JP4622197B2

JP4622197B2 - Glass lens mold

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Publication number: JP4622197B2
Application number: JP2001280250A
Authority: JP
Inventors: 一彦織田; 久典大原; 慶春内海
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: JP2003089533A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、耐久性と成形の歩留まりを向上させたガラスレンズ成形金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種光学機器に使用されるガラスレンズは、溶融状態のガラスを金型で成形して製造される。成形時の温度は、ガラス材質にもよるが一般に４００〜７００℃である。温度が比較的高いため、酸化や腐食などの問題があり、成形を不活性ガス雰囲気中で行なうなどの手法がとられている。
【０００３】
特に、成形に使用される金型は、表面にガラスが固着して成形不良が出たり、金型表面における溶融ガラスの流れが悪くてレンズ表面にしわが入る問題があった。また、金型材料が比較的硬度が低い鋼材（ステンレスなど）であるため、表面の摩耗や変形も頻発していた。
【０００４】
こうした問題に対し、潤滑剤を金型表面に塗布して離型性と流動性を高める方法がある。しかし、被加工物が鏡面を要求されるレンズであるため、この方法では表面がくもるなどの問題があり適用が困難であった。
【０００５】
金型材料をより硬質で耐酸化・耐蝕性の高い超硬合金やセラミックスにする方法もあるが、離型性に大きな改善が見られず、一方でコストが大幅に上がるためあまり適用されていない。ＣｒメッキやＴｉＮコーティングなどの表面処理も同様にコストの割に効果が小さい。
【０００６】
こうした中、離型性向上に効果があるのはダイヤモンド状炭素膜を被覆する方法である。その種の炭素膜は、例えば、特開昭６１−２８１０３０号、特開平６−３４５４６１、特開平７−３１４２５９、特開平１１−１５７８５２等に挙げられている。ガラスレンズ用途以外でも、特開平２−２６８４２、特開平４−３４４２１１、特開平９−１９４２２７、特開平９−１８３６２２などでダイヤモンド状炭素膜を適用する方法が開示されている。
【０００７】
しかしながら、ダイヤモンド状炭素膜は基材に対する密着性が悪く、実用化が極めて困難であった。例えば、特開平４−３４４２１１ではＭｏ中間層を、特開平１１−１５７８５２では窒化物または炭化物中間層を用いた密着性向上策が提案されている。また、特開平７−３１４２５９では基材のクリーニング法による改善が提案され、特開平９−１９４２２７および特開平９−１８３６２２ではイオン注入による基板表面改質の例が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように種々の方法が検討されているが、実際にはダイヤモンド状炭素膜については耐久性の十分なものが得られていなかった。使用開始直後は離型性が良く成形されたレンズの歩留まりも高いが、すぐにガラスの金型への固着が始まり、歩留まりの低下がみられた。
【０００９】
この発明は、ガラスレンズ成形金型の成形面を、従来の炭素膜よりも安定性、耐久性に優れた膜で覆って金型表面へのガラスの固着を低減させ、ガラスのスムースな流動による安定した成形の長期維持、成形の歩留まり向上を可能ならしめることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明においては、金型の成形面を、炭素含有率が９５ａｔ％以上でヌープ硬さが３０００以上、７０００以下の透明炭素膜で被覆する。なお、その透明炭素膜は、成形面の一部、即ちガラスの固着が生じ易い部位のみに設けてもよい。
【００１１】
従来のダイヤモンド状炭素膜の耐久性が十分でないのは、密着性のみではなく膜そのものの耐久性が悪いことによることがわかった。即ち、一般にダイヤモンド状炭素膜はグラファイト成分を含むため、高温で使用すると既に存在するグラファイト構造部を起点としてグラファイト化が進行し、膜が弱くなって剥離に至るのである。
【００１２】
この発明で用いる透明炭素膜には、その不具合が無い。かかる透明炭素膜は、高硬度のアモルファス状の炭素膜で、金属上に被覆すると、膜厚が１μｍを超えていてもその透明度ゆえ干渉色を呈する。以下に本透明炭素膜について詳細に定義する。
【００１３】
炭素からなる膜には、ダイヤモンド膜、グラファイト膜、ダイヤモンド状炭素膜などがある。透明炭素膜は、一般にダイヤモンド状炭素といわれる材料系の中に含まれる特殊な膜である。
【００１４】
ダイヤモンド状炭素は極めて広い概念の材料である。ダイヤモンド状炭素（Diamond like carbon; DLC）、のほか、アモルファスカーボン（ａ−Ｃ、ａ−Ｃ：Ｈ）、ｉ−Ｃ（アイ・カーボン）、硬質炭素（hard carbon)などとも呼ばれる。構造はｓｐ３構造を一部に有する非晶質構造で、構成元素は炭素のみ、あるいは水素を含有する水素化炭素膜であり、水素含有量は最大では５０ａｔ％を超えるものも含まれる。ヌープ硬度は、８００〜８０００と広い範囲で定義されることが多い。一般には膜中にグラファイト成分が含まれ、膜厚０．５μｍを超えると、褐色から黒色、あるいは灰色となる。
【００１５】
この発明における透明炭素膜は、このように広く定義されるダイヤモンド状炭素の中でも、特に水素を含まず、グラファイト成分が少なくて透明度が高い非晶質炭素膜をさす。
【００１６】
具体的には、構成元素は、合成法上混入不可避の不純物を除くと炭素のみである。不純物の存在を考慮すると９５ａｔ％以上が炭素である。不純物は、水に起因する水素、酸素が最も多く、残留ガスに起因する窒素が混入することもある。また、成膜装置内部の鉄などの金属成分が微量に入ることもある。主に固体炭素を原料として合成されるため、固体炭素原料中の不純物も微量に含まれる。水や大気に起因する酸素、水素、窒素を除いて分析すれば９９．５ａｔ％以上が炭素である。
【００１７】
グラファイト成分が少ないことは、具体的に透明であることと、ヌープ硬さが３０００以上７０００以下であることで定義する。その透明性は、０．６μｍ以上の膜厚でも干渉色を呈する。膜厚１μｍでの可視光の平均透過率の目安は３０％以上である。硬さがヌープ硬度で３０００以上、７０００以下は、ダイヤモンド状炭素膜の中でも高硬度の材料である。ダイナミック硬度では、約３０００ｋｇｆ（２９４１９．９５Ｎ）／ｍｍ²以上、７０００ｋｇｆ（６８６４６．５５Ｎ）／ｍｍ²以下とする。
【００１８】
