JP5073469B2 - ガラス成形用金型の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、精密な加工を必要とするガラス成形用金型の製造方法に関し、特に金型の形状を高い精度で維持することができるものに関する。
プラスチック成形の分野では、成形金型の精密加工技術が確立されており、回折格子など、微細形状を有する光学素子の量産が実現している。この場合、金型の製作は、ステンレス鋼からなる基材の表面に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、次いで、このめっき層をダイヤモンドバイトで精密加工することにより行われている。
しかし、これと同様の金型をガラス成形に適用すると、無電解Ｎｉ−Ｐめっき層にクラックが発生する問題が生ずる。この現象は、成形温度に起因している。即ち、Ｎｉ−Ｐめっき層は、めっき状態ではアモルファス（非晶質）構造をとっているが、約２７０℃以上に加熱すると結晶化が始まり、そのとき、めっき層に体積収縮が起こり、引張応力が作用してめっき層にクラックが発生する。
この問題の対策として、熱膨張係数が１０×１０−６〜１６×１０−６（Ｋ−１）の基材を選定し、めっき後、４００〜５００℃で熱処理を行っている。しかし、基材の熱膨張係数をＮｉ−Ｐめっき層に合わせても、熱処理の際、結晶化に伴う体積収縮がめっき層だけに生ずるので、めっき層に大きな引張応力が作用して、クラックが発生する場合があった（例えば特許文献１参照）。
また、金型使用中に高温になると、金型に塑性変形が生じ、金型の形状を高い精度で維持することができないという問題もあった。
特開平１１−１５７８５２号公報
本発明は、成形温度において表面被覆層にクラックが発生することを防止するとともに、金型の塑性変形を防止することで、金型の形状を高い精度で維持するとともに、その寿命を増大させることができるガラス成形用金型の製造方法を提供することを目的としている。
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明のガラス成形用金型の製造方法は次のように構成されている。
炭素が０．３ｗｔ％以上２．７ｗｔ％以下、クロムが１３ｗｔ％以下であって、モリブデンが０．５ｗｔ％以上３ｗｔ％以下、バナジウムが０．１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下、タングステンが１ｗｔ％以上７ｗｔ％以下のうち少なくとも１つを満たす添加物が加えられた鋼製の素材を焼入れするとともに、４００℃以上６５０℃以下で焼戻しすることで基材を形成し、上記基材の表面に、非晶質のＮｉ−Ｐ合金からなる表面被覆層を形成し、これに加熱処理を施すことによって、前記表面被覆層をＮｉとＮｉ３Ｐの共晶組織に変えることを特徴とする。
本発明によれば、成形温度において表面被覆層にクラックが発生することを防止するとともに、金型の塑性変形を防止することで、金型の形状を高い精度で維持するとともに、その寿命を増大させることが可能となる。
図１は、本発明の一実施の形態に係るガラス成形用金型の製造工程の概要を示すブロック図である。ガラス成形用金型の製造は次のような工程で行う。
なお、基材として、炭素が０．３ｗｔ％以上２．７ｗｔ％以下、クロムが１３ｗｔ％以下であって、モリブデンが０．５ｗｔ％以上３ｗｔ％以下、バナジウムが０．１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下、タングステンが１ｗｔ％以上７ｗｔ％以下のうち少なくとも１つを満たす添加物が加えられた鋼製の素材を用いる。
このような基材に粗加工を行った後（ＳＴ１）、焼入れ・高温焼戻しを行う（ＳＴ２）。次いで、めっき前加工を行った後（ＳＴ３）、無電解めっきによりＮｉ−Ｐ合金からなる表面被覆層（めっき層）を形成する（ＳＴ４）。次いで、基材及び表面被覆層に加熱処理を行い（ＳＴ５）、表面被覆層を結晶化するとともに、基材を焼き戻し組織に変える。次いで、基材に仕上げ加工（ＳＴ６）及び表面被覆層の仕上げ加工（ＳＴ７）を行った後、表面被覆層に、離型膜をコーティングする（ＳＴ８）。
本実施の形態における製造方法では、基材としてＭｏ，Ｖ，Ｗを添加して高温硬さを向上させた鋼材を用いることで、高温焼戻しを行っても表面被覆層が割れないようにしている。これは焼入れ直後には残留オーステナイトが多く存在するが、高温焼戻しを行うと低炭素マルテンサイト及びマルテンサイトの組織に変化するためである。
