CN1834043B - 模造玻璃透镜的模仁 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模造玻璃透镜的模仁，其包括一模仁基体，其是由超硬合金或陶瓷制成，该模仁基体具有一表面；及一膜层覆盖于该模仁基体的表面；其中该膜层包括非晶质碳化硅连续基体及纳米级结晶碳化硅微粒分布于该非晶质碳化硅基体中。本发明模仁结构具有高机械强度、抗氧化、化学稳定性优良且容易脱模等特点。

Description

模造玻璃透镜的模仁
【技术领域】
本发明涉及一种用于模压光学玻璃的模仁，尤其涉及一种高机械强度且容易脱模的模仁。
【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。典型的复合结构模仁如美国专利第4,685,948号及第5,202,156号。
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。
美国专利第5,202,156号揭示一种制备用于光学玻璃产品的复合结构模仁的方法。其采用高强度的超硬合金、碳化物陶瓷或金属陶瓷作为模仁基底，并在模仁的模压面形成一层类金刚石膜(DLC，Diamond Like Carbon)。
中国专利申请第02140644号亦揭露一种模造玻璃之金属模仁，其采用碳化钨为主的超硬合金为底材，表面溅镀以钽钨(Ta-W)合金取代贵金属薄膜层，以降低成本。
上述各种模仁结构分别采用贵金属、类金刚石膜及钽钨合金薄膜，使模仁性质有所提高，或提高离型能力或提高机械强度，但由于薄膜层成份单一，从而产生局限性，使其脱模(离型)能力与机械强度二者通常难以兼得。
所以，上述复合模仁结构的薄膜层在使用较长时间后，容易出现粘结玻璃、膜层剥离(peeling off)或产生微裂纹等不良现象，从而影响模仁精度及模压成型玻璃产品质量，限制其使用寿命。
因此，提供一种同时具有高机械强度及优良离型能力的模造玻璃透镜的模仁结构实为必要。
【发明内容】
为解决现有技术的模仁结构容易产生微裂纹、剥离现象，以及不易脱模等问题，以下将通过若干实施例说明一种具有良好离型能力以及高机械强度的模造玻璃透镜模仁。
为实现上述内容，提供一种模造玻璃透镜的模仁，其包括一模仁基体，其是由超硬合金或陶瓷制成，该模仁基体具有一表面；及一膜层覆盖于该模仁基体的表面；其中该膜层包括非晶质碳化硅连续基体及纳米级结晶碳化硅微粒分布于该非晶质碳化硅基体中。
该模仁基体是由陶瓷、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。
膜层的结晶碳化硅微粒的粒径为5～100纳米范围内。
该膜层中结晶碳化硅的摩尔百分含量为10％～40％。
在其中一实施例中，该模仁进一步包括一中间层，其夹于该模仁基体与该膜层之间。中间层可增强膜层与模仁基体之间的粘着性及稳定性。
优选的，所述中间层的厚度小于1微米。
相对于现有技术，本技术方案的模造玻璃透镜的模仁主要是由不易被氧化的碳化硅材料构成，包括非晶质碳化硅及高硬度的纳米级结晶碳化硅，由于非晶质碳化硅含有sp2键结，使得其润滑性良好，所以，模压玻璃产品容易脱模；而纳米级结晶碳化硅具有高硬度、粒径小，既可增强模仁表面的机械强度，亦有利于提高模造面的精度。所以，本技术方案的模仁结构具有高机械强度、抗氧化、化学稳定性优良且容易脱模等特点。
【附图说明】
图1是本发明第一实施例的模仁结构剖示图。
图2是图1模仁结构的镀膜层结构部分放大图。
图3是本发明第二实施例模仁的结构剖示图。
【具体实施方式】
请一起参阅图1及图2，本发明第一实施例模仁10包括底材12、形成于底材12表面的镀膜14。其中该底材12可由高强度的超硬合金、氧化物或碳化物陶瓷、金属陶瓷制成，包括由以下物质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。底材12的表面可初步形成预定形状，即与待模压的光学玻璃产品相对应的形状，例如非球面形、半球面等。如此，有利于使得直接形成于底材12表面的镀膜14亦具有与上述预定形状基本相同的模造面18，并由该模造面18构成模压凹槽16。这样，在实际制造时，上述模造面18可在该预定形状基础上进一步施以精密微细加工，容易获得所需精确形状及所需精度，降低加工难度及成本。
所述镀膜14是由碳化硅材料沉积而成，包括非晶质碳化硅21(Amorphous-silicon Carbide)及纳米级结晶碳化硅22(NanoCrystalline-silicon Carbide)。非晶质碳化硅21是连续层，可作为纳米级结晶碳化硅22的分布基体；而纳米级结晶碳化硅22是离散或部分连续分布于整个非晶质碳化硅21基体中，其含量占镀膜14总量10％～40％(摩尔百分比)。纳米级结晶碳化硅22的粒径是纳米级，最好是在5～100纳米范围内。而镀膜14的厚度可在1微米至100微米范围内。
上述实施例中，模仁底材12可通过烧结或其它加工方法制备而成。如上所述，底材12最好于此制备过程中初步形成预定的形状或接近此形状，以利于后续形成基本相同形状之镀膜14。镀膜14可通过等离子体化学气相沉积法(Plasma Chemical Vapor Deposition)或溅镀法(Sputtering)形成，例如微波等离子体化学气相沉积法(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition)、共镀法(Co-sputtering)及反应溅镀法(Reactive Sputtering)等。为达到更高精度，可进一步对镀膜14进行微细加工，最终获得所需之模造面18。
本实施例之模仁10，其模仁底材12具有高硬度，高机械强度的特点，可承受高温模压时产生的压力及应力。模压面被镀膜14覆盖，其是由不易被氧化的碳化硅材料组成，包括较软的非晶质碳化硅21及高硬度的纳米级结晶碳化硅22，由于非晶质碳化硅21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；而纳米级结晶碳化硅22具有高硬度、粒径小，既可增强模仁表面的机械强度，亦有利于提高模造面的精度。综上，本实施例之模仁结构具有高机械强度、抗氧化、化学稳定性优良且容易脱模的特点。
请参阅图3，本发明第二实施例模仁20包括底材12、镀膜14以及夹于二者之间的中间层23。其中，底材12可由高强度的超硬合金、氧化物或碳化物陶瓷或金属陶瓷制成，包括由以下物质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。底材12之表面可初步形成大致接近预定形状，即大致接近待模压之光学玻璃产品相对应的形状，例如非球面形、半球面等。如此，可使得后续形成于底材12表面之中间层23及镀膜14亦具有与上述预定形状基本相同的结构，并由该模造面18构成模压凹槽16。这样，于实际制造时，上述模造面18可在该预定形状基础上进一步施以精密微细加工，容易获得所需精确形状及所需精度，降低加工难度及成本。中间层23可采用习知技术之材料，例如钽(Ta)、钨(W)金属等，其主要作用是增强镀层14之粘着性及稳定性，防止金属离子扩散至模压之玻璃产品。一般而言，中间层23的厚度可以较薄，例如小于1微米。
所述镀膜14是由碳化硅材料沉积而成，包括非晶质碳化硅21及纳米级结晶碳化硅22。非晶质碳化硅21是连续层，可作为纳米级结晶碳化硅22之基体；而纳米级结晶碳化硅22是离散或部分连续分布于整个非晶质碳化硅21基体中，其含量占镀膜14总量10％～40％(摩尔百分比)。纳米级结晶碳化硅22之粒径是纳米级，最好是在5～100纳米范围内。而镀膜14之厚度可在1微米至100微米范围内。
本实施例的制备方法可采用以下步骤：首先，底材12可通过烧结或其它加工方法制备而成，如上所述，底材12最好于此制备过程中初步形成预定之形状或接近此形状，以利于后续形成基本相同形状之镀膜14。然后，可采用溅镀方法直接于底材12表面形成厚度较薄的中间层23。再于中间层23表面形成镀膜14，方法包括等离子体化学气相沉积法或溅镀法，例如微波等离子体化学气相沉积法、共镀法及反应溅镀法等。最后，为达到更高精度，可进一步对镀膜14进行微细加工，最终获得所需之模造面18。
本实施例之模仁20，除具有与第一实施例相似之高机械强度、抗氧化、化学稳定性优良且容易脱模的特点之外，还进一步提高镀膜14之粘着性及稳定性，以及提高防止金属离子扩散能力的特点。
本发明上述实施例可适用于模造玻璃透镜，或其它光学元件。

