JP2002019366A - 超硬合金製ペンボールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長期使用によっても書き味を損なうことな
く、耐食性に優れる超硬合金製ペンボールおよびその製
造方法を提供する。 【解決手段】 炭化タングステンもしくは、炭化タング
ステンと周期率表の４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、
窒化物、炭窒化物および相互固溶体から選ばれた１種以
上の硬質相と、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの中から少
なくとも１種の結合相、必要によって鉄族金属の少なく
とも1種と周期率表６ａ族元素の少なくとも１種と炭素
からなる複合炭化物より構成される超硬合金の硬質相の
平均粒径を0.7μｍ以下にすることにより、長期間に亘
って良好な書き味を維持し、さらにアルミニウムを０．
００５〜０．５ｗｔ％含有させることにより耐食性を向
上させることにより優れた書き味が得られるペンボール
およびその製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は筆記用具の中でもボール
ペンのペン先に使用される超硬合金に適用され、特に粘
性の低いインクを用いたボールペンにおいて、長時間使
用しても優れた書き味が維持される超硬合金製ペンボー
ルおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超硬合金製のペンボールは、主にＷＣ−
Ｃｒ₃Ｃ₂−ＣｏもしくはＷＣ−Ｃｒ₃Ｃ₂−Ｃｏ―Ｎｉが
使用されている。また特開昭５４−３９３８８号公報に
おいて超硬合金または鋼製球の表面に、周期率表の４
ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、Ａｌ、Ｚｒ等
の酸化物等の薄層を設けるボールペン用のボールが開示
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする問題点】ペンボールはインク
とのなじみ・濡れ性が重要であるが、一般的にはＣｏ量
に比例してインクとのなじみ濡れ性が良くなる。ただ
し、超硬合金の耐食性は硬質相である炭化物とはほとん
ど関係が無く、主にＣｏが腐食により優先的に除去され
るため、Ｃｏ量に反比例して腐蝕し易くなる。これは、
ボールペンインクは染料に由来する有機電解質を含むた
め、この電解質とボールを主体とする金属材料との相互
作用により、鉄族金属である結合相が腐蝕されることに
よるものである。それに伴い硬質相であるＷＣの一部が
脱落して表面粗さが粗くなるため、インク切れを招き、
筆記中の書き味が低下することが問題であった。

【０００４】この対策のひとつとしてＣｏ量を減らすこ
とにより耐食性が向上するが、インクのなじみが悪くな
るために文字等がかすれる原因となっていた。また、Ｃ
ｒ₃Ｃ₂の添加によってＷＣ−Ｃｏ系よりも耐食性が向上
するものの、近年の水溶性インクなどには適用できない
問題があった。 特開昭５４−３９３８８号公報におい
て超硬合金または鋼製球の表面に４ａ、５ａ、６ａ族金
属の炭化物、窒化物、Ａｌ、Ｚｒ等の酸化物等の薄層を
設けるボールペン用のボールが開示されている。ここで
は、機械的な耐摩耗性や化学的な耐食性は向上するもの
の、極めて精密に研摩されたペンボールにセラミックス
を被覆することで表面精度が低下し、かつコーティング
工程が増えることによる製造コストの増大、ならびにイ
ンクとのなじみが低下することにより文字等がかすれる
などの問題があった。

【０００５】最も重要な課題は、長期間の使用による超
硬表面の磨滅・粒子脱落に伴うインク切れが発生し、書
き味が低下することが問題となっていたことが挙げられ
る。

【０００６】

【問題点を解決するための手段】そこで本発明者らは、
超硬合金の耐摩耗性および強度を低下させることなく、
長時間の使用によってもインク切れを無くし、優れた筆
記性能・書き味を維持しうる超硬合金について長年に亘
って種々検討した結果、超硬合金の硬質相の平均粒径を
0.7μｍ以下にすることで解決するという知見を得て本
発明に至ったものである。

【０００７】従来のペンボールでは、硬質相が脱落した
場合、その凹部がインク粘性にくらべて大きすぎる場合
にはインク切れの原因となっていた。粘性が高いインク
では表面張力が大きいため、ボール表面でのインク厚さ
が厚く、粘性が低いインクでは逆にインク厚さが薄くな
る。そのために、低粘性インクを使用したボールペンに
おいては表面性状の影響を受けやすく、凹部が大きいと
インク溜まりとして作用できずにインク切れが発生しや
すくなるものである。そのため、耐食性を向上させるた
めにＣｏ量を減らしたり、Ｃｒを添加したり、炭素量を
制御することが行われてきた。しかし、長時間の使用に
渡る粒子の脱落を完全に防ぐことはできないため、一時
的な耐食性向上効果により寿命は伸びるものの、長期に
亘ってインク切れを無くし安定した書き味を得ることが
困難であった。