こうした透明炭素膜は通常のガラスに対しても反応しにくく潤滑性にも優れるため、これをガラスレンズ成形金型に適用すると、成形されたガラスは型離れが良くなり歩留まりが向上する。また金型の損傷も少なくなる。これは、膜中に含まれるグラファイト成分が少ないため、既に存在するグラファイト相を起点としたグラファイト化が進みにくいため、膜の寿命が延びてこのような特性が極めて長く持続するのである。
【００１９】
この透明炭素膜の炭素含有量について９５ａｔ％以上と規定したのは、これ以下では炭素以外の元素を起点としたグラファイト化が進行しやすいためである。
望ましくは炭素のみから構成されることがよい。
【００２０】
ヌープ硬度に関しては、硬度３０００以下では、グラファイト成分が多い膜となるためこれ以上とし、７０００以上では表面粗度が大きくなるのでこれ以下とした。望ましくはヌープ硬度４０００以上がよい。ここでヌープ硬度は、押し込み荷重５ｇ以上で測定可能な最も小さい荷重で測定した金型成形面の表面の値をさす。荷重を一定値に限定しないのは、膜厚が厚い場合や特に硬度が高い場合には、低い荷重では測定不能となるためである。
【００２１】
なお、透明炭素膜は、ダイヤモンドとは異なる材料である。ダイヤモンドは結晶質であり、硬さはビッカース硬度で約９０００以上である。電子線回折やＸ線回折では、ダイヤモンドからはダイヤモンド構造を反映した回折像が得られるが、透明炭素膜からは非晶質を反映したハローパターンとなる。ラマン分光分析では、ダイヤモンドでは１３３３ｃｍ^-1付近にダイヤモンド構造に対応する狭いピークが見られるが、透明炭素膜では、１３５０ｃｍ^-1付近と１５５０ｃｍ^-1付近に数十〜２百ｃｍ^-1の広いピーク構造を示す。屈折率は、ダイヤモンドは２．４程度であるが、透明炭素膜は２．０〜２．３の間の値をとる。薄膜の合成温度も、ダイヤモンドは７００℃以上、一般には８００℃から１０００℃以上であるが、透明炭素膜は３５０℃以下である。ダイヤモンドの合成には１％前後のメタンなどの炭化水素ガスに、９９％程度の多量の水素ガスを導入して合成を行う。多量の原子状水素を発生させ、合成される膜中の非晶質成分をこの原子状水素と反応させて除去するためである。透明炭素膜の合成には固体炭素を原料として用いる。
【００２２】
金型の母材は、機械構造用炭素鋼・合金鋼・工具鋼・ステンレス鋼・鋳鋼などの鋼材や超硬合金などが適用できる。窒化ケイ素・炭化ケイ素・ジルコニアなどのセラミックスを金型の一部に使用することもある。
【００２３】
その母材表面には、メッキ層、または、溶射層が形成されていてもよい。
【００２４】
メッキ層には、ＮｉやＣｒを主成分としたものなどがある。また、溶射層には、超硬合金やステライト、ジルコニアなどの酸化物セラミックスなどが適用できる。これらのメッキや溶射層は、硬質で化学的にも安定しているため、その上に被覆された透明炭素膜の寿命をさらに長くする効果がある。
【００２５】
透明炭素膜で被覆する前の金型の表面の硬さは、使用目的・環境により種々選択されるが、可能な範囲で高い硬度が得られる材料を選択することが好ましい。具体的な硬度では、Ｈｖ３５０以上（ＨＲＣでは約３５以上）、出来ればＨｖ６００以上（ＨＲＣでは約５５以上）が好ましい。
【００２６】
例えば、鋼材では、炭素鋼や工具鋼、浸炭された焼き入れ鋼、窒化鋼などを採用するとよい。これらの材料は、従来、耐酸化、耐蝕性の点でガラス成形金型に適用しにくい面があったが、化学的に安定な透明炭素膜を被覆することでこれらの問題がなくなった。これらの材料では、硬度がＨｖ３５０以上のものは比較的安価で容易に得られる。
【００２７】
鋼材以外では、Ｈｖ１０００を大きく越える超硬合金が最適である。金型そのものの軽量化等が要求される場合には、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニア、アルミナなどのセラミックスを適用すると良い。これらのセラミックス類の硬度はいずれもＨｖ１０００以上ある。寿命に関しては格段の向上が見られるため、コスト面で合理性があれば母材として推奨できる材料である。
【００２８】
なお、この発明を適用することにより、硬度がＨｖ３５０以下の母材においても、延命効果は見られる。例えば、耐酸化、耐蝕性に優れるステンレス鋼などは、ビッカース硬度で約Ｈｖ１６０〜２７０（ブリネル硬度でＨＢ１５０〜２５０程度、ロックウェル硬度ではＨＲＣ５〜２５程度）である。鋼材の中では硬度は低いほうであるが、耐蝕性に優れるため従来からレンズ成形用金型には頻繁に使用されてきた。硬度が低いため、寿命の点で不利であったが、表面に透明炭素膜を被覆することで耐久性が向上する。
【００２９】
アルミニウム合金も、硬度は極めて低いが、硬質炭素膜の被覆によりある程度の寿命は確保できる。適用するアルミニウム合金の硬度はビッカース硬度８５以上（ブリネル硬さで約ＨＢ８０以上）、出来れば１００以上（ブリネル硬さで約ＨＢ９５以上）が望ましい。表面の硬度を上げるため、表面に前述のメッキ層や溶射層が施されていると効果的である。
【００３０】
金型に被覆する透明炭素膜は、密度が２．８ｇ／ｃｍ³以上、３．３ｇ／ｃｍ³以下であることが望ましい。
【００３１】
ダイヤモンドの密度は３．５２ｇ／ｃｍ³、グラファイトの密度は２．２５ｇ／ｃｍ³である。ダイヤモンド状炭素膜はこの間の値を広くとる。この発明の透明炭素膜は、その中でもダイヤモンドよりの値であることが望ましい。２．８ｇ／ｃｍ³以下では、水素などの炭素以外の成分が含まれていたり、グラファイト成分が多いことを示し、硬度が低く、耐熱性も小さい。また、密度が３．３ｇ／ｃｍ³以上の炭素膜は、ダイヤモンド結晶を含む膜になり、表面粗度も大きくなる。なお、より望ましい密度は３．０ｇ／ｃｍ³以上である。
【００３２】
この発明の透明炭素膜は、前述のようにグラファイト成分が少ないため透明であり、母材に被覆された状態では干渉色を呈する。一般的なダイヤモンド状炭素は膜中にグラファイト成分が多く褐色から黒色となる。
【００３３】
グラファイト成分が多いと、グラファイトの結晶を起点としてグラファイト化が進行しやすい。逆に、グラファィト成分が少なくて干渉色を呈する透明炭素膜は、グラファィト化がなかなか進行せず、寿命が長くなる。
【００３４】
また、干渉色を呈する透明炭素膜をあらかじめ被覆しておけば、透明炭素膜が温度などの影響でグラファイト化した場合、色合が変化するため目視で被膜の状況が把握できるメリットがある。
【００３５】
干渉色の色調は、赤、燈、黄、緑、青、紫などや、これらの中間色、これらが混ざった状態などさまざまな色をとりうる。色調は膜厚と屈折率および見る角度で変わるため本質的ではなく、どの色をとっても良い。また、透明な干渉色でもよいし、黒色や褐色、灰色がかった干渉色でも良い。
【００３６】
なお、透明炭素膜の透明度を透過率に換算する場合、１μｍの膜厚での可視光の透過率が３０％以上であることを目安とするとよい。
【００３７】
膜厚に関しては、０．０５μｍ以上、５μｍ以下が好ましい。
【００３８】
下限の０．０５μｍ以下では固化しかけた高圧のガラスから受ける外力に対して弱く、被膜が損傷を受けやすい。好ましくは０．３μｍ以上が良い。また、上限の５．０μｍ以上では膜そのものが有する内部応力が高く、剥離しやすくなる。一般的に使用する範囲では２．０μｍ以下でよい。
