KR100849270B1

KR100849270B1 - 유리 성형용 금형 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100849270B1
Application number: KR1020077004262A
Authority: KR
Inventors: 쥰 마스다
Original assignee: 도시바 기카이 가부시키가이샤
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2008-07-29
Also published as: TWI316925B; JP4778735B2; CN101018743A; TW200710046A; KR20070057153A; EP1894895A4; US8206518B2; JP2007001822A; WO2006137225A1; US20090178737A1; CN101018743B; EP1894895A1

Abstract

본 발명의 목적은 표면 피복층에 크랙이 발생되기 어려운 유리 성형용 금형의 제조 방법을 제공하는 데 있다. 마르텐사이트 조직의 강, 또는 저탄소 마르텐사이트 중에 ε-탄화물이 분산된 강으로 이루어지는 기재의 표면에 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층을 형성한다. 이어서, 이에 가열 처리를 실시함으로써, 상기 기재를 트루스타이트 조직 또는 소르바이트 조직으로 바꾸는 동시에, 상기 표면 피복층을 Ni와 Ni₃P의 공정 조직으로 바꾼다. 바람직하게는, 상기 기재는 탄소를 0.3 중량 ％ 이상, 2.7 중량 ％ 이하, 크롬을 13 중량 ％ 이하 포함하고, 상기 가열 처리는 270 ℃ 이상에서 행해진다.

유리 성형용 금형, 마르텐사이트 조직, 공정 조직, 트루스타이트 조직, 소르바이트 조직

Description

유리 성형용 금형 및 그 제조 방법 {METAL MOLD FOR GLASS SHAPING AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 정밀한 가공이 요구되는 유리 성형용의 금형 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

플라스틱 성형의 분야에서는, 성형 금형의 정밀 가공 기술이 확립되어 있고, 회절 격자 등 미세 형상을 갖는 광학 소자의 양산이 실현되어 있다. 이 경우, 금형의 제작은 스테인레스강으로 이루어지는 기재의 표면에 무전해 Ni-P 도금을 실시하고, 이어서 이 도금층을 다이아몬드 바이트로 정밀 가공함으로써 행해지고 있다.

그러나, 이와 같은 금형을 유리 성형에 적용하면, 무전해 Ni-P 도금층에 크랙이 발생된다는 문제가 생긴다. 이 현상은 성형 온도에 기인하고 있다. 즉, Ni-P 도금층은 도금 상태에서는 아몰퍼스(비정질) 구조를 취하지만, 약 270 ℃ 이상으로 가열하면 결정화가 시작되고, 그때 도금층에 체적 수축이 일어나 인장 응력이 생겨 도금층에 크랙이 발생된다.

이 문제의 대책으로서, 일본 특허 공개 평11-157852호 공보에서는 열팽창 계수가 10 × 10^-6내지 16 × 10^-6(K^-1)의 기재를 선정하고, 도금 후 400 내지 500 ℃ 에서 열처리를 행하고 있다. 그러나, 기재의 열팽창 계수를 Ni-P 도금층에 정합해도, 열처리 시 결정화에 수반하는 체적 수축이 도금층에만 생기므로, 도금층에 큰 인장 응력이 생겨 크랙이 발생될 경우가 있었다.

본 발명은, 이상과 같은 종래의 유리 성형용 금형의 표면 피복층에 관한 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 유리의 성형 온도에서 표면 피복층에 크랙이 발생되기 어려운 금형의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 유리 성형용 금형의 제조 방법은,

강으로 된 소재에 켄칭 및 템퍼링을 실시하여, 마르텐사이트 중에 ε-탄화물이 분산된 조직으로 이루어지는 기재를 제작하고,

이 기재의 표면에, 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층을 형성하고,

이어서, 이에 가열 처리를 행함으로써, 상기 기재를 트루스타이트 조직 또는 소르바이트 조직으로 바꾸는 동시에, 상기 표면 피복층을 Ni와 Ni₃P의 공정 조직으로 바꾸는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제조 방법에 따르면, 기재의 표면에 표면 피복층을 형성한 후, 이에 가열 처리를 실시하여 표면 피복층을 결정화하는 과정에 있어서, 기재의 수축과 표면 피복층의 수축이 거의 같은 타이밍에서 발생되므로, 표면 피복층에 큰 인장 응력이 생기는 일이 없다. 이로 인해, 표면 피복층에 크랙이 발생되기 어렵다.

