KR101073717B1 - 글래스 성형용 금형 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

철강제의 기재(1)와, 이 기재(1) 상에 순차적으로 형성된, 결정화된 절삭 가공층(2), 중간층(3) 및 이형층(4)을 구비하는 글래스 성형용 금형(5)이며, 상기 절삭 가공층(2)은 인을 함유한 니켈 합금층이며, 상기 중간층(3)은 크롬, 니켈, 구리, 코발트 중 어느 하나로 이루어지는 층 혹은 이들 원소의 적어도 1종 이상을 포함하는 합금층이며, 또한 상기 이형층(4)은 이리듐 및 레늄을 함유하는 합금층인 것을 특징으로 하는 글래스 성형용 금형이다.
이형층, 절삭 가공층, 니켈 합금층, 다이아몬드 바이트, 글래스 성형용 금형

Description

글래스 성형용 금형 및 그 제조 방법{GLASS FORMING MOLD AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은, 특히 정밀 형상의 광학 소자를 성형하기 위한 글래스 성형용 금형 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
주지와 같이, 플라스틱 성형의 분야에서는, 성형 금형의 정밀 가공 기술이 확립되어 있고, 회절 격자 등의 미세 형상을 갖는 광학 소자의 대량 생산이 실현되고 있다. 이 경우의 금형은, 기재의 표면에 무전해 Ni-P 도금을 실시하고, 이 도금층을 다이아몬드 바이트로 정밀 가공하여 제작하고 있다. 이 금형을 글래스 성형에 응용하는 경우, Ni-P층에서는 글래스와의 이형성을 유지할 수 없으므로, 이형막을 형성할 필요가 있었다. 예를 들어, 일본 특허 공개 제2002-29772호 공보(특허 문헌 1)에서는, 이형막으로서 W, Pt, Pd, Ir로 이루어지는 금속 혹은 합금을 채용하고 있다. 그러나, 특허 문헌 1의 경우, 성형 온도가 높아지면, 이형막의 표면 거칠기가 악화되어 버리는 것을 알 수 있었다.
본 발명은, 결정화된 절삭 가공층의 존재에 의해, 성형 중에 이형층의 표면 거칠기가 악화되는 것을 회피하여 정밀한 가공이 가능한 글래스 성형용 금형을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 기재 상에 절삭 가공층을 형성한 후에 가열함으로써 결정화시키고, 그 후에 상기 이형층 혹은 중간층 및 이형층을 형성함으로써, 성형 중에 이형층의 표면 거칠기가 악화되는 것을 회피하여 정밀한 가공을 실현할 수 있는 글래스 성형용 금형의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
1) 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 글래스 성형용 금형은, 철강제의 기재와, 이 기재 상에 순차적으로 형성된, 결정화된 절삭 가공층 및 이형층을 구비하는 글래스 성형용 금형으로서, 상기 절삭 가공층은 인을 함유한 니켈 합금층이며, 상기 이형층은 이리듐 및 레늄을 함유하는 합금층인 것을 특징으로 한다.
2) 본 발명의 글래스 성형용 금형의 제조 방법은, 철강제의 기재와, 이 기재 상에 순차적으로 형성된, 절삭 가공층 및 이형층을 구비하는 글래스 성형용 금형을 제조하는 방법으로서, 기재 상에 절삭 가공층을 형성한 후에 가열함으로써 결정화시키고, 그 후에 상기 이형층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
3) 또한, 본 발명의 글래스 성형용 금형은, 철강제의 기재와, 이 기재 상에 순차적으로 형성된, 결정화된 절삭 가공층, 중간층 및 이형층을 구비하는 글래스 성형용 금형으로서, 상기 절삭 가공층은 인을 함유한 니켈 합금층이며, 상기 중간층은 크롬, 니켈, 구리, 코발트 중 어느 하나로 이루어지는 층 혹은 이들 원소의 적어도 1종 이상을 포함하는 합금층이며, 또한 상기 이형층은 이리듐 및 레늄을 함유하는 합금층인 것을 특징으로 한다.
