JP2016510298A - ガラス成形用金型及びその作製方法 - Google Patents

ガラス成形用金型及びその作製方法 Download PDF

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Abstract

少なくとも約９０％のニッケルを含む成形面を有する金型体を提供する工程及び成形面を酸化熱処理にかけることで金型体の成形面の組成を改変する工程を含む方法によって、ガラスを成形するための金型を作製することができる。酸化熱処理は、温度ランピング熱処理または定温熱処理を、あるいは温度ランピング熱処理及び定温熱処理のいずれも、含むことができる。温度ランピング熱処理は加熱温度を、約７００℃から約１０００℃の温度に約２０℃/時間から約５００℃/時間のレートで高める工程を含むことができる。定温熱処理は加熱温度を、少なくとも約５分の保持時間の間、約７００℃から約１０００℃に保持する工程を含むことができる。

Description

関連出願の説明
本出願は、２０１３年１月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／７５４７９８号の出願日の恩典を主張し、２０１４年１月１７日に出願された米国特許出願第１４／１５８２４２号に関連する、米国特許出願第１４／１５８２６２号への米国特許法第１１９条の下の優先権の恩典を主張する。本明細書はこれらの特許出願の全ての明細書の内容に依存し、これらの特許出願の明細書の内容はそれぞれの全体が本明細書に参照として含められる。
本明細書は全般に金型に関し、さらに詳しくは、ガラスを成形するための金型に関する。
最新の電子デバイスにおける、非常に高い水準の表面品質を有する、薄い、三次元ガラス基板への現今の要求により、無欠陥成形ガラス基板を市場に供給できる新しい材料及びプロセスを見いだす必要が生じている。成形ガラスの形成は一般に、成形されるべきガラスをガラスの操作が可能な温度に加熱する工程及び、次いで、所望の形状を得るためにガラスを金型と共形にする工程を含む。ガラス基板成形の古典的方法には、軟化ガラス塊が雄型と雌型の間でプレスされる、テレビジョン管成形及び、一対の中空金型内でガラスが吹かれる、ボトル成形がある。
成形工程においては金型材料の選択が成功への鍵であることが多い。成形ガラス品の形状及び表面の品質を最適化するためには、金型材料は、１）プロセス温度において優れた耐酸化性及び耐蝕性を有していなければなない、２）ガラスとの反応が最小（無固着）でなければならない、及び３）成形力による変形及び歪みに抗するためにプロセス温度において十分に強固でなければならない。
現実には、上記要件の全てを満たす１つの材料を選択することは困難であり得る。一解決策は、成形を成功させるため、金型表面にコーティングを施して様々な材料のメリットを複合させることであった。今日、コーティング金型はガラス成形工業において最も普通に用いられている。無コーティング金型（すなわち、裸金型）はまれであり、高い表面品質を必要としないボトル及びある種のガラス食器のような、低価格帯のガラス製品に限られている。裸金型が用いられる場合、成形プロセスを補助するため及び表面品質を維持するため、一般にいくらかのレベルの潤滑剤が塗布されている。そのような潤滑剤は一貫して塗布することが困難であり、除去するための副次的な清掃工程が必要になる。高価格帯製品には、特にプレス成形カメラレンズのような光学品質製品には、コーティングは必須であると見なされている。
コーティングはガラス成形プロセスにおける課題の解決に役立つが、新しい問題を生じさせる。例えば、コーティングはかなりのコスト及びプロセスを制御するための新しい変数を付加する。さらに重要なことは、コーティングは、作業中に劣化して機能を失うことが多く、金型の寿命を制限し、頻繁な再コーティングを必要とする。したがって、ハイエンドの高品質ガラス基板の分野において、無欠陥の成形ガラス基板を市場に供給できる一層優れた金型材料を得ることが依然として必要とされている。
本明細書に説明される実施形態はガラスを成形するための金型及びその金型を作製するための方法に関する。一実施形態にしたがえば、ガラスを成形するための金型は、少なくとも約９０％のニッケルを含む成形面を有する金型体を提供する工程、及び成形面を酸化熱処理にかけることで金型体の成形面の組成を改変する工程を含むことができる方法によって作製することができる。酸化熱処理は、温度ランピング熱処理または定温熱処理を含むことができ、あるいは温度ランピング熱処理及び定温熱処理のいずれも含むことができる。温度ランピング熱処理は加熱温度を、約７００℃から約１０００℃の温度に約２０℃/時間から約５００℃/時間のレートで高める工程を含むことができる。定温熱処理は加熱温度を、少なくとも約５分の保持時間の間、約７００℃から約１０００℃に保持する工程を含む。酸化ニッケル層は約５００ｎｍから約２０μｍの平均厚さを有することができる。
別の実施形態において、ガラスを成形するための金型は成形面及び成形面上の酸化ニッケル層を有する金型体を含むことができる。成形面近くの金型体の少なくとも一部は少なくとも約９０％のニッケルを含むことができる。酸化ニッケル層は約５００ｎｍから約２０μｍの平均厚さを有することができ、酸化ニッケル層は金型の成形面において約１μｍ以下の平均表面粗さ（Ｒａ）を有することができる。
また別の実施形態において、ガラス品は、ガラスを成形するための金型を提供する工程及びガラスの成形を可能にするに十分な温度においてガラスを金型と接触させることでガラス品を形成する工程を含む方法によって作製することができる。金型は、成形面およびその成形面上の酸化ニッケル層を有する成形体から構成できる。成形面近くの金型体の少なくとも一部は少なくとも約９０％のニッケルを含むことができる。酸化ニッケル層は約５００ｎｍから約２０μｍの平均厚さを有することができ、酸化ニッケル層は金型の成形面において約１μｍ以下の平均表面粗さ（Ｒａ）を有することができる。
