DE1461656A1 - Wear-resistant ball as a writing ball for a ballpoint pen - Google Patents
Wear-resistant ball as a writing ball for a ballpoint penInfo
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Description
1 A 616561 A 61656
Sumitomo Electric Industries, Ltd. L 7321Sumitomo Electric Industries, Ltd. L 7321
Osaka City.(Japan) Gg/toOsaka City. (Japan) Gg / to
Verschleißfeste Kugel als Schreibkugel für einen Kugelschreiber.Wear-resistant ball as a writing ball for a ballpoint pen.
Für die Herstellung einer Schreibkugel von Kugelschreibern ist nach der deutschen Patentschrift 974 966 die Verwendung einer Chromlegierung aus 0, 1 bis 10 % eines oder mehrerer Elemente der Eisengruppe, vorzugsweise Kobalt» sowie Bor, gegebenenfalls zusammen mit Aluminium, Beryllium, Silizium, Germanium, Gallium. Zink oder Indium, einzeln oder zu mehreren, Rest Chrom vorgeschlagen worden, wobei als vorzugsweise Zusammensetzung dieser Legierung 90 bis 92 % Chrom, 5 bis 8 % Kobalt und 1 bis 5 Ko Bor angegeben ist. Für den angegebenen Verwendungszweck werden für solche Chromlegierungen eine gute Korrosionsfestigkeit, eine hervorragende Härte und Abriebfestigkeit neben ausreichenden Eigenschaften hinsichtlich der Verärbeitbarkeit geltend gemacht, in welchem Zusammenhang als Verarbeitungsschritte ein Verschweißen, ein Be schleifen und ein Zartpolieren angeführt sind.According to German patent specification 974 966, a chromium alloy composed of 0.1 to 10% of one or more elements of the iron group, preferably cobalt and boron, optionally together with aluminum, beryllium, silicon, germanium, gallium is used to manufacture a ballpoint pen . Zinc or indium, individually or in groups, the remainder being chromium, the preferred composition of this alloy being 90 to 92% chromium, 5 to 8 % cobalt and 1 to 5 carbon boron. For the stated purpose, good corrosion resistance, excellent hardness and abrasion resistance are asserted for such chromium alloys in addition to sufficient properties in terms of workability, in which context welding, grinding and delicate polishing are cited as processing steps.
Gemäß der deutschen Patentschrift 888 518 ist andererseits für die Schreibkugel von Kugelschreibern vorgeschlagen worden, mindestens deren äußere Schicht au» Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen zu lassen, deren Außenhaut oxydiert oder elektrisch oxydiert ist und vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 3 und 5 Mikron besitzt. Die Herstellung solcher Schreibkugeln, für welche eine er- 9 Π QR R 1 f According to German patent specification 888 518, on the other hand, it has been proposed for ballpoint pens to have at least their outer layer made of aluminum or an aluminum alloy, the outer skin of which is oxidized or electrically oxidized and preferably has a thickness between about 3 and 5 microns. The manufacture of such writing balls, for which a 9 Π QR R 1 f
höhte Widerstandsfähigkeit gegen mechanischen und chemischen Verschleiß wegen einer mit der Härte von Korund vergleichbaren Härte der Oberfläche ohne Beeinträchtigung der Glätte der bearbeiteten Oberfläche bzw. wegen einer mit der Oberfläche von Korund vergleichbaren chemischen Oberfläche mit einer Unempfindlichkeit gegenüber Säuren und andere Bestandteile zur Verwendung kommender ölartiger oder wässriger Schreibflüssigkeiten ist jedoch äußerst kostspielig insbesondere hinsichtlich der Aufbringung einer Eloxalschicht auf eine Kugel aus Aluminium als Grundwerkstoff, denn es sind dazu erkennbar eine sehr große Anzahl von einzelnen Arbeitsgängen erforderlich, die in ihren einzelnen Folgeschritten genauestens zu beherrschen sind, um das erwünschte Ergebnis zu erhalten.increased resistance to mechanical and chemical wear due to a hardness comparable to that of corundum Hardness of the surface without impairing the smoothness of the machined surface or because of the corundum surface comparable chemical surface with an insensitivity to acids and other components coming into use However, oily or aqueous writing fluids are extremely expensive, especially with regard to the application of an anodized layer on a ball made of aluminum as the base material, because a very large number of individual work steps are clearly required, which are meticulously detailed in their individual subsequent steps must be mastered in order to obtain the desired result.
