JP5350900B2

JP5350900B2 - ガラスびん成形金型、その製造方法、及びガラスびん成形体の製造方法。

Info

Publication number: JP5350900B2
Application number: JP2009141026A
Authority: JP
Inventors: 達雄林; 昌範宮本; 幸男佐藤
Original assignee: Toyo Glass Co Ltd
Current assignee: Toyo Glass Co Ltd
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-06-12
Also published as: JP2010285318A; WO2010143320A1

Description

本発明は、ガラスびんを成形するガラスびん成形金型、特に、仕上型として用いて好適なガラスびん成形金型、その製造方法、及びそのガラスびん成形金型を用いたガラスびん成形体の製造方法に関する。

ガラスびんを成形した場合、ガラスびん胴部に膨らみが発生したり、ガラスびん胴部に仕上型の合目線が顕著に出る不良品が発生することがある。この原因は、成形の際の仕上型温度が低すぎるためであると考えられていた。事実、仕上型の内表面温度を例えば３０℃程度上げると、欠点が改善される。

また、ガラスびんの表面に梨地模様（細かい凹凸模様）等を形成する仕上型の場合、使用を重ねるうちに金型の成形面（ガラスと接触する面）が摩耗し、梨地模様等が成形品表面に明確に表れないようになってしまう問題がある。

従来、ガラスびん成形金型の成形面の処理として、潤滑離型剤の被膜を形成する技術が知られている。このような潤滑離型剤の被膜は、例えば、下記特許文献１に開示されている。

特公昭５９−５５３５号公報

本発明は、成形時における成形金型の成形面の温度を上げることなく、胴部の膨らみ、合目線の顕著化の欠点の発生を防止し、エネルギーを節約することを課題とする。
また、梨地模様などの凹凸模様がガラスびん表面に明確に表れるようにすることも課題とする。

本発明者らは、胴部の膨らみ、合目線の顕著化の根本原因が、ガラスびん成形金型（主に仕上型）の成形面の熱放射率に関係していることを発見した。

図１は、ガラス成形品（ガラスびん）の胴部に膨らみが生じる原因（推定）の説明図である。
同図の（Ａ）は、ガラスびんが仕上げ成形され、ガラスびんが仕上型の成形面に押し付けられている状態である。ガラスびんの外側（仕上型側）は低温、内側は高温となっている。
同図の（Ｂ）は、成形されたガラスびんが金型から離れたところで、やはりガラスびんの外側（仕上型側）は低温、内側は高温となっている。ガラスびんが仕上型から離れると、リヒートが始まり、高温であるガラスびんの内側の熱が低温である外側に移動し、温度が均一化されていく。
同図の（Ｃ）は、（Ｂ）の状態からある程度時間が経過した状態である。外側は低温の状態から温度上昇するので膨張し、内側は高温の状態から温度低下するので収縮し、その結果ガラスびん成形品の外側が膨張する。

図２は、ガラス成形品（ガラスびん）の胴部に合目線顕著化が生じる原因（推定）の説明図である。
同図の左側は、ガラスびんが仕上型からリリースされ、リヒートが始まった状態である。リヒートによりガラスびんの内外温度差が均一化していくと、矢印のように、内側が収縮し、外側が膨張するが、合目部分は成形金型の温度が比較的高く、対角部分（合目から一番遠い部分）は成形金型の温度が比較的低いため、合目部分に比べて対角部分の収縮、膨張が大きくなる。その結果、右側の矢印に示すように、合目部分が内側に押し込まれるように変形し、合目線が顕著に表れる。

このように、胴部の膨らみ、合目線の顕著化の根本原因は、成形後に金型からリリースされるときのガラスびんの内外温度差が大きいことによる。
成形金型成形面の熱放射率を大きくすると、成形後に金型からリリースされるときのガラスびんの内外温度差が小さくなり、胴部の膨らみ、合目線の顕著化を防ぐことができる。

成形金型の熱放射率が大きいと、ガラスびんが仕上型成形面に押し付けられたとき（コンタクト時）に、放射によりガラスびん内部から多くの熱が外側に移動する。この結果、コンタクト初期状態でガラスびんの表皮温度が上がる。すると、ガラスびんの表皮における粘性が低下し、ガラスびんと金型成形面のＧＡＰ（微小な隙間）が小さくなり、ガラスびんから金型への対流伝熱が増大し、ガラスびん全体の温度は低下する。
このように、成形金型の熱放射率が大きいと、ガラスびんの内部から金型側の表皮に大きな熱が移動するので、ガラスびん内部の温度は低くなり、表皮側の温度が上がるため、内外温度差が小さくなり、胴部の膨らみ、合目線の顕著化が防止される。