本明細書に説明される実施形態のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、添付図面も含む、本明細書に説明される実施形態を実施することによって認められるであろう。
上述の全般的説明及び以下の詳細な説明のいずれもが様々な実施形態を説明しており、特許請求される主題の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は様々な実施形態のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は本明細書に説明される様々な実施形態を示し、記述とともに、特許請求される主題の原理及び動作の説明に役立つ。
図１は、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、ガラスを成形するための金型の構造を簡略に示す。 図２は、様々な固定温度及び保持時間で形成された酸化ニッケル層の、平均厚さをグラフで示す。 図３は、様々な固定温度及び保持時間で形成された酸化ニッケル層の、ピーク表面粗さをグラフで示す。
それらの例が添付図面に示される、ガラスを成形するための金型及びガラスを成形するための金型を作製するための方法の様々な実施形態がここで詳細に参照される。可能であれば必ず、全図面を通して同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指すために用いられる。ガラスを成形するための金型を作製するための方法の実施形態が、またガラスを成形するための金型も、添付図面を特に参照して本明細書で詳細に説明される。
以下の説明は有効教示として提供される。この目的のため、当業者であれば、本明細書に説明される様々な実施形態には多くの変更がなされ得るが、それでも有益な結果が得られることを認め、了解するであろう。所望の利点のいくつかは特徴のいくつかを選択することにより、他の特徴は利用せずに、得られることも明らかであろう。したがって、当業者であれば、提示される実施形態には多くの改変及び改作が可能であり、いくつかの状況において望ましくさえあり得ること、及び、それらが本説明の一部であることを認めるであろう。したがって、以下の説明は例示として与えられており、限定と見なされるべきではない。
開示される方法及び組成物のために用いることができ、それらとともに用いることができ、それらの準備／作製に用いることができ、あるいはそれらの実施形態である、材料、化合物、組成物及び成分が開示される。上記及びその他の材料が本明細書に開示され、そのような材料の組合せ、サブセット、相互作用、群等が開示される場合、それらの化合物の様々な個別的及び総括的な組合せ及び置換のそれぞれへの特定の言及は明示的になされていないかもしれない場合であっても、それぞれが特定的に本明細書で考えられ、説明されていると了解される。すなわち、置換要素Ａ，Ｂ及びＣからなる群が、また置換要素Ｄ，Ｅ及びＦからなる群も、開示され、組合せ実施形態の例Ａ−Ｄが開示されていれば、それぞれは個別的及び総括的に考えられている。すなわち、この例においては、組合せＡ−Ｅ，Ａ−Ｆ，Ｂ−Ｄ，Ｂ−Ｅ，Ｂ−Ｆ，Ｃ−Ｄ，Ｃ−Ｅ及びＣ−Ｆのそれぞれも特定的に考えられていて、Ａ，ＢとＣ及びＤ，ＥとＦ，及び組合せ例Ａ−Ｄの開示により、開示されていると見なされるべきである。同様に、これらのいかなるサブセットまたは組合せも特定的に考えられ、開示されている。すなわち、例えば、Ａ−Ｅ，Ｂ−Ｆ及びＣ−Ｅからなる部分群がＡ，Ｂ及びＣとＤ，Ｅ及びＦ，及び組合せ例Ａ−Ｄの開示によって、特定的に考えられていて、開示されていると見なされるべきである。この概念は、開示される組成物の作成及び使用の方法における組成物のいかなる成分及び工程も含むがこれらには限定されない、本開示の全ての態様に適用される。すなわち、実施することができる様々な付加工程があれば、そのような付加工程のそれぞれが開示される方法の実施形態のいずれか特定の実施形態または実施形態の組合せとともに実施することができ、そのような組合せのそれぞれが特定的に考えられていて、開示されていると見なされるべきであると、了解される。
本明細書及び添付される特許請求の範囲においては、本明細書に詳述される意味を有すると定義される多くの用語／術語が参照される。
用語「約」は、別途に言明されない限り、範囲内の全ての数値にかかる。例えば、約１，２または３は、約１，約２または約３と等価であり、さらに、約１〜３，約１〜２及び約２〜３を含む。組成物、成分、成分、添加物及び同様の態様について開示される特定の好ましい値及びそれらの範囲は例示のためでしかなく、他の定められた値または定められた範囲内の他の値を排除するものではない。本開示の組成物及び方法は、本明細書に説明される、いかなる値も、または、値、特定の値、さらに詳しい値及び好ましい値のいかなる値の組合せも有する組成物及び方法を含む。
本明細書に用いられるように、名詞は、別途に指定されない限り、少なくとも１つまたは１つ以上の対象を意味する。
本明細書に用いられるように、述語「基板」は三次元構造体に成形され得るガラス板を表す。
