CN100383277C - 具有超硬镀膜的模具 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种用于模压玻璃产品的模具，其包括一具有模压面的模具基体及覆盖在该模压面的超硬薄膜。该超硬薄膜是由非晶碳基体及分布于其中的金刚石碳微粒构成。本发明的特点在于非晶碳具有润滑性，有利于脱模；而金刚石碳微粒的粒径为纳米级，硬度极高，提高机械强度以及硬度。另外，该超硬薄膜还可以防止模具基体的金属元素向外扩散。

Description

具有超硬镀膜的模具

【技术领域】

本发明涉及一种用于模压光学玻璃的模具，尤其涉及一种高硬度且容易脱模的模具。

【背景技术】

模具广泛应用于模压成型制程，特别是用于制造光学玻璃产品，如非球面玻璃透镜、球透镜、棱镜等，采用直接模压成型(Direct Press-molding)技术可直接生产高质量的光学玻璃产品，而且无需打磨、抛光等后续加工步骤，可大大提高生产效率和产量。但直接模压成型法对于模具的化学稳定性、抗热冲击性能、机械强度、表面光滑度等要求非常高。所以，模压成型技术的发展实际上主要取决于模具的材料及模具制造技术的进步。对于用于模压成型的模具一般有以下要求：

a.在高温时，具有很好的刚性、耐机械冲击强度及足够的硬度；

b.在反复及快速加热冷却的热冲击下，模具不产生裂纹或变形；

c.在高温时模具成型表面与光学玻璃不发生化学反应，不黏附玻璃；

d.模具不发生高温氧化；

e.加工性能好，易加工成高精度及高表面光洁度的型面；

f.成本低。

传统模具大多采用不锈钢或耐热合金作为模具材料，这种模具容易发生高温氧化，特别是在反复热冲击作用下，材料会发生晶粒长大，从而模具表面变粗糙，黏结玻璃。

为解决上述问题，非金属及超硬合金被用于制造模具。据报道，碳化硅(SiC)，氮化硅(Si₃N₄)，碳化钛(TiC)，碳化钨(WC)及碳化钨-钴合金已经被用于制造这种模具。但是，上述各种碳化物陶瓷硬度非常高，很难加工成所需要的特定外形，特别是高精度非球面形。而超硬合金除难以加工之外，使用一段时间之后还可能发生高温氧化。

所以，以碳化物或超硬合金为模具基底，其表面形成有其它材料镀层或覆层之复合结构模具成为新的发展方向。

美国专利第4,685,948号揭示一种用于直接模压成型光学玻璃产品的复合结构模具，其采用高强度的超硬合金、碳化物陶瓷或金属陶瓷作为模具基体，并在模具的模压面形成有铱(Ir)薄膜层，或Ir与铂(Pt)、铼(Re)、锇(Os)、铑(Rh)或钌(Ru)的合金薄膜层，或Ru薄膜层，或Ru与Pt、Re、Os、Rh的合金薄膜层。

但是，上述各种贵金属或其合金资源匮乏，产量稀少，价格昂贵，使得这种模具成本大大提高；而且，碳化物或金属陶瓷作为模具基体，一般是通过烧结而成，在烧结过程中需添加钴(Co)、镍(Ni)或钼(Mo)等金属元素作为添加剂参与烧结，这样，当模具长时间使用后，这些添加的金属元素将通过上述贵金属层，扩散至模具的外表面，从而和欲模压形成的玻璃材料发生化学反应，改变玻璃的颜色，影响模具的精度及模压成型玻璃产品的质量。这些缺点对于高精度光学玻璃产品而言，是不可接受的。

除上述形成贵金属薄膜层之外，业界还有利用电浆化学气相沉积法(Plasma CVD)或热化学气相沉积法(Thermal CVD)在模具基体表面形成碳化硅或氮化硅薄膜层，但是，这种薄膜层在400摄氏度高温时容易黏着光学玻璃产品，使得光学玻璃产品不易脱模。

有鉴于此，提供一种化学稳定性佳，可防止模具基体的金属元素向外扩散，且脱模时不会黏着玻璃的模具实为必要。

【发明内容】

为解决习知技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种防氧化、机械强度高、可防止金属元素扩散且容易脱模的模具。

为实现本发明的目的，本发明提供一种具有超硬镀膜的模具，其包括：

模具基体，其具有一与欲模压产品相对应的模压面；及覆盖于该模压面的超硬膜层。

该模具基体是由陶瓷、金属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。

超硬膜层是碳材料沉积而成，包括非晶碳基体及金刚石碳微粒分布于该非晶碳基体中。所述非晶碳基体是连续分布，金刚石碳微粒是离散或部分连续分布于其中，且金刚石碳微粒的粒径为纳米级。

上述超硬膜层可通过电浆化学气相沉积法沉积而成。

相对于现有技术，本发明在高硬度的模具基体模压表面形成碳材料超硬膜层，利用非晶碳润滑性良好的特点，使得本发明的模具在模压制程中，不会与光学玻璃产品黏着，容易脱模；而且金刚石碳微粒硬度极高，可提高模压面的机械强度；另外，该超硬膜层还可防止模具基体的金属元素扩散，从而避免对玻璃产品产生不良影响。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例用于模压非球面光学玻璃产品的模具的示意图；

