专利名称：产品成型模及其制造方法
相关申请交叉引用本申请要求2004年2月11日递交的、序列号为60/543,850的美国临时申请的权益和优先权；并将其内容全部结合到本文作为参考。
背景模制品，例如玻璃透镜、电视屏面板等等，需要精密构造的折射表面和高度的表面平滑度。至于其他模制品，例如玻璃瓶、容器以及诸如此类，对表面平滑度的要求不是这样严格，但是存在在约500℃或更高的高温下完成模制的普遍要求。由此，用于玻璃成型的模(mold)具有例如机械强度、耐热性和抗高温模铸玻璃(mold glass)的化学稳定性的化学和物理属性(property)，以及例如表面粗糙度，表面精度，和释放属性的其他特性。
在诸如瓶子、容器和光学元件的玻璃制品的制造中，熔融玻璃可以以滴料(gob)和装料的形式从熔炉或炉床(hearth)被供给到滴料斜槽，以运送到维持在约500℃或更高数量级的温度下的分割式腔玻璃成型模中。所述模定义以其轴通常为垂直的方式设置的成型腔(cavity)，以及开在所述模的一端的入口(access)，所述入口允许将滴料装填到所述腔中。不锈钢、镍合金、钢合金和自由加工(free-machining)金属(例如铝)作为用于玻璃成型模的基础部分材料是已知的。在玻璃模制工艺中，大量热软化的玻璃质材料(被称为滴料)被投入到模(例如，坯模(blank mold)和颈环)中。例如，在一种类型的加工模中，一旦收到熔融态玻璃滴料，所述熔融态玻璃滴料就可以被倒转，并且压缩空气被吹到它里面以把玻璃展开成腔的形状并形成制品的形状。然后模的两半被分离，并在还热的时候移出形成的制品。
在另一种类型的模制操作(例如塑料模制操作)中，在一个通常被称为坯模的模中形成型坯(parison)。这个型坯可以包括颈腔，所述颈腔由接近该坯模放置以形成制品的颈的颈环形成。在通过上面描述的空气压力方法或通过使用嵌入到模腔的活塞的正压力来成型所述型坯之后，型坯被转移到被称为吹制模(blow mold)的另一个模，并且通过吹制技术成型到最终的形状。
在这两种操作中，润滑剂由自动化的机械设备喷射到空的模腔上，或者可替换地，由手工刷浆施加到所述空的模腔上。所述润滑剂用来在模和玻璃之间提供保护并且防止模氧化，以及在模制期间润滑模/玻璃的界面。已经以含有石墨的油(刷浆化合物)的形式每隔数十分钟的时间间隔使用脱模、润滑和分离剂。模不同部分(包括颈环、下托板(bottomplate)、模腔以及在压制和吹制过程中使用的活塞)的润滑被用来改进滴料的装填，以及改进成型的玻璃产品从模中的释放并防止由粘结(sticking)造成的产品中的瑕疵。
不管用手工或自动化方式，在润滑模时存在一些显著的缺点。手工刷浆，除危险之外，需要在机器机构的循环(cycle)允许的时间施加润滑剂。机械化的喷射单元使机器循环复杂化，并且要求要被润滑的模部分被制造成对于喷射嘴来说是可插入的，并且要求在再一次开始成型循环之前允许喷射和除去喷嘴的时间。在通过手工或自动化的喷料工位把脱模剂或润滑剂施加到模表面时，由于刷浆或喷射操作所需的时间，可能错过一个或更多个模制循环。喷料工位增加模制工艺的成本和维护。这些组合降低生产力，增加成本，并可能导致模部件的非均匀的、过度的或不完全的润滑。因为可以在约500℃或更高的高温下加热模，所以油烟产生使工作环境恶化。此外，过量施加的任何石墨可以附着在玻璃的表面上，造成产品被弄脏。
一些专利描述了解决这些问题的现有尝试。例如，Sano等人在美国专利No.5,595,639中教导了给玻璃成型模的内表面涂敷镍或镍基(nickle-based)合金组合物，所述镍基合金组合物主要包括镍和粒状石墨。Hagerty等人在美国专利No.4,747,864中公开了用光学上平滑的氮化钛表面涂敷的玻璃成型模。Blair在美国专利No.4,168,961中公开了具有碳化硅/玻璃态碳混合物的模制表面的模。Copeland在美国专利No.3,224,497中公开了具有用难熔氮化物、碳化物、氧化物、硼化物和硼化物络合物涂敷的表面的玻璃成型模。Blair等人在美国专利No.4,139,677中提议了碳化硅或氮化硅的模制表面。Oiwa等人在美国专利公开No.2003/0005725教导了用铬镀的涂层并随后用包含硅化物的涂层来涂敷模。Christini等人在美国专利No.3,936,577和RE 33,767中公开了用于通过在衬底上无电镀(electroless plating)来在金属中沉积伴生的颗粒金刚石的方法。Spencer在美国专利No.4,906,532中公开了通过无电沉积来对纺织工具进行颗粒金刚石复合物(composite)涂敷，其中所述金刚石具有至少两个标称尺寸。Feldstein在美国专利No.6,309,583中公开了通过无电沉积制造具有增强的热属性的包括金刚石的复合物涂层的方法。在这段列出的所有参考文献全部通过引用结合到本公开。
仍然存在对具有改进的磨损和释放属性的模部件(component)的需求。
发明概述制品的各种形式被提供了包括在基体中的颗粒超级研磨材料的表面，所述制品例如成型模、压模或注模，或其他与已经被加热到材料是塑性或熔融状态的温度的样品材料相接触的材料处理工具表面。制品表面与熔融状态或粘流状态下的样品材料接触，并且用于在模制之前、期间、之后处理材料。在基体中的超级研磨材料可以是在制品表面上的保形涂层(conformal coating)的一部分。颗粒超级研磨材料是已知最硬的材料之一，并且当在表面上存在或作为制品基础部分(base)上的涂层施加时，可以提供对于磨损和腐蚀的改进的抵抗力，以及为模制的产品或对象(object)提供好的表面光洁度。包括具有超级研磨颗粒材料的表面的模对于在化学上相容的模制、压印(stamping)、或将多种塑性或熔融状态的材料成型为一形状来说尤其有用，所述塑性或熔融状态的材料例如，但不局限于，玻璃、玻璃陶瓷或热塑性聚合材料。
制品的一个实施方案是这样的模，即具有颗粒超级研磨材料作为表面或模表面上的涂层的一部分。优选地，所述涂层是在模表面上的保形涂层。所述模可以用来制造包含玻璃的对象并且具有改进的磨损和腐蚀属性。描述了制造这些玻璃成型模的方法。模基础部分(mold base)可以在基础部分上具有在基体中的超级研磨材料的层或保形涂层，所述基础部分可以用金属、抗氧化钢、陶瓷和/或其他用于模制对象的耐腐蚀材料构成。
