TW201739704A - 塑形玻璃基材料之具高溫用途之塗層之模具 - Google Patents

塑形玻璃基材料之具高溫用途之塗層之模具

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Abstract

本發明揭示一種具有多層式塗層的模具。該模具可包括模具主體，該模具主體具有外表面及配置在該外表面上的多層式塗層。該多層式塗層可包括配置在該模具主體之外表面上的擴散阻障層及配置在該擴散阻障層上的介金屬層，其中該介金屬層包含Ti、Al及附加金屬，該附加金屬可選自於由Zr、Ta、Nb、Y、Mo、Hf及上述金屬之組合物所構成的群組中。該擴散阻障層可限制金屬從該模具主體擴散至該介金屬層。

Description

塑形玻璃基材料之具高溫用途之塗層之模具
此申請案依據專利法主張享有2016年1月20號申請之美國專利臨時申請案第62/280885號的優先權，本案仰賴該案內容且該案內容以引用方式全文併入本案。
本案說明書大體上有關用於塑形玻璃基材料的模具，且更明確言之，是關於在塑形玻璃基材料中可用於高溫用途之具有塗層的模具。
藉著將玻璃加熱至呈黏彈性狀態並使該玻璃與模具接觸可形成三維(3D)形狀的玻璃製品。然而，使用高軟化點的玻璃組成物(例如，鹼鋁矽酸鹽玻璃組成物)來形成三維形狀的玻璃製品頗具難度。例如，某些玻璃組成物具有高軟化點(有時候高於900°C)，該種玻璃需要加熱至較高溫度以達到適合用來成形的黏彈性狀態，故而會讓精密模鑄製程變得更加困難。此外，某些玻璃組成物含有高的鈉百分比含量(舉例而言，例如高於10莫耳%)。鈉在高溫下可能具有高移動性及反應性。在高溫下使模具表面與鈉接觸可能會使模具表面劣化，且從而降低所鑄成之玻璃的品質。再者，特定的污染物(例如來自模具中的污染物)可能在玻璃中造成鑄疵(pitting)。玻璃沾黏在模具表面亦可能造成鑄疵，在鑄疵情形中，玻璃與模具間的結合強度超過玻璃的強度，會因為所謂的「拔出動作(pullouts)」而在玻璃中產生凹狀缺損(divot)。在3D模鑄玻璃表面上可觀察到其他外觀上的缺陷(例如，沾污及/或劃痕)，特別是當使用高成形溫度及較長接觸時間時更是如此。
因此，目前需要可在塑形玻璃基材料時適用於高溫的具塗層模具。
在第一態樣中，模具包括模具主體，該模具主體具有外表面及及配置在該外表面上的多層式塗層。該多層式塗層包括配置在該模具主體之該外表面上的擴散阻障層及配置在該擴散阻障層上的介金屬層(intermetallic layer)，其中該介金屬層包括Ti、Al及選自於由Zr、Ta、Nb、Y、Mo、Hf及上述金屬之組合物所構成之群組中的附加金屬。該擴散阻障層限制金屬從該模具主體擴散至該介金屬層。
在根據第一態樣所做的第二態樣中，該多層式塗層還包括過渡層，該過渡層配置在該擴散阻障層與該介金屬層之間，其中該過渡層包括氮含量變化，該氮含量變化是在該過渡層最靠近該擴散阻障層處之部分中具有較高的氮莫耳含量及在該過渡層最靠近該介金屬層處之部分中具有較低的氮莫耳含量。
在根據前述任一態樣所做的第三態樣中，該介金屬層包括該附加金屬含量的變化，該附加金屬含量的變化是在該介金屬層最靠近該擴散阻障層處之部分中具有較低的該附加金屬莫耳含量及在該介金屬層距離該擴散阻障層最遠處之部分中具有較高的該附加金屬莫耳含量。
在根據前述任一態樣所做的第四態樣中，該多層式塗層還包括配置在該介金屬層上的氧化(oxidezed)介金屬層。
在根據前述任一態樣所做的第五態樣中，該多層式塗層中之鈦莫耳含量與鋁莫耳含量的比值在約0.67至約1的範圍間。
在根據第一態樣至第四態樣中之任一態樣所做的第六態樣中，該多層式塗層中之鈦莫耳含量與鋁莫耳含量的比值約為1。
在根據第一態樣至第四態樣中之任一態樣所做的第七態樣中，該多層式塗層中之鈦莫耳含量與鋁莫耳含量的比值大於或等於約0.67且小於約1。
在根據前述任一態樣所做的第八態樣中，該介金屬層中之鈦及鋁的莫耳濃度總和大於或等於該介金屬層中之該附加金屬的莫耳濃度。
在根據第一態樣至第七態樣中之任一態樣所做的第九態樣中，該介金屬層中之鈦及鋁的莫耳濃度總和小於該介金屬層中之該附加金屬的莫耳濃度。
在根據前述任一態樣所做的第十態樣中，該多層式塗層亦包含配置在該介金屬層上的金屬層，該金屬層包括該介金屬層的該附加金屬。