4) 또한, 본 발명의 글래스 성형용 금형의 제조 방법은, 철강제의 기재와, 이 기재 상에 순차적으로 형성된, 절삭 가공층, 중간층 및 이형층을 구비하는 글래스 성형용 금형을 제조하는 방법으로서, 기재 상에 절삭 가공층을 형성한 후에 가열함으로써 결정화시키고, 그 후에 상기 중간층 및 이형층을 순차적으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 글래스 성형용 금형에 따르면, 결정화한 절삭 가공층의 존재에 의해 성형 중에 이형층의 표면 거칠기가 악화되는 것을 회피하여 정밀한 가공을 실현할 수 있다. 또한, 본 발명의 글래스 성형용 금형의 제조 방법에 따르면, 기재 상에 절삭 가공층을 형성한 후에 가열함으로써 결정화시키고, 그 후에 상기 이형층 혹은 중간층 및 이형층을 형성함으로써, 성형 중에 이형층의 표면 거칠기가 악화되는 것을 회피하여 정밀한 가공을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 관한 글래스 성형용 금형의 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예에 관한 금형의 과열 후의 표면 거칠기와 가열 시간과의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 관한 글래스 성형용 금형의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 관한 글래스 성형용 금형의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 관한 글래스 성형용 금형의 부분 단면도이다.
이하, 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 있어서, 상기 절삭 가공층은 다이아몬드 바이트에 의해 정밀한 가 공을 하기 위해 필요하고, 절삭 가공층의 인(P) 농도는 1중량% 이상 15중량% 이하인 것이 바람직하다. 여기서, P 농도가 1중량% 미만인 경우, 절삭 가공성이 악화된다. 또한, P 농도가 15중량%를 초과하면, 절삭 가공층이 취약해진다는 문제가 있었다. 절삭 가공층은, 니켈(Ni), P 이외에, 붕소(B), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 레늄(Re) 등을 포함해도 된다.
본 발명에 있어서, 상기 이형층은 글래스와의 이형성을 유지하는 역할을 하고 있다. Ir-Pt 합금은 이형성이 우수하지만, 약 500℃ 이상으로 가열하면, 절삭 가공층의 Ni, P의 영향을 받아 표면 거칠기가 악화되는 동시에, 이형성도 저하되어 글래스가 융착해 버린다. 또한, Ir-Re 합금으로 이루어지는 이형층에서는, 표면 거칠기는 악화되지 않는다. 그러나, 이형성은 반드시 충분하지는 않아, 글래스가 융착하는 경우가 있었다. 그러나, 본 발명자들의 연구 결과, Ir-Re-C 합금으로 이루어지는 이형층에서는, 표면 거칠기의 악화도 일어나지 않을 뿐만 아니라, 이형성도 우수하므로, 글래스의 융착이 전혀 일어나지 않는 것을 규명하였다.
즉, 본 발명에서는, 이형층에 C를 함유시키는 것이 바람직하고, 이에 의해 이형성이 현저하게 향상된다. 여기서, C 함유량은, 1at% 이상 50at% 이하인 것이 바람직하다. C 함유량이 1at% 미만인 경우, 이형성 향상의 효과가 작다. 또한, C 함유량이 50at%를 초과하면, 이형층의 내산화성이 악화된다.
본 발명에 있어서, 상기 중간층은 절삭 가공층과 이형층의 밀착 강도를 높이는 역할을 하고 있다. 중간층으로서 적합한 재료는, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co)이다.
본 발명의 제조 방법에 있어서, 절삭 가공층은 형성시에 비정질 상태이므로, 가열에 의해 결정질로 하여 이형층, 혹은 중간층과 이형층을 형성한다. 상기 (4)의 발명에 있어서, 중간층과 이형층을 형성한 후에 절삭 가공층의 결정 구조가 변화하면, 중간층과 이형층의 계면에 큰 응력이 발생하여, 이형층이나 중간층이 박리될 가능성이 있다.
다음에, 본 발명의 구체적인 실시예에 대해 설명한다.
