(57)【要約】【課題】高精度光学ガラスレンズの熱間プレス成形に用いるのに適したタングステン基焼結合金金型を提供する。【解決手段】高精度光学ガラスレンズの熱間プレス成形用金型を、Ｎｉ：０．１〜１質量％、酸化イットリウム：０．２〜１．５質量％、を含有し、残りがＷと不可避不純物からなる組成、並びに素地を構成するＷ結晶細粒の粒界にそって酸化イットリウム微粒が分散分布し、かつＮｉ成分は、遊離Ｎｉとして存在せず、前記Ｗ結晶細粒の粒界に沿って形成されたＷ−Ｎｉ合金薄層として存在する組織を有するタングステン基焼結合金で構成する。【選択図】　　　　　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ：０．１〜１質量％、
酸化イットリウム：０．２〜１．５質量％、
を含有し、残りがＷと不可避不純物からなる組成、
並びに素地を構成するＷ結晶細粒の粒界にそって酸化イットリウム微粒が分散分布し、かつＮｉ成分は、遊離Ｎｉとして存在せず、前記Ｗ結晶細粒の粒界に沿って形成されたＷ−Ｎｉ合金薄層として存在する組織を有するタングステン基焼結合金で構成したことを特徴とする高精度光学ガラスレンズの熱間プレス成形に用いるのに適したタングステン基焼結合金金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば各種の電子・電気機器や光学装置などに装着されている光機能装置の部品である高精度光学ガラスレンズを熱間プレス成形するのに適したタングステン基焼結合金金型（以下、Ｗ合金金型という）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に光学ガラスレンズの熱間プレス成形に用いられている金型には、
（ａ）耐ガラス腐食性
（ｂ）熱伝導性（放熱性）
（ｃ）低熱膨張係数
などの特性が要求されることから、各種のステンレス鋼や耐熱鋼、さらにＣｏ基合金やＮｉ基合金などで形成された金型（以下、これらを総称して耐熱合金金型という）が用いられている。
また、近年、光学ガラスレンズの熱間プレス成形用金型として、一段とすぐれた熱伝導性を有し、かつ熱膨張係数のきわめて小さい炭化タングステン基超硬合金金型（以下、超硬合金金型という）が注目されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特公昭６２−５１２１１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の各種の電子・電気機器や光学装置の高性能化および小型化はめざましく、これに伴い、これらの光機能装置に用いられている光学ガラスレンズも小寸化および極薄肉化、さらに高精度化の傾向にあり、これに対応して前記光学ガラスレンズの熱間プレス成形温度は高温化し、広く実用に供されている弗化ガラス製のもので、その成形温度は約６００℃から９００℃にも達しようとしている。
しかし、上記の従来耐熱合金金型は、
（ａ）融点：１４５０〜１５５０℃、
（ｂ）熱伝導率：２０〜３３Ｗ／ｍ・Ｋ、
（ｃ）熱膨張係数：１１〜１４×１０−６／Ｋ、
を有するものであるために、一段と高い熱伝導率および低い熱膨張係数が要求される、小寸化および極薄肉化、さらに高精度化した高精度光学ガラスレンズの熱間プレス成形には十分満足に対応できず、きわめて短い使用寿命しか示さないものである。
また、上記の従来超硬合金金型は、これを構成する超硬合金の主成分である炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）が、
（ａ）融点：約３０００℃、
（ｂ）熱伝導率：約４５Ｗ／ｍ・Ｋ、
（ｃ）熱膨張係数：約４．４×１０−６／Ｋ、
