JP2005343783A

JP2005343783A - 金型

Info

Publication number: JP2005343783A
Application number: JP2005134658A
Authority: JP
Inventors: Shitetsu Kan; 士哲簡
Original assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2005-05-02
Publication date: 2005-12-15
Also published as: TW200540133A; TWI296999B

Abstract

【課題】本発明は、耐酸化性、耐拡散性、高機械強度を有し、且つ離型が容易な金型を提供する。
【解決手段】ガラス成形品を成形するための金型であって、成形面を有する金型ベース１２と、成形面１２に被覆される超硬被膜１４とを含む。超硬被膜１４は、非晶質炭窒化ホウ素基材１６と、非晶質炭窒化ホウ素基材１６中に分布される立方格子窒化ホウ素粒子１７及びダイヤモンド粒子１８を有する。金型１０は、非晶質炭窒化ホウ素１６の良好な潤滑性により離型を容易とすることができると共に、非晶質炭窒化ホウ素２６よりも更に高硬度な立方格子窒化ホウ素粒子１７及びダイヤモンド粒子１８により成形面の機械強度が向上する。また、超硬被膜１４により、金型ベースの金属元素の拡散を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、離型が容易な高硬度の金型に関するものである。

金型は、例えば非球面レンズ、球面レンズ、プリズムなどの光学ガラス成形品の製造過程に広く使用されていて、押出成形法（Direct Press-molding）による光学ガラス成形品は、砂まき、研磨などの精製加工をする必要はなく、生産効率及び生産量を大幅に向上し、且つ生産品の品質が良好である。
しかし、押出成形法においては、金型の化学安定性、耐熱衝撃性、機械強度、及び表面平滑度などにおいて高い性能が要求される。従って、押出成形技術の発展は主に金型の材料及びその製造技術の進歩により決まる。一般に、押出成形法に使用される金型においては、以下のようなことが要求される。
ａ．高温時における、高い剛性、機械的な衝撃に対する高い強度、及び十分な硬度を有すること、
ｂ．急速な加熱や冷却を行うような熱衝撃過程において、うねりや変形を生じないこと、
ｃ．高温成形時、成形面が光学ガラス材料と化学反応を生じて接着しないこと、
ｄ．高温時、雰囲気中の酸素により酸化されないこと、
ｅ．高い精度、高い表面平滑度の成形面が得られること、
ｆ．低コストであること。

従来の金型は、ステンレスあるいは耐熱合金により製作されることが一般的であり、このような金型は、高温時に酸化し易く、急速な加熱や冷却を行うような熱衝撃過程において結晶粒径が大きくなる。
従って、金型の表面は粗面化し、光学ガラスと接着して離型性が損なわれてしまう。

前記問題を解決するために、非金属及び超硬合金、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）などにより金型を製作することも行われる。
しかし、炭化セラミックの硬度は非常に高く、例えば高精度の非球面等の所要の形状に加工することが困難であった。
また、超硬合金は、高温で長時間使用すると、酸化し易いという問題があった。

一方、炭化物あるいは超硬合金からなる金型ベースと、該金型ベースの表面に形成されるメッキあるいは被膜とを含む複合金型が開発されている。
例えば、押出成形光学ガラス成形品の複合金型が特許文献１に開示されており、高強度の超硬合金、炭化セラミック及び金属セラミックを金型ベースとして、且つ金型の成形面に、（１）イリジウム（Ｉｒ）膜と、（２）白金（Ｐｔ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）及びルテニウム（Ｒｕ）のうちの少なくとも一種と、イリジウムとからなる合金膜を形成したもの、あるいは、（３）ルテニウム膜と、（４）白金（Ｐｔ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）及びロジウム（Ｒｈ）のうちの少なくとも一種と、ルテニウムとからなる合金膜を形成したものが知られている。

しかし、特許文献１に記載されている複合金型においては、貴金属あるいはその合金の被覆膜を使用するので、金型のコストが増加してしまう。
また、炭化セラミックあるいは金属セラミック材料からなる金型ベースの焼結過程において、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属元素を添加する必要があるが、これら金型が長時間使用されると、該金属元素が前記貴金属膜から金型の外表面に拡散されて光学ガラス材料と反応し、金型の精度及び成形品の品質に悪影響を及ぼすことがある。

また、プラズマCVD法（Plasma CVD）あるいは熱CVD法（Thermal CVD）により炭化ケイ素あるいは窒化ケイ素膜を形成することもできるが、これらの膜は４００℃付近で光学ガラスの成形品と接着し易く、成形品を離型することが困難となる。
米国特許第４，６８５，９４８号明細書

