KR100787016B1

KR100787016B1 - 탄화텅스텐계 초경질재료 및 그 제조방법 그리고 그 재료를사용한 표면성형용 성형형 및 그 성형형의 제조방법

Info

Publication number: KR100787016B1
Application number: KR1020070026466A
Authority: KR
Inventors: 마사오 도끼따; 마사까즈 사까시따; 하루히꼬 구도
Original assignee: 에스피에스 신텍스 가부시키가이샤
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2007-12-18
Also published as: KR20070037731A; KR100763287B1; KR20030055169A

Abstract

본 발명은 탄화텅스텐 (WC) 및 불가피적 불순물로 이루어지는 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료 및 그 제조방법 그리고 그 재료를 사용한 표면성형용 성형형(成形型) 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료는 입자의 평균입경이 0.3㎛ 미만인 원료 분말을 사용하여 소결되고, 소결체의 이론밀도비가 99.0% 이상이고, 카본 (C) 의 총함유량이 6.20중량%를 초과하고 6.45중량% 이하의 범위내이고, 또한 바인더 및 1탄화 2텅스텐 (W₂C) 을 실질적으로 함유하지 않으며 펄스통전가압 소결법에 의해 소결된다.

Description

탄화텅스텐계 초경질재료 및 그 제조방법 그리고 그 재료를 사용한 표면성형용 성형형 및 그 성형형의 제조방법{TUNGSTEN CARBIDE-BASED ULTRA-HARD MATERIAL, PRODUCING METHOD THEREOF, MOLDING MOLD FOR MOLDING SURFACES USING SAID MATERIAL, AND PRODUCING METHOD OF SAID MOLD}

도 1 은 소결형의 예를 나타내는 단면도이다.

도 2 는 펄스통전가압 소결장치의 기본구성을 설명하는 도면이다.

도 3 은 본 발명의 성형의 제조공정에서 사용하는 소결형의 사시도이다.

도 4 는 도 1 의 소결형의 종단면도로서 중간에 바인더리스 초미립 초경합금 분말이 충전된 상태를 나타내는 도면이다.

도 5 는 본 발명에 의한 표면성형용 성형형의 일 실시형태의 사시도이다.

도 6 은 도 5 에 나타낸 표면성형용 성형형을 사용하여 플라스틱렌즈를 성형하는 예를 나타내는 도면이다.

도 7 은 본 발명의 실시예 1 의 설명도이다.

도 8 은 본 발명의 실시예 2 의 설명도이다.

도 9 는 다른 표면성형용 성형형을 사용하여 플라스틱렌즈를 성형하는 예를 나타내는 도면이다.

도 10 은 다른 표면성형용 성형형을 사용하여 유리렌즈를 성형하는 예를 나타내는 도면이다.

도 11 은 다른 표면성형용 성형형을 사용하여 유리렌즈를 성형하는 예를 나타내는 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 소결형 2 중공 원통형 형본체

3 구멍 4 하펀치

5 상펀치 p 원료분말

10 소결장치 11 하통전전극

12 상통전전극 13 수냉진공챔버

15 특수가압기구 16 제어장치

본 발명은 탄화텅스텐계 초경질재료 및 그 제조방법 그리고 표면성형용 성형형 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 예컨대 렌즈용 금형 등의 금형, 메카니컬시일, 노즐 등의 내마모부품, 내부식부품, 내열부품 또는 절삭공구 등의 재료로 사용하기에 적합하고, 높은 경도, 내마모성, 내부식성, 고밀도, 고강도를 가진 탄화텅스텐 및 불가피적 불순물만으로 이루어지는 소위 바인더리스의 탄화텅스텐계 초경질재료 및 그와 같은 초경질재료를 펄스통전가압 소결법을 이용하여 제조하는 제조방법, 그리고 예컨대 유리렌즈, 플라스틱렌즈와 같이 CD, DVD 등의 광픽업용 판독렌즈, 휴대전화용 카메라, 의료기기용 카메라 등의 작은 크기뿐만 아니라 보통 크기의 각종 광학렌즈로 사용하는 비구면을 가진 렌즈의 오목곡면, 볼록곡면, 평면 등의 표면을 성형하기에 적합한 표면성형용 성형형 및 그 성형형의 제조방법에 관한 것이다.

높은 경도, 내마모성, 내부식성을 갖는 탄화텅스텐계의 초경질재료는 종래부터 다양하게 개발되어 제안되고 있다. 이와 같은 탄화텅스텐계의 초경질재료 중에서 코발트 (Co) 등의 바인더를 거의 갖지 않은, 소위 바인더리스의 탄화텅스텐계 경질소결체로는, 예컨대 일본 공개특허공보 평3-115541호 (이하, 공보 (1)이라 칭함), 일본 공개특허공보 평8-208335호 (이하, 공보 (2)라 칭함) 에 나타나는 바와 같이 이미 알려진 것이 있다. 여기에서 「바인더리스」란 바인더가 되는 Co, Ni 등의 결합금속원소를 전혀 함유하지 않은 경우뿐만 아니라, 이와 같은 원소의 함유량이 바인더로 기능할 수 있는 최저 양에 미달되는 경우, 예컨대 1중량% 이하 또는 불가피적 불순물로 함유되는 경우도 포함하는 것을 말한다.

상기 이미 알려진 탄화텅스텐계 경질소결체 중, 상기 공보 (1) 에 나타난 소결체는 진공분위기하에서 실행하는 통상의 가압 소결법에 의해 소결하는 것으로 소결시간이 길기 때문에, 소결과정에서 분말인 탄화텅스텐의 입자가 성장되어 소결체의 입자가 커져, 미세한 조직구조이며 높은 경도의 소결체를 얻을 수 없는 문제가 있을 뿐만 아니라, 탄화텅스텐 및 불가피적 불순물 외에 탄화탄탈, 탄화티탄 또는 질화티탄을 함유하는 것으로 본 발명이 의도하는 탄화텅스텐계 초경질재료와는 다 르다. 또 상기 공보 (2) 에 기재된 소결체는 펄스통전가압 소결법을 이용하여 소결한 탄화텅스텐 및 불가피적 불순물로 이루어지는 소결체이기는 하지만, 평균입경이 0.3㎛ 이상이고, 또 출발 원료분말중의 프리카본량 및 소결체중의 총(토탈)카본량을 제어하는 기술사상은 상기 공보 (2) 에는 개시되어 있지 않아, 본 발명이 의도하는 초경질재료는 제공할 수 없다.

종래의 소결법과 달리 방전 플라스마 소결법에 대표되는 펄스통전가압 소결법 (방전 플라스마 소결, 방전 소결, 플라스마 활성화 소결법 등을 포함) 에서는 원리적으로 출발 원료분말의 입자표면에서의 확산이 지배적이고, 이 소결기구에 합치된 특히 원료분말의 입자표면성상, 조성의 적절한 선택이 고품위의 소결체를 얻는데에 중요한 인자가 되고 있다.

시판되고 있는 바인더리스 탄화텅스텐 분말은, 그 제조공정상 WC 와 1중량% 이하의 크롬 (Cr) 과 산소 (O) 및 0.05∼0.09% 정도의 프리카본 (C) 과 ppm 오더의 각종 불가피적 불순물로서의 Al, Ca, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Si 및 Sn 등을 함유하고 있다.

본 발명자는 시판되고 있는 이와 같은 원료분말을 사용한, 소위 바인더리스의 탄화텅스텐계 초경질재료의 제조방법에 대해 예의연구를 거듭한 결과, 치밀하고 건전한 고품질과 관련되는 초경질재료를 얻기 위해서는, 펄스통전가압 소결법에 의해 소결체로 만들고, 또한 총카본량 (총탄소량) 의 조정과, 특정한 최적소결조건의 조합이 매우 중요한 것을 발견하였다.

예컨대 종래부터 WC-Co계 합금의 경우, η층 (Co₃W₃C) 이 생성되지 않고 또한 프리카본이 잔류되지 않는 건전한 상(相) 영역은, Co량 5∼25중량% 첨가에서 적정 카본량 (C) 약 5.7∼6.2중량% 정도, 최대 3.5중량%의 폭을 갖는 것으로 종래부터 알려져 있다. 낮은 Co 합금측일수록 C량의 허용값은 좁고, 예컨대 Co량이 5중량%인 경우에는 약 6.1∼6.2중량%로 허용폭이 불과 0.1%에 지나지 않는다. 또한 Co량이 0%인 경우에는 프리카본이 없고 W₂C상이 생성되지 않는 건전 상영역은 6.13∼6.2% 범위로 추정되고 있다.

