JP2004035406A

JP2004035406A - モールドプレス成形用ガラス及びその製造方法

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Publication number: JP2004035406A
Application number: JP2003351024A
Authority: JP
Inventors: Fumio Sato; 佐藤　史雄
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2021-10-29
Also published as: JP4453328B2

Abstract

【課題】どのような金型に対しても、また離型膜を形成しなくても、モールドプレス成形時に金型とガラスが接する部分が融着しないために、高い面精度の製品を提供できるモールドプレス成形用ガラスとその製造方法を提供する。
【解決手段】質量百分率で、ＳｉＯ₂　４４．７〜６０％、Ａｌ₂Ｏ₃　０〜４％含有するモールドプレス成形用ガラスを製造する方法であって、候補組成を用意する工程と、候補組成の塩基性度を求める工程と、金型との融着性を、求めた塩基性度に基づいて評価する工程と、求めた塩基性度が１１以下であり、金型と融着しないと判定する工程と、金型との融着がないと判定された組成を採用する工程と、採用された候補組成となるように原料を調合し、溶融、成形する工程とを含むことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

　本発明はモールドプレス成形用ガラスと、その評価、設計及び製造方法に関するものである

　ガラスのモールドプレス成形法は切削、研磨作業を必要とせず、高い表面精度の製品が得られる方法であり、非球面レンズや磁気記録媒体用基板の作製に多く用いられている。モールドプレス成形法によるガラス製品の作製は、形状を精密に加工した金型内で軟化変形する温度までガラスを加熱し、その後加圧成形して、金型形状をガラスに転写するものである。

　モールドプレス成形に用いられる金型の選定条件には、高い面精度の加工が可能であること、成形温度で変化しないこと等が挙げられる。主に用いられる材料として超硬合金であるＷＣがある。ＷＣはバインダーとしてＣｏやＮｉ、Ｃｒ等がよく用いられる。また耐食性を考慮し、微量のＴｉＣやＴａＣなどによって焼結させるものもある。高温条件での使用にはＳｉＣ等のセラミックを用いる場合がある。ＳｉＣには焼結後に表面を研磨するだけで使用する場合と、ＣＶＤ法により表面空孔を埋め、表面精度をさらに向上させたものがある。プレス条件や成型品に応じて各種ＳＵＳを選択する場合もある。

　モールドプレス成形における製品の品質と量産性の向上には、金型とガラスが融着しないことが必要で、繰り返しの使用に対しても金型の面精度が保たれていることが重要である。
特開平８−２６７６５号公報特開平８−２６７６６号公報特開平５−１９３９７９号公報特開２００１−８９１８３号公報特開２０００−１３２９号公報特開平３−３７１３０号公報特開昭６２−１２３０４０号公報特開平１０−２２６５３２号公報

　しかし、ガラスの種類によっては、繰り返し、或いは極端な場合は１回の成形でも金型とガラスが融着するという問題が発生する。融着すると金型表面にガラスが付着して生産不能となったり、金型の面精度を損ね、設計通りの製品を得られなくなる。金型と融着しないガラスを用いることが、製品の品質と量産性の向上に重要である。

　ガラスを融着させない方法として、金型表面に離型膜としてＣｒ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ等の純金属、又はこれらの合金若しくは炭化物、或いはカーボン、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ、ＢＮ等を被覆する方法も実用化されているが、金型に離型膜を形成することなく、モールドプレス成型することができることが望まれている。

　本発明では、どのような金型に対しても、また離型膜を形成しなくても、モールドプレス成形時に金型とガラスが接する部分が融着しないために、高い面精度の製品を提供できるモールドプレス成形用ガラスとその製造方法を提供することを目的としている。

　本発明のモールドプレス成形用ガラスの製造方法は、質量百分率で、ＳｉＯ₂　４４．７〜６０％、Ａｌ₂Ｏ₃　０〜４％含有するモールドプレス成形用ガラスを製造する方法であって、候補組成を用意する工程と、候補組成の塩基性度を求める工程と、金型との融着性を、求めた塩基性度に基づいて評価する工程と、求めた塩基性度が１１以下であり、金型と融着しないと判定する工程と、金型との融着がないと判定された組成を採用する工程と、採用された候補組成となるように原料を調合し、溶融、成形する工程とを含むことを特徴とする。

