TW201200567A - TiAlN coatings for glass molding dies and tooling - Google Patents

Description

201200567 六、發明說明： 【韻^明戶斤屬之_技_彳椅領政^】 發明領域 本發明是針對在玻璃模製過程中使用的一系統，ϋ且 更具體地是針對在破璃模製過程中使用的一包括氮化鈦鋁 (TiAIN)塗層的系統。 t 4dir Jl 發明背景 精密玻璃模製廣闊地用於由玻璃來製造用於多種應用 (包括例如照相機、顯微鏡、以及准直儀）中的光學透鏡。在 製造玻璃的過程中常使用兩種方法來生產透鏡。一種方法 包括由玻璃而精密研磨一透鏡，而另一方法包括製備一用 於模製玻璃透鏡的高精度模具，由於相關聯的時間以及成 本節省，第二種方法被廣泛地用於高體積的透鏡。在這種 方法中，由於低反應性的玻璃連同低的模製溫度（即小於 600°C ) ’所使用的典型的模具材料為wc-Co。在一些實例 中，該模具材料可以包括或可以不包括一塗層，如一個類 鑽石碳(DLC)塗層。然而，透鏡生產商正轉向包含反應性元 素(如氟、鉀、鈉、鋁、磷、鍺）的玻璃組合物並且因此要求 在更高的模製溫下進行加工。這樣做的過程中，他們已發 現目前的WC-Co模具材料和/或其上的塗層在更高的溫产 條件下並不表現得令人滿意，這是由於該模具材料 又 層在高溫下是不穩定的和/或由於該模具材料和〔或塗 玻璃發生了反應。 或塗層與 3 201200567 典型地’石夕酸鹽和非矽酸鹽玻璃由於它們的寬範圍的 光學特性已經得到使用，這進而有助於創造用於各種各樣 應用的透鏡°然而，該等玻璃中的一些具有較高的軟化溫 度和/或呈現出較高的反應性。因此，儘管目前使用基於 WC-Co模具和/或塗層的精密玻璃模製方法對於在較低軟 化度下和/或用較小反應性的玻璃進行模製可能是成功 的’但是該等材料在高於600oC的溫度下並且關於更大反應 性的玻璃仍然會失效。 此外’已經考慮了多種塗層，如TiN、Ti-B-C-N、 N卜 Al-N、Mo-M(其中 μ為 Re、Hf、Tc 或 Os)以及 Pt-Ir。然而， 對該等塗層巾的-些的測試已賴示它們不能在高於600 °c的溫度下處理反應性玻璃。此外，基於pt或貴族金屬的 塗層是高不可及的昂貴。 除了該塗層對反應性玻璃呈現出惰性之外，同樣重要 的疋X塗層不使模具的輪廓精度改變大於一關鍵量，同時 還保持必要的表面光潔度。該輪縫度是指形成的模具在 該模具上的任何—點處與公式確定的幾何表 面的偏差。典 型地，所允許的輪廓精度偏差小於G.5 μπι。此外，-塗覆 的模具的表料潔度典型地小於5⑽。如綠廊精度或者 表面光潔度偏離了該等可接受的·，那麼該等透鏡的光 學性能可能受損。 用來實現所希望的輪廊精度和表面光潔度的一方式為 將塗f限制在某個厚度並且使用例如—薄的塗層。然而， 關於薄塗層的-問題’尤其是在較高溫度下，為基底中的 201200567 黏合劑和其他物種穿過該塗層的顯著擴散。該等擴散的物 種進而與玻璃發生反應並且導致模具的失效。可替代地， 可以將一更厚的塗層沉積在基底上以避免此類問題。然 而，更厚的塗層經常要求塗覆後的操作，例如拋光，以便 實現所要求的輪廓和/或表面光潔度。然而，此類塗覆後操 作對模具增加附加成本並且增加了該等模具的生產時間。 因此，對於用於精密玻璃模製操作的、在高的模製溫 度下為化學上惰性的一有成本效益的材料系統存在著一種 需要。 【發明内容】 發明概要 一塗層組合物包括TiAlxNy，其中X為約0.7-1.5，如 0.8-1.2，並且y為約 2.0-3.0，如2.2-3.0，並且如2.2-2.7。