KR101053749B1 - 글래스 성형용 금형의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

강제의 기재에 켄칭을 실시하여 마르텐사이트 조직으로 이루어지는 기재를 제작하고, 상기 기재의 표면에 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층을 형성하고, 상기 기재에 가열 처리를 실시함으로써 트루스타이트 조직 또는 솔바이트 조직으로 바꾸는 동시에, 상기 표면 피복층을 Ni와 Ni3P의 공정 조직으로 바꾼다. 이에 의해 성형 온도에 있어서 표면 피복층에 크랙이 발생하는 것을 방지하는 동시에, 금형의 소성 변형을 방지함으로써 금형의 형상을 높은 정밀도로 유지한다.
기재, 켄칭, 마르텐사이트, 비정질, 성형 온도

Description

글래스 성형용 금형의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING MOLD FOR GLASS MOLDING}
본 발명은 정밀한 가공을 필요로 하는 글래스 성형용 금형의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 금형의 형상을 높은 정밀도로 유지할 수 있는 것에 관한 것이다.
플라스틱 성형의 분야에서는 성형 금형의 정밀 가공 기술이 확립되어 있어, 회절 격자 등, 미세 형상을 갖는 광학 소자의 양산이 실현되고 있다. 이 경우, 금형의 제작은 스테인리스강으로 이루어지는 기재의 표면에 무전해 Ni-P 도금을 실시하고, 이어서 이 표면 피복층을 다이아먼드 바이트로 정밀 가공함으로써 행하여지고 있다.
그러나, 이와 마찬가지의 금형을 글래스 성형에 적용하면, 무전해 Ni-P 표면 피복층에 크랙이 발생하는 문제가 발생한다. 이 현상은, 성형 온도에 기인하고 있다. 즉, Ni-P 표면 피복층은 도금 상태에서는 아몰퍼스(비정질) 구조를 취하고 있으나, 약 270℃ 이상으로 가열하면 결정화가 시작되고, 그때 표면 피복층에 체적 수축이 일어나, 인장 응력이 작용하여 표면 피복층에 크랙이 발생한다.
이 문제의 대책으로서, 열팽창 계수가 10×10-6 내지 16×10-6(K-1)의 기재를 선정하고, 도금 후 400 내지 500℃에서 열처리를 행하고 있다. 그러나, 기재의 열팽창 계수를 Ni-P 표면 피복층에 맞추어도 열처리 시 결정화에 수반되는 체적 수축이 표면 피복층에만 발생하므로 표면 피복층에 큰 인장 응력이 작용하여 크랙이 발생하는 경우가 있었다(예를 들어 일본 특허 출원 공개 평11-157852호 공보 참조).
따라서 본 발명은, 성형 온도에 있어서 표면 피복층에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있는 글래스 성형용 금형의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 글래스 성형용 금형의 제조 방법은 다음과 같이 구성되어 있다.
강제의 기재에 켄칭을 실시하여 마르텐사이트 조직으로 이루어지는 기재를 제작하여 상기 기재의 표면에 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층을 형성하고, 상기 기재에 가열 처리를 실시함으로써 트루스타이트 조직 또는 솔바이트 조직으로 바꾸는 동시에, 상기 표면 피복층을 Ni와 Ni3P의 공정(共晶) 조직으로 바꾼다.
강제의 기재에 켄칭을 실시한 후에 서브 제로 처리를 실시하여 마르텐사이트 조직으로 이루어지는 기재를 제작하고, 상기 기재의 표면에 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층을 형성하고, 상기 기재에 가열 처리를 실시함으로써 트루스타이트 조직 또는 솔바이트 조직으로 바꾸는 동시에, 상기 표면 피복층을 Ni와 Ni3P의 공정 조직으로 바꾼다.
강제의 기재에 켄칭을 실시한 후에 서브 제로 처리를 실시하고, 또한 템퍼링을 실시하여 마르텐사이트 중에 ε-탄화물이 분산된 조직으로 이루어지는 기재를 제작하고, 상기 기재의 표면에 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층을 형성하고, 상기 기재에 가열 처리를 실시함으로써 트루스타이트(troostite) 조직 또는 솔바이트(sorbite) 조직으로 바꾸는 동시에, 상기 표면 피복층을 Ni와 Ni3P의 공정 조직으로 바꾼다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 글래스 성형용 금형의 제조 방법의 개요를 도시하는 블럭도이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 글래스 성형용 금형의 제조 공정의 개요를 도시하는 블럭도이다. 글래스 성형용 금형의 제조는 다음과 같은 공정으로 행한다.
또한, 기재로서 탄소가 0.3wt％ 이상 2.7wt％ 이하, 크롬이 13wt％ 이하의 강제의 소재를 사용한다.
이러한 기재에 초벌 가공을 행한 후(ST1), 켄칭을 행한다(ST2). 계속해서, 도금 전 가공을 행한 후(ST3), 무전해 도금에 의해 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층(도금층)을 형성한다(ST4). 이어서, 기재 및 표면 피복층에 가열 처리를 행 하고(ST5), 표면 피복층을 결정화하는 동시에, 기재를 템퍼링 조직으로 바꾼다. 계속해서, 기재에 마무리 가공(ST6) 및 표면 피복층의 마무리 가공(ST7)을 행한 후, 표면 피복층에 이형막을 코팅한다(ST8).
