JP5688715B2 - 金属球成形用治具、これを用いた金属球の成形方法およびこの成形方法で得られる金属球 - Google Patents

Description

本発明は、金属球を成形するために使用される成形用治具、これを用いた金属球の成形方法およびこの成形方法で得られる金属球に関する。

従来より、金属球は各種分野で使用され、例えば、ベアリング球、装飾品、ボールミリング用粉砕球、ポンプやバルブの逆止弁、ポーラス体作製のための原料球等の各種用途で用いられている。

このような金属球の製造方法としては種々のものが知られ、その一つとして、溶解した金属を液滴状にして、空中を落下する間に最も安定な形状である球状に凝固させるアトマイズ法がある。

このアトマイズ法は、金属を凝固させるプロセスで、不活性ガスを用いるガスアトマイズ法と、水を用いる水アトマイズ法の二つに大別されるが、いずれの方法も得られる金属球は変形しており、目的とする金属球を得ることは難しい。

また、アトマイズ法により得られる金属球のサイズには大きなばらつきが存在し、目的とするサイズの金属球を得るためには篩による分級が必要となる。そのため目的とするサイズ以外の金属球はすべて再溶解や、使用不能となる場合がある。

さらに、微細な金属球を得る方法として、プラズマ回転電極法（ＰＲＥＰ：Plasma Rotating Electrode Process）も知られている。この方法は、電極を回転させ、その電極をプラズマによって溶解し、遠心力によって吹き飛ばされた液滴をガスジェットでさらに微細化することで金属球を得るものである。

しかし、このような方法では自由落下を利用することから、金属球を作製するために、かなり大掛かりなシステムを必要とする。また、得られる金属球のサイズは、ノズル先端より溶解した原料を噴射させることから数１００μｍ程度が最大の粒子サイズとなり、それ以上の大きなサイズのものを得ることは困難である。

また、大きなサイズの金属球を作製する手法としては鍛造法が知られている。この手法では金属塊を数段に分けて鍛造を行い徐々に球形に近づけ、最終的に研磨を行うことで目的の金属球を得る。このような手法ではプロセスが多岐にわたりコスト高となる。また大型のプレス機を用いることから製造設備も大がかりなものとなる。

そこで、簡便な装置で比較的大きなサイズの金属球を成形する方法として、治具を用いて、この治具と固体金属を溶融させた液体金属との表面張力を利用する方法が提案されている（特許文献１〜３参照）。

これらの方法は、従来のアトマイズ法や、プラズマ回転電極法、鍛造法等に比べて、大掛かりな装置を必要とすることなく、比較的大きなサイズの金属球を成形することができる。

しかしながら、治具がカーボン材料で形成されているために、固体金属を溶融させる過程等で治具との炭化反応、還元反応等の望ましくない反応を惹起する恐れがあり、金属の種類によっては、目的とする高純度の金属球が得られない場合もある。

また、カーボン材料に対してぬれ角の大きな金属には制限があるため、この治具により作製できる金属球は限定される。

このため、上記の方法で作製される金属球は、比較的他の物質との反応を起こしにくい貴金属を多く含むものが中心であり、その他の鉄、コバルト、ニッケル、銅等の純金属の球状化には適用し難いものであった。

また、カーボン以外の通常のセラミックスや金属から形成された治具を用いた場合も、これと同様の問題が当然に生じる。

さらに、これらの方法では、治具に凹部を設けたり、その凹部を深さよりも直径の大きい円形状とする必要があり、治具形成に時間や手間がかかるといった問題点もあった。

特開平６−２６４１１３号公報 特開平２００５−１３９５２６号公報 特公平７−９１５６１号公報

本発明は、上記従来技術の実情に鑑みなされたものであって、特殊加工することなく、平板状の形状でありながら、貴金属はもちろんのこと、それ以外の金属も効率よくサイズの極めて大きな金属球とすることができる金属球成形用治具と、金属成形用治具の上に置く固体金属片の重量をそろえることで、得られる金属粒子の大きさを均一とすることができ、また、融解する金属の密度から重量を調整することにより、得られる金属球の大きさを調整することができる金属球の成形方法及び、この方法により成形される金属球を提供することを課題とする。

本発明者等は、上記課題を解決するために、治具と、固体金属を溶融させた液体金属とのぬれ角（ぬれ角とは、治具上で溶融金属液滴をおいた場合、図１に示すように治具と溶融金属液滴との接触角θのことである）について鋭意検討を重ねた結果、溶融させた液体金属に対して特定のぬれ角を有する材料から形成される治具に固体金属を溶融させることにより、その溶融した液体金属は表面張力の影響で効率よく球形となり、目的とする金属球が得られることを知見した。