在根據第十態樣所做的第十一態樣中，該介金屬層包括附加金屬含量的變化，該附加金屬含量的變化是在該介金屬層最靠近該擴散阻障層處的部分中具有較低的該附加金屬莫耳含量及在該介金屬層最靠近該金屬層處的部分中具有較高的該附加金屬莫耳含量。
在根據第十態樣或第十一態樣所做的第十二態樣中，該多層式塗層亦包括配置在該金屬層上的氧化金屬層。
在根據前述任一態樣所做的第十三態樣中，該附加金屬是鋯。
在根據前述任一態樣所做的第十四態樣中，該模具主體主要為選自於由鐵、鎳、鉻、銅、上述金屬之混合物及上述金屬之合金所構成之群組中的一金屬。
在以下實施方式中將舉出文中所述實施例的附加特徵及優點，且所屬技術領域中熟悉該項技藝者將可藉由所述內容而瞭解或藉著實施文中(包括以下實施方式、申請專利範圍及附圖中)所描述的實施例而領悟到部分的特徵及優點。
應明白，上述概要說明及以下實施方式兩者描述了各種不同實施例且意在提供概觀綜述或概念框架以供瞭解所請標的的本質與特性。所含附圖可針對各種實施例提供進一步的瞭解，且該等附圖併入本案說明書中並構成本案說明書的一部分。該等圖式示出本案中所述的各種實施例，且可配合所述內容用來說明所請標的的原理及操作。
現將詳細提及可用於塑形玻璃基材料之具塗層模具的各種實施例，且附圖中圖示出該等具塗層之模具的實例。盡可能地使用相同元件符號來代表所有圖式中相同或相似的部位。
以下說明內容是供據以實施的教示之用。為此，相關領域中熟悉該項技藝者將認知並瞭解到可對文中所述的各種實施例做出諸多變化，同時仍可得到有利的結果。亦明白，可藉著選用該等特徵中的某些特徵而無需用到其他特徵的情況下來得到該等所欲益處中的某些益處。因此，所屬技術領域中的從業人員將認知到可能可以且在某些情況下甚至可依期望對本發明實施例做出諸多修飾及調整，且該等修飾及調整為本發明內容的一部分。因此，以下說明內容是供示範說明之用且不應視為是限制。
在本案說明書及以下申請專利範圍中將提及大量術語且該等術語界定為具有如文中所述的意義。
除非另有說明，否則術語「約」意指該範圍中的所有數值。例如，約1、2或3相當於約1、約2或約3，且更進一步包括約1～3、約1～2及約2～3。針對組成物、成分、組成要素、添加物及諸如此類者所揭示的具體及較佳數值及其範圍僅作示範說明之用；該等數值及範圍不排除其他的界定值或所界定之範圍內的其他數值。本發明之組成物及方法包括該些具有文中所述之數值、具體數值、更具體之數值及較佳數值中之任一數值或該等數值之任意組合的組成物及方法。
除另有指明，否則文中所使用的不定冠詞「一」或「一個」及對應的定冠詞「該」意指至少一個或是一或更多個。
當用於本文中，「玻璃基(glass-based)」一詞包括玻璃及玻璃-陶瓷材料。
當用於本文中時，「基板(substrate)」一詞描述一種可製成三維結構的玻璃基片狀物。
大體而言，本案中揭示可用來塑形玻璃基材料的具有多層式塗層之模具。該等模具可用來將實質平坦的玻璃基基板或玻璃基片狀物塑形成三維玻璃基製品。在某些實施例中，該模具可包括模具主體，該模具主體具有表面及配置在該外表面之至少一部分上的多層式塗層。該模具主體的表面可具有與利用該模具塑形而成之玻璃基製品所期望之三維形狀一致的三維表面輪廓。在某些實施例中，可使用不只一個模具主體來形成一玻璃基製品。例如，可使玻璃基材料的正反兩面與兩個模具主體接觸。因此，在雙模具實施例中，在每個模具主體上可配置有多層式塗層。文中所述的多層式塗層可提高該模具的溫度耐受性(temperature resistance)、提供可降低對玻璃基材料之黏性的表面、降低表面粗糙度以減少或防止在該玻璃基材料上留下凹點、提供對於刮擦的耐磨損性，及/或保護下方的模具表面以便於在該模具表面需要接受再次加工之前，可重複進行剝除該模具塗層並重新塗覆塗層的作業數次，藉以提高模具壽命。
第1圖圖示示例性模具100的部分剖面圖，該模具100具有模具主體110，且該模具主體110具有表面112及配置在該表面112之至少一部分上的多層式塗層120。為求簡潔，第1圖中之模具100的部分剖面圖示出該模具主體110之表面112的平坦部分。然而，如上所述，模具主體110的表面112可具有三維表面輪廓，該三維表面輪廓與利用該模具100塑形而成之玻璃基製品所期望的三維形狀一致。