一般に、ガラスを成形するための金型は、成形面を有する金型体を提供する工程及び成形面上に酸化ニッケル層を形成することによって成形面の組成を改変する工程を含むプロセスで作製することができる。成形面の組成の改変は成形面を酸化熱処理にかけることで行うことでなされ得る。酸化熱処理は一般に、温度ランピング熱処理または定温熱処理を、あるいは温度ランピング熱処理及び定温熱処理のいずれも、含み、温度ランピング熱処理は加熱温度を与えられた温度レートで高める工程を含むことができ、定温熱処理は加熱温度を、指定された保持時間の間、与えられた温度に保持する工程を含むことができる。いくつかの実施形態において酸化熱処理は温度ランピング熱処理を含むことができず、いくつかの別の実施形態において酸化熱処理は定温熱処理を含むことができない。加熱は一般に空気中で、または他のいずれかの酸素含有環境内で、実施することができる。
本明細書の実施形態は、三次元ガラス構造体のような、ガラス基板の成形に有用なニッケル金属ベース金型を含む。ガラス基板は、電話、電子タブレット、テレビジョン等のような、電子デバイスの前面カバー及び／または背面カバーとして有用であり得る。これらのエレクトロニクス用途において、ガラス基板の形状及び表面品質は、美的外観を与えるだけでなく、ガラス表面の脆弱性、おこり得るエレクトロニクス関連問題及びコストを最小限に抑えるためにも、非常に厳しい許容範囲内にあることが必要になり得る。
図１を参照すれば、ガラス成形のための酸化ニッケル層１１０を有する金型１００の一実施形態が示されている。一実施形態において、金型１００は金型体１２０を有することができ、金型体１２０は金型体１２０上に配置された成形面１２２を有することができる。金型体１２０の成形面１２２の少なくとも一部の上に酸化ニッケル層１１０を配置することができる。図１に示される実施形態において、成形面１２２の形状は金型体１２０のキャビティを定める。しかし、別の実施形態において、成形面１２２の形状は、成形されているガラスと接触することができる金型体１２０の突出領域のような、他の形状を定めることができる。様々な三次元ガラス品を成形するため、広範な形状の金型体１２０を用い得ることは当然である。いくつかの実施形態において、一ガラス品を成形するために１つ以上の金型体１２０を用いることができる。例えば、ガラス体を成形するため、２つの金型体１２０をガラス体の両面に接触させることができる。したがって、二金型実施形態において、それぞれの金型体１２０は、それぞれがガラスと接触し、酸化ニッケル層１１０でコーティングされている、成形面１２２を有することができる。
金型１００は、酸化熱処理の前に、約９０％より多くのニッケルを含む成形面１２２を有することができる。金型１００は約９０％より多くのニッケルを含むバルク材料から作製することができ、あるいは別のバルク材料上にニッケルが少なくとも約９０％の層を有することができる。金型１００は、三次元ガラス基板の成形のため、工業用純ニッケルのような、高純度ニッケルを有することができる。高純度及び超高純度のニッケル金属は、以下に説明されるように、優れた耐酸化性及び耐蝕性を、また軟化ガラスが接触したときに優れた無固着特性も、有することができる。高純度及び超高純度のニッケルは比較的軟質になることができ、したがって、通常のガラス成形工程に対して十分に強くはないと考えられていた。しかし、具現化されるプロセスは金型に大きな力を印加しないから、新規な態様におけるこれらの材料の使用が可能になる。
一実施形態において、成形面１２２は高純度ニッケルを含むことができる。高純度ニッケル金型１００により、光学品質ガラス品の成形が可能になる。本明細書に用いられるように、高純度ニッケル金型は、少なくとも９０％、９３％、９５％、９７％、９８％、９９％、９９.５％、９９.９％、９９.９５％または９９.９９％のニッケルを含む組成をもつ金型１００を含む。いくつかの実施形態において、成形面１２２は、約９５％から約９９.９９％のニッケル、約９７％から約９９.９９％のニッケル、約９８％から約９９.９９％のニッケル、約９９％から約９９.９９％のニッケル、約９９.５％から約９９.９９％のニッケル、約９９.９％から約９９.９９％のニッケル、約９５％から約９９.９５％のニッケル、約９７％から約９９.９５％のニッケル、約９８％から約９９.９５％のニッケル、約９９％から約９９.９５％のニッケル、約９９.５％から約９９.９５％のニッケル、約９９.９％から約９９.９５％のニッケル、約９５％から約９９.９％のニッケル、約９７％から約９９.９％のニッケル、約９８％から約９９.９％のニッケル、約９９％から約９９.９％のニッケル、約９９.５％から約９９.９％のニッケル、約９５％から約９９.５％のニッケル、約９７％から約９９.５％のニッケル、約９８％から約９９.５％のニッケル、約９９％から約９９.５％のニッケル、約９５％から約９９％のニッケル、約９７％から約９９％のニッケル、約９８％から約９９％のニッケル、約９５％から約９８％のニッケル、約９７％から約９８％のニッケル、または約９５％から約９７％のニッケルを含むことができる。
いくつかの実施形態において、成形面１２２は超高純度ニッケルを含むことができる。本明細書に用いられるように、超高純度ニッケルは、少なくとも９９％、９９.５％、９９.９％、９９.９５％または９９.９９％のニッケルを含む。いくつかの実施形態において、超高純度ニッケルは、約９９％から約９９.９９％のニッケル、約９９.５％から約９９.９９％のニッケル、約９９.９％から約９９.９９％のニッケル、約９９％から約９９.９５％のニッケル、約９９.５％から約９９.９５％のニッケル、約９９.９％から約９９.９５％のニッケル、約９９％から約９９.９％のニッケル、約９９.５％から約９９.９％のニッケル、または約９９％から約９９.５％のニッケルを含む。