【００３９】
成形面となる透明炭素膜の表面はできる限り平滑であることが望ましい。具体的には、表面粗さが、Ｒａ０．００１μｍ以上０．０５μｍ以下であることが望ましい。
【００４０】
表面粗さがＲａ０．００１μｍｍ以下の膜は母材そのものの加工が現実的に困難である。また、Ｒａ０．０５μｍ以上では、加工後のレンズ表面の面粗度が悪くなる。ただし、透明炭素膜被覆後に研磨などの処理を行って表面の面粗度が０．０５μｍ以下になるのであれば問題ない。なお、さらに好ましい面粗度はＲａ０．０２μｍ以下である。
【００４１】
参考までに、Ｒｚでは０．００３μｍ以上、０．０５μｍ以下（好ましくは０．０６μｍ以下）、Ｒｍａｘでは０．０５μｍ以上、０．２５μｍ以下（好ましくは０．１μｍ以下）を目安とするとよい。
【００４２】
透明炭素膜の製法は、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等が適用できる。
【００４３】
これらの方法は、グラファイトなど１００％炭素成分からなる材料を原料とすることが出来るため、合成される透明炭素膜の炭素濃度は原理的には１００ａt ％となりうる。
【００４４】
イオンプレーティング法は、固体炭素源を原料とし、電子ビーム蒸発と各種励起源を組み合わせたものや、ＨＣＤ（ホロカソード）イオンプレーティング法、カソードアークイオンプレーティング法などがある。スパッタリング法も、固体炭素源を原料とし、マグネトロンスパッタ、ＤＣスパッタ、パルスＤＣスパッタ、非平衡マグネトロンスバッタなどがある。レーザーアブレーション法は、レーザー照射にて固体炭素を気化して基材上に成膜する手法である。必要に応じ、これらの方法を複数組み合わせて用いてもよい。表面の平滑性を重視する場合、偏向磁場を利用して粗大粒子が膜中に取り込まれないようにするとよい。
【００４５】
いずれの手法も、基板温度は４５０℃以下で成膜される。７００℃以上の高温で合成される結晶質ダイヤモンドとは異なる。基材の変形、硬度低下などを避けるため低温で処理することが望ましく、２５０℃以下、あるいは基材の焼き戻し温度以下が望ましい。
【００４６】
透明炭素膜は、母材との間にＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、またはこれらの炭化物、窒化物、炭窒化物のうち少なくとも１種以上の物質からなる中間層を設けることで、密着性を向上させることが出来る。
【００４７】
これらの金属または金属化合物は、母材と透明炭素膜との両方に対する親和性が高いため付着強度を向上させるのに効果があると考えられる。
【００４８】
また、母材と透明炭素膜との間に形成される上記中間層の厚さは、０．５ｎｍ以上、５ｎｍ以下が望ましい。
【００４９】
０．５ｎｍ以下では母材表面を１原子層以上覆うことが出来ない。上限に関しては５ｎｍ以上でも密着性の向上は見られるが、厚い層にすると金型の使用回数が増えるにつれて中間層部分に疲労による剥離が起こるため、５ｎｍ以下の薄い層がよく、さらに好ましくは１ｎｍ未満がよい。
【００５０】
また、母材と透明炭素膜との間の中間層は、その少なくとも母材側が、（１）母材材料と、（２）Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの中から選ばれた１種以上の物質とからなる、（１）と（２）の混合層を形成することで密着性が格段に向上する。
【００５１】
厚さを持った混合層とすることで、母材と中間層、母材と透明炭素膜との密着性がより強固になると考えられる。
【００５２】
上記混合層の厚さは、０．５ｎｍ以上、５ｎｍ以下が好ましい。
【００５３】
０．５ｎｍ以下では厚さ方向に１原子層以上の混合層を形成することが出来ない。上限に関しては、５ｎｍ以上の混合層を形成しても効果は得られるが、その手法が複雑になったり高価な設備を要するようになる。よって５ｎｍ以下が好ましい。
【００５４】
以上、本発明では母材と透明炭素膜との間の構造は、下記の様なものをとりうる。即ち、母材側から、
・母材→中間層→透明炭素膜
・母材→母材材料と中間層材料との混合層→中間層材料→透明炭素膜
・母材→母材材料と中間層材料との混合層→透明炭素膜
などである。
【００５５】
これ等の中間層または混合層は、プラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法のいずれかで形成出来る。これ等は透明炭素膜の合成法と組み合わせやすい手法で合成するのが好ましい。また、複数の手法を組み合わせて用いてもよい。特に好ましいのはカソードアークイオンプレーティング法である。混合層を形成する場合は、基板に印加するバイアス電圧を高めに設定する等の方法が適用できる。例えば−４００Ｖ以上、−３０ｋＶ以下の範囲の電圧が適用できる。
【００５６】
さらに高い性能を要求する場合、離型性に優れた透明炭素膜でも、表面のごく微小な凹凸がガラスの固着の原因となることがあるのでこれをなくすことが重要である。そこで、透明炭素膜を被覆した後に、被膜の表面を機械研磨などにより平滑化仕上げするとより効果的である。
【００５７】
特に寿命を考慮して比較的膜厚を厚くした場合や、透明炭素膜を粗大粒子を取り込みやすいカソードアークイオンプレーティング法、レーザーアブレーション法などで成膜する場合にその効果は顕著である。
【００５８】
面粗さの加工方法には、バフ仕上、ブラシ研磨、バレル研磨などがある。単純に粗さを小さくするというより、微小な鋭角を鈍角にすることが主目的である。
【００５９】
研磨後の面粗さは、目安としてＲａ０．００１μｍ以上、０．０５μｍ以下、より好ましくはＲａ０．０２μｍ以下がよい。
【００６０】
透明炭素膜は、１００％炭素成分となる固体炭素原料を用いて合成する場合、炭化水素ガスを原料とする方法と比較して膜中に粗大パーティクルが含まれる事が多い。このパーティクルに関しては、透明炭素膜表面に観察される０．２μｍ以上のサイズのパーティクル密度が２万個／ｍｍ²以下であることが望ましい。
【００６１】
２万個／ｍｍ²以上であると、成形後のレンズの不良率が大きくなる。成膜直後に２万個／ｍｍ²を超える場合は、前述のように表面を研磨加工することが望ましい。
【００６２】
なお、この発明のガラスレンズ成形用金型は、不活性ガス中で成形加工する場合に特にその効果が大きいが、大気中でも従来品に比べて寿命が長くなる。
【００６３】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３に、この発明の金型の要部の断面を示す。図の１は金型の母材であり、この母材の成形面となす表面にこの発明を特徴づける透明炭素膜２が被覆される。母材１と透明炭素膜２との間には、既述のメッキ層又は溶射層３（図２）を設けてもよい。また、透明炭素膜２の付着性を高める中間層４（図３）を設けることもある。さらに、必要に応じて膜２を付着させる母材側の下地面や膜２の表面の表面を研磨仕上げすることもある。