本発明は、耐酸化性、耐拡散性、高機械強度を有し、且つ成形品の離型を容易に行える金型を提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するため、本発明に係る金型は、所望の成形品に対応する成形面を有するベースと、該成形面に被覆され、非晶質炭窒化ホウ素を基材とすると共に該非晶質炭窒化ホウ素基材中に分布される立方格子窒化ホウ素粒子及びダイヤモンド粒子から成る超硬被膜とを有することを特徴とするものである。

前記ベースは、例えばＳｉＣ、Ｓｉ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＮ、ＴｉＯ_２、ＴｉＣ、Ｂ_４Ｃ、ＷＣ、Ｗ、ＷＣ−Ｃｏなどのセラミック、金属セラミックあるいは超硬合金材料からなるものである。

前記非晶質炭窒化ホウ素基材は、成形面の全体に亘って分布し、前記立方格子窒化ホウ素粒子及びダイヤモンド粒子は、前記非晶質炭窒化ホウ素基材中に分散、あるいは部分的に連続して分布される。
この場合、立方格子窒化ホウ素粒子及びダイヤモンド粒子の粒径は１〜１００ｎｍが好適である。

また、前記超硬被膜は、プラズマCVD法あるいはスパッタ法により形成される。

本発明は、従来技術と比べて、超硬合金材料からなる金型ベースの成形面に、窒化ホウ素を基材とする超硬被膜を形成する。
これにより、成形の際、非晶質炭窒化ホウ素の良好な潤滑性により、成形面と光学ガラス成形品とが接着することはなく、成形品の金型からの離型が容易となる。
また、前記非晶質炭窒化ホウ素基材中に分散、あるいは部分的に連続して分布される立方格子窒化ホウ素粒子及びダイヤモンド粒子は、非晶質炭窒化ホウ素基材よりも更に高い硬度を有するので、成形面の機械強度を向上することができる。
また、超硬被膜を形成することにより、金型ベースの金属元素の拡散を防止し、ガラス成形品の品質に悪影響を及ぼすことを防止できる。

次に、図示と併せて本発明の第一実施例を詳しく説明する。

図１を参照すると、本発明の第一実施例において、非球面光学レンズを成形するための金型１０は、金型ベース１２と、及び金型ベース１２の成形面に形成される被膜１４とを含む。
金型ベース１２は、例えばＳｉＣ、Ｓｉ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＮ、ＴｉＯ_２、ＴｉＣ、Ｂ_４Ｃ、ＷＣ、Ｗ、ＷＣ−Ｃｏなどのセラミック、金属セラミックあるいは超硬合金材料を焼結して製作されるものである。
金型ベース１２の成形面は、所要の非球面光学成形品の形状に対応する非球面形状である。被膜１４は、金型ベース１２の成形面に被覆され、非晶質炭窒化ホウ素１６（Amorphous Boron Carbon Nitride：a-BCN）、立方格子窒化ホウ素粒子１７（Cubic Boron Nitride）及びダイヤモンド粒子１８を含む窒化ホウ素材料を堆積して形成されるものである。
非晶質炭窒化ホウ素１６は成形面の全体に亘って分布しており、立方格子窒化ホウ素粒子１７及びダイヤモンド粒子１８の分布用基材とされる。
また、立方格子窒化ホウ素粒子１７及びダイヤモンド粒子１８は、被膜１４全体の１０〜６０％（モル百分率）の割合とされており、非晶質炭窒化ホウ素基材１６中に分散、あるいは部分的に連続して分布されるものである。
立方格子窒化ホウ素１７及びダイヤモンド粒子１８の粒径は１〜１００ｎｍ、とりわけ５〜１００ｎｍが好ましい。また、被膜１４の全体の厚さは１〜１００μｍとすることが好ましい。

