(57)【要約】【課題】微細な模様や形状を有する場合であっても、欠落や割れ等が生じにくく、耐用性に優れ、かつ、石英ガラス成形体に汚染や表面の荒れを生じさせることがない石英ガラス成形用型、および、このような石英ガラス成形用型を、容易かつ低コストで得ることができる製造方法を提供する。【解決手段】ガラス状カーボン材からなることを特徴とする石英ガラス成形用型を用い、また、その石英ガラス成形用型は、熱硬化性を有する樹脂材料を用いて、該樹脂材料の熱硬化温度よりも低温で、所定の形状の型を形成した後、熱硬化させ、次いで、非酸化性雰囲気中で、１３００℃以上２２００℃以下で焼成することにより得られる。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス状カーボン材からなることを特徴とする石英ガラス成形用型。
【請求項２】
熱硬化性を有するカーボン含有材料を用いて、前記カーボン含有材料の熱硬化温度近傍で、所定の形状の型を形成した後、熱硬化させ、次いで、非酸化性雰囲気中で、１３００℃以上２２００℃以下で焼成して、ガラス状カーボン材からなる石英ガラス成形用型を得ることを特徴とする石英ガラス成形用型の製造方法。
【請求項３】
前記熱硬化性を有するカーボン含有材料が、フェノール樹脂であることを特徴とする請求項２記載の石英ガラス成形用型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石英ガラス成形用型およびその製造方法に関し、より詳細には、溶融石英ガラスを成形する際に好適に用いることができるガラス状カーボン材からなる石英ガラス成形用型およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素、黒鉛等のカーボン材料は、高温下でも軟化変形を生じないという熱的特性を有しており、この特性を利用して、冶金用のルツボ、型枠、治具等の構成材として広く用いられている。
また、一般の透明ガラス（ケイ酸塩ガラス）を成形するための治具部材としても使用されている。このガラスの成形用治具に用いられるカーボン材には、機械的強度に優れており、かつ、ガラス成形体の表面の仕上がり状態が良好となるようなものであることが要求される。このため、従来は、材料組織が緻密である、すなわち、高密度の黒鉛材が用いられていた。
【０００３】
しかしながら、通常、このような黒鉛材は、粉末原料をバインダーとともに成形した後、焼成および黒鉛化処理を施して製造されるため、粉末原料炭化物およびバインダー炭化物の２相成分の複合組織により構成されている。
前記バインダー炭化物は、粉末原料炭化物よりも酸化しやすいことから、前記黒鉛材は、不均一な酸化消耗により、粒子が脱落しやすく、ガラス成形用治具として使用した場合、該治具から黒鉛のパーティクルが散逸して、ガラス成形体を汚染するという問題点を有していた。
【０００４】
このため、ガラス成形用治具においては、熱硬化性樹脂の成形体をそのまま炭化焼成処理して得られるガラス状カーボン材を用いることが提案されている（例えば、特許文献１または２参照）。
このガラス状カーボン材は、カーボン材全体が連続した組織として形成され、散逸する粉末成分が組織中に存在しないため、上記のようなパーティクルが発生することはない。
【０００５】
一方、石英ガラスを高温で成形する場合にも、しばしば、高密度黒鉛製治具（成形型）が用いられている。
しかしながら、石英ガラスは、一般のケイ酸塩ガラスとは異なり、ＳｉＯ２の網目状構造のみからなり、網目修飾体（イオン）を有しないため、一般のケイ酸塩ガラスの軟化温度は５００〜７００℃であるのに対して、石英ガラスの軟化温度は約１５００℃以上と非常に高温である。
【０００６】
このため、石英ガラスを熱間プレス成形する場合には、石英ガラスを１３００℃以上の高温にする必要があるが、このような高温において、石英ガラスが、成形型である高密度黒鉛製治具と接触すると、黒鉛材が激しく損傷劣化してしまう。
この損傷劣化の原因は、黒鉛のケイ化、すなわち、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の生成による成形型表面の膨張、割れ、欠け、歪みである。
【０００７】
黒鉛（Ｃ）と石英ガラス（ＳｉＯ２）とが接触した状態で、約１２００℃以上になると、ＣとＳｉＯ２との固−固反応が進行して、治具表層が部分的にＳｉＣ化する。