(실시예 1)
도 1은, 본 실시예 1에 관한 글래스 성형용 금형의 부분 단면도를 도시한다. 도면 중 부호 1은, 철강 재료의 기재를 나타낸다. 이 기재(1) 상에는, 결정화된 절삭 가공층(2), 중간층(3) 및 이형층(4)이 순차적으로 형성되어 있다. 여기서, 절삭 가공층(2)은 P(인)을 12중량% 함유한 니켈 합금층이다. 중간층(3)은 크롬(Cr)으로 이루어지는 층이다. 이형층(4)은 이리듐(Ir) 및 레늄(Re)을 함유하는 합금층이다.
도 1의 글래스 성형용 금형(5)은, 다음과 같이 하여 제조한다. 즉, 우선, 철강 재료의 기재(1) 상에 무전해 Ni-P 도금을 100㎛ 입혀, 530℃, 2시간 가열 처리를 실시하고, 결정화하여 절삭 가공층(2)을 형성하였다. 다음에, 절삭 가공층(2)을 다이아몬드 바이트로 가공한 후에, 스퍼터링에 의해 Cr로 이루어지는 중간층(3)을 50㎚, Ir-50wt%Re로 이루어지는 이형층(4)을 300㎚ 형성하고, 글래스 성형용 금형(5)을 제조하였다.
실시예 1에 관한 글래스 성형용 금형(5)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 기 재(1) 상에 P를 12중량% 함유한 니켈 합금층(절삭 가공층)(2), Cr로 이루어지는 중간층(3), 및 Ir, Re를 함유한 이형층(4)이 순차적으로 형성된 구성으로 되어 있다. 그런데, 금형(5)에서는, 절삭 가공층(2)을 형성한 후에 가열함으로써 절삭 가공층(2)을 결정화시키고, 그 후에 중간층(3) 및 이형층(4)을 순차적으로 형성하고 있으므로, 성형 중에 이형층(4)의 표면 거칠기가 악화되는 것을 회피하여 정밀한 가공을 실현할 수 있다.
사실, 상기 실시예 1에 관한 금형 및 비교예 1 내지 비교예 4에 관한 금형을 사용하여 570℃로 가열 후의 표면 거칠기를 측정한 결과, 도 2에 나타내는 결과를 얻을 수 있었다. 여기서, 도면 중의 부호 a는, 이형층/중간층/절삭 가공층의 강 조성이 Re-Ir/Cr/Ni-P인 경우(실시예)를 나타낸다. 부호 b는, 상기 강 조성이 Pt-Ir/Cr/Ni-P인 경우(비교예 1)를 나타낸다. 부호 c는, 상기 강 조성이 Ir/Ni/Ni-P인 경우(비교예 2)를 나타낸다. 부호 d는, 상기 강 조성이 Pt/Ni/Ni-P인 경우(비교예 3)을 나타낸다. 부호 e는, 상기 강 조성이 Pt-Ir/Ni/Ni-P인 경우(비교예 4)를 나타낸다.
도 2로부터, 비교예 1 내지 비교예 4의 모든 경우도, 8시간(H)까지 표면 거칠기가 악화되는 데 반해, 본 실시예 1의 경우도 32시간 경과해도 표면 거칠기(Ra)가 5㎚에 머물러 있는 것을 알 수 있다. 이에 의해, 본 발명이 비교예에 대해 우수한 것이 명백하다.
(실시예 2)
도 3은, 본 실시예 2에 관한 글래스 성형용 금형의 부분 단면도를 도시한다. 단, 도 1과 동일 부재는 동일 부호를 부여하고 설명을 생략한다. 글래스 성형용 금형(6)은, 철강 재료의 기재(1) 상에는, 결정화된 절삭 가공층(2), 이형층(4)이 순차적으로 형성된 구성으로 되어 있다.
도 3의 글래스 성형용 금형(6)은, 다음과 같이 하여 제조한다. 즉, 우선, 철강 재료의 기재(1) 상에 무전해 Ni-P 도금을 100㎛ 입혀, 530℃, 2시간 가열 처리를 실시하고, 결정화하여 절삭 가공층(2)을 형성하였다. 다음에, 절삭 가공층(2)을 다이아몬드 바이트로 가공한 후에, 스퍼터링에 의해 Ir-25wt% Re로 이루어지는 이형층(4)을 300㎚ 형성하고, 글래스 성형용 금형(6)을 제조하였다.
