專利名稱：成像應(yīng)用中用于工具透鏡生產(chǎn)的惰性高硬度材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是針對一種用于玻璃模制過程的致密化的惰性材料，并且更具體地是一種碳化鶴材料以及其制造方法。背景信息現(xiàn)代玻璃制造過程的要求對用于玻璃制造模具的材料的性能加注了更大的要求。 例如，玻璃質(zhì)量的要求更高，加工的溫度更高，希望更嚴(yán)密的尺寸公差控制，期望更長的使用壽命，并且高的生產(chǎn)率已經(jīng)成為一種經(jīng)濟(jì)上的必要性。所有這些要求已經(jīng)將模具材料的特性和性能的要求推向越來越高的水平。這在精密玻璃制造行業(yè)中是更這么普遍的，因?yàn)橄M(fèi)電子設(shè)備(例如拍照手機(jī)和數(shù)碼相機(jī))和工業(yè)光學(xué)設(shè)備中的透鏡市場的增長已經(jīng)將從傳統(tǒng)的金剛石車削操作轉(zhuǎn)向高體積、低成本的模制操作的透鏡生產(chǎn)。除了改進(jìn)模制材料的品質(zhì)(這進(jìn)而改進(jìn)了模制的玻璃的品質(zhì))之外，提高模具的壽命也是所希望的。影響品質(zhì)和模具壽命這兩者的因素的例子是模具材料的化學(xué)惰性連同可機(jī)加工性。具體地，精密玻璃透鏡的生產(chǎn)者報(bào)告了在模制操作過程中熱模制材料與熔融玻璃的化學(xué)相互作用，這是模具失效的主要原因之一。模具中的這個(gè)污染問題不僅降低了模具的壽命而且還減小了正在生產(chǎn)的玻璃或透鏡的光學(xué)純度。此種污染的一個(gè)問題是鎳，鎳在生產(chǎn)過程中可以擴(kuò)散到玻璃/透鏡中。已經(jīng)用來防止此種擴(kuò)散的一個(gè)解決方案是在模具上使用涂覆層從而將模具與玻璃之間的相互作用最小化。然而，甚至在存在一個(gè)涂層時(shí)，典型地小于O. 5微米的厚度，污染物(鐵/鎳)仍然有可能擴(kuò)散穿過玻璃并且與其發(fā)生反應(yīng)。 因此，盡管有助于延遲模具-對-玻璃的相互作用，但是涂層的存在迄今為止并未成功防止污染物的擴(kuò)散。除了在模具操作過程中污染物擴(kuò)散穿過到達(dá)透鏡或到達(dá)模具的問題之外，模制材料的尺寸準(zhǔn)確度以及表面光潔度還可能影響模具壽命。在最終的拋光過程中顯示的材料不合格以減少的工具加工產(chǎn)量的形式增加了制造過程的附加成本以及與返工有關(guān)的費(fèi)用。模具中的非球面形狀的機(jī)加工使得模具較昂貴，特別是因?yàn)榭傮w上所要求的是非常硬的并且耐久的模具材料。行業(yè)內(nèi)對于著手解決模具壽命、制造成本連同模制的玻璃的品質(zhì)的問題已經(jīng)考慮了一系列的解決方案。一個(gè)解決方案包括使用高化學(xué)純度的碳化硅材料。盡管碳化硅的化學(xué)惰性和高硬度使得它是一種對于精密玻璃模具有意義的材料，但是碳化硅的脆性性質(zhì)可能呈現(xiàn)出處理和精加工的顧慮。此外，碳化硅通常是一種昂貴的材料方案并且因此不是實(shí)際的。另一個(gè)替代方案可以是使用陶瓷。陶瓷材料(例如氮化硅)的相對惰性和高硬度對于例如玻璃模制應(yīng)用是有益的。然而，最終的研磨和拋光由于獲得所要求的表面光潔度而沒有碎屑和/或破壞所要求的參數(shù)會(huì)是費(fèi)時(shí)的并且昂貴的。更重要的是，陶瓷材料中的熱膨脹系數(shù)顯著地低于正在模制的玻璃的熱膨脹系數(shù)并且引入了模具設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。如以上提及的，涂覆可以是另一個(gè)替代方案。對于玻璃模制模具已經(jīng)提出了應(yīng)用耐氧化和磨損的涂層。涂層粘附性在所有涂覆的工具加工應(yīng)用中都是須考慮的事項(xiàng)。在其中可以對工具進(jìn)行再精加工或修整的應(yīng)用中，涂層的厚度也是必須考慮的。另一種選擇是無粘合劑的碳化物。這個(gè)方案作為用于精密玻璃模制應(yīng)用的一個(gè)良好的配合已經(jīng)在業(yè)界進(jìn)行了討論，由于碳化鎢的高硬度以及匹配的熱膨脹系數(shù)。應(yīng)理解的是，然而，在不存在粘合劑材料時(shí)實(shí)現(xiàn)完全的致密化提出了顯著的制造挑戰(zhàn)，導(dǎo)致了這種類型的材料具有微結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)進(jìn)而使其不適合于精加工以及隨后模具工具加工的使用。