JP2009138264A

JP2009138264A - 金属ガラス粉末焼結による金型の製造方法とその金型およびそれによる部材

Info

Publication number: JP2009138264A
Application number: JP2008270410A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Matsubara; 慶明松原; Masaru Yanagimoto; 勝柳本
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2009-06-25

Abstract

【課題】表面に微細な凹凸をもつ精密金型を工業的に安価に、かつ大型の金型にも適用可能な金型の製造方法とその金型、およびそれによる部材提供する。
【解決手段】金属ガラス合金粉末をホットプレス装置にて温度、圧力を制御して焼結し、その焼結体をさらにプレス加工することにより、深さ１０ｎｍ〜１ｍｍの微細な凹凸をもつ金属ガラス合金粉末焼結体からなる金型の製造方法、およびその方法により製造された金型、並びにそれによる部材。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属ガラス粉末を用いた精密加工用金型の製造方法および製造される金型、ならびにその金型によって成形加工された部材に関するものである。より具体的には、金属ガラス粉末のみを用いて、機械加工を行うことなく、金属ガラス粉末をホットプレスにて焼結した後、プレス成形により製造することができる金型と、その金型によって成形加工される精密部材に関するものである。

一般に金属ガラスは従来のアモルファス合金に比べ、硬度、強度、耐熱性、耐食性に優れ、また、ガラス遷移温度（Ｔｇ）と結晶化温度（Ｔｘ）の間の過冷却液体領域では粘性流動体となり、非常に容易に加工ができるという特徴がある。また、通常の金属とは異なり、結晶粒界をもたないため、ナノオーダーの非常に微細な加工を行うことができる。

近年、この金属ガラスの応用事例として、その加工性、耐久性を活かして金型に使用することが期待されている。しかしながら、金属ガラスの製造には成分によって異なるが１０〜１０００℃/secの冷却速度が必要となるため、作製可能なバルク体の大きさ及び厚さに限界があった。そこで、アトマイズ等によって作製した金属ガラス粉末を固化成形し金型として利用することが考えられている。この粉末冶金の方法を用いることで、大型の金型への適用も考えられる。例えば、特開２００５−２７２２５４号公報（特許文献１）では水アトマイズで作製したＦｅ基金属ガラス粉末を放電プラズマ焼結法で焼結成型しガラス成型用金型とすることが提案されている。

また、特開２００４−９０４３４号公報（特許文献２）では板状の金属ガラス表面をプレス成形し金型の成型面を作製し、金属ガラス粉末と焼結し積層することで厚みのあるプラスチックやガラス成形用金型の製造方法が提案されている。これらは、いずれも金属ガラスの高い加工性や型転写性を活かして金型面を作製すること、またその強度、耐食性を活かして耐久性のある金型とすることを特徴としている。

しかしながら、特許文献１にあるパルス放電焼結法は従来のホットプレス法の欠点を解決する手段として提案されているが、電流による粉末界面の過熱温度上昇によって界面部分が結晶化する恐れがあることや、装置が複雑かつ高価となるため現実的な解決手段とはいえないのが現状である。また、特許文献２では熱膨張係数が近い粉末などと積層しているため強度の違い等による膜の剥離や損傷などの問題が生じる可能性がある。
特開２００５−２７２２５４号公報特開２００４−９０４３４号公報

上述したように、金属ガラスの特徴を活かした粉末焼結による微細な凹凸をもつ金型を得るためには、加工中の結晶化を防いで非晶質構造を保ちつつ高密度化、特に金型となる加工表面の高密度化をする必要がある。本発明は、表面に微細な凹凸をもつ金型を工業的に安価に、かつ大型の金型にも適用可能な製造法で提供することを課題としている。