制品的另一种形式是用来在成型过程中模制像玻璃滴料或注入的热塑性塑料的熔融材料的模。所述模具有至少一个包含在基体中的颗粒超级磨料的模制表面。所述基体可以包括结合到模表面的一种或更多种人造或天然金刚石、立方氮化硼(cBN)，或这些的混合物。可选地，这些超级磨料粒子可以与其他研磨材料(例如，但不限于，碳化硼、碳化硅、氧化铝、氧化锌、二氧化硅和其他磨料)混合或组合。可选地，诸如MoS2、石墨或六方氮化硼(hexagonal cubic boron nitride)等的润滑材料可以被添加到涂层。可选地具有其他磨料或润滑剂的超级磨料复合物基体，可以通过镀敷工艺(plating process)被涂敷到模的磨损表面上，并且优选地在模表面上形成基体中的颗粒超级磨料的保形涂层。可替换地，超级磨料表面可以是通过热固性树脂和颗粒超级磨料混合物的热解而被涂敷到玻璃成型模的模表面上的复合物，或超级磨料表面可以是模衬底(substarte)的结构基础部分的一部分。
用于制造具有有好的释放属性和磨损性能的附着表面或熔融材料处理表面的制品(例如铸模、成型模、压印模)的方法，包括涂敷金属或抗氧化钢或钢合金或铸铁、镍铬合金、铝、陶瓷或具有包括在基体中的一种或更多种超级研磨颗粒材料的复合物的其他基础部分材料的操作。所述超级研磨粒子包括人造或天然金刚石、cBN，或这些的混合物。可选地，其他磨料和/或润滑剂可以被涂敷到模或模工艺制品的磨损表面上。制品表面可以用来与被加热到塑性或熔融状态温度的样品材料接触，所述样品材料例如热塑性塑料、玻璃陶瓷、玻璃滴料，玻璃坯或热模制的玻璃对象。涂层可以是在基体中的颗粒超级研磨材料的保形涂层，其中所述涂层被结合到制品基础部分的表面上。
用于模制对象的方法的一种形式可以包括使用具有可以包括在基体中的超级研磨粒子的表面的成型模，通过加热或压模(press-molding)热软化的模制材料来软化可模制的材料的操作。所述成型模可以包括上模和下模，并且每个模可以具有可以包括在结合到模基础部分的基体中的超级研磨粒子的成形(shaped)表面。模可以是注模或其他模。这些耐磨损的模或工艺制品表面与熔融材料接触，并且用于制造模制对象的成形表面。压模工艺把含有超级磨料的模制表面的形状转移到热塑性塑料、玻璃陶瓷、玻璃或正在被模制的其他材料。模制对象可以在模中被冷却到等于或低于材料的玻璃化温度(Tg)的温度，并且成形的对象从成型模(forming mold)中被移出。
用于模制成品玻璃制品的方法的一种形式可以包括把热软化的材料压到模制表面上的步骤，所述模制表面具有在结合到模基础部分的基体中的颗粒超级研磨材料的涂层。力使得热软化的材料与含有超级研磨材料的模制表面一致。所述模制表面涂层可以包括一种或更多种超级研磨材料，例如天然或人造金刚石、cBN，或这些的混合物。所述方法可包括把模制的材料和模制表面冷却到低于材料Tg的温度，并且从模中移出完成的该模制的、浇铸的或压制的对象的操作。
用于模制玻璃对象的方法的一个形式可以包括使用具有可以包括在基体中的超级磨料粒子的表面的成型模，通过加热或压模热软化的玻璃模制材料来软化玻璃模制材料的操作。所述成型模可以包括上模和下模，并且每个模可以具有可以包括在结合到模基础部分的基体中的超级研磨粒子的成形表面。这些耐磨损的表面与熔融材料接触，并且用于制造玻璃对象的成形表面。压模工艺把含有超级磨料的模制表面的形状转移到被模制的玻璃材料。模制的玻璃对象可以在模中被冷却到等于或低于玻璃的玻璃化温度(Tg)的温度，并且成形的对象从成型模中被移出。
用于模制成品玻璃制品的方法的一种形式可以包括把热软化的玻璃材料压到模制表面上的步骤，所述模制表面具有在结合到模基础部分的基体中的颗粒超级研磨材料的涂层。力使得热软化的玻璃与含有超级研磨材料的模制表面一致。所述模制表面涂层可以包括一种或更多种超级研磨材料，例如天然或人造金刚石、cBN，或这些的混合物。所述方法可包括把模制的玻璃和模制表面冷却到低于玻璃Tg的温度，并且从模中移出完成的玻璃对象或产品的操作。
用于制造模制的对象的方法的一种形式包括在材料的加工(working)范围内的温度下，用具有与材料接触的表面的模来压制材料的操作。模表面包括结合到模的颗粒超级研磨材料，并用于成形或模制材料。模表面的超级研磨材料可以分散在基体中，所述基体通过把该基体结合到模基础部分上的镀敷工艺来形成。优选地，在模制制品的表面上的基体中的超级研磨材料形成保形涂层。
除模表面之外，其他制造工具表面和制品可以包括含有在基体中的颗粒超级研磨材料的表面，所述其他制造工具表面和制品与熔融的或粘性的材料接触或处理加热的或以其他方式模制的对象。通常这些工具在模制操作中是有用的，例如在玻璃模制操作中，此时抗氧化性、低附着、导热性和耐磨损性是重要的。这些制品可以包括但不限于与熔融材料接触的部分，例如滴料偏转器和输送导向器、滴料进料表面和滴料孔、搅拌器、滴料活塞和滴料切刀。这些制品(例如，刀)也可以在它们的基础部分(base)里具有用于冷却的热交换流体(例如水或空气)的空心导管，并且优选地为了其意图的使用而具有足够的导热性的基础部分。其他模操作结构，所述结构可以具有包含在基体中的颗粒超级研磨材料的表面或具有在结合到结构基础部分的基体中的超级研磨材料的涂层，包括但不限于模坯(mold blank)、颈环、活塞、吹模板、吹模和用来把模制对象或产品从模中移出的夹爪(jaw)。
可以用于模制对象的制品的一个实施方案包括具有成形表面的模。成形模表面的一个或更多个部分可以由在基体中的颗粒超级研磨材料构成。所述基体可以是基础部分，或所述基体可以是涂层，并且优选地是保形涂层，所述保形涂层被结合到基础部分表面的一个或更多个部分上。模的表面在模制期间与软化的材料，即在它的加工温度范围内加热的材料接触，并且把模的形状转移到软化的材料上。在基体中的超级研磨材料可以是通过无电镀工艺形成的以附着方式结合到模基础部分的保形层。保形涂层可以被热处理以增加基体的硬度。所述模可以包括一个或更多个组装成模的部件，所述部件例如但不限于，下托板和一个或更多个侧板(side plate)。可替换地，所述模可以是具有阀和颈环的模坯。其中在基体中的超级研磨材料被涂敷到模基础部分的表面上，基础部分材料可以是金属、抗氧化不锈钢、铸铁、铝或陶瓷。基体可以是金属或陶瓷，并且被选择为在化学和物理上与模制工艺条件相容，所述条件包括模制材料、模制气氛和/或模制温度。优选地，基体是金属，并且更优选地包括镍(例如无电镀的镍)或一种或更多种镍的合金(尤其是含有硼、磷的那些)或这些的组合的。在模基础部分的成形表面上的具有超级研磨粒子的基体可以被热退火以增加基体的硬度和/或基体与模基础部分的结合。
制造模制对象的方法的一个实施方案包括在材料的加工温度范围内的温度下，用具有与材料接触的成形表面的模来压制材料的操作。模的成形表面包括与要被模制的材料接触的在基体中的颗粒超级磨料。在基体中的超级研磨材料可以包括，但不限于，天然或人造金刚石、立方氮化硼，或这些的混合物。包封(encapsulating)超级磨料粒子的基体可以包括陶瓷或金属材料。优选地，基体包括在基础部分上形成保形层的金属，并包括镍(例如无电镀的镍)或一种或更多种镍的合金，尤其是那些包含硼、硫或这些的组合的合金。
