(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高強度および高硬度を有する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：０．２〜１．５％、Ｙ2Ｏ3：０．１〜１％、さらに必要に応じて、（ａ）ＶＣ：０．０５〜０．５％、および（ｂ）ＣｏおよびＦｅのうちのいずれか、または両方：０．０１〜０．５％、以上（ａ）および（ｂ）のうちのいずれか、または両方、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相相互が焼結結合すると共に、走査型電子顕微鏡による組織観察で、いずれも最大粒径が５μｍ以下の微細なＮｉ相、Ｎｉ−Ｃｏ合金相、Ｎｉ−Ｆｅ合金相、およびＮｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金相のうちのいずれかと、Ｙ2Ｏ3  相とが前記Ｗ相相互間の境界部に分散分布し、さらに前記Ｗ相の最大粒径が３０μｍ以下である細粒組織を有する。【選択図】                なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｎｉ：０．２〜１．５質量％、
酸化イットリウム：０．１〜１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、タングステン相相互が焼結結合すると共に、走査型電子顕微鏡による組織観察で、いずれも最大粒径が５μｍ以下の微細なＮｉ相と酸化イットリウム相が前記タングステン相相互間の境界部に分散分布し、さらに前記タングステン相の最大粒径が３０μｍ以下である細粒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高強度および高硬度を有するタングステン系焼結材料。
【請求項２】
質量％で、Ｎｉ：０．２〜１．５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、タングステン相相互が焼結結合すると共に、走査型電子顕微鏡による組織観察で、いずれも最大粒径が５μｍ以下の微細なＮｉ相と酸化イットリウム相が前記タングステン相相互間の境界部に分散分布し、さらに前記タングステン相の最大粒径が２０μｍ以下である細粒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高強度および高硬度を有するタングステン系焼結材料。
【請求項３】
質量％で、Ｎｉ：０．２〜１．５質量％、
酸化イットリウム：０．１〜１質量％、
ＣｏおよびＦｅのうちのいずれか、または両方：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、タングステン相相互が焼結結合すると共に、走査型電子顕微鏡による組織観察で、いずれも最大粒径が５μｍ以下の微細なＮｉ−Ｃｏ合金相、Ｎｉ−Ｆｅ合金相、およびＮｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金相のうちのいずれかと酸化イットリウム相とが前記タングステン相相互間の境界部に分散分布し、さらに前記タングステン相の最大粒径が３０μｍ以下である細粒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高強度および高硬度を有するタングステン系焼結材料。
【請求項４】
質量％で、Ｎｉ：０．２〜１．５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およびＦｅのうちのいずれか、または両方：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、タングステン相相互が焼結結合すると共に、走査型電子顕微鏡による組織観察で、いずれも最大粒径が５μｍ以下の微細なＮｉ−Ｃｏ合金相、Ｎｉ−Ｆｅ合金相、およびＮｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金相のうちのいずれかと酸化イットリウム相とが前記タングステン相相互間の境界部に分散分布し、さらに前記タングステン相の最大粒径が２０μｍ以下である細粒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高強度および高硬度を有する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久性を示すと共に、高強度および高硬度を有し、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使用するのに適したタングステン(以下、Ｗで示す)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相相互が焼結結合すると共に、前記Ｗ相の最大粒径が走査型電子顕微鏡による組織観察で、４０μｍ以上である組織を有し、この結果として圧壊強度で７００〜９００ＭＰａ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】
近年の各種の電子・電気機器や光学装置などの小型化および軽量化はめざましく、これらの機器や装置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も小径化および薄肉化を余儀なくされ、これに伴ない、光学ガラスレンズの熱間プレス成形装置の構造部材である熱間プレス成形金型における成形温度および成形圧力はいずれも上昇傾向にあるが、上記の従来Ｗ系焼結材料製熱間プレス成形金型では、特に強度および硬さが不十分であるために、これに満足に対応することができず、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【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成形に用いられている従来Ｗ系焼結材料製熱間プレス成形金型のもつすぐれた特性を損なうことなく、強度および硬さの一段の向上を図り、小径化および薄肉化した光学ガラスレンズの熱間プレス成形にも長期に亘ってすぐれた性能を発揮するＷ系焼結材料製熱間プレス成形金型を開発すべく、特にこれを構成するＷ系焼結材料に着目して研究を行った結果、
（Ａ）原料粉末を、
Ｎｉ：０．２〜１．５％、
酸化イットリウム（以下、Ｙ2Ｏ3で示す）：０．１〜１％、
