玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁及其制備方法，所述碳化硅陶瓷模仁包括基材、保護(hù)膜以及位于所述基材和保護(hù)膜之間的金屬過(guò)渡層，其中，所述基材為碳化硅陶瓷，保護(hù)膜為碳化鎢硬質(zhì)合金，所述金屬過(guò)渡層為鈦、鉻或鎢。
【專利說(shuō)明】玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工程陶瓷材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]玻璃模造工藝是一種高精度光學(xué)元件制造技術(shù)，它是將軟化的光學(xué)玻璃放入高精度的模具中，在加溫加壓和保護(hù)性氣氛下，一次性直接模壓成型出達(dá)到使用要求的光學(xué)零件。其核心技術(shù)在于高精度模仁制造工藝。其中模仁的表面光學(xué)質(zhì)量、精度和使用壽命直接關(guān)系到鏡片的合格率和與制造成本。
[0003]玻璃模造用模仁需要具備如下兩個(gè)主要特征:
(1)表面無(wú)缺陷，能夠研磨成無(wú)氣孔、光滑的光學(xué)表面質(zhì)量；
(2)在高溫條件下具有高強(qiáng)度、硬度和良好的抗氧化性能，表面質(zhì)量穩(wěn)定，面形精度和光潔度保持不變，不與光學(xué)玻璃發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象，脫模性能良好。
[0004]玻璃模造用模仁由基材和保護(hù)膜構(gòu)成。其中基材的發(fā)展主要經(jīng)歷了不銹鋼和碳化鎢兩大類。不銹鋼硬度不高，耐高溫性能差，外形精度和表面質(zhì)量在多次循環(huán)加熱過(guò)程中不容易保持，造成模仁的使用壽命不高。硬質(zhì)合金模仁加工性能優(yōu)異，但其結(jié)合劑中的鈷、鎳等元素長(zhǎng)期使用下容易擴(kuò) 散至光學(xué)玻璃與之發(fā)生界面反應(yīng)。同時(shí)，硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)較高，熱導(dǎo)率較低，高溫?zé)嵫h(huán)下晶粒長(zhǎng)大明顯，造成模仁精度和表面質(zhì)量下降，使用壽命不聞。
[0005]為了提高模仁基材的性能，逐步開(kāi)始發(fā)展高性能陶瓷材料，如碳化硅陶瓷材料。特別是固相燒結(jié)碳化硅陶瓷具有高熱導(dǎo)率(100~130W/m.Κ)，低熱膨脹系數(shù)(4.2Χ 10_6/Κ)，優(yōu)異的抗氧化和抗熱震性能，能夠顯著提高玻璃模造工藝中模具的升溫和冷卻速度，降低高溫?zé)嵫h(huán)下尺寸精度和表面質(zhì)量變化，被認(rèn)為最具潛力的模仁基材。
[0006]玻璃模造用模仁保護(hù)膜體系也經(jīng)歷了非晶碳、類金剛石和貴金屬薄膜等。非晶碳雖有良好的脫模性，但強(qiáng)度低、容易損傷、易氧化，使用壽命有限。類金剛石薄膜成本較低，制備溫度低，但也存在著與基材結(jié)合力較弱的問(wèn)題，使用壽命有限。貴金屬如以鉬、銥或釕合金為主的保護(hù)膜，能夠提高與基材的結(jié)合力，由于其反應(yīng)惰性，與光學(xué)玻璃的界面反應(yīng)低，大大提高了模仁使用壽命，是目前使用效果最好的模仁保護(hù)膜，但其成本較高，在高溫玻璃(700°C以上)的模造方面具有一定的局限性。W02013141234A1提供了一種玻璃模造用模仁。其與光學(xué)玻璃接觸面為玻璃碳材料，通過(guò)反應(yīng)浸硅工藝原位生成碳化硅陶瓷作為基體。但該工藝制造的碳化硅陶瓷和玻璃碳結(jié)合強(qiáng)度一般，并且玻璃碳材料作為模仁保護(hù)膜來(lái)說(shuō)硬度和使用壽命有限。JP2002255570提供了一種碳化硅陶瓷模仁，采用化學(xué)氣相沉積工藝制備。JP2005112672提供了一種碳化硅陶瓷模仁，但其基材和薄膜之間采用金屬擴(kuò)散焊的工藝連接，造成二者之間存在較大的熱膨脹失配，抗熱震性能較差，使用壽命不高。CN200410052270.3提供了一種碳化硅陶瓷模仁，其基材為碳化硅，表面改性膜為鉬銥、鈀銥或其混合組分，中間層為氮化硅或氮化鋁。由于過(guò)渡層的厚度為lnm-5nm，該工藝對(duì)過(guò)渡層的制備要求比較高，工藝復(fù)雜，成本高。CN02140644.8提供了一種玻璃模造用模仁，基材為碳化鎢，保護(hù)膜為鉭鎢合金，降低了制造成本，且能適用于高溫玻璃材料的模造。
