JP2009149474A - Molding die and method for manufacturing the die - Google Patents
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Description
本発明は、プレス成形する際に用いる成型用金型に関するものであり、極めて離型性がよい金型に関する。特にガラスやプラスチックあるいはセラミックス等からなるレンズをプレス成形する際に用いるプレス成形型に関するものである。 The present invention relates to a molding die used for press molding, and relates to a die having extremely good releasability. In particular, the present invention relates to a press mold used for press molding a lens made of glass, plastic, ceramics, or the like.
従来プレス成形によって、例えばガラスレンズ等の被成形物を成形することが行われていた。このとき、プレス成型時に用いる成形型の表面粗さ等の表面状態は、そのまま成形したレンズの表面に転写される。そのため、例えば金属製成形型を用いた場合は、成形したままではレンズとして用いることができず、仕上げの研磨加工が必要であった。また、いわゆる離型性もよくなかった。 Conventionally, a molded object such as a glass lens has been formed by press molding. At this time, the surface condition such as the surface roughness of the mold used at the time of press molding is directly transferred to the surface of the molded lens. Therefore, for example, when a metal mold is used, it cannot be used as a lens as it is molded, and finishing polishing is necessary. Also, so-called releasability was not good.
そこで、成形したままでレンズとして用いることができるように、特許文献1には、成形型の材質をガラス状カーボンとしたガラスレンズの成形方法が開示されている。この発明によれば、成形したままでレンズとしての性能を得ることができる。しかも離型性もよい。しかし、ガラス状カーボンは、脆性材料であり、衝撃強度が低いので、成形型として使用中に亀裂等が発生し、耐久性が劣るという問題があった。 Therefore, Patent Document 1 discloses a glass lens molding method in which the molding die is made of glassy carbon so that it can be used as a lens as molded. According to the present invention, it is possible to obtain the performance as a lens while being molded. Moreover, it has good releasability. However, since glassy carbon is a brittle material and has a low impact strength, there is a problem that cracks and the like are generated during use as a mold and the durability is poor.
この課題を解決するために、セラミックス金型表面にガラス状カーボン又は熱分解炭素を被覆することで、被成型物例えばレンズの表面に要求される精度、形状に加工しておけば、成型後のレンズの仕上げ加工が不要であり、母材にセラミックス多孔体を用いるので、ガラス状カーボンよりセラミックス多孔体の方が強度が高いため、耐久性が向上するという発明がなされている(特許文献2)。また、母材をレンズ形状に加工した後に、ガラス状カーボンを被覆するので、加工の手間を省くことができ、また、母材がセラミックス多孔体であるので母材の加工も容易である。
しかし、使用中にガラス状カーボン又は熱分解炭素が剥離して離型性が低下し、プレス後にレンズ材等の被成形材と金型が固着してしまうという課題が尚残っていた。
In order to solve this problem, if the ceramic mold surface is coated with glassy carbon or pyrolytic carbon, and processed into the precision and shape required for the surface of the object to be molded, for example, the lens surface, Since a lens finishing process is not required and a ceramic porous body is used as a base material, the ceramic porous body has higher strength than glassy carbon, and thus has been invented to improve durability (Patent Document 2). . Further, since the glassy carbon is coated after the base material is processed into a lens shape, processing time can be saved, and the base material is a ceramic porous body, so that the base material can be easily processed.
However, the problem remains that the glassy carbon or pyrolytic carbon peels off during use and the releasability is lowered, and the molding material such as a lens material and the mold are fixed after pressing.
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、被成形体との離型性がよく、かつ耐久性に優れた成型用金型を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a molding die that has a good releasability from a molded body and is excellent in durability.
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、金型材料の表面にカーボンナノチューブ層を形成することが有効であることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明により、金型表面にカーボンナノチューブ層を形成することで、極めて離型性の高く、耐久性に優れた金型を提供することができる。本発明は、以下の特徴を有する。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has found that it is effective to form a carbon nanotube layer on the surface of the mold material, and has completed the present invention. That is, according to the present invention, by forming the carbon nanotube layer on the mold surface, it is possible to provide a mold having extremely high releasability and excellent durability. The present invention has the following features.
