專利名稱：：滾動體用金屬球的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)軸承(rollerbearing)等使用的滾動體用金屬球。
背景技術(shù)：
：歷來，用于滾動軸承等的滾動體用的鋼球是用具有半球狀(hemispherical)的球座(sphericalseat)的一對陰模從兩側(cè)對將鋼絲切成一定長度而成的塊進(jìn)行壓縮而行成球形，接著夾在兩個硬質(zhì)鑄盤(castdisks)間施力使其轉(zhuǎn)動，除去毛刺(burrs)后，進(jìn)行用于調(diào)整組織的熱處理，進(jìn)行精研磨而制造(例如，參照非專利文獻(xiàn)l)。但是，所述鑄造成形方法中，越是小徑的球越耗費時間，是不經(jīng)濟(jì)的。因此，例如提出了如下的方法，對希望的金屬或合金的熔液賦予壓力和振動，從設(shè)于坩鍋(crucible)的底部的孔壓出熔液(moltenmetal)，急冷(rapidcooling)凝固滴下的熔液制造金屬球，這種方法被稱為均勻液滴法，是適用于制造所述滾動體用金屬球的方法。在專利文獻(xiàn)l中公開了使用該方法的由含有B:1.59.0%的Fe基合金構(gòu)成的滾動體用金屬球。非專利文獻(xiàn)l:株式會社天遷鋼球制作所主頁(2004)(互聯(lián)網(wǎng)鏈接URL:http://www.aksball.co.jp/seir.htm)專利文獻(xiàn)l:特開2007—217722號公報但是，實際上作為滾動體用均勻液滴法制造Fe—B合金球時，由于制造條件和組成會發(fā)生不能形成沒有缺陷的正圓球形的問題。另外，即使是表觀沒有缺陷的凝固球，其內(nèi)部硬度產(chǎn)生很大的偏差，作為滾動體使用的特性不充分。經(jīng)現(xiàn)有的鑄造(forging)、拉絲(wiredrawing)制造的滾動體用金屬球，由于是碳化物(carbides)均勻分散(uniformlydispersed)的組織，所以材質(zhì)的機(jī)械特性(mechanicalproperties)難以發(fā)生偏差，但是凝固球(solidifiedballproducedfrommoltenmetal)的情況，組織(structure)的均勻性(uniformity)不僅依存于組成也依存于冷卻速度(coolingrate)。特別是以102104K/sec左右的冷卻速度，熔融金屬的液滴(liquiddrop)會發(fā)生大的過冷卻(s叩er—cooling),其結(jié)果是引起未預(yù)期的準(zhǔn)穩(wěn)定相(ameta—stablephase)的結(jié)晶(crystallization)或異常成長(abnormalgrowth),因]t匕，艮卩寸吏是與平衡相圖(anequilibriumphasediagram)上白勺共晶(eutectic)相近的組成(composition)凝固球也會殘留粗大的鈹縮(coarseshrinkages),即使沒有皺縮時金屬球內(nèi)部的硬度也會發(fā)生很大的偏差(scattering)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，提供凝固組織的均勻性高，沒有粗大的皺縮，金屬球內(nèi)部的硬度偏差少的滾筒體用金屬球。本發(fā)明者們鑒于上述情況，對Fe—B共晶系合金(eutecticalloy)進(jìn)行了各種研究，其結(jié)果是發(fā)現(xiàn)以凝固組織為網(wǎng)狀(network)的a—Fe枝晶和Fe—B化合物(compound)的復(fù)合組織(compositestructure)構(gòu)成，在Fe—B共晶系合金中添加Si和C，使其急冷凝固，由此能夠得到具有均勻性高的組織的金屬球，從而完成了本發(fā)明。