を有し、これらの高融点、高熱伝導率、および低熱膨張係数は小寸化および極薄肉化、さらに高精度化した高精度光学ガラスレンズの熱間プレス成形には適した特性である。しかし、金型を構成する超硬合金は、その組織が全体に占める割合で、９０〜９７質量％の前記ＷＣ相（硬質相）と残りのＣｏ相（結合相）からなり、炭化物である前記ＷＣ相と酸化物を主体とする高温加熱ガラスとはきわめて反応性の高いものであり、特に弗化ガラスなどの高融点ガラスに対しては一段と高い親和性を示すものであるために、これが原因で金型キャビティの粗面化が促進されるようになることから、金型のキャビティ表面に、ダイヤモンド状炭素膜や炭窒化チタン膜、さらに窒化ボロン膜などの離型膜を０．５〜６μｍの膜厚で形成して実用に供しており、したがって、前記超硬合金金型の使用寿命は前記離型膜の摩耗によって決まることになり、この結果比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上述のような観点から、上記の従来超硬合金金型のもつ高融点、高熱伝導率、および低熱膨張係数に匹敵する高融点、高熱伝導率、および低熱膨張係数を有し、さらにすぐれた耐ガラス腐食性も具備し、高精度光学ガラスレンズの熱間プレス成形に適した金型を開発すべく、研究を行った結果、
金型を、質量％（以下、％は質量％を示す）で、
Ｎｉ：０．１〜１％、
Ｙ２Ｏ３：０．２〜１．５％、
を含有し、残りがＷと不可避不純物からなる組成、
並びに素地を構成するＷ結晶細粒の粒界にそってＹ２Ｏ３微粒が分散分布し、かつＮｉ成分は、遊離Ｎｉとして存在せず、前記Ｗ結晶細粒の粒界に沿って形成されたＷ−Ｎｉ合金薄層として存在する組織を有するタングステン基焼結合金（以下、Ｗ合金という）で構成すると、このＷ合金は、
（ａ）融点：１８００〜２０００℃、
（ｂ）熱伝導率：９０〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋ、
（ｃ）熱膨張係数：４．５〜５．５×１０−６／Ｋ、
を有し、これらの特性は高融点、高熱伝導率、および低熱膨張係数を有する従来超硬合金金型のもつ特性に匹敵するものであり、さらに上記の組織、すなわちＷ結晶細粒とＹ２Ｏ３微粒、さらにＷ−Ｎｉ合金薄層は高温加熱ガラスに対する反応性の著しく低いものであることから、前記従来超硬合金金型では不可欠であったキャビティ表面への離型膜の形成を必要としない、すぐれた耐ガラス腐食性を発揮し、この結果のＷ合金で構成された金型は、弗化ガラスや、さらに約１４００℃の成形温度を必要とする石英ガラスなどの高温プレス成形条件下での高精度光学ガラスレンズの熱間プレス成形にすぐれた性能を長期に亘って発揮するようになる、という研究結果を得たのである。
【０００６】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
Ｎｉ：０．１〜１％、
Ｙ２Ｏ３：０．２〜１．５％、
を含有し、残りがＷと不可避不純物からなる組成、
並びに素地を構成するＷ結晶細粒の粒界にそってＹ２Ｏ３微粒が分散分布し、かつＮｉ成分は、遊離Ｎｉとして存在せず、前記Ｗ結晶細粒の粒界に沿って形成されたＷ−Ｎｉ合金薄層として存在する組織を有するＷ合金で構成してなる、高精度光学ガラスレンズの熱間プレス成形に用いるのに適した金型に特徴を有するものである。
【０００７】
つぎに、この発明のＷ合金金型を構成するＷ合金の組成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）Ｎｉ