WC 의 화학양론조성의 탄소량은 6.13% 이지만, 격자 상수의 변화에 따라 달라지는 것으로 생각된다.

또 미국특허 제5,681,783호에 의하면, 핫프레스법, 상압소결법으로 제작된, 0.2중량% 이하의 코발트를 함유하는 바인더리스 WC 소결체는, 밀도 97%, 98% 에서 각각 비커스경도가 2400㎏/㎟ 이상, 2500㎏/㎟ 이상을 나타내, 모두 총카본량 5.0∼6.05중량%로 되어 있다.

이미 알려진 종래의 탄화텅스텐계의 초경질재료는 WC의 고순도재료의 관점에서는 반드시 만족할 수 있는 것이 아니어서 개선이 더욱 요망되었다.

한편, 예컨대 유리렌즈, 플라스틱렌즈 등에서 피성형품의 표면을 비구면으로 성형하는 것이 요구되는 경우가 있다. 유리렌즈 또는 플라스틱렌즈에서 이와 같은 비구면을 성형하는 경우에는, 성형하고자 하는 비구면에 대응하는 비구면 (성형되는 면이 볼록형상인 비구면의 경우에는 오목형상 비구면이고, 오목형상인 비구 면의 경우에는 볼록형상 비구면) 형상을 갖는 경면 성형형을 제조하고, 그 성형형을 사용하여 유리 또는 플라스틱 주입용의 캐비티를 획성하고, 그 캐비티내에 유리재 또는 플라스틱재를 주입ㆍ전사성형하여 유리렌즈 또는 플라스틱렌즈를 제조한다.

이와 같은 표면성형용 성형형을 제조하는 종래의 방법으로는, 유리렌즈의 경우는 텅스텐카바이드기 초경합금에 조(粗)연삭가공, 마무리절삭가공을 실행하고, 비구면을 형성한 후 경면연마마무리를 실행하며, 추가로 유리와의 반응성, 이형성, 잔류 마이크로 포어의 충전효과 등을 고려하여, 백금계의 귀금속 함금도금 (증착) 처리 또는 실리콘카바이드 (SiC) 다이아몬드 라이크 카본 (DLC) 보호박막 등의 증착가공을 실행한다. 또 플라스틱렌즈의 경우에는, SKD61과 같은 2 ∼ 5%의 크롬을 함유하는 재료를 모재로 사용하고, 그 모재를 20 ∼ 200㎛의 오차범위에서 조(粗)가공하여 금형모재로 한다. 그 후 그 금형모재의 적어도 표면성형부 근방에 무전해 니켈-인 도금을 실행하여 그 니켈-인 도금층을 형성하고, 그 도금층을 원하는 경도로 한 후, 다이아몬드바이트에 의해 경면절삭가공을 실행하여 표면성형용 성형면으로 마무리한다.

그런데 이와 같은 종래의 예컨대 니켈-인 도금층을 실행하는 방법에서는 도금공정에 수십시간이나 걸리는 매우 번거로운 공정이기 때문에, 성형형의 제조비용이 증가되고, 또한 성형금형을 제조하는 데에 필요한 기간도 길어지는 결점이 있다. 게다가 금형모재의 무전해 니켈-인 도금층에 성형면을 형성하는 방법에서 는 수율이 낮아지는 문제가 있다. 또 종래의 텅스텐ㆍ카바이드ㆍ코발트계의 초경합금에서는 코발트를 2∼10중량% 함유하는 액상소결이기 때문에 코발트 풀 부분이 유리성형시에 손상될 우려가 있고, 연마가공해도 렌즈표면용의 고품위 균질경면을 얻기 어려워 보호용 금속 도금을 필요로 한다. 또 렌즈표면을 특수한 초정밀 연삭가공기로 실행하거나, 또는 방전가공과 같은 열적제거가공법으로 제작하기 때문에 제조비용이 증가되는 결점이 있다. 상압소결법, 핫프레스법, HIP법 등의 종래법에 의한 바인더리스 초미립 초경합금 소결체에서는 출발원료의 이상입자 성장이 있고, 또 텅스텐카바이드를 치밀하게 마이크로 포어 없이 고상소결하는 것은 매우 곤란하여 원하는 렌즈용 경면을 얻는 것은 불가능하였다.

본 발명의 목적은 탄화텅스텐 (WC) 및 불가피적 불순물만으로 이루어지고, 높은 경도, 내마모성, 내부식성, 고밀도, 고강도를 갖는 소위 바인더리스 탄화텅스텐계 초경질재료 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 시판되고 있는 바인더리스 탄화텅스텐의 분말을 사용하여, 높은 경도, 내마모성, 내부식성, 고밀도, 고강도를 갖는 고품질의 소위 바인더리스 탄화텅스텐계 초경질재료 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 WC 및 불가피적 불순물만으로 이루어져 있고 W₂C 를 함유하지 않으며, 프리카본도 없고, 미세한 조직구조로 높은 경도, 내마모성, 내부식성, 고밀도, 고강도를 갖는 소위 바인더리스 탄화텅스텐계 초경질재료 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 WC 및 불가피적 불순물만으로 이루어져 있고 W₂C, 프리카본 및 바인더 원소를 전혀 함유하지 않으며, 미세한 조직구조로 높은 경도, 내마모성, 내부식성, 고밀도, 고강도를 갖는 WC 단일 상의 고순도 바인더리스 탄화텅스텐계 초경질재료 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 성형형의 성형면을 구획하는 부분에 니켈-인의 층을 성형하지 않고 모재를 직접 소결가공하여 성형면으로 한 표면성형용 성형형 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 단기간에 제조할 수 있어 비용저감을 도모하면서 초정밀연삭가공에 의한 기계적 제거가공이나 방전가공과 같은 열적파괴제거가공을 생략함으로써 고품위의 표면을 갖는 표면성형용 성형형 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 바인더리스의 초미립의 초경합금 또는 탄화물계 세라믹스 분말재료를, 방전 플라스마 소결법, 플라스마 활성화 소결법 또는 방전 소결법 등의 펄스통전가압 소결법에 의해 니어 네트 셰이프 (near-net-shape) 성형 소결하여 만든 성형형 및 그 제조방법을 제공함으로써 종래품보다 고경도이고 미세한 결정조직구조가 보다 치밀한 렌즈형 등을 저가로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 니어 네트 셰이프 성형법으로 펄스통전가압 소결에 의해 소결함으로써 초정밀연삭가공기에 의한 표면형상부여를 위한 조연삭가공, 마무리연삭가공 공정 또는 방전가공 등에 의한 표면부여후 가공 공정을 생략하여 단기간에 표면성형셩을 제조할 수 있어, 후공정의 절삭연마공정을 대폭 삭감하여 비용 저감을 도모하면서 기계적 제거가공이나 열적파괴제거가공을 생략함으로써 고품위의 표면을 갖는 표면성형용 성형형 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본원의 하나의 발명은 탄화텅스텐 (WC) 및 불가피적 불순물로 이루어지는 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료이고, 입자의 평균입경이 바람직하게는 0.3㎛ 미만인 원료분말을 사용하여 소결되고, 소결체의 이론밀도비가 99.0% 이상이고, 카본 (C) 의 총함유량이 바람직하게는 6.20중량%를 초과하고 6.45중량% 이하의 범위내이고, 또한 바인더 및 1탄화 2텅스텐 (W₂C) 을 실질적으로 함유하지 않는, 방전플라스마 소결법으로 대표되는 펄스통전가압 소결법에 의해 소결되는 점에 특징을 갖는다.

상기 하나의 발명에 있어서, 원료분말의 평균입경을 보다 바람직하게는 0.3㎛ 미만 0.1㎛ 이상으로 하고, 카본 (C) 의 총함유량을 보다 바람직하게는 6.25중량%를 초과하여 6.40중량%의 범위내로 해도 된다.

