CN102947024A

CN102947024A - 金属球的制造方法

Info

Publication number: CN102947024A
Application number: CN2010800659413A
Authority: CN
Inventors: 福丸麻里子; 韩刚; 庄司辰也; 马哈·I·布劳斯
Original assignee: Tekna Plasma Systems Inc; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Tekna Plasma Systems Inc; Proterial Ltd
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2013-02-27
Also published as: JP5599871B2; WO2011125250A1; JPWO2011125250A1

Abstract

本发明提供一种金属球的制造方法，其包括：准备规定质量的原料片的步骤；利用等离子动作气体与由高频感应线圈产生的高频能量来形成等离子焰，并且将等离子产生空间的氮浓度设为2体积％以上的步骤；将原料片向等离子焰中投入并使其熔融而球状化的步骤；使熔融且球状化的原料凝固的步骤，利用使球状化的步骤及凝固的步骤，将氮导入金属球。

Description

金属球的制造方法

技术领域

本发明涉及适于在滚动轴承等使用的滚动体中的含有高氮的金属球的制造方法。

背景技术

近年来，作为用于进一步提高在滚动轴承中使用的滚动体的强度、耐腐蚀性的材料，在钢铁材料的领域中提出有含有高氮的不锈钢的方案(例如非专利文献1)。众所周知，该含有高氮的不锈钢通过使现有的马氏体系不锈钢含有0.1～0.4质量％左右的氮，从而能够提高强度、耐腐蚀性。

作为制造含有高氮的不锈钢的方法，例如非专利文献1所公开的那样，需要在熔解时添加氮化合物作为氮源而进行加压熔解的加压式电渣再熔解法、以及通过将钢材保持在1000℃以上的氮气环境中而使氮原子向固相内扩散并实现高氮化的固相氮吸收法等的特殊处理。

为了制造由此类具有高强度且耐腐蚀性优良的含有高氮的不锈钢形成的金属球，首先，对上述非专利文献1所公开的需要特殊处理的含有高氮的不锈钢的钢块反复进行锻造、压延之类的塑性加工，不得不将其制造成细线，仅细线的制造就形成为高价。在此基础上，利用具有半球状的球座的阴模具和阳模具，从两侧对将形成为细线的原料切成恒定的长度的待加工件压缩而将其成形为球形，接着将球形物夹在两个硬质铸件机床之间并施加压力而使其滚动，在除去毛边之后，进行用于调整组织的热处理，需要经过大量的精密研磨过程而进行制造(例如，非专利文献2)。这样，为了制造由含有高氮的不锈钢构成的金属球，需要大量的工序而导致成本较高。

另一方面，作为滚动体等所使用的微小金属球的制造方法之一，具有如下方法：将形成为线材的原料以恒定的间隔切成原料片，通过导入等离子焰中，在暂时熔融之后制造使熔融的原料片凝固的球状的微小金属球。该微小金属球的制造方法能够大幅度地省略半成品球制造的工时，是经济的方法(例如，参照专利文献1)。

但是，专利文献1所公开的方法只适用于将一般的高碳铬轴承钢(例如SUJ2钢(1.0质量％C-1.5质量％Cr))、马氏体系不锈钢(例如SUS440C钢(1.2质量％C-17质量％Cr))制成滚动体用的微小金属球。

先行技术文献

非专利文献

非专利文献1：2006年度物质材料outlook(因特网<URL：http：//e-materials.net/outlook/OUTLOOK2006/OL2006_cap/cap3-5-7c.pdf>)

非专利文献2：株式会社天过钢球制作所主页(2009)(因特网<URL：http：//www.aksball.co.jp/seir.htm>)

专利文献

专利文献1：日本特开2006-249549号公报

发明要解决的问题

上述专利文献1所公开的微小金属球的制造方法通过减少半成品球制造的工时并进行研磨，对于经济且低成本地制造例如滚动体等所使用的微小金属球是有利的。然而，在专利文献1所公开的工序中，仅限于具有与原料的线材相同的合金组成的金属球的制造，制造具有高强度且耐腐蚀性优良的由含有高氮的不锈钢构成的微小金属球，需要预先进行含有高氮的高价线材的制造。由此，需要上述用于添加氮的精炼、加工工序，成本增大，总计成本收益小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属球的制造方法，在该金属球的制造方法中，不使用高价的含有高氮的不锈钢的线材，即使将不含有低成本的氮的廉价的合金组成的钢线作为原料片，也能够在基于等离子的金属球的制造的同时将氮作为合金元素进行添加。

