金属ガラス球体の製造方法、該方法により製造された金属ガラス球体をベアリングボールとして用いた軸受け、該金属ガラス球体をペン先に取り付けたことを特徴とするボールペン、および該金属ガラス球体を用いた装飾品
【課題】金属ガラス球体部の表面精度を高めて真球体である金属ガラス球体にすることのできる金属ガラス球体の製造方法を提供する。
【解決手段】ランナー２７で数珠繋ぎ状態となった金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１をランナー２７部分で切断して側部にランナー切断突起２７ａが残った金属ガラス球体部１０ａを形成し、研磨用保持板３４に独立して設けられた複数の保持孔３８に、金属ガラス球体部１０ａを研磨用保持板３４に対して回転可能に、かつ金属ガラス球体部１０ａの一部が研磨用保持板３４から露出するように収容し、この状態で研磨盤４０、４６を金属ガラス球体部１０ａの露出部に接触させつつ研磨用保持板３４に対して研磨盤４０、４６を偏心させて相対回転させ、金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨することにより、上記課題を解決した金属ガラス球体の製造方法を提供することができる。
【解決手段】ランナー２７で数珠繋ぎ状態となった金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１をランナー２７部分で切断して側部にランナー切断突起２７ａが残った金属ガラス球体部１０ａを形成し、研磨用保持板３４に独立して設けられた複数の保持孔３８に、金属ガラス球体部１０ａを研磨用保持板３４に対して回転可能に、かつ金属ガラス球体部１０ａの一部が研磨用保持板３４から露出するように収容し、この状態で研磨盤４０、４６を金属ガラス球体部１０ａの露出部に接触させつつ研磨用保持板３４に対して研磨盤４０、４６を偏心させて相対回転させ、金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨することにより、上記課題を解決した金属ガラス球体の製造方法を提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造した金属ガラス球状部を研磨して真球状の金属ガラス球体を製造する方法、および該方法により製造された金属ガラス球体の用途発明に関する。
【背景技術】
【０００２】
非結晶合金であるアモルファス金属や金属ガラス、ナノ結晶或いは準結晶合金（以下、「金属ガラス」という）は、一般の結晶金属材料に比べ、高強度、低ヤング率、高耐食性、優れた磁気特性などを持つことから、非常に有望な新材料であることが知られており、幅広い分野への応用が期待されている。
【０００３】
特に、金属ガラスには粒界がないことから、研磨表面の精度を高くすることによって表面が非常になめらかな真球体の金属ガラスを製作することができる。また、金属ガラスは腐食し難い性質を有している。このため、金属ガラスで形成された真球体が実用化されれば、軸受け用のベアリングボールやボールペンのペン先に収容されるボールなどの用途に最適な球体になると考えられる。
【０００４】
このように実用化が期待される金属ガラス球体１００を形成するには、鋳造により金属ガラス球体部１０１を有する鋳造物１０２を製造した後、この金属ガラス球体部１０１を研磨機１０３で研磨し、表面精度を高めて真球体にする必要がある。
【０００５】
金属ガラス球体部１０１を有する鋳造物１０２の鋳造には、図６に示すように、球状に形成された複数のキャビティ１０４、および金属ガラス溶湯１０５をキャビティ１０４に導くため、互いに隣接するキャビティ１０４同士を連通する湯道１０６が形成された割り金型１０７を使用し、湯道１０６を通して金属ガラス溶湯１０５をキャビティ１０４にダイキャスティングした後、冷却して金属ガラス球体部１０１を有する鋳造物１０２を作る事が試みられていた。
【０００６】
このようにして鋳造された金属ガラス球体部１０１を有する鋳造物１０２は、図７に示すようなもので、キャビティ１０４の数と同じ数の球体（すなわち、金属ガラス球体部１０１）がランナー１０８によって数珠繋ぎ状で一体的に形成されている。そして、砥石などを用いてランナー１０８を切断し、鋳造物１０２から個々の金属ガラス球体部１０１を分離する。
【０００７】
このとき、個々の金属ガラス球体部１０１には、図８に示すようなランナー１０８の未切除部分（以下、「ランナー切断突起」という）１０８ａが残っているので、この金属ガラス球体部１０１を研磨機１０３で研磨する必要がある。従来、金属ガラスではない普通の鋼製ベアリングボール用球体Ｂの研磨には、例えば図９に示すような研磨機１０３が使用されていた。この研磨機１０３は、円盤状の上側加工盤１０９と、上側加工盤１０９よりも大径で、その中心軸１１０が上側加工盤１０９の中心軸１１１から偏心し、かつ、所定の間隔をあけて上側加工盤１０９と対向する位置に配設された円盤状の下側加工盤１１２とで構成されており、上側加工盤１０９の下面の収納凹部１０９ａ内に多数の鋼製ベアリングボール用球体Ｂを収容し、下側加工盤１１２に接触させつつ上・下側加工盤１０９・１１２を相対回転させて多数の鋼製ベアリングボール用球体Ｂを一度に研磨していた（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２８５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に開示された研磨機１０３は、多数の鋼製ベアリングボール用球体Ｂを収納凹部１０９ａ内に収容して研磨を行うものであり、鋼製ベアリングボール用球体Ｂは互いに接触しながら研磨される。つまり、一の鋼製ベアリングボール用球体Ｂの表面は常に隣に配置された他の鋼製ベアリングボール用球体Ｂ、およびランナー切断突起１０８ａによって傷つけられ、同時に一の鋼製ベアリングボール用球体Ｂ、およびランナー切断突起１０８ａは隣に配置された他の鋼製ベアリングボール用球体Ｂを傷つける。このため、鋼製ベアリングボール用球体Ｂの表面は常に傷がつけられた状態となり、研磨工程を経ても高い表面精度を付与することができず、鋼製ベアリングボール用球体Ｂを真球体に形成することが困難であった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みて開発されたものである。それゆえに本発明の主たる課題は、金属ガラス球体部１０ａの表面精度を高めて真球体である金属ガラス球体１０にすることのできる、金属ガラス球体１０の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載した発明は、「ランナー２７で数珠繋ぎ状態となった金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１をランナー２７部分で切断して側部にランナー切断突起２７ａが残った金属ガラス球体部１０ａを形成し、研磨用保持板３４に独立して設けられた複数の保持孔３８に、金属ガラス球体部１０ａを研磨用保持板３４に対して回転可能に、かつ金属ガラス球体部１０ａの一部が研磨用保持板３４から露出するように収容し、この状態で研磨盤４０、４６を金属ガラス球体部１０ａの露出部に接触させつつ研磨用保持板３４に対して研磨盤４０、４６を偏心させて相対回転させ、金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨して真球にすることを特徴とする金属ガラス球体１０の製造方法」である。
【００１１】
この発明によれば、ランナー切断突起２７ａが残った金属ガラス球体部１０ａを研磨用保持板３４に独立して設けられた複数の保持孔３８に収容して金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨する。これにより、金属ガラス球体部１０ａ同士を互いに接触させることなく研磨することができるので、研磨中に金属ガラス球体部１０ａ同士が互いの表面に傷をつけるおそれがない。
【００１２】
また、保持孔３８は、金属ガラス球体部１０ａを研磨用保持板３４に対して回転可能に、かつ金属ガラス球体部１０ａの一部が研磨用保持板３４から露出するように収容しており、かつ、研磨盤４０、４６を金属ガラス球体部１０ａの露出部に接触させつつ研磨用保持板３４に対して研磨盤４０、４６を偏心させて相対回転させることにより、研磨盤４０、４６と金属ガラス球体部１０ａとの接触位置が常に変化するので、研磨盤４０、４６は、金属ガラス球体部１０ａの全表面をまんべんなく研磨することができる。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の金属ガラス球体１０の製造方法において、「金属ガラス球体部１０ａは研磨用保持板３４の表裏両面から露出しており、研磨用保持板３４を挟むように研磨用保持板３４の表裏両面に沿って設けられた研磨盤４０、４６にて、金属ガラス球体部１０ａを研磨する」ことを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、研磨用保持板３４を挟むように研磨用保持板３４の表裏両面に沿って設けられた研磨盤４０、４６にて金属ガラス球体部１０ａを研磨するので、金属ガラス球体部１０ａを効率よく研磨することができる。
