JP4753249B2 - ガラス成形用金型 - Google Patents

Description

本発明はガラス成形用金型に適用され、高温成形後のガラスの離型性に優れる硬質皮膜及びその皮膜を備えたガラス成形用金型に関する。

従来、ガラスレンズなどのガラス成形品の成形用金型は、金型基材の成形面をダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ膜）や貴金属系の皮膜によって被覆することで、ガラスの離型性の改善が検討されてきた。例えば、特開２００３−８９５３３号公報（特許文献１）には、金型基材表面に炭素含有量が９５ａｔ％以上でヌープ硬さが３０００〜７０００の範囲にある透明炭素膜を設けたガラス成形用金型が記載されている。また、特開２００３−１３７５６５号公報（特許文献２）には、密度が連続的あるいは段階的に変化するＤＬＣ膜で形成されたガラス成形用金型が記載されている。また、特開２００３−２６４２９号公報（特許文献３）には、基材の成形面にＰｔ、Ｉｒ、Ｗ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓのいずれかの金属あるいはこれらの合金からなる保護膜を被覆することで金型の耐久性、安定性が向上することが記載されている。
特開２００３−８９５３３号公報 特開２００３−１３７５６５号公報 特開２００３−２６４２９号公報

しかしながら、特許文献１には、９５ａｔ％以上の炭素含有量で構成される透明炭素膜では６００℃、２時間保持前後の皮膜硬度の変化が見られないとしているが、ガラスレンズの成形例ではガラス成形温度が示されておらず、６００℃以上でのガラス成形における離型性については明らかにされていない。また、ＤＬＣ膜は６００℃以上の高温によってグラファイト状炭素に変態することから、高温環境下での使用には耐え難い。また特許文献２に開示されるＤＬＣ膜は、ガラスモールド法により５８０℃でのレンズ成形試験による耐久性を示しているが、ＤＬＣ膜であるため、やはり６００℃以上の高温での使用には耐え得ない。また、引用文献３に記載のＰｔ、Ｉｒ、Ｗ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓのいずれかの金属あるいはこれらの合金よりなる保護膜では、高温でのガラスレンズの離型性の低下が生じる。また膜を形成する金属が高価であり、材料コスト高を招来する。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、６００℃以上の高温成形下において優れたガラス離型性を備えた硬質皮膜を備えたガラス成形用金型を提供することを目的とする。

本発明のガラス成形用金型は、金属材で形成された基材と、前記基材の成形面の上に中間層を介して形成された硬質皮膜を備え、前記硬質皮膜は、Ｗ，Ｖのうち一種又は二種、Ｂ、Ｃ及びＮから構成され、組成をＷ_a1Ｖ_a2Ｂ_bＣ_cＮ_dで表したとき、０．１≦ａ１＋ａ２≦０．５、０．０５≦ｂ≦０．５、０．０２≦ｃ≦０．１５、０．０５≦ｄ≦０．５、ａ１＋ａ２＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１とされたものである。

前記硬質皮膜によれば、Ｂ、Ｃ、ＮにＷ及びＶの一種又は二種を所定比率となるように添加することによって、ＢＣＮ膜の有する潤滑性を活かしつつ、皮膜の高硬度化を図ることができ、高温成形においても優れたガラス離型が得られる。すなわち、ＢＣＮ膜はＢＮ結合を有するので潤滑性、ガラスとの離型性に優れ、適度な硬度を有するが、ＤＬＣ膜に比して硬度が低い。皮膜の硬度が高いほど、離型性が向上するので皮膜の高硬度化を図ることは重要である。Ｗ、Ｖが形成する窒化物はいずれも硬度が非常に高く、Ｂ、Ｃ、ＮにＷ及びＶの１種又は２種を所定比率となるように添加することによって、ＢＣＮ膜を高硬度化することができ、これによって６００℃以上の高温成形後のガラス成形用金型のガラス離型性を向上させることができる。

また、前記硬質皮膜は、Ｗ、Ｂ、Ｃ及びＮから構成され、θ−２θ法によるＸ線回折測定でＣｕ−ｋα線を用いたとき、２θ＝３０°から５０°にあるα−Ｗ（１１０）回折線の半値幅が６．０°から８．０°の範囲にあるものである。