用于模制熔融材料的制品的另一种形式包括在玻璃模制过程中接触或处理熔融玻璃的一个或更多个表面，与熔融玻璃接触的表面包括在金属基体中的颗粒超级磨料的附着结合的保形涂层。金属基体和超级磨料在用来与熔融玻璃接触的制品表面的一部分上的涂层中均匀地混合。这些制品的实施例包括，但不限于，活塞、滴料刀、模、滴料孔或模颈环。颗粒超级磨料可以分别包括天然或人造金刚石、立方氮化硼、这些的混合物，或者这些或其他研磨材料的混合物，或润滑材料。
结合下面的描述、所附权利要求书和附图，本发明的这些和其他特征、方面及优点将变得更好理解。
附图简要说明
图1是模的内表面的光学显微照片，其中所述表面包括分散在基体中的颗粒超级研磨材料，所述基体附着到模的基础部分。
图2是模的内表面的光学显微照片，其中所述表面包括分散在基体中的颗粒超级研磨材料，所述基体附着到模的基础部分。
图3A-B示出了在其中物质可以被成形的腔，所述腔或模具有成形表面，所述成形表面具有在基体中的超级研磨材料的涂层，所述腔或模可以用于模制被加热到高于其加工温度并低于其熔化温度的材料以形成被模制对象。
图4是具有在基体中的颗粒超级研磨材料的附着性涂层的吹制端(blowtip)的显微照片。
图5A-C示出了在吹制端的基础部分上的保形颗粒超级磨料涂层的部分。
图6是示出了在基体中的粘性颗粒超级磨料的表面的吹制端的一部分的显微照片。
图7是涂敷可以用来模制或处理熔融材料的衬底的在附着性基体中的复合物颗粒超级磨料的一部分的显微照片。
图8是在研磨磨损后的复合物超级研磨材料涂层的顶层的显微照片，所述显微照片示出了磨料粒子和基体。
详细描述在描述本发明的组成和方法之前，应当理解，本发明并不限于所描述的特定组分、方法或协议，因为这些可以变化。还应当理解的是，在本说明书中使用的术语仅是为了描述特定形式或实施方案的目的，而不是要限定本发明的范围，本发明的范围仅被所附权利要求书限定。
必须注意，正如在本文和所附权利要求书中所使用的那样，单数形式的“a”、“an”以及“the”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。因此，例如，提及“超级研磨粒子”(a“superabrasive particle”)是指一个或更多个的超级研磨粒子及其本领域技术人员已知的等同物，等等。除非另有定义，本文所使用的所用技术和科学术语具有与本领域普通技术人员的一般理解相同的含义。虽然任何与本文描述的内容类似或等同的方法和材料可以被用于本发明的实施方案的实施和试验中，但是，现在描述的是优选的方法、设备和材料。所有提及的出版物在此通过参考被结合进入本文。由于发明在先，本文没有内容可以被解释为承认本发明不具有比这样的公开更早的发明日期。
“可选的(optional)”或“可选地(optionally)”意思是随后描述的事件或情况可以发生或可以不发生，并且描述包括在其中事件发生的实例或在其中事件不发生的实例。
申请人已经发现，在模材料的表面使用颗粒超级研磨材料作为直接沉积到成型模部件的接触表面上的涂层或作为模基础部分的成分(component)，可以提供令人吃惊的耐磨损和抗腐蚀性，以及对于模制玻璃、塑料、玻璃陶瓷或其他可成型材料的改进的表面质量。相似的涂层或组成可以被沉积在用于模制过程中的其他制品上，并且可以包括活塞、夹爪、滴料切割刀，或在模制过程中与加热的材料接触的其他部件。申请人还发现对于塑料模制成分，涂层的不曾预料的益处也可以产生。这些成分或制品可以包括塑料成型模和成分挤压机活塞、模板(die plate)、筒、螺杆、加压锥、转移模、浇口(gate)、浇口切断器、模表面。
模或其他模工艺制品的表面包括在基体中的超级磨料粒子的散布。基体可以形成所述模或其他模工艺制品的基础部分，或者基体可以以化学和/或物理方式被结合到模或其他模工艺制品的基础部分材料。基体可以包括陶瓷、金属或金属合金。在一个实施方案中，超级研磨粒子被分散在连续的金属基体中，所述基体形成结合到模或其他模制工艺制品的基础部分材料上的涂敷层。金属基体可以被镀在基础部分上或镀在其他用于模制工艺的制品上，其中在电镀浴中存在超级磨料。有用的金属基体包括金属或金属合金，所述金属和金属合金可以包括，但不限于，单独的或以各种各样的方式组合的镍、铬、钻、铜、铁、锌、锡、铝和钨。金属基体在化学上与加热的玻璃或要被模制的聚合材料相容。在一个实施方案中，基体可以包括镍或镍的合金，其中基体和超级磨料粒子形成结合到所述基础部分上的保形涂层。
模或其他玻璃或塑料处理制品的表面可以具有大量结合到基体和模表面的超级磨料粒子。超级磨料粒子之间的间隙(interstices)可以用基体材料来充满并且形成连续的基体。基体可以具有可以用来与要被模制的熔融材料接触的工作表面。
以化学或机械方式把超级磨料粒子结合到模或模表面的基体可以具有高的耐磨损性或高的抗氧化性。它可以在化学上与熔融材料或模制过程中的环境条件相容，并且它可以消除或最小化模制对象上污染残余物的量。例如，为了模制含氟的热塑性材料，具有分散的超级磨料粒子的基体可以抵抗由于可能形成的痕量HF造成的腐蚀。金属基体具有与模衬底相似的热膨胀系数，弹性属性和热属性，减少在热循环过程中剥落的趋势。此外，形成的表面可以以很少用或不用对所述模的表面校正，以满足为最终形成的元件建立的表面公差极限(tolerance limits)。
包括基体和超级磨料粒子的总的复合物涂层可以具有通过基础部分材料在电镀槽中的时间的长度来控制的厚度。涂层可以具有约5微米到约250微米的厚度，涂层可以具有约20微米到约120微米的厚度，具有不同厚度的其他涂层也是可能的。用于施加的涂层的厚度可以通过磨损率、涂敷部件的成本、用具有新涂层的部件取代部件的成本来确定。贯穿(throughout)复合物涂层的厚度，超级磨料粒子被金属基体完全地包封，并且通过金属相被保持在适当位置(见图7)。观察到在复合物涂层的最顶层，超级磨料粒子会突出(protrude)，甚至超出金属基体。当观察已经经历过某种程度的磨损的表面时，这尤其明显。不希望被理论所约束(be bound)，看起来金属基础部分以快于超级磨料粒子的速度磨损，并且突出的粒子实际上承受大部分与熔融或粘性材料的直接接触，或与磨料表面的直接接触。(见图8)。因为涂层的磨损在表面上进行，超级磨料粒子最终被拉出基体，并且来自下面的层的新粒子被暴露。
