(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均気孔径３０μm 以下、気体透過量０．０１〜２０ml/hr.cm.mmAq の多孔組織を備え、かつ溶融ガラスとの接触面が基準長さ２．５mmにおいて最大高さ３〜２５μm の表面粗さを有するガラス状カーボン材からなることを特徴とするガラス成形用カーボン治具。
【請求項２】
ガラス状カーボン材が、セルロース繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた成形体を１０００〜２７００℃の温度範囲で炭化処理し、溶融ガラスとの接触面を研磨処理して得られたものである請求項１記載のガラス成形用カーボン治具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶融ガラスを成形して透明性ガラス体を製造する工程で容器または下敷プレート等として使用するための多孔性ガラス状カーボン材からなる治具、特に低粘度の溶融ガラスの成形に対しても円滑なガス抜きができるガラス成形用カーボン治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素、黒鉛などのカーボン材料は、高温下でも軟化変形を生じない耐熱安定特性を生かして冶金用のルツボ、型枠、治具等を構成する基材として広く用いられているが、比較的新しい用途分野として透明ガラスを成形するための治具部材として実用されている。
【０００３】
このガラス成形用の治具に用いるカーボン材には、機械的強度が高く、かつ成形したガラス面が良好な仕上がり状態を現出するに十分な緻密組織が要求されるため、従来、高密度の黒鉛材料が適用されている。ところが、通常の黒鉛材料は粉体原料をバインダーとともに成形したのち焼成および黒鉛化処理を施して生産される関係で、使用中に治具から微細な黒鉛粉末が離脱して成形ガラスを汚損する欠点がある。このような事態が起きると、成形ガラスに煩繁な洗浄処理を施して付着した黒鉛粉末を除去する余分な処理工程が必要となる。
【０００４】
かかる粉末発生を伴わないカーボン材料にガラス状カーボンがある。ガラス状カーボンは熱硬化性樹脂の成形体をそのまま焼成炭化処理して得られる材料であるため、材質全体が連続組織として形成され、組織中に離脱する粉末成分が存在しない。したがって、例えば電子部品を気密容器内にガラスで溶封したり、ガラスによって融着被覆する際に溶融ガラスへのカーボン粉末汚損を避ける目的で、ガラス融着用治具を実質的に無孔構造の気体不透過性をもつガラス状カーボンで構成する試みが提案されている（特開昭63−14453 号公報）。
【０００５】
しかし、前記した実質的に無孔構造の気体不透過性を有するようなガラス状カーボン材をガラス成形用の治具基材として適用すると、ガラス成形時のガス抜きが円滑におこなわれず、成形ガラスの透明度を低下させる問題があった。本発明者らは、この問題を解消するため先に平均気孔径３０μm 以下、気体透過量０．０１〜２０ml/hr.cm.mmAq の組織特性を備える多孔性組織のガラス状カーボン材からなるガラス成形用カーボン治具を開発した（特開平４−219332号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の多孔性ガラス状カーボンからなるガラス成形用治具は、ホウケイ酸ガラスのような一般の封着用ガラスに対しては良好な表面平滑性を付与しながら歩留りよく成形することができ、かつ長期間に亘たる優れた透明度を確保することが可能となる。ところが、溶融時に低粘度になるようなガラス、あるいはガラス原料溶融工程時の温度管理等の不備による過昇温や不純物の混入により生じる低粘度のガラスに対しては、溶融ガラスが治具表面のミクロな凹凸部分に深く入り込んで気孔を閉塞する現象が発生する。このため、成形時のガラス組織から発生するガスの抜けが局部的にしか進行しなくなる結果、治具に接する成形ガラス表面に微細な気泡が内蔵されて透明度を損ねるという未解決の課題が残されていた。
【０００７】
この課題の対策としては、治具を構成するガラス状カーボン材の組織をより多孔質化し、気孔率、気孔径および気体透過量を大きくしてガス抜き効率を高めることが考えられるが、このようにすると成形ガラスの表面に無数の凹凸が発生するうえ、離型性の不良に基づく作業性の悪化や工程の増加、治具材質の強度低下などの問題を生じるため、好ましい対応手段とはならない。
