特集

製品イノベーションを生み出す金型・成形分野の最新技術動向
Part 1 製品開発力を高める金型・成形技術

ガラスレンズ成形金型用材料に求められる超硬合金の特性
冨士ダイス㈱ 和田

光平＊、小椋勉＊＊、福島崇洋＊＊＊

ガラスレンズ（以下、レンズ）は、デジタルカメラ

超硬合金は炭化タングステン（WC）をコバルト（Co）、や医療機器など、さまざまな分野で使用されている。

ニッケル（Ni）などの結合相で焼結した材料であるが、レンズは硝材を直接加工して製造されていたが、近年加工性と仕上げ時の面粗さを決める材料要素としては、非球面や自由曲面などの複雑形状のレンズ製造やコス結合相量と WC の粒度の 2 つがあげられる。結合相トダウンを目的として、モールドプレス成形法により量が少ない材料ほど、加工性と仕上げ時の面粗さが優製造されることが多い。

れる。これは WC と結合相の硬さが大きく異なるた

モールドプレス成形法では、成形時にパンチの役割を果たす上下に設置されたコアと、それを固定するダめであり、加工時には硬い WC は削りにくく、軟質な結合相は削りやすくなる。

イの役割を果たすスリーブが使用される。当社は超硬

また、WC の粒度が微粒子の材料の方が、加工性合金製のレンズ成形金型のパイオニアとして、さまざと仕上げ時の面粗さが優れる。これは加工中に WCまなレンズ成形金型に適した材料を開発し、市場に提粒子が脱落した場合に、微粒子の方がその後に削る量供してきた。

が少なくて済むからである。したがって、レンズ成形

本稿では、まずレンズ成形金型に必要な材料特性に金型材料としては、バインダレス超硬合金で、WC関して説明する。その後、当社の既存超硬合金のレン粒子径がなるべく微粒子の材料が多く使用されている。

ズ成形金型材料を紹介し、最後に新たに開発した高熱超微粒バインダレス超硬合金 TJS02（材料の詳細膨張係数材料 Z126R、Z127R（開発コード）を紹介は後述）、超微粒 WC−Co 系超硬合金、粗粒超硬合金する。

を、集束イオンビーム（FIB）にて同一条件下で 2μm

レンズ成形金型材料として必要な特性ずつ階段状に加工した結果を図 1 に示す。結合相量が少なく、WC が微粒子の TJS02 の方が、加工性が1．加工性、および金型仕上げ時の面粗さ優れることがわかる。本結果は FIB の場合であるが、レンズなどの光学製品は、光を屈折させるため、表切削加工、研削加工、レーザー加工などでも同様の結面状態が重要である。モールドプレス法でレンズ成形果が得られている。

を行う場合、コアの面形状がそのままレンズに転写さ2．熱膨張係数れる。すなわち、金型の面粗さが成形後のレンズの面モールドプレス法でのレンズ成形は、硝材が軟化す粗さとほぼ同じになるため、金型の加工性、および仕る 873〜1，073 K で行われることが多い。このため、上げ時の面粗さが重要となる。

レンズ成形時には金型も熱膨張する。金型のコア材料＊Kouhei Wada、＊＊Tsutomu Ogura：技術開発本部 開発セン
ター 材料開発部＊＊＊
Takahiro Fukushima：同 部長〒257−0015 神奈川県秦野市平沢 36−1
TEL（0463）
82−9588

０５０とスリーブ材料を同一とする場合もあるが、成形時のコアとスリーブのクリアランスを小さくするため、コ
アを熱膨張係数の大きな材料とする場合が多い。
また、レンズ形状によっては、硝材と金型のコア材

特集

製品イノベーションを生み出す金型・成形分野の最新技術動向

Part 1 製品開発力を高める金型・成形技術

インダレス超硬合金として、J05、JF03、TJS02、TJS

料との熱膨張係数差により、冷却時に硝材が割れる、冷却後金型から硝材の取り外しができないなどの問題

01 の 4 材種をラインナップしている。一般的にバイを生じることがある。さらに、より高精度な形状のレ

ンダレス超硬合金は、ホットプレス法や放電プラズマンズ製品を金型にて成形する場合は、可能な限り硝材焼結法（SPS）などの方法を用いて生産されることがと金型材料の熱膨張係数を合わせる必要がある。この多いが、当社材料はすべて仮焼結法と熱間等方圧加圧

