CN101018743A - 用于玻璃制品压制成形的模子及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制造用于玻璃制品压制成形的模具的方法，在该模具的表面覆盖层上不容易产生裂纹。在具有马氏体结构或ε碳化物弥散在低碳马氏体基体的结构的钢制成的基底材料的表面上，形成无定形Ni－P合金的表面覆盖层。然后，将基底材料和表面覆盖层加热，使基底材料改变为屈氏体或索氏体结构，并使表面覆盖层改变为Ni和Ni3P共晶结构。较好的是，基底材料的含碳量为0.3－2.7重量％，含铬量等于或小于13重量％，且热处理温度等于或高于270℃。

Description

用于玻璃制品压制成形的模子及其制造方法
技术领域
本发明涉及需要精密加工的用于玻璃制品压制成形的模子，以及所述模子的制造方法。
背景技术
在塑料成形领域中，已经使用了对于压模进行精密加工的技术，并且具有微小形状的光学元件如衍射光栅已经获得了大规模生产。在此情况下，所用模子的制法如下：在不锈钢制的基底材料的表面上进行Ni-P无电镀敷，然后用金刚石车刀对镀敷层进行精密加工。
然而，若类似模子应用于玻璃制品的压制成形，有在Ni-P无电镀敷层上发生裂纹的问题。这个现象是由于压制成形温度的缘故。即是，Ni-P镀敷层在其镀敷成的状态呈无定形结构，但加热至大约270℃或更高温度时开始结晶。此时，镀敷层中发生体积收缩，结果在镀敷层中产生拉伸应力以致出现裂纹。
为了克服这个问题，在日本专利申请公开公报No.11-157852中，选用了热膨胀系数为10×10-6至16×10-6(K-1)的基底材料，并在镀敷以后进行400°-500℃的热处理。但是，即使基底材料的热膨胀系数已与Ni-P镀敷层的热膨胀系数适应，但热处理时在镀敷层中仍会发生结晶引起的体积收缩，以致在镀敷层中产生较高的拉伸应力，导致裂纹的发生。
发明简述
本发明是为了解决上述的用于玻璃制品压制成形的常规模子的表面覆盖层相关联的问题。本发明的目的是提供制造模子的一种方法，在玻璃进行压制成形的温度该模子的表面覆盖层中不容易产生裂纹。
按照本发明，制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法的特点包括：
对钢材进行淬火并回火，制成基底材料，该材料的结构是ε碳化物弥散在其中的马氏体基体；
在基底材料的表面上施加无定形Ni-P合金的表面覆盖层；
加热基底材料和表面覆盖层，将基底材料改变成屈氏体结构或索氏体结构，并将表面覆盖层改变成Ni和Ni3P的共晶结构。
按照本发明的这个方法，在基底材料表面施加表面覆盖层以及然后对其加热使表面覆盖层进行结晶的步骤时，基底材料的收缩和表面覆盖的收缩发生在大约同一时刻，结果在表面覆盖层中不会产生较大的拉伸应力。因此在表面覆盖层中不容易产生裂纹。
较好的是，基底材料的含碳量为0.3重量％或更多以及2.7重量％或更少，含铬量等于或小于13重量％。
基底材料的回火温度例如等于或低于350℃。
较好的是，无定形Ni-P合金的表面覆盖层由含Ni和P或含Ni、P和B的无电镀敷层形成，热处理是在高于基底材料的回火温度并高于模子工作温度(例如400℃)的温度进行的。
在此情况下，热处理温度宜为270℃或更高。
要指出的是，在上述方法中对钢材可以只进行淬火而不进行回火。这样，基底材料为马氏体结构。
按照本发明的制造方法，表层覆盖层中的残余应力可在+150MPa至-760Mpa范围(+表示拉伸应力，-表示压缩应力)。要指出的是，可以例如用X射线应力测量法测定残余应力。
按照本发明制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，在模子的表面覆盖层上就不容易产生裂纹，因此就有可能以较高精度维持模子的形状并延长其寿命。
附图简述
唯一的一张图显示了按照本发明制造用于玻璃制品压制成形的模子的步骤流程。
发明详述
图1显示了按照本发明制造用于玻璃制品压制成形的模子的步骤流程。
对一种碳钢或低合金钢的基底材料进行粗加工，然后进行淬火和回火。之后，对该基底材料进行镀敷预处理，再用无电镀敷法形成Ni-P合金的表面覆盖层。再后，对基底材料和表面覆盖层加热，使得表面覆盖层结晶，而基底材料转变为回火结构。然后对基底材料和表面覆盖层进行精加工，再在表面覆盖层上涂敷脱模剂。
要指出的是，可以对上述步骤进行修改，可以在表面覆盖层精加工后，对基底材料和表面覆盖层进行加热。
按照本发明的制造方法，在使表面覆盖层结晶的热处理步骤中，模子的基底材料的尺寸变化与表面覆盖层的尺寸变化相近，因而减小了表面覆盖层中产生的拉伸应力。用无电镀敷法在模子表面形成的无定形Ni-P合金层改变成Ni和Ni3P的共晶结构，并且当加热到玻璃制品的压制成形温度时其体积收缩。这种收缩在大约270℃开始。而马氏体结构的碳钢，在回火步骤时连同其结构变化也发生体积收缩。
表1显示马氏体结构的碳钢，在回火过程中其结构和尺寸的变化，如表1所示，当碳钢由约270℃加热到430℃时，从低碳马氏体中分离出渗碳体，结果基质材料的结构改变为铁素体，因而其体积缩小。
表1.碳钢回火时的结构和尺寸变化
  温度范围   结构变化     尺寸变化
  第一步   100至200℃   马氏体→低碳马氏体+ε-碳化物     收缩
  第二步   230至270℃   残余奥氏体→贝氏体     膨胀
