专利名称：玻璃成型模具用陶瓷的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够用于玻璃硬盘基板和玻璃透镜等的成型中的玻璃成型模具用陶瓷、由该陶瓷制成的玻璃成型模具、及其制造方法。
背景技术：
像玻璃硬盘基板和玻璃透镜这样的玻璃光学元件是通过在加热的条件下加压成型成所希望的形状，进而根据需要进行表面研磨来生产的。
由于玻璃光学元件要求具有很高的精度，因此，为了能够通过加压成型稳定地得到玻璃光学元件，要求成型模具加工性优良、且在对玻璃进行加压成型时的高温下具有耐氧化性或者耐腐蚀性、对玻璃呈现惰性、并且脱模性优良，从而能够容易高精度且平稳地对加压面进行加工。
例如，在此之前公开了以提高脱模性为目的的技术方案。在日本专利申请特开昭62-207726号公报中，公开了具有特定厚度的碳膜的玻璃成型模具。在日本专利申请特开2000-72453号公报中，公开了由在成型模具内表面形成有氮化硅膜的碳化硅烧结体所制成的玻璃模型成型用模具。此外，在日本专利申请特开平7-257933号公报中，公开了由碳化硅系陶瓷得到的玻璃成型模具。
发明内容
即，本发明提供(1)一种玻璃成型模具用陶瓷，其含有碳化硅和碳，其中，相对于100重量份的碳化硅含有6～50重量份的碳；(2)由上述(1)所述的玻璃成型模具用陶瓷制成的玻璃成型模具；以及(3)使用上述(1)所述的玻璃成型模具用陶瓷制造玻璃成型模具的方法。
具体实施例方式
本发明涉及脱模性优良、而且在耐磨损性方面也具有优良的高耐久性的玻璃成型模具用陶瓷、由该陶瓷制成的玻璃成型模具、以及该成型模具的制造方法。
根据本发明，能够得到脱模性优良、而且在耐磨损性方面也具有优良的高耐久性的玻璃成型模具用陶瓷，以及由该陶瓷制成的玻璃成型模具。
本发明的玻璃成型模具用陶瓷(在下文中有时也称为陶瓷)的一个最大的特征在于所述陶瓷是按照特定的比例含有碳化硅和碳的碳化硅-碳复合陶瓷，通过该结构而具有良好的脱模性及耐磨损性、高耐久性等特性。另外，这里所谓的脱模性是指玻璃成型模具用陶瓷作为玻璃成型模具使用时的脱模性。
具体来说，本发明的陶瓷中含有碳化硅和碳，其中，相对于100重量份碳化硅含有6～50重量份、优选为10～40重量份、更优选为15～35重量份的碳。
根据本发明的陶瓷，与用于提高脱模性的代表性的现有技术，例如像日本专利申请特开昭62-207726号公报、特开2000-72453号公报中的公开技术那样的在成型模具内表面构成特定的脱模层的技术不同，不需要构成该特定的层而仅仅只要获得成型模具，则该模具的内表面其本身的脱模性就是优良的，因此，具有能够容易地加工成型玻璃成型模具的优点。
此外，本发明中通过使碳化硅系陶瓷中含有碳，从而和例如特开平7-257933号公报中所公开的单纯的碳化硅系陶瓷相比，具有更良好的脱模性。
另外，使用于本发明的陶瓷的材料可分别单独使用、或者混合2种或更多种来适宜地使用。
本发明的陶瓷中所使用的碳化硅形成陶瓷的基质，并且可以是α、β晶型的任一种。此外，其纯度没有特别的限制，但是从使其高密度地烧结的观点出发，优选其纯度为90重量％或以上、更优选为95重量％或以上。从烧结性优良的方面考虑，碳化硅的形态优选是平均粒径为5μm或以下的粉末。
优选本发明的陶瓷仅由上述适当范围的纯度的碳化硅和碳源构成，但是在不损害本发明的效果的范围内还可以含有碳化硅以外的碳化物等任意成分。
另外，本说明书所述的平均粒径可以采用例如激光衍射/散射光式粒径分布测定装置(堀场制作所制造，LA720)来测定。
