JP3775151B2

JP3775151B2 - ガラス成形治工具用Ｎｉ−Ｗ合金

Info

Publication number: JP3775151B2
Application number: JP2000029856A
Authority: JP
Inventors: 洋史東口; 正英海野
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2020-02-08
Also published as: JP2001220634A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ガラス製品を製造する際に、半溶融状態のガラスと接触して用いられる部品、すなわち金型や搬送用治具などに使用する合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レンズなど光学ガラス製品は、通常、素材ガラス塊を必要重量切断し、加熱して加工に適した半溶融状態として金型に入れ、プレスにより成形後、表面を研削、研磨して製造される。これに対し、研磨レンズ面と同程度に内面を仕上げた高精度の金型を用い、金型を加熱しておいて、これにガラスのゴブ、すなわち金型と同一温度に加熱された半溶融状態の軟化したガラスの塊を装入し、加圧成形することによって、金型面と同じ仕上げの面を持った成形レンズ得る、という高精度プレス成形方法が開発され実用化されている。この方法によれば、従来、完成品を作るのに、第一および第二面の荒削り、砂がけ、研磨など、十数工程を要したレンズの製造が、二〜三工程で済む。その上、非球面レンズなど研磨の困難なレンズも容易に製造できる。このため、写真用やビデオ用の外径約30mm以下、中心肉厚10mm以下、非球面量100μm程度のレンズがこの方法で多く作られ、微小光学用レンズとしての、コンパクトディスク、レーザディスク、光磁気メモリディスク等のピックアップレンズなども作られている。
【０００３】
また、カラーブラウン管のとくにパネル用なども、映像の良否に直接関係することから、成形されたガラス部品に厳しい精度が要求される。そして金型に接した面がそのまま蛍光面となるので、このガラス部品の精度を維持するために、金型の熱膨張による変形を配慮した高精度のプレス成形方法が実施される。
【０００４】
高精度プレス成形方法における金型は、ガラスと金型をできるだけ同じ温度にして接触させプレスするので、従来のガラス金型成形法のように、金型に対して温度の高い、半溶融状態のガラスが押しつけられることは少ない。したがって、金型材料に必須であった、ガラスとの温度差に起因する熱き裂発生に対する耐性への要求が軽減される。ただし、半溶融ガラスと金型表面とは、加圧接触した状態が従来よりも相対的に長い時間継続される。その上、製品の寸法精度や良好な表面状態を確保するために、温度は多少低めに設定され、それだけガラス素材の変形強度は大きくなるので、型の高温における強度ないしは硬さが必要である。そして、型の研磨面に半溶融ガラスが押しつけられ、研磨面の仕上げ状態がそのまま製品面となることから、半溶融ガラスとの焼き付きがないことが極めて重要な特性になる。
【０００５】
ガラスの成形用金型材料としては、従来より１３Ｃｒなどの耐熱マルテンサイト系のステンレス鋼が多く用いられてきた。一般に金型には、耐熱き裂性、耐高温酸化性、耐食性、耐摩耗性などが強く要求されるので、この１３Ｃｒ系の鋼の性能の改善策が多く提案されてきた。ところが１３Ｃｒ系の鋼は、上述の高精度プレス成形方法に用いる金型材料として使用する場合、型離れ性すなわちプレス成形後の型から取り出すときの剥がれやすさがよくない。型離れ性がよくない場合には、ガラス成形品の表面に疵が発生しやすく、それと共に型の面にも疵が付くので、一回の使用ごとに金型面の研磨修復を必要とすることが多い。
【０００６】
Ｎｉは金型の表面などにめっきしておくと、型離れ性がよいとして知られており、このことから、Ｎｉをベースとするガラス成形金型用の合金が提案されている。たとえば、特公昭59-47020号公報にはＷを3〜18％、あるいはＭｏを3〜15％、他にＣやＳｉを少量含み、残部Ｎｉからなる合金の発明が開示されており、特開昭57-98645号公報には、Ｎｉを65％以上とし、Ｍｎを3％以下、Ｗを3〜15％、Ｍｏを3〜10％、Ｃｒを3〜15％およびＡｌを0.4〜3％の範囲でそれぞれ含有させた合金の発明が提示されている。しかしながら、型を繰り返し使用する場合、わずかな回数の使用で型離れ性が悪くなったり、ガラスとの接触面の変形を生じるなどの問題が残されている。
【０００７】
このような半溶融ガラスに接して生じる焼き付きは、上述のガラスの加工において、プレス成形前のガラスのゴブなどに直接接し、これを搬送したり、多少の変形を加えるための治具においても、重要な問題である。プレス成形前に治具と焼き付くことにより、プレス条件に影響を与えたり、表面疵の原因になったりして、成型品の品質に大きく影響することがあるからである。この治具には、コバルトを含む耐熱合金やＷを主成分とするヘビイメタルが用いられたり、セラミックが適用されている。ところがこれらの材料は、屡々焼き付きを起こすため、治具表面の手入れに多大の工数を要している。
【０００８】
このように、ガラスの高精度プレス成形加工用の金型、あるいは成形加工前のガラスの取り扱い治具に適用する材料として、必ずしも十分なものができているとはいえない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ガラスの高精度成形に用いる成形後の型離れ性がよく型の繰り返し使用の寿命の長い金型用合金、さらには半溶融状態のガラスに接しても、ガラスに付着してしまうことの極めて少ない治工具用合金の提供にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、レンズなど光学ガラス製品や、カラーブラウン管用ガラスの高精度プレス成形に用いる、金型用材料の性能向上について種々検討をおこなった。高精度プレス成形方法の場合、従来の金型用材料に対して要求される特性は当然ながら必要とするが、中でもとくに、半溶融ガラスと接して生じる焼き付きの抑止が重要であると考えた。
【００１１】
そこで、型離れ性のよいといわれるＮｉをベースとし、さらなる型離れ性の改善と、より一層の高温強度向上を目的に、繰り返し使用に耐える高精度プレス成型用金型材料を得るための、合金元素の影響を調査した。高温の強度ないしは硬さが高いことは、耐摩耗性が向上しプレス加工による型変形も抑止できるので、型離れ性の向上と合わせて、繰り返し使用の寿命を長くすることに効果がある。