  第三步   270至430℃   低碳马氏体→铁素体+渗碳体ε-碳化物→渗碳体     收缩
在本发明的制造方法中，因为如上利用地在对碳钢回火步骤中的体积收缩，在镀敷以前模子基底材料的回火温度必须设定为比镀敷后模子热处理温低许多。这里镀敷后的热处理温度必须为270℃或更高，此时无定形Ni-P合金层开始变化为共晶结构。
此外，热处理的温度必须等于或高于模子的工作温度(例如玻璃制品的压制成形温度)。其理由是，如果热处理温度低于模子的工作温度，使用时会产生尺寸变化，产品的尺寸准确性降低。热处理的温度上限较好为比工作温度高30℃。但若热处理的温度不必要地太高的话，会产生一些负面效果，例如基底材料的软化。
另一方面，镀敷前模子基底材料的回火温度应为350℃或更低。因此，在镀敷以后的热处理过程中，模子基底材料中产生了在第三步(表1)的结构变化，而且基底材料的体积收缩与Ni-P合金层的体积收缩发生在大约相同的时刻。反之，若基底材料的回火温度高于350℃，其在270℃至430℃(表1的第三步)范围的体积收缩在镀敷后的热处理期间就不充分，因此Ni-P合金层中含出现裂纹。
要指出的是，在镀敷以前，模子可以仅仅淬火而不进行回火。
至于基底材料的组成，含碳量较好是0.3重量％或更多以及2.7重量％或更少。若含碳量小于0.3重量％，回火第三步(表1)时基底材料的体积收缩量太小，而若含碳量超过3重量％，则基底材料的体积收缩量充分，但会出现有害效果如韧性减小。
而且，Cr的含量较好为13重量％或较少。若超出13重量％，则在回火第二步的残余奥氏体分解在500℃或更高温度发生，且基底材料与Ni-P合金层的体积收缩之差会更大。要知道，Cr含量的下限没有什么限制。
热处理前基底材料的结构必须是马氏体结构(或低碳马氏体+ε碳化物)。当马氏体分解成铁索体和渗碳体时，发生很大的体积收缩。热处理后的基底材料具有屈氏体结构(铁素体和渗碳体极细混合的结构)或索氏体结构(铁素体和渗碳体的混合结构，其中渗碳体已经分离并成长为颗粒形状)。NiP或Ni-P-B镀敷层在其镀敷状态时的结构是无定形或部分无定形的，而当加热至约270℃或更高温度时则转变为完全结晶化的Ni和Ni3P混合结构。上述的金相特征列于表2中。
表2.热处理前后基底材料和表面覆盖层的结构
    热处理前     热处理后
  基底材料     马氏体     屈氏体
    马氏体+ε-碳化物     索氏体
  表面覆盖层     无定形Ni     晶态Ni+Ni3P
制造了一些模子，它们的基底材料为各种不同的组成，都施加了厚100μm的Ni-P无电镀敷层。在热处理过程中和压制成形过程中观测了模子的裂纹数。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于包括：
对钢材进行淬火并回火，制成基底材料，该材料的结构是ε碳化物弥散在其中的马氏体基体；
在基底材料的表面上施加无定形Ni-P合金的表面覆盖层；
加热基底材料和表面覆盖层，将基底材料改变成屈氏体结构或索氏体结构，并将表面覆盖层改变成Ni和Ni3P的共晶结构。
2.如权利要求1所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于基底材料的含碳量为0.3-2.7重量％，含铬量等于或小于13重量％。
3.如权利要求2所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于基底材料的回火温度等于或低于350℃。
4.如权利要求2所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于无定形Ni-P合金的表面覆盖层由含Ni和P或含Ni、P和B的无电镀敷层形成，以及
热处理是在高于基底材料的回火温度且高于模子的工作温度的温度进行的。
5.如权利要求4所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于热处理是在等于或高于270℃的温度进行的。
6.制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于包括：
对钢材进行淬火制成具有马氏体结构的基底材料；
在基底材料的表面上施加无定形Ni-P合金的表面覆盖层；
加热基底材料和表面覆盖层，将基底材料改变成屈氏体结构或索氏体结构，并将表面覆盖层改变成Ni和Ni3P的共晶结构。
7.如权利要求6所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于基底材料的含碳量为0.3-2.7重量％，含铬量等于或小于13重量％。
8.如权利要求7所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于无定形Ni-P合金的表面覆盖层由含Ni和P或含Ni、P和B的无电镀敷层形成，以及
热处理是在高于模子的工作温度的温度进行的。
9.如权利要求8所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于热处理是在等于或高于270℃的温度进行的。
10.用于玻璃制品压制成形的模子，其中在具有屈氏体结构或索氏体结构的钢制成的基底材料的表面上施加具有Ni和Ni3P共晶结构的表面覆盖层，其特征在于
基底材料的含碳量为0.3-2.7重量％，含铬量等于或小于13重量％。
