JP4720731B2 - 成形型 - Google Patents

Description

本発明は、成形型に関するものである。

各種産業分野において、材料に形状を付与するため、成形型による成形が行われている。成形型による成形は、研削加工などに比べ、同形状の物を比較的量産しやすいなどの利点を有している。

このような成形による利点を活かすべく、近年、例えば、ガラス製部材の製造分野などでは、型基材部表面に金属層が積層された成形型を用いて、ガラス製部材をプレス成形する試みがなされている。

例えば、特許文献１には、ＷＣ製の型基材部表面に、Ｎｂ層、Ｐｔ−Ｉｒ層（Ｐｔ：４０ｗｔ％、Ｉｒ：６０ｗｔ％）がこの順に積層された成形型を用いて、ガラス製光学素子をプレス成形する技術が開示されている。

特開２００２−６０２３９号公報（実施例など）

一般に、成形型では、成形材料との離型性が良好であることが要求される。成形材料との離型性が悪いと、成形物の製造性、得られた成形物の表面品質も低下してしまうからである。この点は、ガラス成形用の成形型にも当然に当てはまる。

しかしながら、従来知られるガラス成形用の成形型は、ガラス材料との離型性が悪かった。とりわけ、成形温度が高温になるほど、当該成形型にガラス材料がひっつきやすく、場合によっては、１回も脱型できないことさえ生じうる。

このように、特に、ガラス成形では、上記成形による利点を十分に活かすことが困難な状況にあった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、離型性に優れた成形型を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明者は、種々の実験を行い、鋭意検討を重ねた。その結果、成形型の最表層に、同じ合金組成の最表層を用いても、その層の結晶構造によっては、離型性が大きく変化することを突き止めた。本発明は、主に、かかる知見に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明に係る成形型は、型基材部表面に、少なくとも２層以上の金属層が積層された積層構造を有し、上記積層構造のうち、最表層は、面心立方構造をとる第１金属と六方最密構造をとる第２金属とを組み合わせた合金よりなり、上記最表層の結晶構造は、面心立方構造であることを要旨とする。

ここで、上記第１金属の割合は５０重量％以上であると良い。

また、上記第１金属はＩｒであると良い。一方、上記第２金属は、Ｒｅ、Ｏｓ、ＲｕおよびＴｃから選択される１種または２種以上であると良い。

また、上記最表層の下層は、その結晶構造が面心立方構造であると良い。

また、上記最表層の下層には、Ｒｈ層が存在すると良く、上記Ｒｈ層の下層には、Ａｕ層が存在すると良い。

上記成形型は、ガラス成形用途に好適に用いることができる。

本発明に係る成形型は、型基材部表面に、少なくとも２層以上の金属層が積層された積層構造を有しており、この積層構造のうち、最表層は、面心立方構造をとる第１金属と六方最密構造をとる第２金属とを組み合わせた合金よりなり、最表層の結晶構造は面心立方構造である。

そのため、成形材料との離型性、とりわけ、ガラス材料との離型性に優れる。したがって、本発明に係る成形型によれば、成形物を量産しやすいなど、成形物の製造性に優れる。また、型の長寿命化を図れることから、耐久性にも優れる。

ここで、上記第１金属の割合が５０重量％以上である場合には、最表層の結晶構造が面心立方構造をとりやすくなり、これにより、離型性を発現しやすくなる。

また、上記第１金属がＩｒである場合には、とりわけ、ガラス材料との離型性に優れる。

また、上記第２金属が、Ｒｅ、Ｏｓ、ＲｕおよびＴｃから選択される１種または２種以上である場合には、最表層の耐熱性を向上させることができる。そのため、より高温で成形しやすくなる。

また、最表層よりも下層の結晶構造が面心立方構造である場合には、最表層の結晶構造が面心立方構造をとりやすくなり、これにより離型性を発現しやすくなる。

また、上記最表層よりも下層にＲｈ層が存在する場合、このＲｈ層（層の結晶構造は面心立方構造）は、主として、これよりも下層の成分、型基材部成分の拡散防止層として機能する。そのため、これら成分と成形材料との結合を抑制でき、これにより、離型性を一層向上させやすくなる。

