專利名稱：模具和其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模具，特別涉及一種具有保護(hù)層的模具和其制備方法。
背景技術(shù)：
模具廣泛應(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)效率和產(chǎn)量，且產(chǎn)品質(zhì)量好。但直接模壓成型法對(duì)于模具的化學(xué)穩(wěn)定性、抗熱沖擊性能、機(jī)械強(qiáng)度、表面光滑度等要求較高。因此，模壓成型技術(shù)的發(fā)展實(shí)際上主要取決于模具材料和模具制造技術(shù)的進(jìn)步。對(duì)于模壓成型的模具一般有以下要求(1)在高溫時(shí)，具有良好的剛性、耐機(jī)械沖擊強(qiáng)度和硬度；(2)在反復(fù)和快速加熱冷卻的熱沖擊下模具不產(chǎn)生裂紋和變形；(3)在高溫時(shí)模具成型表面與光學(xué)玻璃不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不粘附玻璃；(4)不發(fā)生高溫氧化；(5)加工性能好，易加工成高精度和高表面光潔度的型面；(6)成本低。
傳統(tǒng)模具大多采用不銹鋼或耐熱合金作為模具材料，這種模具容易發(fā)生高溫氧化，在反復(fù)熱沖擊作用下，會(huì)發(fā)生晶粒長大，從而模具表面變粗糙，黏結(jié)玻璃。
為解決上述問題，非金屬和超硬合金被用于模具。據(jù)報(bào)導(dǎo)，碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化鈦(TiC)、碳化鎢(WC)和碳化鎢-鈷合金已經(jīng)被用于制造模具。然而，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外，使用一段時(shí)間的后還可能發(fā)生高溫氧化。
因此，以碳化物或超硬合金為模具基底，其表面形成有其它材料鍍層或覆層的復(fù)合結(jié)構(gòu)模具成為新的發(fā)展方向。典型復(fù)合結(jié)構(gòu)模具如美國專利第4,685,948號(hào)和第5,202,156號(hào)。
美國專利第4,685,948號(hào)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)模具。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具基底，并在模具的模壓面形成有銥(Ir)保護(hù)層，或銥(Ir)與鉑(Pt)、錸(Re)、鋨(Os)、銠(Rh)或釕(Ru)的合金保護(hù)層，或釕(Ru)保護(hù)層，或釕(Ru)與鉑(Pt)、錸(Re)、鋨(Os)、銠(Rh)的合金保護(hù)層。
美國專利第5,202,156號(hào)揭示一種制備用于光學(xué)玻璃產(chǎn)品的復(fù)合結(jié)構(gòu)模具的方法。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具基底，并在模具的模壓面形成一層類金剛石膜(DLC，Diamond Like Carbon)保護(hù)層。
上述復(fù)合結(jié)構(gòu)模具的保護(hù)層雖然能起到防止模具基底與被成形體間發(fā)生粘著現(xiàn)象，以及防止成形時(shí)周圍氣體中的氧氣作用而使模具基體的性能惡化的作用。但是，制作該保護(hù)層時(shí)需先針對(duì)模具基體進(jìn)行研磨而后再鍍上保護(hù)層，如果要使脫膜容易，則與欲模壓產(chǎn)品接觸的表面需具有適當(dāng)?shù)谋砻娲植诙?約0.2～1.2μm)。因?yàn)榇植诙忍蛣t不易脫膜，粗糙度太高則會(huì)影響成形體設(shè)計(jì)的形狀。為了使保護(hù)層達(dá)到此粗糙度范圍，因此模具基體表面也需研磨至此粗糙度范圍，然而，此等級(jí)的粗糙度需使用號(hào)數(shù)較大的研磨工具，其結(jié)果會(huì)使模具基底表層產(chǎn)生一加工變質(zhì)層，而使此模具強(qiáng)度與耐久性都大幅下降。