Claims (10)

1.一种模造玻璃透镜的模仁，其包括：一模仁基体，其是由超硬合金或陶瓷制成，该模仁基体具有一表面；及一膜层覆盖于该模仁基体之表面；其特征在于，该膜层包括非晶质碳化硅连续基体及纳米级结晶碳化硅微粒分布于该非晶质碳化硅连续基体中。
2.根据权利要求1所述的模仁，其特征在于，该模仁基体是由SiC、Si、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co制成。
3.根据权利要求1所述的模仁，其特征在于，该膜层之结晶碳化硅微粒之粒径为5～100纳米范围内。
4.根据权利要求1所述的模仁，其特征在于，该膜层之厚度为1～100微米范围内。
5.根据权利要求1所述的模仁，其特征在于，该膜层中结晶碳化硅之摩尔百分含量为10％～40％。
6.根据权利要求1所述的模仁，其特征在于，该膜层之表面具有与待模压之玻璃透镜相对应之预定形状。
7.根据权利要求6所述的模仁，其特征在于，该膜层之表面形状包括半球面及非球面。
8.根据权利要求1所述的模仁，其特征在于，该模仁基体是烧结而成。
9.根据权利要求1所述的模仁，其特征在于，该模仁进一步包括一中间层，其夹于该模仁基体与该膜层之间。
10.根据权利要求9所述的模仁，其特征在于，该中间层之厚度小于1微米。
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