JP5183301B2 - 成形型およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス状炭素からなるガラス状炭素部材を用いた成形型およびその製造方法に関する。

従来、所定の成形加工によって、溝、凹み、凸部といった凹部または凸部のいずれか少なくとも一方からなる凹凸部を成形部材に設けた成形型が知られている。この種の成形型は、凹凸部に樹脂等の成形物を流し込むなどした後、成型物（転写物ともいう）を抜き取ることによって、成型物に対して所望の成形が行えるようになっている。しかしながら、幅や深さ等凹凸部の寸法が微細な場合や、凹みの大きさに比べて深さが深く、凹みのアスペクト比が大きい場合には、成型物自体が溝や凹みの中に残ってしまうことがあった。そのため、この種の成形型では、離型性を高めることが求められていた。

従来、成形型の離型性を高める技術として例えば、特許文献１，２，３に開示されている技術があった。特許文献１には、炭素またはフッ素を含有するイオンを処理物表面に注入するとともにフッ素含有炭素膜を形成することにより、潤滑性と離型性を兼備させることについて開示されている。また、特許文献２には、母材表面にイオンを注入することにより、母材表面を結晶が小さく緻密で均一になるようにして摩擦係数を低下させることが開示されている。さらに、特許文献３には、イオン注入によりアルカリ金属元素等を含む離型層を成形面に形成することにより、型に離型性を付与することが開示されている。
特開２００５−０４８２５２号公報 特開２００１−１７９４２０号公報 特開平８−１１９６４４号公報 特開平２−５１４１２号公報

ところで、黒鉛は表面の潤滑性が良好であるため、黒鉛からなる成形部材を用いることによって、成形型の離型性を高めることが可能になる。

しかし、この成形型は成形部材が黒鉛からなるために脆弱であり、したがって強度が低く、繰り返し使用した場合に凹凸部がかけるなどして破損するおそれがあった。

一方、黒鉛とは結晶構造が異なるものの、強度の高い材質としてガラス状炭素が知られている。特許文献４には、ガラス状炭素からなる成形部材の内部を黒鉛にする技術について開示されている。

しかし、特許文献４記載の従来技術では、離型性を高めるための黒鉛がガラス状炭素からなる部材（ガラス状炭素部材）の内側に閉じ込められてしまう。そのため、できあがった成形部材の表面に凹凸部を形成しても、離型性を高い成形型が得られない場合があった。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、ガラス状炭素部材を用いた離型性が高く、特に凹凸部のアスペクト比が大きい場合に適した成形型およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、ガラス状炭素からなるガラス状炭素部の内側に黒鉛からなる黒鉛部が形成されているガラス状炭素部材を用いた成形型であって、側部または底部に黒鉛部およびガラス状炭素部がともに露出している凹凸部を有する成形型を特徴とする。

この成形型は、凹凸部の側部または底部に黒鉛部およびガラス状炭素部がともに露出しているため、離型性が高くなっている。

また、本発明は、ガラス状炭素からなるガラス状炭素部の内側に黒鉛からなる黒鉛部が形成されているガラス状炭素部材を用いた成形型であって、ガラス状炭素部および黒鉛部がともに露出している凹凸部を有し、凹凸部の側部または底部のうちの黒鉛部が露出している黒鉛エリアが、ガラス状炭素部が露出しているガラス状炭素エリアよりも大きく形成されている成形型を提供する。

この成形型は、凹凸部の側部または底部に黒鉛部およびガラス状炭素部がともに露出し、しかも黒鉛エリアがガラス状炭素エリアよりも大きいため、離型性がより高くなっている。

また、上記成形型は、凹凸部のガラス状炭素部を通る部分の深さよりも黒鉛部を通る部分の深さが大きいことが好ましい。

このようにすると、凹凸部の側部に露出する黒鉛エリアがガラス状炭素エリアよりも大きくなるため、上記成形型は、側部における離型性が高くなっている。

さらに、上記成形型は、ガラス状炭素部材として、直方体状に形成された直方体状炭素部材を用い、その直方体状炭素部材における１つの表面部だけに凹凸部が形成されているようにすることができる。