還必須理解的是，理論上通過使材料成為“無粘合劑的”來消除的金屬粘合劑的擴(kuò)散僅僅是出于在模制過程中玻璃降級所提出的一個(gè)原因。模具材料對玻璃的惰性還可以取決于許多其他因素，例如總的化學(xué)組成、雜質(zhì)水平、以及由于材料設(shè)計(jì)亦或加工的結(jié)果而在該材料中可以存在的第二相的化學(xué)性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)。還已經(jīng)報(bào)告了含金屬和碳化物組分(稱為夾雜物和異相)的異相有時(shí)會(huì)在材料中存在。這些相經(jīng)常與孔隙率的簇相關(guān)，并且它們的存在損害了材料的可磨性和性能。這些組分的來源總體上難以追蹤，并且往往需要材料設(shè)計(jì)的改進(jìn)來消除這些不想要的相。為了成功地著手解決精密玻璃模具的功能要求，技術(shù)方案需要考慮平衡了惰性與可機(jī)加工性的具體設(shè)計(jì)構(gòu)思的優(yōu)勢以及挑戰(zhàn)兩者。因此，對于用于精密玻璃模制操作的、化學(xué)上惰性的并且可以精加工到納米級表面光潔度的一種有成本有效的材料系統(tǒng)存在著一種需要。發(fā)明概述一個(gè)實(shí)施方案是具有6. 06wt. %-6. 13wt. %的碳、O. 20wt. %_0. 55wt. %的晶粒生長抑制劑、小于O. 25wt. %的粘合劑、小于O. 6wt. %的雜質(zhì)、并且余量是鎢的一種碳化鎢材料。 該碳化鶴材料可以具有小于約O. 5微米(如約O. 25至O. 4微米)的標(biāo)稱晶粒大小。該粘合劑可以是從O. Iwt. %至O. 15wt. %的鈷。碳含量可以是從6. 09wt. %至6. IOwt. %。該碳化鶴材料可以主要由碳化一鶴(monotungsten carbide)構(gòu)成。該晶粒生長抑制劑可以是碳化釩、碳化鉻、碳化鈮、或者它們的一種組合。該碳化鎢材料可以是在精密玻璃模制中使用的一種模具。該碳化鎢材料可以具有為理論密度的至少98%的密度以及小于2%的空隙體積。又另一個(gè)實(shí)施方案包括用于精密玻璃模制所制造的一種模具。該模具可以包括 6. 06wt. %-6. 13wt. %的碳、O. 20wt. %-0. 55wt. %的晶粒生長抑制劑、小于O. 25wt. %的總的粘合劑、小于O. 6wt. %的雜質(zhì)、并且余量是鎢。該模具可以具有小于O. 5微米的標(biāo)稱晶粒大小，例如O. 25至O. 4微米。該晶粒生長抑制劑可以是碳化釩、碳化鉻、碳化鈮、或者它們的一種組合。該粘合劑可以是從O. Iwt. %至O. 15wt. %的鈷。該模具可以包括從6. 09wt. %至
6.IOwt. %的碳。該模具可以基本上是碳化一鎢并且可以具有為理論密度的至少98%的密度以及小于2%的空隙體積。另一個(gè)實(shí)施方案是針對一種制造用于模制玻璃的物品的方法。該方法包括在將一種材料進(jìn)行壓實(shí)、將該材料脫粘合劑(debindering)并且將該材料熱致密化。該材料包括 O. 20wt. %-0. 55wt. %的晶粒生長抑制劑、6. 06wt. %-6. 13wt. %的碳、小于O. 25wt. %的粘合劑、小于O. 6wt. %的雜質(zhì)、并且余量是鶴。該材料可以包括從6. 09wt. %至6. IOwt. %的碳。 該材料可以包括的粘合劑是從O. Iwt. %至O. 15wt. %的鈷。該方法可以進(jìn)一步包括在將該材料熱致密化之后對該材料進(jìn)行機(jī)加工的一個(gè)步驟。該熱致密化的步驟可以包括熱燒結(jié)、 壓力輔助的燒結(jié)(HIP)、快速全方向的壓實(shí)、微波燒結(jié)、以及火花等離子體燒結(jié)。該物品可以是模具、毛坯、半光制部件或類似物。該物品可以具有為理論密度的至少98%的密度以及小于2%的空隙體積。本發(fā)明的這些以及其他方面將從下面的說明中變得更清楚。附圖
