JP6072557B2

JP6072557B2 - ガラス成型用型材

Info

Publication number: JP6072557B2
Application number: JP2013021322A
Authority: JP
Inventors: 西川　正人; 正人西川; 光永　敏勝; 敏勝光永; 五十嵐　厚樹; 厚樹五十嵐
Original assignee: Denka Co Ltd; Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2033-02-06
Also published as: JP2014152053A

Description

本発明は、加熱したガラスを成形しガラス素子を製作するためのガラス成形用型材に関するものである。

近年、デジタルカメラ、携帯電話、ＤＶＤ、プリズム、光通信等の光学素子及び装飾用ガラス等広範囲にわたって、ガラス素材を変形可能な温度に加熱して加圧成形する方法が広く使われるようになった。
この成型用型材として、高温での安定性、ガラスと反応せず、高い形状精度での離型性が要求される。
これらの要求に対して、超硬合金やセラミックスなどの表面にＳｉＣのコ−ティング（特許文献１）、又は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化クロムの１種もしくは、２種以上の混合物に炭化珪素、窒化珪素の1種もしくは2種以上の複合物（特許文献２）。ＳｉＣ基材に溶融Ｓｉを含浸させたＳｉ−ＳｉＣ複合材（特許文献３）等が、検討されている。しかし、特許文献１においては、コ−ティング剤の剥離、特許文献２及び特許文献３においては成形型への加工時欠け等発生し易く、加工性に問題があった。
特許文献４には、色ムラがなく、強度、耐熱性、加工性の良好なＳｉＣ−ＢＮ複合焼結体が開示されているが、ガラス成形用型材に用いることに関する記載はない。

特開昭６３−４５１３５号公報特開平１０−７４２４号公報特開２００６−３２７８４８号公報特開２０１２−８７０１８号公報

本発明は、加熱したガラスを成形しガラス素子を製作するためのガラス成形用型材に関するものであって、成形用型への加工性、ガラスとの離型性等が良好なガラス成形用型材を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明者は、高温での安定性、ガラスとの耐反応性、ガラスとの離型性、加工性等を鋭意検討した結果、ＳｉＣ−ＢＮ複合焼結体をガラス成型用型材として用いることにより、成形用型への加工性、ガラスとの離型性が良好なガラス成形用型材得られる事を見出した。すなわち、以下の手段を採用する。
窒化硼素が１０〜３０質量％、炭化珪素が６８〜８８質量％、炭化硼素と炭素の合計が０．５〜３．０質量％、酸化硼素が０．１５質量％以下であり、開気孔率が０．４％以下であるＳｉＣ−ＢＮ複合焼結体を用いたガラス成形用型材。

加熱したガラスを成形するためのガラス成形用型材に本発明のＳｉＣ−ＢＮ焼結体を用いることにより、ＳｉＣ焼結体より大幅に成形用型への加工性が向上し、ガラスとの離型性が良好なガラス成形用型材となる。

本発明は、窒化硼素が１０〜３０質量％、炭化珪素が６８〜８８質量％、炭化硼素と炭素の合計が０．５〜３．０質量％、酸化硼素が０．１５質量％以下であり、開気孔率が０．４％以下であるＳｉＣ−ＢＮ複合焼結体を用いたガラス成形用型材である。
窒化硼素１０質量％未満の場合、又は炭化珪素８８質量％を越えると硬度が高くなり機械加工性が低下し、加工コスト増大を及ぼす。窒化硼素３０質量％を越えた場合、又は炭化珪素６８質量％未満では、離型したガラス成型品の表面に窒化硼素粒子が付着しやすくなる。好ましくは、窒化硼素１２〜２８質量％、炭化珪素７０〜８６質量％あり、より好ましくは、窒化硼素１４〜２５質量％、炭化珪素７３〜８４質量％である。
焼結助剤は、炭化硼素と炭素の合計が０．５〜３．０質量％である。焼結助剤の合計が０．５質量％未満では、焼結が十分に起こらず、所望の開気孔率が得られずガラス成型時の離型性低下を招く。焼結助剤の合計が３．０質量％以上では、粒界の助剤層が増え離型性が低下する。好ましくは、０．７〜２．７質量％、より好ましくは、１．０〜２．５質量％である。酸化硼素の含有量０．１５質量％を超えるとガラス成型時の離型性低下を招き易くなる。
焼結体の開気孔率が０．４％を超えると、開気孔部にガラスが入り離型性が低下してくる。好ましくは、０．３％以下、さらに好ましくは、０．２％以下である。