【００１５】
請求項３に記載した発明は、「請求項１または２に記載の金属ガラス球体１０の製造方法により製造された金属ガラス球体１０をベアリングボールとして用いた軸受け」である。
【００１６】
本発明によれば、金属ガラス球体１０をベアリングボールとして軸受けに適用することで、金属ガラス球体１０の有する高強度、低ヤング率、高耐食性、および表面のなめらかさに起因して、高精度、高衝撃吸収性、超寿命性、および低騒音性を有する軸受けを形成することができる。
【００１７】
請求項４に記載した発明は、「請求項１または２に記載の金属ガラス球体１０の製造方法により製造された金属ガラス球体１０をペン先に収容したことを特徴とするボールペン」である。
【００１８】
本発明によれば、従来のボールペンのペン先に収容されていたステンレスなどの球体に比べて金属ガラス球体１０の表面はなめらかであるから、書き味がなめらかで、耐食性および耐摩耗性にすぐれたボールペンを形成することができる。
【００１９】
請求項５に記載した発明は、「請求項１または２に記載の金属ガラス球体の製造方法により製造された金属ガラス球体を用いた装飾品」である。
【００２０】
本発明によれば、従来の貴金属に比べて金属ガラス１０の表面はなめらかであり、かつ、耐食性が高いことから、美しい光沢を長い期間持続することのできる装飾品を形成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、研磨中に金属ガラス球体部同士が互いの表面に傷をつけるおそれがなく、かつ、研磨盤が金属ガラス球体部の全表面をまんべんなく研磨することができるので、金属ガラス球体部の表面精度を高めて真球体である金属ガラス球体を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を図示実施例に従って詳述する。本発明に係る金属ガラス球体１０の製造方法は、金属ガラスを溶解して得られた金属ガラス溶湯１２を金属ガラス球体成形用鋳型１４に注入して鋳込む「鋳造工程」と、該鋳造工程により得られた金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１から個々の金属ガラス球体部１０ａを分離し、金属ガラス球体部１０ａを研磨機１５で研磨して金属ガラス球体部１０ａを真球体である金属ガラス球体１０に形成する「研磨工程」とで大略構成されている。なお、本明細書において「金属ガラス」とは、アモルファス金属、ナノ結晶或いは準結晶合金をも含む概念である。
【００２３】
上述した鋳造工程で用いられる金属ガラス球体成形用鋳型１４は、図１に示すように、円筒状の溶湯の注入口１８[＝湯口]を中心として、球状に形成された複数の空間であるキャビティ２０と、注入口１８とキャビティ２０、あるいは隣りあうキャビティ２０同士を連通する湯道２２とで構成されている（このキャビティ２０と湯道２２とが接続されている部分を、以下「接続部２４」という）。また、本実施例では、所定の間隔をあけて一直線上に複数のキャビティ２０が配置されており、隣あう２つのキャビティ２０を湯道２２が連通するようにして一連のキャビティ群Ｇが形成されており、複数のキャビティ群Ｇが注入口１８を中心として同一水平面上において放射状に４組形成されている。もちろん、金属ガラス球体成形用鋳型１４に形成される１つのキャビティ群Ｇに含まれるキャビティ２０の数、および注入口１８を中心とするキャビティ群Ｇの数は本実施例に限られず、任意の数に設定することができる。
【００２４】
また、金属ガラス球体成形用鋳型１４には、熱伝導性に優れた金属材料、例えば銅が使用されており、金属ガラス溶湯１２を冷却するための冷却水Ｃが通水される通水孔２６がキャビティ群Ｇごとに設けられている（図１参照）。さらに、通水孔２６は、通水孔２６とキャビティ２０のとの距離Ｌが接続部２４において長く（Ｌ１）、キャビティ２０の最大径部２０ａにおいて短く（Ｌ２）なるように形成されている。
【００２５】
なお、「キャビティ２０の最大径部２０ａ」とは、金属ガラス溶湯１２の流れ方向に直交するキャビティ２０の断面において、その断面の径が最大となる（つまり、断面積が最大となる）部分をいい、「通水孔２６からキャビティ２０の最大径部２０ａまでの距離」とは、通水孔２６の内面から、キャビティ２０の最大径部２０ａに対応する金属ガラス球体成形用鋳型１４の内面までの最短距離をいう。
【００２６】
また、金属ガラス球体成形用鋳型１４が冷却され、鋳込まれた金属ガラス溶湯１２が臨界冷却速度以上の速度で均一に冷却できるようなものであれば、通水孔２６に冷却水Ｃを通水する本実施例に記載の手段に限られず、他の手段を用いることができる。
【００２７】
さらに、金属ガラス球体成形用鋳型１４の適当な箇所には、金属ガラス溶湯１２を注入する際、キャビティ２０内に存在していた空気や、金属ガラス溶湯１２から放散されるガスをキャビティ２０から抜き出すためのガス抜き孔（図示せず）が設けられている。
【００２８】
また、金属ガラス球体成形用鋳型１４には、金属ガラスを溶解して金属ガラス溶湯１２にする高周波コイル（図示せず）が注入口１８に合わせて設けられている。もちろん、金属ガラスを溶解して金属ガラス溶湯１２にすることのできるものであれば、高周波コイルの他に電気炉やバーナ炉などを使用してもよい。
【００２９】
本実施例に係る金属ガラス球体成形用鋳型１４によれば、図２に示すように、ランナー２７によって数珠繋ぎ状となった金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１が形成される。
【００３０】
研磨機１５は、上述した鋳造工程により得られた金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１から、砥石などでランナー２７を切断することにより分離され、ランナー２７の未切除部分（以下、「ランナー切断突起」という）２７ａが残っている個々の金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨するものであり、図３に示すように、金属ガラス球体部１０ａを保持する保持装置２８と、保持装置２８によって保持された金属ガラス球体部１０ａを図中上方から研磨する上側研磨装置３０と、金属ガラス球体部１０ａを図中下方から研磨する下側研磨装置３２とで大略構成されている。
【００３１】
保持装置２８は、金属ガラスよりも柔らかい素材で形成された円盤状の研磨用保持板３４と、研磨用保持板３４の中心から突設された円柱状の保持板回転軸３６とを有しており、研磨用保持板３４は、保持板回転軸３６を中心として、図示しない駆動装置によって回転するようになっている。また、研磨用保持板３４には、金属ガラス球体部１０ａが嵌め込まれる保持孔３８が複数設けられており、金属ガラス球体部１０ａは、この保持孔３８に嵌り込まれて研磨用保持板３４に保持される。
【００３２】
保持孔３８についてさらに説明すると、図４に示すように、保持孔３８の上端面の直径Ｗ１は、保持孔３８に嵌め込まれる金属ガラス球体部１０ａの直径Ｄよりも大きく、保持孔３８の下端面の直径Ｗ２は、該直径Ｄよりも小さく形成されている。これにより、金属ガラス球体部１０ａを保持孔３８に対して容易に嵌め込むことができるとともに、金属ガラス球体部１０ａが保持孔によって回転可能に保持され、さらに保持孔３８の下端面から金属ガラス球体部１０ａの下部を少し露出させた状態で金属ガラス球体部１０ａを保持することができるので、金属ガラス球体部１０ａが保持孔３８から抜け落ちることはない。また、研磨用保持板３４の厚さＷ４は直径Ｄよりも小さく形成されているので、金属ガラス球体部１０ａの下部だけでなく、上部も研磨用保持板３４から露出するようになっている。なお、本実施例によれば、保持孔３８の内面はその断面が曲線状（つまり、椀状）に形成されているが、保持孔３８の内面をその断面が直線上（つまり、円錘状）に形成してもよい。また、金属ガラス球体部１０ａの上部または下部だけを研磨用保持板３４から露出するようにしてもよい。この場合、後述する研磨装置３０、３２は、金属ガラス球体部１０ａが露出している側だけに設ければよい。
【００３３】
上側研磨装置３０は（図３参照）、研磨用保持板３４に保持された金属ガラス球体部１０ａの表面を図中上側から研磨する装置であり、円盤状の上側研磨盤４０と、上側研磨盤４０の中心から図中上向きに突設された円柱状の上側研磨盤回転軸４２とで構成されている。また、上側研磨盤４０の図中下面、つまり金属ガラス球体部１０ａと接する面には、円盤状の砥石４４が取り付けられている。さらに、上側研磨盤４０は、上側研磨盤回転軸４２を中心として図示しない駆動装置によって回転するようになっている。また、上側研磨盤４０の位置は、図示しない他の駆動装置によって上下できるようになっている。これにより、上側研磨装置３０は、上側研磨盤４０および砥石４４を回転させながら砥石４４の下端面で金属ガラス球体部１０ａを押圧して金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨することができる。
【００３４】
下側研磨装置３２は、研磨用保持板３４に保持された金属ガラス球体部１０ａの表面を図中下側から研磨する装置であり、円盤状の下側研磨盤４６と、下側研磨盤４６の中心から図中下向きに突設された円柱状の下側研磨盤回転軸４８とで構成されている。また、下側研磨盤４６の図中上面、つまり金属ガラス球体部１０ａと接する面には、円盤状の砥石５０が取り付けられている。さらに、下側研磨盤４６は、下側研磨盤回転軸４８を中心として図示しない駆動装置によって回転するようになっている。また、下側研磨盤４６の位置は、図示しない他の駆動装置によって上下できるようになっている。これにより、下側研磨装置３２は、下側研磨盤４６および砥石５０を回転させながら砥石５０の上端面で金属ガラス球体部１０ａを押圧して金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨することができる。
【００３５】
なお、砥石４４、５０の材質および粗度は、要求される金属ガラス球体部１０ａの表面の精度および金属ガラスの組成などに応じて最適なものが使用される。また、適当な支持シート上にバインダを介して所定の番手のダイヤモンド研磨砥粒を塗布したダイヤモンドシート（図示せず）を砥石４４、５０の代わりに使用することもできる。さらに、本実施例では、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６に砥石４４、５０を取り付けているが、上側研磨盤４０自身または下側研磨盤４６自身の少なくとも一方を砥石４４、５０で一体的に形成してもよい。
【００３６】
また、本実施例では、研磨機１５の上側（図３の上方向）から見て、保持装置２８は反時計回り、上側研磨装置３０および下側研磨装置３２は時計回りに回転するようになっており、研磨用保持板３４に対して上側研磨盤４０および下側研磨盤４６が相対回転する。なお、研磨用保持板３４を固定し、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６を回転するようにしてもよい。
【００３７】
高周波コイルで溶解した金属ガラス溶湯１２を注入口１８に注入すると（図１参照）、金属ガラス溶湯１２は注入口１８から湯道２２およびキャビティ２０を通流し、注入口１８から最も離間したキャビティ２０に充填される。この間、金属ガラス球体成形用鋳型１４の温度は、金属ガラス溶湯１２が液状を保つことのできる範囲内に調整されている。
【００３８】
ここで、図５に示すように、金属ガラス溶湯１２がキャビティ２０に充填され始めてから充満されるまでの間において、当該キャビティ２０における金属ガラス溶湯１２の流速は、流路の断面積が最も小さい接続部２４において最も速く、流路の断面積が最も大きいキャビティ２０の最大径部２０ａに近づくにつれて遅くなり、キャビティ２０の最大径部２０ａを通過すると流速は再び速くなる。このため、金属ガラス溶湯１２の有する熱は、金属ガラス溶湯１２の流速が遅いキャビティ２０の最大径部２０ａにおいて金属ガラス球体成形用鋳造１４に移動し難く、金属ガラス溶湯１２の流速が速い接続部２４において移動し易い。つまり、キャビティ２０の内部を流れる金属ガラス溶湯１２の流速の差に起因する金属ガラス溶湯の冷却速度差（金属ガラス溶湯１２の流速が遅いほど、冷却速度が遅い）が生じる。
【００３９】
この点、本実施例では、冷却水Ｃが通流する通水孔２６とキャビティ２０の内壁面との距離Ｌを接続部２４において長く（Ｌ１）、逆にキャビティ２０の最大径部２０ａにおいて短く（Ｌ２）なるように形成されているので、接続部２４において金属ガラス溶湯１２が有する熱を冷却水Ｃが吸収する効率に比べ、キャビティ２０の最大径部２０ａにおいて金属ガラス溶湯１２が有する熱を冷却水Ｃが吸収する効率が高い。つまり、通水孔２６とキャビティ２０内壁面との距離Ｌの差に起因する冷却速度差（距離Ｌが短いほど、熱吸収効率が高い）が生じる。このため、上述した「流速の差に起因する冷却速度差」と、「距離Ｌの差に起因する冷却速度差」とが相殺しあうので、キャビティ２０の内部における金属ガラス溶湯１２から冷却水Ｃに吸収される熱量が均一化される。したがって、本実施例に係る金属ガラス球体成形用鋳型１４によれば、キャビティ２０に充填された金属ガラス溶湯１２を均一な冷却速度で冷却することができるので、全体として均質な非結晶質を有する金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１を製作することができる。
【００４０】
なお、本発明に適用される金属ガラスは、
(1)元素の周期律表において隣接した族番号に属する３成分以上の多成分系からなる単相の固溶体を生成する事、
(2)構成元素の少なくとも２成分の原子寸法の比が３％以上である事、
(3)構成元素の混合熱が正の値、零あるいは僅かに負の値を持ち、原子間の結合性が互いに反発し合う状態にある事、というような「金属ガラス生成３条件」を満足させるものであればどのようなものであってもよい。
【００４１】
また、注入時の金属ガラス溶湯１２の温度は、その合金等の融点＋１００〜３００℃であることが好適である。また、必要があれば、注湯時において金属ガラス溶湯１２を最大数百トン程度まで加圧して金属ガラス溶湯１２の射出速度を高めてもよい。もちろん、単に金属ガラス溶湯１２の自重により注入してもよいが、この場合、キャビティ２０が形成される位置よりも高い位置に注入口１８を設ける必要がある。なお、金属ガラス溶湯１２の射出速度は、０．１〜１ｍ／秒であることが好ましい。
【００４２】
また、金属ガラス溶湯１２に圧力を加える加圧注入方式の場合、流入速度を速くすることができるので、連続して形成されるキャビティ２０の数をより多くすることができる。
【００４３】
本実施例に係る金属ガラス球体成形用鋳型１４で製造された鋳造物１１は、複数の金属ガラス球体部１０ａがランナー２７によって数珠繋ぎにされており、図示しない砥石でランナー２７を切断して個々の金属ガラス球体部１０ａに分離する。ここで、分離された金属ガラス球体部１０ａには、冷却時にひずみが生じているだけでなく、ランナー切断突起２７ａが残っており、真球体からはほど遠い状態となっている。このため、真球体の金属ガラス球体１０を形成するためには、分離された金属ガラス球体部１０ａを研磨機１５で研磨する必要がある。
【００４４】
金属ガラス球体部１０ａを研磨機１５で研磨するために金属ガラス球体部１０ａを研磨用保持板３４に設けられた保持孔３８に嵌め込む（図４参照）。このとき金属ガラス球体部１０ａの向きは、金属ガラス球体部１０ａに残存しているランナー切断突起２７ａが研磨用保持板３４の上端面および下端面から突出した状態でセットするのが好ましい。なぜならば、保持孔３８の上端面の直径Ｗ１は、保持孔３８に嵌め込まれる金属ガラス球体部１０ａの直径Ｄよりも大きく形成されているものの、一方のランナー切断突起２７ａの端部から他方のランナー切断突起２７ａの端部までの距離Ｗ３は直径Ｄよりも長い。このため、ランナー切断突起２７ａが金属ガラス球体部１０ａの図中横方向から突出した状態で保持孔３８にセットすることは困難であり、たとえセットすることができたとしても、ランナー切断突起２７ａが研磨用保持板３４を損傷させる原因となるからである。
【００４５】
全ての保持孔３８に金属ガラス球体部１０ａを嵌め込んだ後、駆動装置を用いて保持板回転軸３６および研磨用保持板３４を回転させる（図３参照）。この研磨用保持板３４の回転速度は特に限定されるものではないが、極端な高速回転にしない方がよい。回転速度が速すぎると、遠心力により金属ガラス球体部１０ａが保持孔３８から飛び出すおそれがあるからである。
【００４６】
研磨用保持板３４の回転が安定したら、上側研磨装置３０および下側研磨装置３２により金属ガラス球体部１０ａの表面研磨を行う。まず、下側研磨盤４６の砥石５０と金属ガラス球体部１０ａとが離間した状態で下側研磨盤４６および下側研磨盤回転軸４８を駆動装置により回転させる。そして、下側研磨盤４６の回転が安定した後、下側研磨盤４６の位置を砥石５０が金属ガラス球体部１０ａを押圧する位置まで図中上方向に移動する。
【００４７】
このとき、金属ガラス球体部１０ａは下側研磨盤４６によって軽く持ち上げられた状態になっており、金属ガラス球体部１０ａと下側研磨盤４６との接触位置には、金属ガラス球体部１０ａ自身の重量だけが作用している。したがって、この状態において、金属ガラス球体部１０ａの表面研磨はほとんど行われない。
【００４８】
次に、上側研磨盤４０の砥石４４と金属ガラス球体部１０ａとが離間した状態で上側研磨盤４０および上側研磨盤回転軸４２を駆動装置により回転させる。そして、上側研磨盤４０の回転が安定した後、上側研磨盤４０の位置を金属ガラス球体部１０ａに向けて図中下方向に移動する。上側研磨盤４０の砥石４４の下面と金属ガラス球体部１０ａとが接触した後、上側研磨盤４０の駆動装置は、上側研磨盤４０を金属ガラス球体部１０ａに向けて所定の圧力で押圧する。このとき、下側研磨盤４６は金属ガラス球体部１０ａを介して上側研磨盤４０から図中下向きの押圧力を受けるので、下側研磨盤４６が当該押圧力に抗して所定の位置を維持できるように、駆動装置によって下側研磨盤４６を図中上方向に付勢しておくべきことはいうまでもない。