ＢＣＮに、Ｗを添加することで硬度がより飛躍的に上昇する。そのとき硬度の上昇に関わる因子として、α−Ｗ固溶体の生成を挙げることができる。θ−２θ法によるＸ線回折（ＸＲＤ）測定でＣｕ−ｋα線を用いたとき、Ｗを添加しない場合にはアモルファス構造を示し結晶性を示すピークは検出されないが、Ｗの添加によりα−Ｗ（１１０）回折線が現れ、硬度の上昇が起こる。ピークが現れる角度は２θ＝３０°から５０°にあり、またその半値幅は６．０°から８．０°の範囲にある。従って、本発明の硬質皮膜は上記のようにＸＲＤの測定結果から特定することができる。

また、前記硬質皮膜は、その厚さが１００ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下とすることが好ましい。また、前記硬質皮膜は、前記基材の成形面に非晶質ＣｒＳｉＮ膜からなる中間層を介して形成されている。これにより、硬質皮膜の基材に対する密着性が向上し、ひいては耐久性に優れる。

本発明のガラス成形用金型によれば、ＢＣＮ膜にＷ、Ｖを添加して所定の原子比率とした硬質皮膜を備えるので、６００℃以上の高温成形後のガラス離型性に優れる。また、硬質皮膜が非晶質ＣｒＳｉＮ膜からなる中間層を介して基材に形成されるので、硬質皮膜と基材との密着性が向上し、耐久性が向上する。

以下、本発明にかかるガラス成形用金型の実施形態を参考実施形態とともに図面を参照して説明する。なお、前記参考実施形態は本発明にかかる中間層を有しないが、その他の構成は本発明と共通するものである。
図１は、参考実施形態にかかるガラスレンズ成形用金型を示しており、基材１のレンズ成形面に硬質皮膜２が被覆形成されている。前記硬質皮膜２は、Ｗ，Ｖのうち一種又は二種、Ｂ、Ｃ及びＮから構成され、組成をＷ_a1Ｖ_a2Ｂ_bＣ_cＮ_dで表したとき、各元素の原子構成比率ａ１、ａ２、ｂ、ｃ、ｄが下記条件を満足するものである。
０．１≦ａ１＋ａ２≦０．５、０．０５≦ｂ≦０．５、
０．０２≦ｃ≦０．１５、０．０５≦ｄ≦０．５、
ａ１＋ａ２＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１

ＷあるいはＶが形成する窒化物はいずれも硬度が高いため、Ｂ、Ｃ、Ｎの他、Ｗおよび∨のうち一種以上（このように添加されたＷ又は／及びＶを「Ｍ」で表す。）を添加することにより、潤滑性、ガラス離型性に優れたＢＣＮの硬度を飛躍的に向上させることができる。Ｍの組成については、（ａ１＋ａ２）が０．１未満では硬度向上効果が過少であるので、０．１以上とし、好ましくは０．３０以上とするのがよい。一方、過度に添加すると窒化物が形成されず、硬度が返って低下するので、０．５以下とし、好ましくは０．４０以下とするのがよい。なお、Ｗを単独添加する場合はａ２＝０であり、Ｖを単独添加する場合はａ１＝０である。

Ｎは、ＷあるいはＶと結合して硬質窒化物を形成する。後述のＢ、Ｃの比率の下では、Ｎの比率ｄは０．０５から０．５の範囲が好ましい。より好ましくは０．１０から０．４０である。

Ｂは、Ｎと結合して皮膜中にＢ−Ｎ結合を生成し、潤滑性を高めることでガラスとの離型性を向上させる。またその一部はＷあるいはＶとも結合し、硬質ホウ化物を形成する。Ｂの比率ｂが０．０５未満ではかかる作用が過少であるので、ｂの下限を０．０５、好ましくは０．２５以上とする。もっとも、過度にＢを添加すると軟質なＢＮ化合物が過多となるので、比率ｂの上限を０．５、好ましくは０．４５とする。

Ｃは、Ｗ、ＶないしＢと結合して硬質炭化物を形成し、高硬度化に寄与する。Ｃの比率ｃが０．０２未満ではかかる効果が過少となり、一方０．１５超ではＭと結合しない遊離Ｃを生成し、耐熱性が低下する。このため、比率ｃの下限を０．０２、好ましくは０．０３とし、その上限を０．１５、好ましくは０．１２とする。

前記硬質皮膜２の硬度の上昇に関わる因子として、α−Ｗ固溶体の生成があげられる。このα−Ｗ固溶体は、θ−２θ法によるＸＲＤ測定で特定される。すなわち、Ｃｕ−ｋα線を用いたとき、Ｗを添加しない場合にはアモルファス構造を示し結晶性を示すピークは検出されないが、Ｗの添加によりα−Ｗ固溶体が生成するようになると、α−Ｗ（１１０）回折線が現れ、硬度の上昇が起こる。ピークが現れる角度は２θ＝３０°から５０°にあり、またその半値幅は６．０°から８．０°の範囲にある。

