CN1467165A - 模造玻璃的金属模仁 - Google Patents

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Abstract

一种模造玻璃的金属模仁，主要是由底材及保护膜组成，其中底材为碳化钨，于底材上方以溅镀法溅镀以钽钨合金为主的保护膜，以价格较低的金属取代贵金属，而达到较高的模造次数，且适用于高温材料，因而具有较大的材料适用范围。

Description

模造玻璃的金属模仁
技术领域
本发明是一种模造玻璃的金属模仁，特指一种模造玻璃的模仁是于碳化钨的底材上方以溅镀钽钨(Ta-W)合金为主的保护膜，以价格较低的金属取代贵金属，而达到较高的模造次数，且适用于高温材料，因而具有较大的材料选用范围。
背景技术
众所周知，高精密玻璃模造所使用的模仁可区分出几个时代，由最早的非晶质碳、碳化硅(Si1icon Carbide；SiC)与氮化硅(Silicon Nitride；Si3N4)硬质陶瓷、金属、贵金属材料，乃至类钻石薄膜(Diamond Like Carbon；DLC)或硼化物陶瓷等。
而模仁的适用性必须考虑到下列几点：
1、离型性，以避免与玻璃产生反应、粘附现象；
2、足够的硬度与机械强度，以成形玻璃，并避免表面刮伤；
3、高温稳定性，以避免在模造气氛中发生分解现象，或与气氛反应；
4、耐热冲击性，以忍受模造过程中的热循环；
5、可加工性，以加工形成特定光学面，并考虑加工时间与成本；
6、模仁寿命，延长模仁寿命，可降低成本。
又制造玻璃的模仁至少包括单一材质，或底材与保护膜的组合结构，或者是包括底材、中介层(Buffer Layer)与保护层的组合结构；其中底材的材质包括不锈钢、碳化硅和碳化钨(Tungsten Carbide；WC)等；增加中介层结构的目的是用以增加附着性，或加工容易，或为求易于成形：而保护膜的材质若以非晶质碳而言，虽然具有良好的离型性，但是因为其结构性差、容易损伤、易氧化、易破裂、冲击强度低与热导性不佳等缺点，所以在使用上有困难；
因此，随后发展出碳化硅、氮化硅等硬质陶瓷，然而硬质陶瓷也具有加工困难的缺点，因而降低其适用性，此外制程中的烧结助剂如氧化铝(Aluminium Oxide，AlOx)、氧化硼(Boric Oxide，B2O3)等容易与玻璃反应，而降低了模仁的离型性。
为了改善模仁加工耗时的问题以及增长模仁寿命，因而有各种系列的镀膜开发，如贵金属系列模仁的开发，而贵金属镀膜膜仁第一阶段的发展包括以铂(Platinum；Pt)合金为主的硬膜模仁；此种模仁受限于使用温度，只能用于模造温度500-520℃以下的玻璃，于模造应用上，是以SF玻璃为主；由于贵金属的化学钝性良好，因此对SF玻璃的模造次数可达10000次，但是仍然需要配合适当的中介层以及提供抑制晶粒成长的机制。
在第二阶段的发展中，为了将贵金属模仁应用于模造高温玻璃，如LF、sK或BK等系列玻璃，因而采用以铱(Iridium；Ir)或钌(Ruthenium；Ru)为合金成分的贵金属合金，使得模造次数可以达到上万次。其主要缺陷在于：
由于此种模造玻璃的模仁是由材质为碳化钨的底材与保护膜组合而成；首先，将碳化钨底材的表面研磨抛光之后，接着以溅镀法(Sputtering)溅镀铱铼合金(Ir-Re)、铱钌合金(Ir-Ru)，或以电浆化学气相沉积法(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition；PECVD)沉积碳化硅、类钻石薄膜、碳化钛(TiC)及氮化钛(TiN)其中之一，或以离子束沉积法(Ion BeamDeposition；IBD)沉积类钻石薄膜，覆盖于底材之上，形成厚度约为1um的保护膜；其中保护膜上具有模造面(Molding Surface)，由此模造面定义出模造凹槽(Mold Cavity)，以作为模造玻璃之用。
传统技艺中曾经对材质镀膜的模仁进行保护膜的脱模性测试；脱模性测试是使用氮气为气氛控制，而测试的玻璃材料包括BK7、SK5及LaK13等，测试的温度分别为580℃、640℃及700℃，仅略高于玻璃转换温度(GlassTransition Temperature)，高温反应测试时间如以1000次寿命为评估，即以模仁处于模造温度时的80秒乘以1000次，约等于22.2小时。
测试结果，铱铼合金(Ir-Re)、铱钌合金(Ir-Ru)等硬膜模仁都能于温度520℃时，通过20次压模测试及高温反应测试，在压模之后，镀膜并未产生剥离(Peel-off)现象，表示其附着性良好，此外镀膜亦未氧化变色；又类钻石薄膜、碳化钛及氮化钛等镀膜，因为高温氧化而造成镀膜变色与剥离；而碳化硅镀膜则是由于与玻璃产生反应而导致破坏。
在传统技艺的发展中，就贵金属镀膜而言，是以铂铱合金(Pt-Ir)系列的贵金属模仁为主，应用于SF玻璃，但是也只能限制在温度520℃-550℃使用，以确保能有上千次的模造寿命；在后续所发展出的铱铼合金、铱钌合金系列贵金属模仁，则可以适用于较高温玻璃，但是也只能限制在使用温度580℃以内使用；再继续提高使用温度时，将会因为严重的热腐蚀(ThermalEtching)作用，导致模仁表面急速劣化，而无法使用。
传统以铂铱合金(Pt-Ir)系列的贵金属模仁所使用的贵金属价格较昂贵，因而提高制造成本，而降低市场竞争性。