また、上記Ｒｈ層よりも下層にＡｕ層（層の結晶構造は面心立方構造）が存在する場合、このＡｕ層は、主として、ボンド層として機能する。そのため、積層構造の剥離を抑制することができ、これにより耐久性を一層向上させやすくなる。

上記成形型を例えば、ガラス成形用途に用いた場合には、耐熱ガラスなどのガラス材料の成形を行うことができる。

以下、本実施形態に係る成形型について詳細に説明する（以下、本実施形態に係る成形型を「本成形型」ということがある。）。

初めに、本成形型の構成について説明する。本成形型は、型基材部と、積層構造とを基本構成として有している。

型基材部は、型本体をなす。型基材部の表面には、通常、成形材料に所望形状を転写しうる転写面（図示されない）が形成されている。

型基材部の材質としては、具体的には、例えば、ＷＣ系の超硬合金、グラッシーカーボン、ステンレス鋼、Ｓｉおよびその複合体からなるセラミックスなどを例示することができる。成形材料としてガラス材料を選択する場合、好ましくは、耐久性、耐熱性に優れるなどの観点から、ＷＣ系の超硬合金、セラミックスなどである。

上記積層構造は、型基材部表面に形成されている。上記積層構造は、少なくとも２層以上の金属層が積層されてなる。なお、金属層にいう「金属」には、合金も含まれる。

上記積層構造は、少なくとも２層以上の金属層が積層されておれば、その積層数は特に限定されるものではない。

もっとも、積層数が過度に多くなると、積層構造全体の厚みが増加する。当該厚みが過度に厚くなると、例えば、型基材部表面に凹凸などの転写面を形成する場合、凹溝を余分に深く形成したり、凸部を余分に高く形成したりする必要が生じる。そのため、型の生産性が低下したり、コストも増加しやすくなる。なお、この点は、積層構造を形成する個々の金属層の厚みが過度に厚くなった場合も同様である。

上記積層数としては、好ましくは２層〜５層、より好ましくは２層〜４層である。最も好ましくは３層である。

上記積層数を３層とした場合、本発明の趣旨より、最表層は、主として、成形材料との離型性を発現する離型層として機能することになる。一方、最表層の直下にある下層（以下、「下層（２）」ということがある。）には、型基材部成分などの拡散を抑制する拡散防止機能を付与すると良い。また、下層（２）の直下にある下層（以下、「下層（１）」ということがある。）には、型基材部と下層（２）との結合性を向上させる機能を付与すると良い。

積層構造の剥離抑制による耐久性の向上、上記成分拡散の防止による離型性の向上や成形物の汚染防止などといった利点が得られるからである。

ここで、本成形型では、上記積層構造のうち、最表層は、第１金属と第２金属とを組み合わせた合金よりなる。

上記第１金属は、単一成分で存在する場合に、その結晶構造が、面心立方構造（以下、単に「ｆｃｃ」ということがある。）をとる。一方、上記第２金属は、単一成分で存在する場合に、その結晶構造が、六方最密構造（以下、単に「ｈｃｐ」ということがある。）をとる。

なお、上記合金は、第１金属と第２金属との合金であるが、これら金属以外にも、成形材料との離型性に悪影響を与えない範囲であれば、他の第３金属を含んでいても良い。また、不可避的不純物を含んでいても良い。

上記第１金属としては、具体的には、例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄなどを例示することができる。これらは１種または２種以上含まれていても良い。

これらのうち、第１金属としては、特に、ガラス材料との離型性に優れるなどの観点から、Ｉｒを好適に用いることができる。

一方、上記第２金属としては、具体的には、例えば、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｔｃ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｙ、Ｓｃなどを例示することができる。これらは１種または２種以上含まれていても良い。

これらのうち、第２金属としては、特に、離型性に優れる、最表層に耐熱性を付与できるなどの観点から、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｔｃを好適に用いることができる。