图2是本发明第二实施例用于模压平面光学玻璃产品的模具的示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种用于模压非球面光学玻璃产品的膜仁10，其包括一模具基体12及形成于模具基体12模压面的薄膜层14。该模具基体12可利用以下陶瓷、金属陶瓷或超硬合金为主要材料经烧结制造而得：SiC、Si、Si₃N₄、ZrO₂、Al₂O₃、TiN、TiO₂、TiC、B₄C、WC、W或WC-Co。模具基体12的模压表面需与待模压的非球面光学玻璃产品的形状相对应，即非球面形。薄膜层14覆盖于模具基体12的模压表面，其是由碳材料沉积而成，包括非晶碳16(Amorphous Carbon)及金刚石碳微粒17(Diamond Carbon)。非晶碳16是连续层，可作为金刚石碳微粒17分布的基体；而金刚石碳微粒17是离散或部分连续分布于整个非晶碳16形成的基体中，其含量占薄膜层14总量的10％～60％(摩尔百分比)。金刚石碳微粒17的粒径是纳米级，最好是在5～100纳米范围内。而薄膜层14的厚度可在1微米至100微米范围内。

当然，本发明不仅可用于模压非球面光学玻璃产品的模具，亦可应用于其它不同形状、不同用途的模压产品的模具。请参阅图2，本发明第二实施例提供一种用于模压平面光学玻璃产品的模具20，其包括一具有光滑平面的模具基体22，及覆盖于该光滑平面的薄膜层24。该模具基体22可利用以下陶瓷、金属陶瓷或超硬合金为主要材料经烧结制造而得：SiC、Si、Si₃N₄、ZrO₂、Al₂O₃、TiN、TiO₂、TiC、B₄C、WC、W或WC-Co。薄膜层24是由碳材料沉积而成，包括非晶碳26(Amorphous Carbon)及金刚石碳微粒27(DiamondCarbon)。非晶碳26是连续层，可作为金刚石碳微粒27分布的基体；而金刚石碳微粒27是离散或部分连续分布于整个非晶碳26形成的基体中，其含量占薄膜层24总量的10％～60％(摩尔百分比)。金刚石碳微粒27的粒径是纳米级，最好是在5～100纳米范围内。而薄膜层24的厚度可在1微米至100微米范围内。

上述两个具体实施例中，模具基体12及22是通过烧结或其它加工方法制备而成，薄膜层14及24可通过电浆化学气相沉积法(Plasma Chemical VaporDeposition)沉积形成，例如微波电浆化学气相沉积法(Microwave PlasmaChemical Vapor Deposition)。

本发明之模具10(20)，其模具基体12(22)具有高硬度，高机械强度的优点，可承受高温模压时产生的压力及应力。模压面被薄膜层14(24)覆盖，其是由不易被氧化的碳材料组成，包括较软的非晶碳16(26)及高硬度的金刚石碳微粒17(27)，由于非晶碳16(26)的碳原子含有sp²键结，使得其润滑性良好，所以，模压玻璃产品容易脱模；而金刚石碳微粒17(27)的硬度高、粒径小，既可增强模具表面的机械强度，亦使模压面的精度提高。另外，该薄膜层14(24)还可阻止模具基体12(22)的金属元素渗透、扩散至薄膜层14(24)外面，避免这些金属元素使玻璃变色，影响光学玻璃质量。综上所述，本发明的具有超硬镀膜的模具具有高机械强度、抗氧化、化学稳定性优良且容易脱模的特点。

Claims (10)

1.一种具有超硬镀膜的模具，其包括：一模具基体，其具有一模压面；及一超硬膜层覆盖于该模具基体的模压面；其特征在于：该超硬膜层包括非晶碳基体及金刚石碳微粒分布于该非晶碳基体中。

2.如权利要求1所述的具有超硬镀膜的模具，其特征在于该模具基体是由SiC、Si、Si₃N₄、ZrO₂、Al₂O₃、TiN、TiO₂、TiC、B₄C、WC、W或WC-Co制成。

3.如权利要求2所述的具有超硬镀膜的模具，其特征在于该模具基体是经烧结而成。

4.如权利要求1所述的具有超硬镀膜的模具，其特征在于该超硬膜层是通过电浆化学气相沉积法沉积而成。

5.如权利要求1所述的具有超硬镀膜的模具，其特征在于该超硬膜层厚度为1微米至100微米范围内。

6.如权利要求1所述的具有超硬镀膜的模具，其特征在于该金刚石碳微粒的摩尔百分比为10％～60％。

7.如权利要求1所述的具有超硬镀膜的模具，其特征在于该金刚石碳微粒的粒径为纳米级。

8.如权利要求7所述的具有超硬镀膜的模具，其特征在于该金刚石碳微粒的粒径为5～100纳米范围内。

9.如权利要求1所述的具有超硬镀膜的模具，其特征在于该模具的模压面为非球面。

10.如权利要求1所述的具有超硬镀膜的模具，其特征在于该模具的模压面为平面。

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