CN1899992A - 模仁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有保护层的模仁，其包括：一模仁基体，其具有一模压面；一形成于所述模压面的粘着层；一形成于所述粘着层的扩散障层；及一形成于所述扩散障层的保护层，所述保护层的材料为掺硅类金刚石。本发明还提供所述模仁的制备方法。

Description

模仁及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种模仁，尤其涉及一种具有保护层的模仁及其制备方法。
【背景技术】
模仁广泛应用于模压成型制程，特别是制造光学玻璃产品，如非球面玻璃透镜、球透镜、棱镜等，采用直接模压成型(DirectPress-molding)技术可直接生产光学玻璃产品，无需打磨、抛光等后续加工步骤，可大大提高生产效率及产量，且产品质量好。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。因而，模压成型技术的发展实际上主要取决于模仁材料及模仁制造技术的进步。对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及变形；
c.在高温时模仁表面与光学玻璃不发生化学反应，不黏附玻璃；
d.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，在反复热冲击作用下，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(Super-hard Alloy)被用于模仁。例如，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。
所以，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。
现有技术中提供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Ir与铂(Pt)、铼(Re)、锇(Os)、铑(Rh)或钌(Ru)的合金薄膜层，或Ru薄膜层，或Ru与Pt、Re、Os、Rh的合金薄膜层。
现有技术中还提供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，并于模仁的模压面形成一层类金刚石膜(DLC，DiamondLike Carbon)保护层。
上述复合结构模仁的贵金属或其合金薄膜层作为保护层虽然能起到防止模仁基底与被成形体间发生粘着现象，以及防止成形时周围气体中的氧气作用而使模仁基体性能恶化的作用。但是，所述贵金属或其合金薄膜层成本过高，而所述类金刚石膜保护层热稳定性较差，于高温时结构不稳定，导致模仁使用寿命较短。
有鉴于此，提供一种能降低成本，且使用寿命长的模仁及其制备方法实为必要。
【发明内容】
以下，将以实施例说明一种模仁。
以及通过实施例说明一种模仁制备方法。
为实现上述内容，提供一种模仁，其包括：
一模仁基体，其具有一模压面；
一形成于所述模压面的粘着层；
一形成于所述粘着层的扩散障层(Diffusion Barrier)；及
一形成于所述扩散障层的保护层，所述保护层的材料为掺硅类金刚石(Si-doped DLC)。
优选，所述模仁进一步包括：
一形成于所述保护层的第二粘着层，以及
一形成于所述第二粘着层的第二保护层。
优选，所述模仁基体模压面的表面粗糙度小于0.05μm。
所述模仁基体是由陶瓷、金属陶瓷或超硬合金材料制造，包括SiC、Si、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co。
所述粘着层的材料包括钛或铬。
所述粘着层的厚度范围为0.05μm～0.1μm。
所述扩散障层的材料为氮化钛。
所述扩散障层的厚度范围为0.05μm～0.1μm。
所述保护层的厚度范围为0.5μm～3μm。
所述保护层的表面粗糙度为0.2μm～1.2μm。
以及提供一种模仁制备方法，其包括：
提供一模仁基体，其具有一模压面；
在所述模仁基体的模压面形成一粘着层；
在所述粘着层表面形成一扩散障层；
以掺硅类金刚石为材料在所述扩散障层表面形成一保护层。
优选，所述模仁制备方法进一步包括：
在所述保护层表面形成一第二粘着层；以及
以掺硅类金刚石为材料在所述第二粘着层表面形成一保护层。
优选，在形成所述粘着层之前，对所述模压面进行研磨。
优选，在所述模仁基体模压面经研磨后，对其进行清洗。
所述粘着层、扩散障层及保护层采用溅射法或化学气相沉积法形成。
优选，所述模仁制备方法进一步包括对所述模仁进行退火处理。