[0007]在該領(lǐng)域，進(jìn)一步降低玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁的制造成本、同時(shí)提高其性能，仍具有客觀的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁制備成本高、性能不夠理想的缺陷，本發(fā)明提供了一種玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁及其制備方法。
[0009]本發(fā)明提供了一種玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，所述碳化硅陶瓷模仁包括基材、保護(hù)膜以及位于所述基材和保護(hù)膜之間的金屬過(guò)渡層，其中，所述基材為碳化硅陶瓷，保護(hù)膜為碳化鎢硬質(zhì)合金，所述金屬過(guò)渡層為鈦、鉻或鎢。
[0010]較佳地,所述碳化鶴硬質(zhì)合金為由碳化鶴和金屬粘結(jié)劑Co、TaC、Ti共同燒結(jié)形成的硬質(zhì)合金，所述碳化鎢硬質(zhì)合中金屬粘結(jié)劑的重量百分含量為0.5~10%。
[0011]較佳地，所述金屬過(guò)渡層的厚度為0.05-0.2 μ m。
[0012]較佳地，所述保護(hù)膜的厚度為0.1-0.8 μ m。
[0013]較佳地，所述基材的表面粗糙度Ra值≤10nm，垂直度和底面平行度≤LOym0
[0014]本發(fā)明還提供了一種制備上述任一碳化硅陶瓷模仁的方法，所述方法包括: 1)采用磁控濺射工藝在經(jīng)預(yù)處理的基材表面，鍍上金屬過(guò)渡層；
2)采用離子束輔助氣相沉積工藝，在步驟I)制備的基材表面的金屬過(guò)渡層上，沉積保護(hù)膜。
[0015]較佳地，步驟I)中，所述基材為碳化硅陶瓷，采用固相、液相或反應(yīng)燒結(jié)得到。
[0016]較佳地，步驟I)中，磁控濺射工藝的參數(shù)為:工作氣體為氬氣，本底真空度為2~4Xl(T3Pa，工作氣壓為0.2~IPa，基片溫度為100~200°C，工作電壓為80~115V。
[0017]較佳地，步驟2)中，離子束輔助氣相沉積工藝的參數(shù)為:氣體總流量是120~210L/分鐘，氫氣流量是1.5~51/分鐘，真空度為I~IX 10_5Pa，射頻功率為5~15MHz，溫度為100~650°C，工作氣壓為15~50Pa，沉積時(shí)間是150~300分鐘。
[0018]本發(fā)明的有益效果:
1、選用碳化硅陶瓷做模仁基底材料，熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率高、耐高溫、抗氧化性能好，模仁的使用壽命久；
2、制備金屬過(guò)渡層使用的磁控濺射技術(shù)和制備保護(hù)膜的離子束輔助沉積工藝都是已經(jīng)非常成熟的制備工藝，成本低，鍍膜效果好；
3、在基底與保護(hù)膜之間鍍金屬過(guò)渡層，這樣會(huì)提高基底與保護(hù)膜之間的結(jié)合力，使碳化硅模仁強(qiáng)度更高，提高模仁使用壽命；
4、用這種技術(shù)方案制備的碳化硅陶瓷模仁耐高溫、加工精度高、壽命長(zhǎng)，是一種可以拓展應(yīng)用的技術(shù)方案。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中常壓固相燒結(jié)碳化硅陶瓷為基底的顯微結(jié)構(gòu)；
圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中常壓固相燒結(jié)碳化硅陶瓷基底拋光后的AFM圖；圖3為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中以Cr為過(guò)渡層金屬并采用常壓固相燒結(jié)碳化硅陶瓷作為基材制得的模仁斷面SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖及下述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0021]本發(fā)明屬于工程陶瓷材料【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明提供了一種玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，主要由基材和保護(hù)膜組成。