바람직하게는, 상기 기재 중에 포함되는 탄소를 0.3 중량 ％ 이상, 2.7 중량 ％ 이하, 크롬을 13 중량 ％ 이하로 한다.

상기 기재의 템퍼링 온도는, 예를 들어 350 ℃ 이하이다.

바람직하게는, 상기 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층은 Ni와 P, 또는 Ni와 P와 B를 포함하는 무전해 도금에 의해 형성되고, 상기 가열 처리는 상기 기재의 템퍼링 온도보다 높은 온도, 또한 상기 금형의 사용 온도(예를 들어, 400 ℃)보다 높은 온도에서 행해진다.

그 경우, 바람직하게는 상기 가열 처리의 온도는 270 ℃ 이상이다.

또한, 상기 방법에 있어서 강으로 된 소재에 켄칭만을 행하고 템퍼링을 생략할 수도 있다. 그 경우, 상기 기재는 마르텐사이트 조직으로 된다.

본 발명의 제조 방법에 따르면, 상기 표면 피복층의 잔류 응력을 +150 ㎫로부터 -760 ㎫까지의 범위 내(단, +는 인장 응력, -는 압축 응력을 나타냄)에 수용할 수 있다. 또한, 잔류 응력의 측정은, 예를 들어 X선 응력 측정법을 이용하여 행할 수 있다.

본 발명의 유리 성형용 금형의 제조 방법에 따르면, 금형의 표면 피복층에 크랙이 발생되기 어려우므로, 금형의 형상을 높은 정밀도로 유지하는 동시에, 그 수명을 증대시킬 수 있다.

도1은 본 발명을 기초로 하는 유리 성형용 금형의 제조 공정의 개요를 도시하는 도면이다.

도1에 본 발명을 기초로 하는 유리 성형용 금형의 제조 공정의 개요를 도시한다.

탄소강 또는 저합금강으로 된 기재에 거친 가공을 행한 후, 켄칭 및 템퍼링을 행한다. 이어서, 도금 전 가공을 행한 후, 무전해 도금에 의해 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층을 형성한다. 이어서, 기재 및 표면 피복층에 가열 처리를 행하고, 표면 피복층을 결정화하는 동시에 기재를 템퍼링 조직으로 바꾼다. 계속해서, 기재에 마무리 가공 및 표면 피복층의 마무리 가공을 행한 후, 표면 피복층에 이형막을 코팅한다.

또한, 상기 공정의 변형 형태로서, 기재 및 표면 피복층의 가열 처리를 표면 피복층의 마무리 가공 후에 행하는 것도 가능하다.

본 발명의 제조 방법에서는, 표면 피복층을 결정화하기 위한 가열 처리의 과정에 있어서, 금형의 기재의 치수 변화를 표면 피복층의 치수 변화에 근접시킴으로써, 표면 피복층에 생기는 인장 응력을 작게 억제한다. 무전해 도금에 의해 금형의 표면에 형성되는 비정질의 Ni-P 합금층은, 금형을 유리의 성형 온도까지 가열할 때에, Ni와 Ni₃P의 공정 조직으로 변하고, 그때 체적이 수축된다. 이와 같은 수축은, 약 270 ℃로부터 시작된다. 한편, 마르텐사이트 조직의 탄소강도 템퍼링의 과정에 있어서, 조직의 변화에 수반하여 체적이 수축된다. 표 1에, 마르텐사이트 조직의 탄소강의 템퍼링의 과정에 있어서의 조직 변화 및 치수 변화의 상황을 나타낸 다. 표 1에 나타낸 바와 같이 탄소강을 약 270 ℃ 내지 약 430 ℃까지 가열하는 동안에, 저탄소 마르텐사이트로부터 세멘타이트가 석출되어 모재의 조직이 페라이트를 대신하고, 그에 수반하여 체적이 수축된다.