与现有技术相比，本实施例提供的模仁中，所述保护层采用掺硅类金刚石为材料，且由于硅的掺入，使得类金刚石材料于较高温度下仍可保持其结构稳定，可有效防止保护层因高温时结构不稳定导致影响模仁的使用寿命。另，由于本实施例提供的模仁还可具有第二保护层，即使该第二保护层损坏，还可通过研磨去除所述第二保护层及第二粘着层，而继续使用，从而兼具低成本及使用寿命长的优点。此外，所述模仁基体模压面的表面粗糙度小于0.05μm，加工变质层厚度较小，因此模仁使用寿命也随之提高。
【附图说明】
图1是本发明第一实施例用于模压光学玻璃产品的模仁的结构示意图。
图2是本发明第二实施例用于模压光学玻璃产品的模仁的结构示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明的第一实施例提供一种用于模压光学玻璃产品的模仁100，其包括一模仁基体10，其具有一模压面11；一形成于所述模压面11的粘着层12；一形成于所述粘着层12的扩散障层13；以及一形成于所述扩散障层13的保护层15，所述保护层15的材料为掺硅类金刚石。
优选，所述模压面11的表面粗糙度小于0.05μm。
所述模仁基体10是由陶瓷、金属陶瓷或超硬合金材料制造，包括SiC、Si、Si3N4、ZrO2、A12O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co。
所述粘着层12的材料包括钛或铬。
所述扩散障层13的材料为氮化钛。
本实施例中，模压面11的表面粗糙度为小于0.05μm，故模压面11的加工变质层很小，且能与钛粘着层致密结合，故，能延长模仁的使用寿命。保护层15具有较高的硬度值及较低的摩擦系数，能满足模仁对材料的要求。而所述保护层15的表面粗糙度为0.2～1.2μm，使得模仁具有较佳性能。若粗糙度小于0.2μm，则成形体不易脱膜，而粗糙度大于1.2μm，则容易影响欲模压产品设计的形状。
本实施例的粘着层12及扩散障层13的厚度范围均为0.05μm～0.1μm；保护层15的厚度范围为0.5～3μm。所述粘着层12主要用于增加扩散障层13、保护层15与模仁基体10之间的附着性。所述扩散障层13用于防止活性原子与后续溅镀的保护层15产生反应，而影响保护层15的性能。
请参阅图2，本发明的第二实施例提供一种用于模压光学玻璃产品的模仁100′，本实施例与本技术方案的第一实施例不同之处在于，所述模仁基体100′不仅包括所述第一实施例提供的模仁100，还进一步包括一形成于所述保护层15的第二粘着层16，以及一形成于所述第二粘着层16的第二保护层18。本实施例提供的模仁100′，即使所述第二保护层18在使用过程中损坏，还可通过研磨去除所述第二保护层18及第二粘着层16，而继续使用，使用寿命较长。
本实施例还提供所述模仁的制备方法。
请参阅图1，本实施例提供的第一种方法包括以下步骤：
提供一模仁基体10，其具有一模压面11；
在所述模仁基体10的模压面11形成一粘着层12；
在所述粘着层12表面形成一扩散障层13；
以掺硅类金刚石为材料在所述扩散障层13表面形成一保护层15，形成模仁100。
以下，本技术方案结合实施例对各步骤进行详细说明。
步骤(1)，提供一模仁基体10，其具有一模压面11。提供一模仁基体10，并通过研磨将所述模压面11的表面粗糙度降至0.05μm以下，研磨完毕后对所述模仁基体10进行清洗，清洗方式可包括超音波震荡清洗或溅射清洗。所述模仁基体10是由陶瓷、金属陶瓷或超硬合金材料制造，包括SiC、Si、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co。本实施例中，通过采用较小号数的研磨工具将该模压面11研磨至0.03μm的表面粗糙度。然后，将所述模仁基体10放入丙酮溶液中以超音波震荡清洗20分钟，再放入乙醇溶液中以超音波震荡清洗10分钟；然后，采用氮***喷干该模仁基体10；接着将该模仁基体10放进磁控溅镀机(图未示)中，于2～7×10-3torr的氩气环境下，以300V的偏压利用等离子进行溅射清洗10分钟。
步骤(2)，在所述模仁基体10的模压面11形成一粘着层12。所述粘着层12可采用溅射法或化学气相沉积法形成，所述溅射法包括偏压反应溅射、射频溅射及共溅射。所述粘着层12的材料包括钛或铬，其厚度范围为0.05μm～0.1μm。本实施例中采用偏压反应溅射法形成所述粘着层12，偏压范围为-20V～-60V。以钛金属为靶材，于2～7×10-3torr的氩气环境下，于所述模压面11表面形成厚度为0.06μm的粘着层12。
步骤(3)，在所述粘着层12表面形成一扩散障层13。本步骤与步骤(2)大致相同，其不同之处在于，本步骤中所述扩散障层13是在2～7×10-3torr的氩气与氮气混合气体环境下形成。故通过本步骤于所述粘着层12表面形成的扩散障层13为一氮化钛层。
