CN110803861A - 一种大尺寸硫系玻璃成型方法及专用的大口径成型模具 - Google Patents

一种大尺寸硫系玻璃成型方法及专用的大口径成型模具 Download PDF

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Abstract

本发明的名称为一种大尺寸硫系玻璃成型方法及专用的大口径成型模具，属于硫系玻璃成型技术领域。它主要是解决现有大尺寸硫系玻璃成型困难和质量难以保证的问题。其特征在于采用了多次热压成型的方法，首先，将硫系玻璃毛坯表面打磨，模具内腔喷涂脱模剂，将玻璃坯料放置于成型模具中，随后放置于模压炉中，执行工艺，使玻璃坯料在高温下软化，在上模自重的压力下坯料摊软成模具尺寸的形状，停止加热，待模具降至室温，取出摊软的玻璃坯料；其次，重复以上操作，待坯料软化后，启动压机，反复多次压型，使摊软的坯料成型出模具内腔尺寸，最终得到大尺寸硫系玻璃。该方法操作简单便捷，可快速准确成型的特点，主要用于制备大口径的光学硫系玻璃。

Description

一种大尺寸硫系玻璃成型方法及专用的大口径成型模具
技术领域
本发明属于硫系玻璃成型技术领域，具体涉及一种可制备出大口径硫系玻璃成型方法及该方法专用的大口径成型模具。
背景技术
硫系玻璃是一种新型的红外材料，在3~5μm和8~14μm波段处具有优良的红外透过率，可以通过后期压制成型的方法制备出各种形状的红外光学元件，较之传统的加工方法具有工艺简化、成本低、效率高等优点，至今已被广泛应用于军事领域和民用领域。
随着硫系玻璃的应用领域的不断扩大，市场对大尺寸硫系玻璃有了强烈的需求。目前，由于硫系玻璃采用熔融淬冷法进行熔制，主要是将原料装入安瓿瓶真空封接，再放入摇摆炉中进行熔制，硫系玻璃坯料口径无法做大。同时，国内外很多研究机构和企业研究一种漏料成型的方式制备大尺寸硫系玻璃，但由于硫系玻璃高温挥发严重且对熔炼设备和环境要求严苛，很难漏注成型出条纹好、均匀性好的硫系玻璃坯料。因此，大尺寸硫系玻璃的制备成为了一个卡脖子问题。
专利201610380736.5公开了一种硫系玻璃的成型方法。此发明主要是采用石英模具，在真空状态下经过一次热压成型出Φ120mm尺寸的大口径硫系玻璃。此方法所用的石英模具导热差，易碎，寿命短，且石英很难加工较大口径。同时，此方法需要在真空状态下成型，对设备要求高，造成成本高，且只能一次成型出直径Φ120mm以下的硫系玻璃产品。所用模具与成型方式与本发明不同。
专利201611026723.4公开了一种大尺寸硫系玻璃的制备方法。此发明采用了单坩埚漏料方法，将玻璃原材料熔化后，采用搅拌器均化，最后玻璃液漏注至成型模具中，从而制得大尺寸硫系玻璃。此发明采用了玻璃液直接漏注成型的方法，由于硫系玻璃所用原料均为易挥发原料，最终所得硫系玻璃容易产生挥发和浇注条纹，良品率低，生产成本高，且目前硫系玻璃漏注和连续熔制技术仍在概念阶段，并未投入生产应用。所用成型方式与本发明不同。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大尺寸硫系玻璃成型方法及专用于该方法的大口径成型模具，该方法操作简单便捷，可快速准确的成型出大尺寸硫系玻璃，与很多专利中描述的玻璃液直接漏注成型的大尺寸硫系玻璃相比，此方法可有效避免因玻璃液挥发造成的内部条纹、光学均匀性差等问题，其次，此方法可解决目前小尺寸坯料成型大尺寸型件出现的折叠，圆边等成型不良问题，且成型产品内在质量与性能与玻璃坯料相当，适用于各种大尺寸硫系玻璃的成型。本发明所说的“大尺寸”或“大口径”是指圆形玻璃的直径、矩形玻璃的边长或不无则形状的最大点点间连线长度大于或等于120mm。
本发明的基本思路是：通过长期的硫系玻璃生产发现，硫系玻璃在成型过程中经常会因为料型差和型件尺寸过大等问题，出现圆边（未完全压满）、折叠等成型不良；且硫系玻璃漏料技术不成熟，玻璃液直接浇注出的硫系玻璃挥发条纹无法解决，料型短，粘度不易控制，存在很大问题。因此，本发明拟采用多次成型方式，首先，通过计算大口径硫系玻璃所需重量，选取传统的熔制工艺制备出硫系玻璃毛坯料。其次，设计制作出相应的成型模具，选用自制的压型炉，将毛坯料放入模具后，将模具放入压型炉中，为了防止成型时，由于模具尺寸大，坯料尺寸小，无法一次制备出合格的大尺寸硫系玻璃，本发明通过在一定温度下，先让坯料在上模和自身的重力下摊软，不打开压机压型，待软化完成后，对摊软料表面进行处理，再进行第二次软化，此过程启动压机进行压制，最后，准确成型出与模具尺寸相符的大尺寸硫系玻璃。