また、コンタクト初期状態において、ガラスびんの表皮温度が上がり、ガラスびんの表皮における粘性が低下するので、金型の表面形状がガラスびんの表面に良好に転写し、梨地模様のような微細な凹凸模様が成形品表面にくっきりと形成される。

〔請求項１〕
本願発明は、成形面の熱放射率が０．８５以上で、成形面にＦｅ_３Ｏ_４を含む酸化鉄被膜を形成したことを特徴とするガラスびん成形金型である。

図３に基づいて、本発明における熱放射率の測定方法を説明する。
なお、電気炉はデンケン社製、ＫＤＦ−Ｓ１００、サーモビジョンはＮＥＣ三栄社製ＴＨ７１００を用いた。
（１）測定する成形金型を成形面が手前になるように電気炉内に設置する。
（２）電気炉内温度を測定するために、熱電対を電気炉のほぼ中央に設置する。
（３）電気炉の温度設定を５００℃とし炉を密閉状態にして設定温度まで加熱、設定温度に達したのちその状態で１時間保持する。
（４）１時間保持後、炉扉をあけサーモビジョンにて成形金型温度を測定する。この際、中央部に設置した熱電対の温度と同じになるようにサーモビジョンのエミシビティ（放射率）を調整する。ここで求められたエミシビティが、成形金型成形面の熱放射率となる。

例えば、成形面の表面粗さがＲａで１．０８μｍの鋳鉄製成形金型の熱放射率は、０．７４程度である。通常、鋳鉄で製造される成形金型の成形面の表面粗さはＲａで０．９〜１．２μｍであり、その熱放射率は０．８以下程度である。

本発明において、熱放射率を０．８５以上とするためには、成形面に熱放射率が高い物質の被膜を形成する。この被膜としては、次のようなものが考えられる。
（ａ）黒錆び
（ｂ）黒クロム、黒クロメート（Ｚｎ）、黒ニッケル（Ｎｉ−Ｚｎ）、黒色無電解ニッケル（Ｎｉ−Ｐ）、チタニウム等のめっき、ＰＶＤ処理等
（ｃ）黒体塗料

成形面の熱放射率を０．８５以上にすると、従来の熱放射率０．８以下の成形金型に比べて、ガラスびん成形時の成形金型温度を３０℃程度低くしても、胴部の膨れや合目線の顕著化の問題がなく、ガラスびん成形におけるエネルギーを節減できる。
また、転写性が向上するので、梨地模様などの微細な凹凸模様が成形品表面に良好に表れる。

〔請求項２〕
また本発明は、成形面の表面粗さがＲａで０．９〜２．０μｍである請求項１に記載のガラスびん成形金型である。

成形面の表面粗さがＲａで０．９μｍの非常に滑らかなものであっても、成形面に熱放射率が高い物質の被膜を形成することで、熱放射率を０．８５以上にすることができる。
熱放射理を０．８５以上とすることで転写性が向上するので、成形面の表面粗さがＲａで２．０μｍを超えると、成形品表面に金型成形面の凹凸が転写されて肌荒れ状態となり、好ましくない。

Ｆｅ_３Ｏ_４を含む酸化鉄被膜は、いわゆる黒錆といわれるものである。成形面を黒錆で覆うことにより熱放射率が０．８５以上（０．９程度）になる。

また、黒錆により、成形時に成形面に施すスワビング（塗油）によるカーボン付着が軽減され、金型の寿命が長くなる。
通常、仕上型は２〜３日使用後サンドブラストによりクリーニングされる。しかし、金型成形面は高温酸化により赤錆びが発生しており、ここにスワビングによるカーボンが付着する。そのため、仕上げ金型のクリーニングの手順は、自動サンドブラスト機によりクリーニングを実施した後、汚れを落とし切れなかった部分は手動サンドブラストにより仕上げの処理を行う。しかし、黒錆処理を実施した金型成形面は黒錆びにより保護され高温酸化されにくい。その結果、スワビングによるカーボン付着が軽減され、使用後のクリーニングの負荷が軽くなる。また、サンドブラストは金型に与えるダメージが大きいが、黒錆処理した金型はサンドブラストの使用時間が短くなるので、金型へのダメージも小さくなる。