本發(fā)明涉及滾動體用金屬球，是以質(zhì)量％計含有Si:4.0%6.0%、B:2.5%3.0%、C:0.1%0.6%，余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的合金凝固成球狀而形成，組織的80%以上由5"m以下的2次枝晶臂間距構(gòu)成的a—Fe枝晶和Fe—B化合物的復(fù)合組織構(gòu)成，硬度為700HV以上。并優(yōu)選為所述Fe—B化合物由Fe2B化合物構(gòu)成。另外，本發(fā)明的滾動體用金屬球優(yōu)選以質(zhì)量。X計含有Mo:0.1%2%。另外，本發(fā)明的滾動體用金屬球優(yōu)選具有0.05mm以上3mm以下的粒徑。根據(jù)本發(fā)明，使調(diào)整為特定組成的合金在急冷下凝固，調(diào)整為微細(xì)的a_Fe枝晶和Fe—B化合物的復(fù)合組織，由此，能夠得到?jīng)]有粗大的皺縮，金屬球內(nèi)部的硬度偏差少的金屬球。由此，能夠提供一種金屬球，其無需現(xiàn)有的鍛造工序，能夠維持必要的機(jī)械特性，由最終的精研磨作業(yè)也此，是能夠有效降低滾動體用金屬球的制造成本的技術(shù)。圖1是表示存在于本發(fā)明例或比較例的滾動體用金屬球的表面或內(nèi)部的皺縮的透過x射線照片。圖2是表示本發(fā)明例的滾動體用金屬球的粒徑分布的圖。圖3是表示本發(fā)明例的滾動體用金屬球的表面形態(tài)的顯微鏡照片。圖4A是表示本發(fā)明例的滾動體用金屬球的截面組織的顯微鏡照片。圖4B是圖4A所示的微觀組織的放大模式圖。圖5是表示本發(fā)明例的滾動體用金屬球的構(gòu)成物質(zhì)的X射線衍射強(qiáng)度圖。圖6是表示本發(fā)明例的滾動體用金屬球的球內(nèi)部的硬度偏差的圖。符號說明1共晶組織2a—Fe枝晶3l次枝晶臂42次枝晶臂52次枝晶臂間距具體實施例方式本發(fā)明重要的特征是通過調(diào)整由a—Fe枝晶和Fe—B化合物的復(fù)合組織構(gòu)成的組成，抑制過冷(super—cooling)導(dǎo)致的準(zhǔn)穩(wěn)定相的結(jié)晶。以下，進(jìn)行詳細(xì)說明。在本發(fā)明中，著眼于以下通過在Fe—B共晶系合金中添加Si調(diào)整B量，使a—Fe枝晶優(yōu)先成長，降低凝固速度，由此抑制皺縮的發(fā)生，并且，通過使過冷度下降使Fe2B化合物從殘留的Fe—B合金系熔液中結(jié)晶，抑制硬度的偏差。枝晶的2次枝晶臂間距離與冷卻速度相關(guān)，因此，本發(fā)明的網(wǎng)狀的a—Fe枝晶需要具有5um以下的2次枝晶臂間距，占金屬球的80%以上。更優(yōu)選為網(wǎng)狀的a—Fe枝晶具有3um以下的2次枝晶臂間距，5占金屬球的90%以上的組織。還有，在本發(fā)明中，所謂a—Fe枝晶和Fe—B化合物的復(fù)合組織，如圖4A的光學(xué)顯微鏡照片以及作為放大圖4A的微觀組織的模式圖的圖4B所示，是在Fe—B化合物和a—Fe的共晶組織1中作為初晶(aprimarycrystal)的a—Fe枝晶2發(fā)達(dá)的組織。所謂2次枝晶臂間距5是從a—Fe枝晶2的1次枝晶臂(aprimaryarm)3直角延伸的、相鄰的2次枝晶臂(adjacentsecondaryarms)4的中心間的距離，根據(jù)連續(xù)3個以上并排的2次枝晶臂4的中心間距離5的2個以上的平均值求出。其值是在1個球截面(asinglecrosssectionofaball)中測定3處，對其進(jìn)行平均的值。