【００１２】
Ｎｉは高温強度が高くないので、これを向上させるために種々の元素を添加してみた。しかし、高温強度を上げることはできても、ガラスとの焼き付き性を悪くすることが多い。また、金型の研磨面を高温に上げ、半溶融ガラスを押しつけるので、研磨面を均一磨くことができ、高温にまで良好な状態が維持できることも重要である。これらの諸性能を検討した結果、Ｗを多く含有させることが、高温強度を上昇させるばかりでなく、焼き付きの発生もより一層抑止できることを見いだしたのである。
【００１３】
Ｗは融点が高く硬い金属なので、含有させることにより高温強度が向上することは予想された。しかし、型離れ性が改善されることについては、その理由は必ずしも明らかではない。おそらくは、Ｗの酸化物がガラスの成形がおこなわれる高温域で、容易に昇華する性質があり、これが効果的に作用しているためであろう。
【００１４】
ＮｉにＷを多量に含有させた二元の合金とすれば、高温強度が高く、しかも型離れ性がすぐれた材料になることがわかった。しかし条件によっては、繰り返し使用により亀裂が発生しやすくなることがあり、その場合、Ｃｒの添加が有効であった。
【００１５】
その他の元素は、型離れ性を悪くすることから、できるだけ含有量を低くすることが望ましい。しかし、より高温強度を増したい場合とか、必要形状にするための熱間加工をおこなう場合の割れ防止の目的などに、少量の他元素を添加しても、ＮｉやＷが十分に存在しているかぎり、本発明の目的とする合金性能は維持できる。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
【００１６】
Ｎｉを基とする合金であって、質量％にてＷが18.0〜55.0％（ただし、18.0％を除く）、Ｃｒが0.5 ％以上、10.0％以下で、残部がＮｉおよび不純物からなる半溶融ガラスに対しての耐焼き付き性にすぐれたガラス成形治工具用Ｎｉ−Ｗ合金。
この合金は、Ｎｉの一部に代えて、さらに0.1〜2.0質量％のＭｎ、このＭｎとともに 0.03 質量％から５質量％未満のＡｌ、さらに上記のＭｎおよびＡｌとともに0.01〜1.0質量％のＣを含有することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のガラス成型治工具用Ｎｉ−Ｗ用合金は、上述のように各合金成分の複合的な作用によって、すぐれた特性が実現したものであるが、それぞれの成分の作用効果と、その含有量範囲を限定した理由とを以下に説明する。なお以下に示す組成比はいずれも質量％である。
【００１８】
Ｎｉは本発明の合金の基地とする成分で、ＮｉとＮｉの精錬上不可避的に混入してくる不純物とは、以下に説明する各成分を差し引いた残部の組成である。Ｎｉは半溶融ガラスとの焼き付きが少なく、プレス成形後の型離れ性が良好であり、その上、耐酸化性など耐食性にすぐれている。したがって、本発明の合金の基地として用いるが、強度が低く高温での硬さも低いため、この金属だけでは金型としては使用できない。そこで次のような成分を含有させる。
【００１９】
Ｗを18.0〜55.0％（ただし、 18.0 ％を除く）の範囲で含有される。Ｗは合金の強度を室温ばかりでなく高温域においても大きく向上させ、型の寿命を長くする。また、ガラスとの焼き付きを抑止し、型離れ性も向上させる。これらの効果は、含有量増加と共に増大するが、本発明の目的である、従来材よりはるかにすぐれた性能を実現させるには、18.0％以上（ただし、 18.0 ％を除く）の含有が必要である。しかし、含有量が増していくと合金の融点が高温になり、通常の電気炉や高周波炉などの手段による溶製方法が採用できなくなること、等により、多くても55.0 ％までとするのがよい。
【００２０】
Ｃｒには、耐酸化性や耐食性を向上させる効果があるので、10％以下の範囲で含有させる。しかし、10％を超えて含有させると、高温の強度が低下する。また少なすぎても効果が不十分なので、0.5％以上含有させるのが好ましい。
【００２１】
上述のＷ、Ｃｒおよび基とするＮｉの合計量は、95％以上であることとする。Ｎｉは、型離れ性を確保するための必須の元素であり、本発明合金の合金の基となる成分である。ガラス成形用途において、たとえば熱間加工性、耐食性、耐高温酸化性、高温強度、耐熱亀裂性などの改善のため、他元素を添加したり、不純物元素として他元素が混入することはかまわない。しかし、上記成分の合計量が95％を下回ると、目的とする高温強度と離型性が不十分になるおそれがある。
【００２２】
本発明合金に含有されているのが好ましい元素として、たとえば、0.01〜1.0％のＣ、0.1〜2.0％のＭｎ、または0.03から5％未満のＡｌがある。ＣはＷと結合し微細なＷＣ析出物を形成して、合金の高温強度を向上させる。ただし、多すぎると合金の靱性を悪くするので、添加する場合でもその含有量は1.0％以下とする。Ｍｎは、不純物元素としてＳが0.005％を超えて多く混入してくる場合、熱間加工性を悪くするので、その抑止のために含有させてもよい。しかし、2.0％を超えて含有させると、合金の高温強度を低下させたり、熱間加工性が悪くなる。Ａｌは、大気中にて溶製する場合に合金の清浄度を悪くすることがあるので、脱酸剤として少量添加するとよい。ただし、真空溶解の場合は、真空にすることにより脱酸できるので、脱酸のためには添加する必要はない。それ以外にＮｉ₃Ａｌを形成し高温強度の向上に効果があるので、その目的には0.03％から5％未満の範囲で含有させてもよい。
【００２３】
本発明の合金による金型、あるいは治具は、通常のガラス用金型材を得る方法にて製造すればよい。すなわち誘導加熱溶解、アーク溶解など、できれば真空あるいは不活性雰囲気中での溶解が望ましく、鋳造のまま、あるいは鋳造後鍛造、圧延等の熱間加工し、切削、研削、研磨、等により所要形状に仕上げる。また切削や研磨など機械加工性の向上や、材料の強度など特性向上のため、熱間加工後、1000〜1250℃での固溶化熱処理、600〜900℃での析出処理等をおこなってもよい。
【００２４】
【実施例】
表１に示す組成の合金を、真空中にて誘導加熱溶解して鋳塊を製造し、これを熱間鍛造して切断、加工して直径20mm、厚さ５mmの試験片を作製した。No. ７の組成の合金は、鋳塊の段階で割れが発生したため、その後の加工はおこなわなかった。比較用にSUS420J2材、およびＷ−5％Ｎｉ−3％Ｆｅのヘビイメタル材にて同一形状の試験片を作製した。これら試験片の片面を研磨して表面粗さを0.20μｍＲａに仕上げた。
【００２５】
【表１】