本发明技术关键是通过传统的成熟熔制方式制备出大尺寸硫系玻璃所需的合格毛坯料，采用砂纸对表面进行打磨处理，并涂上脱膜粉；进一步的设计制作出相应的大尺寸硫系玻璃成型模具，模具表面喷上脱模剂，将打磨好的毛坯料放入模具中；进一步的将模具放入压制炉中，在一定工艺温度下使硫系玻璃坯料软化变形，保持一段时间后，断掉压机电源；进一步的取出已经软化的硫系玻璃毛坯料，对坯料表面进行再次打磨处理，模具重新喷涂脱模剂；进一步的将坯料和模具放入压制炉中进行二次压制，设定压机参数和工艺参数，待坯料软化一定程度后，启动压机进行压制，进而制备出大尺寸硫系玻璃产品。本发明所述的大尺寸硫系玻璃成型方法解决了特殊用途的大尺寸红外产品的成型瓶颈。与很多专利中描述的玻璃液直接漏注成型的大尺寸硫系玻璃相比，此方法可有效避免因玻璃液挥发造成的内部条纹、光学均匀性差等问题，其次，此方法可解决目前小尺寸成型大尺寸出现的折叠，圆边等成型不良问题，且成型产品内在质量与性能与玻璃坯料相当，适用于各种大尺寸硫系玻璃的成型。
本发明成型方法的技术解决方案如下：一种大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于包括以下步骤：第一，将硫系玻璃毛坯表面用砂纸一次打磨并涂抹上脱膜粉，在大口径成型模具内腔均匀喷涂脱模剂，将打磨好的硫系玻璃毛坯放置于大口径成型模具中；第二，将装有硫系玻璃毛坯的大口径成型模具放置于模压炉中，加温使硫系玻璃毛坯软化，硫系玻璃毛坯在上模自重的压力下摊软成接近大口径成型模具内腔尺寸的形状后停止加热；第三，待大口径成型模具温度降至室温后，取出摊软的硫系玻璃毛坯，采用砂纸对取出的硫系玻璃毛坯二次打磨并涂抹上脱膜粉，在大口径成型模具内腔均匀喷涂脱模剂，将二次打磨的硫系玻璃毛坯放置于大口径成型模具中；第四，将装有二次打磨硫系玻璃毛坯的大口径成型模具放置于模压炉中，加温到成型温度后启动压机压型，使摊软的硫系玻璃毛坯成型出大口径成型模具内腔尺寸，进而得到大尺寸硫系玻璃。
进一步的，所述的大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于所述的第四步骤为：第四，将装有二次打磨硫系玻璃毛坯的大口径成型模具放置于模压炉中，加温到成型温度后启动压机，反复多次压型，使摊软的硫系玻璃毛坯成型出大口径成型模具内腔尺寸，进而得到大尺寸硫系玻璃。
进一步的，所述的大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于所述砂纸目数为150~300目；所述第三步骤中砂纸的目数小于第一步骤中砂纸的目数。
进一步的，所述的大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于所述脱膜粉为无机粉沫，脱膜剂无机溶剂。
进一步的，所述的大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于所述成型温度为硫系玻璃软化温度之上50-80℃，成型模具由模套、上模、下模三部分组成，模具材料为合金材料。
进一步的，所述的反复多次压型为2~6次压型；反复多次压型后，保温0.5~5h，保压10~30s。
进一步的，所述的大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于所述第二步骤中硫系玻璃毛坯软化温度是根据成型后玻璃厚度理论计算所得。
进一步的，所述的大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于所述硫系玻璃毛坯是采用熔融淬冷法制成的；硫系玻璃毛坯重量与待成型的大尺寸硫系玻璃重量相同。
本发明成型模具的技术解决方案如下：一种专用于上述大尺寸硫系玻璃成型方法的大口径成型模具，其特征在于：包括上模、模套和下模；所述模套内腔横截面尺寸与待成型大尺寸硫系玻璃横截面尺寸相同，模套上端设有与内腔横截面尺寸相同的上开口，模套下端设有小于内腔横截面尺寸的下开口；所述上模为横截面尺寸与模套内腔横截面尺寸相同的柱状体；所述下模上部为为横截面尺寸与模套内腔横截面尺寸相同的柱状体，下部为与模套下开口配合的柱状体。
进一步的，所述的大口径成型模具，其特征在于所述上模的重量为待成型大尺寸硫系玻璃重量的2-5倍。