(1)本発明に係る成型用金型は、少なくとも表面がSiCによって形成されている金型
材料の表面に、複数のカーボンナノチューブが立設しているカーボンナノチューブ層が形成されていることを特徴とする。
(2)上記(1)に記載の成型用金型において、前記金型材料がSiCによって形成され
ていることを特徴とする。
(3)上記(1)又は(2)に記載の成型用金型において、前記複数のカーボンナノチューブが、成形用金型の表面に対してほぼ垂直に成長していることを特徴とする。
(4)上記(1)〜(3)のいずれか一に記載の成型用金型において、前記複数のカーボンナノチューブの長さが、0.1μm〜10μmであることを特徴とする。
(5)上記(4)に記載の成型用金型において、前記複数のカーボンナノチューブの長さが、1μm〜3μmであることを特徴とする。
(6)上記(1)〜(5)のいずれか一に記載の成型用金型において、前記金型材料の表面が、多孔質であることを特徴とする。
(7)上記(6)に記載の成型用金型において、前記金型材料の表面の多孔質部分の気孔率が30〜50%であることを特徴とする。
(1) The molding die according to the present invention is characterized in that a carbon nanotube layer in which a plurality of carbon nanotubes are erected is formed at least on the surface of a mold material whose surface is formed of SiC. And
(2) In the molding die described in (1) above, the mold material is formed of SiC.
(3) The molding die according to (1) or (2) is characterized in that the plurality of carbon nanotubes grow substantially perpendicular to the surface of the molding die.
(4) In the molding die according to any one of (1) to (3), a length of the plurality of carbon nanotubes is 0.1 μm to 10 μm.
(5) In the molding die according to (4), the length of the plurality of carbon nanotubes is 1 μm to 3 μm.
(6) In the molding die according to any one of (1) to (5), the surface of the mold material is porous.
(7) In the molding die according to (6), the porosity of the porous portion on the surface of the mold material is 30 to 50%.
(8)本発明に係る成型用金型の製造方法は、少なくとも表面がSiCによって形成され
ている金型材料を、真空下における加熱によりケイ素を昇華させる工程によって、金型材料表面に複数のカーボンナノチューブが立設しているカーボンナノチューブ層を形成せしめることを特徴とする。
(9)上記(8)に記載の成型用金型の製造方法において、前記金型材料がSiCによっ
て形成されていることを特徴とする。
(10)上記(8)又は(9)に記載の成型用金型の製造方法において、前記金型材料の少なくとも表面が多孔質であることを特徴とする。
(8) A method for producing a molding die according to the present invention comprises a step of sublimating silicon at least on a surface of a die material by heating a die material having a surface made of SiC, and forming a plurality of carbons on the surface of the die material. A carbon nanotube layer in which the nanotubes are erected is formed.
(9) In the method for manufacturing a molding die according to (8), the mold material is formed of SiC.
(10) In the method for manufacturing a molding die according to (8) or (9), at least a surface of the mold material is porous.
本発明によれば耐久性及び離型性に優れた成型用金型を提供することができる。特に、SiC多孔体を母材とし、該母材表面をカーボンナノチューブ層で被覆した本発明の成型
用金型は、従来のプレス成形型に比べて非常に優れた耐久性を示す。
According to the present invention, it is possible to provide a molding die excellent in durability and releasability. In particular, the molding die of the present invention in which a SiC porous body is used as a base material and the surface of the base material is covered with a carbon nanotube layer exhibits extremely superior durability compared to a conventional press mold.