そして、本発明は、ガラス状炭素からなるガラス状炭素部の内側に黒鉛からなる黒鉛部が形成されているガラス状炭素部材を用いた成形型の製造方法であって、ガラス状炭素部材におけるガラス状炭素部および黒鉛部の一部を除去して、側部または底部に黒鉛部およびガラス状炭素部がともに露出している凹凸部を形成する成形型の製造方法を特徴とする。

この製造方法では、ガラス状炭素部材のガラス状炭素部および黒鉛部の一部を除去することによって、離型性の高い成形型が得られる。

また、上記製造方法では、ガラス状炭素で構成される基材を熱間等方圧加圧法（Hot Isostatic Pressing）処理することによって、基材を構成するガラス状炭素からなるガラス状炭素部の内側に黒鉛からなる黒鉛部を形成してガラス状炭素部材を形成することができる。

この場合、熱間等方圧加圧法処理を行うときに、１６０Ｍｐａ〜２００Ｍｐａの範囲で加圧し、かつ１５００℃〜２５００℃の範囲で加熱することができ、１６０Ｍｐａ〜１８０Ｍｐａの範囲で加圧し、かつ１５００℃〜２０００℃の範囲で加熱することもできる。

また、熱間等方圧加圧法処理を行う前に、５００℃〜１４００℃の範囲で前記基材を加熱する事前熱処理を行うことが好ましい。

以上詳述したように本発明によれば、ガラス状炭素部材を用いた離型性が高く、特に凹凸部のアスペクト比が大きい場合に適した成形型およびその製造方法を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

第１の実施形態
（成形型の構成）
図１は本発明の実施の形態に係る成形型１の斜視図、図２は図１のII-II線断面図である。また、図３は成形型１の平面図、図４は図２の要部を拡大した断面図である。成形型１は直方体状の本体部１０における１つの平面部１ａに、３種類の穴部１１，１２，１３がそれぞれ２つずつ並べて形成されている。

本体部１０は、全表面がガラス状炭素からなるガラス状炭素部２で構成され、その内側に黒鉛からなる黒鉛部３が形成された２層構造を有している。本体部１０は、後述する製造方法によって形成されるものである。図２、図３に示すように、本体部１０は、黒鉛部３の周囲全体をガラス状炭素部２が被覆していて、黒鉛部３がガラス状炭素部２の内側に閉じ込められている。

本体部１０は、厚さがＬＭであり、そのうちの黒鉛部３からみて一方に位置する、すなわち、平面部１ａを形成しているガラス状炭素部２の厚さがＬ０である。また、黒鉛部３の厚さはＬ２となっている。Ｌ０は概ねＬＭの数％から１０％程度の厚さ、Ｌ２はＬＭの８０％程度から９０％程度を占める厚さとなっている。

穴部１１，１２，１３はいずれも開口部の形状が縦横ともにＷ１の正方形であり、平面部１ａからガラス状炭素部２を貫通して黒鉛部３の内部に届く長さを備えた凹部である。穴部１１，１２，１３は、平面部１ａと交差する方向に掘削してガラス状炭素部２と黒鉛部３の一部を除去することによって形成されていて、黒鉛部３の内部にそれぞれの底部１１ａ、１２ａ、１３ａが位置している。

そして、穴部１１は平面部１ａから底部１１ａまでの深さがＬ０＋Ｄ１、穴部１２は平面部１ａから底部１２ａまでの深さがＬ０＋Ｄ２、穴部１３は平面部１ａから底部１３ａまでの深さがＬ０＋Ｄ３となっている。Ｄ１はＬ０と同じ大きさ、Ｄ２、Ｄ３はいずれもＬ０よりも大きく、しかもＤ２＜Ｄ３＜Ｌ２となっている。穴部１１，１２，１３の深さはＷ１よりも大きくなっている。

