説明

ガラス成形用金型の製造方法

【課題】成形温度において表面被覆層にクラックが発生することを防止するとともに、金型の塑性変形を防止することで、金型の形状を高い精度で維持する。
【解決手段】炭素が0.3wt%以上2.7wt%以下、クロムが13wt%以下であって、モリブデンが0.5wt%以上3wt%以下、バナジウムが0.1wt%以上5wt%以下、タングステンが1wt%以上7wt%以下のうち少なくとも1つを満たす添加物が加えられた鋼製の素材を焼入れするとともに、400℃以上650℃以下で焼戻しすることで基材を製作し、上記基材の表面に、非晶質のNi−P合金からなる表面被覆層を形成し、これに加熱処理を施すことによって、前記表面被覆層をNiとNiPの共晶組織に変える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、精密な加工を必要とするガラス成形用金型の製造方法に関し、特に金型の形状を高い精度で維持することができるものに関する。
【背景技術】
【0002】
プラスチック成形の分野では、成形金型の精密加工技術が確立されており、回折格子など、微細形状を有する光学素子の量産が実現している。この場合、金型の製作は、ステンレス鋼からなる基材の表面に無電解Ni−Pめっきを施し、次いで、このめっき層をダイヤモンドバイトで精密加工することにより行われている。
【0003】
しかし、これと同様の金型をガラス成形に適用すると、無電解Ni−Pめっき層にクラックが発生する問題が生ずる。この現象は、成形温度に起因している。即ち、Ni−Pめっき層は、めっき状態ではアモルファス(非晶質)構造をとっているが、約270℃以上に加熱すると結晶化が始まり、そのとき、めっき層に体積収縮が起こり、引張応力が作用してめっき層にクラックが発生する。
【0004】
この問題の対策として、熱膨張係数が10×10−6〜16×10−6(K−1)の基材を選定し、めっき後、400〜500℃で熱処理を行っている。しかし、基材の熱膨張係数をNi−Pめっき層に合わせても、熱処理の際、結晶化に伴う体積収縮がめっき層だけに生ずるので、めっき層に大きな引張応力が作用して、クラックが発生する場合があった(例えば特許文献1参照)。
【0005】
また、金型使用中に高温になると、金型に塑性変形が生じ、金型の形状を高い精度で維持することができないという問題もあった。
【特許文献1】特開平11−157852号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、成形温度において表面被覆層にクラックが発生することを防止するとともに、金型の塑性変形を防止することで、金型の形状を高い精度で維持するとともに、その寿命を増大させることができるガラス成形用金型の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明のガラス成形用金型の製造方法は次のように構成されている。
【0008】
炭素が0.3wt%以上2.7wt%以下、クロムが13wt%以下であって、モリブデンが0.5wt%以上3wt%以下、バナジウムが0.1wt%以上5wt%以下、タングステンが1wt%以上7wt%以下のうち少なくとも1つを満たす添加物が加えられた鋼製の素材を焼入れするとともに、400℃以上650℃以下で焼戻しすることで基材を形成し、上記基材の表面に、非晶質のNi−P合金からなる表面被覆層を形成し、これに加熱処理を施すことによって、前記表面被覆層をNiとNiPの共晶組織に変えることを特徴とする。
【0009】
炭素が0.3wt%以上2.7wt%以下、クロムが13wt%以下であって、モリブデンが0.5wt%以上3wt%以下、バナジウムが0.1wt%以上5wt%以下、タングステンが1wt%以上7wt%以下のうち少なくとも1つを満たす添加物が加えられた鋼製の素材を焼入れするとともに、サブゼロ処理することで基材を形成し、上記基材の表面に、非晶質のNi−P合金からなる表面被覆層を形成し、これに加熱処理を施すことによって、前記表面被覆層をNiとNiPの共晶組織に変えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、成形温度において表面被覆層にクラックが発生することを防止するとともに、金型の塑性変形を防止することで、金型の形状を高い精度で維持するとともに、その寿命を増大させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
図1は、本発明の一実施の形態に係るガラス成形用金型の製造工程の概要を示すブロック図である。ガラス成形用金型の製造は次のような工程で行う。
【0012】
なお、基材として、炭素が0.3wt%以上2.7wt%以下、クロムが13wt%以下であって、モリブデンが0.5wt%以上3wt%以下、バナジウムが0.1wt%以上5wt%以下、タングステンが1wt%以上7wt%以下のうち少なくとも1つを満たす添加物が加えられた鋼製の素材を用いる。
【0013】
このような基材に粗加工を行った後(ST1)、焼入れ・高温焼戻しを行う(ST2)。次いで、めっき前加工を行った後(ST3)、無電解めっきによりNi−P合金からなる表面被覆層(めっき層)を形成する(ST4)。次いで、基材及び表面被覆層に加熱処理を行い(ST5)、表面被覆層を結晶化するとともに、基材を焼き戻し組織に変える。次いで、基材に仕上げ加工(ST6)及び表面被覆層の仕上げ加工(ST7)を行った後、表面被覆層に、離型膜をコーティングする(ST8)。
【0014】
本実施の形態における製造方法では、基材としてMo,V,Wを添加して高温硬さを向上させた鋼材を用いることで、高温焼戻しを行っても表面被覆層が割れないようにしている。これは焼入れ直後には残留オーステナイトが多く存在するが、高温焼戻しを行うと低炭素マルテンサイト及びマルテンサイトの組織に変化するためである。
【0015】
なお、高温焼戻しにおける温度は400〜650℃以下とする必要がある。400℃よりも低い温度では残留オーステナイトの低減にあまり効果がなく、650℃を超えると基材の軟化が著しいからである。なお、高温焼戻しではなく、サブゼロ処理を行うようにしてもよい。サブゼロ処理も残留オーステナイトをマルテンサイトに変態させる効果があるためである。
【0016】
表面被覆層の形成は、Ni−P合金、例えば、Ni−P、Ni−P−B又はNi−P−Wを用いる。これらの組織は、めっき状態では非晶質もしくは部分的に非晶質であり、約270℃以上の加熱で、完全に結晶化したNiとNiPの混合組織に変態する。
【0017】
加熱処理の温度は、金型の使用温度(すなわち、ガラスの成形温度)以上にする必要がある。金型の使用温度よりも低い温度にすると、使用中に寸法変化が起こり、成形品の寸法精度が低下するからである。加熱処理温度を上げすぎるとメッキ面に影響を与えるため、加熱処理温度の上限は700℃程度とする。
【0018】
次に、基材を上述した成分の鋼製の素材を用いる理由について説明する。すなわち、C含有量は、0.3wt%以上2.7wt%以下とした。C含有量が0.3wt%より低くなると、焼戻しにおける基材の体積収縮量が小さくなり過ぎてしまう。一方、C含有量が2.7wt%を超えると、基材の体積収縮量は十分ではあるが、靭性低下などの弊害が出てくる。
【0019】
また、Cr含有量は、13wt%以下とした。Cr含有量が13wt%を超えると残留オーステナイトが分解しにくくなるためである。なお、Cr含有量の下限値については、特に制約はない。
【0020】
添加物であるMo,V,Wについては、Moが0.5wt%以上3wt%以下、Vが0.1wt%以上5wt%以下、Wが1wt%以上7wt%以下とした。これらの添加物の量が少なすぎると基材の高温硬さが十分ではなくプレス圧力によって塑性変形する虞があるためである。なお、必要以上に多くするとコストが高くなるため上限を定めている。
【0021】
種々の成分の基材に、無電解Ni−Pめっきを100μm被覆した金型を製作して、加熱熱処理中及び成形中に発生したクラックの数及びガラスを成形したときの基材の塑性変形の有無を調べた。表1に、基材の成分、焼戻し温度、クラック発生率、塑性変形の有無との関係を示す。供試体7は、比較例として従来の熱処理を行ったプラスチック成形用金型を用いている。また、成形温度は全て550℃とした。
【0022】
【表1】