【００６４】
以下、より詳細な実施例について述べる。
【００６５】
【実施例１】
各種手法で超硬合金基板上に合成した炭素膜を熱処理して膜の変化を比較した。
【００６６】
成膜には、ＲＦプラズマＣＶＤ法、イオン化蒸着法、ホロカソード（ＨＣＤ）プラズマＣＶＤ法、非平衡型マグネトロンスパッタリング法、カソードアークイオンプレーティング法、レーザーアブレーション法を適用した。
【００６７】
ＲＦプラズマＣＶＤ法では、原料にメタンガスを適用した。基板に１３．５６ＭＨｚの高周波を印加してＲＦプラズマを発生させ、原料ガスを分解して基板上に成膜した。
【００６８】
イオン化蒸着法では、メタンを原料とした。イオン化源でメタンプラズマを発生させ、それを基板上に照射して成膜した。
【００６９】
非平衡型マグネトロンスパッタリング法（ＵＢＭ法）では、原料に固体カーボンターゲット、または固体カーボンとシリコンターゲットを適用した。雰囲気中にはアルゴンガス、またはアルゴンとメタンの混合ガスを導入し、ターゲットに負の直流電圧を印加して放電を起こさせた。ターゲット表面よりスパッタされ、プラズマ中で活性化した炭素イオンが、プラズマ雰囲気中の炭素イオン、炭化水素イオンとともに基板上で反応して成膜した。
【００７０】
カソードアークイオンプレーティング法では、原料に固体カーボンターゲットを適用した。ターゲットに負の電位を印加してアーク放電を発生させ、そのエネルギーで表面の炭素を蒸発、プラズマ化し、基板上に成膜した。
【００７１】
レーザーアブレーション法では、原料に固体カーボンターゲットを適用した。
ターゲットにレーザーを照射してそのエネルギーで表面の炭素を蒸発、プラズマ化し、基板上に成膜した。
【００７２】
試験後は、６００℃の窒素ガス雰囲気中で２時間保持し、試験前後の硬度、外観の比較を行った。
【００７３】
結果を表１に示す。干渉色を呈する透明炭素膜は試験前後で硬度の変化が見られなかった。一方、褐色または黒色のグラファイト成分を含むダイヤモンド状炭素膜は試験後に硬度が低下するか、または膜が完全に無くなったり粉状になっていた。グラファイト成分の有無が耐熱性に大きく影響したものと考えられる。
【００７４】
【実施例２】
ガラスレンズ成形金型の成形面に炭素膜の被覆処理を施し、レンズの成形を行なった。金型の母材、被覆処理した炭素膜、中間層、混合層及び成形時の性能を表２（ａ）〜表２（ｃ）にまとめた。
【００７５】
金型は、工具鋼ＳＫＤ６１、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４、アルミニウム合金Ａ２０１４、超硬合金、炭化ケイ素、Ｃｒメッキを施したアルミニウム合金Ａ２０１４の各種材料を母材とした。
【００７６】
それぞれの母材の硬さは、ビッカース硬度で示し、必要に応じてロックウェル硬度Ｃスケールまたはブリネル硬度を併記した。
【００７７】
炭素膜成膜前の母材の表面は、Ｒａ０．００８μｍの鏡面加工を施している。
【００７８】
炭素膜は、ＲＦプラズマＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、非平衡型マグネトロンスパッタリング法、カソードアークイオンプレーティング法、及びレーザーアブレーション法で合成した。
【００７９】
マイクロ波プラズマＣＶＤ法では、メタンと水素を原料とした。２．４５ＧＨｚのマイクロ波でマイクロ波プラズマを発生させ、原料ガスを分解して母材上に成膜した。他の製法は実施例１に準ずる。いずれの手法でも、成膜時の母材温度は１５０〜２５０℃の範囲とした。
【００８０】
炭素膜の膜厚は、０．０３μｍから６μｍまでの範囲に制御した。表面粗さは、成膜後に得られたままの粗さのほかに、一部研磨加工を加えたものも作製した。色調は、成形面上での目視による色調で判別し、干渉色のあるものは、透明と記した。
【００８１】
中間層または混合層は、あるものと無いものを作製した。本実施例で適用した材料は、ゲルマニウム、チタン、炭化チタン、クロム、シリコンである。
【００８２】
中間層または混合層があるものは、以下の各手法で合成した。
【００８３】
カソードアークイオンプレーティング法では、炭化チタンまたはクロム、チタンを成膜した。原料には固体チタンまたは固体クロムターゲットとメタン、アルゴンなどを適用した。ターゲットに負の電位を印加してアーク放電を発生させ、そのエネルギーでターゲット表面の元素を蒸発、プラズマ化し、母材上にて反応させて成膜した。
【００８４】
非平衡型マグネトロンスパッタリング法（ＵＢＭ法）では、ゲルマニウム、シリコンを合成した。原料に固体シリコンまたはゲルマニウムターゲットを適用した。雰囲気中にはアルゴンを導入し、ターゲットに負の直流電圧を印加して放電を発生させた。ターゲット表面よりスパッタされて基板上で成膜した。
【００８５】
レーザーアブレーション法では、チタンを成膜した。原料にはチタンターゲットを適用した。ターゲットにレーザーを照射してチタンを蒸発、プラズマ化して母材上に成膜した。
【００８６】
マグネトロンスパッタリング法では、シリコンを形成した。原料にシリコンターゲットを使用し、マグネトロンスパッタにより母材上に膜を析出させた。
【００８７】
膜厚は、０．３ｎｍから１０ｎｍの範囲とした。
【００８８】
性能は、実際にガラスレンズを成形して評価した。評価項目は寿命と良品率である。
【００８９】
寿命は、未コートのＳＫＤ６１材からなる金型が使用できなくなるショット数を１としたときの相対値で示している。
【００９０】
また、良品率は、それぞれの金型の寿命までの平均値で示している。
【００９１】
結果は、表２に示す様に、炭素膜を被覆することで性能が大幅に向上することがわかる。本実施例の中では、最低でも５倍、最大では２０倍以上の寿命が得られている。黒色や褐色のグラファイト成分を含むダイヤモンド状炭素と比較し、発明品の透明炭素膜の寿命は格段に長くなることがわかる。
【００９２】
良品率も、未コートで７５％程度であったものが、９５〜９９．５％まで向上した。従来見られた金型表面に固着したガラスに起因する不良や、金型表面でのガラスの流動不良によるしわなどが大幅に減少したことが確認された。
【００９３】
【実施例３】
ガラスレンズ成形金型にＴｉＮまたは炭素膜の被覆処理を施し、レンズの成形を行なった。金型の母材、被覆処理した炭素膜、中間層、および成形されたレンズ表面のグレードを表３にまとめた。
【００９４】
金型は、工具鋼ＳＫＤ１１を母材とした。炭素膜成膜前の金型母材の成形面は、Ｒａ０．００２μｍの超鏡面加工を施している。
【００９５】
炭素膜および中間層は、実施例２に準ずる方法で合成した。一部の被膜に関しては、ブラシ研磨またはバフ研磨を施した。レンズ成形前の金型表面を観察し、０．２μｍ以上のサイズの粒子密度を見積もった。
【００９６】
上記被覆金型で成形されたレンズの表面の状態を５段階グレードで分類した。
数字が大きいものほどグレードが高い。粒子密度が低いものほど成形されたレンズの表面のグレードは高い。
【００９７】
【表１】