【００４９】
上側研磨盤４０および下側研磨盤４６で挟み込んだ金属ガラス球体部１０ａを上側研磨盤４０および下側研磨盤４６にそれぞれ取り付けられた砥石４４、５０によって押圧することにより、金属ガラス球体部１０ａが保持孔３８の中で回転し、残存していたランナー切断突起２７ａが研磨除去される。さらに上側研磨盤４０の下端面と下側研磨盤４６の上端面との間隔が予め設定した長さになるまで金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨する。研磨が終了すると、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６を初期待機位置に戻し、金属ガラス球体１０の製造が完了する。
【００５０】
研磨機１５では、金属ガラス球体部１０ａを研磨機１５の保持孔３８に嵌め込んだ状態で研磨するが、研磨用保持板３４の材質は、金属ガラスよりも柔らかいことから、研磨中に金属ガラス球体部１０ａ同士が接触し、互いの表面に傷をつけるおそれがなく、かつ、ランナー切断突起２７ａが残った金属ガラス球体部１０ａを研磨用保持板３４に独立して設けられた複数の保持孔３８に収容して金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨する。これにより、金属ガラス球体部１０ａ同士を互いに接触させることなく研磨することができ、かつ、研磨用保持板３４の材質は、金属ガラスよりも柔らかいことから、研磨中の金属ガラス球体部１０ａの表面に傷がつくおそれがない。
【００５１】
また、金属ガラス球体部１０ａは、研磨用保持板３４に対して回転可能に、かつ金属ガラス球体部１０ａの一部が研磨用保持板３４の上下表面から露出するように保持孔３８に収容されている。そして、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６を金属ガラス球体部１０ａの上下の露出部に接触させつつ、研磨用保持板３４に対して上側研磨盤４０および下側研磨盤４６を偏心させて相対回転させることにより、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６と金属ガラス球体部１０ａとの接触位置が常に変化するので、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６は、金属ガラス球体部１０ａの全表面をまんべんなく研磨することができる。
【００５２】
さらに、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６は、研磨用保持板３４を上下から挟むようにして金属ガラス球体部１０ａを研磨するので、金属ガラス球体部１０ａを効率よく研磨することができる。
【００５３】
したがって、本発明に係る製造方法によれば、鋳造工程において、キャビティ２０内における金属ガラス溶湯１２を臨界冷却速度以上の均一な冷却速度で冷却し、均質な非結晶質組織を備える金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１を製造することができる。さらに、研磨工程において、研磨中に金属ガラス球体部１０ａ同士が互いの表面に傷をつけるおそれがなく、かつ、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６が金属ガラス球体部１０ａの全表面をまんべんなく研磨することができるので、金属ガラス球体部１０ａの表面精度を高めて真球体である金属ガラス球体１０を製造することができる。
【００５４】
このようにして形成された金属ガラス球体１０は、高硬度、低ヤング率および高耐腐食性を有している。例えば、Ｆｅ基の金属ガラスで試作された金属ガラス球体１０のビッカース硬さは９００ｋｇｆ／ｍｍ２程度であり、インストロン装置を用いて測定したところ引張強度は１１００〜１２００ＭＰａ、そしてヤング率は２００ＧＰａ程度であった。また、Ｚｒ基の金属ガラスで試作された金属ガラス球体１０のビッカース硬さは１１００ｋｇｆ／ｍｍ２程度であり、引張強度は１７００ＭＰａ程度、そしてヤング率は９０ＧＰａ程度であった。
【００５５】
また、金属ガラスは非結晶質であることから、金属ガラス球体１０の表面には粒界が存在せず、表面の平滑度を結晶質金属の球体とは比較にならない程度（試作球体では６ｎｍ）まで高くすることができる。さらに、金属ガラスには粒界が存在しないので、粒界の角部などを基点として粒子の小片が剥がれ落ちる「チッピング」が発生することもない。また、粒界が存在しないことにより、金属ガラスには腐食が発生し難い。
【００５６】
このため、金属ガラス球体１０をベアリングボールとして軸受けに適用することで、金属ガラス球体１０の有する高強度、低ヤング率、高耐食性、および表面のなめらかさに起因して、高精度、高衝撃吸収性、超寿命性、および低騒音性を有する軸受けを形成することができる。
【００５７】
また、金属ガラス球体１０をボールペンのペン先に収容することで、従来のボールペンのペン先に収容されていたステンレスなどの球体に比べて金属ガラス球体１０の表面はなめらかであるから、書き味がなめらかで、耐食性および耐摩耗性にすぐれたボールペンを形成することができる。
【００５８】
さらに、金属ガラス球体１０を装飾品に用いることにより、従来の貴金属に比べて金属ガラス１０の表面はなめらかであり、かつ、耐食性が高いことから、美しい光沢を長い期間持続することのできる装飾品を形成することができる。
【００５９】
なお、本実施例では、金属ガラス球体成形用鋳型１４に球状の空間であるキャビティ２０を形成することで、金属ガラス球体１０を製造するようにしているが、本件発明に係る製造方法で製造する金属ガラスは球状に限られず、円柱状の金属ガラスを鋳造し、これを切断して研磨により球状、円柱状、円錐状の金属ガラスを形成してもよい。
【００６０】
また、本実施例では、鋳造により金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１を製作しているが、金属ガラス溶湯１２を全体として均一な速度で冷却し、均質な非結晶質組織を有する金属ガラス球体部１０ａを形成することができるのであれば、誘導加熱を利用した浮遊溶解方法や鍛造方法などを用いてもよい。
【００６１】
また、本実施例では、金属ガラスの例としてＦｅ基の金属ガラスとＺｒ基の金属ガラスとを挙げているが、Ｔｉ基など他の種類の金属ガラスを用いてもよい。さらに、本件発明では金属ガラスだけでなく、アモルファス金属、ナノ結晶或いは準結晶合金も用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明にかかる製造方法において用いられる金属ガラス球体成形用鋳型を示す断面図である。
【図２】図１に示す金属ガラス球体成形用鋳型を用いて鋳造された金属ガラス球体部を有する鋳造物を示す斜視図である。
【図３】本発明にかかる製造方法において用いられる研磨機を示す図である。
【図４】図３に示す研磨機の研磨用保持板に形成された保持孔付近を拡大した図である。
【図５】図１に示す金属ガラス球体成形用鋳型に形成されたキャビティに金属ガラス溶湯を充填する際の金属ガラス溶湯の流れ、および通水孔とキャビティとの位置関係を示す図である。
【図６】従来技術の鋳造工程において用いられる割り金型を示す断面図である。
【図７】図６に示す割り金型を用いて鋳造された金属ガラス球体部を有する鋳造物を示す図である。
【図８】図７に示す金属ガラス球体部を個別に切り離した状態を示す図である。
【図９】従来技術の研磨工程において用いられる研磨機を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０…金属ガラス球体
１０ａ…金属ガラス球体部
１１…鋳造物
１２…金属ガラス溶湯
１４…金属ガラス球体成形用鋳型
１５…研磨機
１８…注入口
２０…キャビティ
２２…湯道
２４…接続部
２６…通水孔
２７…ランナー
２８…保持装置
３０…上側研磨装置
３２…下側研磨装置
３４…研磨用保持板
３６…保持板回転軸
３８…保持孔
４０…上側研磨盤
４２…上側研磨盤回転軸
４４…砥石
４６…下側研磨盤
４８…下側研磨盤回転軸
５０…砥石
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造した金属ガラス球状部を研磨して真球状の金属ガラス球体を製造する方法、および該方法により製造された金属ガラス球体の用途発明に関する。
【背景技術】
【０００２】
非結晶合金であるアモルファス金属や金属ガラス、ナノ結晶或いは準結晶合金（以下、「金属ガラス」という）は、一般の結晶金属材料に比べ、高強度、低ヤング率、高耐食性、優れた磁気特性などを持つことから、非常に有望な新材料であることが知られており、幅広い分野への応用が期待されている。
【０００３】
