JP5322684B2

JP5322684B2 - ガラス成形用金型の製造方法

Info

Publication number: JP5322684B2
Application number: JP2009031767A
Authority: JP
Inventors: 久順不破; 淳増田
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-02-13
Also published as: JP2009215156A

Description

本発明は、特に精密形状の光学素子を成形するためのガラス成形用金型及びその製造方法に関する。

周知の如く、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、回折格子などの微細形状を有する光学素子の量産が実現している。この場合の金型は、基材の表面に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、このめっき層をダイヤモンドバイトで精密加工して作製している。この金型をガラス成形に応用する場合、Ｎｉ−Ｐ層ではガラスとの離型性が維持できないので、離型膜を形成する必要があった。例えば、特許文献１では、離型膜としてＷ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒからなる金属あるいは合金を採用している。しかし、特許文献1の場合、成形温度が高くなると、離型膜の表面粗さが悪化してしまうことがわかった。また、特許文献１の場合、Ｎｉ−Ｐメッキの構成要素であるＮｉやＰが離型膜へ容易に拡散するため、硝種(成形するガラスの種類)によっては数ショットでガラスが融着するという問題があった。

特開２００２−２９７７２号公報

本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、成形中に離型層の表面粗さが悪化するのを回避し、ガラスの融着も回避し得るガラス成形用金型及びその製造方法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の製造方法は、鉄鋼製の基材と、この基材上に順次形成された，結晶化した切削加工層、中間層及び離型層を具備するガラス成形用金型を製造する方法であり、前記切削加工層はリン濃度が１〜１５ａｔ％のニッケル合金層であり、前記中間層はクロム、ニッケル、銅、コバルトのいずれかからなる層もしくは炭素を含有したクロム、ニッケル、銅、コバルトのいずれかからなる層で、炭素濃度が１〜８０ａｔ％であり、前記離型層はイリジウム，レニウム及び炭素からなり、炭素濃度が１〜５０ａｔ％の合金層であり、前記基材上に切削加工層を形成し、加熱によりこの切削加工層を結晶化した後、切削加工層をダイヤモンドバイトで加工し、さらに切削加工層上に前記中間層及び離型層を順次形成することを特徴とする。

本発明のガラス成形用金型によれば、結晶化した切削加工層の存在により成形中に離型層の表面粗さが悪化するのを回避し得るとともに、ガラスの融着も回避することができる。また、本発明のガラス成形用金型の製造方法によれば、基材上に切削加工層を形成した後に加熱することにより結晶化させ、その後に前記離型層あるいは中間層及び離型層を形成することにより、成形中に離型層の表面粗さが悪化するのを回避し得るとともに、ガラスの融着も回避して精密な加工を実現できる。

図１は、本発明の実施例１に係るガラス成形用金型の部分断面図を示す。図２は、本発明の実施例２に係るガラス成形用金型の部分断面図を示す。図３は、本発明の実施例３〜１０に係る試験片の説明図を示す。図４は、本発明の実施例３〜１０に係る別な試験片の説明図を示す。

以下、本発明について更に詳しく説明する。
本発明において、前記切削加工層はダイヤモンドバイトによって精密な加工するために必要であり、切削加工層のリン（Ｐ）濃度は１重量％以上１５重量％以下であることが望ましい。ここで、Ｐ濃度が１重量％未満の場合、切削加工性が悪くなる。また、Ｐ濃度が１５重量％を越えると、切削加工層が脆くなるという問題があった。切削加工層は、ニッケル（Ｎｉ）、Ｐ以外に、ボロン（Ｂ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）等を含んでも良い。

本発明において、前記離型層はガラスとの離型性を維持する役割を果たしている。Ｎｉ−Ｐ合金層上に離型層を形成させた場合、Ｉｒ−Ｐｔ合金からなる離型層は加熱すると、切削加工層のＮｉ，Ｐの影響を受けて表面粗さが悪化するとともに、離型性も低下してガラスが融着してしまう。また、Ｉｒ−Ｒｅ合金からなる離型層では、表面粗さは悪化しないが、離型性が不充分なためガラスが融着してしまう。しかし、本発明者等の研究の結果、Ｉｒ−Ｒｅ−Ｃ合金からなる離型層では、表面粗さの悪化も起こらず、離型性にも優れているため、ガラスの融着が起こらないことを究明した。