Ｎｉ成分には、焼結前はＷ粉末の表面を被覆する状態で存在し、焼結時にはＷ粉末と拡散反応してＷ−Ｎｉ合金薄層を形成すると共に、Ｗ結晶細粒相互間の焼結性を著しく向上させ、Ｗ合金の強度向上に寄与する作用があり、また前記Ｗ−Ｎｉ合金薄層は前記Ｗ結晶細粒のもつすぐれた耐ガラス腐食性と同等のすぐれた耐ガラス腐食性を有するものであるから、従来超硬合金金型に施されるキャビティ表面への離型膜の形成を必要としないで金型として実用に供することを可能とするものであるが、その含有量が０．１％未満では焼結性が不十分で所望の強度確保することができず、一方その含有量が１％を越えるとＷ結晶細粒の粒界に遊離Ｎｉが存在するようになり、この遊離Ｎｉは高温加熱ガラスによって侵食され、キャビティ表面の荒れが著しく促進されるようになるなることから、その含有量を０．１〜１％と定めた。
【０００８】
（ｂ）Ｙ２Ｏ３
Ｙ２Ｏ３成分は、Ｗ結晶細粒の粒界に微粒の状態で分散分布して、焼結時のＷ結晶細粒の粒成長を抑制し、もって強度向上に寄与するほか、自身の分散強化による強度向上にも寄与する作用があるが、その含有量が０．２％未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が１．５％を越えるとＹ２Ｏ３微粒がＷ結晶細粒の粒界に凝集するようになり、この結果強度が急激に低下するようになることから、その含有量を０．２〜１．５％と定めた。
【０００９】
なお、この発明のＷ合金金型を構成するＷ合金の組織において、Ｗ結晶細粒の粒界に沿って存在するＷ−Ｎｉ合金薄層は、
（ａ）例えば９９％以上の純度をもった硝酸ニッケル粉末や塩酸ニッケル粉末、、あるいは硫酸ニッケル粉末などの所定量を、アセトンや純水などの溶媒中に完全に溶解した状態で、例えば０．５〜３μｍの平均粒径をもったＷ粉末に配合して、スラリーとし、これを混合機で混練、乾燥させて、所定量の硝酸ニッケル、塩酸ニッケル、あるいは硫酸ニッケルなどで表面が被覆された被覆Ｗ粉末とし、
（ｂ）ついで、上記の被覆Ｗ粉末を、例えば水素雰囲気中、温度：８００℃に１時間保持の加熱処理を施して、表面の硝酸ニッケル、塩酸ニッケル、あるいは硫酸ニッケルなどを熱分解することにより、表面がＮｉで被覆されたＮｉ被覆Ｗ粉末を形成し、
（ｃ）この結果得られたＮｉ被覆Ｗ粉末を原料粉末として用いることにより形成されるものである。
【００１０】
【発明の実施の態様】
つぎに、この発明のＷ合金金型を実施例により具体的に説明する。
（ａ）まず、純度：９９．６％の硝酸ニッケル水和物｛分子式：Ｎｉ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ｝粉末の所定量をアセトン中に溶解し、２．５μｍの平均粒径をもったＷ粉末に配合して、スラリーとし、これを混合機で混練、乾燥させて、所定量の硝酸ニッケルで表面が被覆された被覆Ｗ粉末とし、
（ｂ）ついで、上記の被覆Ｗ粉末を、例えば水素雰囲気中、温度：８００℃に１時間保持の加熱処理を施して、表面の硝酸ニッケルを熱分解することにより、表面がＮｉで被覆されたＮｉ被覆Ｗ粉末を形成し、
（ｃ）これに０．６μｍの平均粒径をもったＹ２Ｏ３粉末の所定量を配合し、アセトン溶媒を用いてボールミル中にて４８時間湿式混合し、乾燥した後、これをゴム鋳型に充填し、１５０ＭＰａの静水圧にてプレス成形して、直径：５０ｍｍ×高さ：４０ｍｍの寸法をもった成形体を形成し、この成形体に、水素雰囲気中、９００℃に５時間保持の条件での予備焼結、および水素雰囲気中、１４５０℃に１時間保持の条件での本焼結、さらに温度：１３００℃、圧力：１００ＭＰａの条件での熱間静水圧プレス処理を施して、直径：４０ｍｍ×長さ：３２ｍｍの寸法、およびそれぞれ表１に示される組成をもった金型素材とし、これら金型素材のそれぞれ２個を１対の上下型とし、このうちの下型の上面に直径：３８ｍｍ×中心部深さ：５ｍｍの曲面キャビティを形成し、一方上型の下面は平面のままとし、これら両上下型のキャビティ面をＲｍａｘ：０．０５μｍ以下の面粗度に研磨することにより本発明Ｗ合金金型１〜９、およびＮｉおよびＹ２Ｏ３含有量がこの発明の範囲から外れた比較Ｗ合金金型１〜４をそれぞれを製造した。
