JPH11229122A

JPH11229122A - 成形用金型及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11229122A
Application number: JP3088298A
Authority: JP
Inventors: Natsue Momiyama; 奈津江籾山; Hiroaki Negishi; 広明根岸; ▲ひじの▼雅道; Masamichi Hijino
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1999-08-24

Abstract

(57)【要約】【課題】樹脂の成形に対して耐久性のある金型を製造
する。【解決手段】アンモニア或いは窒素雰囲気下で基材を
加熱しながら金型表面に窒素イオンを注入し、その後、
基材に対して金属を蒸着しながらイオンを注入すること
により、金型表面にセラミック膜を形成する。窒素イオ
ンの注入によって表面に高硬度の窒化膜ができるため、
セラミック膜の耐久性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、樹脂を成形するた
めに使用される成形用金型及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラスチック材料を成形する金型や機械
摩耗部品、切削工具等の表面硬度或いは耐摩耗性を向上
させるため、基材自体の硬さを増加させるか、基材表面
に硬質膜を成膜する処理が一般的になされている。

【０００３】前者の処理である基材自体の硬度を増加さ
せるためには、超硬質の炭化物などの硬い材料を用いる
か、焼き入れを行うなどの方法がある。ところが、これ
らの方法は、精密な加工が困難であったり、成形時の温
度変化によって亀裂などの欠陥を生じ易い。特に、焼き
入れでは、処理後の寸法変化が大きい問題も有してい
る。

【０００４】一方、後者の処理である硬質膜としては、
ＴｉＮやＴｉＣ等の硬質膜を真空蒸着やイオンプレーテ
ィング等のドライプロセスにより成膜している。しか
し、最近では金型等を使用する際の温度、圧力等の環境
が過酷化し、硬質膜の更なる高硬度化や高密着性が求め
られており、上述した方法によって形成される硬質膜で
は、硬度が不十分となっている。

【０００５】このような問題を解決するため、従来で
は、特公平７−１１６５８７号公報、特開平５−３１１
４３９号公報および特公平６−４９０９号公報に記載さ
れた方法がある。

【０００６】特公平７−１１６５８７号公報の方法は、
ホウ素、炭素、窒素または酸素の中から選ばれた１種の
イオンの注入と、チタンの真空蒸着とを金型の表面に対
して同時に行うことにより、基材と膜との間に界面がな
く密着性の高いＴｉＢ、ＴｉＣ、ＴｉＮまたはＴｉＯ₂
膜を形成させるものである。

【０００７】特開平５−３１１４３９号公報の方法は、
金型の表面に対し、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔ
ａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどの元素のイオン注入及びイオン
蒸着を同時にまたは交互に行うものである。特公平６−
４９０９号公報の方法は、スパッタリング、イオンプレ
ーティングなどによって、金型表面にＴｉＮ薄膜を形成
するものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たいずれの方法においても、膜と基材との界面の密着性
は改善されるが、基材が柔らかい無垢のままのため、過
酷な形成条件下では膜の硬度及び寿命が不十分となって
いる。特に、成形品の強度を向上させることを目的とし
て、ガラスやカーボンのフィラーが混合されている樹脂
などを成形材料として用いる際には摩耗が著しく、金型
の耐久性が充分となっていない。

【０００９】本発明は、このような従来の問題点を考慮
してなされたものであり、カーボンフィラーやガラスフ
ィラーが混合されている樹脂などを成形するのに対し、
摩耗が少なく、良好な耐久性が得られる成形用金型及び
その製造方法を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明の成形用金型は、アンモニア或いは
窒素雰囲気下で加熱しながら窒素イオンを注入した後、
金属を蒸着しながらイオン注入することにより形成され
たセラミック膜を表面に有していることを特徴とする。

【００１１】請求項２の発明の成形用金型の製造方法
は、アンモニア或いは窒素雰囲気下で基材を加熱しなが
ら窒素イオンを注入する工程と、上記基材に対して金属
を蒸着しながらイオンを注入することにより、表面にセ
ラミック膜を形成する工程と、を備えていることを特徴
とする。