すなわち、本発明は、以下のことを特徴としている。

第１に、戴置された固体金属を溶融して液体金属とし、その表面張力により直径が２ｍｍ以上の金属球を成形する方法において使用される、固体金属の戴置部を備えた金属球成形用治具であって、該治具は、液体金属とのぬれ角が９０°以上である窒化チタン系セラミックスから形成されている。

第２に、上記第１の発明の金属球成形用治具において、窒化チタン系セラミックスが更に金属を含む。

第３に、上記第２の発明の金属球成形用治具において、金属が鉄、ニッケル、コバルト、銅である。

第４に、上記第２または第３の発明の金属球成形用治具において、窒化チタンと金属の含有量が、窒化チタンが９０質量％以上であり残部が金属である。

第５に、上記第１から第４の発明の金属球成形用治具において、相対密度が８０％以上である。

第６に、上記第１から第５の発明の金属球成形用治具において、金属球成形用治具の表面の少なくとも一部に固体金属を戴置するための凹部が形成されている。

第７に、上記第１から第６の発明の金属球成形用治具の表面に戴置された固体金属を溶融させて液体金属とし、その表面張力により金属球を形成させた後、冷却する金属球の成形方法である。

第８に、上記第７の発明の金属球の成形方法において、固体金属を溶融する雰囲気が１００Ｐａ以下の真空である。

第９に、上記第７または第８の発明の金属球の成形方法において、不活性ガスおよび／または活性ガスを導入して金属球の表面を急速に冷却する。

第１０に、上記第７から第９の発明の金属球の成形方法で得られる、直径が２ｍｍ以上の金属球である。

第１１に、上記第１０の発明の金属球において、金属球の平均直径のばらつきが、目的とする金属球の直径の１０％以内である。

本発明に係る、戴置された固体金属を溶融して液体金属とし、その表面張力により金属球を成形する方法において使用される、固体金属の戴置部を備えた金属成形用治具は、特殊加工することなく、平板状の形状でありながら、貴金属はもちろんのこと、それ以外の金属も効率よくサイズの極めて大きな金属球とすることができる。

また、この金属成形用治具を使用する金属球の成形方法によれば、金属成形用治具の上に置く固体金属片の重量をそろえることで、得られる金属粒子の大きさを均一とすることができ、また、融解する金属の密度と重量より、得られる金属球の大きさを調整することができる。

さらに、治具上に金属片を置いた後、融解・冷却という簡単なプロセスであるため、アトマイズ法やプラズマ回転電極法に比して、装置を簡便で小型化することが可能である。

治具と溶融金属液滴との接触角θを示す概略説明図である。 窒化チタン（ＴｉＮ）金属球成形用治具上で融解させたニッケル（Ｎｉ）の状態を示す写真である。 窒化チタン（ＴｉＮ）金属球成形用治具上で融解させた錫（Ｓｎ）の状態を示す写真である。 窒化チタン（ＴｉＮ）金属球成形用治具上で融解させた鉄（Ｆｅ）の状態を示す写真である。 窒化チタン（ＴｉＮ）金属球成形用治具上で融解させたコバルト（Ｃｏ）の状態を示す写真である。 窒化チタン（ＴｉＮ）基複合材料の金属球成形用治具上で融解させたニッケル（Ｎｉ）の状態を示す写真である。

本発明に係る、固体金属の戴置部を備えた金属球成形用治具は、戴置された固体金属を溶融して液体金属とし、その表面張力により金属球を成形する方法において使用されるものであって、その材質が、液体金属とのぬれ角が９０°以上、好ましくは１２０°以上であるセラミックスである。

ここで、ぬれ角とは、治具上で溶融金属液滴をおいた場合、図１に示すように治具と溶融金属液滴との接触角θのことである。

本発明において、ぬれ角を９０°以上とした理由は、溶融金属が球体となるためには、治具との接触角が少なくとも９０°以上必要なためである。

本発明で用いられるセラミックスは、ぬれ角が９０°以上のものであれば、いずれのものも使用できるが、その融点が球形化の対象となる金属の融点より高いものを用いることが好ましい。

このようなセラミックスとしては、例えば、窒化チタン（以下、ＴｉＮと略称する）系、ほう化チタン系等のセラミックスを挙げることができる。

これらの中でも、ＴｉＮ系セラミックスを好適に用いることができる。これは、このＴｉＮ系セラミックスは各種金属とのぬれ角が９０°以上であり、融点が約２９００℃と多くの金属の融点に比べて非常に高く、金属との反応が起こりにくいという条件を兼ね備えていることによる。

また、セラミックスには、その強度や靱性を向上させるために、鉄、コバルト、ニッケル、銅等の金属元素を配合することができる。

ＴｉＮ系セラミックスを用いる場合、ＴｉＮと金属の配合割合は、ＴｉＮが９０質量％以上、好ましくは９５重量％であり、残部が金属であることが強度、靱性の観点からみて望ましい。