前記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、金属ガラス粉末をホットプレスにて焼結する際に温度や圧力を精密に制御することによって非晶質相を保ったまま高密度に焼結でき、さらにその焼結体表面を母型でプレス成形し母型の形状を良好に転写できることがわかった。これにより、金属ガラス粉末を焼結加工することで微細な凹凸をもつ金型を得ることができる。ここで、特許文献２においてホットプレスによる粉末焼結体は不可避的にボイド（空隙、気泡）を有するため、金型キャビティ表面に適さないとの記述があるが、焼結条件の詳細な検討を行った結果、これを低減し、金型として使用することが可能となった。

本発明は、金属ガラスをホットプレス装置により焼結、およびプレス加工すること、および粉末の焼結と金型面の成形加工をそれぞれ異なった条件にて行うことを特徴とする。すなわち、本発明によると、ホットプレス装置にて金属ガラス粉末より、焼結体を作製し、さらにその表面をプレス加工することにより、深さ１０ｎｍ〜１ｍｍの凹凸をもった精密な金型を工業的に安価に製造することができる。

その発明の要旨とするところは、
（１）ホットプレス装置にて金属ガラス合金粉末をガラス遷移温度以上、結晶化温度以下に保った状態でパンチを用いて加圧して焼結体を得る工程と、その焼結体をガラス遷移温度以上、結晶化温度以下でプレス成形し、表面に深さ１０ｎｍ〜１ｍｍの凹凸を作製することを特徴とする金属ガラス製金型の製造方法。
（２）前記（１）に記載の方法において製造された金型。
（３）前記（２）において製造された金型を用いて製造された精密部材にある。

以上述べたように、本発明により母型の型転写加工により微細形状、微細表面性状を有する精密な金型を工業的に量産できるため、金型を安価に製造できる。しかも、その金型は金属ガラスの特徴である非晶質相を保持しているために耐食性や強度に優れ、耐久性が良いという効果を奏するものである。

以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は、金属ガラス合金粉末加工装置を示す図である。この図に示すように、金属ダイ５中に金属ガラス合金粉末４を金型パンチ６間に挿入し、上加圧用ラム２および下加圧用ラム３に挟み上加圧用ラム２をラム駆動用モーター１の駆動により金属ガラス合金粉末４を加圧する。この場合に上下加圧用ラム２、３に挟まれた金属ガラス合金粉末４の温度を調整せるための加熱用ヒーター７を上下加圧用ラム２、３に埋設し、この加熱用ヒーター７により、加圧温度を最適温度に制御する。この装置を用いて、焼結体の製造および、そのプレス成形加工を行う。なお、装置は１台で金型を変更して使用しても良いが、より望ましくは複数台を用いて焼結体の製造とその表面加工を異なる加工装置で行う。

図２は、本発明に係る金型製造方法を模式的に示した図である。図２（ａ）、（ｂ）は金属ガラス粉末を加圧焼結し、焼結体を作製する工程を示している。この図に示すように金属ダイ１０中に金属ガラス合金粉末８を金型パンチ９間に挿入し、加圧焼結することで金属ガラス粉末焼結体１１を得る。金属ガラス粉末を非晶質のまま高密度化するためには、温度の制御が最も重要となる。金属ガラスのガラス遷移温度（Ｔｇ）から結晶化温度（Ｔｘ）までの過冷却液体領域のなかで、結晶化開始までの時間が長く、かつ粘性流動性が高くなるＴｇとＴｘの中間の温度近傍で加圧焼結することで非晶質のまま高密度化することができる。そこでの加圧条件は一般的に強度と相関がある硬度を基準にして決めることができる。また、粉末の熱伝導性を向上させるため、ガラス遷移温度以下で粉末の仮焼結を行うことが好ましい。ここで使用するパンチ、およびダイは金属ガラス加工温度である５００〜６００℃にて充分な強度を持つ金型用鋼や超硬合金などが用いられる。

図２（ｃ）に示される、プレス加工用金型１２は集束イオンビームやフォトリソグラフィー、もしくは機械的な加工法によって凹凸を作製したものを使用する。金型の材質としては、石英や単結晶シリコン、ＳｉＣ、ＧＣやスパッタもしくはメッキにより基板に作製したＮｉＰなどの薄膜が凹凸をより微細に加工できる点から好ましいが、１μｍ〜１ｍｍの大きな凹凸の金型の場合には通常の金型用鋼などの金属材料を用いることもできる。