本明細書で用いられ得るニッケル組成物の例には、工業純度ニッケルグレード、２００（９９.６％Ｎｉ，０.０４％Ｃ），２０１（９９.６％Ｎｉ，最大０.０２％Ｃ），２０５（９９.６％Ｎｉ，０.０４％Ｃ，０.０４％Ｍｇ），２１２（９７.０％Ｎｉ），２２２（９９.０％Ｎｉ），２３３（９９％Ｎｉ）及び２７０（９９.９７％Ｎｉ）があるがこれらには限定されない（例えば、ASM Specialty Handbook: Nickel, Cobalt and Their Alloys, #06178G (ASM International 2000)の、Special-Purpose Nickel Alloysを参照されたい。この文献はその全体が本明細書に参照として含められる）。
金型１００の成形面１２２の組成は成形面１２２を酸化熱処理にかけることによって改変することができる。酸化熱処理は金型１００の成形面１２２においてニッケルの少なくとも一部を酸化ニッケルに転換するに十分に高い温度に金型１００をさらす工程を含むことができる。酸化ニッケルは金型１００の成形面１２２の実質的に全体を覆う層をなすことができる。
酸化熱処理は、温度ランピング熱処理または定温熱処理を、あるいは温度ランピング熱処理及び定温熱処理のいずれも、含むことができる。例えば、酸化熱処理は加熱温度を与えられた温度までランピングし、次いでほぼその温度に保持する工程を含むことができる。温度ランピング熱処理は加熱温度を目標温度まで与えられた温度レートで高める工程を含むことができる。本明細書に用いられるように、加熱温度は金型１００が酸化熱処理中にさらされる温度である。レートは完全に一様（線形関数加熱曲線）である必要はなく、実質的に完全に一様とするか、または確立された加熱レート範囲内にあることができる。定温熱処理は、指定された保持時間の間、加熱温度を与えられた温度に保持する工程を含むことができる。定温熱処理の指定温度は保持時間の経過全体にかけて一定である必要はないが、指定された定温に対して±約２５℃の範囲内にあるべきである。例えば、定温熱処理が約８００℃における温度の保持を含む場合、時間の経過にかけて実温度は約７７５℃と約８２５℃の間で変わり得る。
いくつかの実施形態において、温度ランピング熱処理は加熱温度を目標温度まで約２０℃/時間、約３０℃/時間、約４０℃/時間、約５０℃/時間、約６０℃/時間、約７０℃/時間、約８０℃/時間、約９０℃/時間、約１００℃/時間、約１１０℃/時間、約１２０℃/時間、約１３０℃/時間、約１４０℃/時間、約１５０℃/時間、約２００℃/時間、約３００℃/時間、約４００℃/時間または約５００℃/時間のレートで高める工程を含むことができる。例えば、温度ランピング熱処理は加熱温度を、約２０℃/時間から約５００℃/時間、約３０℃/時間から約３００℃/時間、約４０℃/時間から約２００℃/時間、約５０℃/時間から約１５０℃/時間、約６０℃/時間から約１４０℃/時間、約７０℃/時間から約１３０℃/時間、約８０℃/時間から約１２０℃/時間または約９０℃/時間から約１１０℃/時間のレートで高める工程を含むことができる。目標温度は、約８００℃から約１０００℃、約９００℃から約１０００℃、約７００℃から約９００℃、約８００℃から約９００℃または約７００℃から約８００℃のような、約７００℃から約１０００℃とすることができる。
いくつかの実施形態において、定温熱処理は加熱温度を、保持時間の間、少なくとも約３００℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃、９００℃または１０００℃に保持する工程を含むことができる。いくつかの実施形態において、定温熱処理は加熱温度を少なくとも、約３００℃から約１０００℃、約４００℃から約１０００℃、約５００℃から約１０００℃、約６００℃から約１０００℃、約７００℃から約１０００℃、約８００℃から約１０００℃、約９００℃から約１０００℃、約３００℃から約９００℃、約４００℃から約９００℃、約５００℃から約９００℃、約６００℃から約９００℃、約７００℃から約９００℃、約８００℃から約９００℃、約３００℃から約８００℃、約４００℃から約８００℃、約５００℃から約８００℃、約６００℃から約８００℃、約７００℃から約８００℃、約３００℃から約７００℃、約４００℃から約７００℃、約５００℃から約７００℃、約６００℃から約７００℃、約３００℃から約６００℃、約４００℃から約６００℃、約５００℃から約６００℃、約３００℃から約５００℃、約４００℃から約５００℃または約３００℃から約４００℃の温度に保持する工程を含むことができる。保持時間は少なくとも約５分とすることができる。例えば、保持時間は約１５分から約１週間とすることができる。例えば、保持時間は少なくとも、約１５分、３０分、４５分、１時間、１.５時間、２時間、３時間、４時間、５時間、６時間、７時間、８時間、９時間、１０時間、１１時間、１２時間、１３時間、１４時間、１５時間、１６時間、１８時間、２０時間、２２時間または２４時間とすることができる。いくつかの実施形態において、保持時間は、約１５分から約４時間、約３０分から約１.５時間、約８時間から約２４時間、約１２時間から約２０時間、約１４時間から約１８時間または約１５時間から約１７時間とすることができる。
温度ランピング熱処理または定温熱処理のいずれか遅い方に続いて、金型の周囲の温度を環境条件（ほぼ室温）またはその近くまで戻すことができる。温度ランピング熱処理は環境条件またはその近くで始まることができる。