【００１２】これらの発明では、窒素イオンの注入によ
って基材の表面が窒化され、この窒化によって基材表面
が硬化する。従って、その後に金型表面に形成されるセ
ラミック膜が高硬度の基材によって支持されるため、摩
耗が少なくなり、充分な耐久性を有したものとすること
ができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明では、アンモニア或いは窒
素雰囲気下で基材を加熱しながら窒素イオンを注入し、
その後、基材に対して金属を蒸着しながらイオンを注入
することによって金型表面にセラミック膜を形成するも
のである。

【００１４】イオン注入は、溶剤洗浄後の金型をアンモ
ニア或いは窒素雰囲気下で４００〜５００℃で加熱しな
がら、窒素イオンを数ｋｅＶ〜数１００ｋｅＶに加速し
て注入するものであり、これによりバルクと異なった特
定の性質を有する表面層を形成することができる。この
イオン注入によって、基材が窒化されるため、その硬度
を増大させることができる。また、イオン注入では、洗
浄で除去できない汚れや自然酸化層を除去するクリーニ
ングも行うことができる。かかる窒素イオンの注入は、
アンモニア雰囲気または窒素雰囲気で行うものであり、
これにより、酸素などの他の元素が混入しないため、純
度の良好なイオン注入を行うことができる。

【００１５】窒素イオンの注入エネルギーは、高温加熱
を併用するため、１０ｋｅＶ以下であっても効果はある
が、より深くまで窒化するためには１０ｋｅＶ〜１００
ｋｅＶの範囲であることが望ましい。１００ｋｅＶ以上
のエネルギーになると、窒素イオンが基材の内部に深く
入りすぎて最表面の高硬度化が不十分となるばかりでな
く、基材の表面温度の上昇が著しく、寸法変化を起こす
可能性があるため好ましくない。

【００１６】このイオン注入の後、金属を蒸着しながら
イオンを同時に注入することにより、セラミック膜のダ
イナミックミキシングを行う。ダイナミックミキシング
は、膜を構成するチタンなどの金属元素の蒸着と、膜を
構成する窒素などの元素の注入とを同時に行うことによ
り、ＴｉＮ膜などのセラミックからなる化合物膜を成膜
するものである。このダイナミックミキシングでは、イ
オン注入を行うため、通常の蒸着膜よりも密着性の良い
膜を形成することができる。

【００１７】膜の蒸着元素としては、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃ
ｒ、Ｚｎ、Ｔａ、Ｖ等の金属を使用することができ、注
入イオンとしては、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂ等を使用することが
できる。この場合のイオンの注入エネルギーは、任意に
設定でき、結晶性、硬度、密着性などのどのファクター
を優先させるかによって数ｋｅＶ〜３０ｋｅＶの間で調
節する。また、成膜時に反応性ガスを導入しても良く、
金型を加熱しても良い。

【００１８】かかるダイナミックミキシングによる成膜
は、基材表面の硬化を行うチャンバーと同一のチャンバ
ー内で行うものであり、従って、表面に対する硬化と成
膜とを同一のチャンバー内で連続して行うことができ
る。これに対し、通常の窒化処理では、後工程の成膜と
異なるチャンバーで窒化を行うため、チャンバー間で試
料を移し替える段階で大気中の酸素に接触して酸化層が
形成される。このため、上述したクリーニング効果が小
さくなる。本発明においては、表面の硬化と成膜とを同
一のチャンバーで行うことができるため、膜と基材との
界面に酸化層が形成することがなく、密着性の高い膜と
することができる。

【００１９】なお、本発明の金型基材の材質として
は、Ｆｅ、Ｃｒ等を主成分とするＳＵＳ系鋼材、Ｃｒ、
Ｚｎ、Ｎｉ、Ａｌ等の非鉄金属、その他の材質を用いる
ことが可能であるが、金型の精度・コスト等を考慮した
場合には、ＳＵＳ系鋼材が好ましい。

【００２０】

【実施例】図１は、通常の工程によって成形された金型
に対して処理を行う成膜装置１の内部を示す。この成膜
装置１は、排気口１５が形成されている真空チャンバー
２にイオン放出器３が取り付けられると共に、真空チャ
ンバー２内に蒸着器８及びホルダ１２が配置されること
により構成されている。