[표 1] 탄소강의 템퍼링에 의한 조직 및 길이의 변화

	온도 범위	조직 변화	치수 변화
제1 과정	100 ~ 200 ℃	마르텐사이트 → 저탄소 마르텐사이트 + ε-탄화물	수축
제2 과정	230 ~ 270 ℃	잔류 오스테나이트 → 베이나이트	팽창
제3 과정	270 ~ 430 ℃	저탄소 마르텐사이트 → 페라이트 + 세멘타이트 ε-탄화물 → 세멘타이트	수축

본 발명의 제조 방법에서는, 이와 같이 탄소강의 템퍼링의 과정에 있어서의 체적 수축을 이용하고 있으므로, 도금 전 금형의 기재의 템퍼링 온도를, 도금 후 금형의 가열 처리의 온도보다도 매우 낮게 설정해 둘 필요가 있다. 여기서, 도금 후 가열 처리의 온도는 비정질의 Ni-P 합금층의 공정 조직으로의 변화가 시작되는 270 ℃ 이상으로 할 필요가 있다. 또한, 가열 처리의 온도는 금형의 사용 온도(즉, 유리의 성형 온도) 이상으로 할 필요가 있다. 금형의 사용 온도보다도 낮은 온도로 하면, 사용 중에 치수 변화가 일어나서 성형품의 치수 정밀도가 저하되기 때문이다. 가열 처리 온도의 상한은 사용 온도 + 30 ℃ 정도가 바람직하다. 필요 이상으로 가열 처리 온도를 높게 하면, 기재의 연화 등의 악영향이 나타나기 때문이다.

한편, 도금 전의 금형의 기재의 템퍼링 온도는 350 ℃ 이하로 할 필요가 있다. 이에 의해, 도금 후의 가열 처리 시에 금형의 기재에 제3 과정(표 1)의 조직 변화가 일어나고, Ni-P 합금층과 거의 같은 타이밍으로 체적 수축이 일어나게 된 다. 이에 대해, 기재의 템퍼링 온도가 350 ℃보다 높을 경우에는, 도금 후 가열 처리 시에 270 ℃ 내지 430 ℃ 사이(표 1 중의 제3 단계)에서의 기재의 체적 수축이 충분하지 않아, Ni-P 합금층에 크랙이 생길 우려가 있다.

또한, 도금 전의 금형에 켄칭만을 실시하고 템퍼링을 생략할 수도 있다.

기재의 조성으로서는, C 함유량은 0.3 중량 ％ 이상, 2.7 중량 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. C 함유량이 0.3 중량 ％보다 낮아지면, 템퍼링의 제3 과정(표 1)에 있어서의 기재의 체적 수축량이 지나치게 작아져 버린다. 한편, C 함유량이 3 중량 ％를 초과하면, 기재의 체적 수축량은 충분하지 않지만, 인성 저하 등의 폐해가 생긴다.

또한, Cr 함유량은 13 중량 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. Cr 함유량이 13 중량 ％를 초과하면, 템퍼링 제2 과정의 잔류 오스테나이트의 분해가 500 ℃ 이상에서 일어나게 되고, Ni-P 도금층의 체적 수축 이력 사이의 차이가 커진다. 또한, Cr 함유량의 하한치에 대해서는, 특별히 제약은 없다.

가열 처리 전의 기재의 조직은 마르텐사이트 조직(또는, 저탄소 마르텐사이트 + ε-탄화물)일 필요가 있다. 이 마르텐사이트가 페라이트와 세멘타이트로 분해할 때에, 큰 체적 수축이 일어난다. 가열 처리 후 기재의 조직은 트루스타이트 조직(페라이트와 세멘타이트가 매우 미세하게 혼합한 조직)이나 소르바이트 조직(세멘타이트가 입상 석출 성장한 페라이트와 세멘타이트의 혼합 조직)으로 된다. Ni-P 또는 Ni-P-B 도금층의 조직은 도금 상태에서는 비정질 혹은 부분적으로 비정 질이며, 약 270 ℃ 이상의 가열로, 완전하게 결정화한 Ni와 Ni₃P의 혼합 조직으로 변태한다. 표 2에 이상의 금속 조직학적인 특징이 통합되어 있다.

[표 2] 가열 처리 전후의 기재 및 표층의 조직

	가열 처리 전	가열 처리 후
기재	마르텐사이트	트루스타이트
기재	마르텐사이트 + ε-탄화물	소르바이트
표층	비정질 Ni	결정질 Ni - Ni₃P

여러 가지의 조성의 기재에 무전해 Ni-P 도금을 두께 100 ㎛로 피복한 금형을 제작하였다. 이러한 금형에 대해, 가열 열처리 중 및 성형 중에 발생한 크랙의 수를 조사하였다. 표 3에, 기재의 조성, 템퍼링 온도 및 가열 처리 온도와, 크랙 발생률의 관계를 나타낸다. 유리의 성형 온도는 모두 430 ℃로 하였다. 또한, 이 표 중에서 공시체 13 내지 15는 비교를 위해 이용한 플라스틱 성형용의 금형이다. 표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제조 방법을 기초로 하여 제작된 금형으로는 크랙의 발생이 인정되지 않았다.

