CN1331786C - 玻璃模造用的模仁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃模造用的模仁，包含：一基材，及一形成在该基材上并含有M₁及碳的保护膜；该M₁是一选自于下列所构成的群组的贵金属元素：钯、金、铱、钌、铼、钽、铂、铑、锇及此等的一组合；该保护膜具有一远离该基材并经过精密削制而可用于模造的塑形面，且厚度是至少大于5μm。

Description

玻璃模造用的模仁

技术领域

本发明涉及一种模仁(molding core)，特别是指一种玻璃模造用的模仁。

背景技术

一般而言，玻璃模造用的模仁，包含有一基材及一形成于该基材上的保护膜(protective film)，该保护膜于远离该基材的一侧形成有一提供一玻璃素材成型用的塑形面。在模造过程中，该玻璃素材是被放置于该保护膜的塑形面上，并对该玻璃模造用的模仁施予一致使该玻璃素材熔融软化的温度，借由该塑形面以使玻璃素材在高温模压的条件下形成一具有与该塑形面形状互补的光学功能面的光学玻璃元件。

为了降低模仁的保护膜于高温模造过程中所产生的表面粗化(roughen)及化学反应，以使得所制得的光学玻璃元件于使用上可符合光学品质的要求，因此，于高温模造过程中用来与该玻璃素材相接触的保护膜大致上可分为两大系列，一种是由分模性(release efficiency)佳的类钻碳(diamond like carbon；简称DLC)所制成的DLC膜，另一种是由具有高化稳性(chemical stability)的贵金属(noble metal)所制成的贵金属膜。

日本专利JP63-103836揭露一种光学玻璃元模造用的模具，包含：一具有一表面粗糙度低(意即表面精度高)的成型面的碳化钨基材，及一形成在该碳化钨基材上厚度为2μm并含有铱、铼及碳(Ir-Re-C)的贵金属膜。

JP63-103836的光学玻璃元件模造用的模具，是使用研削(grinding)加工在一碳化钨(WC)基材的上方施予精密研磨，借以形成该具有表面精度高且呈一非球面状的成型面的碳化钨基材，并于该成型面上形成该Ir-Re-C贵金属膜，借由该含有碳的贵金属膜以减少并抑制该贵金属膜于高温模造环境下所造成的晶粒成长等问题。然而，由于此种JP63-103836所揭露的模具是采用研削方式加工碳化钨基材至所需的面精度，因此加工较困难且费时。

传统的模具的制造方式，是利用研削方式将超硬的碳化钨基材加工成形至所需的形状及精密度，并于研削后再镀上保护膜。由于碳化钨材质硬度高，使用研削加工相当耗时。因此，日本专利JP06-144850利用非晶质(amorphous)贵金属保护膜具有优于碳化钨的切削性，并利用钻石切削刀具对非晶质贵金属膜进行精密切削加工(single point diamond turning)，可在较短的时间内得到更好的加工精度。

参阅图1，日本专利JP06-144850揭露一种光学玻璃元件模造用的模具1及其制作方法。该光学玻璃元件模造用的模具1，包含：一具有一与该光学玻璃元件形状相反且表面粗糙度(roughness)高的加工面13的碳化钨基材11，及一形成在该碳化钨基材11上的非晶质贵金属膜12。该非晶质贵金属膜12于远离该碳化钨基材11的一侧有一表面粗糙度低的成型面14。

该光学玻璃元件模造用的模具1的制作方法，是于一碳化钨基材的上方施予粗磨以形成该具有加工面13的碳化钨基材11，并于该加工面13上形成一贵金属膜后利用钻石切削刀具加以精密切削，借以形成该具有成型面14的非晶质贵金属膜12。其中，该非晶质贵金属膜12所使用的贵金属材料是铂(Pt)、铑(Rh)、铱(Ir)、钌(Ru)、铼(Re)、钽(Ta)或锇(Os)等。