본 실시 형태에서는, 표면 피복층을 결정화하기 위한 가열 처리의 과정에 있어서, 금형의 기재의 치수 변화를 표면 피복층의 치수 변화에 근접시킴으로써 표면 피복층에 작용하는 인장 응력을 작게 억제하여 크랙의 발생을 방지하고 있다.
여기서, 가열 처리의 과정을 3개의 과정(제1 내지 제3 과정)으로 나누어 설명한다. 표1은 제1 내지 제3 과정에서 발생하는 기재의 온도 변화, 조직 변화, 치수 변화를 나타낸 것이다.
Figure 112009035236237-pct00001
즉, 기재는 제1 과정에 있어서 조직의 변화에 수반하여 체적이 수축된다. 또한, 제2 과정에서는 기재는 팽창한다. 이 제1 과정 및 제2 과정의 체적 변화량은 매우 작기 때문에 표면 피복층에 크랙은 발생하지 않는다.
한편, 제3 과정에서는 기재를 약 270℃부터 약 430℃까지 가열하는 동안에 저탄소 마르텐사이트로부터 시멘타이트가 석출되어, 모재의 조직이 페라이트로 바뀌고, 그것에 수반하여 체적이 수축된다. 이때, 무전해 도금에 의해 금형의 표면에 형성되는 비정질의 Ni-P 합금층은 금형을 글래스의 성형 온도까지 가열할 때에 Ni와 Ni3P의 공정 조직으로 바뀌고, 그 때에 체적이 수축된다. 이와 같은 체적 수축은, 약 270℃부터 시작되기 때문에, 인장 응력이 발생하지 않아, 표면 피복층의 크랙의 발생이 발생하지 않는다.
또한, 가열 처리 온도는 금형 사용 온도 이하로 설정한다. 사용 온도보다 낮으면 사용 중에 치수 변화가 일어나 성형품의 치수 정밀도가 저하된다. 단, 가열 처리 온도의 상한은 금형 사용 온도보다도 30℃ 높은 정도가 바람직하다. 필요이상으로 가열 처리 온도를 높이면 기재가 연화되거나 하는 악영향이 발생한다.
기재의 조성으로서는, C 함유량은 0.3wt％ 이상, 2.7wt％ 이하로 하는 것이 바람직하다. C 함유량이 0.3wt％보다 낮아지면, 템퍼링의 제3 과정(표1)에 있어서의 기재의 체적 수축량이 너무 작아져 버린다. 한편, C 함유량이 2.7wt％를 초과하면, 기재의 체적 수축량은 충분하나, 인성 저하 등의 폐해가 나온다.
또한, Cr 함유량은 13wt％ 이하로 하는 것이 바람직하다. Cr 함유량이 13wt％를 초과하면 제2 과정의 잔류 오스테나이트의 분해가 500℃ 이상에서 일어나게 되어, Ni-P 표면 피복층의 체적 수축 이력과 맞지 않게 된다. 또한, Cr 함유량의 하한값에 대해서는 특별히 제약은 없다.
가열 처리 전의 기재의 조직은 마르텐사이트 조직(또는, 저탄소 마르텐사이트+ε-탄화물)일 필요가 있다. 이 마르텐사이트가 페라이트와 시멘타이트로 분해할 때에 큰 체적 수축이 일어난다. 가열 처리 후의 기재의 조직은 트루스타이트 조직(페라이트와 시멘타이트가 극히 미세하게 혼합된 조직)이나 솔바이트 조직(시멘타이트가 입상 석출 성장한 페라이트와 시멘타이트의 혼합 조직)이 된다.
Ni-P 또는 Ni-P-B 표면 피복층의 조직은, 도금 상태에서는 비정질 혹은 부분적으로 비정질이며, 약 270℃ 이상의 가열로, 완전하게 결정화된 Ni와 Ni3P의 혼합 조직으로 변태한다. 표2에 이상의 금속 조직학적인 특징이 정리되어 있다.
Figure 112009035236237-pct00002
다양한 조성의 기재에 무전해 Ni-P 도금을 100㎛ 피복한 금형을 제작하여, 가열 열처리 중 및 성형 중에 발생한 크랙의 수를 조사했다. 표3에, 기재의 조성, 서브 제로 온도, 템퍼링 온도 및 가열 처리 조건과, 크랙 발생율의 관계를 나타낸다. 글래스의 성형 온도는 모두 430℃로 했다.
Figure 112009035236237-pct00003
상술한 바와 같이 본 실시 형태에 따른 글래스 성형용 금형의 제조 방법에서는, 제1 공시체에 있어서 가열 처리 시에 표면 피복층에 크랙이 발생하는 것을 방지하는 동시에, 금형의 소성 변형을 방지하여 금형의 형상을 높은 정밀도로 유지하는 것이 가능해진다.
또한, 제3 공시체에 나타낸 바와 같이, 켄칭 후에 서브 제로 처리를 행하도록 해도 된다. 서브 제로 처리에 의해 켄칭 후의 기재에 존재하는 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시킬 수 있다. 이에 의해, 마르텐사이트(저탄소 마르텐사이트)의 분해에 의한 제3 과정의 체적 수축이 보다 현저하게 일어나게 된다.
또한, 제4 공시체에 나타낸 바와 같이, 켄칭, 서브 제로 처리 후에 350℃ 이하의 템퍼링을 행할 수 있다. 템퍼링 온도가 350℃보다 높은 경우, 제3 과정에서의 기재의 체적 수축이 충분하지 않아 표면 피복층에 크랙이 발생하는 경우가 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 기재 및 표면 피복층의 가열 처리를, 기재의 마무리 가공 및 표면 피복층의 마무리 가공 후에 행하도록 해도 좋다. 이밖에, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 변형 실시 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따르면, 성형 온도에 있어서 표면 피복층에 크랙이 발생하는 것을 방지하는 것이 가능해진다.

