(57)【要約】【課題】  光学ガラスレンズの熱間プレス成形金型として用いるのに適した細粒組織を有する高硬度Ｗ系焼結材料を提供する。【解決手段】  光学ガラスレンズの熱間プレス成形金型用Ｗ系焼結材料が、質量％で、Ｎｉ：０．１〜１％、Ｙ2Ｏ3：０．１〜１％、ＶＣ：０．０５〜０．５％、さらに必要に応じて、Ｃｏ：０．０１〜０．５％、Ｗ：残り、からなる配合組成を有する圧粉体の焼結材で構成され、かつ、Ｗ粒相互が焼結結合すると共に、微細なＹ2Ｏ3粒が前記Ｗ粒の粒界に分散分布し、さらに前記Ｗ粒の最大粒径が２０μｍ以下である組織を有する。【選択図】                なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｎｉ：０．１〜１質量％、
酸化イットリウム：０．１〜１質量％、
炭化バナジウム：０．０５〜０．５質量％、
タングステン：残り、
からなる配合組成を有する圧粉体の焼結材で構成され、かつ、タングステン粒相互が焼結結合すると共に、微細な酸化イットリウム粒が前記タングステン粒の粒界に分散分布し、さらに前記タングステン粒の最大粒径が光学顕微鏡による観察で２０μｍ以下である組織を有することを特徴とする、光学ガラスレンズの熱間プレス成形金型として用いるのに適した細粒組織を有する高硬度タングステン系焼結材料。
【請求項２】
質量％で、Ｎｉ：０．１〜１質量％、
酸化イットリウム：０．１〜１質量％、
炭化バナジウム：０．０５〜０．５質量％、
Ｃｏ：０．０１〜０．５％、
タングステン：残り、
からなる配合組成を有する圧粉体の焼結材で構成され、かつ、タングステン粒相互が焼結結合すると共に、微細な酸化イットリウム粒が前記タングステン粒の粒界に分散分布し、さらに前記タングステン粒の最大粒径が光学顕微鏡による観察で２０μｍ以下である組織を有することを特徴とする、光学ガラスレンズの熱間プレス成形金型として用いるのに適した細粒組織を有する高硬度タングステン系焼結材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、珪弗化ガラスなどの腐食性のきわめて強いガラスや高温成形を必要とする石英ガラスなどに対してすぐれた耐腐食性を示すと共に、熱伝導性（放熱性）にもすぐれ、さらに低い熱膨張係数を有し、したがって例えば各種の電子・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光学ガラスレンズの熱間プレス成形金型として用いられているタングステン(以下、Ｗで示す)系焼結材料の改良に係り、細粒組織を有する高硬度Ｗ系焼結材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、上記光学ガラスレンズの熱間プレス成形金型には、
（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、これらの特性を具備したＷ系焼結材料、すなわち、
（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、
を有するＷ系焼結材料が用いられている。
また、上記Ｗ系焼結材料が、質量％で（以下、％は質量％を示す）、
Ｎｉ：０．２〜０．８％、
Ｗ：残り、
からなる配合組成を有する圧粉体の焼結材で構成され、かつ、Ｗ粒相互が焼結結合すると共に、前記Ｗ粒の粒径が光学顕微鏡による観察で４０μｍ以上である組織を有し、この結果として圧壊強度で７００〜８５０ＭＰａの強度およびビッカース硬さ（Ｈｖ）で２５０〜２９０の硬さを有することも知られている。
【特許文献１】特開２００３−２３９０３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年の光学ガラスレンズの熱間プレス成形装置の高性能化および自動化はめざましく、一方でプレス成形に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、前記熱間プレス成形装置の構造部材である熱間プレス成金型の使用寿命の一段の延命化が強く望まれているが、上記の従来Ｗ系焼結材料製熱間プレス成金型では、これらの要望に十分満足に対応できるものでないのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
そこで、本発明者らは、上述のような観点から、上記の光学ガラスレンズの熱間プレス成形金型として用いられているＷ系焼結材料に着目し、これらのすぐれた特性を損なうことなく、使用寿命の一段の延命化を可能とするＷ系焼結材料を開発すべく、研究を行った結果、
Ｎｉ：０．１〜１％、
酸化イットリウム（以下、Ｙ2Ｏ3で示す）：０．１〜１％、
炭化バナジウム（以下、ＶＣで示す）：０．０５〜０．５％、
さらに必要に応じて、
Ｃｏ：０．０１〜０．５％、
Ｗ：残り、
からなる配合組成を有する圧粉体の焼結材で構成されたＷ系焼結材料は、上記の従来Ｗ系焼結材料のもつ融点、熱伝導率、および熱膨張係数に相当する高融点、高熱伝導率、および低熱膨張係数、すなわち、
（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、