　本発明のモールドプレス成形用ガラスは、上記方法により製造されてなることを特徴とする。

　また本発明のモールドプレス成形用ガラスは、質量百分率で、ＳｉＯ₂　４４．７〜６０％、Ａｌ₂Ｏ₃　０〜４％含有し、塩基性度が１１以下であることを特徴とする。

　本発明によれば、金型との融着が起こらないガラスを提供することができる。このため金型に離型膜を形成する必要がなくなり、製造コストを削減することができる。またモールドプレス成形の量産性を向上させることができ、プレス製品を安価に提供することが可能となる。また金型の劣化が起こりにくくなることから、高い面精度が保たれたプレス製品を安定して生産することができる。

　本発明において、塩基性度とは、（酸素原子のモル数の総和／陽イオンのＦｉｅｌｄ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈの総和）×１００として定義される。式中のＦｉｅｌｄ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ（以下Ｆ．Ｓ．と表記する）は次式により求められる。

　　　Ｆ．Ｓ．＝Ｚ／ｒ²
　Ｚはイオン価数、ｒはイオン半径を示している。なお本発明におけるＺ、ｒの数値は『化学便覧基礎編　改訂２版（１９７５年　丸善株式会社発行）』を参照する。

　ここでＳｉＯ₂を例に挙げて、ガラスの塩基性度の求め方を示す。

　まず、酸素原子のモル数を求める。１ｍｏｌのＳｉＯ₂中には、２ｍｏｌの酸素原子が含まれる。よって、この酸素の原子数２ｍｏｌに、ガラス組成中のＳｉＯ₂のモル％を掛けることで、ガラス中のＳｉＯ₂が持つ酸素原子のモル数が求められる。同様に各成分の酸素原子のモル数を求め、その合計を「酸素原子のモル数の総和」とする。

　次にＦ．Ｓ．を求める。陽イオンＳｉ⁴⁺はＺ＝４、ｒ＝０．４であるため、Ｆ．Ｓ．＝２５となる。Ｓｉ⁴⁺はＳｉＯ₂に１ｍｏｌ含まれているのでガラス中のＦ．Ｓ．は、２５×１(ｍｏｌ)×（組成中のＳｉＯ₂のモル％）として求められる。

　これを各成分について求め、その合計を「陽イオンのＦ．Ｓ．の総和」とする。

　そして「酸素原子のモル数の総和」を「陽イオンのＦ．Ｓ．の総和」で割った値に１００をかけたものを「ガラスの塩基性度」とする。

　ガラスの塩基性度が融着を支配する機構について説明する。

　ガラスの塩基性度はガラス中の酸素の電子がガラス中の陽イオンにどのくらい引きつけられているかを示す指標になる。塩基性度の高いガラスではガラス中の陽イオンによる酸素の電子の引きつけが弱い。したがって、塩基性度の高いガラスは、電子を求める傾向の強い陽イオン（金型成分）と接した際、塩基性度の低いガラスに比べガラス中に金型からの陽イオンの侵入が起きやすい。金型成分である陽イオンがガラス中へ侵入（拡散）すると、界面付近のガラス相中の金型成分濃度が増加する。これによりガラス相と金型相の組成差が減少するため、両者の間の親和性が増し、ガラスが金型に濡れやすくなる。このような機構により、ガラスと金型が融着すると考えられる。従って塩基性度が低くなるにしたがって、ガラス中に金型成分が侵入しにくくなり、ガラスと金型は融着しなくなる。

　金型にＷＣが使われる場合、ガラスの塩基性度が１１以下、好ましくは９．５以下であれば融着が起こらなくなると考えられる。ガラスの塩基性度が９．５を超えると金型と融着する傾向が現れ、１１を超えるとガラスと金型が融着して製品の面精度が損なわれ、量産性が顕著に悪化する。

　以上の知見に基づき、モールドプレス成形用ガラスを評価、設計、製造する方法を説明する。

　まず、屈折率、分散、ガラス転移点等の所望の要求特性を満足するようなガラスの候補組成を準備する。特にモールドプレス成形を良好に行うために、ガラス転移点が８００℃以下となるようにすることが望ましい。つまりモールドプレス成形時に金型が高温に曝されると、表面結晶粒子の成長による粒界の亀裂や、金型成分のガラスへの拡散促進による融着等の問題を引き起こし易くなる。このような問題を避けるためには、プレス温度（金型温度）を８００℃以下にすることが効果的であり、プレス成形可能な限界粘度である１０¹³ｐｏｉｓｅ近辺でのガラスの温度、つまりガラス転移点が８００℃以下となるようにガラスを設計することが望ましい。なお１０¹³ｐｏｉｓｅに相当する温度が８００℃より高いガラスの場合、ガラスを８００℃以上の高温に加熱する必要があり、劣化を防止するために温度を８００℃程度に維持した金型との間に温度差が生じる。その結果、ガラスが冷却固化する過程でガラスの表面と内部との間に温度差が発生し、ヒケと呼ばれる所定形状に対し大きく収縮した状態となり、面精度を損なう原因となる。