여기에서 바인더를 실질적으로 함유하지 않는다는 것은, 바인더로서의 기능을 갖는 원소, 예컨대 코발트 (Co), 니켈 (Ni) 등을 그 기능을 발휘할 수 있는 양만큼 함유하고 있지 않은 것을 말하고, 구체적으로는 불가피적 불순물로 함유되는 경우 또는 1중량% 미만의 경우를 말한다. W₂C 를 실질적으로 함유하지 않는다고 한 것은 불가피적 불순물로 함유되는 경우가 있기 때문이다. 또한 탄화텅스텐의 이론밀도 폭은 15.5 ∼ 15.7이나, 본 발명에서는 15.55 (실시예 1 ∼ 5) 및 15.45 (실시예 6) 의 값을 채택하여 이론밀도비를 정한다. 이것은 탄화텅스텐의 탄소의 고용영역에는 폭이 있고, 본 발명의 실시예 1 ∼ 5 의 소결체에서는 고탄소 고용영역이 되므로 15.55를 이론밀도로 하고, 실시예 6 의 소결체에서는 Co 를 함유하고 있으므로 15.45 로 하였다.

통상 시판되고 있는 바인더리스 초경 WC 소결체에서는 총카본량은 6.0∼6.2중량% 정도 함유되어 있지만, 방전 플라스마 소결법으로 치밀하고 건전한 WC 단일 상의 소결체 (프리카본, W₂C 를 함유하지 않음) 를 얻기 위해서는, 6.20∼6.45%가 되어, 전술한 허용값폭 0.1%에서 보면 크고, 총카본량을 증가시킴으로써 고품질의 소결체가 얻어진다. 상기 미국특허의 내용과 비교하면, 최대값 1.45% 의 대폭적인 차이로 된다.

이와 같은 미량의 카본량 조정은 그래파이트형내에서 단시간 신속소결을 실행하는 방전 플라스마 소결에서는, 소결 도중에 그래파이트 (카본) 형의 내벽면 및/또는 형내벽면에 도포한 이형제와의 접촉면, WC 원료분말에 함유되어 있는 아주 미량의 프리카본, 크롬, 흡착산소, 필요에 따라 적절히 사용되는 이형제 등과 WC 원료분말중의 WC 를 반응시키면서 소결을 진행시켜 가기 때문에, WC 단일 상 소결체를 얻는 데에 펄스통전소결조건 (통전시간, 펄스폭, 주파수, 가압력, 온도, 냉각방법, 형 구조, 형 재질 등) 과의 적합성에 따라 변화되는 중요한 요소이다.

방전 플라스마 소결법에서는 온ㆍ오프 펄스통전에 의한 입계에서의 급속가열, 방전 플라스마, 방전충격압력, 주울(joule) 열 등의 열확산효과와 전자장에 의한 전계확산효과 등을 발생시키기 때문에, 종래의 프로세스와는 다른 소결 메카니즘으로 WC 입자끼리가 결합되어 간다. 소결조건의 적정한 선택을 도모함으로써 밀도 99.0% 이상의 치밀도로 마이크로 포어가 전혀 없는 건전한 WC 단일 상 소결체를 안정적으로 재현성높게 얻을 수 있게 되었다.

소결중, 출발 원료분말 내부의 카본량이 과소하면 반응소결한 결과 W₂C (1탄화 2텅스텐) 를 생성하여 물성이 열화된다. 카본량이 과다하면 프리카본이 잔류되어 물성이 저하된다. 따라서 출발 원료분말중의 프리카본량을 적정 제어하여 반응소결을 진행시키면서 입자표면의 흡착가스, CO, CO₂ 가스가 되어 소실되는 정도를 고려하여 연구한 결과, 최종 소결체 단계에서는 W₂C 의 생성도 없고, 프리카본도 발생하지 않는 방법을 발견하였다. 본 소결조건하에서 소결전 분말중의 적정 프리카본량은 0.14∼0.18 중량%의 범위가 바람직하다. 시판되고 있는 원료분말상태에서의 프리카본량의 0.05∼0.09중량%에서는 부족해진다. 따라서 최종적으로 WC 소결체의 총카본량을 6.2∼6.45중량%가 되는 원료분말조성으로 하는 것이 필요한 것을 알 수 있었다.

상기 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료에 있어서, 입자의 평균입경을 바람직하게는 0.3μ미만으로 한 것은, 평균입경이 그 값을 초과하면, 방전 플라스마 소결법으로 입성장을 억제한 소결을 실행하여 초미세한 조직구조의 WC 단일 상 소 결체를 얻을 수 있는 데다, 시판품으로 입수가능한 범위, 즉 비용적으로 유리한 보다 입도가 미세한 것을 선택할 필요가 있기 때문이다. 또 보다 바람직하게는 0.3㎛ 미만 0.1㎛ 이상인 것으로 한 것은 0.1㎛ 미만인 분말재료의 가격이 매우 고가로 되어 비용적으로 실용에 적합하지 않기 때문이다. 카본의 총함유량을 바람직하게는 6.20중량%를 초과하고 6.45중량% 이하의 범위내로 한 것은, 총함유량이 6.20중량% 이하에서는 카본량 부족으로 W₂C 가 발생해 단일 상으로 되지 않아 편차 없이 균질하게 안정적으로 소결할 수 없게 되기 때문이고, 6.45중량% 이하로 한 것은 총함유량이 6.45중량%를 초과하면 소결체중에 프리카본이 발생해 경질재료의 특성에 악영향을 주기 때문이다. 또한 이론밀도비를 99.0% 이상으로 한 것은, 이론밀도비가 그 값 미만에서는 소결체로서 경도가 저하되고, 마이크로 포어가 잔류되거나 하여 양호한 경질재료가 되지 않고, 또 편차 없이 균질하게 안정적으로 소결할 수 없기 때문이다. 그리고 또 바인더 및 W₂C 를 실질적으로 함유하지 않는다고 한 것은, 이들 함유량이 많아지면 경도, 인성, 항절력 등의 기계적 성질이 저하되어 경질재료로서의 특성이 열화되기 때문이다.

상기 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료에 있어서, 상기 바인더의 함유량이 0 (0으로 간주할 수 있는 양도 포함) 이어도 되고, 또 W₂C 의 함유량이 0이어도 된다.

이와 같이 함으로써, 탄화텅스텐계 초경질재료의 순도를 높여, 경도, 내부식성, 내마모성 등의 향상을 도모할 수 있고, 예컨대 본 발명의 초경질재료를 비구면 뿐만 아니라 구면렌즈용 렌즈금형에 응용해도 에치 핏 등을 발생시키지 않아, 내식성, 내마모성 및 내열성이 있는 매우 고품위의 경면을 갖는 성형면이 얻어지기 때문이다.

또한 상기 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료에 있어서, 프리카본을 실질적으로 함유하지 않도록 해도 된다. 이와 같이 함으로써 탄화텅스텐계 초경질재료의 순도를 높이고, 상기와 동일하게 탄화텅스텐계 초경질재료의 순도를 높여, 경도, 내부식성, 내마모성 등의 향상을 도모할 수 있기 때문이다.

본원의 다른 발명은 탄화텅스텐 (WC) 및 불가피적 불순물로 이루어지는 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료의 제조방법에 있어서,

탄화텅스텐 분말 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 평균입경이 0.3㎛ 미만이며, 바인더를 실질적으로 함유하지 않은 원료분말을 준비하고,

상기 원료분말에 소결 후의 경질재료 중의 카본 총함유량이 6.20중량%를 초과하고 6.45중량% 이하의 범위내로 되도록 원료분말중의 카본량을 조정하고.

*상기 원료분말의 소정량을 그래파이트제의 소결형내에 충전하고,

상기 소결형을 진공 또는 불활성 분위기 중에 놓고, 원하는 펄스통전가압 소결조건으로 소결하는 것에 특징을 갖는다.

