專利名稱：具有耐磨層的模仁及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于模壓光學(xué)玻璃的模仁，尤其涉及一種具有耐磨層的模仁及其制備方法。
背景技術(shù)：
模仁廣泛應(yīng)用于模壓成型制程，特別是制造光學(xué)玻璃產(chǎn)品，如非球面玻璃透鏡、球透鏡、棱鏡等，采用直接模壓成型(Direct Press-molding)技術(shù)可直接生產(chǎn)光學(xué)玻璃產(chǎn)品，無需打磨、拋光等后續(xù)加工步驟，可大大提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)量，且產(chǎn)品質(zhì)量好。但直接模壓成型法對于模仁的化學(xué)穩(wěn)定性、抗熱沖擊性能、機(jī)械強(qiáng)度、表面光滑度等要求非常高。故，模壓成型技術(shù)的發(fā)展實際上主要取決于模仁材料及模仁制造技術(shù)的進(jìn)步。對于模壓成型的模仁一般有以下要求a.在高溫時，具有很好的剛性、耐機(jī)械沖擊強(qiáng)度及足夠的硬度；b.在反復(fù)及快速加熱冷卻的熱沖擊下模仁不產(chǎn)生裂紋及變形；c.在高溫時模仁表面與光學(xué)玻璃不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不粘附玻璃；d.不發(fā)生高溫氧化；e.加工性能好，易加工成高精度及高表面光潔度的型面；f.成本低。
傳統(tǒng)模仁大多采用不銹鋼或耐熱合金作為模仁材料，這種模仁容易發(fā)生高溫氧化，在反復(fù)熱沖擊作用下，會發(fā)生晶粒長大，從而模仁表面變粗糙，粘結(jié)玻璃。
為解決上述問題，非金屬及超硬合金被用于模仁。據(jù)報導(dǎo)，碳化硅(SiC)，氮化硅(Si3N4)，碳化鈦(TiC)，碳化鎢(WC)及碳化鎢-鈷合金(WC-Co)已經(jīng)被用于制造模仁。但是，上述各種碳化物陶瓷硬度非常高，很難加工成所需要的外形，特別是高精度非球面形。而超硬合金除難以加工之外，使用一段時間之后還可能發(fā)生高溫氧化。
故，以碳化物或超硬合金為模仁基底，其表面形成有其它材料鍍層或覆層的復(fù)合結(jié)構(gòu)模仁成為新的發(fā)展方向，典型的復(fù)合結(jié)構(gòu)模仁如美國專利第4,685,948號及第5,202,156號。
美國專利第4,685,948號揭示一種用于直接模壓成型光學(xué)玻璃產(chǎn)品的復(fù)合結(jié)構(gòu)模仁。其采用高強(qiáng)度的超硬合金(Super-hard Alloy)、碳化物陶瓷或金屬陶瓷(Cermet)作為模仁基底，并在模仁的模壓面形成有銥(Ir)薄膜層，或Ir與鉑(Pt)、錸(Re)、鋨(Os)、銠(Rh)或釕(Ru)的合金薄膜層，或Ru薄膜層，或Ru與Pt、Re、Os、Rh的合金薄膜層。
美國專利第5,202,156號揭示一種制備用于光學(xué)玻璃產(chǎn)品的復(fù)合結(jié)構(gòu)模仁的方法。其采用高強(qiáng)度的超硬合金、碳化物陶瓷或金屬陶瓷作為模仁基底，并在模仁的模壓面形成一層類金剛石膜(DLC，Diamond Like Carbon)。衛(wèi)中山、左敦穩(wěn)在《航空精密制造技術(shù)》Vol.40，No.1，20-23(Feb.2004)，“類金剛石膜的制備及應(yīng)用”一文中介紹了類金剛石膜的制備方法及應(yīng)用。
然而，上述復(fù)合結(jié)構(gòu)模仁的膜層耐磨(Wear Resistance)性能仍不理想，使用時間較長后，容易被磨掉或出現(xiàn)開裂(Crack)、剝離(Chip Off)、微裂紋(Microcrack)等情形，從而影響模仁的精度及模壓成型玻璃產(chǎn)品的質(zhì)量，使用壽命不長。
有鑒于此，提供一種耐磨性能佳，使用壽命較長的模仁實為必要。

