專利名稱：耐磨器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐磨器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
日常生產(chǎn)工作中常用的耐磨器件包括模仁、模腔等模具產(chǎn)品及鉆頭、鉸刀、銑刀、鏜刀等刀具產(chǎn)品。其中模仁廣泛應(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(duì)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。因而，模壓成型技術(shù)的發(fā)展實(shí)際上主要取決于模仁材料及模仁制造技術(shù)的進(jìn)步。對(duì)于模壓成型的模仁一般有以下要求a.在高溫時(shí)，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(shí)模仁表面與光學(xué)玻璃不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不黏附玻璃；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)模仁大多以不銹鋼或耐熱合金作為材料，這種模仁容易發(fā)生高溫氧化，在反復(fù)熱沖擊作用下，會(huì)發(fā)生晶粒長大，從而模仁表面變粗糙，黏結(jié)玻璃。
為解決上述問題，非金屬及超硬合金材料被用于模仁。據(jù)報(bào)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(shí)間之后還可能發(fā)生高溫氧化。
所以，以碳化物或超硬合金材料為模仁基底，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(hào)及第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，并在所述模仁基底的模壓面形成有銥(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。通過所述薄膜層可有效防止基底發(fā)生高溫氧化。
美國專利第5,202,156號(hào)揭示一種制備用于模壓光學(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，并于所述模仁基底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)于《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)模仁作為耐磨器件的耐磨性能仍不理想，于基底上形成的膜層使用時(shí)間較長后，可能出現(xiàn)被磨掉或出現(xiàn)開裂(Crack)、剝離(Chip Off)、微裂紋(Microcrack)等情形，從而影響模仁的脫模性能、精度及模壓成型玻璃產(chǎn)品的質(zhì)量，導(dǎo)致該類耐磨器件使用壽命不長。
有鑒于此，提供一種耐磨性能佳，使用壽命較長的耐磨器件實(shí)為必要。

發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)的耐磨器件耐磨性能不理想，影響使用壽命的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種耐磨性能佳，使用壽命較長的耐磨器件及其制備方法。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種耐磨器件，其包括碳化鎢粉末，以及與所述碳化鎢粉末燒結(jié)混合的納米碳球(CarbonNanocapsules)。
所述耐磨器件中燒結(jié)混合的納米碳球的質(zhì)量百分比為1～25％，優(yōu)選為1～13％。
所述納米碳球?yàn)橹锌战Y(jié)構(gòu)或內(nèi)部包含金屬微粒。
所述納米碳球的粒徑范圍為1～100nm，優(yōu)選30～40nm。
所述耐磨器件進(jìn)一步包括與所述碳化鎢粉末燒結(jié)混合的貴金屬粉末。
所述耐磨器件中燒結(jié)混合的貴金屬粉末的質(zhì)量百分比為1～25％，優(yōu)選為1～13％。
所述貴金屬粉末包括鉑(Pt)、錸(Re)、銥(Ir)或其合金。
所述貴金屬粉末的粒徑范圍為1～100nm。
本發(fā)明的耐磨器件包括模仁、模腔及鉆頭、鉸刀、銑刀、鏜刀等要求高硬度及高耐磨性能的產(chǎn)品。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明提供一種耐磨器件的制備方法，其包括提供一燒結(jié)用模具，其具有所需耐磨器件的形狀；將碳化鎢粉末及納米碳球的混合材料置于所述燒結(jié)用模具中；將所述混合材料于高溫下進(jìn)行燒結(jié)，形成耐磨器件。
所述耐磨器件中燒結(jié)混合的納米碳球的質(zhì)量百分比為1～25％，優(yōu)選為1～13％。
所述納米碳球?yàn)橹锌战Y(jié)構(gòu)或內(nèi)部包含金屬微粒。