Der Erfindung liegt die insoweit im Einklang mit den vorvermerkten, bekannten Vorschlägen stehende Aufgabe zugrunde, für die Schreibkugel von Kugelschreibern einen Werkstoff in Vorschlag zu bringen, welcher neben einer hohen Härte und Korrosionsbeständigkeit insbesondere die Eigenschaft hoher Verschleiß- bzw. Abriebfestigkeit besitzt, da nur dann anerkanntermaßen für solche Schreibkugeln von Kugelschreibern gewährleistet werden kann, daß sie selbst bei sehr schwachem Aufliegen, d.h. bei einem geringen Schreibdruck, einen sauberen, d.h. fleckenfreien, und gleichmäßigen Linienzug gewährleisten. Für die Lösung dieser Aufgabe wird insbesondere auch eine kostensparende, herstellungstechnisch einfache und leicht zu beherrschende Verfahrensweise gegenüber dem vorstehend zuletzt erwähnten bekannten Vorschlag angestrebt, während andererseits gegenüber dem vorstehend zuerst erwähnten bekannten Vorschlag eine erhöhte Korrosionsfestigkeit und eine erhöhte Verschleiß- bzw. Abriebfeatigkeit angestrebt wird.The invention is in this respect in accordance with the noted, known proposals underlying task to bring a material for the writing ball of ballpoint pens in a proposal, which in addition to high hardness and corrosion resistance, in particular, the property of high wear and abrasion resistance possesses, since only then can it be recognized for such writing balls of ballpoint pens that they even with very weak contact, i.e. with a low writing pressure, a clean, i.e. spot-free, and even line guarantee. For the solution of this task, a cost-saving, technically simple and easy to manufacture is in particular striving for dominant procedure compared to the above-mentioned last-mentioned known proposal, while on the other hand compared to the above-mentioned first-mentioned known proposal an increased corrosion resistance and an increased wear and tear or Abrasion resistance is sought.
9Q9851/nnt79Q9851 / nnt7
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Zur Lösung dieser Aufgabe bedient sich die Erfindung nach ihrem Hauptmerkmal an sich bekannter WC-Co-Legierungen, die bislang wegen ihrer anerkannten, sehr großen Härte ausschließlich für Werkzeuge, insbesondere Schneidwerkzeuge, zur Verwendung kamen, welche im Regelfall köinen besonderen Korrosionsansprüchen unterliegen. Die Untersuchung solcher Legierungen im Rahmen einer Verwendung als Werkstoff für die Schrei&kugel von Kugelschreibern hat nun zu der Erkenntnis geführt, daß es infolge korrosiver Einflüsse in solchen Legierungen allmählich zu einem Abbau der Co-Phase kommt mit der Folge eines anschließenden Abbaus der anfänglichTo solve this problem, the main feature of the invention makes use of WC-Co alloys known per se, which hitherto because of their recognized, very high hardness, were used exclusively for tools, especially cutting tools, which as a rule are subject to special corrosion requirements. The investigation of such alloys in the context of a use as a material for the scream & ball of ballpoint pens has has now led to the finding that, as a result of corrosive influences in such alloys, the Co phase gradually degrades comes with the consequence of a subsequent breakdown of the initially