特に、金属ガラスには粒界がないことから、研磨表面の精度を高くすることによって表面が非常になめらかな真球体の金属ガラスを製作することができる。また、金属ガラスは腐食し難い性質を有している。このため、金属ガラスで形成された真球体が実用化されれば、軸受け用のベアリングボールやボールペンのペン先に収容されるボールなどの用途に最適な球体になると考えられる。
【０００４】
このように実用化が期待される金属ガラス球体１００を形成するには、鋳造により金属ガラス球体部１０１を有する鋳造物１０２を製造した後、この金属ガラス球体部１０１を研磨機１０３で研磨し、表面精度を高めて真球体にする必要がある。
【０００５】
金属ガラス球体部１０１を有する鋳造物１０２の鋳造には、図６に示すように、球状に形成された複数のキャビティ１０４、および金属ガラス溶湯１０５をキャビティ１０４に導くため、互いに隣接するキャビティ１０４同士を連通する湯道１０６が形成された割り金型１０７を使用し、湯道１０６を通して金属ガラス溶湯１０５をキャビティ１０４にダイキャスティングした後、冷却して金属ガラス球体部１０１を有する鋳造物１０２を作る事が試みられていた。
【０００６】
このようにして鋳造された金属ガラス球体部１０１を有する鋳造物１０２は、図７に示すようなもので、キャビティ１０４の数と同じ数の球体（すなわち、金属ガラス球体部１０１）がランナー１０８によって数珠繋ぎ状で一体的に形成されている。そして、砥石などを用いてランナー１０８を切断し、鋳造物１０２から個々の金属ガラス球体部１０１を分離する。
【０００７】
このとき、個々の金属ガラス球体部１０１には、図８に示すようなランナー１０８の未切除部分（以下、「ランナー切断突起」という）１０８ａが残っているので、この金属ガラス球体部１０１を研磨機１０３で研磨する必要がある。従来、金属ガラスではない普通の鋼製ベアリングボール用球体Ｂの研磨には、例えば図９に示すような研磨機１０３が使用されていた。この研磨機１０３は、円盤状の上側加工盤１０９と、上側加工盤１０９よりも大径で、その中心軸１１０が上側加工盤１０９の中心軸１１１から偏心し、かつ、所定の間隔をあけて上側加工盤１０９と対向する位置に配設された円盤状の下側加工盤１１２とで構成されており、上側加工盤１０９の下面の収納凹部１０９ａ内に多数の鋼製ベアリングボール用球体Ｂを収容し、下側加工盤１１２に接触させつつ上・下側加工盤１０９・１１２を相対回転させて多数の鋼製ベアリングボール用球体Ｂを一度に研磨していた（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２８５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に開示された研磨機１０３は、多数の鋼製ベアリングボール用球体Ｂを収納凹部１０９ａ内に収容して研磨を行うものであり、鋼製ベアリングボール用球体Ｂは互いに接触しながら研磨される。つまり、一の鋼製ベアリングボール用球体Ｂの表面は常に隣に配置された他の鋼製ベアリングボール用球体Ｂ、およびランナー切断突起１０８ａによって傷つけられ、同時に一の鋼製ベアリングボール用球体Ｂ、およびランナー切断突起１０８ａは隣に配置された他の鋼製ベアリングボール用球体Ｂを傷つける。このため、鋼製ベアリングボール用球体Ｂの表面は常に傷がつけられた状態となり、研磨工程を経ても高い表面精度を付与することができず、鋼製ベアリングボール用球体Ｂを真球体に形成することが困難であった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みて開発されたものである。それゆえに本発明の主たる課題は、金属ガラス球体部１０ａの表面精度を高めて真球体である金属ガラス球体１０にすることのできる、金属ガラス球体１０の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載した発明は、「ランナー２７で数珠繋ぎ状態となった金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１をランナー２７部分で切断して側部にランナー切断突起２７ａが残った金属ガラス球体部１０ａを形成し、研磨用保持板３４に独立して設けられた複数の保持孔３８に、金属ガラス球体部１０ａを研磨用保持板３４に対して回転可能に、かつ金属ガラス球体部１０ａの一部が研磨用保持板３４から露出するように収容し、この状態で研磨盤４０、４６を金属ガラス球体部１０ａの露出部に接触させつつ研磨用保持板３４に対して研磨盤４０、４６を偏心させて相対回転させ、金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨して真球にすることを特徴とする金属ガラス球体１０の製造方法」である。
【００１１】
この発明によれば、ランナー切断突起２７ａが残った金属ガラス球体部１０ａを研磨用保持板３４に独立して設けられた複数の保持孔３８に収容して金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨する。これにより、金属ガラス球体部１０ａ同士を互いに接触させることなく研磨することができるので、研磨中に金属ガラス球体部１０ａ同士が互いの表面に傷をつけるおそれがない。
【００１２】
また、保持孔３８は、金属ガラス球体部１０ａを研磨用保持板３４に対して回転可能に、かつ金属ガラス球体部１０ａの一部が研磨用保持板３４から露出するように収容しており、かつ、研磨盤４０、４６を金属ガラス球体部１０ａの露出部に接触させつつ研磨用保持板３４に対して研磨盤４０、４６を偏心させて相対回転させることにより、研磨盤４０、４６と金属ガラス球体部１０ａとの接触位置が常に変化するので、研磨盤４０、４６は、金属ガラス球体部１０ａの全表面をまんべんなく研磨することができる。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の金属ガラス球体１０の製造方法において、「金属ガラス球体部１０ａは研磨用保持板３４の表裏両面から露出しており、研磨用保持板３４を挟むように研磨用保持板３４の表裏両面に沿って設けられた研磨盤４０、４６にて、金属ガラス球体部１０ａを研磨する」ことを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、研磨用保持板３４を挟むように研磨用保持板３４の表裏両面に沿って設けられた研磨盤４０、４６にて金属ガラス球体部１０ａを研磨するので、金属ガラス球体部１０ａを効率よく研磨することができる。
【００１５】
請求項３に記載した発明は、「請求項１または２に記載の金属ガラス球体１０の製造方法により製造された金属ガラス球体１０をベアリングボールとして用いた軸受け」である。
【００１６】
本発明によれば、金属ガラス球体１０をベアリングボールとして軸受けに適用することで、金属ガラス球体１０の有する高強度、低ヤング率、高耐食性、および表面のなめらかさに起因して、高精度、高衝撃吸収性、超寿命性、および低騒音性を有する軸受けを形成することができる。
【００１７】
請求項４に記載した発明は、「請求項１または２に記載の金属ガラス球体１０の製造方法により製造された金属ガラス球体１０をペン先に収容したことを特徴とするボールペン」である。
【００１８】
本発明によれば、従来のボールペンのペン先に収容されていたステンレスなどの球体に比べて金属ガラス球体１０の表面はなめらかであるから、書き味がなめらかで、耐食性および耐摩耗性にすぐれたボールペンを形成することができる。
【００１９】
請求項５に記載した発明は、「請求項１または２に記載の金属ガラス球体の製造方法により製造された金属ガラス球体を用いた装飾品」である。
【００２０】
本発明によれば、従来の貴金属に比べて金属ガラス１０の表面はなめらかであり、かつ、耐食性が高いことから、美しい光沢を長い期間持続することのできる装飾品を形成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、研磨中に金属ガラス球体部同士が互いの表面に傷をつけるおそれがなく、かつ、研磨盤が金属ガラス球体部の全表面をまんべんなく研磨することができるので、金属ガラス球体部の表面精度を高めて真球体である金属ガラス球体を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を図示実施例に従って詳述する。本発明に係る金属ガラス球体１０の製造方法は、金属ガラスを溶解して得られた金属ガラス溶湯１２を金属ガラス球体成形用鋳型１４に注入して鋳込む「鋳造工程」と、該鋳造工程により得られた金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１から個々の金属ガラス球体部１０ａを分離し、金属ガラス球体部１０ａを研磨機１５で研磨して金属ガラス球体部１０ａを真球体である金属ガラス球体１０に形成する「研磨工程」とで大略構成されている。なお、本明細書において「金属ガラス」とは、アモルファス金属、ナノ結晶或いは準結晶合金をも含む概念である。
【００２３】