穴部１１，１２，１３は、その側部に、黒鉛部３とガラス状炭素部２がともに露出しているが、深さＤ１が厚さＬ０と同じ大きさなので、穴部１１におけるガラス状炭素部２の部分を通る深さと黒鉛部３を通る部分の深さが同じになっている。そのため、穴部１１の側部のうちの、黒鉛部３が露出している黒鉛エリア１１ｃの表面積が、ガラス状炭素部２が露出しているガラス状炭素エリア１１ｄの表面積と同じ大きさになっている。しかし、底部１１ａは黒鉛部３の内部に形成されているため、穴部１１内側全体の表面積を見ると、黒鉛部３の露出している部分の表面積がガラス状炭素部２の露出している部分の表面積よりも大きくなっている。

また、深さＤ２、Ｄ３はいずれも厚さＬ０よりも大きいので、穴部１２，１３では、側部における黒鉛エリア１２ｃ、１３ｃの表面積が、ガラス状炭素エリア１２ｄ、１３ｄの表面積よりも大きくなっている。

そして、以上の構成を有する成形型１は、図１２、図１３に示すようにして使用することによって、所望の転写部６１を製造することができる。

まず、図１２に示すように、成形型１が内側に組み込める構造を備えた成型装置５０を準備する。成型装置５０は分解および組み立て自在の４つの壁部と、１つの底部とを有し、これらによって囲まれる空間（成形用空間ともいう）の底部上に成形型１を載せて成形型１を組み込めるようになっている。図１２、図１３では、成形用空間に成形型１を納めて成型装置５０に成形型１を組み込んだ上、露出している穴部１１と穴部１３を図示しないカバー部材で塞ぎ、穴部１２だけが平面部１ａ上に露出している状態を想定している。図示の都合上、成形型１と、後述する樹脂６０だけを断面で示している。

次に、成形用空間に上側から樹脂６０を流し込む。すると、図１３に示すように、樹脂６０は成形型１の平面部１ａから穴部１２の中に流れ込む。この樹脂６０を硬化させた後、成型装置５０を分解して、成形型１を樹脂６０とともに成型装置５０から取り外す。それから、成形型１を樹脂６０から取り外すことにより、図１４に示すような構造の転写物６１を得ることができる。この転写物６１は、穴部１２に対応した２本の突起部６１ａを有している。

以上のように、成形型１は、３種類の穴部１１，１２，１３を有するが、いずれも側部に黒鉛部３とガラス状炭素部２がともに露出している。そのため、穴部１１，１２，１３の内側に転写物の材料が流し込まれたとき、例えば、前述のように、樹脂６０が穴部１２に流し込まれたとき、その樹脂６０は、穴部１２の側部において、黒鉛部３とガラス状炭素部２の双方に接触することになる。すると、樹脂６０が黒鉛部３に接触することによって、転写物６１を抜き取るときに黒鉛部３における良好な離型性が発揮される。したがって、成形型１は、離型の難しい穴部から転写物をうまく剥がすことができる。特に、穴部１１，１２，１３は、開口部の大きさよりも深さが深くアスペクト比が高いので、成形型１はアスペクト比が高い突起等の凸部の成形用として好適である。

その上、穴部１１，１２，１３は、側部または底部のうちの黒鉛エリアの表面積がガラス状炭素エリアの表面積よりも大きく形成されているため、黒鉛部３に接触する部分の面積の方がガラス状炭素部２に接触する部分の面積よりも大きくなる。穴部１１の場合は、黒鉛に接触する部分の面積の方が底部の分だけ大きくなる。

そのため、穴部１１，１２，１３では、内側に入り込んだ転写物のうちの、黒鉛に接触する表面積の方がガラス状炭素に接触する表面積よりも大きくなり、黒鉛部３のより一層良好な離型性が発揮される。