在 多個實施方式中，一基底塗覆有一 TiAlxNy組合物，其中X 為約 0.7-1.5，如0.8-1.2，並且y為約 2.0-3.0，如2.2-3.0，並 且如2·2-2·7。該基底可以具有小於約1.0 μιη的塗層厚度。 其他實施方式為針對用於精密玻璃模製的一系統。該 系統包括一基底以及在其至少一部分上的一塗層。這個塗 層包括TiAlxNy，其中X為約0.7-1.5，如0.8-1.2 ;並且y為約 2.0-3.0,如2.2-2.7。該基底可以包括小於該基底總重量1.2% 的次要組分。該次要組分可以包括例如姑、鉻、或鎳中的 至少一種。該基底可以包括具有小於1.2 wt.%次要組分的碳 化一嫣（monotungsten carbide)。該塗層厚度可以小於約1 ·0 μπι，例如是約0.5 μπι。該塗覆的基底的表面粗糙度(RMS) 201200567 可以大於是小於約5 nm。該塗覆的基底可以具有小於約0.5 μιη的輪廓精度。該系統還可以包括在該基底與該塗層之間 的一中間層。該中間層可以包括具有小於約1.2 wt.°/〇次要組 分的碳化鎢、鶴、或者它們的一組合。 其他實施方式為針對塗覆一基底的一種方法。該基底 可以包括小於1.2 wt.°/。的次要組分並且該塗層可以包括 们八1}{；^，其中乂為約0.7-1_5，如0.8-1.2;並且7為約2.0-3.0, 如2.2-2.7。該塗層厚度可以小於約1.0 μιη，例如是約0.5 μπι。該方法可以進一步包括對該塗覆的基底進行表面處 理。該方法可以進一步包括在塗覆該基底之前施加一中間 層。該中間層可以包括碳化鶴、鎮、或者它們的一組合。 本發明的該等以及其他方面將在下面的說明中變得更 清楚。 圖式簡單說明 第1Α和1Β圖為具有一 DLC塗層的基底分別在熱處理 之前和熱處理之後的顯微照片。 第2Α和2Β圖為具有一TiN塗層的基底分別在熱處理之 前和熱處理之後的顯微照片。 第3A和3B圖為具有一根據本發明的TiAIN塗層的基底 分別在熱處理之則和熱處理之後的顯微照片。 第4圖為與玻璃組合物A相接觸的、塗覆有一根據本發 明的塗層的基底顯微照片。 第5圖為與玻璃組合物B相接觸的、塗覆有一根據本發 明的塗層的基底顯微照片。 6 201200567 第6A和6B圖為與玻璃組合物B的玻璃相接觸的、塗覆 有Ti 16AI27N57的基底分別在暴露於面溫之前和之後的顯微 照片。 第7A和7B圖為與玻璃組合物B的玻璃相接觸的、塗覆 有D L C的基底分別在暴露於高溫之前和之後的顯微照片。 第8A和8B圖為與玻璃組合物B的玻璃相接觸的、塗覆 有TiN的基底分別在暴露於高溫之前和之後的顯微照片。 C 方也方式J 較佳實施例之詳細說明 在描述本發明的材料、方法、以及系統之前，應當理 解本揭露不受限於所描述的具體方法以及材料，因為該等 可以改變。還應該理解本說明書中所使用的術語只是為了 描述該等特定的形式或實施方式的目的、而不是旨在限制 該範圍。例如，除非上下文明確地另有說明，如在此和所 附申請專利範圍書中所使用的單數形式“一”、一個”、‘‘一 種”和“該”包括複數的指代物。例如，儘管在此提及的是“一” 模具、“一”塗層、“一”玻璃等等，但是可以使用該等或任 何其他部件中的一個或多個。此外，如在此使用的詞語“包 括”旨在表示“包含但不限於”。除非另外限定，在此使用的 所有技術的或科學的術語具有與熟習該項技術者通常理解 的相同的含義。 本發明總體上是針對在精密玻璃模製過程中使用的化 學上惰性的材料系統。該系統包括一基底以及一塗層。