本发明成型方法具有操作简单便捷、可快速准确的成型出大尺寸硫系玻璃的特点。本发明主要用于制备大口径的光学硫系玻璃。
附图说明
图1本发明实施例1所采用的大口径成型模具的结构示意图。
图2是本发明实施例1的成型前后硫系玻璃的红外透过率曲线对比图。
图中：1. 上模；2. 硫系玻璃毛坯；3. 模套；4. 下模。
具体实施方式
实施例1是本发明用于说明大尺寸硫系玻璃成型的典型试验。实施例1仅为展示技术的可行性的，本发明并不限于此实施例。通过传统的成熟熔制方式制备出大尺寸硫系玻璃所需的合格毛坯料，采用砂纸对表面进行打磨处理，并涂上脱膜粉；进一步的设计制作出相应的大尺寸硫系玻璃成型模具，模具表面喷上脱模剂，将打磨好的毛坯料放入模具中；进一步的将模具放入压制炉中，在一定工艺温度下使硫系玻璃坯料软化变形，保持一段时间后，断掉压机电源；进一步的取出已经软化的硫系玻璃毛坯料，对坯料表面进行再次打磨处理，模具重新喷涂脱模剂；进一步的将坯料和模具放入压制炉中进行多次压制，设定压机参数和工艺参数，待坯料软化一定程度后，启动压机进行压制，进而制备出大尺寸硫系玻璃产品。
本发明大尺寸硫系玻璃成型方法所采用的大口径成型模具包括上模1、模套3和下模4。模套3内腔横截面尺寸与待成型大尺寸硫系玻璃横截面尺寸相同，模套3上端设有与内腔横截面尺寸相同的上开口，模套3下端设有小于内腔横截面尺寸的下开口。上模1为横截面尺寸与模套3内腔横截面尺寸相同的柱状体。下模4上部为为横截面尺寸与模套3内腔横截面尺寸相同的柱状体，下部为与模套3下开口配合的柱状体。模套3内腔横截面可以是圆形、矩形或不规则形状。上模1的重量为待成型大尺寸硫系玻璃重量的2-5倍，以便上模1的自重能在模套3内腔内将加热的硫系玻璃毛坯2摊软成接近模套3内腔尺寸。上模1、模套3和下模4选用合金材料。
本发明大尺寸硫系玻璃成型方法包括以下步骤：
1）根据理论计算待成型大尺寸硫系玻璃所需重量，采用传统的熔融淬冷法制备出硫系玻璃毛坯块料；
2）采用150~300目的砂纸对硫系玻璃毛坯表面进行打磨，除去坯料表面的坑点、微裂纹、破边等缺陷，并涂上氮化硼粉；
3）将大口径成型模具拆分后在80-200℃温度下预热，分别采用喷壶将脱模剂均匀喷涂在上模1、下模4、模套3的内表面，将模具组合好；
4）将打磨好的硫系玻璃毛坯2缓慢放入在模具下模中部位置，放入上模1，并根据实际需要，在上模1外露部分划线，判定坯料软化程度；
5）将模具放入压型炉中，设置温度为硫系玻璃软化温度以上50℃~80℃，保温时间为0.5~5h，保压时间为10~30s；
6）执行压型工艺，温度达到设定工艺后，硫系玻璃毛坯2在上模1的重力下软化，待上模1下移至划线位置后，此次不启动压机，直接断掉电源，使硫系玻璃毛坯2随模具自然冷却至室温；
7）取出第一次升温软化的硫系玻璃毛坯，重新进行步骤2~步骤5，工艺执行后，待硫系玻璃毛坯软化至划线位置后，启动压机气缸，进行第二次压型，可反复压型动作2~6次，保证坯料完全成型出模具尺寸，从而制备出大尺寸硫系玻璃。
实施例1：商用Φ200×20mm大尺寸As40Se60硫系玻璃的制备。
1）根据理论计算Φ200×20mm大尺寸As40Se60硫系玻璃成型所需重量为2907.6g，采用传统的熔融淬冷法制备出相应重量的Φ100×38 mm硫系玻璃毛坯块料。
2）先采用150目的粗砂纸打磨坯料表面的较大的缺陷，再用280目细砂纸打磨进行细磨，除去坯料表面的坑点、微裂纹、破边等缺陷，保证表面相对光滑，并涂上氮化硼粉。
3）准备好预先设计制作出的Φ200硫系玻璃成型模具，将模具拆分后在180℃温度下预热，分别采用喷壶将氮化硼溶剂均匀喷涂在上模、下模、模套的内表面，将模具组合好。
4）将打磨好的硫系玻璃毛坯料缓慢放入在模具下模中部位置，放入上模，并在模具上模与模套外漏部分用油漆笔划线，观察下移情况，用于判定软化程度。
5）将模具放入压型炉中，设置成型温度290℃（As40Se60玻璃Ts为216℃），保温时间为2h，保压时间为30s。
6）执行压型工艺，温度达到设定工艺后，坯料在上模的重力下软化，待上模软化至划线位置后，直接手动断掉电源，使坯料随模具自然冷却至室温；
7）取出第一次软化的玻璃坯料，重新进行步骤2~步骤5，工艺执行后，待上模发现下移后，启动压机气缸，进行压制，反复压型动作2次，保证坯料完全成型出模具尺寸，从而制备出Φ200×20mm大尺寸硫系玻璃。