其中基材為碳化硅陶瓷，表面沉積硬質(zhì)合金碳化鎢為主的保護(hù)膜，中間過(guò)渡層為鈦、鉻或鎢等。采用碳化硅陶瓷基材，能夠顯著提高玻璃模造過(guò)程中升降溫速度，提高鏡片生產(chǎn)率。而采用過(guò)渡層結(jié)合的硬質(zhì)合金保護(hù)膜能夠提高與基材的結(jié)合強(qiáng)度，改善與光學(xué)玻璃的脫模性能，與貴金屬保護(hù)膜相比，能夠降低鏡片生產(chǎn)成本。該發(fā)明提供的碳化硅陶瓷模仁具有耐高溫、高精度、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，特別是能夠適用于高溫玻璃鏡片的模造，具有更廣泛的應(yīng)用范圍。該模仁能夠大大提高玻璃模造的生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，特別能適用于高溫玻璃鏡片的模造，具有更廣泛的應(yīng)用范圍。
[0022]本發(fā)明提供了一種玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，包括基材、中間過(guò)渡層及保護(hù)膜，基材為碳化硅陶瓷，保護(hù)膜主要為碳化鎢硬質(zhì)合金，過(guò)渡層為金屬層。
[0023]所述的玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，該基材為碳化硅陶瓷，可以采用固相、液相燒結(jié)助劑或反應(yīng)燒結(jié)。
[0024]所述的玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，具有優(yōu)異的表面加工質(zhì)量，粗糙度Ra值小于1nm0
[0025]所述的玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，具有優(yōu)異的外形尺寸精度，垂直度和底面平行度小于1.Ομπι。
[0026]所述的玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，該保護(hù)膜成分主要為碳化鎢硬質(zhì)合金。所述碳化鎢硬質(zhì)合金為是由碳化鎢和金屬粘結(jié)劑Co、TaC、Ti共同燒結(jié)形成的硬質(zhì)合金，所述碳化鎢硬質(zhì)合中金屬粘結(jié)劑的重量百分含量為0.5~10。例如可采用WC-Ta-Co、WC-Co硬質(zhì)
么么
I=1-Wl O
[0027]所述的玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，該保護(hù)膜的厚度為0.1-0.8 μ m。
[0028]所述的玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，該保護(hù)膜和基材之間存在著金屬過(guò)渡層，該過(guò)渡層的成分為鈦、鉻或鶴。
[0029]所述的玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，該金屬過(guò)渡層的厚度為0.05~0.2 μ m。
[0030]本發(fā)明的技術(shù)方案采用的具體步驟是: 步驟1、采用碳化硅陶瓷為基底，采用研磨拋光或者非球面加工機(jī)結(jié)合磁流變拋光對(duì)基底進(jìn)行表面拋光處理，使碳化硅基底的表面粗糙度Ra ( 1nm ；
步驟2、采用磁控濺射工藝在步驟I拋光處理好的碳化硅表面鍍金屬過(guò)渡層Cr、T1、W等可改善基底與薄膜結(jié)合力的金屬，并控制金屬過(guò)渡層厚度為0.05-0.2um ;主要工作控制參數(shù)是工作氣體為氬氣，本底真空為2~4X10_3Pa，工作氣壓為0.2~IPa，基片溫度100~200°C，工作電壓80~115V ;
步驟3、采用離子束輔助氣相沉積工藝在步驟2中處理好的基底上沉積碳化鎢硬質(zhì)合金薄膜，并控制薄膜厚度在0.lum-0.8um氣體總流量是120~210L/min，氫氣流量是1.5~5L/min，真空度為I~10 X l(T6Pa，射頻功率為5~15MHz，溫度為100~650°C，工作氣壓為15~50Pa，沉積時(shí)間是150~300min。
[0031]本發(fā)明的特點(diǎn):
1、選用碳化硅陶瓷做模仁基底材料，熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率高、耐高溫、抗氧化性能好，模仁的使用壽命久；