an die Co-Phase gebundenen WC-Phase, Ursache für diesen Abbau können auch galvanische Wirkungen zwischen dem edleren WC und dem weniger edlen Co sein. Wenn man nun einer solchen WC-Co-Legierung, wie dies nach dem Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, einen Kohlenstoffgehalt zwischen 5,00 und 6, 12 % gibt und gleichzeitig dafür vorsorgt, daß im Kobalt überschüssiges Wolfram aufgelöst ist, wobei in dem Wolframkarbid eine y-Phase enthalten sein sollte, dann erhält man mit einer solchen Legierung als Werkstoff eine Schreibkugel für einen Kugelschreiber, . welche sich durch eine überraschend hohe Korrosionsbeständigkeit und insbesondere durch eine vielfach gesteigerte Verschleiß- bzw. Abriebfestigkeit auszeichnet. Durchgeführte Versuche mit aus derartigen Legierungen hergestellten Schreibkugeln haben bei einem Schreibdruck von 200 g ununterbrochene Schriftzuglängen von mehr als 2000 m ergeben , dabei war die Schreibkugel in eine Kugelfassung aus Messing eingesetzt und es wurde als zugestandener Grenzwert für das Einsinkmaß der Kugel ein Wert von 0, 1 mm festgelegt, denn bei Überschreitung dieses Wertes wurde festgestellt, daß dann ein sauberer und gleichmäßiger Linienzug wegen Unregelmäßigkeiten :n der Tintenzufuhr nicht mehr erreichbar ist. VergleichversucheWC phase bound to the Co phase, the cause of this degradation can also be galvanic effects between the more noble WC and the less noble Co. If one now gives such a WC-Co alloy, as proposed according to the main feature of the present invention, a carbon content between 5.00 and 6.12% and at the same time ensures that excess tungsten is dissolved in the cobalt, in which Tungsten carbide should contain a y-phase, then you get a writing ball for a ballpoint pen with such an alloy as a material. which is characterized by a surprisingly high corrosion resistance and, in particular, by a much higher resistance to wear or abrasion. Tests carried out with writing balls made from such alloys have shown uninterrupted lettering lengths of more than 2000 m at a writing pressure of 200 g, the writing ball was inserted into a brass ball socket and a value of 0 was used as the accepted limit value for the extent to which the ball was sinking. set 1 mm, because when exceeding this value has been determined that then a clean and even trace because of irregularities: n de r ink supply is no longer accessible. Comparative tests
90 98 5 170(11 790 98 5 170 (11 7
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mit Schreibkugeln aus üblichen Hartlegierungen von WC-Co-Typ, bei welchen im Regelfall der anteilsmäflige Kohlenstoffgehalt oberhalb des theoretischen Wertes von 6, 12 % liegt, so daß dann in der Legierung freier Kohlenstoff vorliegt, ergaben hingegen ununterbrochene Schriftzuglängen von nur etwa 500 bis 1000 m. Die Erfindung hat also die Erkenntnis gebracht, daß bei Unterschreitung des anteilsmäßigen Kohlenstoffgehaltes unter den theoretischen Wert solche WC-Co-Legierungen überraschend gute Ergebnisse bei ihrer Verwendung als Werkstoff für eine Schreibkugel von Kugelschreibern bringen, in welchem Zusammenhang festzuhalten ist, daß bei geringer werdenden Kohlenstoffanteil der Anteil an überschüssigem Wolfram größer wird und schließlich zum Erscheinen der y-Phase führt, bei deren Vorhandensein dann die besten Ergebnisse hinsichtlich der ein Maß für die Güte einer sol chen Schreibkugel bildenden ununterbrochenen Schriftzuglänge erzielbar sind. Wenngleich das erstmalige Auftreten einer sol chen y-Phase, bezogen auf den Kohlenstoffgehalt, nicht eindeutig definiert werden kann, weil eine Abhängigkeit von dem Kobaltgehalt gegeben ist, läßt sich hier doch eine empirische Formel aufstellen und zwar in bezug auf den Anteil an überschüssigem Wolfram in der