また、上記反応時に発生するＳｉＯガスにより、黒鉛材との気−固反応も進行して、黒鉛材の表層がＳｉＣ化する。黒鉛材は、高密度であっても、ＳｉＯガスが侵入する気孔が存在するため、治具表面から内部にケイ化反応は進行する。
通常、高密度黒鉛材に用いられる粉末原料はコークス粒子であり、このコークス粒子のケイ化による膨張率は大きく、高密度黒鉛材を構成するＣと生成するＳｉＣとの比容積の差によって体積膨張し、歪や割れ等を生じる。
特に、高密度黒鉛製治具の加圧面に形成された、石英ガラスの成形面に転写するための微細な凹凸パターンのエッジ部等は欠けやすく、成形型の場合は、型としての品質を維持することが困難である。
【０００８】
上記した歪や割れ等に対処する方法としては、上記のような体積膨張を吸収させるために、通常の黒鉛材でも、多孔質の比較的低密度のものを用いる方法が考えられる。
しかしながら、黒鉛材は、通常、多孔質化するほど、上記したようなＳｉＯガスによるＣとの気−固反応が進行しやすくなり、表層のケイ化が激しくなる。
しかも、多孔質かつ低密度であるほど、機械的強度、耐摩耗性等にも劣るため、石英ガラスとの接触部分における損耗が激しくなり、型としての精度を保つことは困難となる。
【０００９】
したがって、従来、上記のように高温で処理される石英ガラスに、大まかな形状を付与することは可能であったが、微細な模様や形状を有する高精度の石英ガラス成形体を製造する場合には、成形体を冷却後、研削機械等による仕上げ加工によって、そのような模様等を施すことが一般的であった。
【００１０】
【特許文献１】
特開平４−２１９３３２号公報
【特許文献２】
特開平７−２１５７２４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、石英ガラスの機械加工においては、石英ガラスが高硬度であることから、研削等は容易ではなく、高精度の製品を得るためには、かなりの加工時間および加工コストを要するものであった。
【００１２】
したがって、本発明者は、石英ガラスの微細な模様や形状を、成形の際に型から直接転写することができれば、そのような模様等を有する石英ガラスの成形体を容易に得ることができると考え、石英ガラスを処理するような高温に耐えられ、型としての精度を保つことができ、しかも、低コストで得られる石英ガラス成型用型に好適な材料を追求した。
そして、従来は、低密度ではあるが、ガス透過性を有する気孔がほとんどないガラス状カーボン材こそが、成形用型として用いた場合、表面の歪や割れ等が生じにくく、十分な耐用性を有しており、好適に利用することができることを見出した。
【００１３】
本発明は、微細な模様や形状を有する場合であっても、欠落や割れ等を生じにくく、耐用性に優れ、かつ、石英ガラス成形体に汚染や表面の荒れを生じさせることがない石英ガラス成形用型を提供することを目的とするものである。
また、このような石英ガラス成形用型を、容易かつ低コストで得ることができる石英ガラス成形用型の製造方法を提供することも目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る石英ガラス成形用型は、ガラス状カーボン材からなることを特徴とする。
ガラス状カーボン材特有の構造に基づき、石英ガラスと接触する表層部分においても、優れた寸法安定性を示すことから、型の歪や割れ等を抑制することができる。このため、ガラス状カーボン材は、微細な凹凸パターンを有する複雑な形状の型であっても、エッジ部等が欠落したりすることがなく、耐用性に優れた型を形成するのに好適である。
【００１５】
また、本発明に係る石英ガラス成形用型の製造方法は、熱硬化性を有するカーボン含有材料を用いて、前記カーボン含有材料の熱硬化温度よりも低温で、所定の形状の型を形成した後、熱硬化させ、次いで、非酸化性雰囲気中で、１３００℃以上２２００℃以下で焼成して、ガラス状カーボン材からなる石英ガラス成形用型を得ることを特徴とする。
上記方法は、石英ガラス成形体に施すための模様や形状を、ガラス状カーボンに転化される前の可塑性を有する段階で、型材料に形成し、その後、その型材料を熱硬化させ、さらに、ガラス状カーボンに転化させるものである。これにより、硬度の高いガラス状カーボンに、微細な模様や形状を施すための研削加工等を簡略化または省略することができるため、容易かつ低コストで石英ガラス成形用型を得ることができる。