上述した鋳造工程で用いられる金属ガラス球体成形用鋳型１４は、図１に示すように、円筒状の溶湯の注入口１８[＝湯口]を中心として、球状に形成された複数の空間であるキャビティ２０と、注入口１８とキャビティ２０、あるいは隣りあうキャビティ２０同士を連通する湯道２２とで構成されている（このキャビティ２０と湯道２２とが接続されている部分を、以下「接続部２４」という）。また、本実施例では、所定の間隔をあけて一直線上に複数のキャビティ２０が配置されており、隣あう２つのキャビティ２０を湯道２２が連通するようにして一連のキャビティ群Ｇが形成されており、複数のキャビティ群Ｇが注入口１８を中心として同一水平面上において放射状に４組形成されている。もちろん、金属ガラス球体成形用鋳型１４に形成される１つのキャビティ群Ｇに含まれるキャビティ２０の数、および注入口１８を中心とするキャビティ群Ｇの数は本実施例に限られず、任意の数に設定することができる。
【００２４】
また、金属ガラス球体成形用鋳型１４には、熱伝導性に優れた金属材料、例えば銅が使用されており、金属ガラス溶湯１２を冷却するための冷却水Ｃが通水される通水孔２６がキャビティ群Ｇごとに設けられている（図１参照）。さらに、通水孔２６は、通水孔２６とキャビティ２０のとの距離Ｌが接続部２４において長く（Ｌ１）、キャビティ２０の最大径部２０ａにおいて短く（Ｌ２）なるように形成されている。
【００２５】
なお、「キャビティ２０の最大径部２０ａ」とは、金属ガラス溶湯１２の流れ方向に直交するキャビティ２０の断面において、その断面の径が最大となる（つまり、断面積が最大となる）部分をいい、「通水孔２６からキャビティ２０の最大径部２０ａまでの距離」とは、通水孔２６の内面から、キャビティ２０の最大径部２０ａに対応する金属ガラス球体成形用鋳型１４の内面までの最短距離をいう。
【００２６】
また、金属ガラス球体成形用鋳型１４が冷却され、鋳込まれた金属ガラス溶湯１２が臨界冷却速度以上の速度で均一に冷却できるようなものであれば、通水孔２６に冷却水Ｃを通水する本実施例に記載の手段に限られず、他の手段を用いることができる。
【００２７】
さらに、金属ガラス球体成形用鋳型１４の適当な箇所には、金属ガラス溶湯１２を注入する際、キャビティ２０内に存在していた空気や、金属ガラス溶湯１２から放散されるガスをキャビティ２０から抜き出すためのガス抜き孔（図示せず）が設けられている。
【００２８】
また、金属ガラス球体成形用鋳型１４には、金属ガラスを溶解して金属ガラス溶湯１２にする高周波コイル（図示せず）が注入口１８に合わせて設けられている。もちろん、金属ガラスを溶解して金属ガラス溶湯１２にすることのできるものであれば、高周波コイルの他に電気炉やバーナ炉などを使用してもよい。
【００２９】
本実施例に係る金属ガラス球体成形用鋳型１４によれば、図２に示すように、ランナー２７によって数珠繋ぎ状となった金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１が形成される。
【００３０】
研磨機１５は、上述した鋳造工程により得られた金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１から、砥石などでランナー２７を切断することにより分離され、ランナー２７の未切除部分（以下、「ランナー切断突起」という）２７ａが残っている個々の金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨するものであり、図３に示すように、金属ガラス球体部１０ａを保持する保持装置２８と、保持装置２８によって保持された金属ガラス球体部１０ａを図中上方から研磨する上側研磨装置３０と、金属ガラス球体部１０ａを図中下方から研磨する下側研磨装置３２とで大略構成されている。
【００３１】
保持装置２８は、金属ガラスよりも柔らかい素材で形成された円盤状の研磨用保持板３４と、研磨用保持板３４の中心から突設された円柱状の保持板回転軸３６とを有しており、研磨用保持板３４は、保持板回転軸３６を中心として、図示しない駆動装置によって回転するようになっている。また、研磨用保持板３４には、金属ガラス球体部１０ａが嵌め込まれる保持孔３８が複数設けられており、金属ガラス球体部１０ａは、この保持孔３８に嵌り込まれて研磨用保持板３４に保持される。
【００３２】
保持孔３８についてさらに説明すると、図４に示すように、保持孔３８の上端面の直径Ｗ１は、保持孔３８に嵌め込まれる金属ガラス球体部１０ａの直径Ｄよりも大きく、保持孔３８の下端面の直径Ｗ２は、該直径Ｄよりも小さく形成されている。これにより、金属ガラス球体部１０ａを保持孔３８に対して容易に嵌め込むことができるとともに、金属ガラス球体部１０ａが保持孔によって回転可能に保持され、さらに保持孔３８の下端面から金属ガラス球体部１０ａの下部を少し露出させた状態で金属ガラス球体部１０ａを保持することができるので、金属ガラス球体部１０ａが保持孔３８から抜け落ちることはない。また、研磨用保持板３４の厚さＷ４は直径Ｄよりも小さく形成されているので、金属ガラス球体部１０ａの下部だけでなく、上部も研磨用保持板３４から露出するようになっている。なお、本実施例によれば、保持孔３８の内面はその断面が曲線状（つまり、椀状）に形成されているが、保持孔３８の内面をその断面が直線上（つまり、円錘状）に形成してもよい。また、金属ガラス球体部１０ａの上部または下部だけを研磨用保持板３４から露出するようにしてもよい。この場合、後述する研磨装置３０、３２は、金属ガラス球体部１０ａが露出している側だけに設ければよい。
【００３３】
上側研磨装置３０は（図３参照）、研磨用保持板３４に保持された金属ガラス球体部１０ａの表面を図中上側から研磨する装置であり、円盤状の上側研磨盤４０と、上側研磨盤４０の中心から図中上向きに突設された円柱状の上側研磨盤回転軸４２とで構成されている。また、上側研磨盤４０の図中下面、つまり金属ガラス球体部１０ａと接する面には、円盤状の砥石４４が取り付けられている。さらに、上側研磨盤４０は、上側研磨盤回転軸４２を中心として図示しない駆動装置によって回転するようになっている。また、上側研磨盤４０の位置は、図示しない他の駆動装置によって上下できるようになっている。これにより、上側研磨装置３０は、上側研磨盤４０および砥石４４を回転させながら砥石４４の下端面で金属ガラス球体部１０ａを押圧して金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨することができる。
【００３４】
下側研磨装置３２は、研磨用保持板３４に保持された金属ガラス球体部１０ａの表面を図中下側から研磨する装置であり、円盤状の下側研磨盤４６と、下側研磨盤４６の中心から図中下向きに突設された円柱状の下側研磨盤回転軸４８とで構成されている。また、下側研磨盤４６の図中上面、つまり金属ガラス球体部１０ａと接する面には、円盤状の砥石５０が取り付けられている。さらに、下側研磨盤４６は、下側研磨盤回転軸４８を中心として図示しない駆動装置によって回転するようになっている。また、下側研磨盤４６の位置は、図示しない他の駆動装置によって上下できるようになっている。これにより、下側研磨装置３２は、下側研磨盤４６および砥石５０を回転させながら砥石５０の上端面で金属ガラス球体部１０ａを押圧して金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨することができる。
【００３５】
なお、砥石４４、５０の材質および粗度は、要求される金属ガラス球体部１０ａの表面の精度および金属ガラスの組成などに応じて最適なものが使用される。また、適当な支持シート上にバインダを介して所定の番手のダイヤモンド研磨砥粒を塗布したダイヤモンドシート（図示せず）を砥石４４、５０の代わりに使用することもできる。さらに、本実施例では、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６に砥石４４、５０を取り付けているが、上側研磨盤４０自身または下側研磨盤４６自身の少なくとも一方を砥石４４、５０で一体的に形成してもよい。
【００３６】
また、本実施例では、研磨機１５の上側（図３の上方向）から見て、保持装置２８は反時計回り、上側研磨装置３０および下側研磨装置３２は時計回りに回転するようになっており、研磨用保持板３４に対して上側研磨盤４０および下側研磨盤４６が相対回転する。なお、研磨用保持板３４を固定し、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６を回転するようにしてもよい。
【００３７】
高周波コイルで溶解した金属ガラス溶湯１２を注入口１８に注入すると（図１参照）、金属ガラス溶湯１２は注入口１８から湯道２２およびキャビティ２０を通流し、注入口１８から最も離間したキャビティ２０に充填される。この間、金属ガラス球体成形用鋳型１４の温度は、金属ガラス溶湯１２が液状を保つことのできる範囲内に調整されている。
【００３８】