勿論、本発明の内容は異なった形状及び用途の他の成形品を製造するための金型にも使用される。

図２を参照すると、本発明の第二実施例において、平面光学ガラスを成形するための金型２０は、平滑な表面を有する金型ベース２２と、及び金型ベース２２の成形面に形成される被膜２４とを含む。
金型ベース２２は、例えばＳｉＣ、Ｓｉ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＮ、ＴｉＯ_２、ＴｉＣ、Ｂ_４Ｃ、ＷＣ、Ｗ、ＷＣ−Ｃｏなどのセラミック、金属セラミックあるいは超硬合金材料を焼結して製作されるものである。
被膜２４は、非晶質炭窒化ホウ素２６、立方格子窒化ホウ素粒子２７及びダイヤモンド粒子２８を含む窒化ホウ素材料を堆積して形成されるものである。
非晶質炭窒化ホウ素２６は成形面の全体に亘って分布しており、立方格子窒化ホウ素粒子２７及びダイヤモンド粒子２８の分布用基材とされる。
また、立方格子窒化ホウ素粒子２７及びダイヤモンド粒子２８は、被膜２４全体の１０〜６０％（モル百分率）の割合とされており、非晶質炭窒化ホウ素基材２６中に分散、あるいは部分的に連続して分布されるものである。
立方格子窒化ホウ素粒子２７及びダイヤモンド粒子２８の粒径は１〜１００ｎｍ、とりわけ５〜１００ｎｍが好ましい。被膜２４の全体の厚さは１〜１００μｍとすることが好ましい。

前記両実施例において、金型ベース１２及び２２は、焼結等の方法により製作され、被膜１４及び被膜２４は、例えばマイクロ波プラズマCVD法等のプラズマCVD法あるいはスパッタ法により堆積して形成されるものである。

本発明の金型１０（２０）は、高硬度、高機械強度の金型ベース１２（２２）により、高温成形過程の際に加わる圧力及び応力に耐えることができる。
また、金型ベース１２（２２）の成形面に被覆される被膜１４（２４）は、基材としての非晶質炭窒化ホウ素１６（２６）に、非晶質炭窒化ホウ素１６（２６）よりも更に高硬度の立方格子窒化ホウ素粒子１７（２７）及びダイヤモンド粒子１８（２８）を分布させた酸化し難い窒化ホウ素材料から構成されている。
非晶質炭窒化ホウ素１６（２６）の原子は、ｓｐ^２混成軌道の構造であるので、良好な潤滑性を有し、成形品を容易に離型することができる。
また、非晶質炭窒化ホウ素１６（２６）よりも更に高硬度で粒径の小さい立方格子窒化ホウ素粒子１７（２７）及びダイヤモンド粒子１８（２８）を分布させることにより、金型表面の機械強度及び寸法精度を向上することができる。
更に、被膜１４（２４）は金型ベース１２（２２）内の金属元素の拡散を防止し、金型ベースの金属元素の拡散を防止し、ガラス成形品の品質に悪影響を及ぼすことを防止できる。
これによって、本発明の金型は、耐酸化性、耐拡散性、高機械強度を有し、且つ離型が容易であるといった長所を有することが分る。

本発明の第一実施例の非球面光学ガラス成形品を製造するための金型の模式図である。本発明の第二実施例の平面光学ガラス成形品を製造するための金型の模式図である。

符号の説明

１０、２０金型
１２、２２金型ベース
１４、２４被膜
１６、２６非晶質炭窒化ホウ素
１７、２７立方格子窒化ホウ素粒子
１８、２８ダイヤモンド粒子

Claims

成形面を有する金型ベースと、
該成形面に被覆され、非晶質炭窒化ホウ素を基材とすると共に該非晶質炭窒化ホウ素基材中に分布される立方格子窒化ホウ素粒子及びダイヤモンド粒子から成る超硬被膜を有することを特徴とする金型。
前記金型ベースは、ＳｉＣ、Ｓｉ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＮ、ＴｉＯ_２、ＴｉＣ、Ｂ_４Ｃ、ＷＣ、Ｗ、ＷＣ−Ｃｏのうちの一つからなるものであることを特徴とする請求項１に記載の金型。
前記金型ベースは、焼結により製作されることを特徴とする請求項１に記載の金型。
前記超硬被膜は、プラズマＣＶＤ法あるいはスパッタ法により形成されることを特徴とする請求項１に記載の金型。
前記超硬被膜の厚さは、１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の金型。
前記立方格子窒化ホウ素粒子及びダイヤモンド粒子の前記超硬被膜におけるモル百分率は、１０〜６０％であることを特徴とする請求項１に記載の金型。
前記立方格子窒化ホウ素粒子及びダイヤモンド粒子の粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の金型。
前記立方格子窒化ホウ素粒子の粒径は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の金型。
前記金型ベースの成形面は、非球面形状であることを特徴とする請求項１に記載の金型。
前記金型ベースの成形面は、平面形状であることを特徴とする請求項１に記載の金型。