JPH0214881A - 複合炭素材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光学ガラスレンズのプレス成形用鋳型等の用途
に利用される複合炭素材料に関し、詳細には表面精度並
びに耐熱性゛に優れた複合炭素材料に関するものである
。

［従来の技術］ 光学ガラスレンズの製造方法の一つとして、鋳型にガラ
ス原料を投入して直接プレス成形する方法があり、経済
的に有利であるところからその利用例が増加している。

この方法に使用される鋳型の材料特性としては、研磨に
よって優れた表面精度が得られること、耐熱性及び耐熱
衝撃性に優れていること、高温下でガラスに対して不活
性であること、鋳型表面が十分に硬く損傷を受けないこ
となどを挙げることができる。こうした特性を満足する
鋳型材料としては、従来、ガラス状炭素材料（特開昭４
７−１１２７７、同４９−８１４１９）、シリコンカー
バイド（Ｓ　ｉ　Ｃ）やシリコンナイトライド（Ｓｔｓ
Ｎ、ｌ）（特開昭５２−４５６１３）、タングステンカ
ーバイド（ＷＣ）やサーメットあるいはジルコニア等の
如く母材上にダイヤモンド薄膜をコーティングした材料
等が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかるに上記鋳型材料のうちガラス状炭素材料は、４０
０℃を超える空気中で酸化消耗すると共に、内部には５
−、２０μｍの閉気孔が残存しているので、研磨しても
満足し得る表面精度は得られず、硬度も不十分であった
。一方ＳｉＣや５ｔ３Ｎ４は耐熱性に優れ、且つ十分な
硬度を有するものの、結晶粒界の近傍に多くの不純物を
含んでおり、研磨後にこれらが欠陥となる結果、十分な
表面精度を得ることができない。又ダイヤモンド薄膜コ
ーテイング材は粒状に析出し、平滑な表面が得られない
という欠点がある。このように従来の鋳型材料には、前
記要求特性の全てを充足するものがなく、改良あるいは
新たな素材の開発が望まれている。こうした状況の中で
ＣＶＤやＰＶＤの技術を利用して鋳型基材の表面に硬質
膜を形成し表面精度等を改良しようとする提案もなされ
ているが、これらの方法では基材に起因する欠陥を消滅
させることはできない。尚欠陥を消滅させるような厚さ
の膜を形成することは工業的に困難である。当分針にお
いてＣＶＤやＰＶＤ技術を利用した技術的提案の例とし
ては、特開昭６０−１７６９２９が挙げられるが、該提
案では基材であるカーボン材料中にボアが多く存在する
のでその表面を研磨しても十分な表面精度が得られない
。従って予め粗研磨を施した上へＣＶＤあるいはＰＶＤ
によってβ−５ｉＣ層を被覆し、再研磨して鏡面に仕上
げている。尚β−３ｉＣ層がガラスレンズと反応すると
いう問題があるので、これを防止すべくβ−Ｓ　ｉ　Ｃ
層の表面にざらにα−Ｓ　ｉ　ＣＦ！あるいはアモルフ
ァスＳ　ｉ　Ｃｍを成膜している。このように、基材に
起因する欠陥の影響を解消することの必要上煩雑な工程
を採用しており、経済性の点で改善の余地が残されてい
ると共に、耐熱性については未だ十分なものでない。

本発明はこうした事情に着目してなされたものであり、
光学ガラスレンズの直接プレス成形用鋳型等に利用し得
る複合材料であって優れた表面精度を有すると共に高い
耐熱性を備えた複合材料を提供することを目的とするも
のである。

［課題を解決するための手段］ しかして上記目的を達成した本発明の複合炭素材料は、
高密度ガラス状炭素母材の表面に、残留水素濃度が０．
０６　ｇ　／　ｃｎ＋’以下、Ｃ／　Ｓ　ｆ原子比が３
．５〜５．５であるアモルファスＳｉＣ薄膜を積層して
なる点に要旨を有するものである。

［作用及び実施例〕 本発明に係る複合炭素材料は、高密度ガラス状炭素材料
を母材とし、その表面に高耐熱性を有する高硬度アモル
ファスＳｉＣ薄膜、即ち残留水素濃度が０．０６ｇ／ｃ
ｍ３以下、Ｃ／　Ｓ　を原子比が３．５〜５．５である
アモルファス５ｉｃｆｉ膜をＣＶＤやＰＶＤの手法によ
って形成してなるものであり、高密度ガラス状炭素材料
の高密度性と上記アモルファスＳｉＣ薄膜の耐熱性並び
に高硬度性を結合させることによって前記目的を達成し
たものである。