模具100可為任何能夠塑形熔融玻璃的適當模具。模具的實例包括但不限於例如鑄模等工具或其他壓製工具。模具主體110可包括任何能夠承受高溫(例如，760°C至900°C)的金屬或其他材料，例如耐火金屬、耐火陶瓷或諸如此類者。在某些實施例中，模具主體110可包括任何高硬度(例如洛氏硬度大於65B)的金屬或其他材料。高硬度可減少玻璃基材料隨時間對模具主體所造成的刮擦或磨損，及/或可提供阻止玻璃碎屑或其他污染物嵌入模具主體中的抗性(玻璃碎屑或其他污染物嵌入模具主體中可能會在已塑形之玻璃基材料的表面上造成印跡)。在某些實施例中，模具主體110可為金屬，該金屬可包括但不限於鐵、鎳、鉻及銅以及上述金屬的混合物及上述金屬的合金。在某些實施例中，模具主體110的表面112可主要包含選自於以下群組中的金屬：鐵、鎳、鉻、銅、上述金屬的混合物及上述金屬的合金。當用於本文中，「主要(predominantly)」意指一種金屬、金屬混合物或金屬合金，且其中超過50重量%的該金屬、該混合物或該合金是由選自上述群組中的金屬所組成。示例性的實例包括但不限於鑄鐵、鋼或鋼合金(例如，H13、S7及P20)、不鏽鋼309、不鏽鋼310及不鏽鋼420及鎳合金(例如，Hastelloy®合金，例如Hastelloy®214)及Inconel®合金(例如，Inconel®718或Inconel®600)。
在某些實施例中，多層式塗層120可包括配置在模具主體110之表面112上的擴散阻障層122及配置在擴散阻障層122上的介金屬層(intermetallic layer)124。本文所使用的「配置(dispose)」一詞包括使用所屬技術領域中任何已知方法在表面上塗覆、沉積及/或形成材料。「配置在……上」一詞包括在表面上形成材料而使該材料與該表面直接接觸的情況及亦包括在表面上方形成材料且在所配置的材料與該表面之間具有一或更多種中介材料(intervening material)的情況。
在某些實施例中，擴散阻障層122可包括氮化物，例如TiAlN、TiAlSiN、TiN、AlN、TiAlXN(其中X可包括金屬，例如，但不限於Nb、Zr、Y、Mo或Hf)或上述氮化物之組合物。在某些實施例中，擴散阻障層122可包含超過約30%的氮莫耳含量。可使用電子微探針或使用X射線光電子能譜儀(XPS)來量測該氮莫耳含量。擴散阻障層122可限制金屬從該模具主體110擴散至該多層塗層的最外層。如文中所述，來自模具主體110的金屬(例如，Ni或Cr)在高溫下可能會移動，且該等金屬出現在該多層式塗層的最外層中可能會造成缺陷，例如鑄疵。此外，在塑形玻璃基材料期間，擴散阻障層122亦可限制該移送到模具100之最外層處的玻璃材料從該模具100的最外層擴散至模具主體110。某些玻璃材料(例如，鈉)可能對模具主體110的材料造成腐蝕。由於擴散阻障層122防止及/或減少此等物種的擴散，因此該擴散阻障層122亦可防治此等物種所造成的缺陷及/或使此等物種所造成的缺陷減至最少。
基底金屬向外擴散至該多層式塗層中會導致該模具主體110中形成孔洞，因此該擴散阻障層122亦可防止在模具主體110中形成孔洞或使該模具主體110中所形成的孔洞減至最少。具體而言，擴散阻障層122防止及/或減少基底金屬擴散進入或穿過該多層式塗層的其餘部分中，且因此減輕在該模具主體110中形成孔洞的情形(向外擴散而出的金屬所留下的孔洞)。由於使用擴散阻障層122可使形成孔洞的情形較不嚴重及/或頻率較低，因此擴散阻障層122可使模具能夠重複地進行剝除塗層及再塗覆塗層，並可延長模具的使用壽命。在某些實施例中，擴散阻障層122可具有在約25奈米至約2000奈米、約100奈米至約600奈米、約300奈米至約500奈米或約1000奈米至約2000奈米之範圍間的厚度。
在某些實施例中，介金屬層124可包括Ti、Al及選自於由Zr、Ta、Nb、Y、Mo、Hf及上述金屬之組合物所構成之群組中的附加金屬。文中所使用的「介金屬(intermetallic)」一詞意指一種由兩種或更多種金屬原子所構成的材料，該材料以均勻複合物質的形式存在且結構上呈不連續狀而不同於該等組成金屬的結構。由於該附加金屬較不易與經模具塑形的玻璃基材料發生反應，因此該介金屬層124中可包含該附加金屬(可為耐火金屬)，且從而減少該玻璃基材料在塑形期間對模具的沾黏，並且為已塑形的玻璃基材料提供更佳的表面外觀。又由於當要使具有高軟化點溫度的玻璃基材料成形時，該模具可能必需承受高溫，該附加金屬可令該多層式塗層更能抵抗高溫(例如，760°C至900°C)所帶來的損害，因此該介金屬層124中可包含該附加金屬(可為耐火金屬)。