本願発明に用いる炭化珪素としては、α−ＳｉＣ及びβ−ＳｉＣのどちらも使用可能である。又、両者混合していても使用可能である。比表面積は、７ｍ^２／ｇ以上の微粉炭化珪素が好ましい。金属不純物は、少ない方が好ましい。

窒化硼素としては、非晶質の窒化硼素、乱層構造の窒化硼素、六方昌の窒化硼素のいずれも用いることが可能である。比表面積は、１０ｍ^２／ｇ以上の微粒子が好ましく、又金属不純物は、少ないものが好ましい。

上記のような加工性、ガラスとの離型性が良好なガラス成形用型材を有する素材は、以下の条件を適用することで得られる。

原料粉末とその配合は、
（１）酸化硼素が０．４％以下、比表面積が１０ｍ^２／ｇ以上の窒化硼素１０〜３０質量％、
（２）比表面積が７．０ｍ^２／ｇ以上の炭化珪素６８〜８８質量％
（３）焼結助剤として炭化硼素と炭素が０．５〜３．０質量％
上記の混合粉末を以下の条件でホットプレス焼結するものである。
（４）圧力１０〜５０ＭＰａ
（５）温度１８５０〜２１５０℃
（６）保持時間 1〜６時間
（７）非酸化性雰囲気

窒化硼素の比表面積が１０ｍ^２／ｇ以下になると焼結体が緻密に成り難く、開気孔率が大きくなりやすい。好ましくは１３ｍ^２／ｇ以上、更に好ましくは、１５ｍ^２／ｇ以上である。
炭化珪素の比表面積は、焼結体の加工性に関係し、比表面積７ｍ^２／ｇ以下の場合、炭化珪素の焼結体の結晶粒子が大きくなり、所望の加工性が得にくい。又加工時の治具の摩耗が大きくなる。

混合は、湿式又は、乾式にて行う。好ましくは、混合粉末中の酸素が増加しにくいアルコ−ル系溶剤やフッ素系溶剤等を用い、湿式混合で均一混合粉末を得る事が望ましい。
焼結は、常圧焼結、加圧焼結、ホットプレス焼結等いずれも可能であるが、より緻密化しやすいホットプレス法が望ましい。（４）の圧力は、１０ＭＰａ未満では、十分緻密な焼結体が得られず、所望の離型性が得られにくい。圧力５０ＭＰａ以上では、設備が大きくなり、コスト的に不利となる。好ましくは、１０〜４５ＭＰａで、更に好ましくは、１５〜４０ＭＰａある。（５）の焼結温度１８５０℃未満では、十分緻密な焼結体が得られず、所望の離型性が得られにくい。焼結温度２１５０℃を越えるとカ−ボンダイスに付着し、製品とダイスの分離が困難となる。好ましくは、１８８０℃〜２０９０℃である。より好ましくは、１９００℃〜２０５０℃である。（６）の保持時間１時間未満では、十分な焼結体が得られにくく、所望の離型性が得られにくい。６時間を超えると結晶粒径が大きくなり、加工性低下を起こす。又、コストが高くなる。好ましくは、２〜４時間である。（７）の雰囲気は、非酸化性雰囲気で行う。