即ち上記高密度ガラス状炭素材料とは、内部に閉気孔を
含まない高密度材料を意味し、好ましくは見掛は密度が
１．８０以上、閉気孔率が０．１％以上であるガラス状
の炭素材料である。かかる高密度ガラス状炭素材料は実
買上内部に閉気孔を含まないので研磨後に優れた表面精
度を得ることができ、その表面にアモルファスＳｉＣ膜
を形成してなる鋳型に対して満足し得る表面平滑度を与
えることができる。尚見掛は密度が１．８０未満あるい
は閉気孔率が０．１％を超える場合には、研磨後に閉気
孔による凹凸が露呈して表面精度が悪化する。

又上記炭素材料はガラス状であることを必須要件として
いるが、その理由は結晶に方向性があると密度を高くし
ても気孔を消失させることができず、閉気孔率０．１％
以下を達成することが困難になるからである。

一方高密度ガラス状炭素母材の表面に積層されるアモル
ファスＳｉＣ薄膜は、単にアモルファス状態であるだけ
でなく、残留水素濃度及びＣ／Ｓｔ原子比が前記構成を
満足するものでなければならず、これらを満足すること
によって耐熱性が向上すると共にガラスレンズをプレス
成形した際の型離れ性も大幅に改良することができる。

又該アモルファスＳｉＣは、モース硬度が８〜９と高硬
度であり、プレス成形時に傷がつきにくく、鋳型として
の寿命も優れたものとなフている。ここで残留水素濃度
が０．０６ｇ／ｃｍ３を超える場合及びＣ／　Ｓ　ｉ原
子比が３．５未満の場合には耐熱性が低下し、一方ｃ／
ｓｉ原子比を５．５より高くしても耐熟性改善効果が飽
和して耐熱性をそれ以上高めることができない。さらに
アモルファスＳｉＣ膜にはアモルファスであるが故に結
晶粒界等の欠陥が存在せず、高密度ガラス状炭素材料の
優れた表面精度を保持することができる。

かかる本発明複合炭素材料の製造方法については特に制
限を設けるものではないが４例えば次の方法によって製
造することができる。

まず高密度ガラス状炭素基材を製造するに当たっては、
炭化焼成後にガラス状炭素となる熱硬化性樹脂を所望の
鋳型形状に成形した後、１０００〜１５００℃の温度で
予備焼成し、成形体中に残存するＨ、Ｎ、Ｏ等のガス成
分を除去する。次いでこの予備焼成品を２０５０〜２６
００℃の温度域まで加熱し、１０００気圧以上の等方向
圧力で加圧する。これにより予備焼成品中に存在する閉
気孔が消滅して高密度であると共に研磨後の表面精度に
優れたガラス状炭素材料を得ることができる。

上記炭化焼成後にガラス状炭素となる熱硬化性樹脂とし
ては、フェノール系樹脂、フラン系樹脂、キシレン系樹
脂、メラミン系樹脂、及びアニリン系樹脂等の粉末状の
ものと、レゾール及びノボラック型のフェノールホルム
アルデヒド系樹脂、フラン系樹脂、キシレン系樹脂、メ
ラミン系樹脂、及びアニリン系樹脂等の水性又は油性の
液状のもの等がある。

これらの熱硬化性樹脂は、公知の方法により所定の形状
に成形することができる。例えば、液状の熱硬化性樹脂
を枠に流し込んで型造めする方法や粒状の熱硬化性樹脂
を金型を使用して冷間プレス及び熱間ブレスする方法が
ある。また破壊靭性を高めるために、人造黒鉛、天然黒
鉛又はカーボンブラック等の炭素粒を添加し、有機増粘
剤と共に混練しで押出した後、圧延する方法もある。

尚閉気孔は後述する超高温熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）処
理によって消滅するが、閉気孔は大きな変化を示さない
。そこで熱間ブレスによって成形体の表面層を溶融させ
て緻密化しておくことは極めて有効である。

次に予備焼成については、上記熱硬化性樹脂成形体を乾
燥した後、Ｎ２又はＡｒガス等の不活性ガスの７囲気下
で、１０００乃至１５００℃の温度に加熱して行なう。

熱硬化性樹脂を１０００℃以上に予備焼成するのは前述
した様に成形体中のＨ，Ｎ、Ｏ等の残留ガス成分を減少
させるためであるが、一方成形体を１５００℃を超える
温度で熱処理すると結晶化が進行してしまい、後工程で
高温下の等方向圧力を加えても材料の緻密化が生じない
。このような理由で予備焼成温度は１０００乃至１５０
０℃とすることが望ましい。

次に予備焼成品の等方向加圧処理は、超高温熱間静水圧
加圧（ＨＩＰ）装置により実施することができる。等方
向加圧時の温度が２０５０℃未満の温度では、高い圧力
を印加しても閉気孔は消滅しない。また２５００乃至２
６００℃の極めて高い温度になると、この緻密化効果が
飽和するので、このような温度を超えて高い温度に加熱
するのは無駄である。