然而，由于非晶质的贵金属材料容易借由高温环境以构成晶粒成长(grain growth)的驱动力。因此，于高温的模造环境下，该光学玻璃元件模造用的模具1的非晶质贵金属膜12容易产生晶粒成长，而致使最终所制得的光学玻璃元件的功能面无法符合光学品质的要求。此外，于降温过程中产生，该非晶质贵金属膜12亦容易伴随晶粒成长及形成于其内部的热应力(thermal stress)而产生裂痕(cracking)，致使最终所制得的光学玻璃元件的功能面形成有纹路及瑕疵。

因此，该光学玻璃元件模造用的模具1只限于低于该非晶质金属膜12的结晶温度的模造环境下使用，对于需要具有较高温的软化温度环境的玻璃素材而言，则无法符合其使用要求。

参阅图2，日本专利JP06-183755揭露一种光学玻璃元件成型模具2，包含有：一具有一与该光学玻璃元件形状相反且表面粗糙度高的加工面23的基材21，及一形成在该基材21上的结晶态(crystalline)贵金属膜22。该结晶态贵金属膜22是将形成于该加工面23上的一非晶质贵金属膜施予精密切削并加工至所需的表面形状及精度后，再对该非晶质贵金属膜实施热处理所构成，并借此于远离该基材21的一侧形成有一表面粗糙度较低的成型面24。日本专利JP06-183755与前述的专利前案(JP06-144850)不同处，只在于该非晶质贵金属膜12在精密切削后热处理为该结晶态贵金属膜22。

已呈结晶态的贵金属膜22虽然可改善于高温模造过程中伴随晶粒成长而来的表面粗糙化问题，但将已经加工成精密形状的非晶质贵金属再经热处理使其结晶化，易使高面精度的成型面24形成表面粗化。因此，模造前必须再先研磨抛光使得最终所制得的光学玻璃元件的功能面较可符合光学品质的要求。

然而，由于贵金属膜在经过高温模造后已呈结晶态并构成表面粗化，若利用只由单一钻石块材所构成的钻石切削刀具加以精密切削，则易使得钻石块材产生崩裂。因此，若玻璃模造用的模具欲被重复使用，则必须利用由砥石及形成于砥石表面的钻石粒子所构成的研削刀具加以研削，致使整层贵金属镀膜被移除。后续地，于该碳化钨基材实施粗加工达一近似面精度后，重新地于该碳化钨基材上形成一非晶质贵金属膜再进行精密切削加工。由前所述，JP06-144850及JP06-183755两篇专利前案所揭露的模具返修(repair)相当耗时，且钻石研削刀具中的砥石寿命短。

此外，JP06-144850及JP06-183755两篇专利前案中所使用的贵金属是属于化学磨耗性(chemical wear)材料，其与钻石刀具两者之间在加工过程中极易与钻石刀具中呈介稳态(metastable)的碳(C)原子形成复合物(complex)。因此，于模仁的返修过程中致使钻石工具的使用寿命快速地降低。

由上所述，如何解决由贵金属材料所制成的保护膜于高温模造环境下伴随着晶粒成长所带来的表面粗化等问题，借以延长玻璃模造用的模仁的使用寿命，同时亦减少钻石刀具于加工过程中的化学磨耗，使得返修的难度降低并缩短返修时间，是研究开发光学玻璃元的模具相关业者所需克服的一大难题。

发明内容

上述贵金属膜的硬度较钻石工具低，其构成钻石工具的磨耗毁损主要原因为化学磨耗。然而，构成化学磨耗的原因，是与金属原子于d层轨域中含未配对电子数目的多寡有关。由于铂、铑、铱、钌、铼、钽及锇等贵金属元素是属于在d层轨域含未配对电子数的材料。因此，当模仁经过高温模造使用后产生表面粗化，需进一步地借由钻石刀具进行返修时，形成于基材上的贵金属材料本身中的d层轨域未配对电子，则非常容易与钻石刀具中的碳原子形成复合物。

值得一提的是，贵金属膜对钻石工具的化学磨耗机构可分为两阶段，第一阶段是借由d层轨域含未配对电子的贵金属原子吸引碳以形成复合物，第二阶段是此复合物中的碳原子后续所产生的四种可能性。(1)多个碳形成石墨(graphite)结构、(2)碳扩散入金属晶格(lattice)的间隙中、(3)碳与金属原子形成化合物，及(4)碳返回钻石工具中，其中，(1)至(3)会导致碳原子由钻石结构中流失因而构成损耗，只有(4)不会导致化学磨耗。