在 多個實施方式中，該系統可以包括在該基底與該塗層之間 201200567 的一中間層。 該基底可以是任何模具、毛述、半光製的或光製 (finished)的物品。在多個實施方式，該基底為模型或模具 _)。該系㈣適當基底包括高純度的材料。在辣實施 方式中，該高純度基底材料具有小於該基底總重約 1.2 wt.°/c 的次要組分，如小於胸wt.%的次餘分。次要組分可以 包括例如錄，、鉻、鈦、姑等，連同雜質如鐵、 等。 用於基底的合適㈣可以包括碳化鎢、鎢料。例如， 該基底可以是具有不大於約12 wt·%次要組分的一種碳化 嫣材料。在其他多個實施方式中，—種碳化鶴基底可以具 有小於約0.45机％祕，例如小於約G 4 wt %雜。然而， 在”他夕個實施方式中，-種碳化鎢基底可以具有小於約 i.Owt.%的鉻，例如小於約0 95 wt %的鉻。 在夕個實施方式中，該基底可以是具有等於或接近化 予。十量學的石厌、低的黏合劑含量 '低的雜質含量、以及小 於約〇·5微米的均-標稱晶粒大小的—種碳化鶴基底。在一 貫施方式中，該基底是具有約6 〇6糾13 wt %的碳、約 〇·20 wt.%-〇.55 wt·%的晶粒生長抑制劑、小於約〇 25 wt 〇/〇 的黏合劑、小於約0.6 wt.%的雜質、並且餘量為鎢的一種碳 化鎢材料。該碳化鎢基底可以具有小於約〇 5微米（如約〇 25 至0.4微米）的標稱晶粒大小。該黏合劑成分可以是從約0.1 wt·%至0.15 wt.%的鈷。碳含量可以是從約6 〇9 wt %至6 10 wt·%。該碳化鎢基底可以主要由碳化一鎢構成。該晶粒生 8 201200567 長抑制劑可以是碳化鈒、碳化鉻、碳化銳、或者它們的一 組合。該碳化鎢基底可以具有的密度為至少98%的理論密 度以及小於2%的空隙體積。適當的高純度碳化鎢材料包括 在2009年11月1〇日提交的名稱為“inert j^gh Hardness Material for Tool Lens Production in Imaging Applications” 的美國專利申請號12/615,885的段落[0021]至[0040]中說 明的那些，將該申請的該等部分藉由引用結合在此。 該基底可以是光製的或者半光製的，並且基底的表面 粗縫度和輪_度可以被控制。在多個實施方式中，該基 底可以具有小於約1〇 nm(如小於約5 nm)的表面粗糙度（如 藉算術平均值或者均方根值所測量的）。此外，該基底的 輪廓精度可以小於約〇 5 μπι，如小於0.3輪廟精度是藉 由如熟習該項技術者所瞭解的接觸型輪廊測量儀所測量 的0 °亥系統進—步包括一塗層。該系統的塗層包括-個氮 化鈦銘塗層。這個塗層的化學計量學為倾^，其中X為約 二並且y為約2〇_3 〇。在其他多個實施方式中，該塗層 可以疋TlA1°·8.丨2N22.3.q ’例如TiAW丨·2Ν2.2·2.7。在多個實施 :式中’該系統可以包括多於一個的塗覆層。不受一種理 束專理論上是額外的氮藉由鈍化該表面來對抗所獲取 的氧而進行穩定化。 〜及塗層可以被施加在該基底的至少—部分上。在多個 ΓΓ方^ ’該塗層可以被施加在和/或覆蓋在該基底的整 品域可以將该塗層施加在基底上使得以熟習該項 201200567 技術者瞭解的多種方式來實現_緻密 層塗敷到基底上_當方法包括但不·、塗層°將該塗 電 ㈣射、等離子體增強的CVD、離子電發過據式電弧、磁 弧沉積。 、χ等、連同陰極 基底上的塗層的厚度可以是小於約 〇·7 μηι，並且諸如小於約〇 5 μπι。該塗層 。小於約 性地維持了未塗覆的模具的該等表施加為使得實質 在多個實施方式中，該塗覆的基底輪廓精度。 