そして、成形型１は、黒鉛部３の外側にガラス状炭素部２が形成されている。ガラス状炭素部２はガラス状炭素から形成され、強度が高い。そのため、成形型１において、他の部材に接触する機会の多い外表面部分の強度を高めることができる。すなわち、成形型１は、繰り返し使用しても摩耗や損傷が生じ難く耐久性が良好になっている。

（成形型の製造方法）
次に、成形型１の製造方法について、図１１を参照して説明する。まず、ガラス状炭素で構成される本体部１０と同じ形状を備えた基材１Ａを準備する。基材１Ａは例えば、縦幅１０ｍｍ，横幅２０ｍｍ、厚さは３〜５ｍｍのものを用いることができる。基材１Ａは約１０００℃で予め所定の熱処理（事前熱処理）が行われたものを用いる。基材１Ａは、上記とは異なる寸法でもよい。例えば、縦幅１５ｍｍ，横幅２５ｍｍ、厚さは８〜１０ｍｍのものを用いてもよい。また、事前熱処理の温度は約１０００℃でなくてもよく、例えば約８００℃や約１２００℃でもよい。

この基材１Ａを図１１に示すように、所定の密閉炉５５の中に収納する。そして、密閉炉５５の中にアルゴン等のガスを導入しながら１５０Ｍｐａ〜２００Ｍｐａの圧力で加圧するとともに、１５００℃〜２５００℃の温度（好ましくは１７００℃〜２０００℃の温度）で加熱して熱間等方圧加圧法（Hot Isostatic Pressing；ＨＩＰともいう）処理する。すると、基材１Ａの内部が黒鉛になり、前述の本体部１０を得ることができる。

得られた本体部１０は、図１５に示すようになっていて、黒鉛部３の周囲全体をガラス状炭素部２が被覆している。また、黒鉛部３は図１６に示すような略球状の結晶を有している。図１７には、２５００℃、２００Ｍｐａの条件でＨＩＰ処理した場合の本体部１０に対するＸ線を用いた分析結果が示されている。図１７に示すように、ＨＩＰ処理により、本体部１０の内部が黒鉛部３になっていることがわかる。なお、（ａ）はＨＩＰ処理していない基材の分析結果、（ｂ）は２５００℃、２００Ｍｐａの条件でＨＩＰ処理した場合の本体部１０の外側（ガラス状炭素部２）の分析結果、（ｃ）は同じく本体部１０の内部（黒鉛部３）の分析結果を示している。

続いて、本体部１０の平面部１ａにおいて、所定の装置を用いてガラス状炭素部２および黒鉛部３の一部を掘削して除去し、穴部１１，１２，１３を形成すると、成形型１が得られる。

上記の製造方法では、ＨＩＰ処理した後の本体部に穴部を形成して、成形型１を製造しているが、次のようにして成形型１を製造してもよい。まず、図１８（ａ）に示すように、本体部１０に穴部２５，２５を形成し、それからその本体部１０にＨＩＰ処理を行う。すると、図１８（ｂ）に示すように、穴部の側部がガラス状炭素部２で覆われた成形型が得られる。この成形型の穴部の側部および底部におけるガラス状炭素部２を除去すると、図１８（ｃ）に示すように穴部の側部にガラス状炭素部２と黒鉛部３が露出している成形型２６が得られる。

（変形例１）
前述した成形型１は、開口部の形状が正方形の穴部１１，１２，１３が形成されている。本発明は、図５、６に示すように、開口部の形状が横幅Ｗ１、縦幅Ｗ２（Ｗ１＜Ｗ２）の長方形の穴部２１，２２，２３が形成されている成形型２０についても適用がある。穴部２１，２２，２３はいずれも側部における黒鉛エリアの表面積が、ガラス状炭素エリアの表面積よりも大きくなっている。そのため、成形型２０も成形型１と同様の良好な離型性を備えている。また、表面がガラス状炭素で覆われているから、繰り返し使用しても摩耗や損傷が生じ難く耐久性が良好になっている。