2、制備金屬過(guò)渡層使用的磁控濺射技術(shù)和制備保護(hù)膜的離子束輔助沉積工藝都是已經(jīng)非常成熟的制備工藝，成本低，鍍膜效果好；
3、在基底與保護(hù)膜之間鍍金屬過(guò)渡層，這樣會(huì)提高基底與保護(hù)膜之間的結(jié)合力，使碳化硅模仁強(qiáng)度更高，提高模仁使用壽命；
4、用這種技術(shù)方案制備的碳化硅陶瓷模仁耐高溫、加工精度高、壽命長(zhǎng)，是一種可以拓展應(yīng)用的技術(shù)方案。
[0032]圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中常壓固相燒結(jié)碳化硅陶瓷為基底的顯微結(jié)構(gòu)；
圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中常壓固相燒結(jié)碳化硅陶瓷基底拋光后的AFM圖；
圖3為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中以Cr為過(guò)渡層金屬并采用常壓固相燒結(jié)碳化硅陶瓷作為基材制得的模仁斷面SEM照片。
[0033]下面進(jìn)一步例舉實(shí)施例以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。同樣應(yīng)理解，以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述示例具體的工藝參數(shù)等也僅是合適范圍中的一個(gè)示例，即本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過(guò)本文的說(shuō)明做合適的范圍內(nèi)選擇，而并非要限定于下文示例的具體數(shù)值。
[0034]實(shí)施例1:
步驟1、以常壓固相燒結(jié)碳化硅陶瓷做基底，采用不同粒度的金剛石研磨膏對(duì)碳化硅陶瓷進(jìn)行表面拋光，模仁表面為平面，使其表面粗糙度Ra為5nm，垂直度和底面平行度為
1.0 μ m ;
步驟2、采用磁控濺射工藝在步驟I中拋光好的碳化硅陶瓷平面上鍍上Ti金屬過(guò)渡層，厚度控制為0.05μπι;
步驟3、采用離子束輔助氣相沉積工藝在步驟2已經(jīng)鍍好的金屬過(guò)渡層上沉積WC硬質(zhì)合金薄膜，控制厚度為0.1 μ m。
[0035]實(shí)施例2:
步驟1、以常壓液相燒結(jié)碳化硅陶瓷做基底，采用不同粒度的金剛石研磨膏對(duì)碳化硅陶瓷進(jìn)行表面拋光，模仁表面為平面，使其表面粗糙度達(dá)到Ra為10nm，垂直度和底面平行度為 1.0 μ m ;
步驟2、如實(shí)施例1中步驟2相同的工藝在步驟I準(zhǔn)備好的碳化硅基底表面鍍金屬過(guò)渡層Ti，控制金屬過(guò)渡層的厚度為0.2 μ m ;
步驟3、如實(shí)施例1中步驟3相同的步驟在步驟2制備好的碳化硅基底鍍保護(hù)膜碳化鎢，并控制保護(hù)膜碳化鎢薄膜厚度為0.8 μ m。
[0036]實(shí)施例3:
步驟1、以熱壓固相燒結(jié)碳化硅陶瓷做基底，采用非球面加工機(jī)車床輔助磁流變拋光進(jìn)行拋光，拋光面為球面，使其表面粗糙度達(dá)到Ra為8nm，垂直度和底面平行度為l.0ym;步驟2、如實(shí)施例1中步驟2相同的工藝在步驟I準(zhǔn)備好的碳化硅基底表面鍍金屬過(guò)渡層Cr,控制金屬過(guò)渡層的厚度為0.05 μ m ;
步驟3、如實(shí)施例1中步驟3相同的步驟在步驟2制備好的碳化硅基底鍍保護(hù)膜碳化鎢，并控制保護(hù)膜碳化鎢薄膜厚度為0.4 μ m ;
實(shí)施例3中采用圖1中常壓固相燒結(jié)碳化硅陶瓷作為基材，經(jīng)拋光處理后如圖2所示，最終得到的以Cr為過(guò)渡層金屬并采用常壓固相燒結(jié)碳化硅陶瓷為基底的模仁材料。
[0037]實(shí)施例4:
步驟1、以熱壓液相燒結(jié)碳化硅陶瓷做基底，采用非球面加工機(jī)車床輔助磁流變拋光進(jìn)行拋光，拋光面為球面，使其表面粗糙度達(dá)到Ra為5nm，垂直度和底面平行度為0.5 μ m ;
步驟2、如實(shí)施例1中步驟2相同的工藝在步驟I準(zhǔn)備好的碳化硅基底表面鍍金屬過(guò)渡層Cr,控制金屬過(guò)渡層的厚度為0.2 μ m ;
步驟3、如實(shí)施例1中步驟3相同的步驟在步驟2制備好的碳化硅基底鍍保護(hù)膜碳化鎢，并控制保護(hù)膜碳化鎢薄膜的厚度為0.1 μ m。
[0038]實(shí)施例5:
步驟1、以反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷做基底，采用非球面加工機(jī)車床輔助磁流變拋光進(jìn)行拋光，拋光面為非球面，使其表面粗糙度達(dá)到Ra為10nm，垂直度和底面平行度為0.6 μ m ;
步驟2、如實(shí)施例1中步驟2相同的工藝在步驟I準(zhǔn)備好的碳化硅基底表面鍍金屬過(guò)渡層W，控制金屬過(guò)渡層的厚度為0.05μπι;
步驟3、如實(shí)施例1中步驟3相同的步驟在步驟2制備好的碳化硅基底鍍保護(hù)膜碳化鎢，并控制保護(hù)膜碳化鎢薄膜的厚度為0.8 μ m。
[0039]實(shí)施例6:
步驟1、以反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷做基底，采用非球面加工機(jī)車床輔助磁流變拋光進(jìn)行拋光，拋光面為非球面，使其表面粗糙度達(dá)到Ra為8nm，垂直度和底面平行度為0.5 μ m ;
步驟2、如實(shí)施例1中步驟2相同的工藝在步驟I準(zhǔn)備好的碳化硅基底表面鍍金屬過(guò)渡層W，控制金屬過(guò)渡層的厚度為0.2 μ m ;
步驟3、如實(shí)施例1中步驟3相同的步驟在步驟2制備好的碳化硅基底鍍保護(hù)膜碳化鎢，并控制保護(hù)膜碳化鎢薄膜的厚度為0.4 μ m。
【權(quán)利要求】
1.一種玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，其特征在于，所述碳化硅陶瓷模仁包括基材、保護(hù)膜以及位于所述基材和保護(hù)膜之間的金屬過(guò)渡層，其中，所述基材為碳化硅陶瓷，保護(hù)膜為碳化鎢硬質(zhì)合金，所述金屬過(guò)渡層為鈦、鉻或鎢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅陶瓷模仁，其特征在于，所述碳化鎢硬質(zhì)合金為由碳化鎢和金屬粘結(jié)劑共同燒結(jié)形成的硬質(zhì)合金，所述碳化鎢硬質(zhì)合中金屬粘結(jié)劑的重量百分含量為0.5~10%，其中，金屬粘結(jié)劑優(yōu)選Co, TaC, Ti0
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳化硅陶瓷模仁，其特征在于，所述金屬過(guò)渡層的厚度為0.05-0.2 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中 任一所述的碳化硅陶瓷模仁，其特征在于，所述保護(hù)膜的厚度為 0.1-0.8 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的碳化硅陶瓷模仁，其特征在于，所述基材的表面粗糙度Ra值≤10nm,垂直度和底面平行度≤1.0μm.
6.一種制備權(quán)利要求1-5中任一所述碳化娃陶瓷模仁的方法,其特征在于,所述方法包括: 1)采用磁控濺射工藝在經(jīng)預(yù)處理的基材表面，鍍上金屬過(guò)渡層； 2)采用離子束輔助氣相沉積工藝，在步驟I)制備的基材表面的金屬過(guò)渡層上，沉積保護(hù)膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟I)中，所述基材為碳化硅陶瓷，采用固相、液相或反應(yīng)燒結(jié)得到。
8.根據(jù)權(quán)利要求6-7中任一所述的方法，其特征在于，步驟I)中，磁控濺射工藝的參數(shù)為:工作氣體為氬氣，本底真空度為2-4X 10_3Pa，工作氣壓為0.2-lPa,基片溫度為100-200°C，工作電壓為 80-115V。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一所述的方法，其特征在于，步驟2)中，離子束輔助氣相沉積工藝的參數(shù)為:氣體總流量是120-210L/分鐘，氫氣流量是1.5-5L/分鐘，真空度為l-lX10_5Pa，射頻功率為5-15MHZ，溫度為100-650°C，工作氣壓為15_50Pa，沉積時(shí)間為150-300 分鐘。
【文檔編號(hào)】C03B11/06GK104030548SQ201410314758
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】黃政仁, 王鳳艷, 閆永杰, 劉學(xué)健, 陳忠明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所