黒錆処理は、他の熱放射率が高い物質の被膜に比べて次の点で優れている。
黒クロム、黒クロメート（Ｚｎ）、黒ニッケル（Ｎｉ−Ｚｎ）、黒色無電解ニッケル（Ｎｉ−Ｐ）、チタニウム等のめっき、ＰＶＤ処理等は、処理に高度な技術と設備を必要とし、コスト高となるが、黒錆処理は比較的安価かつ容易に行うことができる。
また、例えばチタニウムコーティングなどは、金型母材（鋳鉄）と被膜（チタニウム）の膨張率の違いから、被膜や母材に割れが生じるおそれがあるが、黒錆処理にはこのような問題はない。
黒体塗料は、処理は容易であるが、耐熱性や耐久性に問題があり、被膜が剥がれやすい。黒錆処理は被膜の耐熱性や耐久性に優れている。

〔請求項３〕
また本発明は、成形面に酸溶液を塗布した後、加熱処理を行うことで成形面表面に黒錆を発生させた請求項１又は２に記載のガラスびん成形金型である。
鋳鉄製の金型の成形面に酸溶液を塗布し、加熱処理を行うことで成形面に黒錆を発生させることができる。

〔請求項４〕
また本発明は、前記酸溶液がタンニン酸、没食子酸（3,4,5-トリヒドロキシ安息香酸）、又はカテキン酸を含む溶液である請求項３に記載のガラスびん成形金型である。
黒錆を発生させるために塗布する酸溶液は、具体的には、タンニン酸、没食子酸（3,4,5-トリヒドロキシ安息香酸）、カテキン酸等とすることができる。

〔請求項５〕
また本発明は、鋳鉄で本体の金型を製造する工程と、該金型の成形面に酸溶液を塗布する工程と、金型を加熱処理する工程を有することを特徴とするガラスびん成形金型の製造方法である。

〔請求項６〕
また本発明は、前記酸溶液がタンニン酸、没食子酸（3,4,5-トリヒドロキシ安息香酸）、又はカテキン酸を含む溶液である請求項５に記載のガラスびん成形金型の製造方法である。

成形金型の成形面に黒錆を発生させる方法は種々あるが、成形面に酸溶液を塗布する方法が最も容易、安全、安価であり、発生する黒錆の被膜も強固なものとなる。また、処理時の温度・時間によって黒錆の生成状態が変わるので室温（酸溶液および塗布金型温度）１５℃以上で塗布後２時間程度放置するのが望ましい。
酸溶液の濃度は、０．８mol％ないし数mol％程度の低濃度でよい。

黒錆を発生させる他の方法として、いわゆる黒染めの手法がある。これは、１４３〜１４７℃に加熱した強アルカリ性溶液（水酸化ナトリウム溶液等）に鉄を浸漬し、鉄表面にＦｅ_３Ｏ_４を主とする酸化鉄被膜を形成するものである。この方法は、加熱した強アルカリ溶液を使用するので危険であり、装置も大掛かりとなる。
また、近年は常温で黒染めができる薬剤が市販されているが、このような常温の黒染めはムラができやすく、形成される被膜も強固なものでなく、赤錆が発生しやすい。

〔請求項７〕
また本発明は、ガラスびん成形金型を用いて溶融ガラス塊を成形してガラスびん成形体を製造する方法において、前記ガラスびん成形金型が請求項１〜４のいずれかに記載のガラスびん成形金型であることを特徴とするガラスびん成形体の製造方法である。

本発明の製造方法の対象となるのは、いわゆるＩＳ成形機等を用いたガラスびんの製造（プレスアンドブロー方式及びブローアンドブロー方式）、いわゆるＨ−２８成形機やプレス成形機等を用いたガラス食器等の製造である。

本発明は、成形品の胴部の膨らみ、及び仕上型合目線が発生しにくいので、成形時の金型の温度及びファイナルブロー圧（ブロー成形の場合）を低くすることができ、エネルギーの節減に貢献できる。
また、転写性が向上するので、梨地模様などの微妙な凹凸模様が成形品の表面に鮮やかに表れる。
さらに、鋳鉄母材の高温酸化を防ぐので、金型の清掃が容易になり、金型の寿命も長くなる。

ガラスびんに膨らみが生じる原因の推定説明図である。ガラスびんに合目線顕著化が生じる原因の推定説明図である。本発明における熱放射率の測定方法の説明図である。成形金型に黒錆処理を行う前後の成形品の表面梨地模様の説明図である。