さらに必要に応じて、
（ａ）炭化バナジウム（以下、ＶＣで示す）：０．０５〜０．５％、
（ｂ）ＣｏおよびＦｅのうちのいずれか、または両方（以下、Ｃｏ／Ｆｅで示す）：０．０１〜０．５％、
以上（ａ）および（ｂ）のうちのいずれか、または両方、
Ｗ：残り、
からなる配合組成に配合すること。
【０００５】
（Ｂ）上記（Ａ）の原料粉末の配合においては、Ｎｉ源として、例えば硝酸ニッケル粉末や塩酸ニッケル粉末、、さらに硫酸ニッケル粉末など、また必要に応じてＣｏ源やＦｅ源として、例えば硝酸コバルト粉末や硝酸鉄粉末などを用い、これらの所定量を、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や塩酸ニッケル、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、あるいはこれらに硝酸コバルトや硝酸鉄などが配合された状態で表面が被覆された被覆Ｗ粉末とし、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、さらに硝酸コバルトや硝酸鉄などを熱分解して、表面がＮｉ、あるいはＮｉとＣｏ／Ｆｅで被覆された被覆Ｗ粉末とし、この被覆Ｗ粉末に、いずれも５μｍ以上の粒径が存在しないように篩分調整したＹ2Ｏ3  粉末とＶＣ粉末の所定量を配合すること。
【０００６】
（Ｃ）上記（Ｂ）の配合粉末を用いて、通常の条件で、湿式混合し、乾燥し、圧粉体にプレス成形し、前記圧粉体を焼結することにより製造された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相相互が焼結結合すると共に、走査型電子顕微鏡による組織観察で、いずれも最大粒径が５μｍ以下の微細なＮｉ相またはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金相とＹ2Ｏ3  相とが前記Ｗ相相互間の境界部に分散分布し、さらに前記Ｗ相の最大粒径が３０μｍ以下である細粒組織を有し、さらに、上記の従来Ｗ系焼結材料では前記Ｗ相の最大粒径が同じく走査型電子顕微鏡による組織観察で、上記の通り４０μｍ以上（以下、粒径は走査型電子顕微鏡による組織観察で測定した結果を示す）で、かつ強度が圧壊強度で７００〜９００ＭＰａ、硬さがＨｖで２５０〜２９０であったものが、基本的にＹ2Ｏ3  によるＷ相成長抑制作用でＷ相個々の粒径が最大粒径で３０μｍ以下となると共に、必要に応じて含有されるＶＣのＹ2Ｏ3  との共存による一段のＷ相成長抑制作用でＷ相個々の粒径は最大粒径で２０μｍ以下になり、さらに同じく必要に応じて含有されるＣｏ／Ｆｅによる一段の強度向上効果と相俟って、強度が圧壊強度で１３５０〜２０００ＭＰａ、硬さもＨｖ：３２０〜４５０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、高い成形温度を必要とする石英ガラスなどで構成され、かつ一段と高いプレス成形圧力および成形温度が要求される小径化および薄肉化し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するようになること。
以上（Ａ）〜（Ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【０００７】
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：０．２〜１．５％、
Ｙ2Ｏ3：０．１〜１％、
さらに必要に応じて、
（ａ）ＶＣ：０．０５〜０．５％、
（ｂ）Ｃｏ／Ｆｅ：０．０１〜０．５％、
以上（ａ）および（ｂ）のいずれか、または両方、
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相相互が焼結結合すると共に、いずれも最大粒径が５μｍ以下の微細なＮｉ相またはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金相とＹ2Ｏ3  相とが前記Ｗ相相互間の境界部に分散分布し、さらに前記Ｗ相の最大粒径が３０μｍ以下である細粒組織を有する、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高強度および高硬度を有するＷ系焼結材料に特徴を有するものである。
【０００８】
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粉末の表面を被覆した状態で存在させることにより、焼結性を著しく向上させると共に、Ｗ相の境界に最大粒径で５μｍ以下の微細なＮｉ相またはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金相として存在させて、Ｗ系焼結材料の強度を向上させる作用があるが、その配合割合が０．２％未満では焼結性および前記Ｎｉ相またはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金相の分布割合が不十分となり、所望の高強度を確保することができず、一方その配合割合が１．５％を越えると硬さに低下傾向が現れるようになるばかりでなく、最大粒径で５μｍを越えたＮｉ相またはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金相が分布するようになり、これが金型キャビティ表面の摩耗促進の原因となることから、その配合割合を０．２〜１．５％、望ましくは０．７〜１．２％と定めた。
なお、Ｗ相の境界に分散する上記Ｎｉ相またはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金相は、上記の通り原料粉末の混合時にＮｉ、またはＮｉとＣｏ／Ｆｅを上記の配合割合で原料粉末であるＷ粉末の表面にまぶした状態で存在させることによって５μｍ以下の最大粒径とすることができる。
また、前記上記Ｎｉ相またはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金相の最大粒径を５μｍ以下としたのは、その粒径に５μｍを越えたものが存在するようになると、金型キャビティの表面粗さが急激に低下するようになるという理由からである。
【０００９】
（ｂ）Ｙ2Ｏ3
Ｙ2Ｏ3  は、焼結時のＷ相の成長粗大化を抑制し、焼結後にＷ相相互間の境界部に最大粒径で５μｍ以下の微細な状態で分散分布して、前記Ｗ相個々の最大粒径を３０μｍ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相境界のＹ2Ｏ3  相に凝集傾向が現れ、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。