【０００８】
本発明の目的は、特開平４−２１９３３２公報記載のガラス状カーボン材に新たな特性要素を付加して一層の改良を加え、低粘度を含む溶融ガラスの性状変動に係わりなく、常に優れた透明度と表面平滑性を付与しながら成形することができる特定の多孔組織と表面性状を備えたガラス状カーボン材からなるガラス成形用カーボン治具を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明によるガラス成形用カーボン治具は、平均気孔径３０μm 以下、気体透過量０．０１〜２０ml/hr.cm.mmAq の多孔組織を備え、かつ溶融ガラスとの接触面が基準長さ２．５mmにおいて最大高さ３〜２５μm の表面粗さを有するガラス状カーボン材からなることを構成上の特徴とする。
【００１０】
なお、本発明で特定したガラス状カーボン材の特性数値は、平均気孔率については水銀圧入法による測定値、気体透過量は直径５０mm、厚さ３mmのガラス状カーボン試片に室温で窒素ガスを２００mmAqの加圧下で透過させた際の透過ガス量値、そして表面粗さは触針式表面粗さ測定器（ＪＩＳ  Ｂ０６５１）による測定値で、研磨溝の基準長さ２. ５mm当たりの最大高さ（溝深さ）である。
【００１１】
本発明の基材となるガラス状カーボン材は、材質組織に適度の気孔が均質に分布する多孔性状を具備することに特徴づけられ、特定された平均気孔径３０μm 以下および気体透過量０．０１〜２０ml/hr.cm.mmAq の組織特性が成形ガラスの透過度を損ねずに良好な表面平滑性と高い耐酸化消耗性を付与するための重要な要件となる。ガラス状カーボン材の組織中に介在する平均気孔径の大きさが３０μm を越える場合には、表面に微細な凹凸が現われて成形ガラスの表面平滑性を減退させる結果を与える。また、気体透過量が０．０１ml/hr.cm.mmAq 未満では成形時のガス抜けが不十分となって成形ガラスの透明度を損ね、２０ml/hr.cm.mmAq を上廻る気体透過量になると使用時の残留酸素に基づく酸化消耗が進行し、治具の使用ライフが大幅に短縮化するほか、微小片の脱落が生じて成形ガラスを汚損する。
【００１２】
上記の多孔組織に加えて、溶融ガラスとの接触面における治具の表面粗さが基準長さ２．５mmにおいて最大高さ３〜２５μm の範囲にある表面性状を備えることが本発明の必須の要件となる。基準長さにおいて最大高さが３μm を下廻ると、低粘度の溶融ガラスを成形する際にガス抜き効果が円滑に進行せず、透明度の低下現象は改善されない。一方、最大高さが２５μm を越えると研磨加工時に際して同時に溝幅が広がって表面に微小凹凸が形成され、この結果、成形ガラスの表面平滑性を損ねたり、気孔の閉塞によりガス抜け不良を起こして透明度を減退させる。
【００１３】
本発明のガラス成形用カーボン治具は、構成するガラス状カーボン材に上記した３項目の特性を同時に具備させる必要があり、このうちの１つの特性要件が欠落しても本発明の効果を達成することができなくなる。
【００１４】
上記の組織特性を備えるガラス状カーボン材は、セルロース繊維に熱硬化性樹脂液を含浸させた成形体を１０００〜２７００℃の温度範囲で炭化処理し、溶融ガラスとの接触面を研磨処理する方法で得ることができ、従来から典型的な製造手段とされている熱硬化性樹脂の成形体を炭化処理する方法によっては目的とする多孔組織を付与することはできない。
【００１５】
すなわち、本発明のガラス成形用カーボン治具は、以下のプロセスにより製造することができる。まず、パイプまたはレーヨンパイプなどα−セルロース９０％以上を含む短繊維状のセルロース繊維（太さ３〜１０デニール、長さ５〜１０mm）をポリビニルアルコールのようなバインダー成分とともに水に分散させ、抄紙法によりシートに形成する。抄紙シートは、乾燥したのち残炭率４０％以上の熱硬化性樹脂溶液中に浸漬して含浸処理を施し半硬化する。熱硬化性樹脂の残炭率とは、樹脂を非酸化性雰囲気下で８００℃の温度に焼成したときに残留する炭素分の重量を指し、これに該当する熱硬化性樹脂としてはばフェノール系樹脂、フラン系樹脂、ポリイミド樹脂などを挙げることができる。熱硬化性樹脂の溶液化に用いられる有機溶媒は樹脂の種類によって選定されるが、通常、メタノール、エタノール、アセトン、メチルエチルケトンのような低粘度で浸透性が高く、容易に熱揮散する性質の有機溶媒が選定される。
【００１６】