【００２６】
ガラスとの焼き付き性は、次のようにして評価した。750℃に加熱した炉に上記の試験片の研磨面を上にして装入し、温度が安定してから5分間保持後、炉から取り出してカラーブラウン管に使用されるガラスの質量1gのブロック（一辺約7mmの角ブロック）を試験片研磨面に乗せ、再度炉に装入して5分間均熱した。ガラスが試験片上に乗った状態にて炉から取り出し、直ちにガラス部分を竹製ピンセットでつかんで持ち上げ、試験片が自重でガラスから剥がれ落ちるまでの時間を測定した。また、同じ試験片を用い、750℃における高温硬さを測定した。
【００２７】
結果を表２に示す。剥がれ落ちまでの時間が10秒を超える場合、試験片が自重で剥がれ落ちることは困難で、試験片をガラスから引き剥がさなければならなかった。本発明にて規制する組成範囲の合金では、いずれも10秒以内で剥がれ落ちている。これに対し、SUS420J2材、ヘビイメタル材、あるいはＷ量が少ない材料では、引き剥がす必要がある。また高温硬さは、ヘビイメタルと同程度かやや低いが、SUS420J2材やＷの低い場合よりも十分高く、金型や治具としての耐久性が大きいと考えられる。
【００２８】
【表２】

