶粒径が２０μm以上になってしまい脱粒が発生しやすく強度が低下する。
【００４０】
また、上記焼結助剤としては、炭素成分としてカーボンブラック、グラファイト等の他に熱分解により炭素を生成しうるフェノール樹脂やコールタールピッチ等を用いることができる。これらの焼結助剤は、焼結体中に炭素を１〜４重量％、硼素を０．２〜０．４重量％添加することが好ましい。硼素成分としては、Ｂ4Ｃや金属硼素等が挙げられる。炭素および硼素含有化合物を添加して、加熱及び加圧により、固相焼結させたものが、上記Ｂ4Ｃ、C系ＳｉＣの粒界に遊離炭素を生成するため潤滑性に優れることによる。
【００４１】
次に、これらの混合物を、例えば金型プレス、射出成形、押し出し成型等によって所定の形状に成形して成形体を作製する。
【００４２】
得られた成形体を真空中、あるいはＡｒ等の不活性雰囲気中で１９５０〜２1００℃の温度で焼成する。この時の焼成手段としては、無加圧焼成法、ホットプレス法等が挙げられる。
【００４３】
更に焼成後の焼結体を１５００〜２０００気圧に制御された高圧窒素雰囲気中で１８００〜２１００℃の温度で熱処理することによって、平均気孔径及び最大気孔径を制御するとともに、遊離炭素を発生させる。
【００４４】
具体的には熱処理前の炭化珪素質セラミックスの重量に対する熱処理後の重量増加が０．１〜６％の範囲となるよう熱処理することが好ましい。
【００４５】
次に、バレル研磨を施し、順次精密研磨にいたる工程を経て、所定の球径（０．５〜１．４ｍｍ）を備えたボールペン用ボールを製造する。
【００４６】
【実施例】
実験例１としてまず、炭化珪素を主成分として炭化硼素を０．４重量％、フェノール樹脂を２重量％含有して成る原料粉末を所定形状に成形し、得られた成形体を種々の焼成条件にて焼成しボールペン用ボール試料を作製した。
【００４７】
そして、図１（Ａ）に示すように筆記距離とボールシート部２の摩耗（削り取り）即ち球下がり量及びＦｅ径金属との動摩擦係数の関係を調べた。結果を表１に示す。
【００４８】
表１の結果から明らかなように、遊離炭素の含有量が少なくなるに伴い、動摩擦係数が上昇しボールシート部２の削り取り量が多くなるため、球下がり量が大きくなることがわかる。とりわけ、遊離炭素含有量が４重量％未満になると動摩擦係数及び球下がり量が著しく大きくなるため、遊離炭素含有量は４重量％以上のものが優れていた。
【００４９】
【表１】
2004202973.tif 000003
【００５０】
次に、実験例２として、炭化珪素を主成分として、炭化硼素を０．４重量％、フェノール樹脂を２重量％含有して成る原料粉末を所定形状に成形し、得られた成形体を種々の焼成条件にて焼成しボールペン用ボール試料を作製した。
【００５１】
そして、平均気孔径とインク流出量の関係を調べた。インクは水性とし、インク流出量は筆記テストを行う前の初期重量値と、各筆記距離を果たした後のインク重量値の差で表した。結果を表２、図２に示す。
【００５２】
図２の結果から明らかなように、平均気孔径が大きくなるにつれてインク流出量が増大し、平均気孔径が７０μmのものはインク流出量が極端に多くなってしまった。これは、平均気孔径の大きいものはボールシート部を摩耗させやすく、ボールとの隙間が大きくなるため、この隙間からインクが漏れたためである。
【００５３】
これに対し、平均気孔径５０μｍ以下のものは筆記距離が大きくなってもインク流出量はそれほど増大しなかった。従って、平均気孔径５０μｍ以下のものが優れていた。但し、平均気孔径が５０μm以下でも、最大気孔径が７５μm以上のものはインク流出量が極端に多くなってしまった。これは、ボールシート部を摩耗させることは無いが、気孔径７５μm以上のボイドはインク保持力が低い為、筆記途中にインク漏れを起こしてしまうためである。
【００５４】
【表２】
2004202973.tif 000004
【００５５】
【発明の効果】
本発明のボールペン用ボールによれば、炭化珪素を主成分とし、４〜１０重量％の遊離炭素を含む炭化珪素質セラミックスからなることにより、遊離炭素の自己潤滑性によってボールシート部との摺動性を優れたものとすることができ、ボールシート部の削り取り量を低減することができる。
【００５６】
更に、本発明のボールペン用ボールによれば平均気孔径を５０μｍ以下、最大気孔径７５μm以下と大きくすることにより、インク流出量を増大することができ、これにより筆記速度が速くなったりしたときにもかすれ等を生じにくくすることができる。
【００５７】
また更に、本発明のボールペン用ボールによれば、ステンレス鋼等のＦｅ系金属との動摩擦係数を０．５以下とすることによって、ボールペン用ボールがボールシート部を削り取ることがなくボールシート部の摩耗を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）はボールペンの詳細な内部構造を示す断面図、（Ｂ）はボールペンの一例を示す概略図である。
【図２】本発明のボ−ルペンにおける、インク流出量の筆記距離依存性を示す図である。
【符号の説明】
１：ボール
２：ボールシート部
３：インク溝
４：インク
５：ホルダ
６：インク誘導孔
【図１】
2004202973.tif 000005
【図２】
2004202973.tif 000006