Co-Phase, welcher bis zu 10 % in der Form einer quantitativ festen Lösung betragen kann. Bedeutet /χ die anteilsmäßige Kohlenstoffverminderung, welche erforderlich ist, um das Erscheinen der y-Phase zu verursachen, wobei dieser Wert o< rnit 0,006 Co angesetzt werden kann, dann besitzt folgende empirische Formel Gültigkeitwith writing balls made of common hard alloys of the WC-Co type, in which, as a rule, the proportionate carbon content is above of the theoretical value of 6.12%, so that free carbon is then present in the alloy, however, resulted in uninterrupted Lettering lengths of only about 500 to 1000 m. The invention has thus brought the knowledge that if the proportional Carbon content below the theoretical value of such WC-Co alloys, surprisingly good results when they are used bring as material for a writing ball of ballpoint pens, in what context it should be noted that with less As the proportion of carbon increases, the proportion of excess tungsten increases and ultimately leads to the appearance of the y-phase their presence then gives the best results in terms of the uninterrupted forming a measure of the quality of such a writing ball Lettering length are achievable. Although the first appearance of such a y-phase, based on the carbon content, is not can be clearly defined, because there is a dependency on the cobalt content, an empirical formula can be used here in relation to the proportion of excess tungsten in the Co phase, which is up to 10% in the form of a quantitative solid solution can be. Means / χ the proportional carbon reduction, which is required to cause the appearance of the y phase, this value being o < With 0.006 Co, the following empirical formula is valid
C/WC [ %] ^ 6,12 -O<C / WC [%] ^ 6.12 -O <
Sobald C/WC £ %J den Wert 4 erreicht hat, tritt WC zum ersten Mal in Erscheinung und verursacht einen Abfall in der mechanischenAs soon as C / WC £% J has reached the value 4, WC moves to the first Times in appearance and causes a drop in mechanical
Dipl.-lng. Heim Lasser. Patentanwalt D - 8 München 81. Cosimattrafje 81 Telefon: (0811) 48 38 20Dipl.-Ing. Home Lasser. Patent attorney D - 8 Munich 81. Cosimattrafje 81 Telephone: (0811) 48 38 20
Festigkeit der Legierung, wodurch diese der Gefahr eines Zerbröckeine ausgesetzt wird. Im Rahmen der Erfindung ist daher für den Kohlenstoffgehalt der untere Grenzwert von 5,00 % angegeben.Strength of the alloy, reducing the risk of crumbling is exposed. In the context of the invention, the lower limit value of 5.00% is therefore specified for the carbon content.
Ununterbrochene Schriftzuglängen in der Größenordnung von mehr als 2000 m hat man auch dann erhalten, wenn man der vorerwähnten, das Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung bildenden WC-Co-Legierung die Verbindungen TaC, TiC, NbC, HfC und ZrC einzeln oder zu mehreren zusetzte. Dabei erzielte man besonders günstige Ergebnisse, wenn man darauf achtete, daß die y-Phase mindestens teilweise an der Oberfläche der Kugel vorhanden war, was sich durch folgendes, ein Teilmerkmal der vorliegenden Erfindung bildendes Verfahren auf einfachste Art und Weise erzielen läßt. Man bettet die aus einer WC-Co-Legierung hergestellten Kugeln in pulverförmige Tonerde ein und setzt sie dann über einen Zeitraum zwischen 10 MinutenUninterrupted lettering lengths on the order of more than 2000 m has also been obtained by using the aforementioned WC-Co alloy, which is the main feature of the present invention the compounds TaC, TiC, NbC, HfC and ZrC added individually or in groups. Particularly favorable results were achieved here, if one ensured that the y-phase was at least partially present on the surface of the sphere, which is evident from The following forms a part of the feature of the present invention Process can be achieved in the simplest possible way. The balls made of a WC-Co alloy are embedded in powder form Clay and then sets it over a period of between 10 minutes