本発明に係る成型用金型は金属金型に限られず、セラミックス金型であってもよい。すなわち、本発明に係る成型用金型は、少なくとも表面がSiCであるセラミックスを母材
とし、その表面にカーボンナノチューブからなる層を被覆したことを特徴とする。カーボンナノチューブの表面を、被成型物、例えばレンズの表面に要求される精度、形状に加工しておけば、成型後のレンズの仕上げ加工が不要であり、離型性が極めてよい。母材にセラミックスを用いるので、ガラス状カーボンよりセラミックスの強度の方が高いため、耐久性が向上する。また、金型母材を例えばレンズ等の被成形物の形状に加工した後に、カーボンナノチューブを被覆するので、加工の手間を省くことができる。
本発明に係る成型用金型は、個体を押し固めるタイプの成型方法に非常に有効である。更に、液体を固めるタイプの成型方法においても、被成形物たる液体とカーボンナノチューブとの濡れ性が悪い場合には、個体の場合と同様に優れた離型性を発揮することができる。したがって、プレス成型に限られず、押出成型、ブロー成型、鋳造成型、射出成型等にも好ましく用いられる。
The molding die according to the present invention is not limited to a metal die, and may be a ceramic die. That is, the molding die according to the present invention is characterized in that at least the surface is made of ceramics made of SiC, and the surface is covered with a layer made of carbon nanotubes. If the surface of the carbon nanotube is processed into the precision and shape required for the object to be molded, for example, the surface of the lens, the finishing process of the lens after molding is unnecessary, and the releasability is extremely good. Since ceramic is used for the base material, the strength of the ceramic is higher than that of glassy carbon, so the durability is improved. In addition, since the mold base material is processed into the shape of an object to be molded such as a lens and then the carbon nanotubes are covered, the processing time can be saved.
The molding die according to the present invention is very effective for a molding method of pressing an individual. Further, even in the molding method of solidifying the liquid, when the wettability between the liquid as the molding object and the carbon nanotube is poor, the excellent releasability can be exhibited as in the case of an individual. Therefore, it is not limited to press molding, and is preferably used for extrusion molding, blow molding, casting molding, injection molding, and the like.
上記した密着強度の高いカーボンナノチューブは、特許文献3に記載のような、以下の方法(以下、昇華法とも記す)により作製できる。
すなわち、真空下において、金型材料のSiC表面が分解してケイ素原子が失われる温
度に加熱すればよい。SiCを真空下で加熱すると、例えば、真空度が10-7torrでは1
400℃になるとSiCが分解してケイ素原子が失われる。このとき、ケイ素原子はSiC結晶の表面から順に失われるため、まずSiC結晶の表面がケイ素原子の欠乏した層(炭
素層)に変化し、このSi除去層(炭素層)が次第に元のSiC結晶の内部に浸透するよ
うに厚みを増す。この層を顕微鏡で観察すると、カーボンナノチューブがSiC表面から
垂直に生成している層であることが知られている。生成するカーボンナノチューブの長さ
は、通常は数μm程度である。
The carbon nanotubes having high adhesion strength can be produced by the following method (hereinafter also referred to as sublimation method) as described in Patent Document 3.
That is, heating may be performed at a temperature at which the SiC surface of the mold material is decomposed and silicon atoms are lost under vacuum. When SiC is heated under vacuum, for example, when the degree of vacuum is 10 −7 torr, 1
At 400 ° C., SiC decomposes and silicon atoms are lost. At this time, since the silicon atoms are lost in order from the surface of the SiC crystal, the surface of the SiC crystal is first changed to a silicon atom-deficient layer (carbon layer), and this Si removal layer (carbon layer) gradually becomes the original SiC crystal. Increase the thickness to penetrate inside. When this layer is observed with a microscope, it is known that the carbon nanotube is a layer formed vertically from the SiC surface. The length of the generated carbon nanotube is usually about several μm.
昇華法によりカーボンナノチューブ層を形成する場合、金型材がSiCならそのまま処
理できるし、またSi3N4などの他のセラミックスの場合は、表面にSiC膜をコーティングしておけばいい。
この時、SiC金型材料又は他のセラミックス金型材料の最表面のSiC薄膜が(0001)面若しくは(111)面であると、カーボンナノチューブがSiC面に対して略垂直
に成長しやすくなる。垂直に成長すると最も離型性が高くなるため、好ましい。SiCが
他の方向性を持って成長している場合は、生成するカーボンナノチューブの配向がそろわない場合があるが、任意の方向(ランダム)に成長した場合でも、離型性が格段に低下することはなく、十分に満足できる離型性が発現する。
When the carbon nanotube layer is formed by the sublimation method, if the mold material is SiC, the carbon nanotube layer can be processed as it is. In the case of other ceramics such as Si 3 N 4 , the surface may be coated with a SiC film.