於約〇.5_，如小於…叫(例如使用精度可以小 所測得的V處於沉積態賴塗層的表面1輪廓測=儀 平均值或者㈣根絲測量的）可以小1 4 11由算術 'Mnm，如小於約 諸位發明人已經出乎意料地發現如在此說明的一亞微 米的薄TiAIN塗層可以用於高溫玻璃模製應用、並且在夕個 實㈣式中可以消除塗覆後的加卫步驟。這種行為^ ^ 用一高純度基底和/或一塗層化學計量學和/或如在此說明 的厚度得以實現。不受-種特定_論_，諸位發明人 已經發現甚至是在高溫下基底中的次要組分（如鈷和其他 物種）的擴散受到在此說明的塗層的使用所限制。因此，諸 位發明人已經發現，在一向純度基底上包括如在此說明的 —薄的氮化鈦鋁塗層的系統證明了意外的並且優越的特 性，包括例如對於在高溫下和/或使用反應性玻璃的玻璃模 製應用而言的惰性。 在其他的實施方式中’該系統可以包括一基底和至少 201200567 ㈣I! 一塗層。該中間層可以與在此說明的基底 材料或者任何其他適當的基底材料並且與在此說明的塗層 一起使用。縣少—㈣_可以是—擴散卩讀層並且位 於基底與塗層之間。適當財間層包括高純度材料，如具 有不大於1.2 wt.%次要成分的碳化鶴、鶴、或者它們的一組 合。 、 在其他多個實施方式中，本發明為針對製造一用於精 密玻璃模製的模具的—方法。該模具可以在高溫下和/或與 反應性破璃—起使用。财法可吨㈣備和/或製造-基 底。該基底可以按如熟f該項技術者瞭解的任何方式來製 造以便實現—緻密的和/或無缺_基底。在多個實施方式 中，。該基底可以具有的密度為至少98%的理論密度以及小 於^%的空隙體積。該基底可以是一高純度碳化鶴基底，其 中次要組分和雜質的總量大約小於l2wt%。該次要組分可 以^㈣、鎳、鈒、鉻、鈦等等，連同雜質如鐵、的和卸。 在一實施方式巾，該基底可以主要由碳化-鶴構成。在生 產二基底之後，該方法可以包括—光製步驟。例如，該基 - °、藉由熟習該項技術者瞭解的任何方法來進行光製。 的表面光潔度或粗链度可以是小於約5 nm。該基底 的輪廊精度偏差為小於約G.3 μηι。在其他的實施方式中， °玄方法可以包括另外的多個加工步驟，諸如用於去除研磨 、’文理和/或促進塗層黏附性的一表面處理。 後垓方法可以包括將一塗層施加在該基底上。該塗 層可以具有_71鳥。3。的組成，如TiA^_l爲μ。。該 201200567 塗層的厚度可以是約小於1.0 μΐΏ，如小於0.7 μηι，並且如 小於0.5 μιη。該塗層被施加為使得該沉積態的塗覆的基底 表面保持和/或具有與未塗覆基底的基本上相同的表面光 潔度以及輪廓精度。在多個實施方式中，該塗覆的基底具 有小於約5 nm的表面粗縫度。該塗層可以藉由如熟習該項 技術者理解的任何方法沉積在該基底上。適當的方法包括 過濾式電弧或磁控濺射PVD技術連同等離子體增強的 CVD、離子電鍍及類似方式、以及陰極電弧沉積中的任何 變體。 在其他多個實施方式中，該方法可以包括製備一基 底、施加一中間層並且將一塗層施加在該中間層上。該基 底可以是任何材料。例如，該基底可以具有小於1.2 wt.%的 次要組分含量。該中間層可以是一擴散阻擋層。適當的中 間層包括在此說明的高純度碳化鎢、鎢、或者它們的一組 合。該高純度碳化鎢中間層可以具有小於1.2 wt.%的次要組 分含量。該塗層可以具有TiAlo.715^.0-3.0的組成，如 TiAl〇. 8-1.2N2.2-2.70 在多個實施方式中，可以施加多個中間層 和/或多個塗覆層。該方法可以任選地包括在製備基底之 後、施加該中間層之後、和/或在施加該塗層之後的多個表 面光製步驟。表面光製步驟包括例如表面處理。該塗覆的 基底優選地具有與未塗覆的基底的表面粗糙度基本上類似 的表面粗縫度。 以下該等實例旨在闡釋本發明並且不應解釋為以任何 方式限制本發明。