本发明的陶瓷中的碳为碳单质，并包括晶相和/或非晶相。具体来说，作为碳的单质，可以列举出无定形碳、石墨等。这些单质的晶相在由激光拉曼分光法测定得到的光谱中，在以1580cm-1附近为中心的1450～1700cm-1处具有峰，并且，作为结晶结构，可以列举出例如石墨型平面六边形结构、菱形结构等，但是并没有特别的限制。此外，非晶相在以1360cm-1附近为中心的1300～1450cm-1处具有峰。
本发明的陶瓷和用于玻璃成型模具的现有的陶瓷相比，通过将碳的含量设定为相对于100重量份碳化硅为6重量份或以上，能够实现现有技术中所未能实现的良好的脱模性。此外，通过将碳设定为相对于100重量份碳化硅为50重量份或以下，还能够实现良好的耐磨损性。
进而从同时确保高强度和高破坏韧性这两者的观点出发，本发明的陶瓷中上述碳的晶相与非晶相的激光拉曼分光强度的峰面积比(晶相/非晶相)优选为1～10，更优选为1～5。可以认为该峰面积比相当于碳的石墨化度，如果该值在上述适当的范围内，就能够实现良好的强度和破坏韧性。在光谱的测定中，使用例如NEC公司制造的氩激光拉曼分光装置。
本发明的陶瓷通过含有上述特定量的碳，从而不仅脱模性优良，而且还能够确保充分的机械强度(强度、硬度、破坏韧性、摩擦系数、耐磨损性等)，而这些充分的机械强度是现有已知的高碳含量的陶瓷所不能实现的。该特性有助于实现本发明的陶瓷的耐久性。
本发明的陶瓷除了能够容易地加工成型玻璃成型模具之外，还依靠该特性，对于赋予玻璃成型模具其通常所要求的特性，例如对高温玻璃的化学稳定性(抗氧化性、耐腐蚀性、对玻璃的惰性)及耐磨损性、与玻璃的脱模性、表面平滑性等有很大的贡献。
本发明的玻璃成型模具的制造方法使用本发明的陶瓷。作为玻璃成型模具的制造方法，可以列举出例如，通过对本发明的陶瓷的原料混合物进行预烧，然后将其成型为所需要的成型模具，接着进行烧结，并对由所得到的陶瓷烧结体(碳化硅-碳复合陶瓷)构成的模具的内表面进行研磨的制造方法。
在本发明的玻璃成型模具的制造中，陶瓷中的碳单质优选是在制造工序中由适当的碳源所生成的。即，将上述碳化硅、后述的碳源、以及根据需要通常所使用的添加剂等(例如已知的硼化合物、钛化合物、铝化合物、氧化钇化合物等烧结助剂等)进行湿式混合并进行预烧。通过该预烧工序碳源转化为碳的单体。可以对湿式混合时的各原料的混合比例进行适当的调整，以使所得到的陶瓷的组成达到上述范围。
湿式混合可以使用球磨机、振动式磨碎机、行星式磨碎机来进行。此外，作为所使用的溶剂，优选为有机溶剂，例如苯、甲苯、二甲苯等芳香族溶剂；甲醇、乙醇等醇类溶剂；甲基乙基酮等酮类溶剂等。作为其他的溶剂，可以使用水、水和上述有机溶剂的混合溶剂等。
湿式混合后的混合物的预烧可以按照已知的方法来进行，但是从使所使用的碳源充分地转化为碳单质、以及防止粒子的自由烧结以保持良好的分散性的观点出发，优选通过在惰性气氛下(例如氮气、氩气等气氛下)于150～800℃进行热处理来进行。
作为上述碳源，只要是在湿式混合中所使用的上述有机溶剂中具有可溶性或者分散性，且在上述预烧条件下可转化为碳的碳源即可，并没有特别的限制。作为碳源，例如当其为固体粉末的情况下，优选是平均粒径为0.1～100μm左右的材料。从预烧后转化为碳的转化率高的方面考虑，该碳源优选为芳香烃，可以列举出例如呋喃树脂、酚醛树脂、煤焦沥青等，其中更优选使用酚醛树脂、煤焦沥青。