在某些實施例中，所需承受的溫度是基於欲以模具塑形之玻璃基材料的軟化點而定，且可依據該所需承受的溫度來修改該介金屬層124的組成。修改介金屬層124的組成可包括修改該附加金屬的重量百分比、修改Ti莫耳濃度與Al莫耳濃度的比例及/或修改該介金屬層中之鈦和鋁的莫耳濃度總和與該介金屬層中之該附加金屬莫耳濃度之間的關係。在某些實施例中，介金屬層124可包括介於以下範圍間的附加金屬：約20重量%至約40重量%、約20重量%至約35重量%、約20重量%至約30重量%、約25重量%至約40重量%、約25重量%至約35重量%、約25重量%至約30重量%、約30重量%至約40重量%、約30重量%至約35重量%或約35重量%至約40重量%。可使用電子微探針、XPS或二次離子質譜儀(SIMS)量測該重量百分比。在某些實施例中，該介金屬層124中的Ti莫耳濃度與Al莫耳濃度的比值可在約0.67至約1的範圍間、在約0.67至少於約1的範圍間、約1或大於約1。在某些實施例中，降低Al的莫耳濃度以降低該介金屬層對於使用該模具所塑形之玻璃基材料的反應性及降低使用該模具所塑形之玻璃基材料黏在模具上的可能性。視使用該模具所塑形之玻璃基材料的組成而定，該介金屬層124中之Ti莫耳濃度與Al莫耳濃度的比值可大於1，藉以提高該多層式塗層所能承受的溫度。在某些實施例中，當Ti莫耳濃度與Al莫耳濃度的比值在約0.67至小於約1的範圍內時，該多層式塗層可承受高達約800°C的溫度。在某些實施例中，當Ti莫耳濃度與Al莫耳濃度的比值為約1時，該多層式塗層可承受高達約850°C的溫度。在某些實施例中，Ti與Al的莫耳濃度總和可大於或等於Zr的莫耳濃度。在某些實施例中，Ti與Al的莫耳濃度總和可大於或等於Zr的莫耳濃度。可使用電子微探針或XPS量測該等元素的莫耳濃度。
在某些實施例中，介金屬層124可為漸變層(gradient layer)，其中在該層整個厚度內之附加金屬的量及/或Ti及Al的量是變化的。在某些實施例中，介金屬層124可具有附加金屬含量的變化，該附加金屬含量的變化是在該介金屬層最靠近擴散阻障層122處的部分中具有較低的附加金屬莫耳含量及在該介金屬層距離擴散阻障層122最遠的部分中具有較高的附加金屬莫耳含量。在某些實施例中，該附加金屬含量的變化在介金屬層124的整個厚度中可呈連續性地變化。在某些實施例中，該附加金屬含量的變化在介金屬層124的整個厚度中可呈不連續地變化。當擴散阻障層122的熱膨脹係數與介金屬層124之附加金屬的熱膨脹係數(CTE)不相同時，改變附加金屬的量可能有所幫助。在某些實施例中，介金屬層124可具有Ti及Al含量的變化，該Ti及Al含量的變化是在該介金屬層最靠近擴散阻障層122處的部分中具有較高的Ti及Al莫耳含量及在該介金屬層距離擴散阻障層122最遠的部分中具有較低的Ti及Al莫耳含量。在某些實施例中，該Ti及Al含量的變化在介金屬層124的整個厚度中可呈連續性地變化。在某些實施例中，該Ti及Al含量的變化在介金屬層124的整個厚度中可呈不連續地變化。在某些實施例中，介金屬層124可具有在約25奈米至約2000奈米、約100奈米至約600奈米、約300奈米至約500奈米或約1000奈米至約2000奈米之範圍間的厚度。
在某些實施例中，如第2圖中所示範例，多層式塗層220可包括位於擴散阻障層122與介金屬層123之間的過渡層223，如此一來，擴散阻障層122可配置在模具主體110上，過渡層223可配置在擴散阻障層122上，及介金屬層124可配置在過渡層223上。第2圖的多層式塗層220除了添加過渡層223之外，多層式塗層220類似於第1圖的多層式塗層120。除非另有載明，否則擴散阻障層122及介金屬層124的特性與以上參照第1圖所描述的特性相同。在某些實施例中，該過渡層可包含與擴散阻障層122相同的成分，除了該過渡層223還包含了梯度漸減的氮。具體言之，在該過渡層223最靠近該擴散阻障層122處之部分中具有較高的氮莫耳含量及在該過渡層223最靠近該介金屬層124處之部分中具有較低的氮莫耳含量或沒有氮莫耳含量。