S 12 201200567 實例 第一個試驗檢驗了在670°C的模製環境下（流動的氮氣;I 沒有玻璃存在時本發明的塗層與常規的塗層（DCL以及TiN) 相比的穩定性。所使用的基底為一具有小於〇 5 wt %的總次 要組分並具有小於0.2 wt,%的鈷的碳化鎢基底。將三個基底 塗覆上三個不同的塗層，並且然後測試穩定性。第一基底 塗覆有DLC(類鑽石碳），第二基底塗覆有TiN(Ti5〇N5〇)，並 且第三基底塗覆有具有化學計量學Ti22Ai22N55的本發明的 塗層。該等對比塗料DLC和TiN是從商販那獲得的。然後對 該等已塗覆的基底測試高溫度下的穩定性。 對該等樣品單獨地在一帶有流動的超高純氮氣(UHP N2)的管式爐(模擬了模製玻璃的條件）中進行測試。將各個 樣品引入該爐的熱區並且在約670°C的溫度下保持4分鐘並 且然後冷卻下來。 第1圖、第2圖以及第3圖分別是碳化鎢基底上的DLC、 TiN、以及本發明的TiAIN塗層在670°C下的熱處理之前和之 後的SEM顯微照片。第1A圖示出了在熱處理之前的塗覆態 的DLC碳化鶴基底並且第1B圖示出了在熱處理之後的相同 材料。如第1A圖中所示的熱處理之前DLC塗覆的碳化物材 料的測得的表面粗糙度(RMS)為2 ± 1 nm並且在如1B中所 示的熱處理之後的是大於200 nm。處理之前與之後表面粗 縫度的急劇變化清楚地展示了該塗層的廣泛降解以及因此 DLC塗層在高溫下的不穩定性。 第2A圖展示了在熱處理之前塗覆態的TiN塗覆的碳化 13 201200567 嫣基底並且第2B圖示出了在熱處理之後的相同材料。如第 2A圖中所示的TiN塗覆的基底的測得的表面粗糙度(RMS) 為7 ± 1 nm，並且如第2B圖中所示的熱處理後的是62 ± i nm。該TiN塗覆的基底的表面粗糙度上的差異還證明了該 塗層的不穩定性，如由該塗層的至少部分的降解所證明的。 第3A圖展示了在熱處理之前塗覆態的本發明的 TirAInNsMTiAhN2.5)塗覆的碳化鶴基底並且第3B圖示出了 在熱處理之後的相同材料。如第3A圖中所示的TiAiN塗覆 的基底的測得的表面粗糙度(RMS)為1 ± 1 nm，並且如第3B 圖中所示在熱處理後的為2 ± 1 nm，由此證明了本發明的塗 層在咼/JDL下的極小的變化或者反應性和/或降解。具體地 講’第3B圖展示了熱處理之後該塗層的極小的降解(若有的 話）。此外，本發明的塗層證實了顯著低於DLC和TiN塗層 的反應性和/或塗層降解。 進行了第一個試驗利用兩種反應性玻璃組合物來測試 本發明的塗層的惰性。玻璃組合物A是在55〇t：的最大溫度 下模製成的一非矽酸鹽玻璃，而玻璃組合物B是在65〇。〇的 最大溫度下模製成的-含氟和鉀的矽酸鹽玻璃。在這兩種 反應性玻璃組合物中，玻璃組合物B比玻璃組合物A更具反 應性’因為它具有更高的軟化點並且因為另外的元素氣和 狎的存在。料玻璃的組成是藉由能量分散χ射線光譜法 (EDS)來測定的並且在表1中列出。 201200567 表1 玻璃組合物A 玻璃組合物B 元素 EDS組成（以％計） 元素 EDS組成（以％計） 0 65 0 63 P 12 F 7 Ge 3 Si 22 Nb 10 K 8 W 45 Bi 45 在本試驗中，測試了在高溫下當與各種玻璃組合物相 接觸時高純度基底上的本發明的塗層的穩定性以及惰性。 所使用的本發明的塗層為如在表2中所展示的Ti22Al22N55。 