另夕卜，所謂組織的80%以上，是表示觀察貫通球的中心的截面時的a—Fe枝晶2相對于截面積所占的組織的比率為80%以上。另外，F(xiàn)e2B化合物是在初晶的a—Fe枝晶之后作為和Fe的共晶成分結(jié)晶的化合物，因此，作為結(jié)果，F(xiàn)e3B這樣的準(zhǔn)穩(wěn)定相也同時結(jié)晶。該準(zhǔn)穩(wěn)定相被認(rèn)為是金屬球內(nèi)部的硬度產(chǎn)生偏差的原因，在本發(fā)明中，為了降低均質(zhì)的組織的硬度偏差，優(yōu)選盡可能地降低Fe3(B、C)這樣的準(zhǔn)穩(wěn)定相的形成。本發(fā)明的滾動體用金屬球中的B作為微細(xì)的硼化物在金屬球中分散，從而是決定作為滾動體的金屬球的機(jī)械特性的元素，是和作為其他主成分的Fe和Si形成共晶的重要的元素。大量含有B，硼化物從熔融金屬作為初晶結(jié)晶，在此狀態(tài)下，硼化物在熔融金屬中粗大地成長，因此，凝固的金屬球的耐疲勞特性和韌性降低。另外，即使是非常接近平衡相圖上的共晶的添加量，在急冷的制造條件下，液滴也容易過冷，因此，準(zhǔn)穩(wěn)定相結(jié)晶析出成為硬度的偏差的原因，因此B添加量為3.0質(zhì)量X以下。另一方面，降低B添加量時，形成亞共晶組成(hypo—eutecticcomposition),因此，應(yīng)該添在微細(xì)成長的a—Fe枝晶的間隙的共晶熔液(moltenmetalhavingaeutecticcomposition)相對減少，作為其結(jié)果，在枝晶的間隙微小的皺縮形成，因此，B的添加量需要為2.5質(zhì)量X以上。優(yōu)選為2.62.8質(zhì)量％。本發(fā)明的滾動體用金屬球中的Si使a—Fe枝晶穩(wěn)定成長，并且，是形成Fe—Si—B的3元系共晶的重要的元素。添加量少時，a—Fe不能穩(wěn)定成長，在凝固的金屬球上有皺縮殘留，作為其結(jié)果，難以通過研磨形成滾動體所要求的極其光滑的表面，因此，Si添加量需要為4.0質(zhì)量％以上。另外，Si添加量多時，Si向a—Fe的固溶量增加，從而凝固的金屬球的耐疲勞特性和韌性有可能降低，因此，Si添加量為6.0質(zhì)量X以下，優(yōu)選為4.55.5質(zhì)量％。本發(fā)明的滾動體用金屬球中的C(碳)不僅作為微細(xì)的碳化物在金屬球中分散而且具有對基材的強(qiáng)化機(jī)構(gòu)，適用于滿足滾動體所必要的機(jī)械特性的重要元素。過量添加時，作為準(zhǔn)穩(wěn)定相的Fe3(B、C)型化合物優(yōu)先結(jié)晶(crystallize),被認(rèn)為是金屬球內(nèi)部的硬度偏差的原因，因此，C添加量到0.6質(zhì)量％為止。林外，添加量少時，金屬球硬度下降，作為滾動體使用時的耐疲勞特性下降，因此，C添加量需要為O.1質(zhì)量％以上。優(yōu)選為0.30.5質(zhì)量％。本發(fā)明的滾動體用金屬球優(yōu)選添加Mo。雖然對于Mo的添加的作用還有不清楚的部分，但是通過強(qiáng)固地牽拉(stronglydraw)熔融液滴中的C，能夠防止組織中的固溶C的偏析(segregationofdissolvedcarbon),另外，通過抑制所述的Fe3(B、C)型化合物的結(jié)晶，使硬度偏差顯著降低。在本發(fā)明的滾動體用金屬球中，為了進(jìn)一步降低硬度偏差，至少添加0.1質(zhì)量X的Mo才有效。但是，由于過量添加時，會成為皺縮和化合物異常成長的原因，因此，Mo的添加量優(yōu)選為2.0質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為0.31.5質(zhì)量％。