如圖1所示，2002年7月3日公開的第01139835.3號(hào)中國大陸申請(qǐng)揭露一種模具10，該模具的基體11的成形表面形成一厚度為2～5μm的中間層12，該中間層12為白金-銥合金層；在該中間層12表面覆蓋一白金膜13，該白金膜13與成形體接觸的表面粗糙度比模具基體11的表面粗糙度要大。且該白金膜13的表面粗糙度為0.2～1.2μm。但是，該模具使用的白金膜和白金-銥合金成本過高。
有鑒于此，提供一種能降低成本，且具有良好脫膜性和使用壽命長的模具和其制備方法實(shí)為必要。

發(fā)明內(nèi)容以下，將以若干實(shí)施例說明一種能降低成本，且具有良好脫膜性和使用壽命長的模具。
以及通過這些實(shí)施例說明一種能降低成本，且具有良好脫膜性和使用壽命長的模具的制備方法。
為實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容，提供一種模具，其包括模具基體，其具有一與欲模壓產(chǎn)品相對(duì)應(yīng)的模壓面；一形成于該模壓面的粘附層；一形成于該粘附層的擴(kuò)散阻隔層；和一形成于該擴(kuò)散阻隔層的類金剛石層，該類金剛石層的最表層的表面粗糙度比模具基體表面粗糙度要大。
其中，該類金剛石層的最表層的表面粗糙度為0.2～1.2μm。
以及，提供一種模具的制備方法，其步驟包括提供一模具基體，研磨該模具基體的模壓面；清洗研磨后的模具基體；形成一粘附層于該模具基體的模壓面；形成一擴(kuò)散阻隔層于該粘附層表面；形成一類金剛石層于擴(kuò)散阻隔層表面；使該類金剛石層的最表層的表面粗糙度比模具基體表面粗糙度要大。
和現(xiàn)有技術(shù)相比較，本技術(shù)方案的模具采用多層中間層和類金剛石層結(jié)構(gòu)取代貴金屬膜結(jié)構(gòu)，起到降低成本的作用。另外，該模具由于類金剛石最表層的表面粗糙度大于該模具基體表面粗糙度，使類金剛石的最表層的表面粗糙度保持在最適合脫膜的范圍內(nèi)(0.2～1.2μm)；而且該模具基體表面的表面粗糙度小于0.05μm，加工時(shí)不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的加工變質(zhì)層，而使此模具具有較長的使用壽命。所以，本技術(shù)方案的模具具有良好脫膜性、使用壽命長、降低成本的優(yōu)點(diǎn)。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)第01139835.3號(hào)中國專利申請(qǐng)的模具截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本技術(shù)方案的模具截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本技術(shù)方案的模具的制備方法步驟示意圖。
圖4是本技術(shù)方案采用的濺射設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請(qǐng)參閱圖2，本發(fā)明第一實(shí)施例的模具20，包括模具基體21，其具有一與欲模壓產(chǎn)品相對(duì)應(yīng)的模壓面；一形成于該模壓面的粘附層22；一形成于該粘附層22的擴(kuò)散阻隔層23；和一形成于該擴(kuò)散阻隔層23的類金剛石層24，該類金剛石層24的最表層的表面粗糙度比模具基體21表面粗糙度要大。本實(shí)施例中模具基體21為碳化鎢制成，粘附層22為鈦金屬層，擴(kuò)散阻隔層23為氮化鈦層。
本實(shí)施例的模具基體的模壓面表面粗糙度為0.05μm以下，該粗糙度的模壓面很少形成較大的加工變質(zhì)層，且能與鈦粘附層致密結(jié)合，所以能延長模具的使用壽命。類金剛石層24具有較高的硬度值和較低的摩擦系數(shù)，能滿足模具對(duì)材料的要求。而該類金剛石層24的最表層的表面粗糙度為0.2～1.2μm左右。最表層具有該粗糙度范圍的模具具有較佳性能，若該粗糙度小于0.2μm，則欲模壓產(chǎn)品不易脫膜，若該粗糙度大于1.2μm，則容易影響欲模壓產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀。
本實(shí)施例的粘附層22的厚度范圍為0.05～0.1μm；該擴(kuò)散阻隔層23的厚度范圍為0.05～0.1μm；該類金剛石層的厚度范圍為0.5～3μm。該粘附層22主要用于增加擴(kuò)散阻隔層23、類金剛石層24與模具基體21之間的附著性。該擴(kuò)散阻隔層23用于防止活性原子與后續(xù)濺鍍的類金剛石層24產(chǎn)生反應(yīng)，而影響類金剛石層24性能。