發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)中模仁耐磨性能不佳，使用壽命不長的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種耐磨性能佳，使用壽命較長的模仁及其制備方法。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種具有耐磨層的模仁，其包括模仁基體，其具有一與欲模壓產(chǎn)品相對應(yīng)的模壓面；及一覆蓋于該模壓面的耐磨層；其中該耐磨層厚度為20納米至200納米范圍內(nèi)。
所述模仁基體是由陶瓷、金屬陶瓷或超硬合金材料制造，包括SiC、Si、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co。
所述耐磨層材料包括碳化硅(SiC)、碳化鎢(WC)、氮化硅(Si3N4)、氮化鈦(TiN)、硼碳氮(BCN)、鉑(Pt)、銥(Ir)、鋨(Os)、錸(Re)、銠(Rh)、鈀(Pd)。
優(yōu)選的，所述耐磨層厚度為50納米至100納米范圍內(nèi)。
為實現(xiàn)本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明提供一種具有耐磨層的模仁的制備方法，其包括提供一模仁基體，其具有一與欲模壓產(chǎn)品相對應(yīng)的模壓面；
通過濺射法或化學(xué)氣相沉積法(CVD，Chemical Vapor Deposition)在所述模壓面上沉積一層厚度為20納米至200納米范圍內(nèi)的耐磨層。
所述模仁基體是由陶瓷、金屬陶瓷或超硬合金材料制造，包括SiC、Si、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co。
所述濺射法包括偏壓反應(yīng)濺射(Bias Reactive Sputtering)、射頻濺射(RFSputtering，Radio Frequency Sputtering)及共濺射(Co-sputtering)。
所述耐磨層材料包括碳化硅(SiC)、碳化鎢(WC)、氮化硅(Si3N4)、氮化鈦(TiN)、硼碳氮(BCN)、鉑(Pt)、銥(Ir)、鋨(Os)、錸(Re)、銠(Rh)、鈀(Pd)。
優(yōu)選的，所述耐磨層厚度為50納米至100納米范圍內(nèi)。
本發(fā)明還可以進(jìn)一步對所述耐磨層進(jìn)行快速熱退火(RTA，Rapid ThermalAnnealing)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在高硬度的模仁基體模壓表面形成納米級耐磨層，利用納米級耐磨層耐磨性能良好的特點(diǎn)，使得本發(fā)明的模仁在模壓時，很難被磨掉或出現(xiàn)開裂(Crack)、剝離(Chip Off)、微裂紋(Microcrack)等情形，可增加重復(fù)壓模次數(shù)，從而大幅延長模仁使用壽命。

圖1是本發(fā)明用于模壓非球面光學(xué)玻璃產(chǎn)品的模仁的示意圖；圖2是本發(fā)明通過偏壓反應(yīng)濺射形成耐磨層的示意圖；圖3是本發(fā)明通過射頻濺射形成耐磨層的示意圖；圖4是圖3中匹配網(wǎng)絡(luò)的放大示意圖；圖5是本發(fā)明通過共濺射形成耐磨層的示意圖。
具體實施方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請參閱圖1，本發(fā)明提供一種用于模壓非球面光學(xué)玻璃產(chǎn)品的模仁10，其包括一模仁基體101及形成在模仁基體101模壓面102的耐磨層103。所述耐磨層103厚度為20納米至200納米范圍內(nèi)。
所述模仁基體101可藉由以下陶瓷金屬陶瓷或超硬合金為主要材料經(jīng)燒結(jié)制造而得SiC、Si、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co。
所述耐磨層材料103包括SiC、WC、Si3N4、TiN、BCN、Pt、Ir、Os、Re、Rh、及Pd。
優(yōu)選的，所述耐磨層厚度為50納米至100納米范圍內(nèi)。
所述模仁基體101的模壓表面102需與待模壓的非球面光學(xué)玻璃產(chǎn)品的形狀相對應(yīng)，即非球面形。