und 5 Stunden bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1300 C einer Wasserstoffatmosphäre aus. Auf dies« Art und Weise erzeugt man an der Oberfläche der Kugeln die y-Phase, welche bei Betrachtung in einem Mikroskop mit 200-facher Vergrößerung als schwarze Zone in Erscheinung tritt, welche sich gegen den im Mikroskop weiß erscheinenden Kern klar abhebt. Eine solche, sich an der Oberfläche absetzende y-Phase ist ihrer Natur nach ein Doppelkarbid aus Co1W und C und kann die Zusammensetzung W,Co C, W .Co C od. dgl. aufweisen, d.h. diese y-Phase ist eine W Co C - Verbindung. Nach diesem Verfahren hergestellte Schreibkugeln ergaben eine ununterbrochene Schriftzuglänge von 1000 /Die zum Erreichen eines Ein β ink maße8 in der Größenordnung von 0,03 mm, während Vergleichsver^ suche mit aus üblichen Hartlegierungen hergestellten Schreibkugeln, wie oben bereits erwähnt, bei Erreichen eines Einsinkmaßes in der Größenordnung von 0, 10 mm eine ununterbrochene Schriftzug-and 5 hours at a temperature between 1000 and 1300 C in a hydrogen atmosphere. In this way, the y-phase is produced on the surface of the spheres, which appears as a black zone when viewed in a microscope with 200-fold magnification, which clearly stands out against the core which appears white in the microscope. Such a y-phase which settles on the surface is by its nature a double carbide of Co 1 W and C and can have the composition W, Co C, W .Co C or the like, ie this y-phase is a W Co C compound. Writing balls produced according to this process resulted in an uninterrupted writing length of 1000 / Die to achieve a Einβ ink measure8 in the order of 0.03 mm, while comparative tests with writing balls made of conventional hard alloys, as already mentioned above, when a sinking dimension in of the order of 0.1 mm an uninterrupted lettering
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länge von nur etwa 500 m ergaben. Im Rahmen weiterer Vergleichsversuche wurde hinsichtlich des Tintenverbrauches festgestellt, daß die aus üblichen Hartlegierungen hergestellten Schreibkugeln einen Anstieg des Tintenverbrauches zu einem Maximalwert bis zu einer ununterbrochenen Schriftzuglänge von 200 m brachten, der Tintenverbrauch ist dann bis zum Ende der Schriftzuglänge abgefallen. Andererseits ergaben die nach diesem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schreibkugeln einen nahezu konstanten Tintenverbrauch vom Beginn bis zum Ende des Schriftzuges.length of only about 500 m. In the course of further comparative tests, it was found with regard to the ink consumption that that the writing balls made of conventional hard alloys an increase in ink consumption to a maximum value of up to an uninterrupted lettering length of 200 m, the ink consumption has then dropped to the end of the lettering length. On the other hand, the writing balls produced by this method according to the invention resulted in an almost constant consumption of ink from the beginning to the end of the lettering.