【００２１】イオン放出器３は、イオンの取込口４が後
端部に形成されたプラズマ室５を有している。このプラ
ズマ室５の先端はホルダ１２に臨むように開口されてお
り、この開口部分の前方には、開閉自在なシャッター６
が設けられている。

【００２２】蒸着器８は、真空チャンバー２の底面上に
載置されている。この蒸着器８の上面には、金属からな
る蒸着物質９が充填されている。また、蒸着器８は電子
ビーム銃１０を有しており、電子ビーム銃１０からの電
子ビームによって蒸着物質９を蒸発させるようになって
いる。

【００２３】ホルダ１２は金型１４を保持する。このホ
ルダ１２は、イオン放出器３からのイオンビーム７及び
蒸着器８から蒸発する蒸着ビーム１１に、金型１４が曝
されるように金型１４を保持する。また、ホルダ１２は
回転駆動系１３に取り付けられており、回転駆動系１３
の駆動によって回転する。かかるホルダ１２はヒーター
（図示省略）を内蔵しており、保持している金型１４を
加熱することができる。

【００２４】次に、この成膜装置１を用いた処理を実施
例につき説明する。

【００２５】（実施例１）真空チャンバー２内のホルダ
１２にＳＵＳ系鋼材からなる試料を取り付けて、約４５
０℃に加熱し、真空チャンバー２内にアンモニアガスを
導入しながらイオン放出器３から窒素イオンを１００ｋ
ｅＶで５×１０¹⁸ｉｏｎｓ／ｃｍ²で注入した。その
後、試料を冷却し、蒸着器８からチタンを蒸着すると同
時にイオン放出器３から窒素イオンを２０ｋｅＶで注入
し、これにより試料の表面にセラミック膜であるＴｉＮ
ミキシング膜を３μｍ成膜した。成膜後の窒素イオンの
注入量は１．３×１０¹⁸ｉｏｎｓ／ｃｍ²程度であっ
た。

【００２６】以上の処理によって成膜されたＴｉＮ膜
（Ａ）と、イオン注入による下地の前処理を行うことな
く成膜したＴｉＮミキシング膜（Ｂ）と、イオンプレー
ティング法によって成膜したＴｉＮ膜（Ｃ）とによっ
て、膜の密着性をスクラッチ試験により比較した。スタ
イラスの曲率半径は１０μｍ、荷重０〜５０ｇｆ、振幅
５０μｍの条件でスクラッチ試験を行った結果、イオン
プレーティング膜（Ｃ）は１３ｇｆで膜剥離が生じ、下
地処理を行うことなく成膜したＴｉＮ膜（Ｂ）は２７ｇ
ｆで膜剥離が生じたのに対し、本実施例に基づいて成膜
したＴｉＮ膜（Ａ）は最大荷重の５０ｇｆまで荷重を上
げても膜剥離が起きなかった。

【００２７】また、同じ試料を用いてビッカース硬度測
定を行った結果、イオンプレーティング膜（Ｃ）及び下
地処理を行わないＴｉＮ膜（Ｂ）はＨｖ１７００であっ
たのに対し、本実施例によるＴｉＮ膜（Ａ）はＨｖ２６
００であった。

【００２８】次に、同じＳＵＳ系鋼材からなる成形用金
型１４を３個用意し、それぞれに対して上述した本実施
例によるＴｉＮ膜（Ａ）、下地処理工程を省いたＴｉＮ
膜（Ｂ）、イオンプレーティングによるＴｉＮ膜（Ｃ）
を成膜した。そして、各金型１４について、カーボンフ
ィラーを２０％、ガラスフィラーを１０％含有したポリ
カーボネートを用いて、型温を１３０℃程度に設定して
成形実験を行った。その結果、イオンプレーティング膜
（Ｃ）は７０００ショット程度で金型が摩耗し、下地処
理を省いたＴｉＮ膜（Ｂ）は１３０００ショットで摩耗
した。一方、本実施例のＴｉＮ膜（Ａ）は２万ショット
まで摩耗せず、約２倍の耐久性となっていた。