當(dāng)然，本發(fā)明不僅可用于模壓非球面光學(xué)玻璃產(chǎn)品的模仁，也可應(yīng)用于其它不同形狀、不同用途的模壓產(chǎn)品的模仁。
本發(fā)明還提供在所述模仁基體上通過濺射法或化學(xué)氣相沉積法沉積耐磨層的方法。
請參閱圖2，第一種方法是通過偏壓反應(yīng)濺射在模仁基體101上沉積耐磨層103。
一真空系統(tǒng)(Vacuum System)100先通過機(jī)械泵150形成低真空，然后開啟高真空閥160，并通過渦輪泵140使底壓(Base Pressure)小于5×10-7托(Torr)。將置于所述真空系統(tǒng)100內(nèi)部的模仁基體101與壓射頻電源120通過匹配網(wǎng)絡(luò)(Matching Network)110相連；一靶材106通過陰極107與直流電源130相連，使模仁基體101與靶材106之間形成電場。
通過第一流量控制器(MFC，Mass Flow Rate Controller)170、第二流量控制器180控制氬氣(Ar)和氮?dú)?N2)的流量；在模仁基體101與靶材106之間形成電漿區(qū)(Plasma)105，電離產(chǎn)生的正離子及電子高速轟擊靶材106，使靶材106上的原子或分子濺射出來，在模仁基體101上沉積一層厚度為20納米至200納米范圍內(nèi)的耐磨層103。
所述模仁基體101可藉由以下陶瓷金屬陶瓷或超硬合金為主要材料經(jīng)燒結(jié)制造而得SiC、Si、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co。
所述耐磨層103包括Si3N4、TiN、BCN、Pt、Ir、Os、Re、Rh、及Pd層。
優(yōu)選的，所述耐磨層厚度為50納米至100納米范圍內(nèi)。
所述偏壓濺射中模仁基體101的偏壓范圍為-40V～-100V，以使所述耐磨層103具有壓應(yīng)力(Compressive Stress)，使其有較好的粘著及機(jī)械性能。模仁基體101未與偏壓連接將導(dǎo)致所述耐磨層103具有拉應(yīng)力(Tensile Stress)，使得所述耐磨層103粘著性差且容易出現(xiàn)開裂或微裂紋。
本發(fā)明還可以進(jìn)一步對所述耐磨層103進(jìn)行快速熱退火，退火溫度的范圍為250～500℃，且應(yīng)高于沉積溫度。從而降低所述耐磨層103殘余應(yīng)力(ResidualStress)，以及減小晶粒大小(Grain Size)，降低表面粗糙度(Surface Roughness)。
本發(fā)明提供的第二種方法也是通過偏壓反應(yīng)濺射在模仁基體上沉積耐磨層，其中，除與模仁基體負(fù)偏壓連接的電源外，各條件均與第一種方法相同。
本方法中，所述模仁基體直接與直流電源負(fù)偏壓連接。
請參閱圖3及圖4，本發(fā)明的第三種方法是通過射頻濺射在模仁基體201上沉積耐磨層。
一真空系統(tǒng)200，其主要包括一模仁基體201以及一通過陰極207及匹配網(wǎng)絡(luò)210與射頻電源220相連的靶材206。
通過第一流量控制器270、第二流量控制器280控制濺射氣體流量；在模仁基體201與靶材206之間形成電漿區(qū)205，電離產(chǎn)生的正離子及電子高速轟擊靶材206，使靶材206上的原子或分子濺射出來，在模仁基體201上沉積一層厚度為20納米至200納米范圍內(nèi)的耐磨層。
所述模仁基體201可藉由以下陶瓷金屬陶瓷或超硬合金為主要材料經(jīng)燒結(jié)制造而得SiC、Si、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co。
所述耐磨層包括SiC及WC層。
優(yōu)選的，所述耐磨層厚度為50納米至100納米范圍內(nèi)。
圖4中將真空系統(tǒng)200以負(fù)載(Load)形式表示；匹配網(wǎng)絡(luò)210中包括電容211及感應(yīng)器212，使得射頻電源220的正向輸出功率(Forward Power)可被調(diào)制并最大化，以使反向輸出功率(Reflecting Power)最小化。