簡要說明圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)本發(fā)明的樣品與一個(gè)對比樣品的表面光度測定。圖2展示了本發(fā)明的樣品的顯微照片以及該對比樣品的顯微照片。圖3是本發(fā)明的樣品與對比樣品在惰性試驗(yàn)之后的頂部表面視圖。圖4是本發(fā)明的樣品與對比樣品的EDS掃描。詳細(xì)說明在對本披露的方法及材料進(jìn)行說明之前，應(yīng)該了解的是本披露內(nèi)容并不限于所描述的這些具體的方法及材料，因?yàn)檫@些可以改變。還應(yīng)該了解的是本說明書中所用的術(shù)語僅用于說明這些具體的型式或?qū)嵤┓桨傅哪康模也⒎侵荚谙拗破浞秶?。例如，除非上下文明確地另有說明，如在此和所附權(quán)利要求書中所使用的單數(shù)形式“一個(gè)/ 一種”和“該”包括復(fù)數(shù)的指代物。此外，如在此所用的“包括”詞語旨在表示“包括但不限于”。除非另外限定，在此使用的所有技術(shù)的以及科學(xué)的術(shù)語具有與本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的相同的含義。本發(fā)明是針對一種可以被機(jī)加工成納米表面光潔度的、致密的、惰性的、硬質(zhì)材料。具體地，本發(fā)明是一種碳化鎢材料，該材料具有平衡的化學(xué)計(jì)量的碳和一種低粘合劑， 并且是致密化的、惰性的、硬質(zhì)的、并且可機(jī)加工的納米表面光潔度的。諸位發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種材料組合物，該組合物將玻璃的化學(xué)反應(yīng)性最小化并且增強(qiáng)了可機(jī)加工性以實(shí)現(xiàn)納米級的平均表面粗糙度。諸位發(fā)明人還確已經(jīng)定了這樣一種材料，這種可以通過控制粘合劑的含量以及化學(xué)反應(yīng)性的碳化學(xué)計(jì)量并且控制雜質(zhì)的水平、晶粒大小以及可機(jī)加工性的硬度而獲得。具體地，盡管業(yè)界利用了碳化二鎢來獲得耐磨損性以及致密化，但是諸位發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)此種特性可以不使用二鎢材料來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上， 諸位發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過控制一種材料的化學(xué)性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)，不使用一種碳化二鎢就可以獲得提供了耐磨損的特性的一種材料而同時(shí)是惰性的并且穩(wěn)定的。如在此描述的這樣一種材料包括具有處于或接近化學(xué)計(jì)量的碳、低粘合劑、低的雜質(zhì)含量、以及小于約O. 5微米的均一標(biāo)稱晶粒大小。此外，該材料是致密的，表現(xiàn)出均勻的顯微硬度并且不具有約O. 5微米或更大的可見的孔隙率。在此描述的材料是一種碳化鎢材料，該材料包括碳、粘合劑、至少一種晶粒生長抑制劑，其中余量是鎢和雜質(zhì)。一個(gè)實(shí)施方案是針對一種材料，該材料具有按重量計(jì) 6. 06wt. %-6. 13wt. %的碳、小于O. 25wt. %的粘合劑、O. 20%-0. 55%的至少一種晶粒生長抑制劑、并且余量是鎢和雜質(zhì)。該材料的碳含量被控制到6. 06wt. %-6. 13wt. %。在多個(gè)實(shí)施方案中，該材料的碳含量是6. 09-6. 13wt. %。碳水平優(yōu)選地是大于98. 5%的理論碳。諸位發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將材料中的碳含量的下限控制到6. 06wt. %抑制了不穩(wěn)定的碳化二鎢(W2C)和η-相的形成并且低于全碳飽和度，并且由此產(chǎn)生了一種碳化一鎢材料。此外，碳含量的上限被控制為允許所希望的單相材料，碳化一鎢，而不形成碳孔隙率。例如，超過6. 13wt.%的碳含量導(dǎo)致了大于 25 μ m的孔隙率，這是不希望的因?yàn)樗档土吮砻婀鉂嵍取Ｈ缢赋龅?，在該材料中碳化二鎢是不希望的，因?yàn)樗谒嵝圆⑶已趸瘹夥罩斜忍蓟绘u是反應(yīng)性更大的。此外，碳化一鎢的熱膨脹系數(shù)比碳化二鎢的是各向同性更大的， 從而使得它對于應(yīng)用(例如玻璃模制操作)中的尺寸一致性是一種更加令人希望的相。