即ち、本発明では、離型層にＣを含有させることによって離型性が著しく向上する。Ｃ含有量は、１ａｔ％以上５０ａｔ％以下であることが望ましい。Ｃ含有量が１ａｔ％未満の場合、離型性向上の効果が小さい。また、Ｃ含有量が５０ａｔ％を越えると、離型層の耐酸化性が悪くなる。

本発明において、前記中間層は切削加工層と離型層の密着強度を高める役割、離型膜へＣを供給する役割を果たしている。中間層として適している材料は、クロム（Ｃｒ），ニッケル（Ｎｉ），銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ）である。特に、中間層としては、Ｃを含有したＣｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏが適している。Ｃ含有量は、１ａｔ％以上８０ａｔ％以下であることが望ましい。ここで、Ｃ含有量が１ａｔ％未満では供給源としてＣ量が少なく、離型性が悪くなり、ガラス融着してしまう。また、Ｃ含有量が８０ａｔ％を越えると、密着性が低下し、膜が剥離してしまう。

本発明の製造方法において、切削加工層は形成時に非晶質状態なので、加熱によって結晶質にして離型層、あるいは中間層と離型層を形成する。上記（４）の発明において、中間層と離型層を形成した後に切削加工層の結晶構造が変化すると、中間層と離型層の界面に大きな応力が発生し、離型層や中間層が剥離する可能性がある。

次に、本発明の具体的な実施例を比較例とともにて説明する。
（実施例１）
図１は、本実施例１に係るガラス成形用金型の部分断面図を示す。図中の符番１は、鉄鋼材料の基材を示す。この基材１上には、結晶化した切削加工層２、中間層３及び離型層４が順次形成されている。ここで、切削加工層２はＰ（リン）を１０重量％含有したニッケル（Ｎｉ−１０ｗｔ％Ｐ）合金層である。中間層３は、ニッケル（Ｎｉ）からなる層である。離型層４は、イリジウム（Ｉｒ），レニウム（Ｒｅ）及び３ａｔ％炭素（Ｃ）を含有する合金層である。

図１のガラス成形用金型５は、次のようにして製造する。即ち、まず、鉄鋼材料の基材１上に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを１００μｍつけて、５３０℃，２時間加熱処理を施し、結晶化して切削加工層２を形成した。次に、切削加工層２をダイヤモンドバイトで加工した後に、スパッタリングによりＮｉからなる中間層３を５０ｎｍ、Ｉｒ，Ｒｅ，Ｃからなる離型層４を３００ｎｍ形成し、ガラス成形用金型５を製造した。

実施例１に係るガラス成形用金型５は、図１に示すように、基材１上にＰを１０重量％含有したニッケル合金層（切削加工層）２、Ｎｉからなる中間層３、及びＩｒ，Ｒｅ，Ｃを含有した離型層４が順次形成された構成になっている。しかるに、金型５では、切削加工層２を形成した後に加熱することにより切削加工層２を結晶化させ、その後に中間層３及び離型層４を順次形成しているので、成形中に離型層４の表面粗さが悪化するのを回避できるとともに、ガラスの融着を回避できる。

事実、上記実施例１に係る金型、及び比較例１，２に係る金型を用いて４７０℃で加熱後のガラス融着の状態及び表面粗さを測定した結果、下記表１に示す結果が得られた。ここで、実施例１は、離型層／中間層／切削加工層／基材の鋼組成がＩｒ−Ｒｅ−Ｃ／Ｎｉ／Ｎｉ−Ｐ／Ｓｔｅｅｌの場合を示す。比較例１は、同鋼組成がＩｒ−Ｐｔ／Ｎｉ／Ｎｉ−Ｐ／Ｓｔｅｅｌの場合（比較例１）を示す。比較例２は、同鋼組成がＩｒ−Ｒｅ／Ｎｉ／Ｎｉ−Ｐ／Ｓｔｅｅｌの場合を示す。これにより、本発明が比較例に対して優れていることが明らかである。