前記硬質皮膜の膜厚は、耐久性の確保の点から１００ｎｍ以上とすることが好ましい。もっとも、膜厚が過度に厚い場合、表面粗さが増加しガラス離型性を低下させる。このため、膜厚の上限は３０００ｎｍ、より望ましくは１０００ｎｍに止めることが好ましい。

前記基材は、機械構造用炭素鋼、構造用合金鋼、工具鋼、ステンレス鋼などの各種鋼材や超硬合金などの金属材によって形成され、その表面にめっき層、溶射層などの中間層が形成されていてもよい。また、前記硬質皮膜は、典型的にはスパッタリング法によって基材に形成されるが、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の各種の物理的、化学的蒸着法を適用することができる。

次に、本発明の実施形態にかかるガラスレンズ成形用金型を図２を参照して説明する。前記参考実施形態にかかるガラスレンズ成形用金型と同部材は同符号を付してその説明を省略する。
本発明の実施形態にかかる金型は、硬質皮膜２が非晶質ＣｒＳｉＮ膜からなる中間層３を介して基材１に被覆形成されたものである。前記中間層３を設けることで、金属材からなる基材１と硬質皮膜２との密着性を向上させることができる。前記ＣｒＳｉＮ膜は、基材１の成形面上にスパッタ法等によって形成され、（Ｓｉ_xＣｒ_1-x）ＮでＮ量によらずｘ＝０．５〜０．９のとき、その構造は非晶質を示すようになる。その膜厚は、１００ｎｍ未満では密着性向上効果が過少なので、１００ｎｍ以上とすることが好ましい。もっとも、膜厚が過度に厚い場合は、表面粗さが増加し離型性を低下させることから３０００ｎｍ以下とすることが望ましく、５００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲がより望ましい。
以下、本発明を実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例により限定的に解釈されるものではない。

まず、本発明のガラス成形用金型に用いられる硬質皮膜の実施例について説明する。金属元素ＭおよびＢを含有するターゲットを備えたスパッタ蒸発源を有する成膜装置を用いて、表１に示す組成の皮膜を基材の上に形成した。基材は超硬合金で形成され、皮膜の形成面は鏡面研磨された。
前記硬質皮膜は以下の要領で形成された。基板を装置内に導入後、１×１０^-3Ｐａ以下に排気し、基材を約４００℃に加熱後、Ａｒイオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。スパッタ成膜はφ６インチのターゲットを用い、Ｂを含むターゲット側の投入電力を２ｋＷとし、Ｍを含むターゲット側を０．５から３．０ｋｗの範囲で変化させて組成の調整を行った。成膜時にはＡｒ：Ｎ₂ ＝６５：３５の混合ガス、あるいはＣを添加するときはＡｒ：Ｎ₂：ＣＨ₄の混合ガスを用いて、全圧力０．６Ｐａとして成膜を実施した。また膜厚は約１０００ｎｍで一定とした。

上記のようにして硬質皮膜が成膜された基材を用いて硬質皮膜の硬度、結晶構造及びガラスとの離型性を調べた。
硬度は、エリオニクス社製ナノインデンター（Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ圧子使用）を用いて測定した。ＸＲＤ測定は、θ−２θ測定を実施した。また、ＳＥＭ（ＨＩＴＡＣＨ製、型番Ｓ−３５００Ｎ）のＥＤＸを用い、Ｓｉ基板上に成膜した膜で組成分析を行った。測定条件は加速電圧２０ｋＶ、測定倍率×２０００、ワーキングディスタンス１５mm、ライブタイム６０ｓに固定した。
また、ガラスの離型性は、基板の硬質皮膜上にガラス硝材を載せ、３０ｍｉｎで６００℃に加熱し、６００℃で１時間保持した後、自然冷却を行い、ガラス除去後のガラス残留（付着領域）面積率によってガラス硝材と硬質皮膜との離型性を４段階で評価した。すなわち、試料上にガラスが全く残留しなかったものを◎、試料上にガラスを置いていた面積の１０％以下にガラスが残留したものを○、試料上にガラスを置いていた面積の１０％超、３０％以下にガラスが残留したものを△、試料上にガラスを置いていた面積の３０％超にガラスが残留したものを×と評価した。これらの調査結果を表１に併せて示す。