【００２９】（実施例２）ホルダ１２にＳＵＳ系鋼材か
らなる試料を取り付けて、約４５０℃に加熱し、真空チ
ャンバー２内に窒素ガスを導入しながら、窒素イオンを
１００ｋｅＶで５×１０¹⁸ｉｏｎｓ／ｃｍ²で注入し
た。その後、試料を冷却し、チタンを蒸着しながら窒素
イオンを１０ｋｅＶで注入して表面にＴｉＮミキシング
膜を１μｍ成膜した。さらに、その後、窒素イオンを炭
素イオンに変更し、２０ｋｅＶでＴｉＣミキシング膜を
２μｍ成膜することにより、積層のセラミック膜を形成
した。この実施例において、ＴｉＮ膜を１μｍ成膜後の
窒素イオンの注入量は５×１０ ¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²程
度、ＴｉＣ膜を２μｍ成膜後の炭素イオンの注入量は約
９×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²であった。

【００３０】上述したＴｉＣ／ＴｉＮ膜（Ａ）と、イオ
ン注入する下地の前処理のないＴｉＣ／ＴｉＮミキシン
グ膜（Ｂ）と、イオンプレーティング法によって成膜し
たＴｉＣ／ＴｉＮ膜（Ｃ）とによって、膜の密着性をス
クラッチ試験により比較した。測定条件は実施例１と同
様とした。その結果、イオンプレーティング膜（Ｃ）は
１５ｇｆで膜剥離が生じ、下地処理を行うことなく成膜
したＴｉＮ膜（Ｂ）は３０ｇｆで膜剥離が起きたのに対
し、本実例に基づいて成膜したＴｉＮ膜（Ａ）は最大荷
重の５０ｇｆまで荷重を上げても膜剥離が起きなかっ
た。

【００３１】また、同じ試料を用いてビッカース硬度測
定を行った結果、イオンプレーティング膜（Ｃ）及び下
地処理のないＴｉＮ膜（Ｂ）はＨｖ１９００であったの
に対し、本実施例によるＴｉＮ膜（Ａ）はＨｖ２９００
であった。

【００３２】次に、同じＳＵＳ系鋼材からなる成形用金
型１４を３個用意し、それぞれに対して本実施例による
ＴｉＣ／ＴｉＮ膜（Ａ）、下地処理工程を省いたＴｉＣ
／ＴｉＮ膜（Ｂ）、イオンプレーティングによるＴｉＣ
／ＴｉＮ膜（Ｃ）を成膜した。そして、各金型１４につ
いて、カーボンフィラーを３０％含有したポリカーボネ
ートを用いて、型温を１３０℃程度に設定して成形実験
を行った。その結果、イオンプレーティング膜（Ｃ）は
１００００ショット程度で型が摩耗し、下地処理を省い
たＴｉＮ膜（Ｂ）は約１５０００ショットで摩耗した。
これに対し、本実施例のＴｉＣ／ＴｉＮ膜（Ａ）は２３
０００ショットで型が摩耗し、これにより耐久性が向上
していることが確認できた。

【００３３】（実施の形態３）ホルダー１２にＳＵＳ系
鋼材からなる試料を取り付けて、約４５０℃に加熱し、
真空チャンバー２内にアンモニアガスを導入しながら窒
素イオンを１００ｋｅＶで５×１０¹⁸ｉｏｎｓ／ｃｍ²
で注入した。そして試料を冷却した後、まず窒素イオン
を２０ｋｅＶで１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²注入し、次
に窒素イオンのエネルギーを５ｋｅＶに下げて注入しな
がらチタンを蒸着して表面にＴｉＮミキシング膜を３μ
ｍ成膜した。その際試料を約３００℃に加熱した。Ｔｉ
Ｎ成膜後の窒素イオンの注入量は１．２×１０¹⁸ｉｏｎ
ｓ／ｃｍ²程度であった。

【００３４】上述したＴｉＮ膜（Ａ）と、イオン注入に
よる下地の前処理及び加熱を施していないＴｉＮミキシ
ング膜（Ｂ）と、イオンプレーティング法によって成膜
したＴｉＮ膜（Ｃ）とによって膜の密着性をスクラッチ
試験により比較した。測定条件は実施例１と同様とし
た。その結果、イオンプレーティング膜（Ｃ）は１３ｇ
ｆで膜剥離が生じ、下地処理及び加熱を施すことのない
ＴｉＮ膜（Ｂ）は２５ｇｆで膜剥離が起きたのに対し、
本実施例に基づいて成膜したＴｉＮ膜は最大荷重の５０
ｇｆまで荷重を上げても膜剥離が起きなかった。