また、セラミックスの相対密度は８０％以上、好ましくは９５％以上であることが強度の点からみて好ましい。

本発明の金属球成形用治具は、平板状あってもその機能を充分に発揮することができるが、その表面の一部に固体金属を戴置するための凹部を形成することができる。表面の一部に凹部を設けることにより、固体金属が溶融したときに金属球の位置を安定させることができる。

また、表面の一部に多角形の溝を形成することにより、融解時の金属球との接触点が増加し、金属球を作製しやすくすることもできる。

このように凹部の断面形状は特に制約されることはなく、円形、楕円形、Ｖ字形、多角形等の断面形状とすることができる。

以下に、本発明の金属球成形用治具の具体的な製造方法について以下に説明する。

ＴｉＮ粉末あるいはＴｉＮ粉末と金属粉末を混合したのち、所定の形状となるようプレス成形をする。このプレス成形体を加圧下にて１１００℃以上に加熱することにより金属球成形用治具の成形体を作製することができる。

つぎに、本発明の金属球の成形方法を説明する。

本発明の金属球の成形方法は、上記した金属球成形用治具の表面に固体金属を戴置した後、溶融させて液体金属とし、その表面張力により金属球を形成させた後、冷却することからなる。

本発明で用いられる固体金属は、特に制約されず、卑金属、もしくは、金や銀、白金族元素の貴金属の単体、アルミニウム、シリコン、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ジルコニウム、インジウム、錫、鉛などの、卑金属の単体、または、これらの合金等、いずれのものも使用できる。

固体金属の形状は金属片、金属粉等特に制限されるものではないが、線材、棒材、板材、もしくは条材等を一定の長さ、もしくは一定面積切断することにより均一な重量を有する金属片として用いることが好ましい。

固体金属を金属球成形用治具の表面に戴置する方法は特に制約されず、溶融後に固体金属片同士が接触しない程度の間隔であればよい。また固体金属は金属球成形用治具の上に平面的に配置されてもよいが、治具を複数段重ね、３次元的に配置してもよく、トレー状容器に平面的に配置したものを数層に重ねてもよい。

本発明の金属球の成形方法では、金属球成形用治具の上に戴置された固体金属を、その固体金属の融点以上に加熱する。加熱手段としては、従来公知の加熱炉等を用いることができる。加熱雰囲気は常圧、加圧、減圧のいずれでもよいが、酸化の点からみて、１００Ｐａ以下、好ましくは１０Ｐａ以下の減圧とするのがよい。

固体金属はその融点以上の温度になれば溶融し、その表面張力によりひとつの金属片ごとに球状化する。これを冷却すれば所望とする金属球を得ることができる。冷却手段は特に限定されるものではなく、自然冷却等の手段を用いることができるが、不活性ガスおよび／または活性ガスを導入して金属球の表面を急速に冷却することで表面に意図的な硬化相などの形成や結晶粒微細化などの効果がえられる。

このように、本発明の金属球の成形方法は、金属球成形用治具上に金属片を置いた後、溶融、冷却という簡単なプロセスであるため、アトマイズ法やプラズマ回転電極法に比して、装置を簡便で小型化することが可能となる。

また、本発明によれば、治具上に置く固体金属片の重量をそろえることで得られる金属粒子の大きさを均一とすることができ、金属球の平均直径のばらつきが、目的とする金属球の直径の１０％以内とすることができる。

また、溶融する金属の密度と重量より、得られる金属球の大きさを調整することができる。すなわち、本発明方法においては、０．１ｍｍ以上、更には、２ｍｍ以上、５ｍｍ以上の金属球を得ることも可能である。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
＜実施例１＞
（ＴｉＮ金属球成形用治具の作製）
ＴｉＮ粉末を所定の形状となるようプレス成型し、加圧下にて１１００℃以上に加熱することでＴｉＮ成形体を作製した。

作製したＴｉＮ金属球成形用治具は直径１５ｍｍ×厚さ５ｍｍの平板状であり、その相対密度は９９％であった。
（金属球の作製）
作製したＴｉＮ金属球成形用治具の上に円柱上の形状のニッケル片０．３ｇを載せて真空炉の中に載置し、炉内を１０Ｐａまで真空引きを行った後、ニッケルの融点１４５５℃まで加熱して、ニッケルが溶融したことを確認した。このときのぬれ角は１３０°であった。