以下実施例により、本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
実施例１
先ず原料粉末は以下の方法で調整した。市販の炭化珪素粉末（純度９８．６質量％、比表面積１２ｍ^２／ｇ、平均粒径０．７μｍ）、六方晶窒化硼素粉末（純度９７．８質量％、平均粒径１．１μｍ、比表面積３１ｍ^２／ｇ、酸化硼素０．０８質量％）、市販の炭化硼素（平均粒径１．０μｍ）、及び黒鉛（比表面積７０ｍ^２／ｇ、純度９９．９質量％以上）を表１に示す所定の割合にて混合した。混合は、エタノ−ル溶液、Ｓｉ_３Ｎ_４ボ−ルを用い、ボ−ルミルにて、湿式で２０時間混合した後、乾燥、解砕し、混合粉末を得た。

混合粉末を内径１４０ｍｍの黒鉛製のダイスにセットしてホットプレス焼結し、直径１４０ｍｍ、厚み１０ｍｍの焼結体を得た。配合と焼結条件を表１に示す。
焼結体は取り出した後、直径３０ｍｍ、厚み８ｍｍに加工し、ＪＩＳＲ１６３４に準じて開気孔率を測定した。
その後、直径５ｍｍのダイヤ電着工具（ノリタケダイヤ製）にて深さ３ｍｍの穴加工を湿式で行い、加工終了時間を測定し、加工性を評価した。
加工条件は、マシニングセンタ−（キタムラ機械、MYCENTER-2XI）にて、＃１２０ダイヤ電着工具、回転数１００００ｒｐｍ、加工速度を調整しながら、負荷レベルを１０％にあわせて、工具にかかる荷重を一定にて行った。これらの結果を表２に示す。

又、焼結体より直径１０ｍｍ非球面形状の成形型を製作し、ガラス転移点（Ｔｇ）が５６０℃の光学ガラスを成型温度６２０℃、成型圧力２．５ＭＰa、加圧時間１分で成型した。成型後２００℃まで冷却した後、離型し、成型品を取り出して外観評価を行った。これらの結果を表２に示す。
さらに、焼結体を微粉砕し、Ｂ_２Ｏ_３含有量を日本セラミックス協会規格のＪＣＲＳ１０８−２００５（ファインセラミックス用窒化ほう素微粉末の化学分析方法）の付属法の酸化ほう素（Ｂ_２Ｏ_３）の定量法のメタノ−ル分解−気化分離−ＩＣＰ発光分析法にて測定した。結果を表２に示す。
なお、実施例と比較例のホットプレス焼結後の焼結体の化学組成を化学分析により確認した結果、原料の化学組成と同じであった。

実施例２〜７
酸化硼素の含有量が異なる六方晶窒化硼素、及び窒化硼素、炭化珪素、炭化硼素、炭素の配合比率とホットプレス焼結条件を変えた以外は、実施例１と同様な条件で行った。なお、実施例１〜３、５〜７は、ガラス成型用型材としての繰り返し耐久性においても良好であった。但し、実施例４は、他の実施例と比較して、繰り返し耐久性がやや劣る結果となった。

比較例１〜６
比較のため、本発明の範囲外の条件（表１に示す）でホットプレス焼結体を製作し、実施例１と同様な評価を行い、表２にその結果を示す。
比較例７
ＳｉＣ焼結体を製作し、実施例１と同様に評価した。
比較例２と７は、焼結体の加工時に、焼結体にカケが発生し、加工性が不適であった。

表２の結果から明らかなように、本発明の実施例では、いずれも機械加工性がＳｉＣ焼結体より良好であり、精密加工部品に好適であった。又、ガラス成型時の離型性も良好であり、ガラス成型用型材として好適であった。

本発明のガラス成型用型材は、精密加工性、及びガラス成型時の離型性に優れるので、デジタルカメラ、携帯電話、ＤＶＤ、プリズム、光通信等の光学素子及び装飾ガラス等のガラス部材の製造に広範囲にわたって、好適に使用可能である。

Claims

窒化硼素が１０〜３０質量％、炭化珪素が６８〜８８質量％、炭化硼素と炭素の合計が０．５〜３．０質量％、酸化硼素が０．１５質量％以下であり、開気孔率が０．４％以下であるＳｉＣ−ＢＮ複合焼結体を用いたガラス成形用型材。