用于解决问题的方法

本申请的发明人在深入研究向金属球添加氮的制造方法之后发现：通过在等离子产生空间使用含有2体积％以上的氮的气体，即使将不含有氮的廉价的合金组成的钢线作为原料片，也能够以低工时得到添加氮作为合金元素的金属球，从而完成本发明。

即，本发明所涉及的含有高氮的金属球的制造方法包括：准备规定质量的原料片的步骤；利用等离子动作气体与由高频感应线圈产生的高频能量来形成等离子焰，并且将等离子产生空间的氮浓度设在2体积％以上的步骤；将所述原料片投入所述等离子焰中，并使其熔融而球状化的步骤；以及使所述熔融且球状化的原料凝固的步骤，通过所述球状化的步骤以及所述凝固的步骤，将氮导入所述金属球。

在本发明的金属球的制造方法中，优选地，在等离子动作气体中含有2体积％以上的氮。

在本发明的金属球的制造方法中，优选地，向金属球导入0.1质量％以上的氮。

另外，优选地，作为原料片，以规定的间隔切断钢线而形成为原料片。优选地，原料片的长度L与直径

之比为

另外，优选地，原料片为马氏体系不锈钢或者奥氏体系不锈钢，并含有11～20质量％的Cr。

另外，优选地，金属球的直径在0.3～2.0mm的范围内。

发明的效果

根据本发明，即使将不含有氮的廉价的合金组成的钢线作为原料片，也能够得到含有高氮的金属球，从而能够低成本且有效地制造具有高强度且耐腐蚀性优良的金属球。

附图说明

图1是示出本发明的金属球的制造方法的一例的示意图。

图2是示出由本发明的制造方法得到的金属球的一例的扫描式电子显微镜照片。

图3是示出由本发明的制造方法得到的金属球的另一例的扫描式电子显微镜照片。

具体实施方式

如上所述，本发明在等离子产生空间采用含有2体积％以上的氮浓度的气体。本申请的发明人发现：添加到等离子焰中的氮气的一部分被活性化，从而实现在等离子处理过程中氮向成为液滴状态的原料的添加。以下，对本发明的金属球的制造方法进行详细的说明。

本发明将规定质量的原料片导入等离子焰，熔融的液滴在落下过程中因表面张力而球状化，使熔融的液滴凝固而得到金属球。虽然原料片通过将钢线以规定的间隔切断而制成，但也可以是其他的原料片。图1示出本发明使用的等离子装置结构的一例。从设置于冷却壁1的外侧的高频线圈3的轴线方向的一方，例如从供给部4供给含有2体积％以上的氮的等离子动作气体，通过向高频线圈3施加电压，在被高频线圈3的内侧的冷却壁1分隔的等离子产生空间2产生等离子焰6。并且，通过从设置于等离子焰6下部的反应气体供给部5供给反应气体，能够进行等离子焰6的尾部伸长的调整、对得到的金属球的冷却速度进行调整。

接着，将原料片与气体载体一起从原料片供给喷嘴7投入到产生的等离子焰6中。由于等离子焰6的温度本身为5000～10000K左右，因此原料片暴露在高温部而瞬间熔融，投入到等离子焰6中的原料片在燃烧室8的区域因表面张力而球状化，进而利用回收容器10回收使熔融的原料凝固的金属球。此外，在制造中，利用排气装置9进行燃烧室8内的排气。

在本发明中，为了得到具有高强度且耐腐蚀性优良的含有氮的金属球，需要将等离子产生空间的氮浓度设在2体积％以上。这是因为，当等离子产生空间的氮浓度小于2体积％时，难以实现氮向得到的金属球的添加。

在此，等离子产生空间是指，等离子焰以及包围等离子焰的空间，以氮在向腔室内供给的气体所占的比例形成在2体积％以上的方式进行调整，即氮在等离子动作气体、反应气体、以及气体载体的总供给量所占的比例形成在2体积％以上的方式进行调整，由此能够实现将等离子产生空间的氮浓度设在2体积％以上。

作为一个具体例，能够实现等离子动作气体含有50体积％以上的氮。在等离子动作气体含有50体积％以上的氮的情况下，如果是普通的反应气体及气体载体，则能够将等离子产生空间氮浓度设在2体积％以上，从而能够向金属球导入氮。