Im Rahmen dar oben vermerkten Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird zur Lösung dieser auch die Verwendung eines Cermets für die Schreibkugel von Kugelschreibern vorgeschlagen. Bei einem Cermet handelt es sich bekanntermaßen um ein Sinterprodukt aus Karbiden, Boriden und Oxyden eines Metalls und dem Metall selbst. Das Karbid kann beispielsweise TiC, CrC BC, WC, das Borid kann beispielsweise CrB, ZrB, und das Oxyd kann beispielsweise Al-O , BeO, ZrO., ThO. sein. Die Verwendung solcher Cermete als Werkstoff für die Schreibkugel von Kugelschreibern ist bislang nicht bekanntgeworden, wegen ihrer hitzebeständiger Eigenschaften wurden sie hauptsächlich für Turbotriebwerke verwendet. Soll nun ein solches Cermet für die Herstellung einer Schreibkugel von Kugelschreibern Verwendung finden, dann sollte dieses mindestens eine der mitteln Ni oder mittels einer NiCu-Legierung oder mittels der Elemente Co, Ni und Cr oder nur mittels der Elemente Ni und Cr gebundenen Verbindungen Cr C1 TaC, NbC. WC und TiC enthalten. Beispiele solcher Cermete eind die Verbindungen Cr C -Ni mit einem Nickelgehalt zwischen 6 und 12 %, Cr C -WC-Ni mit einem Wolframkarbidanteil von 2 % und einem Nickelgehalt von 15 %, TiC-Cr-Co-Ni mit einem Chrom-Kobaltbzw. Nickelgehalt von 4 % bzw. 4 % bzw. 12 %, TaC-Cr-Co-Ni mit 9 0 9 8 5 1 / fl Π 1 7 In the context of the object of the present invention noted above, the use of a cermet for the writing ball of ballpoint pens is also proposed to achieve this. As is known, a cermet is a sintered product of carbides, borides and oxides of a metal and the metal itself. The carbide can, for example, TiC, CrC BC, WC, the boride can, for example, CrB, ZrB, and the oxide can, for example, Al-O , BeO, ZrO., ThO. be. The use of such cermets as a material for the writing ball of ballpoint pens has not yet become known; because of their heat-resistant properties, they were mainly used for turbo engines. If such a cermet is to be used for the production of a ballpoint pen, then it should have at least one of the compounds Cr C bound by means of Ni or by means of a NiCu alloy or by means of the elements Co, Ni and Cr or only by means of the elements Ni and Cr 1 TaC, NbC. WC and TiC included. Examples of such cermets and the compounds Cr C -Ni with a nickel content between 6 and 12%, Cr C -WC-Ni with a tungsten carbide content of 2% and a nickel content of 15 %, TiC-Cr-Co-Ni with a chromium-cobalt or . Nickel content of 4 % or 4 % or 12 %, TaC-Cr-Co-Ni with 9 0 9 8 5 1 / fl Π 1 7
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Oipl.-lng. Heinz tenei. Patentanwalt D - 8 München 81. Gosimastrafc· 81 Telefon: (0611) 48 38 20Oipl.-lng. Heinz tenei. Patent attorney D - 8 Munich 81. Gosimastrafc 81 Telephone: (0611) 48 38 20
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einem Chrom-, Kobalt- bzw. Nickelgehalt von 2 % bzw. 2 % bzw. 6 %, NbC-Cr-Co-Ni mit einem Chrom-, Kobalt- bzw. Nickelgehalt von 2 % bzw. 2 % bzw. 6 % und WC-Cr-Ni mit einem Chromgehalt von 1,5 % und'einem Nickelgehalt von 8 %. Vergleichsversuche mit aus einer WC-Co-Legierung mit einem anteilmäßigen Kohlenstoffgehalt von 6, 0 % hergestellten Schreibkugeln ergaben weiterhin verlängerte, ununterbrochene Schriftzuglängen und eine weiterhin verbesserte Verschleiß- bzw. Abriebfestigkeit, hinsichtlich des Tintenverbrauchs war festzustellen, daß dieser über die Schriftzuglänge noch konstanter erfolgte.a chromium, cobalt or nickel content of 2 % or 2% or 6%, NbC-Cr-Co-Ni with a chromium, cobalt or nickel content of 2% or 2% or 6% and WC-Cr-Ni with a chromium content of 1.5% and a nickel content of 8%. Comparative tests with writing balls made of a WC-Co alloy with a proportionate carbon content of 6.0% also resulted in extended, uninterrupted lettering lengths and further improved wear and abrasion resistance; with regard to the ink consumption, it was found that this was even more constant over the lettering length .
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| Publication number | Publication date |
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