步骤(4)，以掺硅类金刚石为材料在所述扩散障层13表面形成一保护层15，形成模仁100。所述保护层15也可采用溅射法或化学气相沉积法形成，所述溅射法包括偏压反应溅射、射频溅射及共溅射。所述保护层15的材料包括类金刚石及硅，其厚度范围为0.5μm～3μm。本实施例中采用共溅射形成所述保护层15，偏压范围为-50V～-100V。为形成所述掺硅类金刚石材料，采用纯石墨及硅作为共溅射的两靶材，于2～10×10-3torr的氩气环境下，于所述扩散障层13表面形成厚度为2μm的保护层15。
本技术方案还可进一步对所述模仁100进行退火处理，退火温度的范围为200～300℃。本实施例中将所述模仁100置于一加热腔中，以氩气为保护气体，保持0.5～2小时250℃的高温进行退火，使所述保护层15的表面粗糙度控制于0.2～1.2μm范围内。
请参阅图2，本实施例提供的第二种方法与第一种方法不同之处在于，于前述步骤(4)之后，本实施例提供的第二种方法还进一步包括：
步骤(5)，在所述保护层15表面形成一第二粘着层16；以及
步骤(6)，以掺硅类金刚石为材料在所述第二粘着层16表面形成一第二保护层18。
所述第二粘着层16及第二保护层18的形成步骤(5)及步骤(6)可分别参照所述粘着层12及保护层15的形成步骤(2)及步骤(4)。
同样，本实施例还可进一步对所述模仁100′进行退火处理，其退火处理也可参照所述模仁100的退火处理。
与现有技术相比，本实施例提供的模仁中，所述保护层采用掺硅类金刚石为材料，且由于硅的掺入，使得类金刚石材料于较高温度下仍可保持其结构稳定，可有效防止保护层因高温时结构不稳定导致影响模仁的使用寿命。另，由于本实施例提供的模仁还可具有第二保护层，即使该第二保护层损坏，还可通过研磨去除所述第二保护层及第二粘着层，而继续使用，从而兼具低成本及使用寿命长的优点。所述模仁基体模压面的表面粗糙度小于0.05μm，加工变质层厚度较小，因此模仁使用寿命也随之提高。此外，经过退火处理后，所述模仁保护层的表面粗糙度控制于0.2～1.2μm范围内，使得模仁具有良好脱膜性。

Claims (18)

1.一种模仁，其包括：
一模仁基体，其具有一模压面；
一形成于所述模压面的粘着层；
一形成于所述粘着层的扩散障层；以及
一形成于所述扩散障层的保护层；
其特征在于，所述保护层的材料为掺硅类金刚石。
2.如权利要求1所述的模仁，其特征在于，所述模仁进一步包括一形成于所述保护层的第二粘着层，以及一形成于所述第二粘着层的第二保护层。
3.如权利要求1或2所述的模仁，其特征在于，所述模压面的表面粗糙度小于0.05μm。
4.如权利要求1或2所述的模仁，其特征在于，所述模仁基体是由SiC、Si、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiN、TiO2、TiC、B4C、WC、W或WC-Co制成。
5.如权利要求1或2所述的模仁，其特征在于，所述粘着层的材料包括钛或铬。
6.如权利要求5所述的模仁，其特征在于，所述粘着层的厚度范围为0.05μm～0.1μm。
7.如权利要求1或2所述的模仁，其特征在于，所述扩散障层的材料为氮化钛。
8.如权利要求7所述的模仁，其特征在于，所述扩散障层的厚度范围为0.05μm～0.1μm。
9.如权利要求1或2所述的模仁，其特征在于，所述保护层的厚度范围为0.5μm～3μm。
10.如权利要求1或2所述的模仁，其特征在于，所述保护层的表面粗糙度为0.2μm～1.2μm。
11.一种模仁制备方法，其包括：
提供一模仁基体，其具有一模压面；
在所述模仁基体的模压面形成一粘着层；
在所述粘着层表面形成一扩散障层；
以掺硅类金刚石为材料在所述扩散障层表面形成一保护层。
12.如权利要求11所述的模仁制备方法，其特征在于，所述模仁制备方法进一步包括：
在所述保护层表面形成一第二粘着层；以及
以掺硅类金刚石为材料在所述第二粘着层表面形成一保护层。
13.如权利要求11项或第12所述的模仁制备方法，其特征在于，在形成所述粘着层之前，对所述模压面进行研磨。
14.如权利要求13所述的模仁制备方法，其特征在于，在所述模压面经研磨后，对其进行清洗。
15.如权利要求14所述的模仁制备方法，其特征在于，所述清洗包括超音波震荡清洗及溅射清洗。
16.如权利要求11项或第12所述的模仁制备方法，其特征在于，所述粘着层、扩散障层及保护层采用溅射法或化学气相沉积法形成。
17.如权利要求16所述的模仁制备方法，其特征在于，所述溅射法包括偏压反应溅射、射频溅射及共溅射。
18.如权利要求11项或第12所述的模仁制备方法，其特征在于，所述模仁制备方法进一步包括对所述模仁进行退火处理。
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