Claims (10)

1.一种大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于包括以下步骤：第一，将硫系玻璃毛坯表面用砂纸一次打磨并涂抹上脱膜粉，在大口径成型模具内腔均匀喷涂脱模剂，将打磨好的硫系玻璃毛坯放置于大口径成型模具中；第二，将装有硫系玻璃毛坯的大口径成型模具放置于模压炉中，加温使硫系玻璃毛坯软化，硫系玻璃毛坯在上模自重的压力下摊软成接近大口径成型模具内腔尺寸的形状后停止加热；第三，待大口径成型模具温度降至室温后，取出摊软的硫系玻璃毛坯，采用砂纸对取出的硫系玻璃毛坯二次打磨并涂抹上脱膜粉，在大口径成型模具内腔均匀喷涂脱模剂，将二次打磨的硫系玻璃毛坯放置于大口径成型模具中；第四，将装有二次打磨硫系玻璃毛坯的大口径成型模具放置于模压炉中，加温到成型温度后启动压机压型，使摊软的硫系玻璃毛坯成型出大口径成型模具内腔尺寸，进而得到大尺寸硫系玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于所述的第四步骤为：第四，将装有二次打磨硫系玻璃毛坯的大口径成型模具放置于模压炉中，加温到成型温度后启动压机，反复多次压型，使摊软的硫系玻璃毛坯成型出大口径成型模具内腔尺寸，进而得到大尺寸硫系玻璃。
3.根据权利要求1或2所述的一种大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于：所述砂纸目数为150~300目；所述第三步骤中砂纸的目数小于第一步骤中砂纸的目数。
4.根据权利要求1或2所述的一种大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于：所述脱膜粉为无机粉沫，脱膜剂为无机溶剂。
5.根据权利要求1或2所述的一种大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于：所述成型温度为硫系玻璃软化温度之上50-80℃成型模具由模套、上模、下模三部分组成，模具材料为合金材料。
6.根据权利要求2所述的大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于：所述反复多次压型为2~6次压型；反复多次压型后，保温0.5~5h，保压10~30s。
7.根据权利要求1或2所述的大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于：所述第二步骤中硫系玻璃毛坯软化温度是根据成型后玻璃厚度理论计算所得。
8.根据权利要求1或2所述的一种大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于：所述硫系玻璃毛坯是采用熔融淬冷法制成的；硫系玻璃毛坯重量与待成型的大尺寸硫系玻璃重量相同。
9.一种专用于权利要求1至8所述一种大尺寸硫系玻璃成型方法的大口径成型模具，其特征在于：包括上模（1）、模套（3）和下模（4）；所述模套（3）内腔横截面尺寸与待成型大尺寸硫系玻璃横截面尺寸相同，模套（3）上端设有与内腔横截面尺寸相同的上开口，模套（3）下端设有小于内腔横截面尺寸的下开口；所述上模（1）为横截面尺寸与模套（3）内腔横截面尺寸相同的柱状体；所述下模（4）上部为为横截面尺寸与模套（3）内腔横截面尺寸相同的柱状体，下部为与模套（3）下开口配合的柱状体。
10.根据权利要求9所述的一种大尺寸硫系玻璃成型方法，其特征在于：所述上模（1）的重量为待成型大尺寸硫系玻璃重量的2-5倍。
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