【００９８】
【表２（ａ）】

【００９９】
【表２（ｂ）】

【０１００】
【表２（ｃ）】

【０１０１】
【表３】

【０１０２】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明のガラスレンズ成形金型は、水素を含まず、グラファイト成分の含有も規制された透明炭素膜を成形面に設けたので、ガラスの固着やガラスの流動不良による不良品発生率が小さくなって成形の歩留まりが向上する。
【０１０３】
また、透明炭素膜の耐久性が向上してその膜による成形面の保護が長期にわたってなされるため、金型の損傷も少なくなる。
【０１０４】
なお、母材の表面に硬質のメッキ層や溶射層を設けるものは、成形面の表面硬度が高まり、金型の寿命がより延びる。また、母材と透明炭素膜との間に膜の付着性を高める中間層を設けたものは、透明炭素膜の剥離による寿命低下が防止される。
【０１０５】
このほか、母材表面や透明炭素膜の表面を研磨加工したものは、ガラスの離型性、成形されたレンズの表面性状がより良くなる。
【０１０６】
また、透明炭素膜が干渉色を呈するものは、その膜の色の変化によって膜の性状変化等を目視把握できるメリットもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の金型の一例を示す部分破断正面図
【図２】メッキ層又は溶射層を設けた例を示す部分破断正面図
【図３】中間層を設けた例を示す部分破断正面図
【符号の説明】
１母材
２透明炭素膜
３メッキ層又は溶射層
４中間層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a glass lens mold having improved durability and molding yield.
[0002]
[Prior art]
Glass lenses used in various optical instruments are manufactured by molding molten glass with a mold. The molding temperature is generally 400 to 700 ° C. although it depends on the glass material. Since the temperature is relatively high, there are problems such as oxidation and corrosion, and techniques such as molding in an inert gas atmosphere are taken.
[0003]
In particular, the mold used for molding has a problem that glass adheres to the surface and molding failure occurs, or the flow of molten glass on the mold surface is poor and the lens surface is wrinkled. Further, since the mold material is a steel material (such as stainless steel) having a relatively low hardness, surface wear and deformation frequently occur.
[0004]
To solve these problems, there is a method of improving the mold release and fluidity by applying a lubricant to the mold surface. However, since the workpiece is a lens that requires a mirror surface, this method is difficult to apply due to problems such as clouding of the surface.
[0005]
There is also a method to make the mold material harder and more resistant to oxidation and corrosion, but it has not been applied very much because the mold release has not been greatly improved, but the cost has increased significantly. . Surface treatments such as Cr plating and TiN coating are similarly less effective for cost.
[0006]
Among these, the method for coating the diamond-like carbon film is effective in improving the releasability. Such carbon films are listed in, for example, JP-A-61-281030, JP-A-6-345461, JP-A-7-314259, and JP-A-11-157852. In addition to glass lens applications, methods for applying a diamond-like carbon film are disclosed in JP-A-2-26842, JP-A-4-344221, JP-A-9-194227, JP-A-9-183622, and the like.
[0007]
However, the diamond-like carbon film has poor adhesion to the base material and has been extremely difficult to put into practical use. For example, JP-A-4-344211 proposes a measure for improving adhesion using a Mo intermediate layer, and JP-A-11-157852 uses a nitride or carbide intermediate layer. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-314259 proposes improvement by a substrate cleaning method, and Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 9-194227 and 9-183622 propose examples of substrate surface modification by ion implantation.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, various methods have been studied. However, in reality, a diamond-like carbon film with sufficient durability has not been obtained. Immediately after the start of use, the yield of the molded lens having a good mold releasability was high, but the fixation of the glass to the mold immediately started and the yield decreased.
[0009]
According to the present invention, the molding surface of a glass lens molding die is covered with a film that is more stable and durable than a conventional carbon film to reduce the adhesion of the glass to the mold surface, and the smooth flow of the glass. The purpose is to enable stable long-term molding and improve molding yield.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the present invention, the molding surface of the mold is covered with a transparent carbon film having a carbon content of 95 at% or more and a Knoop hardness of 3000 or more and 7000 or less. Note that the transparent carbon film may be provided only on a part of the molding surface, that is, on a portion where glass is likely to adhere.
[0011]
It was found that the reason why the durability of the conventional diamond-like carbon film is not sufficient is due not only to the adhesion but also to the poor durability of the film itself. That is, since a diamond-like carbon film generally contains a graphite component, when it is used at a high temperature, graphitization proceeds from an already existing graphite structure, and the film becomes weak and peels.
[0012]
The transparent carbon film used in the present invention does not have this defect. Such a transparent carbon film is an amorphous carbon film having a high hardness, and when coated on a metal, even if the film thickness exceeds 1 μm, it exhibits an interference color because of its transparency. The transparent carbon film is defined in detail below.
[0013]
Examples of the film made of carbon include a diamond film, a graphite film, and a diamond-like carbon film. The transparent carbon film is a special film included in a material system generally called diamond-like carbon.
[0014]
Diamond-like carbon is a very broad concept material. In addition to diamond-like carbon (DLC), it is also called amorphous carbon (a-C, a-C: H), i-C (eye carbon), hard carbon, and the like. The structure is an amorphous structure having a sp3 structure in part, and the constituent element is only carbon or a hydrogenated carbon film containing hydrogen, and the maximum hydrogen content is more than 50 at%. Knoop hardness is often defined in a wide range of 800 to 8000. Generally, a graphite component is contained in the film, and when the film thickness exceeds 0.5 μm, the color changes from brown to black or gray.
[0015]
The transparent carbon film in the present invention refers to an amorphous carbon film that does not contain hydrogen, has a low graphite component, and has a high degree of transparency, among diamond-like carbons thus widely defined.
[0016]
Specifically, the constituent element is only carbon except for impurities which are unavoidable due to the synthesis method. Considering the presence of impurities, 95 at% or more is carbon. Impurities are most often hydrogen and oxygen caused by water, and nitrogen caused by residual gas may be mixed. In addition, metal components such as iron inside the film forming apparatus may enter a minute amount. Since it is synthesized mainly using solid carbon as a raw material, impurities in the solid carbon raw material are also contained in a trace amount. 99.5 at% or more is carbon when analyzed excluding oxygen, hydrogen and nitrogen caused by water and air.
[0017]
The fact that the graphite component is small is defined by being specifically transparent and having a Knoop hardness of 3000 or more and 7000 or less. The transparency exhibits an interference color even with a film thickness of 0.6 μm or more. The standard of the average transmittance of visible light with a film thickness of 1 μm is 30% or more. A hardness of 3000 or more and 7000 or less in Knoop hardness is a material having high hardness among diamond-like carbon films. In dynamic hardness, about 3000 kgf (29419.95 N) / mm ² 7000 kgf (686646.55 N) / mm ² The following.
[0018]
Since such a transparent carbon film hardly reacts with ordinary glass and has excellent lubricity, when it is applied to a glass lens molding die, the molded glass is improved in mold release and yield is improved. In addition, damage to the mold is reduced. This is because, since the graphite component contained in the film is small, graphitization from the existing graphite phase is difficult to proceed, so that the life of the film is extended and such characteristics are maintained for a very long time.
[0019]
The reason why the carbon content of the transparent carbon film is defined as 95 at% or more is that, below this, graphitization starting from an element other than carbon tends to proceed.
Desirably, it should be composed of carbon alone.
[0020]
With respect to Knoop hardness, when the hardness is 3000 or less, the film has a large amount of graphite components. A Knoop hardness of 4000 or more is desirable. Here, Knoop hardness refers to the value of the surface of the molding surface measured with the smallest load that can be measured with an indentation load of 5 g or more. The reason why the load is not limited to a constant value is that measurement is not possible with a low load when the film thickness is large or the hardness is particularly high.
[0021]
The transparent carbon film is a material different from diamond. Diamond is crystalline and has a Vickers hardness of about 9000 or more. In electron beam diffraction and X-ray diffraction, a diffraction image reflecting the diamond structure is obtained from diamond, but a transparent carbon film has a halo pattern reflecting amorphous. For Raman spectroscopy, 1333 cm for diamond ^-1 A narrow peak corresponding to the diamond structure is seen in the vicinity, but in the transparent carbon film, 1350 cm ^-1 Near and 1550cm ^-1 Several tens to two hundred cm in the vicinity ^-1 Shows a broad peak structure. The refractive index of diamond is about 2.4, but the transparent carbon film takes a value between 2.0 and 2.3. The synthesis temperature of the thin film is also 700 ° C. or higher for diamond, generally 800 ° C. to 1000 ° C. or higher for transparent carbon film. Diamond is synthesized by introducing about 99% hydrogen gas into about 1% hydrocarbon gas such as methane. This is because a large amount of atomic hydrogen is generated, and the amorphous component in the synthesized film is reacted with the atomic hydrogen to be removed. Solid carbon is used as a raw material for the synthesis of the transparent carbon film.
[0022]
As the base material of the mold, steel materials such as carbon steel for machine structure, alloy steel, tool steel, stainless steel, cast steel, and cemented carbide can be applied. Ceramics such as silicon nitride, silicon carbide, and zirconia may be used as part of the mold.
[0023]
A plating layer or a sprayed layer may be formed on the surface of the base material.
[0024]
Examples of the plating layer include Ni and Cr as main components. Further, cemented carbide, oxide ceramics such as stellite, zirconia, and the like can be applied to the sprayed layer. Since these plating and sprayed layers are hard and chemically stable, there is an effect of further extending the life of the transparent carbon film coated thereon.