【００２９】
次に、表１に示したNo. ２の合金の試験片を用いて繰り返し使用の試験をおこなった。これは試験片表面には一切手を加えず、上記と同じ焼き付き性試験を繰り返し実施したものである。結果を表３に示すが、ヘビイメタルなどでは表２に示したように１回目から焼き付きを生じているのに対し、この試験で４〜５回くり返しても、十分な剥離性を有しており、型離れ性がすぐれていることがわかる。
【００３０】
【表３】

【００３１】
【発明の効果】
本発明の合金は、ガラス成形金型に用いて、成形後の型離れ性がよく、高温硬さが高いので、高精度プレス成型の金型に好適であり、半溶融ガラスとの焼き付きがないので、ガラス加工時のガラスに接する治工具にも適する。しかも手入れの必要なく繰り返し使用に耐えるので、ガラスレンズやブラウン管などの製造合理化にきわめて有益である。

Claims

Ｎｉを基とする合金であって、質量％にてＷが18.0〜55.0％（ただし、 18.0 ％を除く）、Ｃｒが0.5 ％以上、10.0％以下で、残部がＮｉおよび不純物からなることを特徴とする半溶融ガラスに対しての耐焼き付き性にすぐれたガラス成形治工具用Ｎｉ−Ｗ合金。
Ｎｉの一部に代えて、さらに0.1〜2.0質量％のＭｎを含有する請求項１に記載のガラス成形治工具用Ｎｉ−Ｗ合金。
Ｎｉの一部に代えて、さらに0.03質量％から５質量％未満のＡｌを含有する請求項２に記載のガラス成形治工具用Ｎｉ−Ｗ合金。
Ｎｉの一部に代えて、さらに0.01〜1.0質量％のＣを含有する請求項３に記載のガラス成形治工具用Ｎｉ−Ｗ合金。