此外，這兩個(gè)相(即，WC和W2C)具有不同的硬度并且因此呈現(xiàn)出許多問題，如果在要求納米表面光潔度的表面中共存的話。此處的碳化鎢材料是碳化一鎢，其中小于2%是具有低于化學(xué)計(jì)量的碳的一個(gè)相。這種碳化鶴組合物進(jìn)一步包括小于O. 25wt. %的總的粘合劑。粘合劑促進(jìn)或輔助了碳化鎢材料的全致密化作用，并且對于正在模制的玻璃是相對惰性的。通過生產(chǎn)一種更致密的材料，材料的孔隙率減小了，由此允許更好的可機(jī)加工性，這進(jìn)而允許該材料的納米水平的表面光潔度。上限被確立為降低化學(xué)勢從而消除或?qū)嵸|(zhì)上減少，例如90%的減少，材料擴(kuò)散到玻璃中。粘合劑材料的例子包括鈷、鐵和鎳。在多個(gè)實(shí)施方案中，該粘合劑材料可以對于正在模制的玻璃是相對惰性的。在一個(gè)實(shí)施方案中，該粘合劑是小于O. 15wt. %的鈷，例如O. 05wt. %_0. 15wt. %以及例如O. 05wt. %-0. IOwt. %。在多個(gè)實(shí)施方案中，該粘合劑可以是O. lwt. %-0. 15wt. %。鈷比鐵是化學(xué)反應(yīng)性更小的，并且在碳化鎢系統(tǒng)中提供了比鐵和鎳更好的潤濕作用。在其他實(shí)施方案中，該粘合劑可以包括鈷和鐵或鈷和鎳。該碳化鶴組合物進(jìn)一步包括0. 20wt. %-0. 55wt. %的至少一種晶粒生長抑制劑， 例如O. 30wt. %-0. 45wt. % ο這種晶粒生長抑制劑,如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的,被用來控制在粉末的熱處理和致密化作用過程中晶粒的生長。優(yōu)選地加入這種晶粒生長抑制劑， 其量值足以將該材料的晶粒大小控制到小于約O. 5微米的標(biāo)稱晶粒大小。通過控制該材料的晶粒大小，材料的可機(jī)加工性可以得到改進(jìn)，由此輔助一個(gè)精細(xì)的表面光潔度。晶粒生長抑制劑的例子包括但不限于碳化釩、碳化鉻和碳化鈮。碳化釩、碳化鉻和碳化鈮有效地控制了晶粒生長并且因此在材料中使用了特定的范圍。在某些實(shí)施方案中，這種組合物的晶粒生長抑制劑可以是碳化釩、碳化鉻或碳化鈮中之一。在其他實(shí)施方案中，這種晶粒生長抑制劑可以是碳化釩、碳化鉻和碳化鈮中兩種或更多種的任何組合。在又另一個(gè)實(shí)施方案中，這種晶粒生長抑制劑可以是鋯-鈮的碳化物。在一個(gè)實(shí)施方案中，該碳化鎢材料可以具有O. 28wt. %-0. 32wt. %的碳化釩，例如O. 3wt. %。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該材料可以具有O. 2wt. %-0. 5wt. %的碳化釩以及碳化鉻。在本發(fā)明的組合物中并沒有使用某些晶粒生長抑制劑，因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出高的反應(yīng)性(例如與玻璃)。此種不希望的晶粒生長抑制劑的例子包括碳化鈦和/或碳化鉭?？偟碾s質(zhì)水平(包括例如本發(fā)明的組合物的鐵)是小于O. 60wt. %，例如
O.IOwt. %-0. 60wt. %。雜質(zhì)包括但不限于鈦、鉭、銅、鑰和鎳。通過控制雜質(zhì)的量，可以實(shí)現(xiàn)均勻的相組成，并且減少導(dǎo)致孔隙率形成的熱力學(xué)不穩(wěn)定性。因?yàn)殍F比鈷具有更高的化學(xué)活性，所以能夠引起玻璃污染的鐵的量值比引起可比水平的污染的鈷的量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)更小。鐵以及其他非有意的化學(xué)組分也被最小化從而預(yù)先排除了在精加工的微結(jié)構(gòu)中形成另外的相。諸位發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如以上討論的，控制雜質(zhì)的量連同控制粘合劑的量是用來改進(jìn)模具性能的可能手段。除了將該材料中的雜質(zhì)控制到一個(gè)低水平之外，跨過該表面的均勻的微結(jié)構(gòu)與受控的晶粒尺寸對于可機(jī)加工性是希望的。該碳化鎢材料具有O. 5微米或更小的標(biāo)稱晶粒尺寸，例如小于O. 4微米、例如O. 28-0. 