由前所述，本发明是借由使用于d层轨域无含未配对电子数的贵金属元素钯(Pd)，及在d层轨域含未配对电子数的贵金属材料内引入足够的碳原子，导致所引入的碳原子存在于贵金属的晶格中，并使得含未配对电子数的贵金属原子与碳先形成复合物，进而抑止贵金属再与钻石工具的碳原子形成复合物并同时抑制晶粒成长。借此，减少本发明的贵金属保护膜在研削或切削过程中对钻石工具的化学磨耗性，使原本结晶贵金属膜的可切削性提高。此外，当使用研削方式加工时，亦可减少钻石砥石磨耗并达到较好的加工品质。

值得一提的是，碳在本发明的贵金属保护膜内的含量，是随着该贵金属保护膜的材料于d层轨域所含有的未配对电子数增加而增加。意即，当本发明的贵金属保护膜的材质主要是由钯(Pd)所构成时，形成于该贵金属保护膜内的含碳量较低；相对地，当该贵金属保护膜的材质主要是由d层轨域含未配电子数的材料所构成时，形成于该贵金属保护膜的含碳量则需增加。

再者，本发明于制作贵金属保护膜的过程中，对碳化钨基材施加热使含碳贵金属保护膜形成结晶化(crystallization)，借以使得本发明的整体模仁经过频繁的高温模造使用次数的后，伴随晶粒成长所构成的表面粗化及裂痕等问题可获得改善。

在本发明的基材上形成有该贵金属保护膜前，亦可只对该基材提供一表面精度低且呈一非球面状的成型面，并后续地形成一预定厚度的贵金属保护膜，使该贵金属保护膜可利用研削或切削方式新创成或返修达所要求的非球面形状及粗糙度，其中，所镀的厚度愈厚，可返修的次数愈多。

因此，本发明的目的，在于提供一种玻璃模造用的模仁。

于是，本发明玻璃模造用的模仁，包含：一具有一近似的塑形面的基材，及一形成在该基材上并含有M1及碳的保护膜。

该M1是一选自于下列所构成的群组的贵金属元素：钯(Pd)、金(Au)、铱(Ir)、钌(Ru)、铼(Re)、钽(Ta)、铂(Pt)、铑(Rh)、锇(Os)及此等的一组合。该保护膜具有一远离该基材并经过精密削制而可用于模造的塑形面，且厚度是至少大于5μm。

因此，本发明的玻璃模造用的模仁的重复使用率高、模造寿命长，且于返修过程中不易耗损钻石切削刀具。再者，由于本发明的贵金属保护膜的化学磨耗性低不易耗损钻石工具，因此，本发明所使用的基材可只先行加工成一近似的成型面，并于完成后续镀膜制程后，利用钻石研削或切削刀具加以精密加工成适用于玻璃模造用的塑形面所要求的表面精度。

参阅图3，本发明玻璃模造用的模仁的一较佳实施例，包含：一具有一近似的塑形面31的基材3，及一形成在该基材3上并含有M₁及碳的保护膜5。

该M₁是一选自于下列所构成的群组的贵金属元素：钯(Pd)、金(Au)、铱(Ir)、钌(Ru)、铼(Re)、钽(Ta)、铂(Pt)、铑(Rh)、锇(Os)及此等的一组合。该保护膜5具有一远离该基材3并经过精密削制而可用于模造的塑形面51，且厚度是至少大于5μm。

较佳地，碳在该保护膜5的含量是介于10wt％至50wt％之间。在一具体实施例中，该M₁是钯、钌及钽的一组合(意即，该保护膜5含有Pd-Ru-Ta-C)。在另一具体实施例中，该M₁是铱及钌的一组合(意即，该保护膜5含有Ir-Ru-C)。在又一具体实施例中，该M₁是铱及铼的一组合(意即，该保护膜5含有Ir-Re-C)。