입자의 평균입경을 바람직하게는 0.3μ미만으로 하고, 보다 바람직하게는 0.3㎛ 미만 0.1㎛ 이상으로 한 이유, 카본의 총함유량이 바람직하게는 6.20중량%를 초과하고 6.45중량% 이하의 범위내로 되도록 분말의 카본량을 조정하는 이유는 상 기 하나의 발명이유와 동일하다. 또, 소결을 실시하는 소결형을 그래파이트로 한 것은, 현시점에서는 비용면에서 유리하며 통전성이 있고 또한 고온에 견딜 수 있는 소결형재가 달리 발견되지 않기 때문이다. 또한, 펄스통전가압 소결법에 의해 소결하는 것으로 한 것은, 종래의 다른 소결법에서는 소결시간이 길어지고 입자성장과 결정의 조대화에 의해 경도, 항절력, 인성 등의 기계적 성질이 저하되기 때문이다. 또 펄스통전가압법에 의한 특유의 효과, 즉 입계에서의 급속가열, 방전플라즈마, 방전충격압력 및 줄 열 등의 열확산효과와 전자장에 의한 전계확산효과 등 단시간에 고상 확산소결할 수 있고, 치밀화속도, 확산속도를 변화시켜 WC 의 격자정수를 변화시키는 현상을 초래하여 화학량론 조성과 다른 토털카본량을 갖는 단일 상의 WC 를 얻는 효과를 종래의 다른 소결법에서는 기대할 수 없기 때문이다.

상기 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료의 제조방법에 있어서, 상기 첨가하는 카본량 (중량%) 을 소결에 의해 형성되는 소결체의 표면적 및 용적의 적어도 한쪽을 고려하여 결정해도 된다. 이와 같이 함으로써 그래파이트제 소결형으로부터 소결체로 이행하는 카본량을 예측할 수 있어 카본의 총함유량의 제어를 정확하게 할 수 있기 때문이다.

또, 상기 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료의 제조방법에 있어서, 상기 펄스통전가압 소결의 소결조건을 바람직하게는 소결온도 1600∼1900℃, 가압력 10∼100㎫, 승온속도 30∼150℃/분, 유지시간 0∼5 분으로 해도 되고, 보다 바람직하게는 소결온도 1600∼1800℃, 가압력 30∼50㎫, 승온속도 30∼70℃/분, 유지시간 0 ∼3 분으로 해도 된다.

또한, 상기 소결조건에 추가로 소결전압이 20V 이하, 소결전류가 2000∼8000A (직류 펄스전류) 및 전류밀도가 70∼280A/㎠ 등의 조건을 부가해도 된다.

본원의 다른 발명은 유리재료 또는 수지재료로 이루어지는 성형품 표면을 성형하기 위한 성형형에 있어서, 상기 성형형의 적어도 상기 표면을 성형하는 부분에 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료가 사용되어 펄스통전가압 소결법에 의해 소결하여 원하는 형상으로 형성되고, 상기 표면을 성형하기 위한 성형면이 경면형상으로 소결되어 구성되어 있다.

본원의 또 다른 발명은 유리재료 또는 수지재료로 이루어지는 성형품 표면을 성형하기 위한 성형형에 있어서, 상기 성형형의 적어도 선단부의 상기 표면을 성형하는 부분에 바인더리스의 탄화물계 세라믹스 분말재료가 사용되어 펄스통전가압 소결법에 의해 소결하여 원하는 형상으로 형성되고, 상기 표면을 성형하기 위한 성형면이 경면형상으로 소결되어 구성되어 있다.

상기 구성의 표면성형용 성형형에 있어서, 상기 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료는 코발트함유량이 0 중량% ∼ 1 중량% 이하인 텅스텐카바이드기 초경합금이어도 되고, 또 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료의 텅스텡카바이드 입자의 평균입경이 0.5㎛ 이하여도 된다.

또한, 상기 표면성형용 성형형에 있어서, 연마가공 이전에 상기 성형형의 적어도 소결된 적어도 성형면이 Ra 가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상의 매끄러운 표면 에 니어 네트 셰이프 소결되어 있어도 되고, 또 상기 성형형 전체가 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료로 이루어져 있고, Ra가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상의 매끄러운 니어 네트 셰이프 소결되어 있어도 된다.

또한, 상기 표면성형용 성형형에 있어서, 연마한 상기 성형형이 유리렌즈 또는 플라스틱렌즈의 비구면 렌즈의 성형에 사용되는 것이어도 된다.

상기 다른 발명에 의한 표면성형용 성형형에 있어서, 연마가공전에 상기 성형형의 상기 성형면의 부분이 바인더리스의 탄화물계 세라믹스 분말재료로 이루어져 있고, 소결된 적어도 성형면이 Ra 가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상의 매끄러운 표면에 니어 네트 셰이프 소결되어 있어도 되고, 또 상기 성형형 전체가 바인더리스의 탄화물계 세라믹스 분말재료로 이루어져 있고, 성형형의 상기 성형면이 Ra 가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상의 매끄러운 표면에 니어 네트 셰이프 소결되어 있어도 된다.

본원의 또 다른 발명은 유리재료 또는 수지재료로 이루어지는 성형품 표면을 성형하기 위한 성형형의 제조방법에 있어서,

바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료를 준비하고,

상기 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료를 적어도 상기 표면을 성형하는 성형형의 부분에 사용하여 펄스통전가압 소결법에 의해 상기 성형형을 니어 네트 셰이프 성형에 의해 렌즈 성형형을 소결하고,

상기 표면을 성형하기 위한 성형형의 성형면을 상기 성형면에 맞닿는 맞닿음면이 경면형상을 갖는 펀치를 사용하고, 그 맞닿음면을 전사하여 Ra 0.5㎛ 이하의 경면형상으로 경면 소결하도록 구성되어 있다.

바인더리스의 탄화물계 세라믹스 분말재료를 준비하고,

상기 바인더리스의 탄화물계 세라믹스을 적어도 상기 표면을 성형하는 성형형의 부분에 사용하여 펄스통전 소결법에 의해 상기 니어 네트 셰이프 성형에 의해 렌즈 성형형을 소결하고,

상기 표면을 성형하기 위한 성형형의 성형면을 상기 성형면에 맞닿는 맞닿음면이 경면형상을 갖는 펀치를 사용하고, 그 맞닿음면을 전사하여 Ra 가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상으로 경면 소결하도록 구성되어 있다.

상기 표면성형용 성형형의 제조방법에 있어서, 상기 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료는 코발트함유량이 0 중량% ∼ 1 중량% 의 텅스텐카바이드기 초경합금이어도 되고, 또 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료의 텅스텐카바이드 입자의 평균입경이 0.5㎛ 이하여도 된다.

또, 상기 표면성형용 성형형의 제조방법에 있어서, 상기 성형면에 맞닿는 맞닿음면이 경면형상을 갖는 그래파이트제 펀치를 사용하고, 상기 성형형의 적어도 성형면을 충실히 경면 전사시켜 Ra 가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상의 매끄러운 표면에 소결가공해도 된다.

상기 또 다른 발명에 의한 표면성형용 성형형의 제조방법에 있어서, 바인더리스의 탄화물계 세라믹스 분말재료입자의 평균입경이 0.5㎛ 이하여도 되고, 또 상기 성형형의 적어도 니어 네트 셰이프 성형면을 Ra 가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상의 매끄러운 표면에 소결가공해도 된다.

또한, 상기 펄스통전가압 소결법이 방전플라즈마 소결법, 플라즈마활성화 소결법 또는 방전 소결법이어도 된다.

실시의 형태

다음에, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

본원에 의한 탄화텅스텐 (WC) 및 불가피 불순물로 이루어지는 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료를 제조하는 경우, 전술한 바와 같이 우선 탄화텅스텐분말 및 불가피 불순물로 이루어지는 원료분말을 예컨대 시판되고 있는 것을 구입하여 준비한다. 이 경우, 원료분말입자의 평균입경은 소결 후의 소결체 (초경질재료) 입자의 평균입경을 1.0㎛ 이하가 초미세 조직구조로 하는 것을 고려하여 0.3㎛ 미만으로 한다. 그리고, 원료분말에는 바인더가 실질적으로 포함되지 않도록 한다. 이와 같이 준비한 원료분말에는 소결 후의 초경질재료 중 카본의 총함유량이 6.20 중량% 초과 6.45 중량% 이하의 범위내가 되도록 단체 카본을 첨가하여 원료분말중의 카본량을 조정한다.