At this time, if the SiC thin film on the outermost surface of the SiC mold material or other ceramic mold material is the (0001) plane or the (111) plane, the carbon nanotubes are likely to grow substantially perpendicular to the SiC plane. It is preferable to grow vertically because the release property is the highest. When SiC grows in other directions, the orientation of the generated carbon nanotubes may not be aligned, but even when grown in any direction (random), the releasability is significantly reduced. There is nothing, and fully satisfactory release properties are exhibited.
上記昇華法で作製したカーボンナノチューブは、金型材料表面のSi原子とカーボンナ
ノチューブの炭素原子は、極めて大きい結合エネルギーを持つSi−C結合から形成され
ているため、カーボンナノチューブと金型材料表面の密着強度が極めて大きいという、他のカーボンナノチューブ形成法には全くない特徴を持つ。従って、金型のような高い耐摩耗性が要求される用途には、本製法(昇華法)によるカーボンナノチューブしか使用できないことが分かった。
In the carbon nanotube produced by the above sublimation method, the Si atom on the surface of the mold material and the carbon atom of the carbon nanotube are formed from Si—C bonds having extremely large binding energy. The adhesion strength is extremely high, which is a feature that is not found in other carbon nanotube formation methods. Therefore, it was found that only carbon nanotubes produced by this production method (sublimation method) can be used for applications that require high wear resistance such as molds.
また、金型材料表面に形成されたカーボンナノチューブの先端は、被成形体に接触するが、カーボンナノチューブの先端は非常に微細であるため、被成型体表面の微細な凹凸にも追従し、金型と被成型体との接触性が極めて高くなる。このため、金型と被成形体との接触熱抵抗が極めて小さくなるので、被成形体が均一にしかも、素早く加熱されるために、被成形体の焼結時に焼結ムラなどが生じないという利点や、また、昇温時間も短くなるため、プレス成形の工程時間を短くすることができるという利点もある。 The tip of the carbon nanotube formed on the surface of the mold material is in contact with the object to be molded, but the tip of the carbon nanotube is very fine, and therefore follows the fine irregularities on the surface of the object to be molded. The contact between the mold and the object to be molded is extremely high. For this reason, since the contact thermal resistance between the mold and the molded body is extremely small, the molded body is heated uniformly and quickly, so that there is no unevenness of sintering during sintering of the molded body. There is also an advantage that the time required for press molding can be shortened because the heating time is shortened.
金型材料表面に形成されるカーボンナノチューブは、長さが0.1μm以上あれば離型性向上に効果がある。プレス成形時に被成形体を加熱し焼結も行う、モールド成形技術においては、金型材と被成形体または焼結体との熱膨張係数の差により、被成形体の材料成分が金型に融着したり、それに起因して破壊されたりするが、カーボンナノチューブ層を形成しておくと、この層がいわゆるクッション層になるため、このような現象が起こらず、また離型性も極めて高い。カーボンナノチューブの長さが10μmあれば、ほぼ、どのような成形体種にも対応し、当該効果を発揮できる。しかし、10μmを越えると効果が飽和し、また、寸法精度が損なわれる場合がある。カーボンナノチューブの最も好ましい長さは、1〜3μmである。 Carbon nanotubes formed on the surface of the mold material are effective in improving releasability as long as the length is 0.1 μm or more. In mold molding technology that heats and sinters the molded body during press molding, the material component of the molded body is melted in the mold due to the difference in thermal expansion coefficient between the mold material and the molded body or sintered body. Although it is worn or destroyed due to this, if a carbon nanotube layer is formed, this layer becomes a so-called cushion layer, so that such a phenomenon does not occur and the releasability is extremely high. If the length of the carbon nanotube is 10 μm, it can be applied to almost any type of molded body and can exhibit the effect. However, if it exceeds 10 μm, the effect is saturated and the dimensional accuracy may be impaired. The most preferable length of the carbon nanotube is 1 to 3 μm.