[0025]
The hardness of the surface of the mold before coating with the transparent carbon film is variously selected depending on the purpose of use and the environment, but it is preferable to select a material that can obtain high hardness within a possible range. The specific hardness is preferably Hv 350 or higher (about 35 or higher for HRC), preferably Hv 600 or higher (about 55 or higher for HRC).
[0026]
For example, as the steel material, carbon steel, tool steel, carburized quenched steel, nitrided steel, or the like may be employed. Conventionally, these materials have been difficult to apply to glass molds in terms of oxidation resistance and corrosion resistance, but these problems have been eliminated by coating a chemically stable transparent carbon film. Of these materials, those having a hardness of Hv 350 or higher are easily obtained at a relatively low cost.
[0027]
Other than steel, a cemented carbide that greatly exceeds Hv1000 is optimal. When it is required to reduce the weight of the mold itself, ceramics such as silicon nitride, silicon carbide, zirconia, and alumina may be applied. The hardness of these ceramics is Hv1000 or more. Since the service life is remarkably improved, it is a material that can be recommended as a base material if there is reasonable cost.
[0028]
In addition, by applying this invention, the life extension effect is seen also in the base material whose hardness is Hv 350 or less. For example, stainless steel having excellent oxidation resistance and corrosion resistance has a Vickers hardness of about Hv 160 to 270 (Brinell hardness about HB 150 to 250, Rockwell hardness about HRC 5 to 25). Although steel has a lower hardness, it has been frequently used in lens molds because of its excellent corrosion resistance. Since the hardness is low, it is disadvantageous in terms of life, but durability is improved by covering the surface with a transparent carbon film.
[0029]
The aluminum alloy also has a very low hardness, but a certain life can be secured by coating with a hard carbon film. The aluminum alloy to be applied preferably has a Vickers hardness of 85 or more (Brinell hardness of about HB80 or more), preferably 100 or more (Brinell hardness of about HB95 or more). In order to increase the hardness of the surface, it is effective if the aforementioned plating layer or sprayed layer is applied to the surface.
[0030]
The transparent carbon film covering the mold has a density of 2.8 g / cm. ^Three 3.3 g / cm ^Three The following is desirable.
[0031]
The density of diamond is 3.52 g / cm ^Three The density of graphite is 2.25 g / cm ^Three It is. The diamond-like carbon film has a wide range of values. Among them, the transparent carbon film of the present invention preferably has a value higher than that of diamond. 2.8 g / cm ^Three Below, it shows that components other than carbon, such as hydrogen, are contained or that there are many graphite components, hardness is low, and heat resistance is also small. The density is 3.3 g / cm ^Three The carbon film described above is a film containing diamond crystals and has a high surface roughness. A more desirable density is 3.0 g / cm. ^Three That's it.
[0032]
The transparent carbon film of the present invention is transparent because it has few graphite components as described above, and exhibits an interference color when covered with a base material. General diamond-like carbon has many graphite components in the film and turns from brown to black.
[0033]
When there are many graphite components, graphitization tends to proceed starting from graphite crystals. On the other hand, a transparent carbon film that exhibits interference colors with few graphitic components does not readily progress to graphitization and has a long life.
[0034]
Further, if a transparent carbon film exhibiting an interference color is coated in advance, when the transparent carbon film is graphitized due to the influence of temperature or the like, there is an advantage that the state of the coating can be grasped visually because the color changes.
[0035]
The color of the interference color can take various colors, such as red, yellow, yellow, green, blue, purple, and the like, or a mixture of these colors. The color tone is not essential because it changes depending on the film thickness, refractive index, and viewing angle, and any color may be used. Further, a transparent interference color may be used, or a black, brown, or grayish interference color may be used.
[0036]
In addition, when converting the transparency of the transparent carbon film into the transmittance, the visible light transmittance at a film thickness of 1 μm is preferably 30% or more.
[0037]
The film thickness is preferably 0.05 μm or more and 5 μm or less.
[0038]
If the lower limit is 0.05 μm or less, it is weak against external force received from the high-pressure glass that has been solidified, and the coating is easily damaged. Preferably it is 0.3 μm or more. On the other hand, when the upper limit is 5.0 μm or more, the internal stress of the film itself is high and the film is easily peeled off. In a generally used range, it may be 2.0 μm or less.
[0039]
It is desirable that the surface of the transparent carbon film serving as a molding surface be as smooth as possible. Specifically, the surface roughness is preferably Ra 0.001 μm or more and 0.05 μm or less.
[0040]
A film having a surface roughness of Ra 0.001 μm or less is actually difficult to process the base material itself. On the other hand, when Ra is 0.05 μm or more, the surface roughness of the lens surface after processing becomes poor. However, there is no problem as long as the surface roughness is 0.05 μm or less by performing a treatment such as polishing after coating the transparent carbon film. A more preferable surface roughness is Ra 0.02 μm or less.
[0041]
For reference, Rz is 0.003 μm or more and 0.05 μm or less (preferably 0.06 μm or less), and Rmax is 0.05 μm or more and 0.25 μm or less (preferably 0.1 μm or less).
[0042]
As a method for producing the transparent carbon film, an ion plating method, a sputtering method, a laser ablation method, or the like can be applied.
[0043]
Since these methods can use a material composed of a 100% carbon component such as graphite as a raw material, the carbon concentration of the transparent carbon film to be synthesized can theoretically be 100 at%.
[0044]
The ion plating method includes a solid carbon source as a raw material, a combination of electron beam evaporation and various excitation sources, an HCD (holo cathode) ion plating method, a cathode arc ion plating method, and the like. Sputtering methods also use a solid carbon source as a raw material, and include magnetron sputtering, DC sputtering, pulsed DC sputtering, and nonequilibrium magnetron sputtering. The laser ablation method is a method for vaporizing solid carbon by laser irradiation and forming a film on a substrate. A combination of these methods may be used as necessary. When importance is attached to the smoothness of the surface, it is preferable to use a deflection magnetic field so that coarse particles are not taken into the film.
[0045]
In either method, the film is formed at a substrate temperature of 450 ° C. or lower. It is different from crystalline diamond synthesized at a high temperature of 700 ° C. or higher. In order to avoid deformation of the base material and decrease in hardness, it is desirable to perform the treatment at a low temperature, preferably 250 ° C. or lower, or lower than the tempering temperature of the base material.
[0046]
The transparent carbon film is made of B, Al, Si, Ge, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, or their carbides, nitrides, and carbonitrides. Adhesiveness can be improved by providing an intermediate layer made of at least one substance.
[0047]
Since these metals or metal compounds have high affinity for both the base material and the transparent carbon film, it is considered that they are effective in improving the adhesion strength.
[0048]
The thickness of the intermediate layer formed between the base material and the transparent carbon film is preferably 0.5 nm or more and 5 nm or less.
[0049]
If the thickness is 0.5 nm or less, the surface of the base material cannot be covered by one atomic layer or more. With respect to the upper limit, an improvement in adhesion can be seen even when the thickness is 5 nm or more. However, if the layer is thick, peeling due to fatigue occurs in the intermediate layer portion as the number of times the mold is used increases. Less than is good.
[0050]
In addition, the intermediate layer between the base material and the transparent carbon film has (1) base material and (2) B, Al, Si, Ge, Ti, V, Cr, Zr, Nb at least on the base material side. By forming a mixed layer of (1) and (2) composed of one or more substances selected from Mo, Hf, Ta, and W, the adhesion is remarkably improved.
[0051]
It is considered that the adhesiveness between the base material and the intermediate layer and between the base material and the transparent carbon film becomes stronger by using the mixed layer having a thickness.
[0052]
The thickness of the mixed layer is preferably 0.5 nm or more and 5 nm or less.
[0053]
If the thickness is 0.5 nm or less, a mixed layer of one atomic layer or more cannot be formed in the thickness direction. With respect to the upper limit, an effect can be obtained even if a mixed layer of 5 nm or more is formed, but the method becomes complicated or expensive equipment is required. Therefore, 5 nm or less is preferable.
[0054]
As described above, in the present invention, the structure between the base material and the transparent carbon film can be as follows. That is, from the base material side,
・ Base material → Intermediate layer → Transparent carbon film
-Base material-> mixed layer of base material and intermediate layer material-> intermediate layer material-> transparent carbon film
・ Base material → Mixed layer of base material and intermediate layer material → Transparent carbon film
Etc.
[0055]
These intermediate layers or mixed layers can be formed by any of plasma CVD, ion plating, sputtering, and laser ablation. These are preferably synthesized by a method that can be easily combined with a method for synthesizing a transparent carbon film. Further, a plurality of methods may be used in combination. Particularly preferred is the cathodic arc ion plating method. In the case of forming the mixed layer, a method of setting the bias voltage applied to the substrate higher can be applied. For example, a voltage in the range of −400 V or higher and −30 kV or lower can be applied.