本发明人有感于传统模造玻璃的贵金属模仁所使用的铂铱合金(Pt-Ir)系列的保护膜有上述的缺点，因而着手构思，终创造出本发明的技术方案。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种模造玻璃的金属模仁，通过于碳化钨的底材上方以溅镀钽钨(Ta-W)合金为主的保护膜，以价格较低的金属取代贵金属，达到较高的模造次数，适用于高温材料，具有较大的材料选用范围的目的。
本发明的目的是这样实现的：一种模造玻璃的金属模仁，其特征是：它设有底材及保护膜，该保护膜是以溅镀法溅镀在该底材上方，该保护膜主要为钽钨合金。
该底材为碳化钨为主的超硬合金。该保护膜中的钽占有重量15-85％。该保护膜的厚度为0.7-1.2um。该底材与保护膜之间存在有中介层，该中介层的材质为钽或钨。该中介层的厚度为0.2-0.3um。
本发明还提供另一种模造玻璃的金属模仁，其特征是：它设有底材及保护膜，该保护膜是以溅镀法溅镀在该底材上方，该保护膜主要为钽钼合金。
该底材为碳化钨为主的超硬合金。该保护膜中的钽占有重量25-75％。该保护膜的厚度为0.7-1.2um。该底材与保护膜之间存在有中介层，该中介层的材质为钽或钼。该中介层的厚度为0.2-0.3um。
下面结合较佳实施例和附图进一步说明。
附图说明
图1是本发明的模仁剖面示意图。
图2是本发明具有中介层的模仁剖面示意图。
具体实施方式
参阅图1所示，本发明的模造玻璃的金属模仁主要是由下列构件所组成，底材10以及保护膜20是以溅镀法溅镀在底材10上方，而该保护膜20主要为钽钨(Ta-W)合金。
根据上述，该底材10是为碳化钨(WC)为主的超硬合金，其表面经过抛光后，接着以溅镀法溅镀钽钨9Ta-W)合金等金属的保护膜20，而在底材10上形成厚度为0.7-1.2um的保护膜20，且该保护膜中的钽(Ta)占有15-85％，其中该保护膜20具有模造面201，由此模造面201定义出模造凹槽202，以作为模造玻璃之用。
本发明的测试评估方式，是采用每次热循环于所定的温度维持约130秒后降温视为一次，并以BK7玻璃为试材；测试的温度分别为610℃和640℃，其结果如下表1所示：
表1
    保护膜成分比   610℃测试评估   640℃测试评估
    Ta∶W-45∶55     630次     良好
    Ta∶W-63∶37     1000次     良好
    Ta∶W-74∶26     1000次     良好
由上表1所示可知，以钽钨(Ta-W)合金为主要成分的保护膜20可得到良好的使用结果，且钽钨(Ta-WO合金较传统所使用的金属价格便宜，因而降低制造成本，以提高市场竞争性。
又该保护膜20以钽钼(Ta-Mo)合金为主要成分，并以上述的测试评估方式得到如下表2的结果：                               表2
    保护膜成分比   610℃测试评估   640℃测试评估
    Ta∶Mo＝26∶74     215次   74次时表面雾化
    Ta∶Mo＝43∶57     370次     良好
    Ta∶MO＝80∶20     380次     良好
而以钽钼(Ta-Mo)合金为主要成分的保护膜20同样得以达到良好的使用结果，并且钽钼(Ta-Mo)合金同样较传统所使用的金属价格便宜，而可降低制造成本以提高市场竞争性的目的。
参阅图2所示，以碳化钨(WC)为主的底材10与钽钨(Ta-W)合金为主的保护膜20之间存在一以钽(Ta)或钼9Mo)为主的中介层30，且该中介层30的厚度为0.2-0.3um，通过该中介层30以增加保护膜20的附着性。再以上述的测试评估方式得到如下表3的结果：                      表3
  保护膜成分比     中介层   Scratch test(N)   650℃模造测试
  Ta∶W＝36∶64     无     4     良好
  Ta∶W＝36∶64     0.3um Ta     14     良好
  Ta∶W＝63∶37     无     11     良好
  Ta∶W＝63∶37     0.1um W     7     30次膜脱落
  Ta∶W＝63∶37     0.2um W     ＞50     良好
而在以碳化钨(WC)为主的底材10与钽钨(Ta-W)合金为主的保护膜20之间，加入以钽(Ta)或钼(Mo)为主的中介层30，使该保护膜20得有较佳的附着性，并得有上述的良好使用结果，且钽(Ta)或钼(Mo)的价格便宜，因而降低制造成本。以提高市场竞争性。
又以碳化钨(WC)为主的底材10与钽钼(Ta-Mo)合金为主的保护膜20之间存在一以钽(Ta)或钼(Mo)为主的中介层30，并以上述的测试评估方式得到如下表4的结果：                                  表4
保护膜成分比  中介层   Scratch test(N) 650℃模造测试
Ta∶Mo＝80∶20  无     43     良好
Ta∶Mo＝80∶20  0.3um Ta     45     良好
Ta∶Mo＝80∶20  0.3um Mo     7     良好
Ta∶Mo＝80∶20  0.3um Mo     4     良好
在以碳化钨(WC)为主的底材10与钽钼(Ta-Mo)合金为主的保护膜20之间，加入以钽(Ta)或钼(Mo)为主的中介层30，使该保护膜20得有较佳的附着性，并得有上述的良好使用结果，且钽(Ta)或钼(Mo)的价格便宜，因而得降低制造成本，以提高市场竞争性。
综以上所述，本发明所揭露的制造方法是往昔所无，且确实能达成上述的效果，具有新颖性、创造性和实用性。