虽然超级磨料粒子通过金属基体以机械方式被保留，但是金属基体非常牢固地附着在基础部分部件上。如果基础部分部件是用铁、铝、镍、钴、黄铜、青铜、铜或其他金属材料做成的，这尤其正确。在某些实施方案中，已经测得，无电镀镍到钢的抗拉粘结强度(tensile adhesion bond strength)在钢上处于约30,000到约60,000psi的范围内，而在铝上为约20,000到约45,000psi。这些涂层可以用于在模制操作中使用的表面模或制品。相反，典型的热喷射(thermal spray)涂层具有5,000到10,000psi的抗拉粘结强度。将超级磨料粒子添加到无电镀镍上可能不会减少到基础部分部件的附着力，因为在粒子的共沉积开始之前一层薄的连续镍层被沉积到基础部分上。在一个实施方案中，基体中的颗粒超级研磨材料的涂层具有大于约10,000psi的粘结强度，所述涂层是附着在模基础部分或模工艺制品上的保形层。在一个实施方案中，基体中的颗粒超级研磨材料的涂层具有从约30,000到约60,000psi的粘结强度，所述涂层是附着在模基础部分或模工艺制品上的保形层；在另一个实施方案中，涂层具有从约20,000到约45,000psi的粘结强度。这些涂层可以用于在模制操作中使用的模或制品的表面，所述模制操作包括把被加热到高于其加工点(working point)的材料供应给模。
玻璃、陶瓷玻璃、蜡和热塑性塑料是可以在超过粘度极限的范围下被模制或“被加工”的材料的实施例。材料的加工点是被加热的材料可以被成型或处理的温度。被加热到高于加工点的材料可以具有从约100泊(poise)(实质上是液体)到约100,000,000泊(其中材料将在负荷下(under load)以可测量的速率蠕变(creep))的粘度，所述材料可以用涂敷的制品进行处理、模制、铸造、或压印。在一个实施方案中，模制可以在具有约5,000到约10,000泊的粘度的被加热玻璃上进行，在另一个实施方案中，模制可以在具有从约5,000到约20,000泊的粘度的玻璃上进行。热塑性塑料是在比玻璃成型操作更高的压力下注射模塑的。在一个实施方案中，热塑性塑料可以用具有附着性的超级研磨材料表面的制品处理或模制，其中热塑性塑料具有从约75,000到约100,000泊的粘度。在一个实施方案中，热塑性塑料可以用具有附着性的超级研磨材料表面的制品处理或模制，所述热塑性塑料具有从约50,000到约200,000泊的粘度。
用于模制工艺的模或处理材料的其他表面的表面光洁度可以针对其意图的使用为模制产品提供足够的平滑度，所述模或其他材料具有包含在基体中的超级研磨粒子的表面。对于薄壁的模制对象，粗糙度可以小于模制对象的壁厚度的一半。具有在基体中的颗粒超级研磨粒子的模表面可以用于通过模制来制造光学上平滑的表面。复合物涂层的表面粗糙度通常依赖于各种因素，例如粒度(particle size)；粒子浓度；涂层厚度和衬底粗糙度，所述各种因素可以在制备模表面时调整。预期的是当超级磨料粒度在基体中增加时，表面粗糙度也增加。在基体中更大浓度的特定超级研磨粒子还趋向于增加产生的复合物涂层的表面粗糙度。可以确定用于超级磨料表面的粒度的大小，以满足模制需要。
在模制操作中，已经发现使用具有颗粒超级研磨材料的模模制的元件或制品具有高的表面质量和高的表面精度。高的表面质量意思是如在某些光学部件(例如透镜)中使用的表面质量，其中表面没有刮痕(scratch)、挖痕(digs)、凹痕(pit)等等。
在模制制品的表面上的包括在基体中的超级磨料粒子的涂层的耐磨损属性通常依赖于磨料的选择、体积含量、粒子的大小、基体的组成、总厚度和热处理。本领域的技术人员无需非常规的试验可以确定合适的涂层，来为任何选择的应用提供模表面，所述模表面在磨损和成品被模制对象或产品的表面粗糙度之间具有有用的平衡。
为表面挑选的研磨材料(超级磨料以及可选的材料，有时被称为“粗砂(grit)”)的平均大小由多种因素决定，所述因素包括使用的超级磨料/磨料的类型、要被模制的材料、模制部件、成品被模制对象的粗糙度。在一个实施方案中，粒度是约0.2到约50微米。在另一个实施方案中，粒度是约0.5到约10微米。
当在分散在基体中的颗粒超级磨料被沉积(例如使用无电镀工艺)到模的基础部分或材料处理制品的基础部分上的情况下，基础部分材料可以根据金属镀敷领域中已知的实践，通过机械清洗、除油、阳极碱清洗和/或在酸浴中酸洗来制备。如果必要，衬底可以被掩蔽(mask)以允许颗粒超级磨料和金属或合金仅在选择的表面上沉积。可选地，结合或附着到基础部分材料上的涂层经常可以通过在把金属基体中的颗粒超级磨料施加到基础部分上之前，在衬底表面上以电化学的方式沉积触击层(strike layer)来改进。
用于玻璃或塑料工业中的塑料成型模的制造可以包括把完成的产品或对象的外形(figure)(例如容器表面、球面表面或非球面表面(用于光学透镜)等等)加工成模体(mold body)的步骤，形成坯模或成形模(finish mold)。在一些实施方案中，模具有容纳液体或可用来保护空气敏感的电子元件、灯丝(filament)或其他结构的对象的形状。然后可以用分散在基体中的颗粒超级磨料涂敷成形的模。可以被制作成具有包括在基体中的超级磨料粒子的表面的其他模制工艺设备制品包括模部件，例如颈环、下托板、挡板，压模或其他具有一个或更多个用于模制对象的生产的表面的工具。这样的对象可以包括例如模制的玻璃对象或产品，例如容器、透镜、面板(panel)等等。使用模制工艺设备制品的玻璃成型操作的实施例包括形成滴料、压模、吹模、压和吹工艺，或吹和吹模工艺。
滴料(gob)指一块或一团软的熔融或塑性状态的材料。在模制过程中，滴料可以是任何已经被加热到其粘度足够低的温度的材料，从而它可以被成型或处理成最终形状的对象并且随后被冷却以保持对象的形状。通常，加工点温度或材料的加工范围提供材料粘度的度量，在其中可以通过模制、或铸造、或压印、或挤压(extruding)、或注射来加工所述材料。
具有包含在基体中的颗粒超级研磨材料的表面的模还可以用于高温等静压(hotisostatic pressing)应用，在其中热和压力被同时施加到部件上，导致它以充分均匀的形式收缩或压实(densify)。它可以直接被用于强化粉末或增补物以进一步压实冷压的、烧结的或铸造的部件。典型地，压力介质是气体(例如氩气或氮气)，但它可以是液体或熔融金属。选择基础部分材料以及超级磨料粒子被结合在其中的基体，以抵抗在等静压处理中直接压实粉末所需的压力和温度。
可以被用作模和模制工艺制品(例如模、颈环、活塞、吹模、取出夹爪、滴料刀或其他与加热的可模制材料接触的结构)的基础部分的材料可以单独包括或与其他材料一起包括，熔融石英，像陶瓷的SiC，金属，铸铁，钢合金(例如不锈钢)，抗氧化不锈钢，镍和其合金，镍铬合金，和/或自由加工金属例如铝合金和其他具有化学相容性的材料，以为其计划的模制过程提供抗氧化性和良好的释放特性、机械强度和温度抵抗力。