실시예 2에 따르면, 표면 거칠기(Ra)에 대해서는 실시예 1과 마찬가지로 32시간 후에도 양호하였다. 그러나, 가장자리의 부분에 약간이지만, 이형층의 박리가 보였다.
(실시예 3)
도 4는, 본 실시예 3에 관한 글래스 성형용 금형의 부분 단면도를 도시한다. 도면 중 부호 11은 철강 재료의 기재를 나타낸다. 이 기재(11) 상에는, 결정화된 절삭 가공층(12), 중간층(13) 및 이형층(14)이 순차적으로 형성되어 있다. 여기서, 절삭 가공층(12)은 P(인)를 10중량% 함유한 니켈(Ni-10wt%P) 합금층이다. 중간층(13)은 니켈(Ni)로 이루어지는 층이다. 이형층(14)은 이리듐(Ir), 레늄(Re) 및 3at% 탄소(C)를 함유하는 합금층이다.
도 4의 글래스 성형용 금형(10)은, 다음과 같이 하여 제조한다. 즉, 우선, 철강 재료의 기재(11) 상에 무전해 Ni-P 도금을 100㎛ 입혀, 530℃, 2시간 가열 처 리를 실시하고, 결정화하여 절삭 가공층(12)을 형성하였다. 다음에, 절삭 가공층(12)을 다이아몬드 바이트로 가공한 후에, 스퍼터링이 의해 Ni로 이루어지는 중간층(13)을 50㎚, Ir, Re, C로 이루어지는 이형층(14)을 300㎚ 형성하고, 글래스 성형용 금형(10)을 제조하였다.
실시예 3에 관한 글래스 성형용 금형(10)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 기재(11) 상에 P를 10중량% 함유한 니켈 합금층(절삭 가공층)(12), Ni로 이루어지는 중간층(13), 및 Ir, Re, C를 함유한 이형층(4)이 순차적으로 형성된 구성으로 되어 있다. 그런데, 금형(5)에서는, 절삭 가공층(12)을 형성한 후에 가열함으로써 절삭 가공층(12)을 결정화시켜, 그 후에 중간층(13) 및 이형층(14)을 순차적으로 형성하고 있으므로, 성형 중에 이형층(14)의 표면 거칠기가 악화되는 것을 회피할 수 있는 동시에, 글래스의 융착을 회피할 수 있다.
사실, 상기 실시예 3에 관한 금형 및 비교예 5, 비교예 6에 관한 금형을 사용하여 470℃로 가열 후의 글래스 융착의 상태 및 표면 거칠기를 측정한 결과, 하기 표 1에 나타내는 결과를 얻을 수 있었다. 여기서, 실시예 3은, 이형층/중간층/절삭 가공층/기재의 강 조성이 Ir-Re-C/Ni/Ni-P/Steel의 경우를 나타낸다. 비교예 5는, 상기 강 조성이 Ir-Pt/Ni/Ni-P/Steel인 경우(비교예 1)를 나타낸다. 비교예 6은, 상기 강 조성이 Ir-Re/Ni/Ni-P/Steel인 경우를 나타낸다. 이에 의해, 본 발명이 비교예에 대해 우수한 것이 명백하다.
금형의 조성
이형층/중간층/절삭 가공층/기재		 글래스 융착 금형의 표면 거칠기
실시예 3 Ir-Re-C/Ni/Ni-P/Steel 500샷으로 융착하지 않음 Ra 2㎚
비교예 5 Ir-Pt/Ni/Ni-P/Steel 1샷으로 융착 Ra 8㎚
비교예 6 Ir-Re/Ni/Ni-P/Steel 1샷으로 융착 Ra 2㎚
표 1로 부터, 비교예 5, 비교예 6의 경우에는 1샷으로 융착한 것에 대해, 실시예 3에서는 500샷으로도 융착하지 않는 것이 밝혀졌다. 또한, 금형 표면 거칠기에 대해서는, 비교예 5에서는 Ra 8㎚인 것에 대해, 실시예 3에서는 Ra 2㎚인 것이 밝혀졌다. 따라서, 표 1로부터, 본 발명은 비교예에 비해 글래스의 융착, 금형의 표면 거칠기의 점에서 우수한 것을 알 수 있었다.