　ガラス組成としては、特に限定されるものではないが、ＰｂＯ等の有害成分を含まないガラス、具体的には質量％でＳｉＯ₂　４４．７〜６０％、Ａｌ₂Ｏ₃　０〜４％、Ｂ₂Ｏ₃　０〜４０％、Ｐ₂Ｏ₅　０〜４０％、Ｒ¹Ｏ　０〜３０％（Ｒ¹はアルカリ土類金属を示す）、ＺｎＯ　０〜５０％、Ｒ² ₂Ｏ　０〜２０％（Ｒ²はアルカリ金属を示す）、ＴｉＯ₂　０〜２０％、ＺｒＯ₂　０〜１０％、Ｌａ₂Ｏ₃　０〜４０％の組成範囲内にあるガラスを選択することが好ましい。

　次に候補組成の塩基性度を上記した方法により求める。塩基性度を求めるに当たり、上記計算が可能なようにプログラムされた情報処理装置を用いて行ってもよい。例えば、候補組成を情報処理装置に入力すると、予め記憶された各陽イオンのＦ．Ｓ．から陽イオンのＦ．Ｓ．の総和が計算され、これを用いて塩基性度が算出、出力されるようにすればよい。なおこの種のプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の情報記憶媒体に記憶させておくこともできる。

　次いで金型との融着性を、求めた塩基性度に基づき評価する。評価に当たっては、塩基性度があらかじめ定めた一定値以下であるかどうかを確認し、一定値を超えていれば金型と融着すると判断し、一定値以下であれば金型と融着しないと判断する。金型がＷＣ製である場合、この値を１１、好ましくは９．５に設定すればよい。なおこの値は、プレスの条件、金型の材質等により、適宜変更することができる。また塩基性度の計算と同様に、評価についても情報処理装置を用いて処理することができる。例えば、コンピュータプログラム中に予め一定値を設定し、算出された塩基性度が一定値以下になるかどうかを区別できるようにしておき、その結果が出力されるようにしておけばよい。なおこの種のプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の情報記憶媒体に記憶させておくこともできる。

　続いて上記評価結果に基づき組成を決定する。

　求めた塩基性度が一定値（例えば１１）以下でなく、金型と融着すると判定された場合、塩基性度が一定値以下となるように組成を変更する。

　求めた塩基性度が一定値以下であり、金型と融着しないと判定された場合、その候補組成をそのまま採用することができる。なお後者の場合、組成を微調整し、塩基性度をより低下させたものを採用してもよいことは言うまでもない。

　なお候補組成が複数ある場合、塩基性度が一定値以下であり、金型と融着しないと判定されたものを選択し採用すればよい。この場合も、選択した候補組成を微調整し、塩基性度をさらに低下させてもよい。また塩基性度が１１以下でない候補組成について、１１以下となるように組成を変更した上で採用してもよいことは言うまでもない。

　ここで、ガラスの組成を変更して、塩基性度を低下させる方法を述べる。塩基性度の変化は主としてＦ．Ｓ．の影響が大きい。つまりＦ．Ｓ．が大きい成分を増加させると塩基性度が低下する傾向があり、逆にＦ．Ｓ．が小さい成分を増加させると塩基性度が上昇する傾向がある。このためガラスの塩基性度を下げようとする場合、例えば比較的Ｆ．Ｓ．の大きいＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃等の組成比を増加させるか、または比較的Ｆ．Ｓ．の小さいＬｉ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、ＳｒＯ、ＢａＯ等を減少させればよい。

　続いて、上記の方法により決定された組成となるように、原料を調合する。

　その後、原料を溶融し、適当な形状に成形することにより、塩基性度が１１以下となるように調整されたモールドプレス成形用ガラスを得ることができる。

　このようにして評価、設計、製造されたガラスは、モールドプレス成形したときに、金型成分がガラス内部へ拡散し難い。前述のように、融着を引き起こす要因としてガラスへの金型成分の拡散が関与しており、例えばＷＣを主成分とする成形型内でモールドプレス成形した場合にＷの拡散が１０μｍ以上の深さまで進むとガラスと金型が容易に融着してしまう。ところが塩基性度が１１以下になるように調整された本発明のガラスでは、ガラスへのＷの拡散がガラス−金型界面から１０μｍ以下となり易く、金型と融着し難いという特徴がある。