例如，在過渡層223最靠近擴散阻障層122的部分可為氮化物，例如TiAlN。在過渡層223最靠近介金屬層124的那一側上可能存在較少的氮或不含氮。例如，在最靠近介金屬層124的部分中，過渡層223可主要包含TiAl或TiAl的氧化物，及在最靠近擴散阻障層122的部分中，過渡層223可主要包含TiAlN。在某些實施例中，該過渡層223與擴散阻障層122接觸的部分可能包含至少約20%的氮莫耳含量，及該過渡層223最靠近介金屬層124的部分可能不含氮。在不受限於理論的情況下，認為過渡層223可降低多層式塗層120的機械應力(尤其是與具有直接接觸之氮化物層及非氮化物層的塗層相較時)。該多層式塗層120中的不同化學物種可能具有不同的CTE，因此藉著形成使化學物種含量漸變的膜層來減少在加熱或冷卻期間產生的機械應力，而可降低該多層式塗層120之層間的機械應力。於某些實施例中，在最靠近擴散阻障層122的過渡層223表面處，該過渡層223可包含大於約30%的氮莫耳含量，且在最靠近介金屬層124的過渡層223表面處，該過渡層223可包含小於約30%的氮莫耳含量。於另一實施例中，在最靠近擴散阻障層122的過渡層223表面處，該過渡層223可包含大於約35%的氮莫耳含量，且在最靠近介金屬層124的過渡層223表面處，該過渡層223可包含小於約25%的氮莫耳含量。在又另一實施例中，在最靠近擴散阻障層116的過渡層223表面處，該過渡層223可包含大於約40%的氮莫耳含量，且在最靠近介金屬層124的過渡層223表面處，該過渡層223可包含小於約20%的氮莫耳含量。在某些實施例中，氮含量的變化在過渡層223的整個厚度中可呈連續性地變化。在某些實施例中，氮含量的變化在過渡層223的整個厚度中可呈不連續地變化。應瞭解，過渡層223是選用性的，且在某些實施例中，可形成不包含過渡層的多層式塗層。在某些實施例中，過渡層223可具有在約25奈米至約2000奈米、約100奈米至約800奈米、約200奈米至約500奈米或約800奈米至約1200奈米之範圍間的厚度。
在某些實施例中，如第3圖中所示範例，多層式塗層320可包括位於過渡層223與介金屬層124之間的TiAl介金屬層335，如此，擴散阻障層122可配置在模具主體110上，過渡層223可配置在擴散阻障層122上，TiAl介金屬層335可配置在過渡層223上，及介金屬層124可配置在TiAl介金屬層335上。在某些實施例中，TiAl介金屬層335可包含附加金屬，該等附加金屬可包括但不限於Zr。第3圖的多層式塗層320類似於第2圖的多層式塗層220，但該多層式塗層320增添了TiAl介金屬層335。除非另有載明，否則擴散阻障層112、介金屬層124及過渡層223的特性與以上參照第1圖及第2圖所描述的特性相同。在某些實施例中，TiAl介金屬層335可具有約25奈米至約2000奈米、約100奈米至約800奈米、約200奈米至約500奈米、約500奈米至約2000奈米或約500奈米至約1000奈米之範圍間的厚度。在某些實施例中，任何先前所述的該等多層式塗層可具有配置在介金屬層124上的金屬層426。第4A圖所示出的多層式塗層420a與第1圖之多層式塗層120相似，但在介金屬層124上配置了金屬層426。類似地，第4B圖所示出的多層式塗層420b與第2圖之多層式塗層220相似，但在介金屬層124上配置了金屬層426，及第4C圖所示出的多層式塗層420c與第3圖之多層式塗層320相似，但在介金屬層124上配置了金屬層426。在某些實施例中，金屬層426可包括介金屬層124的附加金屬。在某些實施例中可納入耐火金屬層426，因為耐火金屬層426較不易與使用該模具塑形的玻璃基材料發生反應，且從而減少該玻璃基材料在塑形期間對該模具的沾黏及為已塑形的玻璃基材料提供更佳的表面外觀。又由於當要使具有高軟化點溫度的玻璃基材料成形時，該模具可能必需承受高溫，金屬層426可使該多層式塗層更能抵抗高溫(例如，760°C至900°C)所帶來的損害，故可包含金屬層426。在某些實施例中，金屬層426可具有約25奈米至約2000奈米、約100奈米至約800奈米、約200奈米至約500奈米或約800奈米至約1200奈米之範圍內的厚度。