いくつかの実施形態において、酸化熱処理は温度ランピング熱処理及び定温熱処理のいずれも含む。例えば、温度ランピング熱処理は加熱温度を約７００℃から約９００℃の温度に約５０℃/時間から約１５０℃/時間のレートで高める工程を含むことができ、定温熱処理は加熱温度を、約１４時間から約１８時間の保持時間の間、約７００℃から約９００℃に保持する工程を含むことができる。別の実施形態において、温度ランピング熱処理は加熱温度を、約７５０℃から約８５０℃、約７５０℃から約８２５℃、約７９０℃から約８１０℃または約８００℃の温度に、約７０℃/時間から約１３０℃/時間、約８０℃/時間から約１２０℃/時間、約９０℃/時間から約１１０℃/時間または約１００℃/時間のレートで高める工程を含むことができ、定温熱処理は加熱温度を、約１０時間から約２２時間、約１４時間から約１８時間、約１５時間から約１７時間または約１６時間の保持時間の間、約７５０℃から約８５０℃、約７５０℃から約８２５℃、約７９０℃から約８１０℃または約８００℃に保持する工程を含むことができる。
別の実施形態において、温度ランピング熱処理は加熱温度を約８００℃から約１０００℃の温度に約５０℃/時間から約１５０℃/時間のレートで高める工程を含むことができ、定温熱処理は加熱温度を、約３０分から約１.５時間の間、約８００℃から約１０００℃に保持する工程を含むことができる。例えば、温度ランピング加熱処理は加熱温度を、約８５０℃から約９５０℃、約８７５℃から約９２５℃、約８９０℃から約９１０℃または約９００℃の温度に、約７０℃/時間から約１３０℃/時間、約８０℃/時間から約１２０℃/時間、約９０℃/時間から約１１０℃/時間または約１００℃/時間のレートで高める工程を含むことができ、定温熱処理は加熱温度を、約５分から４時間、約１５分から約２時間、約３０分から約１.５時間、約４５分から約１.２５時間または約１時間の保持時間の間、約８５０℃から約９５０℃、約８７５℃から約９２５℃、約８９０℃から約９１０℃または約９００℃に保持する工程を含むことができる。
別の実施形態において、酸化熱処理は、実質的な定温熱処理、すなわち約１５分より短い定温熱処理を含まずに、温度ランピング熱処理だけを含むことができる。例えば、温度ランピング処理は加熱温度を約９５０℃から約１０００℃の温度に約５０℃/時間から約１５０℃/時間のレートで高める工程を含むことができ、定温熱処理は加熱温度を、約０秒から約３０分の保持時間の間、約９５０℃から約１０００℃に保持する工程を含むことができる。別の実施形態において、温度ランピング処理は加熱温度を、約９００℃から約１０５０℃、約９５０℃から約１０００℃、約９５０℃から約９７０℃または約９６０℃の温度に、約７０℃/時間から約１３０℃/時間、約８０℃/時間から約１２０℃/時間、約９０℃/時間から約１１０℃/時間または約１００℃/時間のレートで高める工程を含むことができ、定温熱処理は加熱温度を、約１時間より短いか、約４５分より短いか、約３０分より短いか、約１５分より短いか、約１０分より短いかまたは約５分より短いような、約０秒から約３０分の保持時間の間、約９００℃から約１０５０℃、約９５０℃から約１０００℃、約９５０℃から約９７０℃または約９６０℃に保持する工程を含むことができる。
別の実施形態において、酸化熱処理は、約１時間より短いか、約４５分より短いか、約３０分より短いか、約１５分より短いか、約１０分より短いかまたは約５分より短い時間の、温度ランピング熱処理の最高温度における定温熱処理を含むことができる。
金型１００上の酸化ニッケル層１１０は、約５００ｎｍから約２０μｍ、約１μｍから約１４μｍ、約１μｍから約１０μｍまたは約１.５μｍから約２.５μｍの平均厚さを有することができる。いくつかの実施形態において、金型１００上の酸化ニッケル層１１０は、約１００ｎｍ、約２００ｎｍ、約３００ｎｍ、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約７５０ｎｍ、約１μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、約１０μｍ、約１２μｍ、約１５μｍ、約１８μｍまたは約２０μｍの平均厚さを有することができる。
本明細書に説明される酸化ニッケル層１１０を有する金型１００を用いて成形されたガラス品は、減じられた数の欠陥を有することができる。理想的には、パーツの成形時品質はパーツがそれから形成されたガラス板と同じほどに良好であろう。ほとんどの経済的プロセスに対して、そのような表面品質が成形されたままの表面をさらに再加工または研磨することなく達成されることが望ましい。本明細書に用いられるように、欠陥には、ディンプル（ガラス表面の窪み）、表面割れ／クラック、ふくれ、欠け、コード、ダイス、目視可能な結晶、ラップ、ぬか泡、ストーン、オレンジピール欠陥（例えば、高さは０.１μｍで直径は３０μｍより大きい、金型表面の隆起領域による、成形ガラスのピット）及び脈理があるがこれらには限定されない。いくつかの実施形態において、いずれの表面上でも、２５ｍｍ×２５ｍｍの面積内に１００ルクスの明るさの下で裸眼で見ることができる欠陥の平均数は、５０，４０，３０，２０，１０，５，４，３，２または１より少ない。いくつかの実施形態において、いずれの表面上でも、２５ｍｍ×２５ｍｍの面積内にある最大寸法が１５０μｍの欠陥の平均数は、光学顕微法で測定して、５０，４０，３０，２０，１０，５，４，３，２または１より少ない。いくつかの実施形態において、欠陥の最大寸法は、１，２，３，５，１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００，１２５または１５０μｍである。