【００１６】
前記熱硬化性を有するカーボン含有材料は、フェノール樹脂であることが好ましい。
本発明に係る製造方法においては、フルフリルアルコールを原料とするフラン樹脂のように常温で液状のものを重合固化させるものよりも、固体（粉体）から溶融固化するフェノール樹脂が、製造上のリードタイム等の関係から、好適に用いられる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る石英ガラス成形用型は、その構成材料がガラス状カーボン材からなることを特徴とするものである。
ガラス状カーボン材は、一般に、かさ密度が１．４５〜１．５５ｇ／ｃｍ３程度であり、低密度カーボン材の範疇に属する材料である。その典型的な構造としては、気孔径が６ｎｍ程度の微小閉気孔の周囲を、５〜８層程度で、６〜７ｎｍ程度の大きさのカーボン層からなる面が取り囲んだ網目組織構造からなる。すなわち、ガラス状カーボン材は、低密度であり、しかも、わずかに微小閉気孔を有するが、気孔率はほぼ０である。
前記カーボン層からなる面はあまり発達しておらず、その配向は不規則であるが、物性上は高度に等方的な性質を有しており、黒鉛に比べて硬く、しかも、優れた靭性を有し、その破断面はガラスのような貝殻状破断面様を示す。
このような構造から、気体に対する透過性は極めて低く、通常は、耐熱ガラス程度である。また、カーボンパーティクルはほとんど発生しない等の特徴を有している。
【００１８】
本発明において用いられるガラス状カーボン材は、かさ密度が１．５ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。
原子が密に配列していないガラス状カーボン材組織は、石英ガラスとの高温接触によるケイ化反応の際、歪を生じることなく、体積膨張を吸収する余裕があり、機械的強度、耐摩耗性、硬度、靭性等の諸特性の観点から、上記範囲内のかさ密度であることが好ましい。
【００１９】
また、ガラス状カーボン材は、石英ガラスの熱間成形温度である約１３００℃以上の高温においても、石英ガラスとの反応性が比較的小さく、したがって、その反応による体積増加も少なく、寸法安定性に優れている。これは、反応により生成したＳｉＣ等による体積膨張が、前記網目組織構造により有効に吸収されるためであると考えられる。
したがって、本発明に係る石英ガラス成形用型は、ガラス状カーボン材特有の構造に基づき、ケイ化反応部分、すなわち、石英ガラスと接触する表層部分においても、優れた寸法安定性を示すことから、型の歪や割れ等を抑制することができる。
【００２０】
しかも、ガラス状カーボン材は、靭性にも比較的優れており、石英ガラス成形体に施すための模様や形状を有する型を形成することができ、微細な凹凸パターンを有する複雑な形状の型であっても、エッジ部等が欠落したりすることがなく、耐用性に優れた型を形成することができる。
【００２１】
また、ガラス状カーボン材は、上述のように、微細な凹凸パターンを有する複雑な形状の型とした場合であっても、エッジ部等の欠落や、型からのカーボンパーティクルの散逸がほとんどないため、石英ガラス成形体に汚染や表面の荒れを生じさせることがない。
このため、ランプ用管材、電熱ヒータのカバー等の一般部品はもちろん、レンズ、セル等の一般光学部品のほか、微細な凹凸パターンや繊細な模様を有する成形体製造用の型、特に、炉芯管、ウエハボート、サセプタ等の半導体製造プロセスで用いられる石英ガラス部材成形用の型、石英ガラスルツボ製造用の型として好適に用いることができる。
【００２２】
本発明においては、上記のようなガラス状カーボン材からなる石英ガラス成形用型の製造方法として、熱硬化性を有するカーボン含有材料を用いて、前記カーボン含有材料の熱硬化温度よりも低温で、所定の形状の型を形成した後、熱硬化させ、次いで、非酸化性雰囲気中で、１３００℃以上２２００℃以下で焼成することにより製造する方法が用いられる。
この方法は、石英ガラス成形体に施すための模様や形状を、型を加熱により形成する際の初期段階、すなわち、ガラス状カーボンに転化される前の可塑性を有する段階で、金型原版の押付け等により、型材料に転写し、その後、その型材料を熱硬化させ、さらに、ガラス状カーボンに転化させるものである。
