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No８４非球面ガラスレンズ金型技術資料

１．型材の選択

非球面ガラスレンズ用金型（以下ガラス金型）を使用する場合、高温に耐えてプレスの衝撃にも強い型材としてバイダーレス超硬（以下超硬）、常圧焼結炭化珪素素材表面に緻密なＣＶＤのβSiC析出（以下SiC-CVD）した材料を加工して使用してるのが主流。　ただし、ガラスとの離型性では問題点もある。　よって、それらの型材に表面処理して離型性を持たせている。

表①　各種ガラスとそれに適合した表面処理と型材例

BK7	TiCN/WC	DLC/WC	DLC/SiC
SK5	TiCN/WC	DLC/SiC
SF6	TiCN/WC	BN/WC	TiAlN/WC	CrO3/Al2O3
F2	Pt-Ir65/WC	TiAlN/WC	TiN/WC	DLC/SiC

ガラスの主成　BK7；SiO₂-B₂O₃-Na₂O-K₂O、SK５;SiO₂-BaO-B₂O₃ SF6；PbO-SiO2、 F2 ;:SiO2-PbO-K₂O (トライボロジー表面改質　特集より）

型材は、SiCが比較的高い軟化点のガラスに向き、低軟化点ガラスには超硬と２種類が主流。

２．離型膜

①表の通り表面処理はチタン系、貴金属系、カーボン膜系と使用されている。現在、ガラス成形は、貴金属系、カーボン膜系の２種類が主流を占めている思われる。　特にカーボン系のDLC膜は、その平滑性において高く現在最も多用されている表面処理である。

３．DLC表面処理

表②　DLCコーティング種類

		名　　　称		装置方式
ｔa-C	水素フリーテトラヘデラルアモルファスカーボン		ＡｉＰ方式
a-C	水素フリー　アモルファスカーボン		スパッター方式
a-C:H	水素含有　アモルファスカーボン		イオン蒸着

初期のDLCコーティングでは、表②のように分けてなくすべてDLCであった。

近年、DLCコーティング装置の多様化で析出膜も変化して、それらを分析すると上記のように大きく３分類に分けられる。

　最近までガラスレンズ用金型の離型膜としてもっとも使用されている方式は、イオン蒸着でのDLCコーティングであった。　

　この方式の装置は、２５年前に旧東ドイツから国内に持ち込み繊維関係の業種から転換するため表面処理受託した企業が受託可能なDLC膜を確立して今日に至っている。　この装置仕様としては、非常にシンプルでコート条件を確立すれば安定なDLC膜を析出できる。　そこで国内大手ガラスメーカーがこの装置を導入してガラス成形用に条件を確立。

○　a-C:H方式は、Taフィラメント（カソード電極）とＷ平板（アノード電極）からなるイオン化源と基板ホルダーより構成。　このイオン化源で炭化水素イオンを生成してDLC析出。　水素を含むカーボン膜を析出。

このa-C:H　DLCコーティングは、大手ガラスメーカーが採用している。

特に型材がSiC-CVDなのでDLCコーティングとの相性も良く、中間層を使用しないで密着強度が維持される。　　さらにDLCコーティング条件としてコート時の温度を制御して一定以上のプレス成形回数を維持している。

　この大手ガラスメーカーからのテスト評価結果として

ランタン系光学ガラスA（ガラス転移点４７５℃、屈伏点５０９℃）とバリウム系光学ガラスＢ（ガラス転移点５６５℃、屈伏点６２５℃）の膜挙動評価

　ガラスの粘性が１０^９　ボアズ相当となる温度まで昇温した後３０kg/cm²の加圧成形を行い、離型温度まで降温した後にガラスを成形型内から取り出す行程１サイクルとして繰り返した成形回数における膜表面を目視及び光学顕微鏡により観察した結果が下記の通り

コート時基板温度　２００℃以下　プレス回数　　１００回でガラス接触部が酸化消失

　　　　　　　　　　　　４００℃以下　プレス回数　１０００回以上　良好　

　　　　　　　　　　　　５００℃　　　　プレス回数　　５００回で　詳細な点状剥離

○　a-C　　方式は、主にマグネトロン方式による反応性スパッタリングプロセスを用いて、ターゲットにはグラファイトを使用して水素を含まないカーボン膜を析出。

コート時基板温度　３００℃　　　　プレス回数　　３００回で詳細な点状剥離　

　　　　　　　　　　　　（条件は、a:C:H５００℃と同じ）

○　ta-C　　方式は、真空アーク放電を利用してグラファイトターゲットから炭素イオンを発生させ水素フリーDLCを析出する。ただし、アーク放電時にドロップレットが発生して膜の劣化が発生。よって、このドロップレットを排除する技術がポイント。

コート時基板温度　常温　　　プレス回数　a-C:H方式の１０倍（ただし型材SiC-CVD）

写真①　上はロックウエルと下はスクラッチ密着評価（下地鉄系材料）

　　　　ta-C　　　　　　　　　　　a-C　　　　　　　　a-C:H　　

写真①の密着評価では、ロックウエル、スクラッチなどの評価が違うのでこの結果がガラスレンズ金型への評価とは別である。

　しかし、一般的に、DLCコーティングは、下地の相性の問題で鉄系、一般超硬（バインダーを含む）に中間層を析出して密着強度を安定させている。特に当社はSi系のガスを使用してアモルファスSiCを０．１μコートしてDLC析出している。このアモルファスSiCは、鉄、超硬及びDLCとの相性がいいので切削工具（アルミ切削）、自動車部品、成型金型（ガラスも含む）への安定した評価になっている。

　鉄系基板にアモルファスSiC＋DLCコーティングとDLCコーティングロックウエル密着評価は

　　写真②　SKH５１ハイス鋼のDLC密着状態

上　　アモルファスSiC＋DLCコーティング
下　　DLCコーティング