この後炉冷の条件で冷却して金属球を得た。

溶融炉の中の状態の写真を図２に示す。溶融したニッケルは球状となっていることが確認でき、取り出したニッケル球の直径は約２〜３ｍｍであった。
＜実施例２＞
（金属球の作製）
実施例１で作製したＴｉＮ金属球成形用治具の上に円柱の形状の錫片０．３ｇを載せて真空炉の中に載置し、炉内を１０Ｐａまで真空引きを行った後、錫の融点２３１．９３℃まで加熱して、錫が溶融したことを確認した。このときのぬれ角は１３５°であった。

この後炉冷の条件で冷却して金属球を得た。

真空炉の中の状態の写真を図３に示す。溶融した錫は球状となっていることが確認でき、取り出した錫球の直径は約２ｍｍであった。
＜実施例３＞
実施例１で作製したＴｉＮ金属球成形用治具の上に円柱の形状の鉄片１ｇを載せて真空炉の中に載置し、炉内を１０Ｐａまで真空引きを行った後、鉄の融点１５３５℃まで加熱して、鉄が溶融したことを確認した。このときのぬれ角は１００°であった。

この後炉冷の条件で冷却して金属球を得た。

真空炉の中の状態の写真を図４に示す。溶融した鉄は球状となっていることが確認でき、取り出した鉄球の直径は約５ｍｍであった。
＜実施例４＞
実施例１で作製したＴｉＮ金属球成形用治具の上に円柱の形状のコバルト片０．７ｇを載せて真空炉の中に載置し、炉内を１０Ｐａまで真空引きを行った後、コバルトの融点１４９４℃まで加熱して、コバルトが溶融したことを確認した。このときのぬれ角は１１０°であった。

この後炉冷の条件で冷却して金属球を得た。

真空炉の中の状態の写真を図５に示す。溶融したコバルトは球状となっていることが確認でき、取り出したコバルト球の直径は約３ｍｍであった。
＜実施例５＞
（ＴｉＮ基複合材料の金属球成形用治具の作製）
ＴｉＮ粉末と金属粉末を混合したのち、所定の形状となるようプレス成型し、加圧下にて１１００℃以上に加熱することでＴｉＮ基複合材料の金属球成形用治具を作製した。

作製したＴｉＮ基複合材料の金属球成形用治具は直径１５ｍｍ×厚さ５ｍｍの平板状であり、その相対密度は９８％であった。
（金属球の作製）
作製したＴｉＮ基複合材料の金属球成形用治具の上に円柱の形状のニッケル片１ｇを載せて真空炉の中に載置し、炉内を１０Ｐａまで真空引きを行った後、ニッケルの融点１４５５℃まで加熱して、ニッケルが溶融したことを確認した。このときのぬれ角は１３０°であった。

この後、真空中にて自然冷却の条件で冷却して金属球を得た。

真空炉の中の状態の写真を図６に示す。溶融したニッケルは球状となっていることが確認でき、取り出したニッケル球の直径は約５ｍｍであった。

本発明の金属球成形用治具を用いて成形した金属球を用いることにより、ベアリング球、貴金属を用いた装飾品、ボールミリング用粉砕球、ポンプやバルブの逆止弁、ポーラス体作製のための原料球等の製造を行うことが可能である。

１ 治具
２ 溶融金属液滴

Claims (11)

1. 戴置された固体金属を溶融して液体金属とし、その表面張力により直径が２ｍｍ以上の金属球を成形する方法において使用される、固体金属の戴置部を備えた金属球成形用治具であって、該治具は、液体金属とのぬれ角が９０°以上である窒化チタン系セラミックスから形成されていることを特徴とする金属球成形用治具。
2. 窒化チタン系セラミックスが更に金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の金属球成形用治具。
3. 金属が鉄、コバルト、ニッケル、銅であることを特徴とする請求項２に記載の金属球成形用治具。
4. 窒化チタンと金属の含有量が、窒化チタンが９０質量％以上であり残部が金属であることを特徴とする請求項２または３に記載の金属球成形用治具。
5. 相対密度が８０％以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の金属球成形用治具。
6. 金属球成形用治具の表面の少なくとも一部に固体金属を戴置するための凹部が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の金属球成形用治具。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の金属球成形用治具の表面に戴置された固体金属を溶融させて液体金属とし、その表面張力により金属球を形成させた後、冷却することを特徴とする金属球の成形方法。
8. 固体金属を溶融する雰囲気が１００Ｐａ以下の真空であることを特徴とする請求項７に記載の金属球の成形方法。
9. 不活性ガスおよび／または活性ガスを導入して金属球の表面を急速に冷却することを特徴とする請求項７または８に記載の金属球の成形方法。
10. 請求項７から９いずれかに記載の金属球の成形方法で得られる、直径が２ｍｍ以上であることを特徴とする金属球。
11. 金属球の平均直径のばらつきが、目的とする金属球の直径の１０％以内であることを特徴とする請求項１０に記載の金属球。