請(qǐng)一并參閱圖3和圖4，本發(fā)明第二實(shí)施例提供該模具20的制備方法，其包括以下步驟步驟100，提供一模具基體21，研磨該模具基體21的模壓面?？刹捎幂^小號(hào)數(shù)的研磨工具將該模壓面研磨至0.05μm以下的表面粗糙度。
步驟200，清洗研磨后的模具基體21。首先需對(duì)研磨后的模具基體21做基本清洗放入丙酮溶液中以超音波震蕩清洗20分鐘，再放入乙醇溶液中以超音波震蕩清洗10分鐘；然后，采用氮?dú)鈽寚姼稍撃＞呋w21；接著將該模具基體21放進(jìn)磁控濺鍍機(jī)40的真空腔體41中進(jìn)行濺射清洗。
如圖4所示，將模具基體21置于該真空腔體41內(nèi)部并通過匹配網(wǎng)絡(luò)45與壓射頻電源46相連；該真空腔體41先通過機(jī)械泵42形成低真空，然后開啟高真空閥43，并通過渦輪泵44使真空腔體41的底壓小于10-5Torr。通過第一流量控制器47、第二流量控制器48分別通入氬氣和氮?dú)?，使真空腔體41壓力達(dá)到2～7×10-3Torr；將陰極49與直流電源51相連，使模具基體21與陰極49之間形成電場(chǎng)；于模具基體21與陰極49之間形成等離子區(qū)52，電離產(chǎn)生的正離子和電子高速轟擊模具基體21的模壓面而達(dá)到清洗模具基體21的目的。該濺射清洗步驟中該模具基體21的偏壓為300V，濺射清洗時(shí)間需保持10分鐘以上。
步驟300，形成一粘附層22于該模具基體21的模壓面。本實(shí)施例通過偏壓反應(yīng)濺射法來沉積該粘附層22。
如圖4所示，將清洗完的模具基體21置于該真空腔體41內(nèi)部并通過匹配網(wǎng)絡(luò)45與壓射頻電源46相連；將一鈦金屬靶材(圖未示)設(shè)置于陰極49上方，并通過該陰極49與直流電源51相連。該真空腔體41先通過機(jī)械泵42形成低真空，然后開啟高真空閥43，并通過渦輪泵44使真空腔體41的底壓小于10-5Torr；通過第一流量控制器47通入氬氣，使真空腔體41壓力達(dá)到2～7×10-3Torr；使模具基體21與鈦金屬靶材之間形成電場(chǎng)，于模具基體21與鈦金屬靶材之間形成等離子區(qū)52，電離產(chǎn)生的正離子和電子高速轟擊鈦金屬靶材，使該靶材上的原子或分子濺射出來，于模具基體21上形成一層厚度為0.05～0.1μm范圍內(nèi)的鈦粘附層22。本步驟設(shè)置的模具基體21偏壓范圍為-20V～-60V。
步驟400，形成一層擴(kuò)散阻隔層23于該粘附層22表面。本步驟400與步驟300大致相同，不同的處在于通過第一流量控制器47、第二流量控制器48同時(shí)通入氬氣和氮?dú)?。通過該步驟可于鈦粘附層22表面形成一層厚度為0.05～0.1μm范圍內(nèi)的氮化鈦擴(kuò)散阻隔層23。
步驟500，形成一層類金剛石層24于該擴(kuò)散阻隔層23表面。將純石墨棒靶材替換下鈦金屬靶材，通過第一流量控制器47通入甲烷(CH4)氣體，使真空腔體41壓力達(dá)到3～20×10-3Torr。本步驟設(shè)置的模具基體21偏壓范圍為-50V～-150V。通過該步驟可于氮化鈦擴(kuò)散阻隔層23表面形成一層厚度為0.5～3μm范圍內(nèi)的類金剛石層24。
步驟600，將沉積完該類金剛石層24的模具20放入加熱設(shè)備(圖未示)中加熱使該類金剛石的最表層的表面粗糙度達(dá)到0.2～1.2μm。在該加熱設(shè)備中將該模具20加熱至200～300度，同時(shí)通入氬氣和氮?dú)?，并保持該溫?.5～2小時(shí)，此步驟的目的是使類金剛石層的晶粒生長而使與成形體接觸的類金剛石層最表面的表面粗糙度達(dá)到所需的0.2～1.2μm。
可以理解的是，本技術(shù)方案的模具基體除碳化鎢等硬質(zhì)合金外還可采用不銹剛或碳化硅等材料制造；粘附層除采用鈦金屬外還可以采用鉻等金屬材料制造。本技術(shù)方案的模具制備方法除通過濺射法外還可以采用化學(xué)氣相沉積法沉積粘附層、擴(kuò)散阻隔層和類金剛石層，其中濺射法包括偏壓反應(yīng)濺射、射頻濺射和共濺射。