[표 3] 템퍼링 온도 및 가열 처리 온도와 크랙 발생률의 관계

기재	C 함유량	Cr 함유량	템퍼링 온도	가열 처리 온도	크랙 발생률
공시체 1	0.2	1.2	250 ℃	450 ℃	5/5
공시체 2	0.2	6.6	250 ℃	450 ℃	5/5
공시체 3	0.3	14.1	250 ℃	450 ℃	5/5
공시체 4	0.7	0.9	250 ℃	450 ℃	0/5
공시체 5	0.6	7.4	250 ℃	450 ℃	0/5
공시체 6	0.6	13.8	250 ℃	450 ℃	3/5
공시체 7	1.4	1.0	250 ℃	450 ℃	0/5
공시체 8	1.2	5.9	250 ℃	450 ℃	0/5
공시체 9	1.3	13.5	250 ℃	450 ℃	1/5
공시체 10	2.7	1.1	250 ℃	450 ℃	0/5
공시체 11	2.6	6.3	250 ℃	450 ℃	0/5
공시체 12	2.7	14.2	250 ℃	450 ℃	4/5
공시체 13	0.4	14.0	520 ℃	450 ℃	5/5
공시체 14	0.4	14.0	450 ℃	450 ℃	5/5
공시체 15	0.4	14.0	250 ℃	450 ℃	5/5

Claims

강으로 된 소재에 켄칭 및 템퍼링을 실시하여, 마르텐사이트 중에 ε-탄화물이 분산된 조직으로 이루어지는 기재를 제작하고,

이 기재의 표면에 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층을 형성하고,

이어서, 이에 가열 처리를 행함으로써, 상기 기재를 트루스타이트 조직 또는 소르바이트 조직으로 바꾸는 동시에, 상기 표면 피복층을 Ni와 Ni₃P의 공정 조직으로 바꾸는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 금형의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 기재 중에 포함되는 탄소가 0.3 중량 ％ 이상, 2.7 중량 ％ 이하이며, 크롬이 13 중량 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 유리 성형용 금형의 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 기재의 템퍼링 온도가 350 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는 유리 성형용 금형의 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층은 Ni와 P, 또는 Ni와 P와 B를 포함하는 무전해 도금에 의해 형성되고,

상기 가열 처리는 상기 기재의 템퍼링 온도보다 높은 온도, 또한 상기 금형의 사용 온도보다 높은 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 금형의 제조 방법.
제4항에 있어서, 상기 가열 처리는 270 ℃ 이상에서 행해지는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 금형의 제조 방법.
강으로 된 소재에 켄칭을 실시하여 마르텐사이트 조직으로 이루어지는 기재를 제작하고,

이 기재의 표면에 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층을 형성하고,

이어서, 이에 가열 처리를 행함으로써, 상기 기재를 트루스타이트 조직 또는 소르바이트 조직으로 바꾸는 동시에, 상기 표면 피복층을 Ni와 Ni₃P의 공정 조직으로 바꾸는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 금형의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 기재 중에 포함되는 탄소가 0.3 중량 ％ 이상, 2.7 중량 ％ 이하이며, 크롬이 13 중량 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 유리 성형용 금형의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층은 Ni와 P, 또는 Ni와 P와 B를 포함하는 무전해 도금에 의해 형성되고,

상기 가열 처리는, 상기 금형의 사용 온도보다 높은 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 금형의 제조 방법.
제8항에 있어서, 상기 가열 처리는 270 ℃ 이상에서 행해지는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 금형의 제조 방법.
삭제
트루스타이트 조직 또는 소르바이트 조직을 갖는 강으로 이루어지는 기재의 표면에, Ni와 Ni₃P의 공정 조직으로 이루어지는 표면 피복층이 피복된 유리 성형용 금형이며,

상기 기재 중에 포함되는 탄소가 0.3 중량 ％ 이상, 2.7 중량 ％ 이하이며, 크롬이 13 중량 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 유리 성형용 금형.
제11항에 있어서, 상기 표면 피복층은 크랙이 없고, 잔류 응력이 +150 ㎫ 내지 -760 ㎫까지의 범위 내(단, +는 인장 응력, -는 압축 응력을 나타냄)에 있는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 금형.