（変形例２）
また、本実施の形態は、図７に示すように、開口部の形状が平面渦巻き状に形成された穴部２４（深さはＤ０＋Ｄ２）が形成されている成形型２５についても適用がある。穴部２４も、側部における黒鉛エリアの表面積が、ガラス状炭素エリアの表面積よりも大きくなっているため、成形型２５も成形型１と同様の良好な離型性を備えている。また、表面がガラス状炭素で覆われているから、繰り返し使用しても摩耗や損傷が生じ難く耐久性が良好になっている。

第２の実施形態
第１の実施形態では、本体部１０の平面部１ａから平面部１ａと交差する方向に掘削することによって、ガラス状炭素部２と黒鉛部３の一部を除去して穴部を設けていた。第２の実施形態では、平面部１ａの４つの角部を削り取って除去することで凹部を設けている。図８、図９には、このようにして製造した成形型３０が開示されている。

成形型３０は、図８、図９に示すように、本体部１０の４つの角部を縦横Ｗ３、Ｗ４で深さＤ５のサイズで除去して凹部４０を形成するとともに、角部の間を縦横Ｗ３、Ｗ３で除去して凹部４１を形成することで、凸部３１を形成したものである。Ｄ５は前述のＬＭの約４０％程度の大きさである。

成形型３０では、凹部４０、４１を形成することで得られる側部３１ａ，３１ｂおよび底部３１ｃには、ガラス状炭素部２と黒鉛部３が共に露出している。しかも、側部３１ａ，３１ｂ，底部３１ｃの表面積のうち、黒鉛エリアの表面積がガラス状炭素エリアの表面積よりも大きくなっている（黒鉛部３の露出部分にはドットを付している）。

このような成形型３０を用いて成形加工を行うと、転写物のうちの、黒鉛部３に接触する表面積の方がガラス状炭素部２に接触する表面積よりも大きくなる。したがって、成形型３０を用いて成形加工を行うと、転写物をうまく剥がすことができる。凹部４０、４１において、２つの側部３１ａ，３１ｂおよび底部３１ｃの３つの部分ともに、黒鉛エリアの表面積がガラス状炭素エリアの表面積よりも大きく、しかも、奥まった部分の角部３２が黒鉛部３で囲まれているから、剥がし難い部分も剥がれ易くとりわけ良好な離型性を発揮できる。さらに、凸部３１の外側部分はガラス状炭素で覆われているから、繰り返し使用しても摩耗や損傷が生じ難く耐久性が良好である。

（変形例）
本実施の形態は、成形型３０のほか、図１０に示す成形型３５についても適用することができる。成形型３５は、４つの角部のうち、隣り合う角部をまとめて幅Ｗ４、深さＤ５で削り取って凹部４３を形成するとともに、凹部４３の間の部分を幅Ｗ５、深さＤ５で凹部４３と同じ方向に削り取って凹部４４を形成して凸部３６を形成したものである。

この成形型３５の場合も、凹部４３、４４を形成することで得られる側部３６ａおよび底部３６ｂには、ガラス状炭素部２と黒鉛部３が共に露出し、黒鉛エリアの表面積がガラス状炭素エリアの表面積よりも大きくなっているから、成形型３０と同様の良好な離型性を発揮できる。さらに、凸部３６の外側部分はガラス状炭素で覆われているから、繰り返し使用しても摩耗や損傷が生じ難く耐久性が良好である。

以上の説明は、本発明の実施の形態についての説明であって、この発明を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができる。又、各実施形態における構成要素、機能、特徴あるいは方法ステップを適宜組み合わせて構成される装置又は方法も本発明に含まれるものである。