本發(fā)明還可以進(jìn)一步對所述耐磨層進(jìn)行快速熱退火，退火溫度的范圍為250～500℃，且應(yīng)高于沉積溫度。從而降低所述耐磨層殘余應(yīng)力，以及減小晶粒大小，降低表面粗糙度。
請參閱圖5，本發(fā)明的第四種方法是通過共濺射在模仁基體301上沉積耐磨層。
一真空系統(tǒng)300，其主要包括一模仁基體301、一靶材306以及一靶材308。通過機(jī)械泵350及渦輪泵340形成高真空；并將所述模仁基體301通過匹配網(wǎng)絡(luò)310與射頻電源320相連，所述靶材306通過陰極307與射頻電源321相連，所述靶材308通過陰極309與直流電源330相連，使模仁基體301與靶材306及308之間形成電場。
通過第一流量控制器370、第二流量控制器380控制氬氣(Ar)和氮?dú)?N2)的流量；在模仁基體301與靶材306及308之間形成電漿區(qū)305，并使模仁基體301以15至100rpm(Rotation Per Minute，轉(zhuǎn)/分)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電離產(chǎn)生的正離子及電子高速轟擊靶材306及308，使靶材306及308上的原子或分子分別濺射出來，在模仁基體301上沉積一層厚度為20納米至200納米范圍內(nèi)的耐磨混合膜層。
所述模仁基體301可藉由以下陶瓷金屬陶瓷或超硬合金為主要材料經(jīng)燒結(jié)制造而得SiC、Si、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co。
所述耐磨層包括TiN及Si3N4的混合膜層或以Pt、Ir、Os、Re、Rh、及Pd中任意兩種材料形成的混合膜層。
優(yōu)選的，所述耐磨層厚度為50納米至100納米范圍內(nèi)。
本發(fā)明還可以進(jìn)一步對所述耐磨層進(jìn)行快速熱退火，退火溫度的范圍為250～500℃，且應(yīng)高于沉積溫度。從而降低所述耐磨層殘余應(yīng)力，以及減小晶粒大小，降低表面粗糙度。
除上述方法外，本發(fā)明還可通過CVD法在模仁基體上沉積厚度為20納米至200納米范圍內(nèi)的TiN或Si3N4耐磨層。其反應(yīng)式如下
所述模仁基體可藉由以下陶瓷、金屬陶瓷或超硬合金為主要材料經(jīng)燒結(jié)制造而得SiC、Si、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co。
優(yōu)選的，所述耐磨層厚度為50納米至100納米范圍內(nèi)。
本發(fā)明還可以進(jìn)一步對所述耐磨層進(jìn)行快速熱退火，退火溫度的范圍為250～500℃，且應(yīng)高于沉積溫度。從而降低所述耐磨層殘余應(yīng)力，以及減小晶粒大小，降低表面粗糙度。
本發(fā)明的模仁，其模仁基體具有高硬度，高機(jī)械強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，可承受高溫模壓時產(chǎn)生的壓力及應(yīng)力。模仁基體的模壓面被納米級耐磨層覆蓋，所述耐磨層是由高斷裂韌性(Fracture Toughness)的材料形成，這些材料斷裂韌性值KIC的范圍為2～16Mpa.m05，最大壓模溫度可達(dá)600℃以上，最高可承受溫度為1200～1400℃，壓模最大成型壓力的范圍為10KN～30KN。所述耐磨層經(jīng)快速熱退火后，可進(jìn)一步降低殘余應(yīng)力，減小晶粒以及降低表面粗糙度，既可增強(qiáng)模仁表面的機(jī)械強(qiáng)度，也使模壓面的精度提高。利用納米級耐磨層耐磨性能良好的特點(diǎn)，使得本發(fā)明的模仁在模壓時，很難被磨掉或出現(xiàn)開裂(Crack)、剝離(Chip Off)、微裂紋(Microcrack)等情形，重復(fù)壓模10,000至1,000,000次，仍能保持模壓面的高精度，避免影響光學(xué)玻璃質(zhì)量，從而大幅延長模仁的使用壽命。