更に加圧圧力が１０００気圧未満では閉気孔が十分に消
滅せず、緻密化が進行しないので加圧圧力を１０００気
圧以上としている。このような緻密化が生じるためには
予備焼成品に等方向圧力を印加することが必要であり、
等方向圧力の下では黒鉛結晶の結晶成長が抑制され、非
晶質性を保持したまま上記温度域で塑性変形して緻密化
が進行する。大気圧下又は熱間ブレスのように一軸加圧
の異方的圧力下においては、２０００℃以上の温度域に
加熱されると、黒鉛結晶の結晶成長が発生し、一方向へ
の収縮が生じて逆に気孔は増加する。

以上の様にして予備焼成、熱間等方向加圧処理を施すこ
とによって高密度ガラス状炭素母材が得られる訳である
が、ここでその物性を規定すると、見掛は比重は１．８
以上、かさ比重は１．７以上であり、閉気孔率が０．１
％以下、曲げ強度も９００　ｋｇｆ／ｃｍ”以上を備え
ており、該高密度ガラス状炭素母材の表面を微細なダイ
ヤモンド砥粒を用いて研磨することによって鏡面（例え
ばＲｍａｘ５０Ａ精度で仕上げることができる。

次にこうして得られた高密度ガラス状炭素母材の表面に
アモルファスＳｉＣ薄膜を成膜するに当たっては、例え
ばＣＨ４やＣ２Ｈ４等の炭化水素ガスとＳｉ、Ｈｎ系ガ
スからなる成膜雰囲気中でＣＶＤ法による成膜を実施す
ればよい。しかるにＣＶＤ法によって得られるアモルフ
ァスＳｉＣ膜の耐熱性は原料ガスの流量比や基板温度に
大籾な影響を受ける。即ちアモルファスＳＩＣ膜の残留
水素濃度及びＣ／　Ｓ　ｉ原子比と耐熱温度との間には
、夫々第１，２図に示す様に、残留水素濃度が低い程、
またＣ／Ｓｉ比が高い程耐熱性が高くなるという関係が
ある。そしてこうした関係に基づいて本発明におけるア
モルファスＳｉＣ膜の物性を前記構成の通り定めた訳で
あるが、該物性を得る為の成膜条件としては原料ガスの
流量比を（炭化水素系ガス／　Ｓ　ｆ　ｍＨｙ１系ガス
）−３〜８、基板温度を２００〜５００℃とすることが
望まれる。

次に本発明の実施例について説明する。

本発明の要件を満足する複合炭素材料と、市販のガラス
状カーボン、β−５ｆＣ，タングステンカーバイド、サ
ーメットを夫々使用して光学レンズ成形用鋳型を作成し
、その表面粗さを調べたところ第１表に示す結果が得ら
れた。

ル 表 第１表に示される様に本発明材料からなる鋳型の表面精
度が優れていることは明らかであった。

次に本発明材料からなる鋳型の使用例について説明する
。

■高密度ガラス状炭素母材の表面にアモルファスＳｉＣ
薄膜を積層してなる光学レンズ成形用鋳型及び■高密度
ガラス状炭素のみで作成した鋳型を夫々用意した。

酸化鉛系光学ガラス（ＰｂＯニア０重量部、５ｉ０２：
２５重量部）を球形状に加工した供給用ガラスを予備加
熱した後、５６０℃に保持した上記鋳型に夫々投入して
５０　ｋｇ／ｃｍ’の圧力で６分間プレス成形した。３
００回プレス成形テス１−を繰り返した後、夫々の型の
表面状態を電子顕微鏡で観察し、評価した。

■のアモルファスＳｉＣを成膜した本発明に係る鋳型の
表面は、３００回のプレス成形後でも肌荒れ、すり傷等
は認められず、像形成能力の優れた光学ガラスレンズを
得ることができた。これに対し■の鋳型は酸化による消
耗が著しく３００回のプレス成形後には実用に耐え得る
光学ガラスレンズを得ることができなかった。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、表面精度、耐熱性
、耐食性が優れ、軽量で熱膨張係数が小さく、高硬度で
ある複合炭素材料を得ることができた。また本発明複合
炭素材料は高密度ガラス状炭素母材の表面に直接アモル
ファスＳｉＣ薄膜を積層したものであるので、製造工程
が簡素であり能率良く生産することができる。

そして本発明複合炭素材料で作成した光学ガラスレンズ
成形用鋳型を用Ｃ）ると、表面精度の優れたレンズを数
多く製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はアモルファスＳｉＣ膜中の水素濃度と耐熱温度
の関係を示すグラフ、第２図はアモルファスＳｉＣ膜中
のＣ／Ｓｔ比と耐熱温度の関係を示すグラフである。 嘗益題ミ （ｐ） 寝篭總駆 ＣＱ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高密度ガラス状炭素母材の表面に、残留水素濃度が０．
   ０６ｇ／ｃｍ＾３以下、Ｃ／Ｓｉ原子比が３．５〜５．
   ５であるアモルファスＳｉＣ薄膜を積層してなることを
   特徴とする複合炭素材料。