31微米,如通過線性截取法(linear intercept method)在斷裂表面上以20，OOOx的放大倍率測量的。微結(jié)構(gòu)的不一致性導(dǎo)致了拋光的表面上的表面光度測定的偏差。一個(gè)非常小的晶粒大小提供了更均勻的拋光表面以及更小的由于單個(gè)晶粒拔出而變化的機(jī)會(huì)。通過使用至少一種在此描述的晶粒生長抑制劑而將不規(guī)則的晶粒生長控制到最小值。本發(fā)明的碳化鎢材料具有的維氏硬度是至少約2500(lkg載荷)。該材料的硬度優(yōu)選地是高的，因?yàn)楫?dāng)用于玻璃模制操作中時(shí)它是實(shí)現(xiàn)納米表面光潔度的一個(gè)重要因素。該材料的硬度優(yōu)選地橫跨該表面時(shí)是均勻的，使得材料的去除率在研磨過程中是一致的，因?yàn)槔缬捎诮M成、相或缺陷，更軟的材料的局部區(qū)域?qū)?huì)減輕拋光。相反，當(dāng)材料的移除比周圍區(qū)域小時(shí)，更硬材料的局部區(qū)域可能導(dǎo)致在表面輪廓中的峰值。因此，材料的硬度是隨組成、晶粒大小和加工而變化的。本發(fā)明的碳化鎢材料可以實(shí)質(zhì)上沒有和/或優(yōu)選地沒有孔隙率以及可通過光學(xué)顯微鏡可見的缺陷。如在此使用的，實(shí)質(zhì)上沒有或沒有孔隙率定義為不具有孔和/或沒有孔或大于O. 5微米尺寸的不規(guī)則的微結(jié)構(gòu)特征。在一個(gè)實(shí)施方案中，該碳化鎢材料具有小于2%的空隙體積。在此描述的碳化鎢材料具有的密度是至少約98%的理論密度，優(yōu)選至少約98. 5% 的理論密度，并且更優(yōu)選地至少約99%的理論密度。該碳化一鎢的理論密度是15. 63g/cm3。 本發(fā)明的碳化鎢材料的理論密度將會(huì)從約15. 45至約15. 61g/cm3變化，例如15. 53g/cm3。在一個(gè)實(shí)施方案中，該材料包括O. 12wt. %的鈷、小于O. OOlwt. %的鎳、O. 048wt. % 的鐵、小于O. OOlwt. %的鈦、O. 003wt. %的鉭、O. 005wt. %的鉻、O. 29wt. %的釩、小于
O.OOlwt. % 的銅、O. 02wt. % 的銀、6. Ilwt. % 的碳、O. 12wt. % 的氮、O. 04wt. % 的氧，并且余量是鎢。在此種實(shí)施方案中，該粘合劑是鈷，這些晶粒生長抑制劑是釩、鉻和鈮，并且雜質(zhì)包括鐵、鈦、鉭和銅。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的材料具有總合并量值為O. 5wt. %的粘合劑和一種或多種晶粒生長抑制劑。該材料的余量是碳化一鎢。在此討論的碳化鎢材料是惰性的，如通過惰性測試和表面活性的觀察測量到的。 此外，當(dāng)通過光學(xué)金相學(xué)觀察時(shí)，惰性碳化鎢材料具有小于兩次出現(xiàn)的低于化學(xué)計(jì)量的碳化鎢，例如以IOOOx的放大率每一視場的WC2。此外，如通過X射線衍射測量的，該材料具有不大于2%的低于化學(xué)計(jì)量的碳化鎢。該碳化鎢材料的可機(jī)加工性在機(jī)加工后通過金相檢驗(yàn)和表面光度測定法來測量。在此描述的該鎢材料的表面光度測定導(dǎo)致了例如最大值為兩個(gè)的缺陷或跨過樣品IOmm的直徑的異常情況。此外，該碳化鎢材料的表面光度測定曲線具有一個(gè)Ra和小于2nm土 10%的RMS以及約2的RMS。該碳化鎢材料可以用于許多應(yīng)用中。應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例是使用碳化鎢材料作為用于模制精密玻璃透鏡的工具加工。玻璃模制的溫度例如可以隨著正在模制的玻璃的類型改變。該碳化鎢材料具有經(jīng)受至少650° C的工作溫度的能力并且可以在此溫度下提供在真