表１より、比較例１，２の場合は１ショットで融着したのに対し、実施例１では５００ショットでも融着しないことが明らかになった。また、金型表面粗さについては、比較例１ではＲａ８ｎｍであるのに対し、実施例１ではＲａ２ｎｍであることが明らかになった。従って、表１より、本発明は比較例に比べてガラスの融着、金型の表面粗さの点で優れていることが分かった。

（実施例２）
図２は、本実施例２に係るガラス成形用金型の部分断面図を示す。但し、図１と同部材は同符番を付して説明を省略する。ガラス成形用金型６は、鉄鋼材料の基材１上には、結晶化した切削加工層２、離型層４が順次形成された構成となっている。

図２のガラス成形用金型６は、次のようにして製造する。即ち、まず、鉄鋼材料の基材１上に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを１００μｍつけて、５３０℃，２時間加熱処理を施し、結晶化して切削加工層２を形成した。次に、切削加工層２をダイヤモンドバイトで加工した後に、スパッタリングによりＩｒ，Ｒｅ，Ｃからなる離型層４を３００ｎｍ形成し、ガラス成形用金型６を製造した。
実施例２によれば、実施例１と比べ、切削加工層２と離型層４の密着強度は若干劣るが、ガラス融着、金型の表面粗さの点で実施例１と同等の効果が得られることが分かった。

（実施例３）
まず、本実施例で用いる図３（Ａ），（Ｂ）、及び図４（Ａ），（Ｂ）の試験片７，８について説明する。ここで、図３（Ａ）は試験片（球面金型）７の正面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の側面図を示す。また、図４（Ａ）は試験片（平面金型）８の正面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の側面図を示す。図３の試験片は成形機にて成形試験を行う際に使用し、図４の試験片はスクラッチ試験（密着力測定）、組成分析の際に使用した。なお、図３，図４において、符番９はネジ穴、符番１０はＲ１７の湾曲部を示す。

最初に、基材である鋼材材料に金型形状に加工した。次に、基材表面に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを１００μｍ施した。つづいて、熱処理を行った後、東芝機械製の商品名：ＵＬＧ−１００Ｄ（ＳＨ３）を使用してダイヤモンドバンドにて切削加工し、図示しない切削加工層（第１層）を形成した。更に、洗浄機にて洗浄した後、スパッタリング法にて膜厚５０ｎｍの中間層（第２層）、膜厚３００ｎｍの離型層（第３層）の成膜を行った。

前記切削加工層はＸ線マイクロアナライザにて、離型層はＸ線電子分光にて分析を行った。下記表２及び表３は組成分析条件を示し、下記表４は組成分析結果を示す。

比較例３，４として、中間層にＮｉ，離型層にＩｒ−Ｐｔ，Ｉｒ−Ｒｅ膜を施したもの、実施例３〜１０として離型層にＣ含有量の異なる２種類のＩｒ−Ｒｅ−Ｃ膜を施したものを用いた。また、実施例３，４では中間層なし、実施例５，６ではＮｉ中間層、実施例７〜１０ではＮｉ−Ｃ中間層を施したものを使用した。

次に、各薄膜の基材に対する密着力を測定した。試験方法はマイクロスクラッチ法にて行い、ＪＩＳＲ−３２５５に準拠した。マイクロスクラッチ試験測定条件を下記表５に示した。また、マイクロスクラッチ試験測定結果を下記表６に示した。

表６より、実施例７〜１０の密着力が比較例３，４を上回っていることがわかる。
次に、実施例３〜１０の試験片を使用し、Ｋ−ＰＳＦｎ２１４（住田光学製の商品名）の成形試験を行った。下記表７は成形条件を示し、下記表８は成形試験結果を示す。