接着，根据需要对预烧后的混合物进行造粒，然后将其成型为成型模具。成型可以通过如下方法来进行采用例如模具成型法、注射法、CIP法(冷等静压法(COLD ISOSTATIC PRESS))形成块状物，并根据需要由该块状物经机械加工而制造成型用模具的成型体。此外，本发明的玻璃成型模具包括玻璃成型模具的玻璃接触面的全部或一部分是使用了本发明的陶瓷粒子的成型体的玻璃成型模具。例如，可以将由阴模和阳模所组成的玻璃成型模具的阴模或阳模的任一方设置成使用了本发明的陶瓷粒子的成型体。这样，本发明的玻璃成型模具的全部、或者玻璃接触面的全部或一部分是由本发明的玻璃成型模具用陶瓷所制成的。
接着，将所得到的成型体供给至烧结工序。烧结可以按照已知的方法进行的，但优选在惰性气氛下或者在真空下于1800～2300℃的温度下进行。如果烧结温度在该范围内，则烧结体的密度、以及强度、硬度等机械特性可以变得优良。作为烧结方法，例如为了使烧结体高密度化可以使用热压、HIP法(热等静压法(HOT ISOSTATIC PRESS))等。
对由如上所述得到的碳化硅-碳复合陶瓷制成的成型模具的相对于内表面的表面(与玻璃接触的表面)根据需要进行研磨，便得到最终的玻璃成型模具。研磨的方法并没有特别的限制，但是由于该陶瓷是高硬度材料，当使用金刚石之外的磨粒来研磨则需要的时间会变长，因此优选采用金刚石磨粒进行研磨。从确保玻璃成型模具的与玻璃接触的表面的表面平滑性以便能够得到成型后不需进行研磨而能直接使用的玻璃制品的观点出发，优选所使用的金刚石磨粒的平均粒径为2μm或以下。
通过上述方法可以得到所需要的玻璃成型模具。在采用例如HIP法进行烧结的情况下，可以以非常高密度的烧结体的形式得到构成该成型模具的碳化硅-碳复合陶瓷。从赋予玻璃表面良好的平滑性的观点出发，优选玻璃成型模具的相对密度较高，具体来说，优选其相对密度为95％或以上，更优选为98％或以上。另外，相对密度可以用堆积密度除以理论密度来求得。另外，堆积密度是按照JIS R1634来测定的。此外在陶瓷是由多个成分构成的情况下，计算各成分的理论密度×各成分的含量(重量％)÷100，并以这样的得到的各成分的值的和作为该陶瓷整体的理论密度。
此外，希望使用本发明的成型模具制造的玻璃硬盘基板和玻璃透镜等能够在成型后不经研磨而直接使用，因此就希望成型模具的与玻璃接触的表面的表面粗糙度变得尽可能的光滑。具体来说，成型模具的该表面的中心线平均粗糙度Ra优选为1～200nm，更优选为1～50nm，进一步优选为3～20nm。另外，可以通过JIS B0651求出中心线平均粗糙度Ra。
本发明的玻璃成型模具具有优良的耐磨损性，并且与玻璃的反应性非常小。此外，与玻璃的脱模性良好，成型后的玻璃具有实质上不需要进行后研磨这种程度的表面平滑性。再者，即使长期反复使用也不会引起模具的表面皲裂或脱模不良，能够发挥高耐久性。因此，根据本发明的玻璃成型模具，能够降低玻璃硬盘基板或玻璃透镜等的成型成本。
实施例实施例1～6和比较例1～3使用振动球磨机对表1所示的碳源、平均粒径为5μm的β-碳化硅(纯度98重量％)、以及2重量％的作为烧结助剂的B4C进行乙醇湿式混合，在氩气气氛中于600℃预烧1.5小时。采用CIP法将预烧后的混合物成型为块状物，使用NC加工机对所得到的块状物进行加工，形成玻璃透镜用玻璃成型模具，在氩气气氛中于2200℃烧结4小时。使用平均粒径为0.5μm的金刚石磨粒对烧结后的成型模具的与玻璃接触的表面进行研磨，得到最终的玻璃成型模具。另外，在表1中，酚醛树脂是酚醛清漆树脂型、残余灰分率49为重量％，煤焦沥青的残余灰分率为53重量％。此外，含碳量表示相对于100重量份碳化硅的碳的含量。
