JP2006044265A - セラミックス金型 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、高温においても耐摩擦性、高い硬度および長いランニングサイクルを有する光学アセンブリ或は同様の成形品に適用される金型を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、成形面を有するセラミックスベースと、該成形面に形成された機能被膜を備えているセラミックス金型を提供する。該機能被膜は成形面にカーボンナノチューブを堆積して形成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、金型に関し、特に、表面に被膜層を有するセラミックス金型に関するものである。

製造加工業の進展に伴って、金型産業は次第に高技術生産に向かっており、例えば、高温においても耐摩擦、耐高圧、容易に塑性変形が生じない、容易にひびが全体的に生じない、および機械加工が容易であること等、金型の性能に対する要求もかなり高くなっている。そのうち、摩擦による損失は金型が不良になる主な原因であり、耐摩擦性能は金型の品質及びランニングサイクルにも直接的な影響を与える。カメラ撮像レンズ等のガラス製品の加工工程において、金型の精密性だけでなく高い耐摩擦性も非常に必要になる。

金型の耐摩擦性を増加するために、一般的には金型の成形面に、例えば超硬ＴｉＮ膜を堆積するなど、機能膜を形成する方法がある。以下の特許文献１には光学精密ガラス製品を加工する金型が開示されているが、該セラミックス金型ベースはＳｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２或はＳｉＣのうちの一つからなるものである。金型の成形面には機能被膜が形成されており、該膜層はＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、ＴｉＮ或はＺｒＮのうちの一つからなるものである。そのうち、ＴｉＮは良好な耐摩擦性又は減摩擦性を有するが、硬度が足りない及びコストが高いという欠点がある。

以下の特許文献２には光学アセンブリの加工に適用される硬炭素膜を有する金型の製造方法が開示されている。図１は該金型の成形する際のランニング状態を示す図であるが、それにおいて、上金型と下金型は対向して設置され、その間に成形しようとするガラス原形体３を供給することができる。上金型と下金型は上下対称で且つ同じ構造を有しており、該上金型は金型ベース１及び該ベース１の成形面に形成されている炭素膜１ａを備え、該下金型は金型ベース２及び炭素膜２ａを備えている。炭素膜１ａ、２ａは非晶質状態のａ−Ｃ：Ｈ薄膜（水素化アモルファスカーボン薄膜）或は硬炭素膜である。しかし、このような非晶質炭素膜は高硬度を有していても、やはり、高温高圧の環境における金型の耐摩擦性の要求を満たさない。

以下の特許文献３にはＳｉＣ／ＴｉＮ超硬ナノ多層膜及びその製造工程が開示されている。ＳｉＣ／ＴｉＮ超硬ナノ多層膜は、ＴｉＮ層及びＳｉＣ層が金属或はセラミックスベースに交互に堆積するように形成されたもので、膜層の厚さの合計は２〜４μｍに設定されている。該工程において、良好に整合された格子を有する窒化物と炭化物を用い、これにより該薄膜の硬度を高めている。しかし、このような異なる材料からなる多層膜構造においては、実際の成形中の温度及び圧力の影響のため、層の間の緊密な結合を確保することが難しくなり、製造工程も複雑になる。

これらの問題点に鑑みて、高温高圧の環境での諸望の高耐摩擦性及び高硬度の性能要求を満たすため、耐摩擦性と硬度が高く、ランニングサイクルが長いセラミックス金型を提供することが要求されている。
米国特許第５０２８２５１号明細書 米国特許第５２０２１５６号明細書 中国特許出願公開第０３１２９５４３．６号明細書

本発明は、従来技術におけるセラミックス金型の耐摩擦性、硬度の不足及び複雑な製造工程などの問題を解決するため、高温高圧の環境でも高い耐摩擦性と硬度及び長いランニングサイクルを有するセラミックス金型を提供することを目的とする。

本発明の課題を解決するために、本発明は、所望の成形品に対応する成形面を有する金型ベースを備えている金型であって、該成形面にはカーボンナノチューブ膜が堆積して形成されているセラミックス金型を提供する。

また、前記金型は、上金型或は下金型であり、該金型のランニングサイクルは１０^４次循環（サイクル）以上１０^６次循環（サイクル）以下である。前記ベースはＷＣ（タングステンカーバイド）、ＢＮＣ（窒化ホウ素カーバイド）ＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）等のうちの一つからなるものである。前記カーボンナノチューブ膜は単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、アレイ式カーボンナノチューブ或はその他の形式のカーボンナノチューブのうちの一つからなるものであり、膜層の厚さは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、且つ５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲が最適であり、１０^４ニュートンの圧力及び７００℃の温度に耐えられる。