ようにレンズ成形金型において、材料の熱膨張係数は法（HIP）での本焼結を組み合わせた焼結方法で生産重要な特性である。

されている。このため、大型焼結体であっても焼結体

3．そのほかの必要な特性内部と外部で組成や WC 粒子の大きさの差が小さく、そのほか、レンズ成形金型材料として必要な特性値ほぼ均一の焼結体を提供可能である。また、ニアネッには、熱伝導率、耐酸化性、耐熱衝撃性などがある。

トシェイプの焼結体の製作が可能となり、最終加工まこれらは、成形を行うサイクル時間の短縮のため、必での製造コストを安くできる特徴がある。

要な特性である。すなわち、熱伝導率は高ければ金型

J05 は最も初期に開発された材料で、WC とチタンを加熱・冷却しやすく、レンズ成形にかかる時間が短（Ti）や W などの固溶体炭化物相の 2 相からなる［図縮可能となる。また耐酸化性、耐熱温度が高ければ、（2 a）］。通常の超硬合金で結合相として使用される Co金型の寿命が長くなり、さらに 450〜600 K で金型をや Ni と比較して、炭化物相の硬さが WC と近く、取り出すことができるようになるため、これらの特性鏡面加工性に優れるために、モールドプレス法におけ値を重要視する場合もある。

るバインダレス金型材料の先がけとなった。また、φ200 mm 程度の大きな金型の製作も可能である。一方

レンズ成形金型材料（超硬合金）
ラインナップで、硬さの異なる 2 相で構成されていること、またWC の粒子径が 1．
4μm と比較的大きいために、バインダレス超硬合金の中ではやや加工性が悪く、特に初当社のレンズ成形金型材料のラインナップとその機械的特性値を表 1 に示す。当社ではコア金型用のバめて加工する場合は難しいとの問題があった。
WCCo

4μm
（a）超微粒バインダレス合金（TJS02）（b）超微粒超硬合金（c）粗粒超硬合金

図 1 加工試験結果。FIB を用いて、深さ 0．
2μm ずつ階段状に加工
表 1 レンズ成形金型材料のラインナップとその機械的特性値材種名J05

WC 粒子径（μm）
1．
4

比重14．
65

硬さ、294 N
（HV）
2000

抗折力

破壊靱性値

熱伝導率

熱膨張係数（GPa） （MPa・m1/2） （W/m・K） RT−673 K
1．
3

2．
163

×MK−1

酸化増量
2 ※1RT−873 K RT−1，073 K （g/m ）

4．
6

4．
8

5．
1

220

JF03

0．
6

15．
40

2200

2．
0

2．
462

4．
2

4．
5

4．
7

183

TJS02

0．
35

15．
40

2600

1．
8

2．
257

4．
3

4．
5

4．
7

170

TJS01

0．
16

15．
10

2700

2．
3

2．
8

43

4．
6

4．
9

5．
1100

D10

1．
515．
20

1650

2．
94．
5974．
64．
95．
1−

これら特性値は保証値ではない。※1 大気中 1，073 K−30 min で試験型技術

第 ３５ 巻 第 １ 号 ２０２０ 年 １ 月号

０５１

は WC の粒子径が 0．
35μm と細かく、JF03 と同様にほぼ WC のみで構成されているために［同図（c）］、加工性、また仕上げ時の金型の面粗さが優れた材料となっている。本材料はコアのみでの販売となっており、
φ70×H 40 mm 程度の大きさの実績があり、国内外（a）J05 WC 粒径 1.5μm（b）JF03 WC 粒径 0.6μmで多く使用されている。
JF03、TJS02 は加工性と面粗さは優れたが、熱膨張係数が J05 と異なり小さく、熱膨張係数を J05 と同等にし、さらに加工性と面粗さを向上させた材料が欲しいとの要望があった。これを受け開発されたのが1μm（c）TJS02 WC 粒径 0.35μm （d）TJS01 WC 粒径 0.16μm

TJS01 である。TJS01 は J05 と同等の熱膨張係数をもち、WC の粒子径が 0．
16μm と当社で調べた限り

図 2 バインダレス超硬合金の SEM 像は販売されている超硬合金の中で最も微粒子である。
また本合金は WC と M2C 相（M は金属成分）のそこで、加工性を改良したのが JF03 である。JF032 相で構成されている。同図（d）の灰色の部分が WC、は J05 と異なり、ほぼ WC で構成されており、WC黒い部分が M2C である。この 2 相の硬さが近いことの粒子径も 0．
6μm と微粒子［同図（b）］であるため、 から、加工性と仕上げ時の面粗さも良い。また、研削加工性が良い材料である。本材料はコアのみならず、加工以外の切削加工やレーザー加工などでも高評価をスリーブとしても使用されており、コアではφ70×H得ている。生産上の都合から、現在はφ40×H 30 mm