在某些實施例中，任何先前所述的該等多層式塗層可具有氧化物層528以作為該多層式塗層的最外層。第5A圖所示出的多層式塗層520a與第1圖之多層式塗層120相似，但在介金屬層124上配置了氧化物層528。同樣地，第5B圖所示出的多層式塗層520b與第2圖之多層式塗層220相似，但在介金屬層124上配置了氧化物層528；第5C圖所示出的多層式塗層520c與第3圖之多層式塗層320相似，但在介金屬層124上配置了氧化物層528；第5D圖所示出的多層式塗層520d與第4A圖之多層式塗層420a相似，但在金屬層426上配置了氧化物層528；第5E圖所示出的多層式塗層520e與第4B圖之多層式塗層420b相似，但在金屬層426上配置了氧化物層528；及第5F圖所示出的多層式塗層520f與第4C圖之多層式塗層420c相似，但在金屬層426上配置了氧化物層528。在某些實施例中，氧化物層528並不是玻璃成形劑(glass former)，因此可降低玻璃沾黏於該多層式塗層的可能性。又，氧化物層582可延長該多層式塗層的使用壽命，從而可增進該多層式塗層的耐久度。
在某些實施例中，可使用習知方法(例如，加熱)來氧化該多層式塗層的最外層(例如，介金屬層124或金屬層426)以形成氧化物層528。例如，在某些實施例中，可加熱該模具達至少約500°C、至少約600°C、至少約700°C或甚至至少約750°C的溫度。例如，可對該塗層進行以下熱處理：以2°C/分鐘的速率從20°C加熱至750°C，保持750°C持續30分鐘及以加熱爐的速度(furnace rate)冷卻至室溫(即，約25°C)。再舉另一實例是可利用等溫製程，在等溫製程中以750°C的溫度(無任何溫度升降)加熱3小時來氧化該塗層。然而，本發明中亦思及其他熱處理方法，包括但不限於不同的溫度升降(ramping)速率及最大加熱溫度及加熱時間長度。於某些實施例中，例如在塗層堆疊520a、塗層堆疊520b及塗層堆疊520c中，當藉由氧化介金屬層124來形成氧化物層528時，氧化物層528可為含有來自介金屬層124之鈦、鋁及耐火金屬的氧化物。因此，在某些實施例中，氧化物層528可為TiAlZr氧化物。於其他實施例中，例如在塗層堆疊520d、塗層堆疊520e及塗層堆疊520f中，當藉由氧化金屬層426來形成氧化物層528時，氧化物層528可為金屬層426之金屬的氧化物。因此，在某些實施例中，氧化層428可為氧化鋯。在某些實施例中，氧化層529可具有在約25奈米至約2000奈米、約100奈米至約800奈米、約200奈米至約500奈米或約1000奈米至約2000奈米之範圍間的厚度。
在某些實施例中，可在模具主體110與擴散阻障層122之間配置黏著層(圖中未圖示)。然而，在其他實施例中，擴散阻障層122可直接配置在模具主體122上而無需具有中介層(intervening layer)。該黏著層通常可為未氧化的金屬。例如，在實施例中，該黏著層可包括TiAl、Al、Ti或上述金屬之組合物。該黏著層可增進該模具主體110與擴散阻障層122之間的黏著力。此外，該黏著層通常可使該模具主體110的表面光滑、填補凹洞及其他可能至少會干擾擴散阻障層122之沉積作用的缺陷。應瞭解，該黏著層是選用性的，且在某些實施例中，可形成不具有該黏著層的多層式塗層。
大體上，可使用沉積技術(例如，物理氣相沉積(PVD)法)在模具主體110上沉積各種塗層(除了氧化層528以外)以製備具有塗層的模具100。然而也可使用其他已知的沉積技術。在某些實施例中，PVD製備製程可包括在高溫下(例如在250°C至650°C或450°C至550°C之範圍間)、以高靶材功率(高於2kW)及在50伏特(V)至150伏特範圍間的基板偏壓下進行該多層式塗層之膜層的PVD濺射(例如使用Cemecon CC800/9 ML 6(10)型塗覆機)。在某些實施例中，當介金屬層124為漸變層時，可使用一或更多個TiAl濺射靶材及一或更多個該附加金屬(例如，Zr、Ta、Nb、Y、Mo、Hf及前述金屬之組合物)的濺射靶材，且可針對該等合適的靶材調整功率來建立該漸變梯度(gradient)以得到期望的漸變梯度。在某些實施例中，可藉著降低進入PVD塗覆機中的氮氣流速(例如，以線性速率來降低該流速持續約10分鐘)來建立該過渡層233中漸減的氮含量。