別の実施形態において、本明細書に説明される酸化ニッケル層１１０を有する金型１１０を用いて成形されるガラス品は基本的に無きずである。「基本的に無きず」とは、表面に、光学顕微法で測定して、直径が１５０μｍより大きい窪み（ディンプル）がないことを意味する。いくつかの実施形態において、いずれの表面上でも、２５ｍｍ×２５ｍｍの面積内にある最大寸法が１５０μｍより大きい窪み（ディンプル）の平均数は、光学顕微法で測定して、５０，４０，３０，２０，１０，５，４，３，２または１より少ない。いくつかの実施形態において、ディンプル寸法は、最大寸法において、１，２，３，５，１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００，１２５または１５０μｍより大きい。
特定の理論に束縛されるつもりは無く、高純度及び超高純度のニッケル金型を用いて成形されたままのガラス表面上の欠陥レベルの減少は２つの原因によると考えられる。第１に、ニッケル及び酸化ニッケルはガラスと無反応であると思われる。特に、アルミノケイ酸ガラスは極めて無反応であるようである。無反応であるとは、ガラスがＮｉ金型材料に容易には固着せず、金型表面上に材料の蓄積を生じさせるガラスまたはガラスの揮発物質との有意な化学反応がないことを意味するとされる。
高純度及び超高純度のニッケル金型を用いて成形されたままのガラス表面上の欠陥レベルの減少に対する第２の原因は、ニッケル内の減じられた不純物レベル及び異物レベルである。これらの不純物は、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃ，Ｓｉ，Ｓ，Ｍｇ，Ａｌ及びＴｉの内の１つ以上を含む。これらの不純物はＮｉベース合金内に一般に、酸化物、硫化物及び炭化物として存在する。ほとんどではなくとも、多くの場合、酸化物、硫化物及び炭化物はＮｉ合金の微細構造内に合金全体にわたってランダムに分布する、異物と普通呼ばれる、明確な相として存在する。これらの異物はいくらかの割合で金型の、加工され、研磨された表面に残る。ガラス成形プロセス中に、金型表面またはその近くにあるそのような異物は、ガラスと反応することができてガラスに固着するか、あるいはバルク金属とは異なる速度で酸化及び反応して金型表面上に突起を形成する。
いずれの条件も金型表面に、ガラスに固着するか、または成形プロセス中にガラス表面にかけて引きずられる高圧力点を生じさせ、成形されたままの表面に欠陥を生じさせることができる、局所領域を生じさせる。高純度及び超高純度のニッケル金型はより純粋になるにつれて、金属内の異物の数は減少し、異物が加工された金型表面と交わる頻度は減少する。成形面１２２上の異物の減少は成形されたままのガラス表面上に生じる欠陥を減少させる。
いくつかの実施形態において、酸化ニッケル層１１０は金型１００の成形面１２２において約１μｍ以下の平均表面粗さ（Ｒａ）を有することができる。いくつかの実施形態において、この平均表面粗さ（Ｒａ）は、１００μｍ、１０ｍｍ、１００ｍｍ、等のような、評価長にわたって決定されるか、あるいは成形面全体の解析に基づいて決定することができる。本明細書に用いられるように、Ｒａは局所表面高と平均表面高の間の差の算術平均として定義され、下式：
で表すことができる。ここで、ｙｉは平均表面高に対する局所表面高である。別の実施形態において、Ｒａは１０ｍｍの評価長にかけて、約０.７５μｍ以下または０.５μｍ以下に、さらには０.２５μｍ以下にさえなり得る。
いくつかの実施形態において、酸化ニッケル層１１０は金型１００の成形面１２２上で約１.５μｍ以下のピーク表面粗さ（Ｒｐ）を有することができる。いくつかの実施形態において、このピーク表面粗さ（Ｒｐ）は、１００μｍ、１０ｍｍ、１００ｍｍ、１ｃｍ、等のような、評価長にわたって決定される。本明細書に用いられるように、Ｒｐは最大高と平均高の間の差として定義され、下式：
で表すことができる。ここで、ｙｉは平均表面高に対する最大高である。別の実施形態において、Ｒｐは１０ｍｍの評価長にかけて、約１.２５μｍ以下、１μｍ以下、０.７５μｍ以下または０.５μｍ以下に、さらには０.２５μｍ以下にさえなり得る。
本明細書に説明される金型１００の実施形態は、３Ｄガラス成形プロセスのような、いずれの成形プロセスにも用いることができる。金型１００は、米国特許出願第１３／４８０１７２号及び第１３／７０９５９４号の明細書に説明される方法及びデバイスと組み合わせて用いられる場合に、３Ｄガラス品の成形に特に有用である。上記の明細書はそれぞれの全体が本明細書に参照として含められる。米国特許出願第１３／４８０１７２号及び第１３／７０９５９４号の明細書に具現化されるプロセスは、ガラスの温度にかなり近い金型温度を用いる−金型１００が６００℃〜７００℃の範囲の温度で動作することを意味する。成形プロセス中の金型１００へのガラス固着の問題は金型／金属温度が高くなるにつれて大きくなることは周知である。そのような金型温度はプレスプロセスにおいて用いられる金型の代表的な温度より少なくとも１００℃〜２００℃は高く、真空成形における動作範囲は、金型へのガラス固着が生じ、ガラスに外観上及び構造上の欠陥をもたらす領域にある。具現化される高純度及び超高純度のニッケル金型はこの固着または密着の問題に対処する新規な手段を提供し、表面欠陥または表面きずがほとんどないし全くないガラス品を提供する。
本明細書に説明される金型１００は、ガラスの成形を可能にするに十分な温度においてガラスを金型１００と接触させることでガラス品を成形することによる、ガラス品の作製に用いることができる。いくつかの実施形態において、ニッケル金型１００は以下のプロセス：
２Ｄガラス板が金型１００の上にある間に、成形温度、例えば、１０７ポアズから１０１１ポアズ（１０６Ｐａ・秒から１０１０Ｐａ・秒）のガラス粘度に対応する、またはガラスのアニール点と軟化点の間の、温度範囲にある温度に、２Ｄガラス板を加熱する工程を含む、一般的な熱再成形プロセス、