なお、この結果得られた本発明Ｗ合金金型１〜４および比較Ｗ合金金型１〜４の組織を、光学顕微鏡（４００倍）を用いて観察したところ、本発明Ｗ合金金型１〜９は、いずれも２〜１０μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷ結晶細粒を主体とし、前記Ｗ結晶細粒の粒界に沿って０．２〜１μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＹ２Ｏ３微粒が分散分布し、かつ前記Ｗ結晶細粒の粒界に沿ってＷ−Ｎｉ合金薄層が存在し、遊離Ｎｉの存在しない組織を示した。一方比較Ｗ合金金型１〜４では、Ｗ結晶細粒の粒径が相対的に大きいものや、Ｙ２Ｏ３微粒が凝集したもの、さらにＷ結晶細粒の粒界に遊離Ｎｉ相が存在した組織が見られた。
【００１１】
また、比較の目的で、原料粉末として、平均粒径：１．５μｍのＷＣ粉末と同４μｍのＣｏ粉末を、ＷＣ：９５％、Ｃｏ：５％の割合に配合したものを用いる以外は、上記の本発明Ｗ合金金型１〜９および比較Ｗ合金金型１〜４の製造条件と同じ条件で超硬合金金型素材を製造し、これのキャビティ表面に、通常の化学蒸着装置にて、
反応ガス組成−ＴｉＣｌ４：４．２％、Ｎ２：２０％、ＣＨ４：４％、Ｈ２：残り、
反応雰囲気温度：１０２０℃、
反応雰囲気圧力：７ＭＰａ、
の条件で離型膜として平均層厚：２０μｍの炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）膜を形成することにより従来超硬合金金型を製造した。
【００１２】
つぎに、これらの各種の金型について、ガラスレンズ素材であるコブとして、容量％で、ＢａＦ２：４１％、Ａｌ（ＰＯ３）３：１４％、ＳｒＦ２：１２％、ＡｌＦ３：１０％、Ｂａ２Ｐ２Ｏ７：８％、を含有し、残りがＡｌ２Ｏ３、からなる組成をもった弗化ガラスを用い、前記ゴブの１個当たりの容量：０．２ｃｍ３、前記ゴブの加熱温度：９００℃、プレス成形圧力：１０ＭＰａ、プレス成形速度：６個／分の条件で光学ガラスレンズのプレス成形を行ない、キャビティ面の面粗度がＲｍａｘ：０．０６μｍに達するまでのレンズ成形個数を測定した。この測定結果を同じく表１に示した。また、表１には金型強度を評価する目的で、金型から切り出した試験片を用いて測定した圧壊強度を示した。
【００１３】
【表１】
2004083968.tif 000002
【００１４】
【発明の効果】
表１に示される結果から、本発明Ｗ合金金型１〜９は、いずれもこれを構成するＷ合金の主体が耐ガラス腐食性にすぐれ、かつ高融点、高熱伝導性（高放熱性）、および低熱膨張係数を有するＷ結晶細粒からなり、かつ前記Ｗ結晶細粒の粒界に存在するＷ−Ｎｉ合金薄層も前記Ｗ結晶細粒と同等のすぐれた特性を有し、遊離Ｎｉが存在しない組織をもつことから、キャビティ面の高温加熱弗化ガラスゴブによる腐食進行が著しく抑制され、良好なキャビティ面を長期に亘って保持し、さらにＹ２Ｏ３微粒による粒成長抑制効果および分散強化によって従来超硬合金金型と同等の高強度を有するのに対して、比較Ｗ合金金型１〜４に見られるように、ＮｉおよびＹ２Ｏ３成分の含有量がこの発明の範囲から外れると、キャビティ面の高温加熱弗化ガラスゴブによる腐食進行が著しく促進されたり、強度が低下したりすることが明かである。また、従来超硬合金金型では、キャビティ表面の離型膜の摩耗によって使用寿命となることから、比較的短い使用寿命しか示めさないことが明白である。
上述のように、この発明のＷ基焼結合金製金型は、例えば比較的腐食性の弱い珪酸ガラスや硼化ガラスなどを用いた光学ガラスレンズの熱間プレス成形は勿論のこと、特に腐食性の強い弗化ガラスなどの高温加熱プレス成形においてもすぐれた耐腐食性を示し、かつ高強度を具備するものであるから、光学ガラスレンズの小寸化および極薄肉化、さらに高精度化に十分満足に対応できるものである。