【０００８】そこで、本発明である硬質相の平均粒径が
0.7μｍとすることで、長期使用中に硬質相粒子が脱落
する場合でも粒子径が小さいために、粒子脱落により形
成される凹部の深さは浅く、その凹部がインク溜まりと
して作用するため、インク切れを起こさず、良好な書き
味が維持されるものである。

【０００９】さらにＡｌ微量添加の相乗効果により、適
正なインク溜まりを形成させ かつ、腐蝕が発生しても
その表面性状が適正になるように制御されるため、長時
間にわたって安定した書き味が得られる。

【００１０】超硬合金は低炭素合金にすることでＣｏ中
へのＷの固溶量が増大し耐食性がやや向上するが、中炭
素から高炭素領域の超硬合金合金では極めて腐食しやす
いことが知られている。それに対してＡｌ量が０．００
５〜０．５ｗｔ％添加した場合には、そのほとんどがＣ
ｏやＣｏ−Ｎｉなどのバインダー中もしくは、バインダ
ーと硬質相との粒界に分散して存在し、バインダー中の
炭素量に係らず腐食の進行を遅らせる効果が明らかとな
ったものである。その理由としては研削工程で形成され
る腐食の起点となりやすいε相の形成をごく表層で抑制
していること、また、極めて微細な金属間化合物、例え
ばＣｏ₂Ａｌ₉、Ｃｏ₂Ａｌ₅、ＣｒＡｌ₇、ＮｉＡｌ₃など
を形成し、衝撃が大きい場合には、ＷＣ粒子もしくはそ
の微細な金属間化合物が脱落し、その微細な凹部がイン
ク溜めとして機能するため、長期間の使用においても良
好な書き味が得られることが考えられるが、詳細なメカ
ニズムは明らかでない。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明は、超硬合金製造時の配合
粉を極めて微粒な原料を用いて焼結することにより、平
均粒径0.7μｍ以下を実現するものであり、具体的に
は、硬質相を形成する原料粉粒子径が0.2〜0.6μｍのＷ
Ｃ、Ｃｒ₂Ｃ₃、ＴａＣＮ、（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ、ＴｉＮな
どの硬質原料粉と、結合相を形成する所定の金属粉、Ｃ
ｏ、Ｃｏ−Ｎｉ等を配合して、必要に応じて樹脂等を添
加して顆粒化し、プレス成形した後、窒素、アルゴンな
どの一定の雰囲気下で焼結して本発明品が得られる。結
合相は、焼結体強度の高いＣｏを主成分とすることが好
ましい。結合相にＣｒ、Ｍｏ、Ｗを添加することにより
耐食性が向上するものであるが、添加方法としては、各
金属の炭化物として配合し、焼結工程中にＣｏ中へ金属
として固溶させる方法が、硬質相の粒成長を抑制する相
乗効果も得られることから好ましい。

【００１２】Ａｌを添加するには、超硬合金原料粉への
添加、焼結時の雰囲気制御、焼結後の拡散処理、および
アルミナイジング処理等を行い、超硬合金中に微量のＡ
ｌを添加・拡散させるものである。Ａｌを金属添加する
場合はあらかじめ原料粉に均一に分散しておくことが望
ましく、焼結雰囲気のみを制御することによっても可能
である。Ａｌ量は０．００５ｗｔ％未満ではインクの腐
食の進行に関して効果が十分得られず、０．５ｗｔ％よ
り多い場合は存在自体が欠陥となり超硬合金の強度低下
を招くため、Ａｌ量を０．００５〜０．５ｗｔ％と限定
した。

【００１３】焼結雰囲気の制御は超硬合金の焼結を添加
しようとする成分を含む粉体中で行う手段が容易であ
り、再現性が高く、かつ均一に添加されるなどの特徴が
あり、他の手法と比較して望ましい方法である。粉体中
には、場合によっては超硬合金の炭素量を制御する成分
も必要であり、炭素を含むカーボン、黒鉛などを所望の
炭素量に応じて配合することで制御するものである。焼
結雰囲気を制御する粉体は、雰囲気制御用粉体中に均一
に分散させることは当然であるが、焼結回数、焼結温
度、焼結時間、焼結体成分、および焼結炉内雰囲気など
によって調整することが重要である。焼結後には、雰囲
気制御用の粉体と超硬合金焼結体を比重分離や篩い分け
などによって粉体を除去した後、所望の焼結体を得るも
のである。