상기 원료분말 (p) 을 원하는 양, 예컨대 도 1 에 나타내는 바와 같은 소결형 (1) 내에 충전한다. 이 소결형 (1) 은 관통하는 구멍 (3) 을 구획하는 중공 원통형 형본체 (2) 와, 구멍의 하부에 삽입되는 하펀치 (4) 와, 구멍의 상부에 삽 입되는 상펀치 (5) 를 구비하고, 형본체 (2) 및 상, 하펀치 (4, 5) 는 그래파이트로 만들어져 있다. 그리고 원료분말 (p) 은 구멍 (3) 내에서 하펀치 (4) 와 상펀치 (5) 사이에 장입되어 소결형으로의 장입이 완료된다.

상기와 같이 장입이 완료된 소결형을 도 2 에서 원리구성이 나타나 있는 펄스통전가압 소결장치로서의 방전플라즈마 소결기 (10) 에 세트한다. 도 2 에서 11 은 하통전전극, 12 는 상통전전극, 13 은 소결영역을 진공분위기로 하는 수냉가능한 진공챔버, 14 는 하 및 상통전전극 (11, 12) 에 접속된 소결전원, 15 는 하통전전극 (11) 및/또는 상통전전극 (12) 에 가압력을 작용시키는 가압기구, 16 은 제어장치이다. 소결전원을 공급할 수 있는 전력은 전압이 20V 이하이며 전류가 예컨대 1000∼30000A 이다. 하통전전극 (11) 과 상통전전극 (12) 사이에 소결형 (1) 을 끼우고 진공챔버 (13) 내에서 하기와 같은 소결조건으로 소결한다. 또한, 하기의 소결온도란, 소결형 표면을 비접촉으로 측정하여 얻은 온도이다.

소결온도: 1600∼1900℃

가압력: 10∼100㎫

승온속도: 30∼150℃/분

유지시간: 0∼5 분

소결전압: 20V 이하

소결전류: 2000∼8000A (직류 펄스전류)

전류밀도: 70∼280A/㎠

소결분위기: 진공 또는 불활성 가스

(실시예 1)

원료분말로서 평균입경이 0.2㎛ 이며 BET 법에 의해 측정한 표면적이 3.23㎡/g 인, 다음 표 1 에 나타내는 조성으로 이루어지는 시판되고 있는 탄화텅스텐 소결용 원료분말을 220g 준비하였다.

조성성분	함유량	조성성분	함유량
FC(중량%)	0.09	Mg(ppm)	＜1
CC(중량%)	6.08	Mn(ppm)	＜1
Cr(중량%)	0.88	Mo(ppm)	1
O(중량%)	0.27	Ni(ppm)	3
Al(ppm)	＜2	Si(ppm)	＜5
Ca(ppm)	2	Sn(ppm)	＜2
Cu(ppm)	＜1	W	잔량
Fe(ppm)	28

상기 표 중에서 FC 프리카본을 나타내고, CC 는 WC 분말에 고용된 카본을 나타낸다.

상기 원료에 단체 카본을 0.13g (0.006 중량%) 첨가하여 잘 혼합시켰다. 이 단체 카본은 상기 공보 (2) 에서 개시된 첨가카본량 (0.1 ∼ 0.3 중량%) 보다 분명히 적다.

상기와 같이 카본량을 엄밀하게 조정한 원료분말을 도 1 에 나타내는 바와 같은 소결형에 충전하고, 도 2 에 나타내는 바와 같은 기본구성을 갖는 펄스통전가압 소결장치에 세트하여 진공분위기하에서 다음 소결조건으로 소결하였다.

소결온도: 1870℃

가압력: 30㎫

승온속도: 55℃/분

유지시간: 1 분

소결전압: 5.5V

소결전류: 6500A (직류 펄스전류)

전류밀도: 230A/㎠

통전시간: 35 분

상기와 같이 소결하여 얻어진 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료를 주사형 전자현미경 및 X 선 마이크로애널라이저 (EPMA) 에 의해 분석한 결과는 표 5 에 나타내는 바와 같고, 그 기계적 및 물리적 특성은 표 6 에 나타내는 바와 같다.

(실시예 2)

원료분말로서 평균입경이 0.2㎛ 이며 BET 법에 의해 측정한 표면적이 3.30㎡/g 인, 다음 표 2 에 나타내는 조성으로 이루어지는 시판되고 있는 탄화텅스텐소결용 원료분말을 55g 준비하였다.

조성성분	함유량	조성성분	함유량
FC(중량%)	0.09	Mg(ppm)	＜1
CC(중량%)	6.07	Mn(ppm)	＜1
Cr(중량%)	0.82	Mo(ppm)	＜1
O(중량%)	0.37	Ni(ppm)	2
Al(ppm)	＜2	Si(ppm)	＜5
Ca(ppm)	1	Sn(ppm)	＜2
Cu(ppm)	＜1	W	잔량
Fe(ppm)	27

상기 표에서 FC 및 CC 는 상기 표 1 의 설명과 동일하다.

상기 원료에 단체 카본을 0.03g (0.05 중량%) 첨가하여 잘 혼합시켰다. 이 단체 카본은 상기 공보 (2) 에서 개시된 첨가카본량 (0.1 ∼ 0.3 중량%) 보다 분명히 적다.

소결온도: 1850℃

가압력: 20㎫

승온속도: 60℃/분

유지시간: 2 분

소결전압: 4.8V

소결전류: 4000A (직류 펄스전류)

전류밀도: 320A/㎠

통전시간: 33 분

(실시예 3)

원료분말로서 평균입경이 0.2㎛ 이며 BET 법에 의해 측정한 표면적이 3.23㎡/g 인, 다음 표 3 에 나타내는 조성으로 이루어지는 시판되고 있는 탄화텅스텐소결용 원료분말을 440g 준비하였다.

상기 표에서 FC 및 CC 는 상기 표 1 의 설명과 동일하다.

상기 원료에 단체 카본을 0.27g (0.06 중량%) 첨가하여 잘 혼합시켰다. 이 단체 카본은 상기 공보 (2) 에서 개시된 첨가카본량 (0.1 ∼ 0.3 중량%) 보다 분명히 적다.

소결온도: 1750℃

가압력: 40㎫

승온속도: 50℃/분

유지시간: 5 분

소결전압: 5.2V

소결전류: 7800A (직류 펄스전류)

전류밀도: 275A/㎠

통전시간: 38 분

표 5 및 표 6 에서 참고예 1 및 2 에 의한 탄화텅스텐계 초경질재료의 기계적 및 물리적 성질만을 나타내고, 실시예 1 ∼ 3 에 관한 상기 기재와 동일한 상세한 설명은 여기에서는 생략한다.

(실시예 4)

원료분말로서 평균입경이 0.2㎛ 이며 BET 법에 의해 측정한 표면적이 3.35㎡/g 인, 다음 표 4 에 나타내는 조성으로 이루어지는 시판되고 있는 탄화텅스텐소결 원료분말을 400g 준비하였다.

조성성분	함유량	조성성분	함유량
FC(중량%)	0.09	Mg(ppm)	＜1
CC(중량%)	6.08	Mn(ppm)	＜1
Cr(중량%)	0.88	Mo(ppm)	1
O(중량%)	0.27	Ni(ppm)	3
Al(ppm)	＜2	Si(ppm)	＜5
Ca(ppm)	2	Sn(ppm)	＜2
Cu(ppm)	＜1	Co(중량%)	0.4
Fe(ppm)	28	W	잔량

상기 표에서 FC 및 CC 는 상기 표 1 의 설명과 동일하다.

상기 원료에 단체 카본을 0.20g (0.05 중량%) 첨가하여 잘 혼합시켰다. 이 단체 카본은 상기 공보 (2) 에서 개시된 첨가카본량 (0.1 ∼ 0.3 중량%) 보다 분명히 적다.

소결온도: 1630℃

가압력: 50㎫

승온속도: 55℃/분

유지시간: 5 분

소결전압: 4.2V

소결전류: 10000A (직류 펄스전류)

전류밀도: 200A/㎠

통전시간: 35분

상기와 같이 소결하여 얻은 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료를 주사형 전자현미경 및 X 선 마이크로 어낼라이저 (EPMA) 로 분석한 결과는 표 5 에 나타내는 바와 같고, 그 기계적 및 물리적 특성은 표 6 에 나타내는 바와 같다.