针对所得到的玻璃成型模具就如下特性进行评价。评价结果全部如表1所示。
(1)激光拉曼比采用NEC公司制造的氩气激光拉曼分光装置求得激光拉曼比，即碳的晶相与非结晶相的激光拉曼分光强度的峰面积比(晶相/非晶相)。
(2)相对密度通过JIS R1634求出堆积密度，并用其除以理论密度，求得相对密度。
(3)表明粗糙度使用小坂技研制造的粗糙度计按照JIS测定表面粗糙度，即与玻璃接触的表面的中心线平均粗糙度Ra。
(4)脱模性使用玻璃成型模具制造玻璃透镜，按照如下方法评价从玻璃透镜的玻璃成型模具的脱模性。即，在700℃的加热条件下，通过施加300kg/cm2的载荷将透镜玻璃片成型，用100次连续成型时的脱模性并按照如下评价标准进行评价。
◎100次均显示出良好的脱模性○100次中有1次发生了脱模不良
△100次中发生了2～4次脱模不良×100次中发生了5次或更多次脱模不良(5)耐久性通过目视观察上述(4)的试验后的成型模具的表面以及粗糙度，并按照如下评价标准对耐久性进行评价。
◎表面无浑浊，且粗糙度无变化○表面无浑浊，且可以确认有一些粗糙度变化△表面有部分浑浊且可以确认有一些粗糙度变化×表面全面浑浊且可以确认粗糙度变化表1
由表1可知，和由碳含量在本发明的范围之外的陶瓷所制成的比较例1～3的成型模具相比，由相对于碳化硅含有特定量的碳的本发明的陶瓷所制成的实施例1～6的玻璃成型模具具有更优良的脱模性和耐久性。
通过本发明，提供了脱模性优良、而且在耐磨损性方面也具有优良的高耐久性的玻璃成型模具用陶瓷、由该陶瓷构成的玻璃成型模具、以及该成型模具的制造方法。本发明的玻璃成型模具能够大大降低玻璃硬盘基板和玻璃透镜等的成型成本。
权利要求
1.一种玻璃成型模具用陶瓷，其含有碳化硅和碳，其中，相对于100重量份的碳化硅含有6～50重量份的碳。
2.如权利要求1所述的玻璃成型模具用陶瓷，其中，碳的晶相和非晶相的激光拉曼分光强度的峰面积比为1～10。
3.由权利要求1所述的玻璃成型模具用陶瓷制成的玻璃成型模具。
4.如权利要求3所述的玻璃成型模具，其中，该玻璃成型模具的全部或一部分是由玻璃成型模具用陶瓷制成的。
5.由权利要求2所述的玻璃成型模具用陶瓷制成的玻璃成型模具。
6.如权利要求5所述的玻璃成型模具，其中，该玻璃成型模具的全部、或者玻璃接触面的全部或一部分是由玻璃成型模具用陶瓷制成的。
7.如权利要求3所述的玻璃成型模具，其中，该玻璃成型模具的相对密度为95％或以上。
8.如权利要求5所述的玻璃成型模具，其中，该玻璃成型模具的相对密度为95％或以上。
9.如权利要求3所述的玻璃成型模具，其中，与玻璃接触的表面的中心线平均粗糙度Ra为1～200nm。
10.一种使用权利要求1所述的玻璃成型模具用陶瓷制造玻璃成型模具的方法。
11.一种陶瓷用于玻璃成型模具的用途，该陶瓷含有碳化硅和碳，其中，相对于100重量份的碳化硅含有6～50重量份的碳。
全文摘要
本发明涉及一种玻璃成型模具用陶瓷，其含有碳化硅和碳，其中，相对于100重量份的碳化硅含有6～50重量份的碳。本发明还涉及由上述玻璃成型模具用陶瓷制成的玻璃成型模具、以及使用上述玻璃成型模具用陶瓷制造玻璃成型模具的方法。该玻璃成型模具能够大大降低玻璃硬盘基板或玻璃透镜等的成型成本。
文档编号C03B11/00GK1785902SQ20051012855
公开日2006年6月14日 申请日期2005年11月30日 优先权日2004年12月6日
发明者阪口美喜夫, 星田浩树, 井上启作 申请人:花王株式会社