8空或惰性氣體的模制條件下的耐氧化性。在一個(gè)實(shí)施方案中，該碳化鎢模具可以進(jìn)一步包括在一個(gè)內(nèi)表面上的涂層。此種涂覆層的例子包括但不限于類金剛石碳、TiCN, NiAl、以及類似物。另一個(gè)實(shí)施方案是針對一種在受控的加工參數(shù)下制造一種碳化鎢物材料物品的方法。該方法包括如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的步驟，例如壓實(shí)、脫粘合劑以及致密化。 另外的步驟可以包括，例如機(jī)加工、涂覆、研磨、和拋光。在一個(gè)步驟中，制備了一種粉末，該粉末包括O. 20wt. %-0. 55wt. %的至少一種晶粒生長抑制劑、小于O. 25wt. %的粘合劑、小于O. 6wt. %的雜質(zhì)、并且余量是鎢。該粉末可以具有約O. 4微米的標(biāo)稱晶粒大小。然后將該粉末固結(jié)或壓實(shí)成預(yù)成型物,接近凈成型(net shape)、塊形式(slug form)、或類似物。壓實(shí)可以通過使用直接、間接和/或超高壓的壓制方法進(jìn)行。壓實(shí)的其他實(shí)例可以包括單軸壓制、多臺(tái)板壓制、干袋壓制、冷等靜壓制和/或超高壓(SHP)壓實(shí)。去除粘合劑或脫粘合劑的一個(gè)步驟可以包括微波粘結(jié)和火花等離子體燒結(jié)以除去有機(jī)粘合劑并且將材料致密化。粘合劑的去除通常要求將該壓實(shí)的產(chǎn)物從環(huán)境溫度加熱到足以熱解該最高分子量組分的溫度。如果過使用例如一種聚烯烴作為該粘合劑配方的一部分，則足以熱解最高分子量組分的化合物的溫度通常在從500° C至約600° C發(fā)生。燒盡步驟的一個(gè)尤其適當(dāng)?shù)臏囟瓤梢允羌s750° C至約900° C。該溫度是通過氧化物還原碳的溫度可以發(fā)生并且可以放出一氧化碳和/或二氧化碳的溫度。粘合劑燒盡的過程可以在真空或任何惰性環(huán)境下進(jìn)行。還可以使用一種還原氣氛，例如CO或H2，但是碳吸收器將必須相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)以產(chǎn)生所希望的結(jié)果。作為替代方案或在粘合劑燒盡后，這種壓實(shí)的產(chǎn)品可以使用化學(xué)方法進(jìn)行脫粘合劑。脫粘合劑操作之后，使脫粘合劑的壓實(shí)的產(chǎn)品經(jīng)受一個(gè)熱致密化的步驟。該步驟可以包括預(yù)燒結(jié)、生坯機(jī)加工、再等靜壓(reisopressing)、以及類似過程。例如，可以將這個(gè)壓實(shí)的產(chǎn)品在升高的溫度下通過壓力輔助或無壓力的技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)。典型的對于碳化鎢的燒結(jié)溫度是從約1400° C至約1850° C，更典型地，從約1600° C至約1700° C。在脫粘合劑步驟亦或燒結(jié)步驟中保持在800° C與1200° C之間的溫度是優(yōu)選的，以允許在一氧化碳和/或二氧化碳通過致密化作用捕獲在該材料中之前將其釋放。本發(fā)明的最大獲益是以無壓燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，這些技術(shù)是在或低于大氣壓下進(jìn)行的燒結(jié)技術(shù)。燒結(jié)環(huán)境可以是例如惰性氣體，例如氬氣。取決于所使用的添加劑以及燒結(jié)溫度，該燒結(jié)可以是液相燒結(jié)或非液相燒結(jié)。液相燒結(jié)是在或高于正在致密化的材料或任何附加的材料(例如“燒結(jié)助劑”)(其加入是為了增強(qiáng)可燒結(jié)性)的液相線溫度下發(fā)生的燒結(jié)。非液相燒結(jié)是在低于正在致密化的材料的所有組分的液相線的溫度下的溫度所進(jìn)行的燒結(jié)。通常，關(guān)于碳化鎢和無壓力燒結(jié)技術(shù)，使用非液相燒結(jié)。實(shí)現(xiàn)致密化的其他實(shí)例包括多種熱工藝，例如真空燒結(jié)、過程氣體燒結(jié)(process gas sintering)、壓力燒結(jié)、快速全方向的壓實(shí)、微波燒結(jié)、和/或火花等離子體燒結(jié)。在其中碳化鎢材料利用碳化釩作為晶粒生長抑制劑的實(shí)施方案中，使用高壓制壓力可以進(jìn)行均勻的致密化或顯著地改變熱致密化的周期。該方法可以進(jìn)一步包括熱等靜壓(HIP)的步驟。在替代實(shí)施方案中，研磨可以在半光制以及光制操作之前在毛坯上進(jìn)行。此種操作之后，可以使用表面光度測定來評估將壓實(shí)的產(chǎn)品研磨并且拋光之后的表面粗糙度。該壓實(shí)的產(chǎn)品可以是模具、毛坯、半光制的或光制的物品。另一個(gè)實(shí)施方案包括一種用于形成毛坯、半光制的或光制的碳化鎢模具的方法。其他實(shí)施方案包括單空腔或多空腔的安排。下列實(shí)例旨在展示本發(fā)明并且不應(yīng)以任何方式被解釋為限制本發(fā)明。實(shí)例表I