鋳鉄で製造したガラスびんの仕上型（本体）を用意し、その成形面に１mol％のタンニン酸溶液を塗布した。塗布後２時間経過したもの、及び３日間経過したものを、２００℃で１時間加熱処理して成形面表面を黒錆の被膜（Ｆｅ_３Ｏ_４を主とする酸化鉄被膜）で覆った。
これらのものについて、熱放射率、表面粗さなどを測定した。その結果を表１に示す。

表１において、「未処理」は黒錆処理を行わなかったもの、「２H後加熱」はタンニン酸溶液を塗布後２時間後に加熱処理を行ったもの、「３日後加熱」はタンニン酸溶液を塗布後３日間後に加熱処理を行ったものである。また、「温度測定値」は前記の「本発明における熱放射率の測定方法」における（４）で測定した金型の成形面温度、「熱放射率」は、同じく（４）において測定した金型成形面の熱放射率である。「熱放射率1.0の表示温度」は、同じく（４）の後に、（３）の手順を繰り返した後、炉扉をあけ、サーモビジョンのエミシビティを１.０にして測定した金型成形面の温度である。
表１に示されるように「２H後加熱」と「３日後加熱」では熱放射率に大きな違いはなく、ほぼ０．９である。また表面粗さに関しても大きな変化はなく、黒錆処理による影響はないと考えられる。

次に、１つのセクションで同時に２個ずつガラスびんを成形するＩＳ成形機の同じセクションに、一方の仕上型として前記の黒錆処理を行ったもの、他方の仕上型として無処理のものを装備して実際にガラスびん製造を行った。
成形機からデッドプレート上にテイクアウトされたびんの表面温度を計測した結果、黒錆処理の仕上型で成形したびんは平均６０６．６℃、無処理の仕上型で成形したびんは平均６１６．１℃であった。
これにより、金型成形面の熱放射率が上がることで、成形に際して、ガラス全体の（平均）温度が下がる（ガラス内部から外側への熱移動が多くなる）作用効果が実証された。

次に、ＩＳ成形機で実際にガラスびんを製造する際に、仕上型の成形面の温度を５５０℃から５２０℃に下げたところ、無処理の仕上型で成形したガラスびんには、胴部の膨れ及び合目線の顕著化により、ほとんど全てが不良品となったが、黒錆処理を行った実施例の仕上型で成形したびんには、このような不良品は発生しなかった。
これによって、成形金型の熱放射率を大きくすることで、胴部の膨れ、合目線の顕著化が抑制され、成形の際の成形金型の温度を下げることが可能となることが実証された。

長期使用により摩耗した梨地模様のびんを成形する仕上型を用意した。これは、仕上型成形面の梨地の凹凸が摩耗し、図４の左側の写真に示すように、成形品の表面に梨地模様が明確に表れなくなったものである。
この仕上型の成形面に前記のタンニン酸による黒錆処理を施し、同じ条件でガラスびんを成形した結果、図４の右側の写真に示すように、成形品の表面に梨地模様がくっきりと表れた。
これによって、成形金型の熱放射率を大きくすることで、転写性が向上することが実証された。

Claims

成形面の熱放射率が０．８５以上で、成形面にＦｅ_３Ｏ_４を含む酸化鉄被膜を形成したことを特徴とするガラスびん成形金型。
成形面の表面粗さがＲａで０．９〜２．０μｍである請求項１に記載のガラスびん成形金型。
成形面に酸溶液を塗布した後、加熱処理を行うことで成形面表面に黒錆を発生させた請求項１又は２に記載のガラスびん成形金型。
前記酸溶液がタンニン酸、没食子酸、又はカテキン酸を含む溶液である請求項３に記載のガラスびん成形金型。
鋳鉄で本体の金型を製造する工程と、該金型の成形面に酸溶液を塗布する工程と、金型を加熱処理する工程を有することを特徴とするガラスびん成形金型の製造方法。
前記酸溶液がタンニン酸、没食子酸、又はカテキン酸を含む溶液である請求項５に記載のガラスびん成形金型の製造方法。
ガラスびん成形金型を用いて溶融ガラス塊を成形してガラスびん成形体を製造する方法において、前記ガラスびん成形金型が請求項１〜４のいずれかに記載のガラスびん成形金型であることを特徴とするガラスびん成形体の製造方法。