に用いることができる。加熱される２Ｄガラス板は加熱されると垂下し始めることができる。一般に、ガラス板を成形面１２２と共形にし、よってガラスを３Ｄガラス品に成形するため、次いでガラス板と金型１００の間に真空が印加される。３Ｄガラス品の成形後、３Ｄガラス品は、３Ｄガラス品のハンドリングが可能になるであろう、ガラスの歪点より低い温度まで冷却される。
本明細書の実施形態によって成形されたガラス品は、米国仮特許出願第６１／６５３４７６号明細書に説明されているであろう。三次元（３Ｄ）ガラス品は、例えば、電子デバイスの前面、背面及び／または側面の一部または全てとして、ディスプレイを有する電子デバイスをカバーするために用いることができる。３Ｄカバーガラスはディスプレイを保護すると同時に、ディスプレイの目視及びディスプレイとの対話を可能にすることができる。前面カバーとして用いられる場合、ガラス品は、ディスプレイが配置されている電子デバイスの前面をカバーするための前面カバーガラス区画及び電子デバイスの周縁面を囲い込むための１つ以上の側面カバーガラス区画を有することができる。前面カバーガラス区画は側面カバーガラス区画と継目無しにつながることができる。
本明細書に説明されるプロセスに用いられるプリフォームガラスは一般に、二次元（２Ｄ）ガラス板として出発する。２Ｄガラス板はフュージョンプロセスまたはフロートプロセスで作製することができる。いくつかの実施の形態において、２Ｄガラス板は、フュージョンプロセスにより形成された無垢なガラス板から引き出される。イオン交換化学強化プロセスのような、強化プロセスにガラスがかけられるまで、ガラスの清純性を維持することができる。２Ｄガラス板を形成するためのプロセスは技術上既知であり、高品質２Ｄガラス板は、例えば、米国特許第５３４２４２６号、同第６５０２４２３号、同第６７５８０６４号、同第７４０９８３９号、同第７６８５８４０号、同第７７７０４１４号及び同第８２１０００１号の各明細書に説明されている。
一実施形態において、ガラスはアルカリアルミノケイ酸ガラス組成でつくられる。一例のアルカリアルミノケイ酸ガラス組成は、約６０モル％から約７０モル％のＳｉＯ２，約６モル％から約１４モル％のＡｌ２Ｏ３，０モル％から約１５モル％のＢ２Ｏ３，０モル％から約１５モル％のＬｉ２Ｏ，０モル％から約２０モル％のＮａ２Ｏ，０モル％から約１０モル％のＫ２Ｏ，０モル％から約８モル％のＭｇＯ，０モル％から約１０モル％のＣａＯ，０モル％から約５モル％のＺｒＯ２，０モル％から約１モル％のＳｎＯ２，０モル％から約１モル％のＣｅＯ２，約５０ｐｐｍより少ないＡｓ２Ｏ３及び約５０ｐｐｍより少ないＳｂ２Ｏ３を含み、１２モル％≦Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ≦２０モル％及び０モル％≦ＭｇＯ＋ＣａＯ≦１０モル％である。このアルカリアルミノケイ酸ガラスは米国特許第８１５８５４３号明細書に説明されている。
別の例のアルカリアミノケイ酸ガラス組成は少なくとも約５０モル％のＳｉＯ２及び少なくとも約１１モル％のＮａ２Ｏを含み、圧縮応力が少なくとも約９００ＭＰａである。いくつかの実施形態において、このガラスはＡｌ２Ｏ３及び、Ｂ２Ｏ３，Ｋ２Ｏ，ＭｇＯ及びＺｎＯの内の少なくとも１つをさらに含み、−３４０＋２７.１・Ａｌ２Ｏ３−２８.７・Ｂ２Ｏ３＋１５.６・Ｎａ２Ｏ−６１.４・Ｋ２Ｏ＋８.１・(ＭｇＯ＋ＺｎＯ)≧０モル％である。特定の実施形態において、このガラスは、約７モル％から約２６モル％のＡｌ２Ｏ３，０モル％から約９モル％のＢ２Ｏ３，約１１モル％から約２５モル％のＮａ２Ｏ，０モル％から約２.５モル％のＫ２Ｏ，０モル％から約８.５モル％のＭｇＯ及び０モル％から約１.５モル％のＣａＯを含む。このガラスは、マシュウ・ジェイ・デイェネカ(Matthew J. Dejneka)等により、２０１１年７月１日に出願された、名称を「高圧縮応力を持つイオン交換可能ガラス(Ion Exchangeable Glass with High Compressive Stress)」とする、米国仮特許出願第６１／５０３７３４号の明細書に説明されている。上記仮特許出願明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含められる。
上述したガラス組成以外及びアルカリアルミノケイ酸ガラス以外のタイプのガラス組成を３Ｄカバーガラスに用いることができる。例えば、アルカリアルミノホウケイ酸ガラス組成を３Ｄカバーガラスに用いることができる。用いられるガラス組成は、一般に、大径のアルカリ金属イオンまたはアルカリ土類金属イオンと交換され得る小径のアルカリ金属イオンまたはアルカリ土類金属イオンを含むガラス組成である、イオン交換可能ガラス組成であることが好ましい。イオン交換可能ガラス組成のさらなる例は、米国特許第７６６６５１１号、同第４４８３７００号及び同第５６７４７９０号の各明細書、並びに米国特許出願第１２／２７７５７３号（デイェネカ等、２００８年１１月２５日）、同第１２／３９２５７７号（ゴメス(Gomez)等、２００９年２月２５日）、同第１２／８５６８４０号（デイェネカ等、２０１０年８月１０日）、同第１２／８５８４９０号（ベアフット(Barefoot)等、２０１０年８月１８日）及び同第１３／３０５２７１号（ブックバインダー(Bookbinder)等、２０１０年１１月２８日）の各明細書に見ることができる。
限られた数の実施形態に関して本発明を説明したが、本開示の恩恵を有する当業者は、本明細書に開示されるような本発明の範囲を逸脱しない他の実施形態が案出され得ることを了解するであろう。したがって、本発明の範囲は添付される特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