また、本成形型において、上記最表層の結晶構造は、面心立方構造（ｆｃｃ）である必要がある。成形材料、とりわけ、ガラス材料との十分な離型性を確保するためである。詳しくは、実施例にて後述するが、成形材料がガラス材料である場合、最表層が同じ合金組成であっても、その層の結晶構造が面心立方構造をとらないと、ほとんど離型性が発現されない。

上記最表層の結晶構造を面心立方構造（ｆｃｃ）とするのに寄与する最表層側の要因としては、上記第１金属と第２金属との割合を挙げることができる。

より具体的には、上記第１金属の割合は、好ましくは、５０重量％以上８０重量％以下、より好ましくは、５０重量％以上７０重量％以下であると良い。

上記最表層の厚みは、特に限定されるものではない。最表層の厚みの上限は、転写面の形成性、成膜時間、コストなどの観点から、好ましくは、５μｍ以下、より好ましくは、１μｍ以下、最も好ましくは、５００ｎｍ以下である。一方、最表層の厚みの下限は、離型性、膜の耐久性などの観点から、好ましくは、５０ｎｍ以上、より好ましくは、２００ｎｍ以上、最も好ましくは、３００ｎｍ以上である。

本成形型において、上記積層構造は、上記最表層の下に、少なくとも１層以上の下層を有する。これら下層の結晶構造は、その全ての層の結晶構造が面心立方構造（ｆｃｃ）であっても良いし、部分的に、六方最密構造（ｈｃｐ）または体心立方構造（ｂｃｃ）の層を含んでいても良い。

もっとも、下層の結晶構造は、上記最表層の結晶構造を面心立方構造（ｆｃｃ）とするのに寄与する要因の一つになりうる。

そのため、最表層の結晶構造が面心立方構造（ｆｃｃ）をとりやすくなり、離型性を発現しやすくできるなどの観点から、下層の結晶構造は、その全ての層の結晶構造が面心立方構造（ｆｃｃ）であると良い。

また、上記下層は、全ての下層が単体金属よりなっていても良いし、全ての下層が合金よりなっていても良い。あるいは、上記下層は、単体金属よりなる層と合金よりなる層との組み合わせであっても良い。

上記下層を形成する金属としては、具体的には、例えば、Ｒｈ、Ａｕ、Ｐｔ、これらの合金などを例示することができる。

とりわけ、上記下層としてＲｈ層を有する場合には、Ｒｈ層（層の結晶構造は面心立方構造）は、主として、これよりも下層の成分や型基材部成分（例えば、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉなど）の拡散防止層として機能させやすい。そのため、これら成分と成形材料との結合を抑制し、これにより、離型性を一層向上させやすくなる。このような効果を十分に得るなどの観点から、上記Ｒｈ層は、最表層と接して存在していると良い。より好ましくは、上記Ｒｈ層は、最表層と接して存在しており、かつ、型基材部に近いほど良い。

また、上記下層としてＡｕ層を有する場合には、Ａｕ層は、主として、ボンド層として機能させやすい。そのため、積層構造の剥離を抑制することができ、これにより耐久性を一層向上させやすくなる。このような効果を十分に得るなどの観点から、上記Ａｕ層は、型基材部と接して存在していると良い。

上記下層の材質として、単体の金属を選択する場合、当該金属の純度としては、上記効果の発現、成形物への汚染を抑制するなどの観点から、２Ｎ（９９％）以上であることが好ましく、より好ましくは３Ｎ（９９．９％）以上であると良い。

上記下層の厚みは、特に限定されるものではない。もっとも、下層の厚みは、上記最表層の結晶構造を面心立方構造（ｆｃｃ）とするのに寄与する要因の一つになりうる。下層の厚みが厚いほど、最表層の結晶構造を面心立方構造（ｆｃｃ）に安定化させやすくなる傾向が見られる。下層の厚みは、他にも、下層に付与する機能や、転写面の形成性なども考慮して最適な値を選択すると良い。

下層の厚みの上限は、転写面の形成性、成膜時間、コストなどの観点から、好ましくは、１μｍ以下、より好ましくは、５００ｎｍ以下、最も好ましくは、３００ｎｍ以下である。一方、下層の厚みの下限は、好ましくは、１０ｎｍ以上、より好ましくは、３０ｎｍ以上、最も好ましくは、５０ｎｍ以上である。