Claims (12)

1、一种模造玻璃的金属模仁，其特征是：它设有底材及保护膜，该保护膜是以溅镀法溅镀在该底材上方，该保护膜主要为钽钨合金。
2、根据权利要求1所述的模造玻璃的金属模仁，其特征是：该底材为碳化钨为主的超硬合金。
3、根据权利要求1所述的模造玻璃的金属模仁，其特征是：该保护膜中的钽占有重量15-85％。
4、根据权利要求1所述的模造玻璃的金属模仁，其特征是：该保护膜的厚度为0.7-1.2um。
5、根据权利要求1所述的模造玻璃的金属模仁，其特征是：该底材与保护膜之间存在有中介层，该中介层的材质为钽或钨。
6、根据权利要求5所述的模造玻璃的金属模仁，其特征是：该中介层的厚度为0.2-0.3um。
7、一种模造玻璃的金属模仁，其特征是：它设有底材及保护膜，该保护膜是以溅镀法溅镀在该底材上方，该保护膜主要为钽钼合金。
8、根据权利要求7所述的模造玻璃的金属模仁，其特征是：该底材为碳化钨为主的超硬合金。
9、根据权利要求7所述的模造玻璃的金属模仁，其特征是：该保护膜中的钽占有重量25-75％。
10、根据权利要求7所述的模造玻璃的金属模仁，其特征是：该保护膜的厚度为0.7-1.2um。
11、根据权利要求7所述的模造玻璃的金属模仁，其特征是：该底材与保护膜之间存在有中介层，该中介层的材质为钽或钼。
12、根据权利要求11所述的模造玻璃的金属模仁，其特征是：该中介层的厚度为0.2-0.3um。
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