조성	실시예 1	실시예 2	실시예 3	참고예 1	참고예 2	실시예 4
입자의 평균입경(㎛)	0.7	0.9	0.5	0.7	0.9	0.3
카본 총함유량(중량%)	6.23	6.30	6.20	6.22	6.45	6.21
이론밀도비(중량%)	99.2	99.0	99.6	99.1	99.0	99.6
프리카본량(중량%)	0	0	0	0	0	0
Co 함유량(중량%)	0	0	0	0	0	0.4

특성	실시예 1	실시예 2	실시예 3	참고예 1	참고예 2	실시예 4
밀도 (g/㎤)	15.43	15.40	15.50	15.42	15.39	15.44
경도 (Hv)	2620	2550	2630	2610	2510	2650
항절력 (GPa)	1.51	1.47	1.52	1.50	1.45	1.63
파괴 인성 (Mpam^1/2)	5.1	4.9	5.2	5.1	4.8	5.8
탄성률 (Gpa)	679	640	690	680	638	630
강성률 (Gpa)	280	275	285	280	276	270
압축율 (Gpa(10^-3))	2.55	2.50	2.55	2.54	2.49	2.57
포어슨비	0.21	0.21	2.0	0.21	0.20	0.21
열팽창률 (1/K(10^-6))	3.70	3.68	3.71	3.70	3.68	3.75

다음으로, 도 3∼도 6 을 참조하여 본 발명에 의한 표면성형품 성형형의 제조방법의 실시형태를 유리렌즈나 플라스틱렌즈의 곡면형상 비구면을 성형할 때에 사용하는 표면성형용 성형형에 대해서 설명한다.

본 실시형태의 제조방법을 실시할 때에, 먼저 코발트 함유량이 1% 이하 (0%도 포함함) 의 텅스텐카바이드로 이루어진 이른바 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료를 준비한다. 이 초미립 초경합금 분말재료의 분말의 텅스텐카바이드 입자의 평균입경은 니어 네트 셰이프 성형법으로 소결하기 위해서 0.1㎛∼0.5㎛ 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 탄화텅스텐 분말 및 불가피 불순물로 이루어지고, 평균입경이 0.3㎛ 미만이며, 바인더를 실질적으로 함유하지 않은 원료분말에 소결 후의 경질재료 중의 카본의 총함유량이 6.20 중량% 를 초과하고 6.45 중량% 이하의 범위 내가 되도록 원료분말 중의 카본량을 조정한 분말재료를 사용한다. 그 이유는 입경이 이 범위보다 커지면, 소결되어 성형형 모재를 형성하고 연마하여 성형면으로 마무리해도 원하는 경면 상태로 할 수 없기 때문이다. 또, 입경이 너무 작으면, 원료분말이 응집되어 취급도 번잡해지므로 펄스통전가압 소결에 의해 소결되는 이점을 얻을 수 없기 때문이다. 또, 원료분말 비용이 비싸져 경제적 효과를 손해보기 때문이다. 여기서 니어 네트 셰이프 성형법이란 이 소결형의 다이 및 펀치가 피가공 분말과 접촉하는 면에 원하는 형상을 형성하고, 압축 펄스통전가압 소결하는 과정에서 최종 단계에서 성형체 (소결체) 에 그 소결형이 갖는 형상을 전사시켜 거의 플러스 치수에 가까운 근사적인 형상 (니어 네트 셰이프) 을 성형체 (소결체) 에 부여하는 가공법을 말한다.

통상 텅스텐카바이드ㆍ코발트 합금의 소결에서는 코발트가 액상를 생성하고 텅스텐카바이드 입자간에 분산되어 각 입자를 결합시키는 역할을 한다.

상기와 같이 준비한 초미립 초경합금 분말재료 (이하, 단순히 분말재료라고 함: p) 를, 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같은 성형형 모재의 외측 형상을 갖는 성형 공동 (2) 을 구획하는 소결형 다이 (2') 의 그 성형 공동 (3') 내에 충전한다. 소결형 다이 (2') 는 예컨대 그래파이트와 같은 재료로 제조된다. 이 분말재료 (p) 를 충전할 때에, 소결형 성형 공동 (2) 의 하부에는 소결형 하부 펀치 (4') 가 삽입되고, 위에는 소결형 상부 펀치 (5') 가 삽입되며, 분말재료 (p) 는 하부 펀치 (4') 와 상부 펀치 (5') 사이에 있는 상태에서 충전된다. 하부 펀치 (4') 의 하면 (41') 및 상면 (42') 은 평탄면으로 형성되어 있다. 상면 (42') 은 상부 펀치의 성형형면을 형성한다. 그러나, 상부 펀치 (5') 의 하면 즉 성형형면 (51') 은 성형형의 성형면을 형성하므로, 그 성형형면의 형상은 성형면과 실질적으로 동일한 표면 (이 실시형태에서는 볼록형상의 비구면형상 곡면) 으로 또한 경면에 가까운 상태의 표면상태로 마무리된다. 상부 펀치 (5') 의 상면 (52') 은 평탄면으로 형성되어 있다. 하부 펀치 및 상부 펀치는 고밀도 그래파이트로 제조된다.

이 분말재료가 충전된 소결형 (1') 을 도 1에 나타내는 펄스통전가압 소결장치 (방전 플라스마 소결, 플라스마 활성화 소결 또는 방전 소결 등을 실행할 수 있는 장치: 10) 내에 세팅한다. 이 소결장치는 상기 기술한 바와 같은 이미 알려진 것이어도 되고, 구체적으로는 예컨대 스미토모 석탄광업㈜에서 시판되고 있는 방전 플라스마 소결기 SPS3.20MK-Ⅳ (이하, SPS 소결기라고 함) 여도 되므로, 그 구조 및 동작의 상세한 설명은 생략한다. 펄스통전가압 소결장치로의 세팅은 진공챔버 (13) 내에서 하부 펀치 (4') 의 하면 (41') 이 하통전전극 (11) 의 상단면 상에 탑재되고 상부 펀치 (5') 의 상면 (52') 이 상통전전극 (12) 의 하단면에 접하도록 하여 소결형 (1') 을 양 통전전극 사이에 설치하여 이루어진다. 세팅 후 하부 및 상부 펀치를 소결장치 (10) 의 하통전전극 (11) 및 상통전전극 (12) 사이에 있는 상태에서 양 통전전극에 의해 원하는 압력으로 가압한다. 이 압력은 분말재료의 종류, 입자도 등에 따라 다르지만, 30 메가패스컬 (MPa) ∼100 메가패스컬 (MPa) 범위의 크기의 압력이 바람직하다. 그 이후 또는 그와 동시에 제어장치(전원도 포함:16) 에서 통전전극을 통해 직류 펄스전류인 소결전류를 원하는 시간 흐름 분말재료의 소결을 실시한다. 이 소결전류는 소결되는 성형형의 크기 및 재료에 따라 다르고, 이 실시예의 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료의 경우에는 2000 암페어 (A)∼5000 암페어 범위가 바람직하다. 또한, 통전시간도 성형형의 크기에 따라 다르지만, 본 실시예의 플라스틱렌즈 또는 유리렌즈 성형용 성형형의 경우에는 10분∼30분 범위가 바람직하다. 또, 양산용으로는 재료의 자동 반송 로보트를 구비한 자동화된 펄스통전가압 소결장치여도 된다. 또한, 동시에 복수개 형성하는 경우에는, 소결 총가압력이 수압 면적에 비례하여 증가하거나 총펄스 전류량도 비례적으로 증가하여 5000 암페어 이상에서 20000 암페어로 할 수도 있다.

이와 같이 해서 소결에 의해 제조된 성형형 (100) 은 전체적으로 도 5에 나타내는 바와 같은 형상을 갖고 있다. 그리고, 렌즈의 볼록형상, 오목형상 또는 평탄형상 (도면에서는 오목형상) 의 성형면 (102) 을 갖고 있다. 이 성형면은 니어 네트 셰이프 성형법으로 소결되기 때문에, 그 자체 그래파이트제 펀치 (4) 의 표면조도를 충실히 전사하여 Ra가 0.2∼0.7㎛인 경면형상의 매끄러운 표면을 갖고 있지만, 추가로 성형면 (102) 을 렌즈용 경면상태까지 즉 옹스트롬의 오더까지 연마하여 최종 형상의 렌즈 성형형으로 마무리된다. 연마는 공지된 기계적 또는 화학적 연마법으로 실시하면 된다.