包括超级研磨材料的模制表面可以被成型为模基础部分的固体本体，或为包括被沉积在所述模基础部分上的基体中的超级磨料的涂敷层。在实施方案中，其中表面被沉积为涂层，涂层可以具有足够的厚度，使得即使在模制和精加工(finishing)的过程中发生了一些涂层的去除，表面的剩余部分仍然足够厚并且包含足够的超级磨料粒子，从而模制部件并且优选地玻璃模制部件的表面特性，可以部分地、主要地或排他地归因于含有超级磨料的表面。
在一个实施方案中，含有超级研磨材料的模制表面的厚度至少是使用的超级磨料粒子的平均粒度。在第二个实施方案中，模制表面至少是约10微米厚。在本发明的第三个实施方案中，模制表面至少是约25微米厚。在本发明的第四个实施方案中，模制表面具有足够的厚度来防止基础部分材料的氧化并用模的基础部分材料确保粘结强度。在第五个实施方案中，厚度是约0.2到约200微米。可以通过SEM、荧光X-射线仪器，或本领域已知的其他技术来测量表面涂层的厚度。
术语超级磨料指具有大于约3000kg/mm2的维氏(Vickers)硬度的材料，并且可选地大于约3200kg/mm2。超级磨料或有时超硬磨料的实施例指像金刚石、多晶金刚石(PCD)或立方氮化硼(cBN或pCBN)的材料，所述材料是高惰性并且耐磨损。为了用于与要模制的粘性加热材料接触的模表面或其他模制工艺制品的表面，超级磨料可以是分散在基体中离散(discrete)粒子的形式，从而粒子被基体保持。超级研磨材料可以通过本领域已知的方法被制备，并且在商业上可从多个来源获得，所述来源包括俄亥俄州沃辛顿的戴蒙得创新股份有限公司(Diamond Innovation，Inc.of Worthington，OH)。
可选地，可以给超级研磨材料提供薄的金属涂层，例如镍、铜、钛或任何可以被沉积在超级磨料晶体上的耐磨损或导电金属。在商业上，涂敷的cBN材料可以从许多来源获得，所述来源例如以Borazon为商品名的Diamond Innovations，Inc.，以ABN为商品名的Debbeers，以及以SBNDN为商品名的Showa Denko Carbon，Inc.。
可选地，可以在涂层或基础部分材料中以约5到约50体积-％的量把其他材料添加到超级研磨材料中。这些材料可以包括具有与用于超级磨料粒子的那些尺寸相同级别的尺寸的细固体粒子。这些材料可以与金刚石，cBN，和/或金刚石与cBN的混合物混合，并且可以是提供成本效益或提供例如润湿性的磨料，所述润湿性对特定材料可能是有利的。这些磨料可以包括，但不限于，硼-碳-氮-硅系合金和化合物、SiC、Si3N4、WC、TiC、CrC、B4C等等；SiO2、Al2O3、ZrB2。润滑材料可以用于涂层并且可以包括，但不限于，MoS2、石墨、六角氮化硼(hexagonal boron nitride)、聚四氟乙烯、和这些的混合物。
有一些可以用来生产具有包含超级磨料粒子的耐磨损性表面的成型模或模工艺设备的技术。超级磨料可以被结合到复合物中作为固体部件的一部分以形成模制(molding)或工艺部件，其中所述部件随后被机加工或磨削并抛光以形成模制表面。在这种情况下，超级磨料可以被分散遍及部件或制品。另一种技术涉及用熔融石英、钢合金和/或其他合适材料来成型模部件或工艺处理部件，并随后涂敷模或工艺部件的表面，优选涂敷那些与熔融材料或被加热模制的对象接触的表面，其中涂层包括在通过电解的或无电镀的涂敷方法形成的基体中的本发明的超级磨料。在通过电解的或无电镀的工艺用在基体中的颗粒超级磨料进行涂敷之前，模部件或工艺部件表面可以用例如铬镍合金、氧化锆、触击层或其他层的涂层层预涂敷。
图3示出了可以用于模制工艺的不同的制品。这些制品的表面的部分包含在基体中的超级研磨材料，所述超级研磨材料以化学或机械的方式被结合到基础部分材料。该制品可以包括用来把熔融材料成型为所需形状的模、压印、颈环和/或其他容器(vessel)。制品可以包括阀，例如在压模坯中的阀。制品可以是成形为活塞的棒，并且用来在模坯中把玻璃滴料或其他材料在其加工温度范围内压制成一形状。可以组装(assemble)具有超级磨料表面的一个或更多个制品以形成模。例如，如图3A中所示的吹模可以包括具有表面特征338的吹模下托板342，以及在基体344中的颗粒超级研磨材料的涂层，所述涂层与被模制的材料334接触。如图3A中所示的模包括成形的边模(side mold)310和348，每个具有在基体330和352中的颗粒超级研磨材料的涂层。在基体330、344和352中的超级磨料粒子提供与熔融材料或坯接触的表面以成型模制的对象334。如图3A中所示，吹模组件的每个部分可以具有形成最终被模制的对象334的一部分的形状。模的全部或一部分可以具有是在基体中的超级研磨颗粒材料的表面，或者不与熔融材料接触的模表面部分可以不被涂敷。模的成形表面可以具有一种或更多种表面特征，例如，但不限于，洞、通路(via)、突出或通道，熔融态材料被压入这些特征以形成细节、图形或在最终的产品上可读的字符。图3A模制对象334的颈部分318被显示与具有在基体326中的超级研磨颗粒材料的涂层的颈环314相接触，所述涂层以化学或机械方式结合到模颈基础部分314上。模表面可以具有一个或更多个洞、通路、突出或通道，它们组成这样的模表面，即可具有包括在基体中的颗粒磨料的表面。被344涂敷的凸起的结构338图示了这个特征。显示的模可以被成形以形成能够包含液体或封入(enclose)电子结构(例如但不限于灯丝(filament)和电子枪)的对象334。模可以被成形以形成光学元件、显像管、外壳(housing)、绝缘体或其他对象。
图3B示出了被模制的对象334从模中的移出。耐磨损的涂层330、344和352释放被模制的对象并且使涂层材料到完成对象的掺入最小化。模制对象334可以通过制品364从拆卸的模中移出，所述拆开的模在在图3B中被示为相对于图3A的分离部件，所述制品364通过在结合到制品基础部分材料356上的基体中的超级研磨材料的表面与加热模制的对象接触。制品364可以是一对夹爪或钳，或其他合适的制品。
用于模制工艺的制品上的涂层的图示性实施例在图4中显示。图4是显示涂层408和基础部分404的吹制端的显微图片。图5A更详细地显示了这个制品和涂层的方面。涂层508是覆盖接触区如在端上任何各处的基本上保形的涂层。基础部分504可以是像蒙乃尔(Monel)铜镍合金或其他镍合金的金属，所述金属具有在基体512中的超级磨料的保形涂层508。图5B示出了端的横截面图。在基体512中的超级磨料粒子516的涂层508的实施例在图5C中显示。图6是进一步图示吹制端的一部分显微照片。图6显示了在基础部分604上的在基体612中的超级磨料粒子的附着性涂层608的表面。
图7是复合物金刚石涂层708的一部分的显微照片，示出了顶部表面702、基础部分704、基体712，以及分散遍及基体712的超级磨料粒子716。图8是在磨料磨损后复合物金刚石涂层的顶层的显微照片，示出了磨料粒子816和基体812。
