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Abstract

本发明涉及一种模造玻璃透镜的模仁，其包括一模压结构，其形成有模压面，其中，该模压结构是由二氧化铈部分稳定氧化锆(Ce－PSZ)、氧化钇部分稳定氧化锆(Y－PSZ)、氧化铝及贵金属烧结而成的复合结构。所述贵金属包括铂(Pt)、铂铱合金(PtIr)及铼铱合金(ReIr)。在一实施例中，该模仁进一步包括一超硬材料构成的底材。所述底材是由超硬合金、碳化物陶瓷或金属陶瓷制成。另一实施例中，该模仁更进一步包括一形成于底材与模压结构之间的中间层，其厚度小于1微米。本技术方案的模仁具有高机械强度、防止微裂纹产生以及良好离型能力的特点。

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】
模仁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仁的化学稳定性、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仁的材料及模仁制造技术的进步。对于用于模压成型的模仁一般有以下要求：
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，模仁不产生裂纹或变形；
c.在高温时模仁成型表面与光学玻璃不发生化学反应，不黏附玻璃；
d.模仁不发生高温氧化；
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。
传统模仁大多采用不锈钢或耐热合金作为模仁材料，这种模仁容易发生高温氧化，特别是在反复热冲击作用下，材料会发生晶粒长大，从而模仁表面***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仁。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仁。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。
因此，以碳化物或超硬合金为模仁基底，其表面形成有其它材料镀层或覆层的复合结构模仁成为新的发展方向。典型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仁。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有铱(Ir)薄膜层，或铱(Ir)与铂(Pt)、铼(Re)、锇(Os)、铑(Rh)或钌(Ru)的合金薄膜层，或钌(Ru)薄膜层，或钌(Ru)与铂(Pt)、铼(Re)、锇(Os)、铑(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)。
台湾专利申请第92203565号也揭露一种模造玻璃的金属模仁，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。
由于上述复合结构模仁的膜层应力作用，在使用较长时间后，膜层容易出现开裂、剥离、微裂纹等情形，从而影响模仁精度及模压成型玻璃产品质量，使用寿命不长。
另外，本发明的发明人曾经提出一种易于脱模的复合结构模仁，该模仁的基体孔隙中具有润滑剂，且所述模仁基体一部分是由碳化钨微粒(WC)及贵金属微粒(Noble Metal)混合烧结的烧结物制成。详情请参见中国专利申请第200510032759.9号。
在此，本发明人再提出另一种模造玻璃透镜的模仁结构，其具有优良离型能力，容易脱模，并具有较高强度及韧性，不易产生微裂纹或剥离现象。
【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、高强度及良好韧性的模造玻璃透镜的模仁。
为实现上述内容，提供一种模造玻璃透镜的模仁，其包括一模压结构，其形成有模压面，其中，该模压结构是由二氧化铈部分稳定氧化锆(Ce-PSZ)、氧化钇部分稳定氧化锆(Y-PSZ)、氧化铝及贵金属烧结而成的复合结构。
优选的，所述贵金属包括铂(Pt)、铂铱合金(PtIr)及铼铱合金(ReIr)。
在其中一实施例中，该模仁进一步包括一超硬材料构成的底材。优选的，所述底材是由超硬合金、碳化物陶瓷或金属陶瓷制成。
另一实施例中，该模仁更进一步包括一形成于底材与模压结构之间的中间层；优选的，所述中间层是由钽或钨金属构成，其厚度优选小于1微米。
相对于现有技术，本技术方案的模仁由Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化铝的烧结体提供足够机械强度、硬度及韧性，并由掺杂于其中的贵金属微粒提供离型能力，从而获得具有高机械强度、优良离型能力的模造玻璃透镜的模仁。
【附图说明】
图1是本发明模造玻璃透镜的模仁第一实施例的结构剖示图。
图2是本发明模造玻璃透镜的模仁第二实施例的结构剖示图。
图3是本发明模造玻璃透镜的模仁第三实施例的结构剖示图。
【具体实施方式】
请参阅图1，是本发明模造玻璃透镜模仁第一实施例结构剖示图。该模仁1包括模压层30，模压层30的顶部形成有模压面32，由该模压面32围成一模压凹槽34。在本实施例中，该模压面32呈圆弧面，当然也可根据欲模造的玻璃透镜的形状而设计模压面32及凹槽34的形状，例如非球面、圆球面等。本实施例中，整个模仁1由均匀的模压层30构成，不包含其它层结构。该模压层30是由Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化铝及贵金属组成。其中，Ce-PSZ即二氧化铈部分稳定氧化锆(Cerium partially-stabilized-zirconia)，或称为二氧化铈不完全稳定氧化锆；Y-PSZ即氧化钇部分稳定氧化锆(Yttria partially-stabilized-zirconia)，或称为氧化钇不完全稳定气化锆；贵金属包括铂(Pt)、铂铱合金(PtIr)及铼铱合金(ReIr)。