次に、半硬化シートを所要枚数に積層して全面を均一に加熱しながら圧縮し、積層成形する。引き続き、この成形体を非酸化性雰囲気中で１０００〜２７００℃の温度範囲で焼成し、熱揮散性の成分を揮散させるとともに熱硬化性樹脂成分を炭化してガラス状カーボン材に転化させる。この炭化処理時における温度範囲の設定は重要で、１０００℃未満であると材質的に酸化されやすくなり、また２７００℃を越えると黒鉛化が進行して微細片の離脱が発生するようになる。より好ましい焼成炭化温度は、１５００〜２７００℃である。
【００１７】
上記の製造工程を用い、抄紙の条件、含浸樹脂量、積層成形の条件等を適宜調整することにより平均気孔径３０μm 以下、気体透過量０．０１〜２０ml/hr.cm.mmAq の多孔組織特性を付与することができる。得られたガラス状カーボン成形体の表面を機械加工して平滑にしたのち、サンドペーパー等を用いて均質に研磨処理することにより基準長さ２．５mmにおける最大高さが３〜２５μm の表面粗さになるように粗面化して治具とする。
【００１８】
【作用】
本発明によるガラス成形用カーボン治具は、平均気孔径３０μm 以下、気体透過量０．０１〜２０ml/hr.cm.mmAq の多孔組織と、溶融ガラスと接触する面の表面性状が基準長さ２．５mmにおいて最大高さ３〜２５μm 範囲の表面粗さを備えるガラス状カーボン材によって構成されている。このうち、平均気孔径３０μm 以下および気体透過量０．０１〜２０ml/hr.cm.mmAq の特性は、その均質で微細な多孔組織がガラス成形時におけるガス抜きを円滑に進行させて常に良好な透明度のガラス体を成形する作用を営む。
【００１９】
一方、溶融ガラスと接触面が基準長さ２．５mmにおいて最大高さ３〜２５μm 範囲の表面粗さを呈する表面性状は、例えば粘度２．５ポイズ程度の低粘度溶融ガラスであっても形成された表面溝の内部に浸入せず、溶融ガラスと治具表面との間に無数の微細な研磨空孔が介在する状態で接触する。この状態を図示すると図１に示した模式断面図のようになり、低粘度のガラス融体を成形する場合であっても、溶融ガラス１の成形面２に接するガラス成形用カーボン治具３の表面に組織気孔４とは別に微細な研磨空孔５が無数に介在し、この研磨空孔５の内部に溶融ガラス１が浸入して密着することはない。
【００２０】
これに対し、研磨処理を施さない接触面が基準長さ２．５mm当たりの最大高さが１．５μm 未満のガラス状カーボン材からなる多孔組織の治具では、溶融ガラスが３〜４ポイズの通常粘度である場合には、図２に示すように溶融ガラス１の成形面２がガラス成形用カーボン治具３の組織気孔４の内部に密着せずに接触するため、界面に組織気孔４の空間部６が形成されてガス抜けを効果的に進行させるが、低粘度の溶融ガラスを成形する場合には、図３に示すように溶融ガラス１とガラス成形用カーボン治具３の成形面２に空間部６がなくなる状態で密着し、ガス抜けを進行させる組織気孔４の界面空間部分は極端に減少する。このため、ガス抜けは大幅に抑制されて、成形ガラス体の透明性が減退する。
【００２１】
このように特定の表面粗さを有する本発明の表面性状は、成形時、治具の接触面に無数の研磨空孔が介在して成形面における接触面積を小さくするために機能するから、前記した多孔組織に基づく作用と相俟ってガス抜けを円滑に進行させ、常に透明性に優れるガラス成形体を得ることができる。同時に研磨空孔には溶融ガラスが浸入密着しないため、十分な表面平滑性も確保される。
【００２２】
また、セルロース繊維に熱硬化性樹脂液を含浸させた成形体を１０００〜２７００℃の温度範囲で炭化処理し、溶融ガラスとの接触面を研磨処理してガラス状カーボン材は、セルロース繊維が炭化時の熱処理過程で大部分が揮散して多孔組織を形成するから、材質的に連続組織を呈している。したがって、ガラス状カーボン本来の粉末離脱がない骨格構造と優れた表面活性および機械的強度を有しているから、ガラス成形工程を能率よく操作することができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して具体的に説明する。
【００２４】
実施例１〜８、比較例１〜５