ここで、図５に示すように、金属ガラス溶湯１２がキャビティ２０に充填され始めてから充満されるまでの間において、当該キャビティ２０における金属ガラス溶湯１２の流速は、流路の断面積が最も小さい接続部２４において最も速く、流路の断面積が最も大きいキャビティ２０の最大径部２０ａに近づくにつれて遅くなり、キャビティ２０の最大径部２０ａを通過すると流速は再び速くなる。このため、金属ガラス溶湯１２の有する熱は、金属ガラス溶湯１２の流速が遅いキャビティ２０の最大径部２０ａにおいて金属ガラス球体成形用鋳造１４に移動し難く、金属ガラス溶湯１２の流速が速い接続部２４において移動し易い。つまり、キャビティ２０の内部を流れる金属ガラス溶湯１２の流速の差に起因する金属ガラス溶湯の冷却速度差（金属ガラス溶湯１２の流速が遅いほど、冷却速度が遅い）が生じる。
【００３９】
この点、本実施例では、冷却水Ｃが通流する通水孔２６とキャビティ２０の内壁面との距離Ｌを接続部２４において長く（Ｌ１）、逆にキャビティ２０の最大径部２０ａにおいて短く（Ｌ２）なるように形成されているので、接続部２４において金属ガラス溶湯１２が有する熱を冷却水Ｃが吸収する効率に比べ、キャビティ２０の最大径部２０ａにおいて金属ガラス溶湯１２が有する熱を冷却水Ｃが吸収する効率が高い。つまり、通水孔２６とキャビティ２０内壁面との距離Ｌの差に起因する冷却速度差（距離Ｌが短いほど、熱吸収効率が高い）が生じる。このため、上述した「流速の差に起因する冷却速度差」と、「距離Ｌの差に起因する冷却速度差」とが相殺しあうので、キャビティ２０の内部における金属ガラス溶湯１２から冷却水Ｃに吸収される熱量が均一化される。したがって、本実施例に係る金属ガラス球体成形用鋳型１４によれば、キャビティ２０に充填された金属ガラス溶湯１２を均一な冷却速度で冷却することができるので、全体として均質な非結晶質を有する金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１を製作することができる。
【００４０】
なお、本発明に適用される金属ガラスは、
(1)元素の周期律表において隣接した族番号に属する３成分以上の多成分系からなる単相の固溶体を生成する事、
(2)構成元素の少なくとも２成分の原子寸法の比が３％以上である事、
(3)構成元素の混合熱が正の値、零あるいは僅かに負の値を持ち、原子間の結合性が互いに反発し合う状態にある事、というような「金属ガラス生成３条件」を満足させるものであればどのようなものであってもよい。
【００４１】
また、注入時の金属ガラス溶湯１２の温度は、その合金等の融点＋１００〜３００℃であることが好適である。また、必要があれば、注湯時において金属ガラス溶湯１２を最大数百トン程度まで加圧して金属ガラス溶湯１２の射出速度を高めてもよい。もちろん、単に金属ガラス溶湯１２の自重により注入してもよいが、この場合、キャビティ２０が形成される位置よりも高い位置に注入口１８を設ける必要がある。なお、金属ガラス溶湯１２の射出速度は、０．１〜１ｍ／秒であることが好ましい。
【００４２】
また、金属ガラス溶湯１２に圧力を加える加圧注入方式の場合、流入速度を速くすることができるので、連続して形成されるキャビティ２０の数をより多くすることができる。
【００４３】
本実施例に係る金属ガラス球体成形用鋳型１４で製造された鋳造物１１は、複数の金属ガラス球体部１０ａがランナー２７によって数珠繋ぎにされており、図示しない砥石でランナー２７を切断して個々の金属ガラス球体部１０ａに分離する。ここで、分離された金属ガラス球体部１０ａには、冷却時にひずみが生じているだけでなく、ランナー切断突起２７ａが残っており、真球体からはほど遠い状態となっている。このため、真球体の金属ガラス球体１０を形成するためには、分離された金属ガラス球体部１０ａを研磨機１５で研磨する必要がある。
【００４４】
金属ガラス球体部１０ａを研磨機１５で研磨するために金属ガラス球体部１０ａを研磨用保持板３４に設けられた保持孔３８に嵌め込む（図４参照）。このとき金属ガラス球体部１０ａの向きは、金属ガラス球体部１０ａに残存しているランナー切断突起２７ａが研磨用保持板３４の上端面および下端面から突出した状態でセットするのが好ましい。なぜならば、保持孔３８の上端面の直径Ｗ１は、保持孔３８に嵌め込まれる金属ガラス球体部１０ａの直径Ｄよりも大きく形成されているものの、一方のランナー切断突起２７ａの端部から他方のランナー切断突起２７ａの端部までの距離Ｗ３は直径Ｄよりも長い。このため、ランナー切断突起２７ａが金属ガラス球体部１０ａの図中横方向から突出した状態で保持孔３８にセットすることは困難であり、たとえセットすることができたとしても、ランナー切断突起２７ａが研磨用保持板３４を損傷させる原因となるからである。
【００４５】
全ての保持孔３８に金属ガラス球体部１０ａを嵌め込んだ後、駆動装置を用いて保持板回転軸３６および研磨用保持板３４を回転させる（図３参照）。この研磨用保持板３４の回転速度は特に限定されるものではないが、極端な高速回転にしない方がよい。回転速度が速すぎると、遠心力により金属ガラス球体部１０ａが保持孔３８から飛び出すおそれがあるからである。
【００４６】
研磨用保持板３４の回転が安定したら、上側研磨装置３０および下側研磨装置３２により金属ガラス球体部１０ａの表面研磨を行う。まず、下側研磨盤４６の砥石５０と金属ガラス球体部１０ａとが離間した状態で下側研磨盤４６および下側研磨盤回転軸４８を駆動装置により回転させる。そして、下側研磨盤４６の回転が安定した後、下側研磨盤４６の位置を砥石５０が金属ガラス球体部１０ａを押圧する位置まで図中上方向に移動する。
【００４７】
このとき、金属ガラス球体部１０ａは下側研磨盤４６によって軽く持ち上げられた状態になっており、金属ガラス球体部１０ａと下側研磨盤４６との接触位置には、金属ガラス球体部１０ａ自身の重量だけが作用している。したがって、この状態において、金属ガラス球体部１０ａの表面研磨はほとんど行われない。
【００４８】
次に、上側研磨盤４０の砥石４４と金属ガラス球体部１０ａとが離間した状態で上側研磨盤４０および上側研磨盤回転軸４２を駆動装置により回転させる。そして、上側研磨盤４０の回転が安定した後、上側研磨盤４０の位置を金属ガラス球体部１０ａに向けて図中下方向に移動する。上側研磨盤４０の砥石４４の下面と金属ガラス球体部１０ａとが接触した後、上側研磨盤４０の駆動装置は、上側研磨盤４０を金属ガラス球体部１０ａに向けて所定の圧力で押圧する。このとき、下側研磨盤４６は金属ガラス球体部１０ａを介して上側研磨盤４０から図中下向きの押圧力を受けるので、下側研磨盤４６が当該押圧力に抗して所定の位置を維持できるように、駆動装置によって下側研磨盤４６を図中上方向に付勢しておくべきことはいうまでもない。
【００４９】
上側研磨盤４０および下側研磨盤４６で挟み込んだ金属ガラス球体部１０ａを上側研磨盤４０および下側研磨盤４６にそれぞれ取り付けられた砥石４４、５０によって押圧することにより、金属ガラス球体部１０ａが保持孔３８の中で回転し、残存していたランナー切断突起２７ａが研磨除去される。さらに上側研磨盤４０の下端面と下側研磨盤４６の上端面との間隔が予め設定した長さになるまで金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨する。研磨が終了すると、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６を初期待機位置に戻し、金属ガラス球体１０の製造が完了する。
【００５０】
研磨機１５では、金属ガラス球体部１０ａを研磨機１５の保持孔３８に嵌め込んだ状態で研磨するが、研磨用保持板３４の材質は、金属ガラスよりも柔らかいことから、研磨中に金属ガラス球体部１０ａ同士が接触し、互いの表面に傷をつけるおそれがなく、かつ、ランナー切断突起２７ａが残った金属ガラス球体部１０ａを研磨用保持板３４に独立して設けられた複数の保持孔３８に収容して金属ガラス球体部１０ａの表面を研磨する。これにより、金属ガラス球体部１０ａ同士を互いに接触させることなく研磨することができ、かつ、研磨用保持板３４の材質は、金属ガラスよりも柔らかいことから、研磨中の金属ガラス球体部１０ａの表面に傷がつくおそれがない。
【００５１】
また、金属ガラス球体部１０ａは、研磨用保持板３４に対して回転可能に、かつ金属ガラス球体部１０ａの一部が研磨用保持板３４の上下表面から露出するように保持孔３８に収容されている。そして、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６を金属ガラス球体部１０ａの上下の露出部に接触させつつ、研磨用保持板３４に対して上側研磨盤４０および下側研磨盤４６を偏心させて相対回転させることにより、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６と金属ガラス球体部１０ａとの接触位置が常に変化するので、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６は、金属ガラス球体部１０ａの全表面をまんべんなく研磨することができる。
【００５２】
さらに、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６は、研磨用保持板３４を上下から挟むようにして金属ガラス球体部１０ａを研磨するので、金属ガラス球体部１０ａを効率よく研磨することができる。
【００５３】