模截面、活塞、滴料刀和其他在与熔融材料接触的表面上具有基体中的超级研磨颗粒材料的工艺设备可以具有为了热交换流体的内部管道，在图3A中没有示出所述内部管道。例如，在一个或更多个其表面上具有超级研磨材料的成型模可以通过将来自来源的交换流体流(例如水或压缩空气)提供到模或工艺设备中的内部腔或管道而被冷却。可以控制流体流以达到所需流量和总的热交换，从而，想要得到的模温度。
传统电镀磨料的工艺可以用于把至少包括金刚石、cBN或这些的混合物的超级研磨复合物的涂层沉积到与熔融玻璃接触的玻璃成型模的表面上。可以使用金属电沉积技术用至少一种金属涂层将超级磨料附加(affixed)到表面上。要被复合物电镀的用于电极或相反电极(opposite electrode)的金属材料可以选自成形的材料，例如铁、铁合金、铝、铝合金、钛、钛合金、铜、铜合金、铬、铬合金、锡、锡合金和/或任何过渡金属和它们的合金。在一个实施方案中，复合物电镀液体中含有的金属离子可以选自镍、铬、钴、铜、铁、锌、锡和钨的离子。金属离子形成由单种金属或合金组成的金属基体。所述金属基体可以具有与模衬底相似的弹性或热属性，在热循环期间减小剥落的趋势。此外，可以使用形成的表面以满足为最终的玻璃对象或产品建立的表面公差极限，而对模很少用或不用表面校正。
为了在电镀金属上沉积，本发明的超级磨料粒子，即，金刚石或cBN，并且可选地，传统研磨材料，可以被引入电镀浴(plating bath)。电镀浴混合物中的超级磨料粒子的量按体积计算可以在约1％到约95％的范围内。
作为相对于基体的超级研磨材料的体积百分数，在基体涂层中的超级研磨颗粒材料的量依赖于涂敷工艺(coating process)，但可以是约5％到约85％。在一些实施方案中，作为相对于基体的超级研磨材料的体积百分数，在基体涂层中的超级研磨颗粒材料的量可以是约15％到约40％。
在把超级磨料粒子结合到金属膜中的无电镀的或电解的镀敷工艺中，金属被沉积在玻璃成型模或模工艺制品上，直到在模或制品表面上获得想得到的涂层厚度。金属涂层可以具有范围为从平均超级磨料粒子的约5倍到约100倍的组合厚度(combined thickness)。在一个实施方案中，为超级磨料复合物中的一个磨料粒子的平均直径的约10倍到约30倍。在第三个实施方案中，为大于约一个磨料制品的厚度的5倍。
无电镀的金属镀敷工艺可以用于把超级磨料涂层置于玻璃成型模上。这个工艺允许在非导电模上的本发明超级磨料涂层的保形镀敷，所述模优选地玻璃成型模，具有保留精细细节的错综复杂的表面(例如，深的洞或通路)。无电镀的(自催化的)涂敷工艺是公知的，并且一个例子如在授予Feldstein等人的美国专利NO.5,145,517中公开的那样，所述专利的公开通过引用被明确地结合到本文。
术语“保形”指在模表面或模制工艺制品表面形成的材料层，其中材料层的厚度在任何模或工艺制品表面是基本相同的，例如厚度在垂直和水平表面上是基本一致的。基体的保形涂层均匀地覆盖在模或其他工艺制品表面上。可以通过例如检查沿着模中洞的壁和底的涂层厚度并确定涂层厚度的变化来测量涂层的均匀度。当涂层具有在任何垂直于模或制品的特征的点上测量的厚度是在任何其他垂直于模或制品的第二个特征的点上的平均基体涂层厚度的约±25％之内时，保形涂敷的模或模制工艺制品可以被视为保形地涂敷。在一个实施方案中，当涂层具有在任何垂直于模或制品的特征的点上测量的厚度是在任何其他垂直于模或制品的第二个特征的点上的平均基体涂层厚度的约±10％之内时，涂层是保形的。
在无电镀的金属涂敷工艺中，玻璃成型模或其他模制工艺设备的表面与稳定的无电镀金属化(metallizing)浴接触，或被淹没在稳定的无电镀金属化浴中，所述无电镀金属化浴包括金属盐、无电镀还原剂、络合剂、非离子化合物连同一种或更多种阴离子的、阳离子的、或两性的化合物一起的无电镀稳定剂，以及一些超级研磨颗粒物质，所述物质在金属化浴中是基本上不溶或溶解不足(sparingly soluble)的，并且可选地为颗粒物质稳定剂。在玻璃成型模的金属化过程中，超级研磨物质在金属化浴中以悬浮方式维持足够的时间，以产生在其中分散有超级研磨材料的金属涂层。
包含超级研磨粒子的无电镀NiP涂层可以利用含有H2PO2-离子和镍离子的水溶液，所述H2PO2-离子作为还原剂，并且镍离子通过溶解的镍盐被提供。相似地，包含超级磨料粒子的无电镀NiB涂层可以利用镍盐的水溶液和含硼的还原剂，例如BH4-离子或二甲基胺硼烷(DMAB)。无电镀浴还可以包含缓冲剂(例如，弱羧基的或二元酸的盐)以防止pH的快速变化，加上作为防止自发浴分解的稳定剂的很多种化合物或金属离子中的至少一种，并且当形成包含超级磨料粒子的涂层时尤其有用。在涂敷模或其他制品的过程中，正如通过对于相应的反应物进行的湿法或比色化学分析所确定的，金属离子、还原剂和浴稳定剂可以在以逐个循环为基础被补充。在实施方案中，稳定剂的浓度足够高，以防止电镀浴的自发分解以及防止在浴中悬浮的超级磨料粒子的表面上镀层的成核现象，但稳定剂的浓度不要太高以防止它们掺入到制品上涂层。可以处理其他镀变量以控制超级磨料粒子掺入金属基体，并防止电镀浴的浴分解。这些浴变量可以包括但不限于浴的pH、温度、还原剂浓度。
在金属化浴的实施例中，除金刚石或cBN之外，很多种特别的物质可以被添加到浴中，例如陶瓷、玻璃、滑石、塑料、金刚石(多晶或单晶型)、石墨、各种金属的氧化物、硅化物、碳酸盐、碳化物、硫化物、磷酸盐、硼化物、硅酸盐、烃氧酸盐(oxylate)、氮化物，以及氟化物，以及金属或硼、钽、不锈钢、铬、钼、钒、锆、钛和钨的合金。连同超级研磨材料一起，在沉积过程中颗粒物质在无电镀的镀浴内可以被悬浮，并且粒子可以被共沉积在成型模的表面上的金属或合金基体内，以形成具有良好的释放属性的耐磨损的涂层。在镀工艺之前，要被金属化/用超级磨料粒子涂敷的成型模或模制工艺制品可以被预处理，包括在实际沉积步骤之前清洗或形成触击层的操作。在另一个实施方案中，除实际的镀敷操作(沉积)之外，在模的表面(衬底)的金属化之后可能有附加的热处理步骤。
分散在基体中的超级磨料粒子可以在模基础部分或其他材料接触表面上形成耐磨损表面，并且表面涂层可以在低于基体材料的熔点和超级磨料的分解温度下被热处理，以增加基体的硬度。例如，对于无电镀的镍，可以通过从约100℃到约400℃加热约1小时来改进膜的硬度。其他时间和温度可以用于不同的金属。对于镍磷(nickel phosphorous)，这样低于约400℃的热处理提供几个优点改进的金属涂层对模衬底附着，基体和粒子更好的凝聚(cohesion)，以及基体的沉淀硬化。