(실시예 4)
도 5는, 본 실시예 4에 관한 글래스 성형용 금형의 부분 단면도를 나타낸다. 단, 도 4와 동일 부재는 동일 부호를 부여하여 설명을 생략한다. 글래스 성형용 금형(15)은, 철강 재료의 기재(11) 상에는, 결정화된 절삭 가공층(12), 이형층(14)이 순차적으로 형성된 구성으로 되어 있다.
도 5의 글래스 성형용 금형(15)은, 다음과 같이 하여 제조한다. 즉, 우선, 철강 재료의 기재(11) 상에 무전해 Ni-P 도금을 100㎛ 입혀, 530℃, 2시간 가열 처리를 실시하고, 결정화하여 절삭 가공층(12)을 형성하였다. 다음에, 절삭 가공층(12)을 다이아몬드 바이트로 가공한 후에, 스퍼터링에 의해 Ir, Re, C로 이루어지는 이형층(14)을 300㎚ 형성하고, 글래스 성형용 금형(15)을 제조하였다.
실시예 4에 따르면, 실시예 3과 비교하여, 절삭 가공층(12)과 이형층(14)의 밀착 강도는 약간 떨어지지만, 글래스 융착, 금형의 표면 거칠기의 점에서 실시예 3과 동등한 효과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명은, 상기 실시예 그대로 한정되는 것이 아닌, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 또한, 상기 실시예에 개시되어 있는 복수의 구성 요소의 적절한 조합에 의해 다양한 발명을 형성할 수 있다. 예를 들어, 실시예에 나타내어지는 전체 구성 요소로부터 몇 가지의 구성 요소를 삭제해도 된다. 또한, 다른 실시예에 관한 구성 요소를 적절하게 조합해도 된다. 구체적으로는, 상기 실시예에 기재한 구성 부재의 재료, 배합 비율, 두께 등은 일례이며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

Claims (4)

  1. 철강제의 기재와, 이 기재 상에 순차적으로 형성된, 결정화된 절삭 가공층 및 이형층을 구비하는 글래스 성형용 금형으로서,
    상기 절삭 가공층은 인 농도 1 내지 15질량%의 니켈 합금층이며, 상기 이형층은 이리듐, 레늄 및 탄소 농도 1 내지 50at%의 탄소로 이루어지는 합금층인 것을 특징으로 하는 글래스 성형용 금형.
  2. 철강제의 기재와, 이 기재 상에 순차적으로 형성된, 절삭 가공층 및 이형층을 구비하는 글래스 성형용 금형을 제조하는 방법으로서, 기재 상에 상기 절삭 가공층을 형성한 후에 가열함으로써 결정화시키고, 그 후에 상기 이형층을 형성하는 것을 특징으로 하는 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
  3. 철강제의 기재와, 이 기재 상에 순차적으로 형성된, 절삭 가공층, 중간층 및 이형층을 구비하는 글래스 성형용 금형으로서,
    상기 절삭 가공층은 인 농도 1 내지 15질량%의 니켈 합금층이며, 상기 중간층은 크롬, 니켈, 구리, 코발트 중 어느 하나로 이루어지는 층 혹은 이들 원소의 적어도 1종 이상을 포함하는 합금층이며, 또한 상기 이형층은 이리듐, 레늄 및 탄소 농도 1 내지 50at%의 탄소로 이루어지는 합금층을 함유하는 합금층인 것을 특징으로 하는 글래스 성형용 금형.
  4. 철강제의 기재와, 이 기재 상에 순차적으로 형성된, 절삭 가공층, 중간층 및 이형층을 구비하는 글래스 성형용 금형을 제조하는 방법으로서, 기재 상에 절삭 가공층을 형성한 후에 가열함으로써 결정화시키고, 그 후에 상기 중간층 및 이형층을 순차적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 글래스 성형용 금형의 제조 방법.
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