これにより、硬度の高いガラス状カーボンに、微細な複雑な模様や形状を施すための研削加工等を仕上げ程度の最小限のものに留めるか、または、省略することができる。
【００２３】
前記熱硬化性を有するカーボン含有材料としては、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、アルキド樹脂、キシレン樹脂等の熱硬化性樹脂を挙げることができる。
これらのうち、本発明に係る製造方法においては、製造上のリードタイム等の関係から、フルフリルアルコールを原料とするフラン樹脂のように常温で液状のものを重合固化させるものよりも、特に、固体（粉体）から溶融固化するフェノール樹脂を用いることが好ましい。
【００２４】
フェノール樹脂の場合、熱硬化温度は最高２００℃前後であり、該温度以下で可塑性を示す間に、樹脂表面に原版型を押し付けること等により、石英ガラス成形体に施すための形状や模様等を転写して、型を形成させる。
なお、後の炭化焼成の際、型材料は一定割合で収縮するため、予め求めておいた収縮率に基づき、原版をその分大きめに作製しておく必要がある。
【００２５】
次いで、上記のようにして形成された型を、２００℃程度で後硬化させることにより、硬化体が得られる。
そして、この硬化体を、ヘリウム、アルゴン、窒素、水素等の非酸化性雰囲気中または減圧下にて、昇温（昇温速度２℃／ｈｒ程度）して、１０００℃程度で炭化焼成した後、カーボンヒータ炉で、１３００〜２２００℃で２次焼成を行うことにより、ガラス状カーボンに転化させることができる。
【００２６】
上記製造方法により、本発明に係る石英ガラス成形用型が作製される。
このように、構成材料としてガラス状カーボンを用いることにより、容易かつ低コストで石英ガラス成形用型を製造することができるため、本発明に係る製造方法は、少量多品種の石英ガラス成形体の製造にも好適である。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
ホットプレス装置の予熱された金型（モールド）内に、フェノール樹脂粉末を充填し、１８０℃にて樹脂成形面に転写パターンを形成したパンチ（上型原版または下型原版）で上下から圧縮して、成形体を得た。
この成形体を２００℃で５時間熱処理して後硬化を行い、硬化体を得た。
次いで、この硬化体を、Ａｒガス雰囲気中、２０００℃まで昇温させて、炭化および２次焼成処理を行い、ガラス状カーボン材からなる石英ガラス成形用型を得た。
なお、上記焼成処理においては、型材料は一定割合で収縮するため、予め求めておいた収縮率に基づき、原版をその分大きめに作製した。
この型をホットプレス装置の加工面に取り付け、１５００℃で石英ガラス片を圧縮し、型表面の模様（パターン）を転写させた後、徐冷した。
【００２８】
得られた石英ガラスには、転写パターンの反転模様が形成されており、表面の状態も良好であった。
また、ガラス状カーボンからなる石英ガラス成形用型の表面には、ケイ化反応が認められたが、歪や割れ等は生じなかった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係る石英ガラス成形用型は、石英ガラスと高温で接触した場合であっても、寸法安定性に優れ、かつ、靭性にも優れたガラス状カーボン材からなるため、微細な模様や形状を有するものであっても、欠落や割れ等を生じにくく、耐用性に優れ、石英ガラス成形体に汚染や表面の荒れを生じさせることがない。
したがって、本発明に係る石英ガラス成形用型は、ランプ用管材、電熱ヒータのカバー等の一般部品はもちろん、レンズ、セル等の一般光学部品のほか、微細な凹凸パターンや繊細な模様を有する成形体製造用の型、特に、炉芯管、ウエハボート、サセプタ等の半導体製造プロセスで用いられる石英ガラス部材成形用の型、石英ガラスルツボ製造用の型等として好適に用いることができる。
【００３０】
また、本発明に係る製造方法によれば、石英ガラスに施すための所定の模様や形状を、材料の段階で容易に形成することができるため、硬度の高いガラス状カーボンの加工を簡略化または省略することができる。
したがって、石英ガラス成形用型を容易かつ低コストで製造することができるため、少量多品種の石英ガラス成形体の製造にも好適である。