【0023】
表1から分かるように、本発明の製造方法に基づいて製作された金型(供試体5,6)では、クラックの発生及び塑性変形が認められなかった。
【0024】
上述したように本実施の形態に係るガラス成形用金型の製造方法及びガラス成形用金型では、成形温度において表面被覆層にクラックが発生することを防止するとともに、金型の塑性変形を防止し、金型の形状を高い精度で維持するとともに、その寿命を増大させることが可能となる。
【0025】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、基材及び表面被覆層の加熱処理を、基材の仕上げ加工及び表面被覆層の仕上げ加工の後に行うようにしてもよい。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】本発明の一実施の形態に係るガラス成形用金型の製造方法の概要を示すブロック図。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
炭素が0.3wt%以上2.7wt%以下、クロムが13wt%以下であって、モリブデンが0.5wt%以上3wt%以下、バナジウムが0.1wt%以上5wt%以下、タングステンが1wt%以上7wt%以下のうち少なくとも1つを満たす添加物が加えられた鋼製の素材を焼入れするとともに、400℃以上650℃以下で焼戻しすることで基材を形成し、
上記基材の表面に、非晶質のNi−P合金からなる表面被覆層を形成し、
これに加熱処理を施すことによって、前記表面被覆層をNiとNiPの共晶組織に変えることを特徴とするガラス成形用金型の製造方法。
【請求項2】
上記表面被覆層は、NiとP、NiとPとB又はNiとPとWを含む無電解めっきにより形成され、
上記加熱処理は、ガラスの成形温度以上であることを特徴とする請求項1に記載のガラス成形用金型の製造方法。
【請求項3】
炭素が0.3wt%以上2.7wt%以下、クロムが13wt%以下であって、モリブデンが0.5wt%以上3wt%以下、バナジウムが0.1wt%以上5wt%以下、タングステンが1wt%以上7wt%以下のうち少なくとも1つを満たす添加物が加えられた鋼製の素材を焼入れするとともに、サブゼロ処理することで基材を形成し、
上記基材の表面に、非晶質のNi−P合金からなる表面被覆層を形成し、
これに加熱処理を施すことによって、前記表面被覆層をNiとNiPの共晶組織に変えることを特徴とするガラス成形用金型の製造方法。
【請求項4】
上記表面被覆層は、NiとP、NiとPとB又はNiとPとWを含む無電解めっきにより形成され、
上記加熱処理は、ガラスの成形温度以上であることを特徴とする請求項3に記載のガラス成形用金型の製造方法。

【図1】
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【公開番号】特開2008−169107(P2008−169107A)
【公開日】平成20年7月24日(2008.7.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−322478(P2007−322478)
【出願日】平成19年12月13日(2007.12.13)
【出願人】(000003458)東芝機械株式会社 (843)
【Fターム(参考)】