【００１４】このようにして得られた焼結体をペンボー
ルとして使用するためには研摩加工が必要であるが、こ
のようにして得られた焼結体中の添加物は表面から内部
までほぼ均一に分散しており、研摩加工および摩耗およ
び長期間の使用に伴う耐食性の低下をきたすことはない
ため実用上好ましい。

【００１５】Ａｌを金属状態で添加する場合は、上記方
法での添加は制御が困難であるため配合時にあらかじめ
Ｃｏに分散させておくほか、焼結後にアルミニウム元素
を含む雰囲気での熱処理や、アルミニウムを所望量被覆
した後に熱処理を行うことによっても得られる。

【００１６】

【実施例１】ＷＣ―1.5Ｃｒ₂Ｃ₃―0.6ＶＣ―１１％Ｃｏ
組成の超硬合金を、焼結後の硬質相平均粒径を0.32、0.
51、0.62μｍにしたものを発明品１、２、３とし、0.8
4、2.8、4.8μｍにしたものを比較品１、２、３とし
た。以上の試料をＲａが0.002μｍになるまで加工した
後、ボールペンのペン先にセットし、連続筆記試験によ
りインク切れについて評価した。 （試験条件） 荷重：0.22Ｋｇ 筆記速度：0.08ｍ／ｓｅｃ 筆記距離：２５０ｍ 筆記角度：６５度

【００１７】

【表１】

【００１８】

【実施例２】ＷＣ−１０％Ｃｏ超硬合金にアルミニウム
を０．００７、０．０５、０．２、０．４ｗｔ％添加し
た組成の合金を発明品１〜４とし、０．００２、１．
５、２．７ｗｔ％添加した組成の合金及び無添加の合金
を比較品１〜３として、得られた合金の耐食性と強度を
表１に比較した。配合に当たっては、酸化アルミニウム
の添加量とＷＣ量の合計が同一になるように調整した。
耐食性は0.3%硝酸水溶液に侵漬した後の重量損失量
（％）を比較した。強度は抗折力試験により評価した。

【００１９】

【表２】

【００２０】

【発明の効果】表1の結果からも分かるように、本発明
品はいずれも、長期間にわたって優れた書き味が得られ
た。また、表２の結果から耐食性を向上させることによ
り重量損失量を低減することが明らかとなった。そのた
め書き味の低下を防止し、ボールペンの寿命を伸ばすこ
とが可能となった。それに対し、比較品は重量損失量の
増加もしくは抗折力が低下した。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 29/08 Ｃ２２Ｃ 29/08 Ｆターム(参考） 2C350 GA03 HA09 NC10 4K018 AB03 AC01 AD03 AD06 BA04 BA09 BA11 BA20 BB04 DA13 DA31 DA39 KA26 KA70

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭化タングステンもしくは、炭化タングス
   テンと周期率表の４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒
   化物、炭窒化物および相互固溶体から選ばれた１種以上
   の硬質相と、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの中から少な
   くとも１種の結合相より構成され、該硬質相の平均粒径
   が0.7μｍ以下であることを特徴とする超硬合金製ペン
   ボール
2. 【請求項２】鉄族金属の少なくとも1種と周期率表６ａ
   族元素の少なくとも１種と炭素からなる複合炭化物を含
   有することを特徴とする請求項１記載の超硬合金製ペン
   ボール
3. 【請求項３】アルミニウムを元素換算で０．００５〜
   ０．５ｗｔ％含有することを特徴とする請求項１または
   ２記載の超硬合金製ペンボール
4. 【請求項４】炭化タングステンもしくは、炭化タングス
   テンと周期率表の４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒
   化物、炭窒化物および相互固溶体から選ばれた１種以上
   の硬質相と、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの中から少な
   くとも１種の結合相より構成され、該硬質相の平均粒径
   が0.7μｍ以下である超硬合金製ペンボールを、アルミ
   ニウム、炭化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ア
   ルミニウム及びこれら相互固溶体の少なくとも1種と炭
   素からなり、超硬合金よりも高融点もしくは、分解温度
   が高い粉体中で焼結する超硬合金製ペンボールの製造方
   法
5. 【請求項５】上記超硬合金が、鉄族金属の少なくとも1
   種と周期率表６ａ族元素の少なくとも１種と炭素からな
   る複合炭化物を含有することを特徴とする請求項４記載
   の超硬合金製ペンボールの製造方法
6. 【請求項６】上記超硬合金が、アルミニウムを元素換算
   で０．００５〜０．５ｗｔ％含有することを特徴とする
   請求項４または５記載の超硬合金製ペンボールの製造方
   法