在膜層沉積之後，以足以使至少一部分之該多層式塗層氧化的溫度(例如加熱至至少約500°C、至少約600°C、至少約700°C或甚至是約至少約750°C的溫度)對該具有塗層的模具進行熱處理一段時間。例如，可對該塗層進行以下熱處理：以2°C/分鐘的速率從20°C加熱至750°C、保持750°C持續30分鐘及以加熱爐的速度冷卻至室溫(即，約25°C)。然而，本發明中亦思及其他的溫度升降速率及最大加熱溫度。在一實施例中，可藉著暴露在加熱設備(例如，烤箱或烘窯)中的高溫下來熱處理該多層式塗層。在另一實施例中，可藉著接觸處於高溫的玻璃，例如與已熔融的玻璃直接接觸，以對該多層式塗層進行熱處理。然而，任何合適的加熱製程皆可進行。
實例以下實例進一步闡明文中所述可用於玻璃塑形模具之該等塗層的實施例。該等實例本意是做為示範說明之用且不應用來限制本發明之所請標的。實例 1
使用購自於Cemecon公司的PVD塗覆機(型號：CC800/9 ML 6(10))在Inconel 600模具基材上沉積多層式塗層。使用三個Ti/Al比例為1的TiAl濺射靶材及5kW的功率，及使用1個純鋯的濺射靶材及2.5kW的功率。加熱器功率為2kW且腔室壓力為550mPa。在氮氣氛圍中僅提供該等TiAl濺射靶材第一功率持續約32分鐘以形成TiAlN層。隨後在約10分鐘內以線性速率使該氮氣流速降低至零以建立具有漸減氮含量的過渡層。在氮氣漸減的最後30秒期間。使供給該Zr濺射靶材的功率跳升至0.5kW。隨後，在約3分鐘內以線性速率使供給該Zr濺射靶材的功率升高至2.5kW而形成TiAlZr介金屬層。第6圖為針對每種元素(Ni、Cr、Fe、Mn、Si、Cu、c、Si、N、Ti、Al、Zr)以根據目標值所假定之原子重量百分比濃度對具有多層式塗層之模具的深度所作的曲線圖。第6圖的數據是取自剛沉積而成且在氧化該最外層之前的塗層，且該6圖的數據顯示(1)該擴散阻障層阻擋了金屬從該基底模具(base mold)擴散至該多層式塗層的該等頂部層中及(2)沉積出如所述般的該多層式塗層之該等頂部層的組成。實例 2
使用鎳201模具及實例1之具有塗層的Inconel 600模具將0.7毫米厚的康寧玻璃編號2320玻璃片模塑成具有0.9毫米的彎曲半徑。該鎳201模具具有大約4微米至7微米厚的氧化鎳外層。實例1之具有塗層的Inconel模具具有附加的氧化物最外層，該附加的氧化物最外層約為1微米至1.5微米厚。
在該鎳201模具上所塑形而成的玻璃片放置在該模具上並根據第9圖中所示的曲線模式(profile)施加熱和真空。在該Inconel 600模具上所塑形而成的玻璃片放置在該模具上並根據第9圖中所示的曲線模式施加熱和真空。
待該等玻璃片模塑成型之後，使用Zygo光學輪廓量測儀(profilometer)量測該等已模塑之玻璃片表面上任何凹陷處之印跡的波峰至波谷深度。計算在該鎳201模具上所模塑而成之該等玻璃片及在該Inconel 600模具上所模塑而成之該等玻璃片的波峰至波谷深度之平均值。該鎳201模具及該Inconel 600模具兩者的峰值模具溫度皆為750°C。如第10圖中所見，使用鎳201模具所塑形之玻璃片的粗糙度明顯高於使用該具有塗層之Inconel 600模具所塑形之玻璃片的粗糙度。因此，若以在該已塑形玻璃基材料中所形成之印跡的波峰至波谷深度進行量測時，本發明中所述的多層式塗層可使玻璃基材料上由該模具所造成的印跡(imprint)減至最少。因此，使用本發明中所述具有多層式塗層之模具塑形而成的玻璃基材料較不需要進行拋光來去除該等印跡。
現應可明白，本發明中所揭示該等塗層可提供減少模具與玻璃基材料之間發生沾黏的優點，從而降低或完全消除已模塑成形之玻璃基材料中的外觀缺陷(例如，污點、凹陷及刮痕)。本發明中所描述的該等塗層可亦具有提高的耐久度及可延長模具壽命而使該模具在必需剝除該塗層並重新塗覆塗層之前可達到至少2000次循環。
應注意，在本文中可使用「實質上(substantially)」及「約(about)」等用語來表示可能因任何定量比較、數值、量測或其他表示法所造成之固有的不確定性。本文中亦可使用此等用語來表示定量表示法可能會隨著所指定的參考物而改變但不會對所探討之標的的基本功能造成改變的程度。