を有すると共に、Ｗ粒相互が焼結結合すると共に、微細なＹ2Ｏ3粒が前記Ｗ粒の粒界に分散分布した組織を有し、さらに、従来Ｗ系焼結材料では前記Ｗ粒の最大粒径が光学顕微鏡による観察で上記の通り４０μｍ以上（以下、粒径は光学顕微鏡による観察で測定した結果を示す）で、かつ強度が圧壊強度で７００〜８５０ＭＰａ、硬さがＨｖで２５０〜２９０であったものが、Ｙ2Ｏ3およびＶＣによるＷ粒成長抑制作用でＷ粒個々の粒径が最大粒径で２０μｍ以下となると共に、必要に応じて含有されるＣｏ成分による一段のＷ粒成長抑制作用と相俟って、強度が圧壊強度で１０００〜１５００ＭＰａ、硬さもＨｖ：４００〜５００に向上したものになり、したがって、この結果のＷ系焼結材料で構成した熱間プレス成形金型は、特に腐食性のきわめて強い珪弗化ガラスや、さらに１１００℃以上の高い成形温度を必要とする石英ガラスなどで構成された光学ガラスレンズの熱間プレス成形に用いた場合にもすぐれた性能を長期に亘って発揮し、使用寿命の一段の延命化が可能となる、という研究結果を得たのである。
【０００５】
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％、
Ｙ2Ｏ3：０．１〜１％、
ＶＣ：０．０５〜０．５％、
さらに必要に応じて、
Ｃｏ：０．０１〜０．５％、
Ｗ：残り、
からなる配合組成を有する圧粉体の焼結材で構成され、かつ、Ｗ粒相互が焼結結合すると共に、微細なＹ2Ｏ3粒が前記Ｗ粒の粒界に分散分布し、さらに前記Ｗ粒の最大粒径が２０μｍ以下である組織を有する、光学ガラスレンズの熱間プレス成形金型として用いるのに適した細粒組織を有する高硬度Ｗ系焼結材料に特徴を有するものである。
【０００６】
つぎに、この発明のＷ系焼結材料の組成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）Ｎｉ
Ｎｉには、圧粉体中でＷ粉末の表面を被覆する状態で存在して、焼結性を著しく向上させ、Ｗ系焼結材料の強度向上に寄与する作用があるが、その配合割合が０．１％未満では焼結性が不十分で所望の強度を確保することができず、一方その配合割合が１％を越えると耐ガラス腐食性に低下傾向が現れ、金型キャビティ表面の荒れの原因となることから、その配合割合を０．１〜１％、望ましくは０．２〜０．７％と定めた。
【０００７】
（ｂ）Ｙ2Ｏ3
Ｙ2Ｏ3は、焼結時にＶＣとの共存でＷ粒の粒成長を抑制し、焼結後にＷ粒の粒界に微粒の状態で分散分布して、前記Ｗ粒個々の最大粒径を２０μｍ以下に抑制し、もって硬さおよび強度を向上させる作用があるが、その配合割合が０．１％未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その配合割合が１％を越えるとＷ粒粒界のＹ2Ｏ3微粒に凝集傾向が現れ、これが強度低下の原因となることから、その配合割合を０．１〜１％、望ましくは０．２〜０．７％と定めた。
【０００８】
（ｃ）ＶＣ
ＶＣには、上記の通りＹ2Ｏ3との共存において、焼結時のＷ粒の粒成長を抑制し、前記Ｗ粒の最大粒径を２０μｍ以下に抑制する作用があるが、その配合割合が０．０５％未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その配合割合が０．５％を越えるとＷ粒粒界に分散分布するようになり、強度低下の原因となることから、その配合割合を０．０５〜０．５％、望ましくは０．１〜０．３％と定めた。
【０００９】
（ｄ）Ｃｏには、Ｗ粒の粒界強度を向上させ、もって材料の強度向上に寄与する作用があるので、必要に応じて配合するが、その配合割合が０．０１％未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その配合割合が０．５％を越えるとＷ粒粒界の耐ガラス腐食性に低下傾向が現れ、金型キャビティ表面の荒れの原因となることから、その配合割合を０．０１〜０．５％、望ましくは０．０５〜０．３％と定めた。
【００１０】
なお、この発明のＷ系焼結材料の製造に際しては、原料粉末として、
（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、さらに必要に応じて硝酸コバルト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、
以上（ａ）および（ｂ）により調製された表面がＮｉで被覆されたＮｉ被覆Ｗ粉末を用いるのが望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
この発明のＷ系焼結材料は、Ｗ粒相互が焼結結合すると共に、微細なＹ2Ｏ3粒が前記Ｗ粒の粒界に分散分布し、さらに前記Ｗ粒の最大粒径が２０μｍ以下である組織を有し、この結果として、
（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、
（ｄ）圧壊強度：１０００〜１５００ＭＰａ、
（ｅ）ビッカース硬さ（Ｈｖ）：４００〜５００、
を有するようになるので、このＷ系焼結材料で構成した熱間プレス成形金型は、特に腐食性のきわめて強い珪弗化ガラスや、さらに１１００℃以上の高い成形温度を必要とする石英ガラスなどで構成された光学ガラスレンズの熱間プレス成形でも、すぐれた性能を長期に亘って発揮し、使用寿命の一段の延命化をもたらすものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