本發(fā)明的滾動體用金屬球在用于滾動體時，通過抑制保持金屬球的軌道(rail)和支架(holder)等的摩擦和磨損，能夠防止金屬球的變形和損傷，長期保持良好的滾動特性，出于該目的，以維氏硬度計為700HV以上。另外，為了得到長壽命，優(yōu)選以維氏硬度計為800HV以上。還有，所謂金屬球的硬度是指金屬球的截面的硬度。另外，隨著要求機(jī)器小型化的消費者的需求，保持金屬球的周邊不見的加工技術(shù)也顯著提高，作為結(jié)果，使用粒徑(grainsize)1mm以下的金屬球的制品變多。鑒于近年的狀況，本發(fā)明的滾動體用金屬球的直徑優(yōu)選為0.05mm以上3mm以下。低于0.05mm的直徑難以進(jìn)行從熔液凝固成球狀的控制，生產(chǎn)性差。另一方面，超過3mm的粒徑由于從熔液到凝固的冷7卻時間變長，因此容易發(fā)生組織粗大化或不希望的相析出，制造性差。如果考慮制造性，粒徑優(yōu)選為0.2誦以上1.5mm以下。還有，本發(fā)明的凝固成球狀的滾動體用金屬球，其組織可以保持凝固狀態(tài)。另外，根據(jù)需要也可以進(jìn)行熱處理這樣的組織或特性的改善處理。即，可以對所制造的保持凝固狀態(tài)的金屬球?qū)嵤┻m當(dāng)?shù)臒崽幚?，最大限度地引出其特性。例如，通過退火(annealing)除去凝固應(yīng)變(solidficationstrain),由此提高韌性，或使化合物微細(xì)析出，由此提高強(qiáng)度。本發(fā)明的滾動體用金屬球只要能夠使熔融的合金凝固成球狀，可以使用任何制造方法。優(yōu)選為如上所述，使用均勻液滴法(uniformdropletspraymethod)。熔融合金與固體相比由于全部的構(gòu)成成分的擴(kuò)散非常高速地產(chǎn)生，因此，從均質(zhì)混合的熔融合金直接制作液滴使其凝固而形成金屬球，由此，全部的金屬球的成分比相等。因此，能夠穩(wěn)定制造使用根據(jù)己發(fā)生偏析(segreation)的鑄錠制造的細(xì)線的現(xiàn)有的制造方法難以得到的、組成偏差小的金屬球。另外，由于從熔液直接制造液滴使其凝固，因此，無需塑性加工，能夠制造高合金化的滾動體用金屬球。熔融的合金的凝固和回收金屬球的氣氛，由于在大氣中時金屬球表面過度氧化，從而防礙熔液的表面張力帶來的球狀化，因此，優(yōu)選在He、Ar等的惰性氣體中冷卻凝固。特別是He由于在惰性氣體中熱傳導(dǎo)率也高，能夠在短時間短距離使液滴凝固，因此，在制造裝置的成本和金屬球的量產(chǎn)性上優(yōu)選。另外，為了得到高的冷卻速度，也可以使用水或淬火油、聚合物類冷卻劑(apolymertypecoolant)、或者液化氣體等的液體制冷劑，讓他們與液滴接觸進(jìn)行冷卻。實施例根據(jù)上述均勻液滴法，從設(shè)于坩鍋底部的藍(lán)寶石制的噴嘴擠出表1所示的組成的熔液，使滴下的熔液急冷凝固，制造金屬球。此時，如表l所示調(diào)整噴嘴直徑，將從噴嘴擠出熔液時的熔液擠出溫度(sprayingtemperature)設(shè)定為1360。C擠出熔液。擠出的(a)(o)的液滴在He氣體中球狀化，使其凝固，進(jìn)行回收，(p)(r)的液滴在室溫淬火油(大同化學(xué)工業(yè)制弁125，JISK2242l種2號)中分別球狀化，使其凝固，進(jìn)行回收。確認(rèn)所得到的金屬球有無皺縮。表1中所示的鈹縮在利用求二一工工業(yè)制透過X射線裝置HM—3160—D觀察時，將超過金屬球的最長直徑的5X的空孔(含外部、內(nèi)部)的情況定為X，沒有空孔的情況為O。如表1所示，組成調(diào)整為滿足規(guī)定的Si、B、C、Mo量的本發(fā)明例(f)(r)在金屬球上均沒有確認(rèn)到皺縮。