なお、本成形型において、上述した層の結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）により特定することができる。

以上説明した本成形型は、無機材料、有機材料の何れの成形材料に対しても使用することができる。無機材料としては、具体的には、例えば、ガラス、セラミックス、金属などの材料を例示することができる。また、有機材料としては、各種樹脂、ゴムなどを例示することができる。これら成形材料は１種または２種以上混合されていても良い。好適には、従来成形が困難とされてきたガラス材料に対して適用すると有用である。

本成形型により成形される成形物としては、具体的には、例えば、ガラスレンズなどの光学部材、光通信分野などで用いられる基板、素子など、各種の用途のものを例示することができる。

上記成形物は、本成形型を用いて、上記成形材料を、例えば、プレス成形、射出成形などの各種成形法により成形する工程を経れば、得ることができる。

次に、本成形型の製造方法（以下、「本製造方法」ということがある。）の一例について説明する。

本製造方法は、少なくとも、型基材部表面に、少なくとも２層以上の金属層を積層した積層構造を形成する工程を有している。

そして、この工程では、上記積層構造のうち、最表層を、面心立方構造をとる第１金属と六方最密構造をとる第２金属との合金より形成する。また、最表層の結晶構造は面心立方構造に安定化させる。

なお、型基材部表面に金属層を積層する前に、脱脂処理、不働態被膜の除去、洗浄などの前処理を、必要に応じて行っても良い。

ここで、上記金属層は、型基材部表面に種々の手法を用いて積層することができる。

上記金属層の形成手法としては、具体的には、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、ＭＢＥ法、レーザーアブレーションなどの物理的気相成長法（ＰＶＤ）、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤなどの化学的気相成長法（ＣＶＤ）などといった気相法や、電解めっき、無電解めっきなどのめっき法、陽極酸化法、塗布法、ゾル−ゲル法などといった液相法などを例示することができる。なお、各金属層は、それぞれ同じ手法を用いて形成されていても良いし、それぞれ異なる手法を用いて形成されていても良い。

密着性が良好である、緻密な膜が得られるなどの観点からは、上記金属層は、スパッタリング法により形成すると良い。この際、合金層を形成する場合には、合金を構成する各金属のターゲットを用い、同時スパッタを行うなどすれば良い。

なお、スパッタ電力、スパッタ時間、スパッタ温度などのスパッタ条件は、金属層の厚み、組成などを考慮して、適宜最適な値を選択すれば良い。

また、型基材部の加工時に形成される加工マークなど、相対的に大きな凹凸部と、型基材部の加工時に脱落した粒子や型基材部表面に存在する空孔（ポア）など、相対的に小さな凹凸部との両方を平坦化しやすい、気相法に比較して低コストであるなどの観点からは、上記金属層は、めっき法により形成すると良い。

なお、めっき液の種類、めっき電流密度、めっき時間、めっき浴温度、めっき浴中に添加する平坦性を付与する添加剤の種類や添加量などのめっき条件は、金属層の厚み、組成などを考慮して、適宜最適な値を選択すれば良い。

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。なお、以下で作製した成形型は、型基材部の表面に、下層（１）、下層（２）、最表層を順に積層した積層構造を有している。

１．成形型の作製
（実施例１）
１．１ 型基材部の準備およびその表面への前処理
型基材部として、Ｃｏを１２重量％含有するタングステンカーバイト粉末が焼結されてなる焼結型を準備した。なお、型基材部には、１０００ｐｐｍ以下のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒが不純物成分として含有されていた。

次に、所定形状に焼結された型基材部の表面を、ＮａＯＨ水溶液により陽極電解脱脂し、表面に存在する有機不純物を溶解した。次いで、ＥＤＴＡ（７０ｇ／Ｌ）と過酸化水素水（３５重量％）とを含む６０ｍｌ／Ｌの溶液中に、型基材部を浸漬し、型基材部表面に存在する不働態被膜を除去した。更に、型基材部の表面を塩酸で洗浄し、その後、水洗した。