なお、高温焼戻しにおける温度は４００〜６５０℃以下とする必要がある。４００℃よりも低い温度では残留オーステナイトの低減にあまり効果がなく、６５０℃を超えると基材の軟化が著しいからである。なお、高温焼戻しではなく、サブゼロ処理を行うようにしてもよい。サブゼロ処理も残留オーステナイトをマルテンサイトに変態させる効果があるためである。
表面被覆層の形成は、Ｎｉ−Ｐ合金、例えば、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｐ−Ｂ又はＮｉ−Ｐ−Ｗを用いる。これらの組織は、めっき状態では非晶質もしくは部分的に非晶質であり、約２７０℃以上の加熱で、完全に結晶化したＮｉとＮｉ３Ｐの混合組織に変態する。
加熱処理の温度は、金型の使用温度（すなわち、ガラスの成形温度）以上にする必要がある。金型の使用温度よりも低い温度にすると、使用中に寸法変化が起こり、成形品の寸法精度が低下するからである。加熱処理温度を上げすぎるとメッキ面に影響を与えるため、加熱処理温度の上限は７００℃程度とする。
次に、基材を上述した成分の鋼製の素材を用いる理由について説明する。すなわち、Ｃ含有量は、０．３ｗｔ％以上２．７ｗｔ％以下とした。Ｃ含有量が０．３ｗｔ％より低くなると、焼戻しにおける基材の体積収縮量が小さくなり過ぎてしまう。一方、Ｃ含有量が２．７ｗｔ％を超えると、基材の体積収縮量は十分ではあるが、靭性低下などの弊害が出てくる。
また、Ｃｒ含有量は、１３ｗｔ％以下とした。Ｃｒ含有量が１３ｗｔ％を超えると残留オーステナイトが分解しにくくなるためである。なお、Ｃｒ含有量の下限値については、特に制約はない。
添加物であるＭｏ，Ｖ，Ｗについては、Ｍｏが０．５ｗｔ％以上３ｗｔ％以下、Ｖが０．１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下、Ｗが１ｗｔ％以上７ｗｔ％以下とした。これらの添加物の量が少なすぎると基材の高温硬さが十分ではなくプレス圧力によって塑性変形する虞があるためである。なお、必要以上に多くするとコストが高くなるため上限を定めている。
種々の成分の基材に、無電解Ｎｉ−Ｐめっきを１００μｍ被覆した金型を製作して、加熱熱処理中及び成形中に発生したクラックの数及びガラスを成形したときの基材の塑性変形の有無を調べた。表１に、基材の成分、焼戻し温度、クラック発生率、塑性変形の有無との関係を示す。供試体７は、比較例として従来の熱処理を行ったプラスチック成形用金型を用いている。また、成形温度は全て５５０℃とした。
Figure 0005073469
表１から分かるように、本発明の製造方法に基づいて製作された金型（供試体５，６）では、クラックの発生及び塑性変形が認められなかった。
上述したように本実施の形態に係るガラス成形用金型の製造方法及びガラス成形用金型では、成形温度において表面被覆層にクラックが発生することを防止するとともに、金型の塑性変形を防止し、金型の形状を高い精度で維持するとともに、その寿命を増大させることが可能となる。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、基材及び表面被覆層の加熱処理を、基材の仕上げ加工及び表面被覆層の仕上げ加工の後に行うようにしてもよい。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
本発明の一実施の形態に係るガラス成形用金型の製造方法の概要を示すブロック図。

Claims (2)

  1. 炭素が０．３ｗｔ％以上２．７ｗｔ％以下、クロムが１３ｗｔ％以下であって、モリブデンが０．５ｗｔ％以上３ｗｔ％以下、バナジウムが０．１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下、タングステンが１ｗｔ％以上７ｗｔ％以下のうち少なくとも１つを満たす添加物が加えられた鋼製の素材を焼入れするとともに、４００℃以上６５０℃以下で焼戻しすることで基材を形成し、
    上記基材の表面に、非晶質のＮｉ−Ｐ合金からなる表面被覆層を形成し、
    これに加熱処理を施すことによって、前記表面被覆層をＮｉとＮｉ３Ｐの共晶組織に変えることを特徴とするガラス成形用金型の製造方法。
  2. 上記表面被覆層は、ＮｉとＰ、ＮｉとＰとＢ又はＮｉとＰとＷを含む無電解めっきにより形成され、
    上記加熱処理は、ガラスの成形温度以上であることを特徴とする請求項１に記載のガラス成形用金型の製造方法。
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