另外，在本发明的金属球的制造方法中，优选在等离子动作气体中含有2体积％以上的氮。此外，在等离子动作气体中氮不是必须的，作为氮以外的等离子动作气体，除了惰性气体亦即He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn的稀有气体之外，还能够应用H₂等气体。将上述气体应用于等离子动作气体，由此能够实现处理过程中的等离子焰6的稳定化。并且，当在等离子动作气体中应用H₂时，能够进一步提高等离子焰6的温度，从而容易促进原料片所含杂质的蒸发，期待更高的球状化效果。在反应气体中作为氮以外的气体，除了惰性气体亦即He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn的稀有气体之外，也能够应用H₂等气体。

本发明能够使用以规定的间隔切断的钢线作为原料片。在本发明所说的钢线能够应用马氏体系不锈钢、奥氏体系不锈钢等不锈钢或者其他材料。对于轴承等滚动体用的用途，为了得到耐腐蚀性以及基于碳化物形成的耐磨耗性而优选在钢线含有11～20质量％的Cr。作为在本发明使用的原料片的钢线，不用说使用预先含有氮的钢线，也能够得到具有高强度且耐腐蚀性优良的金属球。然而，在本发明中，即使将不含有氮的廉价的合金组成的钢线作为原料片，通过使等离子产生空间的氮浓度含有2体积％以上，能够进行氮向投入等离子焰而向成为液滴状态的原料的添加，从而能够得到具有高强度且耐腐蚀性优良的金属球。通过将钢线以规定的间隔切成原料片，原料片的各个体积恒定，从而能够得到直径恒定的金属球。

此外，在实际的生产中，优选集中原料片且连续地导入，并使原料片各自球状化并凝固。

在本发明中将原料片投入等离子焰中而熔融的液滴，在落下过程中因表面张力而球状化，通过凝固而能够得到高正球度的金属球。

另外，液滴的球状化处理过程中的环境也可以与等离子动作气体相同，通过使用惰性气体亦即He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn的稀有气体而能够有效地防止氧化。

另外，使球状化处理后的液滴凝固的环境也能够使用水等液体制冷剂。

在本发明的金属球的制造方法中，优选在金属球导入0.1质量％以上的氮。这是因为，氮作为合金组成发挥提高强度、耐腐蚀性的效果，因此得到的金属球的氮含有量优选在0.1质量％以上。

本发明所使用的原料片优选为原料片的长度L与直径之比为

这是因为，在

比小于0.5的情况下，原料片的直径

大于长度L，在高温等离子焰区域的短暂停留时间不能实现足够的熔融，从而难以实现球状化。另一方面，在

比大于2.0的情况下，原料片的长度L大于直径

与上述理由相同地，难以实现球状化。由此，当原料片的长度L与直径

之比为

时，即使在高温等离子焰区域的短暂停留时间内也容易实现球状化，从而得到正球度高的金属球。并且，为了得到更高的正球度，

比优选为约1.0。

另外，本发明的金属球的制造方法最适用于直径为0.3～2.0mm的金属球。在直径大于2.0mm的情况下，由于被等离子焰球状化的原料片在高温等离子焰区域的停留时间短，因此受到等离子焰与原料片的热交换时间的局限，原料片不能充分地熔融，从而难以得到稳定的球状的金属球。因此，金属球的直径优选在2.0mm以下。另一方面，虽然颗粒直径越小而基于等离子处理的熔融球状化越容易，但由于用于得到成为原料片的钢线的工时增大，因此金属球的直径优选在0.3mm以上。

实施例1

在实施例中，使用由图1所示的感应结合型RF等离子喷射器构成的交流热等离子装置来制造金属球。首先，作为原料片，准备将直径

为0.5mm、由0.077质量％C-8.0质量％Ni-18.2质量％Cr、剩余部分主要为Fe构成的不锈钢线以规定的间隔切成长度L为

的原料片。

接着，如图1所示，自动作气体供给部4从高频线圈3的轴线方向的一方供给混合了160L/min(nor)的N₂气体与40L/min(nor)的Ar气体作为等离子动作气体，并在被高频线圈3的内侧的冷却壁1分隔的等离子产生空间2产生等离子焰5。此时，等离子输出为100kW。

接着，将原料片与作为气体载体的40L/min(nor)的Ar气体一起以供给速度30g/min从原料片供给喷嘴7供给，并投入到等离子焰6中。此时的等离子焰6的产生空间的氮浓度为66.7体积％。投入等离子焰6中而熔融的液滴在内径为400mm、高度为3300mm的燃烧室8内的N₂和Ar的混合气体的环境中落下，因表面张力而球状化，利用回收容器10内的水将其冷却并凝固，从而得到金属球。此时，利用排气装置9一边在燃烧室8内进行排气一边进行处理。