１．２ 下層（１）の形成
スパッタリング装置（芝浦メカトロニクス（株）製、「ＣＦＳ−４ＥＰ−ＬＬ」）を用い、上記型基材部の表面を２分間逆スパッタした。その後、この型基材部の表面に、真空状態、常温下にて、スパッタ電力１５０Ｗで１分１５秒間、Ａｕスパッタを行った。これにより、型基材部表面にＡｕ層を形成した。

１．３ 下層（２）の形成
上記スパッタリング装置を用い、上記Ａｕ層表面に、真空状態、常温下にて、スパッタ電力１５０Ｗで４５分間、Ｒｈスパッタを行った。これにより、Ａｕ層表面にＲｈ層を形成した。

１．４ 最表層の形成
上記スパッタリング装置を用い、上記Ｒｈ層表面に、真空状態、３００℃にて、Ｉｒのスパッタ電力１３０Ｗ、Ｒｅのスパッタ電力１１０Ｗで６５分間、同時スパッタを行った。これにより、Ｒｈ層表面にＩｒ−Ｒｅ層（Ｉｒ：５０ｗｔ％、Ｒｅ：５０ｗｔ％）を形成した。

以上により、実施例１に係る成形型を作製した。

（実施例２）
上記実施例１の「１．４ 最表層の形成」において、Ｉｒのスパッタ電力１３０Ｗ、Ｒｅのスパッタ電力５０Ｗで９０分間、同時スパッタを行い、Ｒｈ層表面にＩｒ−Ｒｅ層（Ｉｒ：７０ｗｔ％、Ｒｅ：３０ｗｔ％）を形成した点以外は同様にして、実施例２に係る成形型を作製した。

（実施例３）
上記実施例１の「１．４ 最表層の形成」において、Ｉｒのスパッタ電力１３０Ｗ、Ｏｓのスパッタ電力１００Ｗで６５分間、同時スパッタを行い、Ｒｈ層表面にＩｒ−Ｏｓ層（Ｉｒ：５０ｗｔ％、Ｏｓ：５０ｗｔ％）を形成した点以外は同様にして、実施例３に係る成形型を作製した。

（実施例４）
上記実施例１の「１．４ 最表層の形成」において、Ｉｒのスパッタ電力１３０Ｗ、Ｒｕのスパッタ電力８０Ｗで６５分間、同時スパッタを行い、Ｒｈ層表面にＩｒ−Ｒｕ層（Ｉｒ：５０ｗｔ％、Ｒｕ：５０ｗｔ％）を形成した点以外は同様にして、実施例４に係る成形型を作製した。

（比較例１）
上記実施例１の「１．２ 下層（１）の形成」において、型基材部の表面に、真空状態、常温下にて、スパッタ電力２００Ｗで１５分間、Ｔａスパッタを行い、型基材部表面にＴａ層を形成した点、「３．下層（２）の形成」において、上記Ｔａ層表面に、真空状態、常温下にて、スパッタ電力１５０Ｗで４５分間、Ｒｅスパッタを行い、Ｔａ層表面にＲｅ層を形成した点以外は、同様にして、比較例１に係る成形型を作製した。

（比較例２）
上記実施例１の「１．２ 下層（１）の形成」において、型基材部の表面に、真空状態、常温下にて、スパッタ電力２００Ｗで１５分間、Ｔａスパッタを行い、型基材部表面にＴａ層を形成した点、「３．下層（２）の形成」において、上記Ｔａ層表面に、真空状態、常温下にて、スパッタ電力１５０Ｗで４５分間、Ｒｈスパッタを行い、Ｔａ層表面にＲｈ層を形成した点以外は、同様にして、比較例２に係る成形型を作製した。

２．下層（１）、下層（２）および最表層の厚み測定
集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置（ＦＥＩ社製、「ＦＩＢ２００」）を用いてエッチングを行った後、ＳＩＭ（走査イオン顕微鏡）観察を行うことにより、各層の厚みを測定した。なお、後述する表記載の厚みは、試料中心部で任意の箇所５点について測定した厚みの平均値である。