對比的 \VC-0.30% C 0-0.3% VC本發(fā)明的 VVC-0.12% Co-0.3% VC硬6.02%6.11%雜質(zhì)< 0.7% (0.20% Fe)<0.6% (< 0.10% Fe)表I列出了一種對比碳化鎢樣品以及一種本發(fā)明的碳化鎢樣品的組成(以wt. % 計(jì))。兩個(gè)樣品均是通過脫粘合劑和快速全方向壓實(shí)接著通過粗研磨操作以便將毛坯精加工到應(yīng)有尺寸而制備的。這些樣品的研磨加工參數(shù)包括以下各項(xiàng)輪尺寸1400，輪直徑 18. 0，速度30，OOOrpm和工件速度M04S180，使用F O. 5的進(jìn)給速率持續(xù)I. 5小時(shí)。如機(jī)加工之后通過金相檢驗(yàn)和表面光度測定而測量的，獲得了每個(gè)樣品的微結(jié)構(gòu)的均勻性。圖I是經(jīng)機(jī)加工的本發(fā)明的樣品和經(jīng)機(jī)加工的對比樣品的表面光度測定的圖。該表面光度測定包括跨過每個(gè)樣品的表面300微米長度的掃描。如在圖I中可見，該對比樣品的表面光度測定包括在圖中的一個(gè)大峰，該峰指示了在該樣品表面上存在缺陷。相比之下，本發(fā)明的樣品的表面光度測定包括不大的峰并且是是跨過樣品表面的最小偏差的一個(gè)掃描。圖2分別是對比樣品與本發(fā)明的樣品的顯微照片。圖2中的對比樣品的表面不規(guī)則對應(yīng)于圖I中的對比樣品的表面光度測定掃描的偏差或大峰。相反地，本發(fā)明樣品的照片顯微圖展示了沒有大的結(jié)構(gòu)而是展示了均勻的表面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明和對比樣品經(jīng)受了進(jìn)一步地用來觀察該材料組成的穩(wěn)定性的試驗(yàn)。所進(jìn)行的測試是如在業(yè)界使用的惰性試驗(yàn)。該試驗(yàn)包括將具有玻璃材料的每個(gè)樣品(其中玻璃材料與到其上的一個(gè)表面相鄰)置于具有流動(dòng)氮?dú)獾囊粋€(gè)石英管中。該玻璃組成是63%的氧、 7%氟、22%的硅和8%的鉀。每個(gè)樣品在加熱爐中在約650° C下保持5分鐘，冷卻并且對玻璃與該模具之間反應(yīng)進(jìn)行觀察。在圖3中提供了測試的對比樣品的表面與本發(fā)明的樣品的表面的圖象。基于樣品的視覺觀察，對比樣品清楚地展示了在其表面上的一個(gè)表面反應(yīng)，包括在試驗(yàn)過程中其上的玻璃片的清楚的輪廓。該表面反應(yīng)證明了對比樣品與玻璃材料的高度反應(yīng)性。相反地， 本發(fā)明的樣品展示了在其表面上最小的可見標(biāo)記，由此展示了本發(fā)明的材料對玻璃材料的惰性或穩(wěn)定性。本發(fā)明樣品和對比樣品的反應(yīng)表面區(qū)域通過能量色散X射線光譜儀(EDS)進(jìn)行評估。在圖4中提供了本發(fā)明的樣品以及對比樣品的EDS光譜。如可見的，對比樣品的EDS 掃描示出了在相關(guān)區(qū)域內(nèi)比本發(fā)明的樣品表面更高水平的氧和鉀含量。更高水平的氧和鉀進(jìn)一步證明了樣品與玻璃材料之間的反應(yīng)性，確切地說，氧和鉀從玻璃材料擴(kuò)散到樣品材料中。如在對比樣品的表面上看到的這種高水平的反應(yīng)性進(jìn)而增加了表面缺陷并且例如將模具壽命最小化。相反地，本發(fā)明樣品的EDS掃描展示了最小量的從玻璃到模具的元素?cái)U(kuò)散。盡管在此預(yù)料了碳化鎢材料可以用于對模制用于圖像應(yīng)用的精密玻璃透鏡進(jìn)行工具加工，但是它并不限于此類應(yīng)用。該材料的另外的用途包括但不限于激光準(zhǔn)直儀透鏡的模制，要求完全致密的、高硬度碳化鎢的其他物品以及鏡子的模制。雖然，出于展示目的已經(jīng)在上面說明了本發(fā)明的多個(gè)具體實(shí)施方式