所述納米碳球的粒徑范圍為1～100nm，優(yōu)選30～40nm。
所述混合材料中可進(jìn)一步混入貴金屬粉末。
所述耐磨器件中燒結(jié)混合的貴金屬粉末的質(zhì)量百分比為1～25％，優(yōu)選為1～13％。
所述貴金屬粉末包括鉑(Pt)、錸(Re)、銥(Ir)或其合金。
所述貴金屬粉末的粒徑范圍為1nm～100nm。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的耐磨器件采用碳化鎢粉末及納米碳球混合燒結(jié)而成，制程簡(jiǎn)單且該燒結(jié)復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。納米碳球耐磨性強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無需附加膜層，從而避免隨之產(chǎn)生的問題。另，所述貴金屬粉末還可以改善成型精度。

圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例耐磨器件的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例耐磨器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明第一實(shí)施例提供一種用于模壓光學(xué)玻璃產(chǎn)品的耐磨器件模仁10，其包括碳化鎢粉末101以及與所述碳化鎢粉末101燒結(jié)混合的納米碳球102。
所述模仁10中燒結(jié)混合的納米碳球102的質(zhì)量百分比為1～25％，優(yōu)選為1～13％。
納米碳球102是一種多面體形碳簇材料，與巴基球(Buckyball)及納米碳管(Carbon Nanotube)同屬富勒烯(Fullerene)的籠狀碳結(jié)構(gòu)，其外部為封閉的多層石墨結(jié)構(gòu)，所述石墨層平坦部分均為六圓環(huán)，而邊角轉(zhuǎn)折部分則是由五圓環(huán)組成。所述納米碳球102包括中空或內(nèi)部包含金屬微粒的多層石墨結(jié)構(gòu)，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，所述多層石墨結(jié)構(gòu)使其具有質(zhì)輕、高表面積、熱傳導(dǎo)性、導(dǎo)電性、強(qiáng)度佳等優(yōu)點(diǎn)。
所述納米碳球102的粒徑范圍為1～100nm，優(yōu)選30～40nm。
請(qǐng)參閱圖2，本發(fā)明第二實(shí)施例提供一種用于模壓光學(xué)玻璃產(chǎn)品的耐磨器件模仁20，其包括碳化鎢粉末201以及與所述碳化鎢粉末201燒結(jié)混合的納米碳球202。本實(shí)施例與第一實(shí)施例不同之處在于，所述模仁20還包括與所述碳化鎢粉末201及納米碳球202燒結(jié)混合的貴金屬粉末203。
所述耐磨器件20中燒結(jié)混合的貴金屬粉末203的質(zhì)量百分比為1～25％，優(yōu)選為1～13％。
所述貴金屬粉末203包括Pt、Ir、Re或其合金，如Pt-Ir、Ir-Re或Pt-Ir-Re等合金。
所述貴金屬粉末203的粒徑范圍為1～100nm。
當(dāng)然，本發(fā)明不僅可用于模壓光學(xué)玻璃產(chǎn)品的模仁，也可應(yīng)用于其它不同形狀、不同用途的模仁、模腔及鉆頭、鉸刀、銑刀、鏜刀等要求高硬度及高耐磨性能的產(chǎn)品。
本發(fā)明還提供于所述耐磨器件的制備方法。
請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明提供的第一種方法包括以下步驟提供一燒結(jié)用模具(圖未示)，其具有所需模仁10的形狀；將碳化鎢粉末101及納米碳球102的混合材料置于所述燒結(jié)用模具中；通過施加壓應(yīng)力擠壓成型，使所述碳化鎢粉末101及納米碳球102之間緊密冷連接；將所述緊密冷連接的成型體于高溫下進(jìn)行燒結(jié)，形成燒結(jié)復(fù)合模仁10。
所述碳化鎢粉末101的粒徑范圍為1nm～100nm。
所述混合材料中納米碳球102的質(zhì)量百分比為1～25％，優(yōu)選為1～13％。
所述納米碳球102可采用二支純石墨棒或摻雜金屬的復(fù)合石墨棒于直流電場(chǎng)及惰性氣體氣氛下，通過火花放電獲取。根據(jù)所述石墨棒的成份不同，可分別獲取中空或內(nèi)部包含金屬微粒的多層石墨結(jié)構(gòu)的納米碳球102。所獲取的納米碳球102純度可達(dá)90～95％，其具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、質(zhì)輕、高表面積、熱傳導(dǎo)性、導(dǎo)電性、強(qiáng)度佳等優(yōu)點(diǎn)。
所述納米碳球102的粒徑范圍為1～100nm，優(yōu)選30～40nm。
請(qǐng)參閱圖2，本發(fā)明提供的第二種方法與第一種方法不同之處在于，將碳化鎢粉末201及納米碳球202的混合材料置于所述燒結(jié)用模具中時(shí)，還于所述混合材料中還包括貴金屬粉末203。