また、Ｗ相の境界に分散する上記Ｙ2Ｏ3  相は、原料粉末であるＹ2Ｏ3  粉末の粒度を調整して、最大粒径で５μｍを越えないようにする必要がある。これはＹ2Ｏ3  相の粒径に５μｍを越えたものが存在するようになると、強度に著しい低下傾向が現れるようになるという理由からである。
【００１０】
（ｃ）ＶＣ
ＶＣには、Ｙ2Ｏ3  との共存において、焼結時にＮｉあるいはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金に固溶して、Ｗ相の成長粗大化を抑制し、前記Ｗ相の最大粒径を２０μｍ以下に抑制する作用があるので、必要に応じて配合されるが、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相境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。
【００１１】
（ｄ）Ｃｏ／Ｆｅ
Ｃｏ／Ｆｅには、Ｎｉと合金を形成した状態でＷ相相互間の境界部強度を一段と向上させ、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，硬さに低下傾向が現れるようになり、これが金型キャビティ表面の摩耗促進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。
【発明の効果】
【００１２】
この発明のＷ系焼結材料は、Ｗ相相互が焼結結合すると共に、いずれも最大粒径が５μｍ以下の微細なＮｉ相またはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金相とＹ2Ｏ3  相が前記Ｗ相相互間の境界部に分散分布し、さらに前記Ｗ相の最大粒径が３０μｍ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：１３５０〜２０００ＭＰａ、
（ｅ）ビッカース硬さ（Ｈｖ）：３２０〜４５０、
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、かつ小径化および薄肉化し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するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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】
【００１４】
（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、さらに同純度の硝酸コバルト水和物粉末および硝酸鉄水和物粉末を用意し、これら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、あるいは硝酸ニッケルと、硝酸コバルトおよび硝酸鉄のいずれか、または両方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、硝酸コバルト、および硝酸鉄を熱分解することにより、表面がＮｉまたはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金で被覆された被覆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１，２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、１４７０℃に２時間保持の条件での本焼結を施して、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）１〜３２、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（以下、比較金型という）をそれぞれ製造した。
【００１５】
なお、この結果得られた本発明金型１〜３２および比較金型を構成する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１，２に示される結果を示した。また、その組織を、走査型電子顕微鏡を用いて観察し、Ｗ相、並びにＷ相相互間の境界部に分散分布するＮｉ相またはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金相、およびＹ2Ｏ3  相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１〜３２を構成するＷ系焼結材料は、いずれもＷ相相互が焼結結合した組織を示し、かつ微細なＮｉ相またはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金相とＹ2Ｏ3  相が前記Ｗ相の境界に沿って均一に分散分布した組織を示した。
【００１６】
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、直径：５ｍｍ×最大厚さ：２ｍｍの小径化および薄肉化した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１，２に示した。
【００１７】
【表１】
2005290542.tif 000002
【００１８】
【表２】
2005290542.tif 000003
【００１９】
表１，２に示される結果から、Ｗ相の境界にＮｉ相またはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金相と、Ｙ2Ｏ3  相が存在せず、かつ前記Ｗ相の最大粒径が４０μｍを越えた粗粒組織のＷ系焼結材料からなる比較金型に比して、いずれもＷ相の最大粒径が３０μｍ以下の細粒組織を有するＷ系焼結材料からなる本発明金型１〜３２は、Ｎｉ相またはＮｉ−Ｃｏ／Ｆｅ合金相の分散分布と相俟って、高強度と高硬度を具備し、さらに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や、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て、小径化および薄肉化した光学ガラスレンズを成形する場合においても、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。