利用惰性气体熔解热传导法对得到的金属球的氮含有量进行分析。表1示出其结果。根据表1所示的分析结果，相对于原料片，能够向得到的金属球导入0.1质量％以上的氮。

另外，图2示出得到的金属球的外观的扫描式电子显微镜照片。根据本发明的金属球的制造方法，如图2所示，确认能够得到金属球。

表1

(质量％)

	C	Ni	C r	N	Fe
						原料片	0.077	8.00	18.24	0.0793	剩余部分
金属球	0.064	7.94	18.14	0.2150	剩余部分

实施例2

在实施例2中，使用由图1所示的感应结合型RF等离子喷射器构成的交流热等离子装置来制造金属球。首先，作为原料片，准备将直径

为0.1mm、由0.026质量％C-9.98质量％Ni-18质量％Cr、剩余部分主要为Fe构成的不锈钢线以规定的间隔切成长度L为

的原料片。作为其他的原料片，准备直径

为0.1mm的不锈钢球状粉。

接着，如图1所示，自动作气体供给部4从高频线圈3的轴线方向的一方，向被高频线圈3的内侧的冷却壁1分隔的等离子焰6产生的空间供给N₂气体以及Ar气体的混合气体，并且自反应气体供给部5供给N₂气体或者Ar气体。根据条件也进行不供给来自反应气体供给部5的气体的实验。此时，等离子输出为30kW。

接着，将原料片与作为气体载体的5L/min(nor)的Ar气体一起从原料片供给喷嘴7供给并投入到等离子焰6中。投入到等离子焰6中而熔融的液滴在内径为300mm、高度为900mm的燃烧室8内的N₂和Ar的混合气体的环境中落下，因表面张力而球状化，利用回收容器10得到金属球。此时，利用排气装置9一边在燃烧室8内排气一边进行处理。表2示出各自的实验条件。利用惰性气体熔解热传导法对由上述条件得到的金属球的氮含有量进行分析。表3示出其结果。

表2

表3

(质量％)

根据表3所示的分析结果，通过在等离子产生空间使用含有2体积％以上的氮浓度的气体，相对于原料片，能够向得到的金属球导入0.1质量％以上的氮。

另外，图3示出得到的金属球的外观的扫描式电子显微镜照片。根据本发明的金属球的制造方法，如图3所示，确认能够得到金属球。

如上所述，虽然将基于本发明的含有高氮的金属球的制造方法的结构作为一例而进行了说明，但并不局限于该结构，当然能够在不脱离请求的范围内进行各种变更。

附图标记说明

1 冷却壁

2 等离子产生空间

3 高频线圈

4 动作气体供给部

5 反应气体供给部

6 等离子焰

7 原料片供给喷嘴

8 燃烧室

9 排气装置

10 回收容器

Claims

1.一种金属球的制造方法，该金属球中含有高氮，

所述金属球的制造方法的特征在于，包括：

准备规定质量的原料片的步骤；

利用等离子动作气体与由高频感应线圈产生的高频能量来形成等离子焰，并且将等离子产生空间的氮浓度设为2体积％以上的步骤；

将所述原料片向所述等离子焰中投入，并使其熔融而球状化的步骤；

使所述熔融而球状化的原料凝固的步骤，

利用所述球状化的步骤及所述凝固的步骤，向所述金属球导入氮。

2.根据权利要求1所述的金属球的制造方法，其特征在于，

所述等离子动作气体含有2体积％以上的氮。

3.根据权利要求1或2所述的金属球的制造方法，其特征在于，

向所述金属球导入0.1质量％以上的氮。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的金属球的制造方法，其特征在于，

准备所述原料片的步骤包括以规定的间隔切断钢线而形成为原料片的步骤。

5.根据权利要求4所述的金属球的制造方法，其特征在于，所述原料片的长度L与直径之比为

6.根据权利要求1至5中任一项所述的金属球的制造方法，其特征在于，

所述原料片为马氏体系不锈钢或奥氏体系不锈钢。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的金属球的制造方法，其特征在于，

所述原料片含有11～20质量％的Cr。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的金属球的制造方法，其特征在于，

所述金属球的直径在0.3～2.0mm的范围内。