將一0.3 μηι的塗層施加在一個碳化鎢基底上，該碳化鎢基 底具有小於0.5 wt.%的次要成分，該次要成分具有小於0.2 wt.%的鈷。 在一帶有流動的UHP N2的管式爐(模擬了玻璃模製的 條件）中進行高溫穩定性以及惰性試驗。將各個已塗覆碳化 鎢的基底引入該爐的熱區並且在約650°C的溫度下保持4分 鐘並且然後冷卻下來。為了測試惰性，在試驗過程中將每 種組合物的一塊玻璃分別置於在已塗覆的基底上。以這兩 種不同玻璃組合物在各個已塗覆的基底將這個週期重複5 次。藉由對表面的肉眼觀察、掃描電子顯微鏡術、以及EDAX 組成分析來確定玻璃與塗層的反應。在測試之前以及之 後，藉由基於非接觸型鐳射的光學輪廓儀測量結果來確定 該塗覆的基底上該等塗層的表面粗糙度。例如，藉由光學 輪廓測量儀測量了引起樣品表面粗糙度變化的任何表面反 15 201200567 應。結果示出在表2中。 表2 樣品 塗層 接觸了 溫度 (°C) 初始的 RMS 之後的 RMS EDAX 本發明的 ΤΪ22ΑΙ22Ν55 玻璃組合物A 550 1 2 Tl23Al23N54 本發明的 Τ122ΑΙ22Ν55 玻璃組合物B 650 2 3 TI22AI22N56 可以看到，本發明的塗層證明了在高溫下連同當與兩 種反應性玻璃組合物相接觸時的惰性以及穩定性。在暴露 於高溫之後’與玻璃組合物A相接觸的本發明的塗層的化學 組成由EDAX測疋的為丁丨23八丨231^54。化學上極小的變化證明 了在高純度基底上的本發明的塗層在高溫下的相對穩定 性。此外，在暴露於高溫之前這個樣品的測得的表面粗糙 度(RMS)是約1 nm，而在暴露之後是約2nm。第4圖是在暴 露於550°C之後與玻璃組合物A相接觸的本發明的塗層的 SEM顯微照片。如第4圖中所示的，在熱處理之後表面粗糙 度的變化是極小的（與展示了熱處理之前的塗覆的基底的 第3A圖相比），進一步證明了該塗層在高溫下的穩定性。再 者，這個樣品的表面粗糙度以及化學組成上的極小變化證 明了本發明的組合物即使在與一反應性玻璃相接觸時並且 在高溫下的穩定性以及惰性。 第5圖是在暴露於650°C之後與玻璃組合物B相接觸的 本發明的塗層的SEM顯微照片。在暴露於高溫之前這個樣 品的測得的表面粗糙度是約2 nm，而在暴露之後是約3 nm。由EDAX所測得在暴露之後該塗層的組成為 Ti22_Al22N56。再者，這個樣品的表面粗糙度以及化學組成

S 16 201200567 上的極小變化證明了本發明的組合物即使在與一高反應性 玻璃相接觸時並且在高溫下的穩定性以及惰性。 以下試驗將本發明的塗層與表3中示出的三種對比塗 層在更具反應性的玻璃組合物（玻璃組合物B)存在下的穩 定性以及惰性進行了比較。所使用的本發明的塗層為 Ti22Al22N55。將該等塗層施加在具有小於約0.5 wt.%次要組 分的一個碳化鎢基底上，其中次要成分具有小於0.2 wt.°/〇的 鈷。各個基底上該等塗層的厚度為約0.3 μιη。 對於具有表2中列出的該等組合物的對比塗層A-C，進 行了如以上說明的一對於穩定性和惰性的類似測試。確切地 說，使本發明的樣品以及多個對比樣品與玻璃組合物Β (該 更具反應性的玻璃）在氮氣環境下在650°C的溫度下接觸4 分鐘並然後冷卻下來。對於每個樣品將這個週期重複五次。 表3 樣品 塗層 溫度 rc) 初始的 RMS 之後的 RMS EDAX 本發明的 TI22AI22N55 650 2 3 Tl22Al22N56 對比A TII6AI27N57 650 2 >200 Ti 11AI20S13K2N \ 7〇47 對比B DLC 650 2±1 >200 基底：W20C20; C]〇〇5〇 對比C TiN 650 5±1 59±1 T131K3O66 對比A樣品是具有一 Ti16Al27N57塗層的基底。第6A圖是 對比A樣品在暴露於高溫之前的SEM顯微照片，並且第6B 圖展示了暴露於高溫之後的該樣品。對比A樣品的初始表面 粗糙度是2 nm並且在暴露於高溫之後是大於200 nm。由 EDAX所測得在暴露於高溫之後對比A的塗層的組成為 17 201200567