상기와 같이 마무리된 성형형 (100) 을 유리렌즈 또는 플라스틱렌즈의 성형에 사용하는 경우에는, 도 6에 나타내는 바와 같이 제조되는 렌즈 종류에 따라 형성된 표면을 갖는 오목형상의 성형면을 갖는 성형형과 그것과는 곡률이 다른 볼록형상, 오목형상 또는 평탄형상 (도면에서는 볼록형상) 의 성형면을 구비한 성형형 (110) 을 이들 성형면 (102 및 112) 이 서로 대향하도록 성형장치 (도시 생략) 의 지지구 (200) 내에 배치 고정하고, 이들 성형면 사이에 공동 (g) 이 형성되도록 하며, 이 공동 내에 유리재료 또는 플라스틱재료를 충전하여 유리렌즈 또는 플라스틱렌즈를 형성한다.

(실시예 5)

도 7에 나타내는 바와 같이 소경부의 직경 (dl) 이 10㎜, 대경부의 직경 (D1) 이 14㎜, 길이 (L₁) 가 25㎜인 비구면 렌즈 성형형 (120) 을 제조하였다.

소결형으로는, 성형형 (120) 의 비구면형상의 성형면 (122) 을 성형하는 부분에 경면으로 된 성형형면 (본 예에서는 오목면) 을 갖는 그래파이트제 소결형 (다이 및 펀치) 을 구비하고, 텅스텐카바이드 입자의 평균입경이 0.5㎛인 바인더리스 초미립 초경합금 분말재료를 사용하며 SPS 소결기로 소결하였다. SPS 소결온도는 1973∼2073K, 가압력은 30∼40MPa, 진공분위기 내에서 방전 플라스마 소결법으로 소결하였다. 이 때, 승온온도는 15∼30분, 유지시간 2∼3분이었다. 그 결과, 상대밀도 15.4g/㎤의 거의 밀도 100%의 소결체를 얻었다. 이 소결체를 절단하여 각 부분의 경도를 측정한 결과, 마이크로 비커스 경도는 거의 불규칙하지 않고 평균값으로 HV2800∼2850을 나타내고, 광학현미경에 의한 조직 관찰에서는 마이크로 포어가 적은 치밀한 조직이었다. 또, 표면조도 (Ra) 는 0.3∼0.5㎛이고, 이 니어 네트 셰이프 성형 소결체는 종래법의 1/5∼1/8 시간으로 연마 마무리한 후, 유리렌즈나 플라스틱렌즈용 성형형으로서 충분히 실제 사용할 수 있음을 알 수 있었다.

(실시예 6)

도 8[A]에 나타내는 바와 같이 직경 (d2) 이 20㎜, 두께 (w) 가 8㎜, 성형면 (132) 을 구성하는 곡면부의 직경 (d3) 이 18㎜인 형상을 갖는 렌즈용 성형형의 선단부분 (131) 을 평균입경이 0.5㎛인 바인더리스 초미립 초경합금 분말재료를 사용하여 상기 실시예와 동일하게 방전 플라스마 소결법으로 소결하여 얻었다. 한편, 소경부의 직경 (d3) 이 20㎜, 대경부의 직경 (D2) 이 24㎜, 길이 (L₂) 가 32㎜를 갖는 도 8[B]에 나타내는 바와 같은 텅스텐카바이드ㆍ코발트 초경합금 블록 (135) 을 준비해 두었다. 상기 선단부분 (131) 을 블록 (135) 위에 탑재하고, 이것들에 SPS 접합 처리를 8분간 실시하여 이것들을 일체적으로 접합하여 성형형을 얻었다. 선단 부분의 곡면부 즉 성형면 (132) 을 연마 마무리한 후 렌즈를 성형한 결과, 양질의 실용 제품을 얻었다. 렌즈 곡면용 성형면 (132) 은 니어 네트 셰이프 성형되어 있어 전체 공정 비용의 약 1/2∼1/3로 제조할 수 있다.

또, 상기 실시형태의 설명에서는 성형형 전체를 바인더리스의 초미립 초경합금 분말을 이용하여 소결하였으나, 성형형의 성형면을 구성하는 부분에만 상기 바인더리스의 초미립 초경합금 분말을 사용하고, 그 이외에는 이와 일체적으로 소결할 수 있는 임의의 분말재료를 사용할 수도 있다. 또한, 실시예 6과 같이 곡면 성형에 직접 관계하는 선단부만 초미립 초경합금 분말재료를 사용하여 성형하고, 다이 시트 부분을 텅스텐카바이드ㆍ코발트 초경합금 또는 다른 합금제 블록으로 미리 제조하고, 이것들을 방전 플라스마 접합법 (펄스통전가압 접합법) 으로 접할 수도 있다.

(실시예 7)

상기 두 실시예에서는 성형형의 초미립 초경합금 분말재료로서 텅스텐카바이드 입자를 사용한 경우에 대해서 설명했는데, 그 이외에도 탄화물계 세라믹스를 사용해도 형성하기 때문에 여기서는 그 예에 대해서 설명한다. 성형형의 형상 및 크기, 그리고 소결형의 형상 및 크기는 (실시예 5) 경우와 동일하다. 이 실시예에서는 바인더리스의 탄화물계 세라믹스로서 평균입경이 0.03㎛인 고순도 초미립 실리콘카바이드 (SiC) 를 사용하며 SPS 소결기로 소결하였다. SPS 소결온도는 2673∼2723K, 가압력은 30∼50MPa, 진공분위기 내에서 방전 플라스마 소결법으로 소결하였다. 이 때, 승온시간은 10∼20분, 유지시간 2∼3분이었다. 그 결과, 상대밀도 3.22g/㎤의 거의 밀도 100%의 소결체를 얻었다. 이 소결체를 절단하여 각 부분의 경도를 측정한 결과, 마이크로 비커스 경도는 거의 불규칙하지 않고 평균값으로 HV2800∼2850을 나타내고, 광학현미경에 의한 조직 관찰에서는 마이크로 포어가 없는 치밀한 조직이었다.

또, 상기 실시형태에서는 유리렌즈 또는 플라스틱렌즈용 성형형 및 그 제조방법에 대해서 설명했는데, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 합성수지 성형에서 곡면을 정밀하게 형성하기 위한 성형형 및 그 제조방법에도 적용할 수 있다.

상기 실시형태 및 실시예에서는 성형형의 성형면 주위에 고리형 테두리면 (103,123 및 133) 이 형성되어 있는 예를 나타내고 있는데, 이와 같은 테두리면을 갖지 않는 경우여도 된다. 이와 같은 경우의 사용예로는 도 9에서 부호 100', 110'으로 나타내는 바와 같이 성형장치의 형지지구 (200) 내에 배치될 수 있다.

도 6 및 도 9는 주로 플라스틱렌즈를 성형하는 경우의 성형형의 배치이지만, 유리렌즈를 성형하는 경우에는 도 10[A]에 나타내는 바와 같이 성형장치의 중공의 형지지구 (201) 내에 하측 성형형 (100) 을 삽입하고, 그 성형형의 성형면 (102) 내에 상온 또는 원하는 온도로 가열된 성형할 유리재료 (통상 덩어리형상으로 되어 있음: m) 를 탑재한다. 그 다음에, 도 10[B]에 나타내는 바와 같이 형지지구 (201) 의 상측에서부터 상측 성형형 (110) 을 삽입하고 약 550∼700℃로 가열하면서 상측 성형형 (110) 을 하측 성형형에 접근시켜 두 성형형에서 유리재료 (m) 를 가압 성형하여 렌즈로 만든다. 이 경우, 상하측 성형형을 가장 접근시켰을 때의 캐비티 (g) 의 용적과 유리재의 덩어리 부피와 동일하거나 또는 약간 적게 해 두면 유리재가 외부로 비어져 나가는 경우가 없게 된다. 이 경우에는, 테두리가 없는 두 볼록렌즈가 형성된다. 상하측 성형형의 곡면형상은 용도, 목적 (굴절률 등) 에 따라 다른 경우도 있다. 성형형으로 도 5에 나타내는 바와 같이 테두리면 (103) 을 갖는 것을 사용하여 유리재의 양을 캐비티 (g) 의 양보다 많게 하면 테두리가 있는 렌즈가 된다. 또한, 도 11에 나타내는 바와 같이 하측 성형형 (140) 의 성형면 (142) 을 평탄면으로 하고, 상측 성형형 (150) 의 성형면 (152) 을 볼록면으로 할 수도 있다. 이 경우에는 평탄 오목형 렌즈가 된다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 발휘할 수 있다.