，但是對于本領(lǐng)域那些普通技術(shù)人員而言明顯的是可以進(jìn)行對本發(fā)明的細(xì)節(jié)的多種變更而并不背離如所附權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種碳化鶴材料，包括6. 06wt. %-6. 13wt. % 的碳；O. 20wt. %-0· 55wt. %的晶粒生長抑制劑；小于O. 25wt. %的粘合劑；小于O. 6%wt. %的雜質(zhì)；并且余量是鶴，其中該碳化鎢材料具有小于O. 5微米的標(biāo)稱晶粒大小。
2.如權(quán)利要求I所述的碳化鶴材料，其中該粘合劑包括從O.Iwt. %至O. 15wt. %的鈷。
3.如權(quán)利要求I所述的碳化鶴材料，其中該碳化鶴材料包括從6.09wt. %至6. IOwt. % 的碳。
4.如權(quán)利要求I所述的碳化鎢材料,其中該碳化鎢材料主要由碳化一鎢組成。
5.如權(quán)利要求I所述的碳化鎢材料，其中該碳化鎢材料具有從O.25至O. 4微米的標(biāo)稱晶粒大小。
6.如權(quán)利要求I所述的碳化鎢材料，其中該晶粒生長抑制劑是碳化釩、碳化鉻、碳化鈮、或者它們的一種組合。
7.如權(quán)利要求I所述的碳化鎢材料，其中該碳化鎢材料是在精密玻璃模制中使用的一種模具。
8.如權(quán)利要求I所述的碳化鎢材料，其中該碳化鎢材料具有為理論密度的至少98%的密度以及小于2%的空隙體積。
9.一種被制造用于精密玻璃模制的模具，包括6. 06wt. %-6. 13wt. % 的碳；O. 20wt. %-0· 55wt. %的晶粒生長抑制劑；小于O. 25wt. %的總計(jì)粘合劑；小于O. 6%wt. %的雜質(zhì)；并且余量是鶴，其中該模具具有小于O. 5微米的標(biāo)稱晶粒大小。
10.如權(quán)利要求9所述的模具，其中該晶粒生長抑制劑是碳化釩、碳化鉻、碳化鈮、或者它們的一種組合。
11.如權(quán)利要求9所述的模具，其中該模具具有從O.25至O. 4微米的標(biāo)稱晶粒大小。
12.如權(quán)利要求9所述的模具，其中該粘合劑包括從O.Iwt. %至O. 15wt. %的鈷。
13.如權(quán)利要求9所述的模具,其中該模具包括從6.09wt. %至6. IOwt. %的碳。
14.如權(quán)利要求9所述的模具，其中該模具具有為理論密度的至少98%的密度以及小于 2%的空隙體積。
15.一種制造用于模制玻璃的物品的方法，包括壓實(shí)一種材料；將該材料脫粘合劑；并且將該材料熱致密化，其中，該材料包括O. 20wt. %-0· 55wt. %的晶粒生長抑制劑、6. 06wt. %_6. 13wt. %的碳、 小于O. 25wt. %的粘合劑、小于O. 6wt. %的雜質(zhì)、并且余量是鎢。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括在將該材料熱致密化之后對該材料進(jìn)行機(jī)加工。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中該材料包括從6.09wt. %至6. IOwt. %的碳。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中該粘合劑包括從O.Iwt. %至O. 15wt. %的鈷。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中該熱致密化的步驟包括熱燒結(jié)、壓力輔助的燒結(jié) (HIP)、快速全方向壓實(shí)、微波燒結(jié)、以及火花等離子體燒結(jié)。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中該物品是選自下組，該組由以下各項(xiàng)組成模具、 毛坯、或半光制部件。
全文摘要
在此披露了一種用于精密玻璃模制應(yīng)用的碳化鎢材料，具有6.06wt.%-6.13wt.%的碳、0.20wt.%-0.55wt.%的晶粒生長抑制劑、小于0.25wt.%的粘合劑、小于0.6wt.%的雜質(zhì)、并且余量是鎢。這種碳化鎢材料具有小于0.5微米的標(biāo)稱晶粒大小。
文檔編號C03B11/06GK102612502SQ201080050797
公開日2012年7月25日 申請日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者E·A·B·彼得森, I·斯皮特斯伯格, M·J·沃蒂, S·布拉曼達(dá)姆, W·R·哈斯頓 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司