较佳地，该保护膜5的厚度是介于10μm至30μm之间。

较佳地，本发明的玻璃模造用的模仁更包含有一夹置于该基材3及该保护膜5之间且含有M₂的化合物的中间膜4。

适用于本发明的该M₂是一选自于下列所构成的群组：钛(Ti)、铬(Cr)、铌(Nb)、锆(Zr)、铝(Al)、硅(Si)及此等的一组合。适用于本发明的该含有M₂的化合物是一选自于下列所构成的群组：含有M₂的氮化物、含有M₂的碳化物及含有M₂的氧化物。较佳地，该M₂是钛。在一具体实施例中，该中间膜4是含有钛的氮化物。

较佳地，该中间膜4的厚度是介于20nm至200nm之间。

适用于本发明的该基材3是由碳化钨(WC)所制成，也可以是由含有氮化钛(TiN)或碳化钛(TiC)的陶金(cermets)所制成。在一具体实施例中，该基材3是由碳化钨(WC)所制成。

本发明的功效在于，提供一种具有重复使用率高、模造寿命长、且适合于钻石研削或切削刀具返修等特点的玻璃模造用的模仁。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

图1是一侧视示意图，说明日本专利JP06-144850所揭露的光学玻璃元件模造用的模具。

图2是一侧视示意图，说明日本专利JP06-183755所揭露的光学玻璃元件成型模具。

图3是一侧视示意图，说明本发明玻璃模造用的模仁的一较佳实施例。

具体实施方式

实施例一

在本发明玻璃模造用的模仁的一具体实施例一中，该基材3是由WC所制成、该中间膜4是含有钛的氮化物且厚度为100nm，该保护膜5是含有Pd-Ru-Ta-C且厚度为20μm的结晶化贵金属层。在该具体实施例一中，Pd wt％∶Ru wt％∶Ta wt％∶C wt％约为83∶2∶5∶10。

以下简单地说明该具体实施例一的玻璃模造用的模仁的制作方法。

首先，于一WC基材的上方形成一表面精度低且呈一非球面状的塑形面，借以构成该具有近似的塑形面31的基材3。

进一步地，在一真空系统(vacuum system)中利用溅镀(sputtering)法，于该塑形面31上形成该含有钛的氮化物的中间膜4。

接着，利用同一真空系统，于通有气体流量比为1∶4的甲烷(CH₄)及氩气(Ar)且工作压力(working pressure)为15mTorr的反应腔体中，对一由重量百分比为81∶4∶15的Pd-Ru-Ta所构成的合金靶材(target)施予一预定的功率，以在该中间膜4上形成一含有Pd-Ru-Ta-C且厚度约为20μm的贵金属层，同时，对承接有该基材3的试片承载座(holder)施以450℃的升温处理，以使得该含有Pd-Ru-Ta-C的贵金属层结晶化。

最后，利用钻石切削刀具对该含有Pd-Ru-Ta-C的结晶化贵金属层施予一精密切削，以构成该具有高表面精密度的塑形面51的保护膜5。

由于该具体实施例一的保护膜5主要成份是在d轨域无含未配对电子数的Pd，因此只需借由低含量的碳原子与少量的Ru、Ta等含未配对电子数的金属形成复合物，以在切削过程中降低钻石切削刀具的碳原子与该保护膜5内的贵金属元素两者间所产生化学磨耗，并于高温模造环境下抑制晶粒成长。

此外，借由该保护膜5具有足够的厚度值，使得本发明玻璃模造用的模仁可利用精密研削或切削对该贵金属膜施予加工，借以达到快速返修的目的。

实施例二

本发明玻璃模造用的模仁的一具体实施例二，大致上与该具体实施例一相同，其不同处在于该保护膜5是含有Ir-Ru-C的结晶化贵金属层。在该具体实施例二中，Irwt％∶Ru wt％∶C wt％约33∶22∶45。