綜上所述，本發(fā)明的具有耐磨層的模仁具有高機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性能優(yōu)良的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種具有耐磨層的模仁，其包括一模仁基體，其具有一模壓面；及一覆蓋于所述模仁基體模壓面的耐磨層；其特征在于，所述耐磨層厚度為20納米至200納米范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的具有耐磨層的模仁，其特征在于，所述模仁基體是由SiC、Si、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co制成。
3.如權(quán)利要求2所述的具有耐磨層的模仁，其特征在于，所述耐磨層材料包括碳化硅、碳化鎢、氮化硅、氮化鈦、硼碳氮、鉑、銥、鋨、錸、銠、鈀。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的具有耐磨層的模仁，其特征在于，所述耐磨層厚度為50納米至100納米范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的具有耐磨層的模仁，其特征在于，所述模仁之模壓面為非球面。
6.一種具有耐磨層的模仁的制備方法，其包括提供一模仁基體，其具有一模壓面；通過濺射法或化學(xué)氣相沉積法在所述模壓面上沉積一層耐磨層；其特征在于，所述耐磨層厚度為20納米至200納米范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的具有耐磨層的模仁的制備方法，其特征在于，所述模仁基體是由SiC、Si、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co制成。
8.如權(quán)利要求7所述的具有耐磨層的模仁的制備方法，其特征在于，所述濺射法包括偏壓反應(yīng)濺射、射頻濺射及共濺射。
9.如權(quán)利要求8所述的具有耐磨層的模仁的制備方法，其特征在于，所述濺射法為偏壓反應(yīng)濺射時，所述模仁基體之偏壓范圍為-40V～-100V。
10.如權(quán)利要求9所述的具有耐磨層的模仁的制備方法，其特征在于，所述耐磨層包括氮化硅層、氮化鈦層、硼碳氮層、鉑層、銥層、鋨層、錸層、銠層及鈀層。
11.如權(quán)利要求8所述的具有耐磨層的模仁的制備方法，其特征在于，所述濺射法為射頻濺射時，所述耐磨層包括碳化硅層及碳化鎢層。
12.如權(quán)利要求8所述的具有耐磨層的模仁的制備方法，其特征在于，所述濺射法為共濺射時，所述耐磨層包括氮化鈦及氮化硅之混合層或以Pt、Ir、Os、Re、Rh、及Pd中任意兩種材料形成之混合層。
13.如權(quán)利要求7所述的具有耐磨層的模仁的制備方法，其特征在于，所述化學(xué)氣相沉積法沉積時，所述耐磨層包括氮化鈦層及氮化硅層。
14.如權(quán)利要求6至13中任意一項所述的具有耐磨層的模仁的制備方法，其特征在于，所述耐磨層厚度為50納米至100納米范圍內(nèi)。
15.如權(quán)利要求6至13中任意一項所述的具有耐磨層的模仁的制備方法，其特征在于，還包括在所述耐磨層沉積后，快速熱退火處理該耐磨層。
16.如權(quán)利要求15所述的具有耐磨層的模仁的制備方法，其特征在于，所述快速熱退火處理之退火溫度的范圍為250℃至500℃，且高于沉積溫度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于模壓玻璃產(chǎn)品的具有耐磨層的模仁，其包括一具有模壓面的模仁基體；及一覆蓋于該模壓面的耐磨層；其中該耐磨層厚度為20納米至200納米范圍內(nèi)。該耐磨層可有效提高所述模仁的耐磨性能。本發(fā)明還提供上述具有耐磨層的模仁的制備方法。
文檔編號C03B11/06GK1769226SQ20041005215
公開日2006年5月10日 申請日期2004年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月6日
發(fā)明者陳杰良 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司