次に、成形試験５００ｓｈｏｔで融着してしまった実施例６の組成分析を行った。測定条件は上記表３と同様である。下記表９は、成形試験後の組成分析結果を示す。

上記比較例３では、表面粗さは悪化しなかったものの、１ｓｈｏｔで融着してしまった。比較例４では、Ｎｉが結晶化して表面粗さが悪化、金型表面が白く曇り、鏡面を失ってしまった。実施例３〜６では離型層中のＣが離型性を向上させることで成形は可能であった。しかし、成形中に膜中のＣが減少してしまい、５００ｓｈｏｔで融着してしまった。上記表１０より、成形試験後のＣ含有量は１％以下であることがわかる。実施例７〜１０では中間層にＣを含有させることにより、離型層中に拡散することでＣ含有量の減少を防ぎ、２０００ｓｈｏｔ成形後も離型することができた。なお、上記例以外にも、中間層にＣｕ−Ｃ，Ｃｏ−Ｃ，Ｃｒ−Ｃを施したものを使用して実験を行い、良好な離型性を確認した。

なお、この発明は、上記実施例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施例に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施例に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。具体的には、上記実施例に記載した構成部材の材料、配合割合、厚み等は一例であり、本発明これに限定されない。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］鉄鋼製の基材と、この基材上に順次形成された，結晶化した切削加工層及び離型層を具備するガラス成形用金型であり、前記切削加工層はリンを含有したニッケル合金層であり、前記離型層はイリジウム,レニウム及び炭素を含有する合金層であることを特徴とするガラス成形用金型。
［２］前記離型層の炭素濃度が１〜５０ａｔ％であることを特徴とする［１］記載のガラス成形用金型。
［３］前記切削加工層のリン濃度が１〜１５重量％であることを特徴とする［１］記載のガラス成形用金型。
［４］鉄鋼製の基材と、この基材上に順次形成された，切削加工層及び離型層を具備するガラス成形用金型を製造する方法であり、基材上に切削加工層を形成した後に加熱することにより結晶化させ、その後に前記離型層を形成することを特徴とするガラス成形用金型の製造方法。
［５］鉄鋼製の基材と、この基材上に順次形成された，結晶化した切削加工層、中間層及び離型層を具備するガラス成形用金型であり、前記切削加工層はリンを含有したニッケル合金層であり、前記中間層はクロム、ニッケル、銅、コバルトのいずれかからなる層もしくはこれらの元素の少なくとも１種以上を含む合金層であり、さらに前記離型層はイリジウム，レニウム及び炭素を含有する合金層であることを特徴とするガラス成形用金型。
［６］前記離型層の炭素濃度が１〜５０ａｔ％であることを特徴とする［５］記載のガラス成形用金型。
［７］前記切削加工層のリン濃度が１〜１５重量％であることを特徴とする［５］記載のガラス成形用金型。
［８］前記中間層の炭素濃度が１〜８０ａｔ％であることを特徴とする［５］記載のガラス成形用金型。
［９］鉄鋼製の基材と、この基材上に順次形成された，切削加工層、中間層及び離型層を具備するガラス成形用金型を製造する方法であり、基材上に切削加工層を形成した後に加熱することにより結晶化させ、その後に前記中間層及び離型層を順次形成することを特徴とするガラス成形用金型の製造方法。

１…基材、２…Ｎｉ合金層（切削加工層）、３…中間層、４…離型層、５，６…ガラス成形用金型。

Claims

鉄鋼製の基材と、この基材上に順次形成された，結晶化した切削加工層、中間層及び離型層を具備するガラス成形用金型を製造する方法であり、
前記切削加工層はリン濃度が１〜１５ａｔ％のニッケル合金層であり、
前記中間層はクロム、ニッケル、銅、コバルトのいずれかからなる層もしくは炭素を含有したクロム、ニッケル、銅、コバルトのいずれかからなる層で、炭素濃度が１〜８０ａｔ％であり、
前記離型層はイリジウム，レニウム及び炭素からなり、炭素濃度が１〜５０ａｔ％の合金層であり、
前記基材上に切削加工層を形成し、加熱によりこの切削加工層を結晶化した後、切削加工層をダイヤモンドバイトで加工し、さらに切削加工層上に前記中間層及び離型層を順次形成することを特徴とするガラス成形用金型の製造方法。