TinAkShK^NnO47。富含鋁的塗層易於氧化並且與該反應 性玻璃組合物發生反應、並且因此具有減小的惰性。 對比B樣品是一塗覆有DLC的基底。第7A圖是在暴露 於高溫之前具有2 ± 1 nm表面粗糙度的對比B樣品的SEM 顯微照片。第7B圖是在高溫暴露之後並且具有大於2〇〇nm 表面粗糙度的該相同樣品的SEM顯微照片。此外，在熱處 理之後藉由EDAX所測得的組成包括對該基底的一種分 析，因為該塗層是處於這樣一降解過的狀態。 對比C樣品是一塗覆有TiN的基底。第8A圖是在暴露於 尚溫之前並且具有5 ± 1 nm表面粗糖度的對比c樣品的 SEM顯微照片。第8B圖是在暴露於高溫之後並且具有69 ± 1 nm表面粗縫度的對比c樣品的SEM顯微照片。熱處理之後 測得的EDAX組成證明了化學組成上相當顯著的變化。因 此，存在該塗層在高溫下的較高程度的不穩定性以及與反 應性玻璃的反應性。 如至少藉由暴露於高溫之後表面粗縫度的實質性增加 所看到的，對比A - C樣品的塗層在高溫下具有顯著的不穩定 性連同與反應性玻璃的相互作用和/或反應性。 此外，如以上所討論的並且在第5圖中所見的，具有 1:1:2.5原子比的本發明的TiAIN塗層（Ti22Al22N55)保持了其 表面光潔度以及組成。此外’熱處理之後的EDAX分析證明 了在組成上的極小變化。因此’本發明的塗層在高溫下是 高度穩定和惰性的。相比之下，如第6B圖中所示，具有的 原子比為1:1.7:3.6的TiAIN塗層、連同分別是DLC和TiN塗層 201200567 的第化和_顯示了在暴露於高溫之後與玻璃組合物b的 玻璃的相互作用。由TiN'TiAIN、以及富含八丨的^八1\塗層 上的試驗，已確定當Ti:Al原子比明顯偏離1:1時，該塗層的 反應性增大。料試驗結果進-步證明，在具有小於約5nm 的表面光潔度以及一精密玻璃模製用磨具的小於約〇 5 μηι 的輪廓公差的高純度WC基底上的、如在此說明的一薄的 (例如小於0·5 μπι)ΉΑ1Ν塗層在模製操作過程中保持了對較 高溫度反應性玻璃的惰性。 因此，本發明的塗層有效地提供了更高的玻璃產品質 量以及生產率、有可能的更高玻璃模製工藝溫度而沒有模 具疲勞或者失效、玻璃產品的尺寸公差的更嚴密的控制、 更長的模具及工具使用壽命、以及更低的模具製造成本， 因為在該系統中使用的該等更便宜的元素。 在此說明的系統產生了在高溫下抗氧化並且耐磨損的 成型工具、並且進一步提供了玻璃不會黏到其上的表面。 工具中的該等特性允許無中斷和材料損失地生產玻璃部 件，並且因此將顯著擴大工具的壽命以及玻璃產品的質量 和生產率。這種新的塗層構造和設計特別適合用於精密玻 璃模製或者成型過程’並且同時在此預期該塗層和/或系統 可以在用於模製精密玻璃透鏡（用於成像應用）的工具加工 (例如模製反應性玻璃和/或在高溫下模製玻璃）中使用，它 不限於此類應用。該塗層和/或系統的另外的用途包括但不 限於鐘射准直儀透鏡的模製、要求完全緻密的、高硬度碳 化鎢的其他物品以及鏡子的模製。 