α−セルロース分９０％以上、太さ５デニール、長さ２５mmのレーヨンパイプ〔大和紡績（株）製〕をポリビニルアルコール(PVA) バインダーとともに水中で撹拌混合し、均質に分散させたのち抄紙装置を用いて縦横１０００mm、厚さ０．１mm、秤量６５g/m2のシートに成形し、乾燥した。乾燥シートを残炭率４５％のフェノール樹脂〔住友デュレズ（株）製、“スミラレトレジンPR940 ”〕のアセトン溶液に浸漬して含浸処理し、余剰の樹脂成分を除去して１００℃の温度により半硬化させた。ついで、半硬化させたシートを４０枚積層して１５０℃に調整された均熱平面盤の上に載置し、この状態で上部から平面盤で圧縮しながら積層成形して樹脂を完全に硬化させた。得られた成形体を、平滑表面の黒鉛板に鋏み付けて電気焼成炉に移し、周囲をコークスパッキング材で被包してから１５℃/hr.の速度で昇温して２０００℃の温度で焼成炭化処理をした。
【００２５】
上記工程により、含浸樹脂溶液の濃度、積層成形時の圧力等を調整して平均気孔径および気体透過量の異なる組織特性のガラス状カーボン材を製造した。ついで、各材料を加工して縦３５０mm、横２００mm、厚さ３mmのプレートを形成したのち、溶融ガラスの接する片面を #１８０から２０００のサンドペーパーを用いて均一に表面研磨して表面粗さの異なる表面性状に形成した。
【００２６】
このようにして製造したガラス状カーボン材からなるガラス成形用カーボン治具を用い、その研磨面を下敷プレートとし、その上面に内径２０mm、外径３０mm、高さ１０mmのステンレス製リングを５０個載置した。ついで、リング内に鉛ソーダガラス原料粉末を充填した。成形用原料とした鉛ソーダガラスは、白金、チタン等の純金属や、クロム、シュメット等の合金の封着材として一般に用いられているガラス成分であり、前記金属類と同等の高膨張係数をもち、溶融時の粘度は２．５ポイズ程度とホウケイ酸ガラス（溶融粘度：３〜４ポイズ）と比べて低いものである。ついで、プレートを窒素ガス雰囲気に保持された温度９００℃の電気炉に移し、粉末が溶融して均一にガラス化するまで熱処理を施した。プレートを電気炉から取り出し、室温まで徐々に放冷して円柱型の透明ガラス体を成形した。
【００２７】
このようにして成形されたガラス体の外観と歩留りを、用いたガラス状カーボン製治具の平均気孔径、気体透過量および表面粗さと対比して表１に示した。
【００２８】
表１の結果から、本発明の特性要件を満たすガラス状カーボン材からなる各実施例の治具はいずれも優れた透明度および表面平滑度を示し、製品歩留りも高いものであった。また、治具の酸化消耗も少なく長期間安定して使用できることが認められた。これに対しプレート治具の表面粗さの最大高さが２５μm を越える比較例１では成形ガラスの表面に微小な凹凸が発生し、また表面粗さの最大高さが３μm 未満の比較例２では成形時のガス抜けが円滑に進行せず、ガラス組織内にガス気泡が生じて透明度が減退した。比較例３〜５では、平均気孔径または気体透過量のいずれかが本発明の要件を外れており、良好なガラス成形体は得られなかった。
【００２９】
【表１】
0003664448.tif 000002
【００３０】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明により提供されるガラス成形用カーボン治具は特定の多孔組織と表面性状を同時に保有するガラス状カーボン材によって構成されているから、常に良好な透明度と表面平滑性を有するガラス体を成形することが保証される。そのうえ、治具の酸化消耗が少なく、長期間にわたって安定使用することができるため製造コストの低減化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による多孔組織と表面性状を備えるガラス状カーボン材の治具と低粘度の溶融ガラスとの界面接触状態を模式的に図示した拡大断面説明図である。
【図２】本発明の表面性状を有しないガラス状カーボン材の治具と通常粘度の溶融ガラスとの界面接触状態を模式的に図示した拡大断面説明図である。
【図３】本発明の表面性状を有しないガラス状カーボン材の治具と低粘度の溶融ガラスとの界面接触状態を模式的に図示した拡大断面説明図である。
【符号の説明】
１  溶融ガラス
２  成形面
３  ガラス成形用カーボン治具
４  組織気孔
５  研磨気孔
６  空間部
【図１】
0003664448.tif 000003
【図２】
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【図３】
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