40 mm 程度、穴のあいた薄いスリーブではφ130 mm程度の製品の販売となっているため、現在生産能力の程度の大きさの製品まで製作実績がある。

向上と生産可能寸法を大きくする取組みを行っている。

JF03 よりもさらに加工性、および仕上げ時の金型

これら材料は、熱膨張係数の関係から、表 2 のよの面粗さを向上させた材料が TJS02 である。TJS02

うな組合せで使用されることが多い。D10 は WC−Co

表 2 コア材料とスリーブ材料の組合せ

基超硬合金であるが、Co 量が少なく、熱膨張係数がコア材料
TJS01

J05 や TJS01 と同等であるため、これらのコア材料スリーブ材料
同じ熱膨張係数
J05D10熱膨張係数小JF03

TJS02

JF03−JF03JF03−

J05J05D10のスリーブ材料として使用されている。
上述した材種を同一条件で加工し、面粗さの測定を行った結果を図 3 に示す。Pv、Ra ともに J05、JF03、TJS02、TJS01 の順に良くなっている。本結果からも WC の粒子径が細かい材料ほど加工性が優れるこJF03とがよくわかる。
2.525RaPv
20215

1.510150.50（nm）

J05

JF03

TJS02

TJS010（nm）

J05

JF03

TJS02

図 3 同一条件下で加工したバインダレス超硬合金の面粗さ測定結果

０５２TJS01

特集

製品イノベーションを生み出す金型・成形分野の最新技術動向

Part 1 製品開発力を高める金型・成形技術

10μm（a）J05 バインダレス超硬合金（b）Z126R（c）Z127R

図 4 既存バインダレス超硬合金 J05 と新材種 Z126R、Z127R の合金組織写真

硬さ表3Z126R および Z127R の機械的特性値

抗折力

破壊靱性値

熱膨張係数

熱伝導率×MK−1

酸化増量

材種名

比重J0514．
6593．
51．
32．
1634．
64．
85．
130

Z126R

7．
0092．
71．
01．
7138．
59．
1

9．
620

Z127R

7．
1590．
6

1．
3

3．
3138．
79．
1

9．
5101/2※1（HRA） （GPa） （MPa・m ） （W/m・K） RT−673 K RT−873 K RT−1，073 K （g/m2）

これら特性値は保証値ではない。

※1 大気中 973 K−30 min で試験

12

高熱膨張係数材料
Z126R、Z127R（開発コード）10

一般的なガラス硝材の熱膨張係数は 6〜10MK 程度であり、熱膨張係数が 4〜6MK−1 のバインダレス
超硬合金製のレンズ成形金型でも十分対応できる。しRa（nm）8−1642

かし、それ以上の熱膨張係数を有する硝材を金型成形した場合、形状によっては冷却時にレンズに割れが生じる、高精度の製品ができないなどの問題があった。
そのため、高熱膨張係数を有し、さらに鏡面加工性と仕上げ時の金型の面粗さが優れる金型が要望されていた。そこで開発されたのが Z126R、Z127R である。
これらの材料は WC を使用せず、クロム（Cr）炭化物を主成分とするまったく新しい材料［図 （4 b）（、c）］である。

0J05

Z126R

Z127R

図 5 同一条件にて加工した J05、開発材種 Z126R、Z127R の表面粗さ測定結果（図 3 の加工条件とは異なる）件によって使い分ける。
☆
当社はモールドプレス法初期からレンズ成形金型材

Z126R、Z127R の材料特性値をバインダレス超硬料を開発し、顧客の要望にあった材料を開発・提供し合金 J05 と比較した結果を表 3 に示す。通常のバイてきた。今後もより微粒な合金の開発やさらなる大型ンダレス超硬合金の熱膨張係数は 5MK−1 程度である化、複雑形状化などの要望を可能な限り実現していき−1が、開発材料 2 種は熱膨張係数が 8〜10MK 程度とたい。また、今回紹介した新材料 Z126R や Z127R通常のバインダレス超硬合金の 2 倍近い。また、同は硬く、耐摩耗性があることはもちろん、超硬合金と一条件下で加工試験を行った結果、Z126R は既存バ比較して軽いことや WC や Co を含んでいないことインダレス超硬合金である J05 に近い面粗さが得らも特徴としてあげることができる。レンズ成形金型材れた（図 5）。Z127R は、面粗さは劣るものの、Z126料以外にも使用用途があると考えているため、興味がR よりも靱性が高く、扱いやすい材料であり、使用条ある場合は問い合わせいただければ幸いである。

型技術

第 ３５ 巻 第 １ 号 ２０２０ 年 １ 月号

０５３