上述第一实施例模仁1是利用烧结方法制备而成。例如：首先，将Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化铝及贵金属粉粒均匀混合；然后将该混合之物料置于模仁内，并施以压力于模仁内挤压成形，并将初步挤压成形的物体放置于高温中进行烧结成复合烧结模仁；最后，利用微细加工雕刻形成所需光学透镜曲面。因Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化铝的烧结体可以提供足够机构强度，并且烧结体内的贵金属Pt、PtIr及ReIr可以提供优良离型能力，如此，无需再镀以其它薄膜结构即可获得具有高机械强度、优良离型能力的模造玻璃透镜的模仁。
下面简单说明本实施例之模仁1作用机理。
本实施例是基于氧化锆陶瓷的相变机理来达到提高机械强度及韧性的目的。氧化锆陶瓷的韧性提高主要原因在于：在微裂纹延伸处附近，开裂面的氧化锆微粒吸收能量，并产生应力诱发相变现象(stress-induced transformation)或者相变导致体积变化，从而阻止微裂纹进一步扩大，防止模仁的模压面形成微裂纹。Y-PSZ具有较高硬度，但是，其单独使用时，特别是当Y-PSZ在潮湿环境中、200～3000度温度条件下退火时容易降低强度、劣化；Ce-PSZ则无此问题，其在低温退火具有优良性质，然而，Ce-PSZ单独使用时硬度稍有不足。本实施例将Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化铝均匀混合、烧结，则可弥补Y-PSZ的上述问题并保持其高强度特性。
本实施例直接采用Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化铝及贵金属复合烧结体作为模仁结构，由Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化铝的烧结体提供足够机械强度、硬度及韧性，并由掺杂于其中的贵金属微粒提供离型能力，从而获得具有高机械强度、优良离型能力的模造玻璃透镜的模仁。
当然，本发明之实施方式还可有其它变化，例如：
请参见图2，本发明第二实施例的模仁2包括：一底材10及形成于底材10上的模压层20。其中，该底材10可由高强度的超硬合金、碳化物陶瓷(例如碳化钨)或金属陶瓷制成；而模压层20是由Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化铝及贵金属混合、烧结而成的复合体，贵金属包括铂(Pt)、铂铱合金(PtIr)及铼铱合金(ReIr)。该模压层20顶部形成有模压面22，由该模压面22围成一模压凹槽24。在本实施例中，该模压面22呈圆弧面，当然也可根据欲模造的玻璃透镜的形状而设计模压面22及凹槽24的形状，例如非球面、圆球面等。
上述第二实施例模仁2是利用烧结方法制备而成。由于该模仁2是由底材10及模压层20两部分构成，所以，可将底材10及模压层20同时进行烧结、再经微细加工形成模压面22。例如：首先将底材10之材料(例如以碳化钨为主的超硬材料微粒)先置于模仁内；再将Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化铝及贵金属粉粒均匀混合后置于底材10之上，并施以压力于模仁内挤压成形；并将挤压成形的物体放置于高温中进行烧结成具有底材10及模压层20的复合烧结模仁；最后，利用微细加工雕刻于模压层20表面形成所需光学透镜曲面。因Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化铝的烧结体可以提供足够机构强度，并且分布在烧结体内的贵金属Pt、PtIr及ReIr可以提供优良离型能力，如此，无需再镀以其它薄膜结构即可获得具有高机械强度、优良离型能力的模造玻璃透镜的模仁。一般而言，底材10作为基底，其厚度较大；而模压层20提供模压面22及模压凹槽24，其厚度可较小一些，例如数微米至数百微米之间。
请参阅图3，本发明第三实施例的模仁3包括底材10、模压层20以及形成于底材10及模压层20之间的中间层25。其中，底材10可由高强度的超硬合金、碳化物陶瓷(例如碳化钨)或金属陶瓷制成；而模压层20是由Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化铝及贵金属混合、烧结而成的复合体，贵金属包括铂(Pt)、铂铱合金(PtIr)及铼铱合金(ReIr)；中间层25起增强结合性的作用，使模压层20与底材10紧密结合，提高稳定性，中间层25可由钽或钨金属构成，其厚度可以较薄，例如小于1微米厚。该模压层20顶部形成有模压面22，由该模压面22围成一模压凹槽24。在本实施例中，该模压面22呈圆弧面，当然也可根据欲模造的玻璃透镜的形状而设计模压面22及凹槽24的形状，例如非球面、圆球面等。
上述第三实施例模仁3由底材10、模压层20及中间层25构成，其中底材10及模压层20可由烧结法制备，而中间层25则可由溅镀法形成。例如：可先采用类似第二实施例的方法，利用挤压成形及烧结法形成底材10；再以溅镀法于底材10表面形成钽、钨薄膜，即中间层25；最后以挤压成形、烧结法形成模压层20，并施以精细加工形成模压面22。
本发明上述三个实施例均是利用氧化锆陶瓷的相变机理来达到提高模仁结构的机械强度及韧性，提高模仁使用寿命，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，包括一模压结构，其形成有模压面，其特征在于：该模压结构是由二氧化铈部分稳定氧化锆(Ce-PSZ)、氧化钇部分稳定氧化锆(Y-PSZ)、氧化铝及贵金属烧结而成的复合结构。
2.如权利要求1所述的模仁，其特征在于，所述贵金属包括铂(Pt)、铂铱合金(PtIr)及铼铱合金(ReIr)。
3.如权利要求2所述的模仁，其特征在于，该模压面为球面或非球面。
4.如权利要求2所述的模仁，其特征在于，所述Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化铝及贵金属均匀分布。
5.如权利要求2所述的模仁，其特征在于，进一步包括一超硬材料构成的底材。
6.如权利要求5所述的模仁，其特征在于，所述底材是由超硬合金、碳化物陶瓷或金属陶瓷制成。
7.如权利要求6所述的模仁，其特征在于，所述底材与所述模压结构一体烧结而成。
8.如权利要求6所述的模仁，其特征在于，所述底材与模压结构之间进一步包括一中间层。
9.如权利要求8所述的模仁，其特征在于，所述中间层是由金属构成。
10.如权利要求9所述的模仁，其特征在于，该中间层是由钽或钨金属构成。
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