図２（ｃ）、（ｄ）は、金属ガラス焼結体のプレス成形工程を示す図である。この図に示すように、金属ガラス焼結体のプレス成形工程は、焼結体製造工程と異なる条件で行われる。これは、被加工材が粉末とバルク体で異なっていること、焼結体と金型に求められる表面精度の違いによるものである。プレス成形の温度条件は金属ガラスのガラス遷移温度（Ｔｇ）から結晶化温度（Ｔｘ）までの過冷却液体領域のうち、ガラス遷移温度近傍で行うことが望ましい。また、加工圧力については１０ＭＰａ以上の範囲、より望ましくは１０ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の範囲とする。この加工条件にて焼結体をプレス加工することで金属ガラス焼結体金型１３が製造できる。

図２（ｃ）、（ｄ）に示された金属ガラス焼結体のプレス成形工程によって作製された金属ガラス粉末焼結体の金型を図２（ｅ）に示す。熱硬化性樹脂や金属膜などに微細パターンを転写するナノインプリントにこの金型を応用することができる。例えば、高密度記録媒体製造用の原盤や、次世代ＨＤＤとなるディスクリートトラックメディアやパターンサイズが数１０ｎｍとされているパターンドメディアの製造に用いることができる。

また、本発明の金型による加工により被加工材の表面に微小な凹凸をつけることができ、優れた機能性を発揮することができる。例えば、燃料電池のセパレータや、有機合成用などの電極、マイクロ化学チップなどに応用することが考えられる。燃料電池のセパレータは通常、燃料となる水素や酸素などのガスやメタノールなどの液体をイオン交換膜の全面にわたって、一様に接触して流れるように、非常に細かい流路が形成されている。

通常はカーボン材料を機械加工することで幅が数ｍｍ、深さが０．５ｍｍ程度の流路が形成されるが、これを本発明の金型を用いて製造することでコストの削減と、機械加工よりも細かい流路形成による性能の向上や小型化を行うことができる。また、有機合成用などの電極、マイクロ化学チップなどにおいては、反応表面に微小な凹凸をつけることで表面積を増大させ、反応の効率を上げることができる。

上述の応用を考えた際に、表面深さ１０ｎｍ未満の凹凸は金型の作製、および計測が非常に困難であること、また、深さ１ｍｍより深い凹凸は、本発明の方法以外によりコストが低い加工方法、例えば機械加工や放電加工などが存在するため、本発明では凹凸の深さを１０ｎｍ〜１ｍｍとした。好ましくは１００ｎｍ〜０．５ｍｍとする。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
（実施例１）
ガスアトマイズによって流動性と充填性に優れた球状のＮｉ基金属ガラス合金粉末（成分：Ｎｉ₆₀Ｎｂ₁₅Ｔｉ₂₀Ｚｒ₅）を作製した。該粉末をＸ線回折により、非晶質を示すハローパターンとなった粒度（５３μｍ）以下に分級し、これを用いて金型を作製した。このＮｉ基金属ガラス合金粉末をＤＳＣ（示差熱分析）で測定したところ、ガラス遷移温度（Ｔｇ）は５６５℃、結晶化温度（Ｔｘ）は６１５℃であった。