本技術(shù)方案的模具采用多層中間層和類金剛石層結(jié)構(gòu)取代貴金屬膜結(jié)構(gòu)，起到降低成本的作用。另外，該模具由于類金剛石最表層的表面粗糙度大于該模具基體表面粗糙度，使類金剛石的最表層的表面粗糙度保持在最適合脫膜的范圍內(nèi)(0.2～1.2μm)；而且該模具基體表面的表面粗糙度小于0.05μm，加工時(shí)不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的加工變質(zhì)層，而使此模具具有較長的使用壽命。所以，本技術(shù)方案的模具具有良好脫膜性、使用壽命長、降低成本的優(yōu)點(diǎn)。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍的內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種模具，其包括模具基體，其具有一與欲模壓產(chǎn)品相對(duì)應(yīng)的模壓面；一形成于該模壓面的粘附層；一形成于該粘附層的擴(kuò)散阻隔層；和一形成于該擴(kuò)散阻隔層的類金剛石層，其特征在于該類金剛石層的最表層的表面粗糙度比模具基體表面粗糙度要大。
2.如權(quán)利要求1所述的模具，其特征在于該模具基體為碳化鎢、碳化硅或不銹剛構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的模具，其特征在于該粘附層包括鈦或鉻金屬。
4.如權(quán)利要求1所述的模具，其特征在于該擴(kuò)散阻隔層為氮化鈦構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的模具，其特征在于該粘附層厚度范圍為0.05～0.1μm。
6.如權(quán)利要求1所述的模具，其特征在于該擴(kuò)散阻隔層厚度范圍為0.05～0.1μm。
7.如權(quán)利要求1所述的模具，其特征在于該類金剛石層厚度范圍為0.5～3μm。
8.如權(quán)利要求1所述的模具，其特征在于該模具基體的模壓面表面粗糙度小于0.05μm。
9.如權(quán)利要求1所述的模具，其特征在于該類金剛石層的最表層的表面粗糙度為0.2～1.2μm。
10.一種模具的制備方法，其步驟包括提供一模具基體，研磨該模具基體的模壓面；清洗研磨后的模具基體；形成一粘附層于該模具基體的模壓面；形成一擴(kuò)散阻隔層于該粘附層表面；形成一類金剛石層于擴(kuò)散阻隔層表面；使該類金剛石層的最表層的表面粗糙度比模具基體表面粗糙度要大。
11.如權(quán)利要求10所述的制備方法，其特征在于清洗研磨后的模具基體步驟包括超音波震蕩清洗和濺射清洗。
12.如權(quán)利要求10所述的制備方法制備方法，其特征在于形成粘附層、擴(kuò)散阻隔層和類金剛石層是采用濺射法或化學(xué)氣相沉積法。
13.如權(quán)利要求12所述的制備方法制備方法，其特征在于濺射法包括偏壓反應(yīng)濺射、射頻濺射和共濺射。
14.如權(quán)利要求10所述的制備方法制備方法，其特征在于使該類金剛石層的最表層的表面粗糙度比模具基體表面粗糙度要大是通過加熱該形成類金剛石層后的模具。
15.如權(quán)利要求14所述的制備方法制備方法，其特征在于加熱溫度范圍為200～300度，并需保持該溫度0.5～2小時(shí)。
16.如權(quán)利要求14所述的制備方法制備方法，其特征在于加熱同時(shí)通入氬氣和氮?dú)狻?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有保護(hù)層的模具，其包括模具基體，其具有一與欲模壓產(chǎn)品相對(duì)應(yīng)的模壓面；一形成于該模壓面的粘附層；一形成于該粘附層的擴(kuò)散阻隔層；和一形成于該擴(kuò)散阻隔層的類金剛石膜層，該類金剛石膜層的最表層的表面粗糙度比模具基體表面粗糙度要大。本發(fā)明還提供該模具的制備方法。本發(fā)明的模具采用多層中間層和類金剛石層結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的貴金屬膜結(jié)構(gòu)，具有降低成本、使用壽命長、脫模性良好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C03B11/00GK1830852SQ20051003360
公開日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月10日
發(fā)明者顏士杰 申請(qǐng)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