以下、実施例に基づいて本発明を説明する。

　表１〜３は、モールドプレス成形用ガラスの候補組成（Ｎｏ．１〜１２）を示している。

　次に、各候補組成の塩基性度を求め、表４〜６に示した。その結果、Ｎｏ．１〜８は塩基性度が１１以下であり、ＷＣでモールドプレス成形を行った場合に融着が起こり難いと判断した。

　続いてＮｏ．１〜８の組成を有するガラスとなるように、ガラス原料を調合し、白金坩堝を用いて１３００〜１５００℃で３〜５時間溶融した。さらにガラス融液を成形加工し、ガラス転移点、金型との融着性、及び金型接触後のＷの拡散深さを評価した。なお比較のために、塩基性度が１１を超えたＮｏ．９〜１２についても同様にして試料を作製し、評価した。結果を表４〜６に示す。

　その結果、塩基性度が１１以下であるＮｏ．１〜８の試料は金型との融着がないと判断でき、またＷの拡散も６．２５μｍ以下であった。特に塩基性度が９．３１以下であるＮｏ．２、３、５、７及び８の試料は融着のランクがＡであり、ガラス内部方向への金型成分の拡散も全くないことが確認された。

　これに対して塩基性度が１１を超えるＮｏ．９〜１２は、金型との融着が認められ、またガラス内部方向へのＷの拡散が１０μm以上の深さに達していた。

　なお本実施例では、塩基性度が１１以下となるものを採用する方法を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、塩基性度が１１を超えたものについて、１１以下となるように組成を変更した後に採用する方法も実施可能であることは言うまでもない。

　ガラス転移点の測定は、ガラス原料を調合し、白金坩堝を用いて１３００〜１５００℃で３〜５時間溶融した後、ガラス融液をカーボン台上に流し出してアニールし、φ５×２０mmの大きさに加工した後、示差熱膨張計を用いて行った。示差熱膨張計により得られる熱膨張曲線の低温域と異常膨張領域の直線部分を延長し、それが交差する点に対応する温度をガラス転移点として求めた。

　金型との融着性は次のようにして評価した。まずガラス原料を調合し、白金坩堝を用いて１３００〜１５００℃で３〜５時間溶融した後、ガラス融液をカーボン台上に流し出してアニールし、直径５ｍｍ、高さ５ｍｍの円柱状の試料に加工した。次に、ＷＣ金型上に試料を静置し、Ｎ₂雰囲気中で８００℃まで加熱し、１５分間保持した。加熱後に試料を除去し、試料が接触していた金型表面の直径５ｍｍの円内を観察し、融着の程度を表７に示すようにＡ〜Ｄの４ランクに分けた。この評価においては、ランクＡ、Ｂは融着しない、ランクＣ、Ｄは融着すると判断することができる。

　金型接触後のＷの拡散深さは、加熱後に金型から除去された試料を縦割りして、金型接触面からガラス内部方向への断面を出し、電子プローブマイクロアナリシス（ＥＰＭＡ）による分析を行った。その分析結果より、金型−ガラス界面からガラス内部方向へのＷの拡散の深さを求めた。

Claims

　質量百分率で、ＳｉＯ₂　４４．７〜６０％、Ａｌ₂Ｏ₃　０〜４％含有するモールドプレス成形用ガラスを製造する方法であって、候補組成を用意する工程と、候補組成の塩基性度を求める工程と、金型との融着性を、求めた塩基性度に基づいて評価する工程と、求めた塩基性度が１１以下であり、金型と融着しないと判定する工程と、金型との融着がないと判定された組成を採用する工程と、採用された候補組成となるように原料を調合し、溶融、成形する工程とを含むことを特徴とするモールドプレス成形用ガラスの製造方法。
　請求項１の方法により製造されてなることを特徴とするモールドプレス成形用ガラス。
　質量百分率で、ＳｉＯ₂　４４．７〜６０％、Ａｌ₂Ｏ₃　０〜４％含有し、塩基性度が１１以下であることを特徴とするモールドプレス成形用ガラス。