在不偏離所請標的之範圍的情況下，當可對文中所述的實施例做出各種修飾及變化。因此，本案說明書涵蓋文中所述該等不同實施例的修飾及變化，且此等修飾及變化落入後附請求項及其均等物的範圍中。
100‧‧‧模具
110‧‧‧模具主體
112‧‧‧表面
120‧‧‧多層式塗層
122‧‧‧擴散阻障層
124‧‧‧介金屬層
220‧‧‧多層式塗層
223‧‧‧過渡層
320‧‧‧多層式塗層
335‧‧‧TiAl介金屬層
420a‧‧‧多層式塗層
420b‧‧‧多層式塗層
420c‧‧‧多層式塗層
426‧‧‧金屬層
520a‧‧‧多層式塗層/塗層堆疊
520b‧‧‧多層式塗層/塗層堆疊
520c‧‧‧多層式塗層/塗層堆疊
520d‧‧‧多層式塗層
520e‧‧‧多層式塗層
520f‧‧‧多層式塗層
528‧‧‧氧化物層
以下簡短說明該等圖式。應注意，該等圖式未按比例繪製且不欲供該等圖式中所示各種不同層的相對尺寸比較之用。
第1圖根據文中所示及所描述的一或更多個實施例概要地示出模具主體上之多層式塗層的剖面圖；
第2圖為根據文中所示及描述的一或更多個實施例概要地示出模具主體上之多層式塗層的剖面圖；
第3圖為根據文中所示及描述的一或更多個實施例概要圖示模具主體上之多層式塗層的剖面圖；
第4A圖至第4C圖為根據文中所示及描述的一或更多個實施例概要圖示模具主體上之多層式塗層的剖面圖；
第5A圖至第5F圖為根據文中所示及描述的一或更多個實施例概要圖示模具主體上之多層式塗層的剖面圖；
第6圖為針對每種元素以原子重量百分比對具有塗層之模具的深度作圖而成的曲線圖；
第7圖為使用不同模具塑形而成之玻璃片的表面粗糙度比較圖；
第8圖是在實例2中所討論之鎳201模具上塑形玻璃時，該玻璃及模具的示例性溫度及真空分佈圖；及
第9圖是在實例2中所討論之Inconel 600型模具上塑形玻璃時，該玻璃及模具的示例性溫度及真空分佈圖。
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100‧‧‧模具
110‧‧‧模具主體
112‧‧‧表面
120‧‧‧多層式塗層
122‧‧‧擴散阻障層
124‧‧‧介金屬層

Claims (10)

  1. 一種模具，包括： 一模具主體，該模具主體具有一外表面及配置在該外表面上的一多層式塗層，其中該多層式塗層包括：一擴散阻障層，該擴散阻障層配置在該模具主體的該外表面上；及一介金屬層，該介金屬層配置在該擴散阻障層上，其中該介金屬層包括Ti、Al及選自於由Zr、Ta、Nb、Y、Mo、Hf及上述金屬之組合物所構成之群組中的一附加金屬，及其中該擴散阻障層限制金屬從該模具主體擴散至該介金屬層。
  2. 如請求項1所述之模具，進一步包括一過渡層，該過渡層配置在該擴散阻障層與該介金屬層之間，其中該過渡層包括一氮含量變化，該氮含量變化是在該過渡層最靠近該擴散阻障層處之部分中具有一較高氮莫耳含量及在該過渡層最靠近該介金屬層處之部分中具有一較低氮莫耳含量。
  3. 如請求項1所述之模具，其中該介金屬層包括該附加金屬含量的一變化，該附加金屬含量的該變化是在該介金屬層最靠近該擴散阻障層處之部分中具有較低的該附加金屬莫耳含量及在該介金屬層距離該擴散阻障層最遠處之部分中具有較高的該附加金屬莫耳含量。
  4. 如請求項1所述之模具，進一步包括配置在該介金屬層上的一氧化介金屬層。
  5. 如請求項1所述之模具，其中該多層式塗層中之鈦莫耳含量與鋁莫耳含量的比值在約0.67至約1的範圍間。
  6. 如請求項1所述之模具，其中該介金屬層中之鈦及鋁的莫耳濃度總和大於或等於該介金屬層中之該附加金屬的莫耳濃度。
  7. 如請求項1所述之模具，其中該介金屬層中之鈦及鋁的莫耳濃度總和小於該介金屬層中之該附加金屬的莫耳濃度。
  8. 如請求項1所述之模具，進一步包括配置在該介金屬層上的一金屬層，該金屬層包括該介金屬層的該附加金屬。
  9. 如請求項8所述之模具，其中該介金屬層包括一附加金屬含量的變化，該附加金屬含量的變化是在該介金屬層最靠近該擴散阻障層處之一部分中具有較低的該附加金屬莫耳含量及在該介金屬層最靠近該金屬層處的一部分中具有較高的該附加金屬莫耳含量。
  10. 如請求項8所述之模具，進一步包括配置在該金屬層上的一氧化金屬層。
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