表１より、発明例（試料No. ４〜８，１２〜１６，２０，２３，２５，２６）の硬質皮膜は、試料No. １のＤＬＣ膜と同等以上の硬度を有し、しかも試料No. ２のＢＣＮ膜以上のガラス離型性を備えていることが確認された。もっとも、ＭＢＣＮ膜であっても、各元素の組成比率が不適当な試料No. ３，９〜１１，１７〜１９，２１，２２，２４では、総じてガラス離型性が低下した。

次に、本発明のガラス成形用金型の実施例について説明する。ＣｒターゲットおよびＳｉターゲットを備えたスパッタ蒸発源を有する成膜装置を用いて、表２に示す組成の中間層を鏡面研磨した超硬合金の基材の上に形成した。さらに金属元素ＭおよびＢを含有するターゲットを備えたスパッタ蒸発源を有する成膜装置を用いて、同表に示す硬質皮膜を前記中間層の上に形成した。
前記中間層、硬質皮膜は以下の要領で形成した。基材を装置内に導入後、１×１０^-3Ｐａ以下に排気し、基材を約４００℃に加熱後、Ａｒイオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。中間層のスパッタ成膜は、φ６インチのターゲットを用い、Ｃｒを含むターゲット側の投入電力０．２ｋＷとし、Ｓｉを含むターゲット側を２．０ｋＷとして成膜した。一方、硬質皮膜のスパッタ成膜は、φ６インチのターゲットを用い、Ｂを含むターゲット側の投入電力２ｋＷとし、Ｍを含むターゲット側を２．０ｋＷで成膜した。成膜時にはＡｒ：Ｎ₂ ＝６５：３５の混合ガス、あるいはＣを添加するときはＡｒ：Ｎ₂：ＣＨ₄の混合ガスを用いて全圧力０．６Ｐａとして成膜を実施した。また膜厚は中間層を５０から５０００ｎｍの範囲で変化させ、硬質皮膜も同様の範囲で変化させた。

上記のようにして中間層、硬質皮膜が成膜された基材を用いて硬質皮膜の組成、硬度、基材に対する剥離性及びガラスに対する離型性を調べた。組成、硬度、離型性は実施例１と同様にして測定、評価した。膜剥離性は、Ｒ２００μm ダイヤモンド圧子を用い、荷重０〜１００Ｎの範囲で、スクラッチ速度１．０ｃｍ／min で、荷重速度を１００Ｎ／min という条件でスクラッチテストを行い、膜が完全に剥離した荷重をＬc2として評価した。これらの調査結果を表２に併せて示す。

表２より、試料No. １〜１６（No. ９〜１３、１５、１６が発明例のガラス成形用金型）の硬質皮膜は、総じてＤＬＣ膜（表１の試料No. １）と同等以上の硬度を有し、良好なガラス離型性を備えている。もっとも、試料No. ７は硬質皮膜の厚さが５０００ｎｍと厚いため、ガラス離型性がやや劣っている。また、試料No. ８は、中間層が５０ｎｍと薄過ぎるため、中間層による膜剥離性の向上は認められなかった。

参考実施形態にかかるガラス成形用金型の断面説明図である。 本発明の実施形態にかかるガラス成形用金型の断面説明図である。

符号の説明

１ 基材
２ 硬質皮膜
３ 中間層

Claims (4)

1. 金属材で形成された基材と、前記基材の成形面の上に中間層を介して形成された硬質皮膜を備えたガラス成形用金型であって、
   前記硬質皮膜は、Ｗ，Ｖのうち一種又は二種、Ｂ、Ｃ及びＮから構成され、組成をＷ_a1Ｖ_a2Ｂ_bＣ_cＮ_dで表したとき、
   ０．１≦ａ１＋ａ２≦０．５、０．０５≦ｂ≦０．５、
   ０．０２≦ｃ≦０．１５、０．０５≦ｄ≦０．５、
   ａ１＋ａ２＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１
   とされ、
   前記中間層は、膜厚が１００〜３０００ｎｍの非晶質ＣｒＳｉＮ膜からなる、ガラス成形用金型。
2. 前記硬質皮膜は、θ−２θ法によるＸ線回折測定でＣｕ−ｋα線を用いたとき、２θ＝３０°から５０°にあるα−Ｗ（１１０）回折線の半値幅が６．０°から８．０°の範囲にある、請求項１に記載したガラス成形用金型。
3. 前記硬質皮膜は、その厚さが１００ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下である、請求項１又は２に記載したガラス成形用金型。
4. 前記非晶質ＣｒＳｉＮ膜は、ＳｉとＣｒとの原子比の合計を１としたとき、Ｓｉの原子比が０．５〜０．９である、請求項１から３のいずれか１項に記載したガラス成形用金型。

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