本明細書に開示される金型が、本明細書に開示される金型によって成形されるガラスの表面のきずを低減するという利点を提供することが今では了解されるはずである。優れた表面特性をもつ金型が本明細書に開示される方法によって、特に金型の成形面に酸化物層を形成するために本明細書に開示される加熱方式を用いることによって、作製され得ることも今では了解されるはずである。
用語「実質的に」及び「約」は本明細書において、いかなる量的比較、値、測定値またはその他の表現にも帰因させ得る不確定性の本質的な大きさを表すために用いられ得ることに注意されたい。これらの用語は本明細書において、量的表現が当該の主題の基本機能に変化を生じさせずに言明された基準から変わり得る大きさを表すためにも用いられる。
本明細書に説明される実施形態には特許請求される主題の範囲を逸脱することなく様々な径片及び変形がなされ得る。したがって、本明細書に説明される様々な実施形態の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価形態の範囲内に入れば、本明細書はそのような改変及び変形を包含するとされる。
高純度ニッケル金型プリフォームを、加熱温度を室温から１００℃/時間のレートで定加熱温度までランピングして、与えられた時間の間、保持する、酸化熱処理にかけることで金型を作製した。定温熱処理についての保持時間及び温度に基づき、図２は形成された酸化ニッケル層の平均厚さを示し、図３はピーク表面粗さを示す。少なくとも９９％のニッケルを含むニッケル金型は「２０１ニッケル」と称されることもある。加熱は空気中で行った。
１００ 金型
１１０ 酸化ニッケル層
１２０ 金型体
１２２ 成形面

Claims (9)

  1. ガラスを成形するための金型を作製する方法において、
    少なくとも約９０％のニッケルを含む成形面を有する金型体を提供する工程、及び
    前記成形面を、
    加熱温度を約７００℃から約１０００℃の温度に約２０℃/時間から約５００℃/時間のレートで高める工程を含む温度ランピング熱処理、
    前記加熱温度を、少なくとも約５分の保持時間の間、約７００℃から約１０００℃に保持する工程を含む定温熱処理、または
    前記温度ランピング熱処理及び前記定温熱処理の両者、
    を含む酸化熱処理にかけることで前記成形面上に酸化ニッケル層を形成することによって前記成形面の組成を改変する工程、
    を有してなり、
    前記酸化ニッケル層が約５００ｎｍから約３０μｍの平均厚さを有し、前記酸化熱処理が前記温度ランピング熱処理及び前記定温熱処理の両者を含む、
    ことを特徴とする方法。
  2. 前記温度ランピング熱処理が前記加熱温度を約７００℃から約９００℃の温度に約５０℃/時間から約１５０℃/時間のレートで高める工程を含み、
    前記定温熱処理が前記加熱温度を、約１４時間から約１８時間の保持時間の間、約７００℃から約９００℃に保持する工程を含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記温度ランピング熱処理が前記加熱温度を約８００℃から約１０００℃の温度に約５０℃/時間から約１５０℃/時間のレートで高める工程を含み、
    前記定温熱処理が前記加熱温度を、約３０分から約１.５時間の保持時間の間、約８００℃から約１０００℃に保持する工程を含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 前記酸化ニッケル層が約１μｍから約３０μｍの平均厚さを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記酸化ニッケル層が前記金型の前記成形面上において１０ｍｍの評価長にかけて約１μｍ以下の平均表面粗さ（Ｒａ）を有するか、または前記金型の前記成形面上において１０ｍｍの評価長にかけて約１.５μｍ以下のピーク表面粗さ（Ｒｐ）を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記金型体が成形面を有し、前記成形面が、前記成形面の組成を改変する工程の前に、約９９％より多くのニッケルを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
  7. ガラスを成形するための金型において、
    成形面を有する金型体であって、前記成形面の近くの前記金型体の少なくとも一部は少なくとも約９０％のニッケルを含むものである金型体、及び
    前記成形面上の酸化ニッケル層であっ、約５００ｎｍから約３０μｍの平均厚さを有し、前記金型の前記成形面上において約１μｍ以下の平均表面粗さ（Ｒａ）を有する酸化ニッケル層、
    を備えた金型。
  8. 前記酸化ニッケル層が前記金型の前記成形面上において約１.５μｍ以下のピーク表面粗さ（Ｒｐ）を有することを特徴とする請求項７に記載の金型。
  9. ガラス品を作製する方法において、前記方法が、
    ガラスを成形するための金型であって、
    成形面を有する金型体であり、前記成形面の近くの前記金型体の少なくとも一部は少なくとも約９０％のニッケルを含むものである金型体、及び
    前記成形面上の酸化ニッケル層であって、約５００ｎｍから約３０μｍの平均厚さを有し、前記金型の前記成形面上において約１μｍ以下の平均表面粗さ（Ｒａ）を有する酸化ニッケル層、
    を備えた金型を提供する工程、及び
    ガラスを前記金型と、前記ガラスの成形を可能にするに十分な温度において、接触させることによってガラス品を成形する工程、
    を有してなる方法。
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