另一方面，在不滿足規(guī)定的Si、B、C、Mo量的比較例(a)(e)在金屬球上發(fā)現(xiàn)皺縮。作為代表例，圖1中顯示金屬球的透過X射線像(fluoroscopicimage)。本發(fā)明例(f)中，沒有確認(rèn)到看起來為淡色(tint)的空孔(vacancy),即鈹縮(shrinkage)。相對于此，在比較例(d)的金屬球的透過X射線像中，金屬球的一部分確認(rèn)到看起來淡色的空孔，即鈹縮。表1No.目標(biāo)組成(mass%)噴嘴直徑(邁m)粒徑(mm)皺縮樹枝狀組織比(%)2次枝晶臂l'Bj距"邁)x射線衍射硬皮(HV)參考CSiBFeMo(0)—7.03,2余量—0.250-&X_———比較例(b)0.33.03.2余呈—0.30.6X————比較例")0.75.02.2余量3.00.270.5X——一—比較例(d)0.65.02.1余量—0.30,6x——一—比較例(e)0.45.02.3余量—0,30.6x———一比較例(f)0.65.02.5余呈0.30.6〇900.9a匿Fe,Fe2B,Fe,(B，C)804發(fā)明例(g)0.45,02,7余量—0.30.6〇901.0a-Fe,Fe2B,Fe;(B,C)814發(fā)明例(h)0.45,02.9余量—0.30.6〇951.0a-Fe,Fe2B,Fe3(B,C)861發(fā)明例(i)0.45.02.7余量0.40.30.6〇1001.3a-Fe,Fe2B,Fe3(B,C)833發(fā)明例Cj)D-45.02,7余量0.80.30.61000.7a-Fe,Fe2B,Fe3(B,C)843發(fā)明例(k)0,45.02,7余雖1,20.30.6〇1000,6a-Fe,Fe2B875發(fā)明例C1)0.45.02.7余量1.70.30.6O1000.7ff-Fe,Fe2B813發(fā)明例CmJ0.45.02.7余貴—0.180.3〇1000.9a-Fe'Fe2B,Fe3(B,C)878發(fā)明例")0.45.02,7余量0.80,180.3〇1000.6a-Fe,Fe2B,Fe3(B'C)870發(fā)明例(o)0.45.02.7余雖1.70.180.3o1000,6a-Fc,Fe2B,Fe3(B,C)875發(fā)明例(P)0.45.02,7余量—0.58U〇851.3ci-Fe,Fe2B,Fe](B,C)814發(fā)明例(q)0.45.02.7余量0.80.581.1〇1001,1ct-Fe'Fe2B,Fe3(B,C)844發(fā)明例(r)0.45.02,7余量1.70.681.1〇1001.0d-Fe,Fe2B,Fe3(B,C)855發(fā)明例接著，對表1的本發(fā)明例(j)的金屬球進(jìn)行粒徑測定。其結(jié)果在圖2中顯示。金屬球的粒徑如圖2所示，確認(rèn)到以中央值計①612um，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.4，呈單分散。另外，通過掃描型電子顯微鏡對表1的本發(fā)明例(j)的金屬球進(jìn)行外觀觀察。其結(jié)果在圖3中顯示。如圖3所示，確認(rèn)到外觀上沒有鈹縮，9具有極其平滑的表面。通過精研磨調(diào)整上述制作的沒有皺縮的本發(fā)明例(f)(r)的金屬球，通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行截面觀察，調(diào)查組織均勻性。其結(jié)果是，在表1所示的本發(fā)明例(f)(r)的金屬球中，確認(rèn)到金屬球的80%以上的組織呈現(xiàn)5ym以下的2次枝晶臂間距構(gòu)成的a—Fe枝晶。