つぎに、この発明のＷ系焼結材料を実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００１３】
（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、さらに必要に応じて硝酸コバルト水和物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、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）これにいずれも１μｍの平均粒径をもったＹ2Ｏ3粉末およびＶＣ粉末の所定量を配合して、表１に示される配合組成に調製し、
（ｄ）つぎに、これを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の寸法をもったＷ系焼結材料の金型素材とし、
（ｅ）これら金型素材のそれぞれ２個を１対の上下コア型とし、このうちの下コア型の上面に直径：３８ｍｍ×中心部深さ：５ｍｍの曲面キャビティを形成し、一方上コア型の下面は平面のままとし、これら両上下コア型の曲面をＲｍａｘ：０．０５μｍ以下の面粗度に研磨することにより本発明Ｗ系焼結材料製の光学ガラスレンズ熱間プレス成形金型（以下、本発明金型という）１〜２０、並びに上記の従来Ｗ系焼結材料に相当する配合組成のＷ系焼結材料で構成された光学ガラスレンズ熱間プレス成形金型１（以下、比較金型１という）、Ｙ2Ｏ3粉末およびＶＣ粉末のうちのいずれかを配合しない配合組成のＷ系焼結材料で構成された光学ガラスレンズ熱間プレス成形金型２，３（以下、比較金型２，３という）、およびＹ2Ｏ3粉末およびＶＣ粉末のうちのいずれかの配合割合がこの発明の範囲から高い方に外れた配合組成のＷ系焼結材料で構成された光学ガラスレンズ熱間プレス成形金型４，５（以下、比較金型４，５という）をそれぞれ製造した。
【００１４】
なお、この結果得られた本発明金型１〜２０および比較金型１〜５を構成するＷ系焼結材料の融点、熱伝導率、および熱膨張係数を測定したところ、いずれも１８００〜２０００℃の範囲内の所定の高融点、９０〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲内の所定の高熱伝導率、および４．５〜５．５×１０-6／Ｋの範囲内の所定の低熱膨張係数を示し、さらに、圧壊強度およびビッカース硬さを測定したところ、表１に示される結果を示した。また、その組織を、光学顕微鏡（４００倍）を用いて観察し、Ｗ粒の最大粒径を測定したところ、同じく表１に示される結果を示し、さらに本発明金型１〜２０を構成するＷ系焼結材料は、いずれもＷ粒相互が焼結結合した組織を示し、かつ微細なＹ2Ｏ3粒が前記Ｗ粒の粒界に沿って均一に分散分布した組織を示した。
【００１５】
つぎに、これらの各種の金型を用いて、ガラスレンズ素材であるコブ：石英ガラス、前記ゴブの１個当たりの容量：０．２ｃｍ3、前記ゴブの加熱温度：１２００℃、プレス成形圧力：１０ＭＰａ、プレス成形速度：６個／時間の条件で光学ガラスレンズのプレス成形を行ない、コア型曲面の面粗度が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。
【００１６】
【表１】
2005240063.tif 000002
【００１７】
表１に示される結果から、本発明金型１〜２０は、いずれもＹ2Ｏ3粉末および／またはＶＣ粉末の配合がないＷ系焼結材料からなる比較金型１〜３に比して、Ｗ粒が著しく微細な細粒組織を有し、これによって強度および硬さも相対的にきわめて高く、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具備することと相俟って、１１００℃以上の高い成形温度を必要とする石英ガラスの加熱プレス成形においても、良好なキャビティ面を長期に亘って保持し、一段と長い使用寿命を示すことが明らかであり、一方Ｙ2Ｏ3粉末およびＶＣ粉末のうちのいずれか、または両方を配合しない配合組成のＷ系焼結材料で構成された比較金型１〜３ではＷ粒の最大粒径が４０μｍ以上になり、十分な強度および硬さの確保は困難であることから、コア型曲面の摩耗進行が速く、またＹ2Ｏ3粉末またはＶＣ粉末の配合割合がこの発明の範囲から高い方に外れた配合組成のＷ系焼結材料で構成された比較金型４，５では、Ｗ粒の粒界にＹ2Ｏ3粒またはＶＣ粒が凝集するようになって、強度が低下するばかりでなく、表面硬さに著しいバラツキが生じ、コア型曲面の石英ガラスゴブによる摩耗が不均一になり、これらの場合いずれもコア型曲面の面粗さが低下し、比較的短い使用寿命しか示さないことが明白である。
上述のように、この発明のＷ系焼結材料製光学ガラスレンズの熱間プレス成形金型は、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、特に腐食性の強い珪弗化ガラスなどの加熱プレス成形、さらに１１００℃以上の高い成形温度を必要とする石英ガラスなどの加熱プレス成形においても、すぐれた性能を長期に亘って発揮し、長い使用寿命を示すものであるから、光学ガラスレンズの熱間プレス成形装置の高性能化および自動化、さらに熱間プレス成形に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求に十分満足に対応できるものである。