この金属ガラス合金粉末０．６ｇをステライトにて作製した金型に充填後、ホットプレス装置にて温度５４０℃、プレス圧１００ＭＰａで一旦仮焼結を行った後、プレス温度５８５℃、プレス圧２００ＭＰａなる条件で加圧焼結し、焼結体（φ１０ｍｍ×１ｍｍ^t）を得た。一方、プレス成形用に石英をフォトリソグラフィーにて加工することで作製した深さ３５０ｎｍ、幅１０μｍ〜０．５μｍ間隔の線状の微細な凹凸をもつ金型を用意した。この金型を用いて粉末焼結体をプレス温度５７５℃、プレス圧２０ＭＰａにてプレス成形加工を行い、表面に石英の凹凸が転写された金属ガラス粉末製金型（φ１０ｍｍ×１ｍｍ^t）を作製した。Ｘ線回折により、得られた金属ガラス粉末製金型がアモルファス単相である事を確認した。また、レーザー顕微鏡により、金属ガラス金型の凹凸が３３０ｎｍ〜３７０ｎｍの範囲であることを確認し、石英の凹凸が金属ガラスに精密に転写されていることがわかった。これに対し、粉末から直接焼結体金型を、温度５４０℃、プレス圧１００ＭＰａで仮焼結を行った後、プレス温度５８５℃、プレス圧２００ＭＰａなる条件で作製した場合は、表面転写用の石英金型が破損した。

（実施例２）
ガスアトマイズによって流動性と充填性に優れた球状のＦｅ−Ｃｏ基金属ガラス合金粉末（成分：Ｆｅ₃₆Ｃｏ₃₆Ｂ_19.2Ｓｉ_4.8Ｎｂ₄）を作製した。該粉末をＸ線回折により、非晶質を示すハローパターンとなった粒度（１５０μｍ）以下に分級し、これを用いて金型を作製した。このＦｅ−Ｃｏ基金属ガラス合金粉末をＤＳＣ（示差熱分析）で測定したところ、ガラス遷移温度（Ｔｇ）は５４０℃、結晶化温度（Ｔｘ）は５９５℃であった。

このＦｅ−Ｃｏ基金属ガラス合金粉末０．６ｇをステライトにて作製した金型に充填後、ホットプレス装置にて温度５４０℃、プレス圧５０ＭＰａで一旦仮焼結を行った後、プレス温度５８０℃、プレス圧４００ＭＰａなる条件で加圧焼結し、焼結体（φ１０ｍｍ×１ｍｍ^t）を得た。一方、プレス成形用にＧＣ（グラッシーカーボン）製、深さ１５０ｎｍ、幅１２０ｎｍ〜５００ｎｍのドット状の凸（凸同士の間隔は１：１）をもつ金型を用意した。この金型を用いて粉末焼結体をプレス温度５７０℃、プレス圧３０ＭＰａにてプレス成形加工を行い、表面にＧＣの凹凸が転写された金属ガラス粉末製金型（φ１０ｍｍ×１ｍｍ^t）を作製した。Ｘ線回折により、得られた金属ガラス粉末製金型がアモルファス単相である事を確認した。また、レーザー顕微鏡により、金属ガラス金型の凹凸が１３０ｎｍ〜１８０ｎｍの範囲であることを確認し、ＧＣの凹凸が金属ガラスに精密に転写されていることがわかった。これに対し、表面転写としてプレス温度５７５℃、プレス圧２０ＭＰａの条件にて行った結果、粉末が高密度に焼結せず、表面を転写することが出来なかった。

金属ガラス合金粉末加工装置を示す図である。本発明に係る金型製造方法を模式的に示した図である。

符号の説明

１ラム駆動用モーター
２上加圧用ラム
３下加圧用ラム
４金属ガラス合金粉末
５金属ダイ
６金型パンチ
７加熱用ヒーター
８金属ガラス粉末
９金型パンチ
１０金属ダイ
１１金属ガラス粉末焼結体
１２プレス加工用金型
１３金属ガラス焼結体金型

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

ホットプレス装置にて金属ガラス合金粉末をガラス遷移温度以上、結晶化温度以下に保った状態でパンチを用いて加圧して焼結体を得る工程と、その焼結体をガラス遷移温度以上、結晶化温度以下でプレス成形し、表面に深さ１０ｎｍ〜１ｍｍの凹凸を作製することを特徴とする金属ガラス製金型の製造方法。
請求項１に記載の方法により製造された金型。
請求項２に記載の方法により製造された金型を用いて加工された精密部材。