[0056]
When even higher performance is required, it is important to eliminate even a transparent carbon film having excellent releasability, because very minute irregularities on the surface may cause the glass to adhere. Therefore, it is more effective to smooth the surface of the coating by mechanical polishing after coating the transparent carbon film.
[0057]
In particular, the effect is remarkable when the film thickness is relatively increased in consideration of the lifetime, or when the transparent carbon film is formed by a cathode arc ion plating method, a laser ablation method, or the like that easily takes in coarse particles.
[0058]
Surface roughness processing methods include buffing, brush polishing, barrel polishing, and the like. Rather than simply reducing the roughness, the main purpose is to make a minute acute angle an obtuse angle.
[0059]
As a guide, the surface roughness after polishing should be Ra 0.001 μm or more and 0.05 μm or less, more preferably Ra 0.02 μm or less.
[0060]
When a transparent carbon film is synthesized using a solid carbon raw material that is a 100% carbon component, coarse particles are often contained in the film as compared with a method using a hydrocarbon gas as a raw material. Regarding this particle, the particle density of 0.2 μm or more observed on the transparent carbon film surface is 20,000 particles / mm. ² The following is desirable.
[0061]
20,000 pieces / mm ² If it is as described above, the defective rate of the lens after molding increases. 20,000 pieces / mm immediately after film formation ² If it exceeds the upper limit, it is desirable to polish the surface as described above.
[0062]
The glass lens molding die of the present invention is particularly effective when it is molded in an inert gas, but has a longer life in the atmosphere than conventional products.
[0063]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 to 3 show a cross section of the main part of the mold of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a base material of a mold, and a transparent carbon film 2 that characterizes the present invention is coated on a surface formed as a molding surface of the base material. Between the base material 1 and the transparent carbon film 2, the above-described plating layer or sprayed layer 3 (FIG. 2) may be provided. Moreover, the intermediate | middle layer 4 (FIG. 3) which improves the adhesiveness of the transparent carbon film 2 may be provided. Further, the surface of the base material side where the film 2 is attached or the surface of the film 2 may be polished as necessary.
[0064]
Hereinafter, more detailed examples will be described.
[0065]
[Example 1]
Carbon films synthesized on a cemented carbide substrate by various methods were heat-treated and the changes of the films were compared.
[0066]
For the film formation, an RF plasma CVD method, an ionized vapor deposition method, a holocathode (HCD) plasma CVD method, a non-equilibrium magnetron sputtering method, a cathode arc ion plating method, and a laser ablation method were applied.
[0067]
In the RF plasma CVD method, methane gas was applied as a raw material. RF plasma was generated by applying a high frequency of 13.56 MHz to the substrate, and the source gas was decomposed to form a film on the substrate.
[0068]
In the ionization deposition method, methane was used as a raw material. Methane plasma was generated with an ionization source and irradiated onto the substrate for film formation.
[0069]
In the non-equilibrium magnetron sputtering method (UBM method), a solid carbon target, or solid carbon and a silicon target were applied as raw materials. Argon gas or a mixed gas of argon and methane was introduced into the atmosphere, and a negative DC voltage was applied to the target to cause discharge. Carbon ions sputtered from the target surface and activated in the plasma reacted with the carbon ions and hydrocarbon ions in the plasma atmosphere on the substrate to form a film.
[0070]
In the cathode arc ion plating method, a solid carbon target was applied as a raw material. A negative potential was applied to the target to generate an arc discharge, and the carbon on the surface was evaporated and converted into plasma with that energy, and a film was formed on the substrate.
[0071]
In the laser ablation method, a solid carbon target was applied as a raw material.
The target was irradiated with a laser, and the carbon on the surface was evaporated and converted into plasma with that energy, and a film was formed on the substrate.
[0072]
After the test, it was kept in a nitrogen gas atmosphere at 600 ° C. for 2 hours, and the hardness and appearance before and after the test were compared.
[0073]
The results are shown in Table 1. The transparent carbon film exhibiting the interference color showed no change in hardness before and after the test. On the other hand, the diamond-like carbon film containing a brown or black graphite component had a reduced hardness after the test, or the film was completely lost or powdered. The presence or absence of the graphite component is considered to have greatly influenced the heat resistance.
[0074]
[Example 2]
The molding surface of the glass lens molding die was coated with a carbon film to mold the lens. Table 2 (a) to Table 2 (c) summarize the mold base material, coated carbon film, intermediate layer, mixed layer, and molding performance.
[0075]
The mold was based on various materials such as tool steel SKD61, stainless steel SUS304, aluminum alloy A2014, cemented carbide, silicon carbide, and aluminum alloy A2014 plated with Cr.
[0076]
The hardness of each base material is indicated by Vickers hardness, and the Rockwell hardness C scale or Brinell hardness is indicated as required.
[0077]
The surface of the base material before carbon film formation is mirror-finished with Ra 0.008 μm.
[0078]
The carbon film was synthesized by RF plasma CVD, microwave plasma CVD, non-equilibrium magnetron sputtering, cathode arc ion plating, and laser ablation.
[0079]
In the microwave plasma CVD method, methane and hydrogen were used as raw materials. Microwave plasma was generated with a microwave of 2.45 GHz to decompose the source gas and form a film on the base material. Other manufacturing methods are the same as in Example 1. In either method, the base material temperature during film formation is in the range of 150 to 250 ° C.
[0080]
The film thickness of the carbon film was controlled in the range from 0.03 μm to 6 μm. As for the surface roughness, in addition to the roughness as obtained after film formation, a part of which was subjected to polishing was also produced. The color tone was determined by the color tone visually observed on the molding surface, and those having interference colors were marked as transparent.
[0081]
An intermediate layer or a mixed layer was prepared with or without an intermediate layer. The materials applied in this example are germanium, titanium, titanium carbide, chromium, and silicon.
[0082]
Those having an intermediate layer or mixed layer were synthesized by the following methods.
[0083]
In the cathode arc ion plating method, titanium carbide, chromium, or titanium was formed. Solid titanium or solid chromium target and methane, argon, etc. were applied as raw materials. A negative potential was applied to the target to generate an arc discharge, and the element on the target surface was evaporated and converted into plasma with the energy, and reacted on the base material to form a film.
[0084]
In the non-equilibrium magnetron sputtering method (UBM method), germanium and silicon were synthesized. A solid silicon or germanium target was applied as a raw material. Argon was introduced into the atmosphere, and a negative DC voltage was applied to the target to generate a discharge. The film was sputtered from the target surface to form a film on the substrate.
[0085]
In the laser ablation method, a titanium film was formed. A titanium target was applied as a raw material. The target was irradiated with a laser to evaporate and turn titanium into a film on the base material.
[0086]
In the magnetron sputtering method, silicon was formed. A silicon target was used as a raw material, and a film was deposited on the base material by magnetron sputtering.
[0087]
The film thickness was in the range of 0.3 nm to 10 nm.
[0088]
The performance was evaluated by actually molding a glass lens. Evaluation items are life and good product rate.
[0089]
The lifetime is shown as a relative value when the number of shots at which a mold made of an uncoated SKD61 material cannot be used is 1.
[0090]
Moreover, the non-defective rate is shown as an average value until the life of each mold.
[0091]
As shown in Table 2, the results show that the performance is greatly improved by coating the carbon film. In the present embodiment, a lifetime of at least 5 times and at most 20 times the maximum is obtained. It can be seen that the lifetime of the inventive transparent carbon film is significantly longer than diamond-like carbon containing black or brown graphite components.
[0092]
The non-defective product rate was about 75% when uncoated, but improved to 95-99.5%. It was confirmed that defects caused by glass fixed on the mold surface and wrinkles caused by poor flow of glass on the mold surface were greatly reduced.
[0093]
[Example 3]
A glass lens molding die was coated with TiN or a carbon film to form a lens. Table 3 summarizes the mold base material, coated carbon film, intermediate layer, and molded lens surface grade.
[0094]
The mold was made of tool steel SKD11 as a base material. The molding surface of the mold base material before the carbon film is formed is subjected to ultra-mirror surface processing of Ra 0.002 μm.
[0095]
The carbon film and the intermediate layer were synthesized by the method according to Example 2. Some coatings were brushed or buffed. The surface of the mold before lens molding was observed, and the density of particles having a size of 0.2 μm or more was estimated.
[0096]
The state of the surface of the lens molded with the coating mold was classified into five grades.
The higher the number, the higher the grade. The lower the particle density, the higher the grade of the surface of the molded lens.
[0097]
[Table 1]