所述混合材料中貴金屬粉末203的質(zhì)量百分比為1～25％，優(yōu)選為1～13％。
所述貴金屬粉末203包括Pt、Ir、Re或其合金，如Pt-Ir、Ir-Re或Pt-Ir-Re等合金。
所述貴金屬粉末203的粒徑范圍為1～100nm。
請(qǐng)一并參閱圖1及圖2，為適應(yīng)各種形狀玻璃透鏡的需要，本發(fā)明還可進(jìn)一步于模仁10、20的模壓面110、210利用微細(xì)加工技術(shù)雕刻成預(yù)先設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡曲面形狀。
當(dāng)然，本發(fā)明所提供的制備方法不僅可用于模壓光學(xué)玻璃產(chǎn)品的模仁，也可根據(jù)耐磨器件的需要，設(shè)計(jì)不同形狀的模具，通過燒結(jié)所屬混合材料形成不同用途的模仁、模腔或鉆頭、鉸刀、銑刀、鏜刀等要求高硬度及高耐磨性能的產(chǎn)品。
本發(fā)明的耐磨器件采用碳化鎢粉末及納米碳球混合燒結(jié)而成，制程簡(jiǎn)單且具有高硬度，高機(jī)械強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，可承受高溫作業(yè)以及所產(chǎn)生的壓力及應(yīng)力。納米碳球耐磨性強(qiáng)、質(zhì)輕，因此，本發(fā)明的耐磨器件無需附加膜層且質(zhì)量較輕，從而避免隨之產(chǎn)生的問題。另，貴金屬粉末的混入可改善耐磨器件的表面粗糙度，提供較高的表面精度。綜上所述，本發(fā)明的耐磨器件具有高機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性能佳、表面精度較高等優(yōu)點(diǎn)且使用壽命較長。
權(quán)利要求
1.一種耐磨器件，其包括碳化鎢粉末，以及與所述碳化鎢粉末燒結(jié)混合的納米碳球。
2.如權(quán)利要求1所述的耐磨器件，其特征在于，所述耐磨器件中納米碳球的質(zhì)量百分比為1～25％。
3.如權(quán)利要求2所述的耐磨器件，其特征在于，所述耐磨器件中納米碳球的質(zhì)量百分比為1～13％。
4.如權(quán)利要求4所述的耐磨器件，其特征在于，所述納米碳球?yàn)橹锌战Y(jié)構(gòu)或內(nèi)部包含金屬微粒。
5.如權(quán)利要求4所述的耐磨器件，其特征在于，所述納米碳球的粒徑范圍為1～100nm。
6.如權(quán)利要求5所述的耐磨器件，其特征在于，所述納米碳球的粒徑范圍為30～40nm。
7.如權(quán)利要求1所述的耐磨器件，其特征在于，所述耐磨器件進(jìn)一步包括與所述碳化鎢粉末燒結(jié)混合的貴金屬粉末。
8.如權(quán)利要求7所述的耐磨器件，其特征在于，所述耐磨器件中貴金屬粉末的質(zhì)量百分比為1～25％。
9.如權(quán)利要求8所述的耐磨器件，其特征在于，所述耐磨器件中貴金屬粉末的質(zhì)量百分比為1～13％。
10.如權(quán)利要求9所述的耐磨器件，其特征在于，所述貴金屬粉末包括鉑、錸、銥或其合金。
11.如權(quán)利要求10所述的耐磨器件，其特征在于，所述貴金屬粉末的粒徑范圍為1～100nm。
12.如權(quán)利要求1至11中任意一項(xiàng)所述的耐磨器件，其特征在于，所述耐磨器件為包括模仁、模腔及鉆頭、鉸刀、銑刀、鏜刀之一種。
13.一種耐磨器件的制備方法，其包括提供一燒結(jié)用模具，其具有所需耐磨器件的形狀；將碳化鎢粉末及納米碳球的混合材料置于所述燒結(jié)用模具中；將所述混合材料于高溫下進(jìn)行燒結(jié)，形成耐磨器件。
14.如權(quán)利要求13所述的耐磨器件的制備方法，其特征在于，所述混合材料中進(jìn)一步加入貴金屬粉末。
15.如權(quán)利要求13或14所述的耐磨器件的制備方法，其特征在于，所述耐磨器件為包括模仁、模腔及鉆頭、鉸刀、銑刀、鏜刀之一種。
16.如權(quán)利要求15所述的耐磨器件的制備方法，其特征在于，所述耐磨器件為模仁或模腔時(shí)，所述耐磨器件的制造方法還進(jìn)一步包括于模仁或模腔的模壓面利用微細(xì)加工技術(shù)雕刻成預(yù)先設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡曲面形狀。
全文摘要
本發(fā)明提供一種耐磨器件，其包括碳化鎢粉末，以及與所述碳化鎢粉末燒結(jié)混合的納米碳球。所述耐磨器件可進(jìn)一步包括與所述碳化鎢粉末燒結(jié)混合的貴金屬粉末。本發(fā)明還提供上述耐磨器件的制備方法。
文檔編號(hào)B22F7/00GK1806968SQ20051003293
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2005年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月19日
發(fā)明者呂昌岳 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