11.如权利要求10所述的用于玻璃制品压制成形的模子，其特征在于表面覆盖层上没有裂纹，其残余应力在+150MPa至-760MPa范围，其中，+表示拉伸应力，-表示压缩应力。基底材料组成、回火温度、热处理温度和裂纹的发生率的关系列于表3。对所有情况，玻璃制品的压制成形温度都设定在430℃。要说明的是，在此表中的样品13至15是比较用的塑料成形用的模子。由表3可见，在按照本发明方法制造的模子中，没有观察到裂纹的产生。
表3.回火温度、热处理温度和裂纹发生率的关系
  基底材料   C含量   Cr含量     回火温度     热处理温度     裂纹发生率
  样品1   0.2   1.2     250℃     450℃     5/5
  样品2   0.2   6.6     250℃     450℃     5/5
  样品3   0.3   14.1     250℃     450℃     5/5
  样品4   0.7   0.9     250℃     450℃     0/5
  样品5   0.6   7.4     250℃     450℃     0/5
  样品6   0.6   13.8     250℃     450℃     3/5
  样品7   1.4   1.0     250℃     450℃     0/5
  样品8   1.2   5.9     250℃     450℃     0/5
  样品9   1.3   13.5     250℃     450℃     1/5
  样品10   2.7   1.1     250℃     450℃     0/5
  样品11   2.6   6.3     250℃     450℃     0/5
  样品12   2.7   14.2     250℃     450℃     4/5
  样品13   0.4   14.0     520℃     450℃     5/5
  样品14   0.4   14.0     450℃     450℃     5/5
  样品15   0.4   14.0     250℃     450℃     5/5

Claims (12)

1.制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于包括：
对钢材进行淬火并回火，制成基底材料，该材料的结构是ε碳化物弥散在其中的马氏体基体；
在基底材料的表面上施加无定形Ni-P合金的表面覆盖层；
加热基底材料和表面覆盖层，将基底材料改变成屈氏体结构或索氏体结构，并将表面覆盖层改变成Ni和Ni3P的共晶结构。
2.如权利要求1所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于基底材料的含碳量为0.3-2.7重量％，含铬量等于或小于13重量％。
3.如权利要求2所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于基底材料的回火温度等于或低于350℃。
4.如权利要求2所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于无定形Ni-P合金的表面覆盖层由含Ni和P或含Ni、P和B的无电镀敷层形成，以及
热处理是在高于基底材料的回火温度且高于模子的工作温度的温度进行的。
5.如权利要求4所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于热处理是在等于或高于270℃的温度进行的。
6.制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于包括：
对钢材进行淬火制成具有马氏体结构的基底材料；
在基底材料的表面上施加无定形Ni-P合金的表面覆盖层；
加热基底材料和表面覆盖层，将基底材料改变成屈氏体结构或索氏体结构，并将表面覆盖层改变成Ni和Ni3P的共晶结构。
7.如权利要求6所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于基底材料的含碳量为0.3-2.7重量％，含铬量等于或小于13重量％。
8.如权利要求7所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于无定形Ni-P合金的表面覆盖层由含Ni和P或含Ni、P和B的无电镀敷层形成，以及
热处理是在高于基底材料的回火温度且高于模子的工作温度的温度进行的。
9.如权利要求8所述的制造用于玻璃制品压制成形的模子的方法，其特征在于热处理是在等于或高于270℃的温度进行的。
10.用于玻璃制品压制成形的模子，其特征在于在具有屈氏体结构或索氏体结构的钢制成的基底材料的表面上施加具有Ni和Ni3P共晶结构的表面覆盖层。
11.如权利要求10所述的用于玻璃制品压制成形的模子，其特征在于基底材料的含碳量为0.3-2.7重量％，含铬量等于或小于13重量％。
12.如权利要求11所述的用于玻璃制品压制成形的模子，其特征在于表面覆盖层上没有裂纹，其残余应力在+150MPa至-760MPa范围，其中，+表示拉伸应力，-表示压缩应力。
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