[0098]
[Table 2 (a)]

[0099]
[Table 2 (b)]

[0100]
[Table 2 (c)]

[0101]
[Table 3]

[0102]
【The invention's effect】
As described above, the glass lens mold according to the present invention is provided with a transparent carbon film that does not contain hydrogen and whose graphite component is restricted on the molding surface. The yield of non-defective products is reduced and the molding yield is improved.
[0103]
In addition, since the durability of the transparent carbon film is improved and the molding surface is protected by the film over a long period of time, damage to the mold is reduced.
[0104]
In addition, what provides a hard plating layer and a thermal spray layer on the surface of a base material raises the surface hardness of a molding surface, and the lifetime of a metal mold | die extends more. In addition, in the case where an intermediate layer that enhances the adhesion of the film is provided between the base material and the transparent carbon film, a reduction in life due to the peeling of the transparent carbon film is prevented.
[0105]
In addition, those obtained by polishing the surface of the base material or the surface of the transparent carbon film have better release properties of the glass and surface properties of the molded lens.
[0106]
In addition, when the transparent carbon film exhibits an interference color, there is an advantage that a change in the properties of the film can be visually recognized by a change in the color of the film.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially broken front view showing an example of a mold according to the present invention.
FIG. 2 is a partially broken front view showing an example in which a plated layer or a sprayed layer is provided.
FIG. 3 is a partially broken front view showing an example in which an intermediate layer is provided.
[Explanation of symbols]
1 Base material
2 Transparent carbon film
3 plating layer or sprayed layer
4 Middle layer

Claims

At least a part of the molding surface is coated with a transparent carbon film that exhibits an interference color even with a film thickness of 0.6 μm or more, and has a transparency with an average visible light transmittance of 30 μm or more at a film thickness of 1 μm , A glass lens molding die, wherein the transparent carbon film is a film containing 95 at% or more of carbon and having a Knoop hardness of 3000 or more and 7000 or less.

The glass lens mold according to claim 1, wherein the base material is made of any one of steel, alloy steel, cemented carbide, and ceramics.

The glass lens mold according to claim 1 or 2, wherein a hard plating layer or a sprayed layer is formed on a surface of the base material, and a transparent carbon film is coated thereon.

The glass lens molding die according to claim 1, 2 or 3, wherein the surface of the die covered with the transparent carbon film has a Vickers hardness of 350 or more.

The glass lens mold according to any one of claims 1 to 4, wherein the density of the transparent carbon film is 2.8 g / cm ³ or more and 3.3 g / cm ³ or less.

The glass lens molding die according to any one of claims 1 to 5, wherein the coated transparent carbon film exhibits an interference color.

The glass lens mold according to claim 1, wherein the transparent carbon film has a thickness of 0.05 μm or more and 5 μm or less.

The glass lens molding die according to any one of claims 1 to 7, wherein the surface roughness of the molding surface made of a transparent carbon film is Ra 0.001 µm or more and 0.05 µm or less.

The glass lens molding die according to any one of claims 1 to 8, wherein the transparent carbon film is a film formed by any one of an ion plating method, a sputtering method, and a laser ablation method.

Between B and Al, Si, Ge, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, or their carbides, nitrides, carbonitrides, between the base material and the transparent carbon film The glass lens mold according to any one of claims 1 to 9, further comprising an intermediate layer made of one or more substances selected from the group consisting of:

The glass lens mold according to any one of claims 1 to 10, wherein the thickness of the intermediate layer is 0.5 nm or more and 5 nm or less.

The intermediate layer has an intermediate layer between the base material and the transparent carbon film, and at least the base material side of the intermediate layer has the base material and B, Al, Si, Ge, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, The glass lens molding die according to any one of claims 1 to 11, which is a mixed layer composed of one or more substances selected from Ta and W.

The glass lens mold according to any one of claims 1 to 12, wherein the thickness of the mixed layer is 0.5 nm or more and 5 nm or less.

The glass lens molding according to claim 1, wherein the intermediate layer or the mixed layer is formed by any one of a plasma CVD method, an ion plating method, a sputtering method, and a laser ablation method. Mold.

The glass lens mold according to any one of claims 1 to 14, wherein the surface of the transparent carbon film is subjected to a smoothing process by machining.

The glass lens molding die according to any one of claims 1 to 15, wherein a particle density having a major axis of 0.2 µm or more observed on the surface of the transparent carbon film is 20,000 particles / mm ² or less.