Claims (13)

  1. 강제의 기재에 켄칭을 실시하여 마르텐사이트 조직으로 이루어지는 기재를 제작하고,
    상기 기재의 표면에 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층을 형성하고,
    상기 기재에 가열 처리를 실시함으로써 트루스타이트 조직 또는 솔바이트 조직으로 바꾸는 동시에, 상기 표면 피복층을 Ni와 Ni3P의 공정(共晶) 조직으로 바꾸는 것을 특징으로 하는, 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기재에 포함되는 탄소가 0.3wt％ 이상 2.7wt％ 이하, 크롬이 13wt％ 이하인 것을 특징으로 하는, 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 표면 피복층은 Ni와 P, Ni와 P와 B 또는 Ni와 P와 W를 포함하는 무전해 도금에 의해 형성되고,
    상기 가열 처리는, 금형의 사용 온도보다도 높은 온도인 것을 특징으로 하는, 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가열 처리는 270℃ 이상에서 행하여지는 것을 특징으 로 하는, 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
  5. 강제의 기재에 켄칭을 실시한 후에 서브 제로 처리를 실시하여 마르텐사이트 조직으로 이루어지는 기재를 제작하고,
    상기 기재의 표면에, 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층을 형성하고,
    상기 기재에 가열 처리를 실시함으로써 트루스타이트 조직 또는 솔바이트 조직으로 바꾸는 동시에, 상기 표면 피복층을 Ni와 Ni3P의 공정 조직으로 바꾸는 것을 특징으로 하는, 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기재에 포함되는 탄소가 0.3wt％ 이상 2.7wt％ 이하, 크롬이 13wt％ 이하인 것을 특징으로 하는, 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 표면 피복층은 Ni와 P, Ni와 P와 B 또는 Ni와 P와 W를 포함하는 무전해 도금에 의해 형성되고,
    상기 가열 처리는, 금형의 사용 온도보다도 높은 온도인 것을 특징으로 하는, 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 가열 처리는 270℃ 이상에서 행하여지는 것을 특징으 로 하는, 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
  9. 강제의 기재에 켄칭을 실시한 후에 서브 제로 처리를 실시하고, 또한 템퍼링을 실시하여 마르텐사이트 중에 ε-탄화물이 분산된 조직으로 이루어지는 기재를 제작하고,
    상기 기재의 표면에 비정질의 Ni-P 합금으로 이루어지는 표면 피복층을 형성하고,
    상기 기재에 가열 처리를 실시함으로써 트루스타이트 조직 또는 솔바이트 조직으로 바꾸는 동시에, 상기 표면 피복층을 Ni와 Ni3P의 공정 조직으로 바꾸는 것을 특징으로 하는, 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기재에 포함되는 탄소가 0.3wt％ 이상 2.7wt％ 이하, 크롬이 13wt％ 이하인 특징으로 하는, 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 기재의 템퍼링 온도가 350℃ 이하인 것을 특징으로 하는, 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 표면 피복층은 Ni와 P, Ni와 P와 B 또는 Ni와 P와 W를 포함하는 무전해 도금에 의해 형성되고,
    상기 가열 처리는 금형의 사용 온도보다도 높은 온도인 것을 특징으로 하는, 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 가열 처리는 270℃ 이상에서 행하여지는 것을 특징으로 하는, 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
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