涂敷的模或涂敷的制品可以在低于基体的熔点或优选地软化点时用于模制工艺。例如，在镍形成超级磨料粒子的基体的情况下，模或其他工艺部件可以在低于约800-900℃(即低于玻璃的转变温度Tg)的温度下用于模制玻璃。
可选地，在把超级研磨材料涂敷到模的表面上的无电镀的或电镀过程完成之后，有机的底层涂层(size coating)可以遍及金属涂层和超级磨料复合物被施加。有机的底层涂层的实施例包括酚醛树脂、环氧树脂、氨基塑料树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂异氰脲酸酯树脂、丙烯酸酯改性的(acrylated)异氰脲酸酯树脂、脲甲醛树脂、丙烯酸酯改性的环氧树脂、丙烯酸酯改性的聚氨酯树脂或其组合，并且可以被干燥、热固化(cured)或通过暴露给辐射(例如，紫外光)来固化。
超级磨料复合物涂层可以被施加到模部件或其他模制工艺制品上，然后被涂敷的部件可以被加热以允许超级磨料复合基体的有效固化/熟化。涂敷部件或制品的方法可以包括，但不限于，旋涂、喷射、刷涂或其他涂敷技术。
包括结合到模基础部分或其他模制工艺制品的超级磨料粒子的涂层复合物在含硅前体(precursor)的基体中包括按体积计算在约5％到约95％之间的超级研磨材料，例如金刚石、cBN或其混合物，可选的磨料例如碳化硅、氮化硅、氧化铝等等。复合物将是几乎惰性、导热的，并且具有非常低的摩擦系数。复合物可以被施加到基础部分表面上，然后所述基础部分表面在低于超级磨料粒子的热降解温度(例如，对于空气中的金刚石约700℃)的温度下热解(pyrolyze)，以使前体树脂转变为结合超级磨料和磨料粒子的SiC基体。例如，包括在热固性Si-C前体中的超级磨料粒子的复合物首先被涂敷到模的磨损表面上，所述热固性Si-C前体例如部分烯丙基取代的聚碳硅烷(如AHPCS或[Si(烯丙基)0.1H0.9CH2]n)，或在商业上可获得的聚脲硅氮烷(polyureasilazanes)(例如KiONCeraset)。被涂敷的模随后可以在大约1100℃惰性气体炉中被烧制(fired)，形成结合到模衬底上的硬的/耐磨损涂层。
可选地，为了获得非常薄的多层涂层，涂层/层沉积可以被重复，其中每个涂层具有至少一个磨料粒子的厚度(平均厚度或直径)。模的不同区育或磨损表面可以被不同数目的涂层所覆盖。
超级磨料复合物可以作为模衬底或其他模制工艺制品(如活塞或滴料刀)的衬底。形成包括超级磨料粒子(例如金刚石和/或cBN)和可选磨料(例如碳化硅)及其混合物的聚合物/陶瓷复合物的高温陶瓷，可以被混合或组合(combine)到热固性陶瓷前体基体中(例如，Si-C前体)，并且用来形成模或制品的结构衬底。超级磨料复合物可以通过本领域中已知的树脂转移模制和热解工艺被成形为最终的结构衬底形状。可替换地，超级磨料复合物通过本领域已知的EDM机加工或其他传统成型工具被成形为最终的结构衬底形状，直到模满足为最终的玻璃元件建立的表面公差极限。
通过本领域中已知的传统磨削/抛光技术，例如放电加工(EDM)、放电研磨(EDG)、激光、等离子以及水喷射，可以制备任何所公开的超级磨料表面，以用于模制光学质量的玻璃对象。
可以用于模制塑性或熔融状态的材料或用于处理或接触模制材料的不同形式的制品可以受益于由包含颗粒超级磨料的制品表面提供的低附着和耐磨损属性。超级研磨颗粒材料涂层可以减少或消除由于模的剥落(spalling)或氧化而造成模制或成形产品的污染。通过最小化模的置换以及污染的或有缺陷的模制对象或产品的废弃，超级磨料颗粒表面的更强大的耐磨损性提供缩减的制造成本。因为减少的磨损和在模表面的尺寸上的改变，包括颗粒超级磨料的模表面的更高的硬度允许具有更薄的壁和更严格(tighter)尺寸公差的模制品被制造，。
有利地，具有在基体中的颗粒超级磨料的制品表面可以用于模制工艺，而不需要用传统的脱模剂重复地涂敷表面。包含在基体中的颗粒超级磨料的表面是耐磨损的，并且可以被重复使用，这为模制设备提供增加的利用率，并为模制对象提供减少的污染。因为耐磨损超级磨料表面可以以保形的方式被制造，新模或现有的模以及特别是具有精细表面特征的那些模可以被涂敷，并且为使用它们来制造的被模制对象提供严格的公差(tighttolerance)。
所生产的具有超级磨料表面的模适合于在一温度下模制的玻璃的生产，所述温度低于基体的软化点并且范围可以从约400℃到超过1000℃，优选地从500℃到约900℃，然而其他范围是可能的。包含超级磨料粒子的表面可以以例如机械强度、耐热性、特佳的耐磨损性、针对高温熔融玻璃的化学稳定性、好的释放性和/或表面精密度的属性为特征。就操作种增加的时间而言，具有超级磨料涂层的模期望具有改进的耐磨损和腐蚀性，在一个实施方案中，至少比用现有技术材料涂敷的模高25％，虽然其他改进是可能的。
因为超级磨料复合物可以被施加到可以在操作中被移出的结构模部件上，所以模基体材料(钢，碳化物，陶瓷)可以被重新使用，并且，当经历表面的恶化(deterioration)时，可以一次又一次地用超级磨料颗粒基体涂层重新涂敷。表面恶化意思是模表面的粗糙度在外表上变得不均匀。相应地，重新涂敷模表面的时间选择可以由模的表面粗糙度是否如观察的均匀来确定。
实施例下面的实施例仅仅是对本发明的教导作出贡献的工作的代表，并且本发明不被以下实施例所限制。
在实施例1-2中，带式玻璃成型机(ribbon machine)被用于制造传统的白炽灯泡、来自灯泡的淬火模制操作的两个模组(set)。所述模组来自于用于生产大量标准灯泡的类似模的大量的库存。
实施例1复合物金刚石涂层被施加于一组模。涂层以大约40％的金刚石体积浓度包括8微米金刚石，以及约0.001英寸(25微米)涂层厚度。图1是在实施例1中使用的模的内表面的光学显微照片。
实施例2模的内表面首先被激光雕刻以赋予相对粗糙的表面，然后用与实施例1的复合物——大约40％的金刚石体积浓度的8微米金刚石——相似的复合物涂敷，并具有约0.001英寸(25微米)的涂层厚度。图2是在实施例2中使用的模的内表面的光学显微照片。
在一些实施方案中，具有超级研磨材料的模制表面的本发明的模可以证实改进的耐磨损属性，在一些情况下与非涂敷的模部件相比至少100％，并且超过用现有技术的碳化硅涂层涂敷的模部件至少50％。在尺寸公差以及其他表观质量(visual qualities)方面，就实施例1和2两者而言，在处于生产状态3个星期后，发现灯泡的表面质量仍然是可接受的。