该具体实施例二玻璃模造用的模仁的制作方法，大致上是与该具体实施例一相同。其不同处在于，该含有Ir-Ru-C的结晶化贵金属层，是利用溅镀法，于通有气体流量比为5∶1的CH₄及Ar且工作压力为10mTorr的反应腔体中，对一由重量百分比为62∶38的Ir-Ru所构成的合金靶施予一预定的功率，以在该中间膜4上形成一含有Ir-Ru-C且厚度约为20μm的贵金属层，同时，对承接有该基材3的试片承载座施以650℃的升温处理，以使得该含有Ir-Ru-C的贵金属层结晶化。

实施例三

在本发明发玻璃模造用的模仁的一具体实施例三，大致上与该具体实施例二相同，其不同处在于该保护膜5是含有Ir-Re-C的结晶化贵金属层。在该具体实施例三中，Irwt％∶Re wt％∶C wt％约为45∶5∶50。

该具体实施例三玻璃模造用的模仁的制作方法，大致上是与该具体实施例二相同。其不同处在于，所使用的钯材是由重量百分比为89∶11的Ir-Re所构成的合金靶，且CH₄及Ar的气体流量比为6∶1。

值得一提的是，由于该具体实施例二中的Ir与Ru均具有3个未配对电子，而该具体实施例三中的Re具有5个未配对电子，因此，该具体实施例三的C含量需高于该具体实施例二的C含量。

经由前面的说明，该具体实施例二及三的保护膜5是不含有Pd，因此需借由含量较高的碳原子与更多的含未配对电子数的金属原子形成复合物，以在切削过程中降低钻石切削刀具的碳原子与该保护膜5内的贵金属元素两者间所产生化学磨耗，并于高温模造环境下抑制晶粒成长。

此外，前述三个具体实施例的保护膜5已于镀膜过程中加入碳原子并结晶化，因此于高温模造环境下，该保护膜5由晶粒成长所构成的表面粗糙化及裂痕等问题减少。再者，由于前述三个具体实施例的该保护膜5的化学磨耗性低，因此在经过频繁的高温模造使用次数后所形成的微量晶粒成长(即微量的表面粗糙化)，亦可借由钻石切削刀具加以返修至符合模造要求的精度。

因此，借该等具体实施例的保护膜5致使本发明玻璃模造用的模仁于高温模造环境下不易产生晶粒成长等问题，以提高本发明玻璃模造用的模仁的模造寿命及所制得的光学玻璃元件的光学品质。此外，借该等具体实施例的保护膜5的低化学磨耗性，以增加钻石切削刀具于返修过程中的可切削性并提高本发明玻璃模造用的模仁的重复使用率。

归纳上述，本发明玻璃模造用的模仁具有模造寿命长、高重复使用率，及利于钻石研削或切削刀具进行返修等特点，所以确实能达到本发明的目的。

Claims (10)

1.一种玻璃模造用的模仁，其特征在于其包含：

一基材，具有一近似的塑形面；及

一形成在该基材上并含有M₁及碳的保护膜，该M₁是一选自于下列所构成的群组的贵金属元素：钯、金、铱、钌、铼、钽、铂、铑、锇及前述贵金属元素的一组合，该保护膜具有一远离该基材并经过精密削制而可用于模造的塑形面，且厚度是至少大于5μm。

2.如权利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于：碳在该保护膜的含量是介于10wt％至50wt％之间。

3.如权利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于：该M₁是钯、钌及钽的一组合。

4.如权利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于：该M₁是铱及钌的一组合。

5.如权利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于：该M₁是铱及铼的一组合。

6.如权利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于：该保护膜的厚度是介于10μm至30μm之间。

7.如权利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于：更包含有一夹置于该基材及该保护膜之间且含有M₂的化合物的中间膜，该M₂是一选自于下列所构成的群组：钛、铬、铌、锆、铝、硅及前述元素的一组合；该含有M₂的化合物是一选自于下列所构成的群组：含有M₂的氮化物、含有M₂的碳化物及含有M₂的氧化物。

8.如权利要求7所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于：该M₂是钛，该中间膜是含有钛的氮化物。

9.如权利要求7所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于：该中间膜的厚度是介于20nm至200nm之间。

10.如权利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于：该基材是由碳化钨所制成。

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