３．各層の結晶構造の特定
Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）（リガク（株）製、「ＲＩＮＴ−１５００」）を用いて、各層の結晶構造を特定した。

４．離型性評価
上記作製した各成形型を用いてガラス材料を実際にプレス成形することにより、各成形型とガラス材料との離型性を評価した。

すなわち、ガラス素子真空成形装置（東芝機械（株）製、「ＧＭＰ−２０７ＨＶ」）に、評価対象となる成形型を取り付け、ガラス材料（オハラ（株）製、「光学ガラスＳ−ＢＳＬ７」）を７００℃でプレス成形し、２００℃に冷却した後、ガラスを取り出すという成形サイクルでガラス成形物を製造した。

そして、成形したガラス成形物を、当該型から脱型できなくなるまでのサイクル数を測定した。

表１に、実施例および比較例に係る成形型につき、型基材部表面上に形成した各層の構成、材料、結晶構造、厚みなどをまとめたものを示す。また、表２に、実施例および比較例に係る成形型の離型性評価の結果をまとめたものを示す。

表１および表２によれば、以下のことが分かる。すなわち、比較例１および比較例２は、最表層が、面心立方構造（ｆｃｃ）をとるＩｒと六方最密構造（ｈｃｐ）をとるＲｅとの合金であるＩｒ−Ｒｅよりなっているが、最表層の結晶構造は、六方最密構造（ｈｃｐ）である。

そのため、成形型とガラス材料とが密着してしまい、１回も脱型することができず、全く離型性を発現することができなかった。

なお、比較例１および比較例２において、最表層の結晶構造が、Ｒｅの結晶構造である六方最密構造（ｈｃｐ）で安定化しているのは、最表層よりも下層に、その結晶構造が体心立方構造（ｂｃｃ）や六方最密構造（ｈｃｐ）である層を有しているためであると推測される。

これらに対し、実施例１〜４は、最表層が、面心立方構造（ｆｃｃ）をとるＩｒと六方最密構造（ｈｃｐ）をとるＲｅとの合金であるＩｒ−Ｒｅよりなっており、かつ、最表層の結晶構造が面心立方構造（ｆｃｃ）である。

そのため、成形サイクル数が２００回〜１０００回以上と、優れた離型性を発現することが可能であった。とりわけ、高温にて型とひっつきやすいガラス材料を成形できたことによる利点は大きい。

なお、実施例１〜４において、最表層の結晶構造が、面心立方構造（ｆｃｃ）で安定化しやすかったのは、最表層よりも下層が全て、面心立方構造（ｆｃｃ）の結晶構造であったためであると推測される。

また、比較例１および比較例２と実施例１とを比較すると分かるように、最表層よりも下層の結晶構造が面心立方構造（ｆｃｃ）であると、最表層の結晶構造が、面心立方構造（ｆｃｃ）をとりやすくなり、離型性を発現させる上で有利であると言える。

以上、本実施形態、実施例に係る成形型について説明したが、本発明は上記実施形態、実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

Claims (8)

1. 型基材部表面に、少なくとも２層以上の金属層が積層された積層構造を有し、
   前記積層構造のうち、最表層は、面心立方構造をとる第１金属と六方最密構造をとる第２金属とを組み合わせた合金よりなり、
   前記最表層の結晶構造は、面心立方構造である成形型。
2. 前記第１金属の割合が、５０重量％以上である請求項１に記載の成形型。
3. 前記第１金属は、Ｉｒである請求項１または２に記載の成形型。
4. 前記第２金属は、Ｒｅ、Ｏｓ、ＲｕおよびＴｃから選択される１種または２種以上である請求項１から３の何れかに記載の成形型。
5. 前記最表層の下層は、その結晶構造が面心立方構造である請求項１から４の何れかに記載の成形型。
6. 前記最表層の下層にＲｈ層が存在する請求項１から５の何れかに記載の成形型。
7. 前記Ｒｈ層の下層にＡｕ層が存在する請求項６に記載の成形型。
8. ガラス成形用である請求項１から７の何れかに記載の成形型。