したがって、本発明に係る製造方法によれば、鋳造工程において、キャビティ２０内における金属ガラス溶湯１２を臨界冷却速度以上の均一な冷却速度で冷却し、均質な非結晶質組織を備える金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１を製造することができる。さらに、研磨工程において、研磨中に金属ガラス球体部１０ａ同士が互いの表面に傷をつけるおそれがなく、かつ、上側研磨盤４０および下側研磨盤４６が金属ガラス球体部１０ａの全表面をまんべんなく研磨することができるので、金属ガラス球体部１０ａの表面精度を高めて真球体である金属ガラス球体１０を製造することができる。
【００５４】
このようにして形成された金属ガラス球体１０は、高硬度、低ヤング率および高耐腐食性を有している。例えば、Ｆｅ基の金属ガラスで試作された金属ガラス球体１０のビッカース硬さは９００ｋｇｆ／ｍｍ２程度であり、インストロン装置を用いて測定したところ引張強度は１１００〜１２００ＭＰａ、そしてヤング率は２００ＧＰａ程度であった。また、Ｚｒ基の金属ガラスで試作された金属ガラス球体１０のビッカース硬さは１１００ｋｇｆ／ｍｍ２程度であり、引張強度は１７００ＭＰａ程度、そしてヤング率は９０ＧＰａ程度であった。
【００５５】
また、金属ガラスは非結晶質であることから、金属ガラス球体１０の表面には粒界が存在せず、表面の平滑度を結晶質金属の球体とは比較にならない程度（試作球体では６ｎｍ）まで高くすることができる。さらに、金属ガラスには粒界が存在しないので、粒界の角部などを基点として粒子の小片が剥がれ落ちる「チッピング」が発生することもない。また、粒界が存在しないことにより、金属ガラスには腐食が発生し難い。
【００５６】
このため、金属ガラス球体１０をベアリングボールとして軸受けに適用することで、金属ガラス球体１０の有する高強度、低ヤング率、高耐食性、および表面のなめらかさに起因して、高精度、高衝撃吸収性、超寿命性、および低騒音性を有する軸受けを形成することができる。
【００５７】
また、金属ガラス球体１０をボールペンのペン先に収容することで、従来のボールペンのペン先に収容されていたステンレスなどの球体に比べて金属ガラス球体１０の表面はなめらかであるから、書き味がなめらかで、耐食性および耐摩耗性にすぐれたボールペンを形成することができる。
【００５８】
さらに、金属ガラス球体１０を装飾品に用いることにより、従来の貴金属に比べて金属ガラス１０の表面はなめらかであり、かつ、耐食性が高いことから、美しい光沢を長い期間持続することのできる装飾品を形成することができる。
【００５９】
なお、本実施例では、金属ガラス球体成形用鋳型１４に球状の空間であるキャビティ２０を形成することで、金属ガラス球体１０を製造するようにしているが、本件発明に係る製造方法で製造する金属ガラスは球状に限られず、円柱状の金属ガラスを鋳造し、これを切断して研磨により球状、円柱状、円錐状の金属ガラスを形成してもよい。
【００６０】
また、本実施例では、鋳造により金属ガラス球体部１０ａを有する鋳造物１１を製作しているが、金属ガラス溶湯１２を全体として均一な速度で冷却し、均質な非結晶質組織を有する金属ガラス球体部１０ａを形成することができるのであれば、誘導加熱を利用した浮遊溶解方法や鍛造方法などを用いてもよい。
【００６１】
また、本実施例では、金属ガラスの例としてＦｅ基の金属ガラスとＺｒ基の金属ガラスとを挙げているが、Ｔｉ基など他の種類の金属ガラスを用いてもよい。さらに、本件発明では金属ガラスだけでなく、アモルファス金属、ナノ結晶或いは準結晶合金も用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明にかかる製造方法において用いられる金属ガラス球体成形用鋳型を示す断面図である。
【図２】図１に示す金属ガラス球体成形用鋳型を用いて鋳造された金属ガラス球体部を有する鋳造物を示す斜視図である。
【図３】本発明にかかる製造方法において用いられる研磨機を示す図である。
【図４】図３に示す研磨機の研磨用保持板に形成された保持孔付近を拡大した図である。
【図５】図１に示す金属ガラス球体成形用鋳型に形成されたキャビティに金属ガラス溶湯を充填する際の金属ガラス溶湯の流れ、および通水孔とキャビティとの位置関係を示す図である。
【図６】従来技術の鋳造工程において用いられる割り金型を示す断面図である。
【図７】図６に示す割り金型を用いて鋳造された金属ガラス球体部を有する鋳造物を示す図である。
【図８】図７に示す金属ガラス球体部を個別に切り離した状態を示す図である。
【図９】従来技術の研磨工程において用いられる研磨機を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０…金属ガラス球体
１０ａ…金属ガラス球体部
１１…鋳造物
１２…金属ガラス溶湯
１４…金属ガラス球体成形用鋳型
１５…研磨機
１８…注入口
２０…キャビティ
２２…湯道
２４…接続部
２６…通水孔
２７…ランナー
２８…保持装置
３０…上側研磨装置
３２…下側研磨装置
３４…研磨用保持板
３６…保持板回転軸
３８…保持孔
４０…上側研磨盤
４２…上側研磨盤回転軸
４４…砥石
４６…下側研磨盤
４８…下側研磨盤回転軸
５０…砥石
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナーで数珠繋ぎ状態となった金属ガラス球体部を有する鋳造物を前記ランナー部分で切断して側部にランナー切断突起が残った金属ガラス球体部を形成し、
研磨用保持板に独立して設けられた複数の保持孔に、前記金属ガラス球体部を前記研磨用保持板に対して回転可能に、かつ前記金属ガラス球体部の一部が前記研磨用保持板から露出するように収容し、
この状態で研磨盤を前記金属ガラス球体部の露出部に接触させつつ前記研磨用保持板に対して前記研磨盤を偏心させて相対回転させ、前記金属ガラス球体部の表面を研磨して真球にすることを特徴とする金属ガラス球体の製造方法。
【請求項２】
前記金属ガラス球体部は前記研磨用保持板の表裏両面から露出しており、前記研磨用保持板を挟むように前記研磨用保持板の表裏両面に沿って設けられた研磨盤にて、前記金属ガラス球体部を研磨することを特徴とする請求項１に記載の金属ガラス球体の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の金属ガラス球体の製造方法により製造された金属ガラス球体をベアリングボールとして用いた軸受け。
【請求項４】
請求項１または２に記載の金属ガラス球体の製造方法により製造された金属ガラス球体をペン先に収容したことを特徴とするボールペン。
【請求項５】
請求項１または２に記載の金属ガラス球体の製造方法により製造された金属ガラス球体を用いた装飾品。
【請求項１】
ランナーで数珠繋ぎ状態となった金属ガラス球体部を有する鋳造物を前記ランナー部分で切断して側部にランナー切断突起が残った金属ガラス球体部を形成し、
研磨用保持板に独立して設けられた複数の保持孔に、前記金属ガラス球体部を前記研磨用保持板に対して回転可能に、かつ前記金属ガラス球体部の一部が前記研磨用保持板から露出するように収容し、
この状態で研磨盤を前記金属ガラス球体部の露出部に接触させつつ前記研磨用保持板に対して前記研磨盤を偏心させて相対回転させ、前記金属ガラス球体部の表面を研磨して真球にすることを特徴とする金属ガラス球体の製造方法。
【請求項２】
前記金属ガラス球体部は前記研磨用保持板の表裏両面から露出しており、前記研磨用保持板を挟むように前記研磨用保持板の表裏両面に沿って設けられた研磨盤にて、前記金属ガラス球体部を研磨することを特徴とする請求項１に記載の金属ガラス球体の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の金属ガラス球体の製造方法により製造された金属ガラス球体をベアリングボールとして用いた軸受け。
【請求項４】
請求項１または２に記載の金属ガラス球体の製造方法により製造された金属ガラス球体をペン先に収容したことを特徴とするボールペン。
【請求項５】
請求項１または２に記載の金属ガラス球体の製造方法により製造された金属ガラス球体を用いた装飾品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２４６６３７（Ｐ２００８−２４６６３７Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９２３１７（Ｐ２００７−９２３１７）
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（５９２２００３３８）日本素材株式会社 (29)
【出願人】（５０５４６１０９４）株式会社ＢＭＧ (13)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（５９２２００３３８）日本素材株式会社 (29)
【出願人】（５０５４６１０９４）株式会社ＢＭＧ (13)
【Ｆターム（参考）】
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