【００３５】また、同じ試料を用いてビッカース硬度測
定を行った結果、イオンプレーティング膜（Ｃ）及び下
地処理のないＴｉＮ膜（Ｂ）はＨｖ１７００であったの
に対し、本実施例によるＴｉＮ膜（Ａ）はＨｖ２４００
であった。

【００３６】次に、同じＳＵＳ系鋼材からなる成形用金
型１４を３個用意し、それぞれに対して本実施例による
ＴｉＮ膜（Ａ）、下地処理及び加熱処理を省いたＴｉＮ
ミキシング膜（Ｂ）、イオンプレーティングによるＴｉ
Ｎ膜（Ｃ）を成膜した。各金型１４について、カーボン
フィラーを２０％、ガラスフィラーを１０％含有したポ
リカーボネートを用いて、型温を１３０℃程度に設定し
て成形実験を行った。その結果、イオンプレーティング
膜（Ｃ）は７０００ショット程度で型が摩耗し、下地処
理及び加熱処理を省いたＴｉＮミキシング膜（Ｂ）は約
１３０００ショットで摩耗した。一方、本実施例のＴｉ
Ｎ膜（Ａ）は１９０００ショットで型が摩耗し、これに
より耐久性が向上していることが確認できた。

【００３７】以上の説明から、本発明は以下の発明を包
含するものである。（１）基材に窒化処理した後に、ダイナミックミキシ
ング処理を施すことにより形成されたことを特徴とする
型。

【００３８】窒化処理によって、基材表面の硬度を大き
くすることができ、ダイナミックミキシング膜の耐久性
が向上する。

【００３９】（２）窒素原子含有ガス雰囲気下で基材
を加熱しながら窒素イオンを注入し、その後、基材の表
面に金属を蒸着しながらイオン注入することにより、基
材の表面に硬質膜を形成したことを特徴とする型。

【００４０】窒素イオンの注入によって、基材の表面の
硬度が大きくなるため、基材表面に硬質膜を形成するこ
とができる。

【００４１】（３）アンモニア或いは窒素雰囲気下で
加熱しながら窒素イオンを注入した後、金属を蒸着しな
がらイオン注入することにより、表面にセラミック膜を
形成することを特徴とする型の製造方法。

【００４２】この方法では、窒素イオンの注入によって
硬化した基材の表面にセラミック膜を形成できるため、
金型の寿命が増大する。

【００４３】（４）上記（１）〜（３）項記載の型は
樹脂成型用金型であることを特徴とする型。

【００４４】従って、樹脂の成形を行う型に耐久性を付
与することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、窒素イオンの注入によって基材の表面が硬化し
ており、この硬化後にセラミック膜を形成するため、耐
久性の高い金型とすることができる。

【００４６】請求項２の発明によれば、基材に窒素イオ
ンを注入することにより、基材の表面を硬化することが
でき、その後に、金属を蒸着しながらイオンを注入する
ため、耐久性のあるセラミック膜を形成することができ
る。また、全ての工程を同一のチャンバー内で行うこと
ができるため、酸化層が形成されることがなく、より密
着性の良い膜の形成が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に適用される成膜装置の内部を示す断面
図である。

【符号の説明】

１成膜装置２真空チャンバー３イオン放出器８蒸着器１２ホルダ１４金型

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アンモニア或いは窒素雰囲気下で加熱し
ながら窒素イオンを注入した後、金属を蒸着しながらイ
オン注入することにより形成されたセラミック膜を表面
に有していることを特徴とする成形用金型。
【請求項２】アンモニア或いは窒素雰囲気下で基材を
加熱しながら窒素イオンを注入する工程と、上記基材に対して金属を蒸着しながらイオンを注入する
ことにより、表面にセラミック膜を形成する工程と、を備えていることを特徴とする成形用金型の製造方法。