また、前記カーボンナノチューブ膜はＣＶＤ法、アーク放電法、レーザーアブレーション法或はスパッタ法により堆積して形成したものである。

本発明による金型は、カーボンナノチューブを有し、高温高圧での高い耐摩擦性及び高硬度などの性能により、従来技術と比べて、セラミックス金型の耐摩擦性及び硬度を向上させ、従って、ランニングサイクルを増加することができる。

次に、図面を用いて本発明を詳しく説明する。

図２は本発明によるセラミックス金型の成形前の状態を示す図である。一般的にセラミックス金型がペアで使用されることを考慮して、図２に示している成形を行う前のセラミックス金型は、下金型１０及びそれと対向して設置された上金型１０’に分けられており、両方の間に成形しようとするガラス原形体１３を供給することができる。そのうち、下金型１０と上金型１０’は同じ構造を有し、下金型１０はベース１１を備え、該ベース１１は成形面１１０を有する。該ベース１１の成形面１１０にはカーボンナノチューブ膜１２が均一に堆積して形成されているが、堆積した後、カーボンナノチューブ膜１２の表面はやはり成形面１１０と同じ形状になっている。同様に、上金型１０’も成形面１１０’を有するベース１１’を備え、該ベース１１’の成形面１１０’にはカーボンナノチューブ膜１２’が均一に堆積して形成されている。要求される形状を有するように、ベース１１の成形面１１０とベース１１’の成形面１１０’との形状は、同じであっても良いし、異なっていても良くて、球面或は非球面形状などから選ぶことができる。例えば、光学アセンブリを成形する時は一般に非球面を使用するが、本実施形態の光学アセンブリの成形においては、非球面形状を有する同一の形状の成形面１１０及び１１０’を使用する。なお、ベース１１及び１１’の材料はＷＣ、ＢＮＣ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４等のセラミックス材料から選ばれる。

図３は本発明によるセラミックス金型の成形時の状態を示す図である。この時、原形体１３（図２を参照）は上金型１０’と下金型１０を用いて成形した後、諸望の形状の光学アセンブリ１４になる。成形圧力により、光学アセンブリ１４の外表面は、それぞれ下金型１０の成形面１１０及び上金型１０’の成形面１１０’に対応した形状になっている。そのため、所定の形状の光学アセンブリ１４を得るためには、適当な成形面を有する上下金型１０’及び１０を用いればよい。

図４は、図２に示すセラミックス金型のＩＶ部の部分拡大図である。そのうち、カーボンナノチューブ膜１２はベース１１の成形面１１０に直接形成されており、その形成方法として、ＣＶＤ法、アーク放電法、レーザーアブレーション法或はスパッタ法などがある。カーボンナノチューブ膜１２は単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、アレイ式カーボンナノチューブ或はその他の形式のカーボンナノチューブのうちの一つからなるものである。カーボンナノチューブ膜１２の厚さは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であるが、最適な範囲は５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。また、カーボンナノチューブ膜１２を有するため、金型１０のランニングサイクルを少なくとも１０^４次循環（サイクル）にすることができ、膜層の堆積方法を最適化することにより、良好なカーボンナノチューブ膜１２を得ることによって、該カーボンナノチューブ膜１２を有する金型１０のランニングサイクルは１０^５〜１０^６次循環（サイクル）にも達することができる。さらに、一般のガラスの成形温度は４００〜６００℃で、圧力は２０００〜７０００（Ｎ）であるが、本発明による金型は少なくとも１００００（Ｎ）の圧力及び７００℃の温度に耐えることができる。同様に、カーボンナノチューブ膜１２’はカーボンナノチューブ膜１２と同じ構造及び性能を有し、また、金型１０’は金型１０と同じ構造及び性能を有する。

従来技術によるセラミックス金型の構造を示す図である。 本発明によるセラミックス金型の成形前の状態を示す図である。 本発明によるセラミックス金型の成形時の状態を示す図である。 図２に示すセラミックス金型のＩＶ部の部分拡大図である

符号の説明

１０ 下金型
１０’ 上金型
１、２、１１、１１’ ベース
１１０、１１０’ 成形面
１２、１２’ カーボンナノチューブ膜
１３、３ 原形体
１４ 光学アセンブリ
１ａ、２ａ 炭素膜

Claims (4)

1. 成形面を有する金型ベースを備えている金型であって、該ベースの成形面にはカーボンナノチューブ膜が堆積されていることを特徴とするセラミックス金型。
2. 前記カーボンナノチューブ膜の厚さは、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス金型。
3. 前記金型は、ランニングサイクルが１０^４以上１０^６以下であり、且つ１０^４ニュートンの圧力及び７００℃の温度に耐えられることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス金型。
4. 前記カーボンナノチューブ膜は単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、アレイ式カーボンナノチューブ或はその他の形式のカーボンナノチューブ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１〜３のいずれかの一項に記載のセラミックス金型。
   

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