(가) 미세 조직 구조로 순도가 높고 경질이며 내마모성, 내부식성, 내열성이 우수한 탄화텅스텐계 초경질재료를 얻을 수 있다.

(나) 에치 핏이 발생하지 않아 우수한 경면 마무리를 할 수 있고, 유리렌즈 등 고온 성형에 적합한 고정밀도의 금형재료를 얻을 수 있다.

(다) 출발 원료분말입자경의 입자 성장이 억제되고 또한 포어 프리가 치밀하고 균질한 소결층을 얻을 수 있고, 따라서 성형형에서, 고품질이고 경도가 종래의 소결정보다 단단하며 내구성이 높은 옹스트롬 오더의 렌즈용 경면이 얻을 수 있다.

(라) 니어 네트 셰이프 가공으로 성형형의 렌즈 성형면 및 외측면부가 경면형상으로 고정밀도로 할 수 있기 때문에, 렌즈 성형면의 조연삭가공, 마무리 연삭가공 및 외주부의 후가공 공정을 생략할 수 있다.

(마) 성형 표면부의 형상 부여의 초정밀 연삭가공이나 방전가공 공정을 불필요로 할 수 있기 때문에, 예컨대 방전가공 후의 요철면(미소한 크레이터)이 없이 최종 연마마무리가 쉬워 공정을 대폭 단축할 수 있다.

(바) 플라스틱렌즈용 성형형의 경우, 무전해 니켈-인 도금 공정을 불필요로 할 수 있다.

(사) 성형형의 1개당 제조시간을 대폭 단축할 수 있다.

(아) 후가공 공정의 간략화 및 디자인 변경에도 신속하게 대응할 수 있게 되고 납기기간을 단축시킬 수 있으며, 따라서 표면성형형의 총제조비용을 대폭 삭감할 수 있다.

Claims

유리재료 또는 수지재료로 이루어지는 성형품 표면을 성형하기 위한 성형형에 있어서, 상기 성형형의 적어도 선단부의 상기 표면을 성형하는 부분에 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료가 사용되어 펄스통전가압 소결법에 의해 소결하여 원하는 형상으로 형성되고, 상기 표면을 성형하기 위한 성형면이 경면(鏡面)형상으로 소결되어 있으며, 연마가공 전에 상기 성형형의 상기 성형면의 부분이 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료로 이루어져 있고, 소결된 적어도 성형면이 Ra 가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상의 매끄러운 표면에 니어 네트 셰이프 소결되어 있는 표면성형용 성형형.
제 1 항에 있어서, 상기 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료는 코발트함유량이 1 중량% 이하인 텅스텐카바이드기 초경합금인 표면성형용 성형형.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료의 텅스텐카바이드 입자의 평균입경이 0.5㎛ 이하인 표면성형용 성형형.
삭제
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 성형형 전체가 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료로 이루어져 있고, 성형형의 상기 성형면이 Ra가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상의 매끄러운 니어 네트 셰이프 소결되어 있는 표면성형용 성형형.
유리재료 또는 수지재료로 이루어지는 성형품 표면을 성형하기 위한 성형형에 있어서, 상기 성형형의 적어도 선단부의 상기 표면을 성형하는 부분에 바인더리스의 탄화물계 세라믹스 분말재료가 사용되어 펄스통전가압 소결법에 의해 소결하여 원하는 형상으로 형성되고, 상기 표면을 성형하기 위한 성형면이 경면형상으로 소결되어 있으며, 연마가공 전에 상기 성형형의 상기 성형면의 부분이 바인더리스의 탄화물계 세라믹스 분말재료로 이루어져 있고, 소결된 적어도 성형면이 Ra가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상의 매끄러운 표면에 니어 네트 셰이프 소결되어 있는 표면성형용 성형형.
제 6 항에 있어서, 상기 탄화물계 세라믹스 분말재료가 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료이고, 입자의 평균입경이 0.3㎛ 미만인 원료분말을 사용하여 소결되고, 소결체의 이론밀도비가 99.0% 이상이고, 카본 (C) 의 총함유량이 6.20중량%를 초과하고 6.45중량% 이하의 범위내이고, 또한 바인더 및 1탄화 2텅스텐 (W₂C) 을 실질적으로 함유하지 않는 표면성형용 성형형.
삭제
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 성형형 전체가 바인더리스의 탄화물계 세라믹스 분말재료로 이루어져 있고, 성형형의 상기 성형면이 Ra가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상의 매끄러운 표면에 니어 네트 셰이프 소결되어 있는 표면성형용 성형형.
제 1 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 성형형이 유리렌즈 또는 플라스틱렌즈의 적어도 한쪽 비구(非球)면 렌즈의 성형에 사용되는 표면성형용 성형형.
유리재료 또는 수지재료로 이루어지는 성형품 표면을 성형하기 위한 성형형의 제조방법에 있어서,

바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료를 준비하고,

상기 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료를 적어도 상기 표면을 성형하는 성형형의 부분에 사용하여 펄스통전 소결법에 의해 상기 니어 네트 셰이프 성형에 의해 렌즈 성형형을 소결하고,

상기 표면을 성형하기 위한 성형형의 성형면을 상기 성형면에 맞닿는 맞닿음면이 경면형상을 갖는 펀치를 사용하고, 그 맞닿음면을 전사하여 Ra 가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상으로 경면 소결하는 것을 특징으로 하는 표면성형용 성형형의 제조방법.
제 11 항에 있어서, 상기 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료는 코발트함유량이 0 중량% ∼ 1 중량% 의 텅스텐카바이드기 초경합금인 표면성형용 성형형의 제조방법.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 바인더리스의 초미립 초경합금 분말재료의 텅스텐카바이드 입자의 평균입경이 0.5㎛ 이하인 표면성형용 성형형의 제조방법.
유리재료 또는 수지재료로 이루어지는 성형품 표면을 성형하기 위한 성형형의 제조방법에 있어서,

바인더리스의 탄화물계 세라믹스 분말재료를 준비하고,

상기 바인더리스의 탄화물계 세라믹스를 적어도 상기 표면을 성형하는 성형형의 부분에 사용하여 펄스통전 소결법에 의해 상기 니어 네트 셰이프 성형에 의해 렌즈 성형형을 소결하고,

상기 표면을 성형하기 위한 성형형의 성형면을 상기 성형면에 맞닿는 맞닿음면이 경면형상을 갖는 펀치를 사용하고, 그 맞닿음면을 전사하여 Ra 가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상으로 경면 소결하는 것을 특징으로 하는 표면성형용 성형형의 제조방법.
제 14 항에 있어서, 바인더리스의 탄화물계 세라믹스 분말재료의 입자의 평 균입경이 0.5㎛ 이하인 표면성형용 성형형의 제조방법.
제 14 항에 있어서, 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료이고, 입자의 평균입경이 0.3㎛ 미만인 원료분말을 사용하여 소결되고, 소결체의 이론밀도비가 99.0% 이상이고, 카본 (C) 의 총함유량이 6.20중량%를 초과하고 6.45중량% 이하의 범위내이고, 또한 바인더 및 1탄화 2텅스텐 (W₂C) 을 실질적으로 함유하지 않는 표면성형용 성형형의 제조방법.
제 11 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 성형형의 적어도 니어 네트 셰이프 성형면을 Ra 가 0.2㎛ ∼ 0.7㎛ 인 경면형상의 매끄러운 표면으로 소결 가공하는 표면성형용 성형형의 제조방법.
제 11 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 펄스통전가압 소결법이 방전 플라스마 소결법, 플라스마 활성화 소결법 또는 방전 소결법인 표면성형용 성형형의 제조방법.
제 11 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 표면성형용 성형형을 복수개 동시에 성형하는 표면성형용 성형형의 제조방법.