尚、母材として用いる金型材料の少なくとも表面に形成されているSiCを多孔質にし
ておくと、より一層離型性が向上し、更に耐久性が向上する。その際、該多孔質体の気孔率は、30〜50%にすることが望ましい。多孔質部分の気孔率が50%を超えると、セラミックス多孔体の強度が低下するので、耐久性向上の効果が少なくなるからである。また、気孔率が30%未満の緻密体では、多孔質にする効果が顕著でない。
In addition, if SiC formed on at least the surface of the mold material used as the base material is made porous, the releasability is further improved and the durability is further improved. At that time, the porosity of the porous body is desirably 30 to 50%. This is because if the porosity of the porous portion exceeds 50%, the strength of the ceramic porous body is lowered, and the effect of improving the durability is reduced. Further, in the dense body having a porosity of less than 30%, the effect of making it porous is not remarkable.
金型材料として、SiC、Si3N4セラミックス基材を用意し、図1のように、上パンチ、下パンチ形状に加工した。GCは比較材とした。
これらのセラミックスの表面に、各種条件でカーボンナノチューブを形成した。比較としてガラス状カーボンを2〜3μm被覆した。被覆したガラス状カーボン(GC)の表面を研磨加工して、鏡面の成形面を有するプレス成形型を得た。
これらの成形型を用いて、図2に示した形状のZnSセラミックスの700℃仮焼体(
被成形物)の成形を最大20000回行い、成形可能回数と成形が不可能となった時の不
具合理由を調べた。
As mold materials, SiC and Si 3 N 4 ceramic base materials were prepared and processed into upper punch and lower punch shapes as shown in FIG. GC was used as a comparative material.
Carbon nanotubes were formed on the surface of these ceramics under various conditions. For comparison, glassy carbon was coated by 2 to 3 μm. The coated glassy carbon (GC) surface was polished to obtain a press mold having a mirror-shaped molding surface.
A 700 ° C calcined body of ZnS ceramic having the shape shown in FIG.
The molded object) was molded up to 20000 times, and the possible number of moldings and the reason for failure when molding became impossible were investigated.
結果を表1に示す。
なお、表1中、CNTはカーボンナノチューブを、GCはガラス状カーボンを意味する
。
The results are shown in Table 1.
In Table 1, CNT means carbon nanotube, and GC means glassy carbon.
表面に何も処理を施さないセラミックス成形型(試料No.1〜3)は離型性が悪く、
1回の成形でZnS成分の金型への固着が生じてそれ以降のテストができなかった。
カーボンナノチューブを形成することにより離型性がよくなり、また、非晶質炭素(ガラス状カーボン)をコーティングしたもの(試料No.4)より高い耐久性を示した。
SiC金型の表面を多孔質にするとさらに耐久性が向上することが確認できた。
Ceramic molds (samples No. 1 to 3) that are not subjected to any treatment on the surface have poor releasability,
In one molding, the ZnS component adhered to the mold, and subsequent tests could not be performed.
By forming the carbon nanotubes, the releasability was improved, and the durability was higher than that obtained by coating amorphous carbon (glassy carbon) (sample No. 4).
It was confirmed that the durability was further improved when the surface of the SiC mold was made porous.
Claims (10)
ノチューブが立設しているカーボンナノチューブ層が形成されていることを特徴とする成型用金型。 A molding die characterized in that a carbon nanotube layer in which a plurality of carbon nanotubes are erected is formed on the surface of a mold material having at least a surface formed of SiC.
型用金型。 The mold for molding according to claim 1, wherein the mold material is made of SiC.
りケイ素を昇華させる工程によって、金型材料表面に複数のカーボンナノチューブが立設しているカーボンナノチューブ層を形成せしめることを特徴とする成型用金型の製造方法。 A carbon nanotube layer in which a plurality of carbon nanotubes are erected is formed on the surface of the mold material by a step of sublimating silicon by heating in a vacuum at least on the surface of the mold material formed of SiC. A method for manufacturing a molding die.
型用金型の製造方法。 The method for manufacturing a molding die according to claim 8, wherein the mold material is formed of SiC.
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