19 201200567 雖然，出於解說目的已經在上面說明了本發明的多個 具體實施方式，但是對於熟習該項技術者而言明顯的是可 以進行對本發明的細節的多種變更而並不背離如所附申請 專利範圍中限定的本發明。 t圖式簡單說明3 第1A和1B圖為具有一DLC塗層的基底分別在熱處理 之前和熱處理之後的顯微照片。 第2A和2B圖為具有一TiN塗層的基底分別在熱處理之 前和熱處理之後的顯微照片。 第3A和3B圖為具有一根據本發明的TiAIN塗層的基底 分別在熱處理之前和熱處理之後的顯微照片。 第4圖為與玻璃組合物A相接觸的、塗覆有一根據本發 明的塗層的基底顯微照片。 第5圖為與玻璃組合物B相接觸的、塗覆有一根據本發 明的塗層的基底顯微照片。 第6A和6B圖為與玻璃組合物B的玻璃相接觸的、塗覆 有Ti 16AI27N57的基底分別在暴露於尚溫之前和之後的顯微 照片。 第7A和7B圖為與玻璃組合物B的玻璃相接觸的、塗覆 有DLC的基底分別在暴露於高溫之前和之後的顯微照片。 第8A和8B圖為與玻璃組合物B的玻璃相接觸的、塗覆 有TiN的基底分別在暴露於高溫之前和之後的顯微照片。 【主要元件符號說明】 (無）

S 20

Claims (1)

1. 201200567 七、申請專利範圍： 1. 種包括TiAlxNy的塗層組合物’其中，X為約〇.7_ι.5並 且y為約2.2-3.0。 2·如申請專利範圍第i項所述之塗層組合物，其中，χ為約 0.8-1.2 。 3.如申請專利範圍第丨項所述之塗層組合物，其中，y為約 2.2- 2.7 。 4· 一種塗覆有申請專利範圍第丨項所述之塗層組合物的基 底。 5.如申請專利範圍第4項所述之基底，具有小於約！.〇 μηι 的塗層厚度。 6·—種用於進行精密玻璃模製的系統，包括： 一基底；以及 在該基底的至少一部分上的一塗層，其中該塗層包 括TiAlxNy，其中’ χ為約on 5並且y為約2 〇 3 〇。 7.如申請專利範圍第6項所述之系統，其中，χ為約 0.8-1·2 〇 8·如申請專利範圍第6項所述之系統，其中，y為約 2.2- 2.7 。 9. 如申請專利範圍第6項所述之系統，其中，該基底具有 小於約1 ·〇 μηι的塗層厚度。 10. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其t，該塗層厚度 為約 0.5 μηι。 U.如申請專利範圍第6項所述之系統，其申，該塗覆的基 21 201200567 底的表面粗糙度(RMS)為大約小於約5 nm。 12. 如申請專利範圍第6項所述之系統，其中，該經塗覆之 基底具有小於約0.5 μηι的輪廓精度。 13. 如申請專利範圍第6項所述之系統，其中，該基底包括 具有小於1.2%的次要組分的碳化鎢、鎢、或者其等之一 組合。 14. 如申請專利範圍第13項所述之系統，其甲，該次要組分 包括姑、絡、或錄中的至少一者。 Κ如申料職圍第6項職之系統，其中，該基底包括 具有小於1.2 wt.%的次要成分的碳化—鎢。 16·—種方法，包括： 將-塗層施加》卜基底上，其中該基底包括具有小 於1.2 vvt.%次要組分的碳化鶴、鶴、或者其等之一組合， 並且其中’該塗層包括制xNy，其中以約。7七並且丫 為約 2.2-3.0。 1入如申請專利範圍第16項所述之方法 並且y為約2.2-2.7。 α如申請專利範圍第16項所述之方法，其中，該塗心 小於約1.0 μιη。 19·如申請專利範圍第16項所述之方法，其中，該次要4 包括鈷、鉻、或鎳中的至少—者。 、 2〇.如申請專利範圍第16項所述之方法，其進一步包㈣ 覆該基底之前施加-中間層，其中該中_包_ 鎢、鎢、或者其等之一組合。 S