另外，如圖4A所示，在表1所示的本發(fā)明例(j)的金屬球中，確認(rèn)到截面組織呈現(xiàn)由微細(xì)的Fe—B化合物和a—Fe構(gòu)成的均質(zhì)組織。接著，使用理學(xué)制X射線衍射裝置RINT2500PC進(jìn)行X射線衍射，測定金屬球的構(gòu)成物質(zhì)。射線源使用Cu—Ka射線。如表1所示，在本發(fā)明例(f)(j)、(m)(r)中，金屬球確認(rèn)到由a—Fe、Fe2B、Fe^(B、C)構(gòu)成。作為一例，如圖5所示，在本發(fā)明例(g)中，F(xiàn)e3(B、C)比Fe2B僅有稍高的峰值強(qiáng)度。另外，本發(fā)明例(k)、(1)中，金屬球由a_Fe、Fe2B構(gòu)成，完全沒有確認(rèn)到Fe3(B、C)。通過精研磨調(diào)整上述制作的金屬球，使用7力、;y制維氏硬度計MUK—E3以1.96N(200gf)的荷重測定截面的中心部的硬度。表1中的硬度是測定10個金屬球的平均值。測定硬度的結(jié)果是，本發(fā)明例(f)(r)的金屬球，顯示HV800以上，確認(rèn)到具有作為滾動體用材料充分的起拿過度。接著，在本發(fā)明例(f)(1)的通過金屬球中心的截面中，將在12點、3點、6點、9點方向上距端0.lmm的位置的4點和中心位置的1點的合計5個位置作為金屬球1個的測定位置測定硬度。此時，對5個金屬球計算偏差幅度(最大值一最小值)。圖6顯示偏差幅度的平均值的計算結(jié)果。如圖6所示，特別是在本發(fā)明例(j)中，確認(rèn)到與其他本發(fā)明例相比偏差降低，金屬球內(nèi)部的組織極其均質(zhì)，具有作為滾動體用材料充分的特性。權(quán)利要求1、一種滾動體用金屬球，是以質(zhì)量％計含有Si4.0％～6.0％、B2.5％～3.0％、C0.1％～0.6％，余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的合金凝固成球狀而形成，組織的80％以上由5μm以下的2次枝晶臂間距構(gòu)成的α—Fe枝晶和Fe—B化合物的復(fù)合組織構(gòu)成，硬度為700HV以上。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的滾動體用金屬球，其特征在于，所述Fe—B化合物由Fe2B化合物構(gòu)成。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的滾動體用金屬球，其特征在于，以質(zhì)量％計含有Mo:0.1%2%。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的滾動體用金屬球，其特征在于，具有0.05mm以上3mm以下的粒徑。全文摘要本發(fā)明提供一種滾動體用金屬球，其凝固組織的均勻性高，沒有粗大的皺縮，金屬球內(nèi)部的硬度偏差少，該滾動體用金屬球是以質(zhì)量％計含有Si4.0％～6.0％、B2.5％～3.0％、C0.1％～0.6％，余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的合金凝固成球狀而形成，組織的80％以上由5μm以下的2次枝晶臂間距構(gòu)成的α-Fe枝晶和Fe-B化合物的復(fù)合組織構(gòu)成，硬度為700HV以上，優(yōu)選以質(zhì)量％計含有Mo0.1％～2％。文檔編號C22C38/02GK101469389SQ20081018861公開日2009年7月1日申請日期2008年12月25日優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日發(fā)明者莊司辰也申請人:日立金屬株式會社