例えば、以上の各実施の形態では、直方体状の本体部１０を例にとって説明しているが、平板状の本体部を用いてもよいし、球状の本体部を用いてもよい。

第１の実施の形態に係る成形型の一例を示す斜視図である。 図１のII-II線断面図である。 成形型の平面図である。 図２の要部を拡大した断面図である。 変形例に係る成形型の平面図である。 図５のVI-VI線断面図である。 別の変形例に係る成形型の平面図である。 第２の実施の形態に係る成形型の一例を示す平面図である。 同じく、成形型の斜視図である。 変形例に係る成形型の斜視図である。 第１の実施の形態に係る成形型の製造工程の一例を示す図である。 第１の実施の形態に係る成形型を用いた成形工程の一例を示す図である。 図１２の後続の工程を示す図である。 第１の実施の形態に係る成形型を用いて製造される転写物の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係るガラス状炭素部材の一例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。 黒鉛部の結晶構造を示す図である。 ＨＩＰ処理した場合の本体部に対するＸ線を用いた分析結果を示す図である。 成形型の別の製造工程の一例を示す図で、（ａ）は穴部を設けた本体部を示し、（ｂ）はＨＩＰ処理した場合の本体部を示し、（ｃ）は完成した成形型を示す断面図である。

符号の説明

１、２０、２５、２６、３０、３５…成形型、２…ガラス状炭素部、３…黒鉛部、１１、１２，１３、２１、２２，２３、２４…穴部、１１ｃ、１２ｃ、１３ｃ…黒鉛エリア、１１ｄ、１２ｄ、１３ｄ…ガラス状炭素エリア、３１、３６…凸部、４０、４１、４４…凹部、５０…成型装置、６１…転写物。

Claims (9)

1. ガラス状炭素からなるガラス状炭素部の内側に黒鉛からなる黒鉛部が形成されているガラス状炭素部材を用いた成形型であって、
   側部または底部に前記黒鉛部および前記ガラス状炭素部がともに露出している凹凸部を有することを特徴とする成形型。
2. ガラス状炭素からなるガラス状炭素部の内側に黒鉛からなる黒鉛部が形成されているガラス状炭素部材を用いた成形型であって、
   前記ガラス状炭素部および前記黒鉛部がともに露出している凹凸部を有し、
   前記凹凸部の側部または底部のうちの前記黒鉛部が露出している黒鉛エリアが、前記ガラス状炭素部が露出しているガラス状炭素エリアよりも大きく形成されていることを特徴とする成形型。
3. 前記凹凸部の前記ガラス状炭素部を通る部分の深さよりも前記黒鉛部を通る部分の深さが大きいことを特徴とする請求項１または２記載の成形型。
4. 前記ガラス状炭素部材として、直方体状に形成された直方体状炭素部材を用い、該直方体状炭素部材における１つの表面部だけに前記凹凸部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の成形型。
5. ガラス状炭素からなるガラス状炭素部の内側に黒鉛からなる黒鉛部が形成されているガラス状炭素部材を用いた成形型の製造方法であって、
   前記ガラス状炭素部材における前記ガラス状炭素部および前記黒鉛部の一部を除去して、側部または底部に前記黒鉛部および前記ガラス状炭素部がともに露出している凹凸部を形成することを特徴とする成形型の製造方法。
6. 前記ガラス状炭素で構成される基材を熱間等方圧加圧法（Hot Isostatic Pressing）処理することによって、前記基材を構成するガラス状炭素からなるガラス状炭素部の内側に黒鉛からなる黒鉛部を形成して前記ガラス状炭素部材を形成することを特徴とする請求項５記載の成形型の製造方法。
7. 前記熱間等方圧加圧法処理を行うときに、１６０Ｍｐａ〜２００Ｍｐａの範囲で加圧し、かつ１５００℃〜２５００℃の範囲で加熱することを特徴とする請求項６記載の成形型の製造方法。
8. 前記熱間等方圧加圧法処理を行うときに、１６０Ｍｐａ〜１８０Ｍｐａの範囲で加圧し、かつ１５００℃〜２０００℃の範囲で加熱することを特徴とする請求項６記載の成形型の製造方法。
9. 前記熱間等方圧加圧法処理を行う前に、５００℃〜１４００℃の範囲で前記基材を加熱する事前熱処理を行うことを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項記載の成形型の製造方法。