实施例3这个实施例示出了用于玻璃模制操作以成型玻璃对象的假设模。玻璃成型模具有包括但不限于包含一种或更多种超级研磨材料的复合物的模制表面，所述超级研磨材料选自由金刚石、ZrB2或这些的混合物组成的组，所述超级研磨材料分散并结合到基体。可选地，其他颗粒材料可以与颗粒超级研磨材料(例如SiC、Si3N4、WC、TiC、CrC、B4C、SiO2、Al2O3、ZrB2和其他)以及润滑剂(例如但不限于MoS2、石墨、六角氮化硼、聚四氟乙烯和这些的混合物)一起被包括。超级磨料复合物是分散在基体中的颗粒超级研磨材料附着层，所述附着层被结合到模的表面上并且在模制过程中与热的熔融材料接触。模制表面层的厚度可以从0.2到200微米，并且超级磨料粒子可以具有在约0.1微米到约2微米范围内的大小。复合物涂层的基体包括镀在模基础部分上的金属，其中超级磨料粒子均匀地分散遍及涂层。涂层金属是镍、铜、钴、过渡金属和包括这些元素的合金中的一种或多种。玻璃成型模的基础部分可以是抗氧化钢、钢合金、铸铁或镍-铬合金。
为生产具有对于一种或更多种侵蚀或腐蚀具有扩大的(extended)抵抗力的磨损表面的玻璃成型模，制备电镀浴，所述电镀浴以足够来防止浴分解的量包括，但不限于，金属盐、无电镀还原剂、络合剂、无电镀稳定剂中的至少一种，并且导致超级磨料粒子(以及不溶的或溶解不足的超研磨材料，像金刚石、立方氮化硼或这些的不同混合物)到被镀金属膜的加入。模制表面被浸入到浴中，并且具有分散在金属中的超级磨料粒子的金属涂层的无电镀沉积被沉积并结合到模表面上。可选地，涂敷的模可以在热退火步骤中被进一步热处理以改进耐磨损涂层的硬度。
涂敷的模可以用于模制成品玻璃制品。用于模制成品玻璃制品的方法包括，但不限于，这样的步骤，即在其加工温度范围内相对于模制表面用足够的力压制热软化的玻璃，以使热软化的玻璃与用颗粒超级磨料复合物涂敷的模制表面一致。成形的热软化的玻璃和模表面被冷却到低于玻璃的转变温度的温度；并且成品玻璃制品从模中被移出。
实施例4这个实施例证明了涂层可以延长玻璃模制组件(component)的寿命并且增加生产力。
吹头端(blowhead tip)用在带式玻璃成型机上，所述带式玻璃成型机对于将玻璃吹塑成灯泡形状来说是快速过程。端被推入到“带”或依靠在孔板上的具有1100℃温度的薄层熔融玻璃中。当端被完全嵌入到孔中时，熔融玻璃的圆截面被有效地从带上切下来并且被保持在吹制端头和孔之间的适当地方。在这个点上，空气流从吹制端头的中心被定向，强迫熔融玻璃扩张成灯泡的形状。吹头端的温度可以达到500℃。当灯泡获得适当的大小和形状时，它被退火并从带式玻璃成型机中排出。吹头端被缩回，并机动到在熔融玻璃的新部分之上的新位置，并且重复此过程。
在正常操作条件下，端将每分钟循环5次或每小时7200次。通常，吹制端被涂有0.002到0.003英寸(50-75μm)厚的硬铬层。铬意图被用来在端与孔板接触的吹制端的外围周围提供耐磨损性。铬还提供好的表面，自所述表面熔融玻璃从端上释放(不粘)，并且防止在基础部分材料上发生氧化。在约90小时的使用(648,000循环)后，由于与孔板和熔融玻璃重复的接触，吹制端头的外围变得有凹痕和有刮痕的。因为这些缺陷被转移到玻璃部件的基础部分上，小心移走所述的端，从而玻璃中的特征不变得太大以至于变成潜在的破裂或应力位置。正常的程序是关闭整个机器并手动移走每个端并用刚镀铬的端替换每个端。这个过程需要玻璃熔体流的改道(diversion)以及关闭至少两个小时的停工时间或等量于约180,000个灯泡。
复合无金刚石涂层被施加于全套(270)Monel吹制端头。使用8微米的金刚石大小和大约35％的体积浓度以0.002英寸(50μm)的厚度涂敷涂层。这个涂层的实施例在图4-6中示出。每个端的带螺纹的中心用阻剂(stop-off)来掩蔽，从而涂层将不附着到这个表面上。以正常的方式安装端并且以正常的方式操作带式坡璃成型机。具有复合无金刚石涂层的吹头端提供熔融玻璃的适当释放，对于进入灯泡的气流的适当密封，以及生产没有缺陷的灯泡。虽然带式坡璃成型机为其他组件的更换(changeout)或置换而被偶尔关闭，复合金刚石涂敷的吹制端头被保持在适当的位置265小时(1,900,000循环)，在那时它们为了随后使用轻喷砂(light grit blast)技术的清洁而被移走。在端上的涂层仍然具有足够好质量，它们将被放置回机器以用于附加的小时。
当涂层最终磨损光时，复合物金刚石涂层可以从端上以化学方式被剥掉，并且每个端可以用一新层复合物金刚石涂层再涂敷。
实施例5这个实施例证明了涂层可以延长玻璃模制组件的寿命并且增加生产力。
分配斜槽(diverter chute)或偏转器(deflector)用在玻璃容器工业中，用于把熔融滴料的玻璃从熔化槽转移到容器成型的模中。斜槽通常用钢做成，并且被设计成具有变化的半径，从而在熔融玻璃和斜槽之间的表面接触被最小化。滴料传送系统的一个方面的是转移时间。在模侧面(side)上的玻璃成型过程需要严格的定时要求，即，在固定的时间范围内把滴料传送到模中，否则成型循环被打断。这可能导致正在被成型的容器有缺陷。影响定时的分配斜槽的一个主要特征是斜槽的温度。在正常和稳定操作条件下，斜槽的温度可以在约80℃到约115℃的范围内。在这个温度范围内，玻璃滴料将在所需的速度下下落，并且模制过程的定时将不会被打断。如斜槽的温度增加到高于约115℃，滴料可能开始粘到斜槽上，使它的下落变慢并更进一步增加温度。
为了防止这一系列的事件发生，斜槽可以用包含在树脂中的石墨粒子的涂料(paint)涂敷。该涂层可以被涂到钢斜槽的内壁上并允许干燥。产生的涂层含有在树脂结合剂中的高密度的石墨粒子，所述涂层可以例如约几百微米厚。涂层被认为在钢和滴料之间提供了热屏障(因而保持斜槽是冷的)，但是它也可以提供更平滑和更光滑的表面，因而使下落的滴料上的阻力(drag)最小化。在正常操作条件下，涂层将会在约2周到约6个月的范围内维持(last)，取决于与斜槽接触的滴料的重量、玻璃的化学组成以及下落和传输的频率。当有规律地检查的斜槽的温度开始上升时，这是石墨涂层可能被磨损得太薄或钢表面可能被暴露的指示。在这一点上，通常用刚涂敷的部件替换斜槽，但是这个更换需要关闭处理一段时间。通常通过把使用过的部件放置到炉中并把树脂结合剂从涂层中燃烧掉(在此之后所述部件被清洁和再涂敷)来再涂敷斜槽。
做了一实验，在所述实验中用复合物金刚石涂层涂敷分配斜槽。在施加复合物金刚石涂层之前，具有表面粗糙度(Ra)值377微英寸的斜槽，在一系列抛光步骤中被抛光，以获得在裸的钢部件上35微英寸的最终表面粗糙度(Ra)值。随后用复合物金刚石涂层涂敷被抛光的部件到0.002英寸(50μm)的厚度，使用具有25-30体积百分数的金刚石浓度的标称平均大小2微米的金刚石。在350℃下热处理涂敷的部件一个小时。在热处理之后，使用玻璃珠轻喷砂部件以去除由漂洗和热处理造成的任何水痕或表面氧化。
复合物金刚石涂敷的分配斜槽被安装到在玻璃容器制造设施上的模制机器上，并运行了9周，直到所述部件因为机器完全转换到新的产品而被拿下线。在这段时间期间，斜槽维持稳定的温度，并且在所需的时间范围内传送玻璃滴料。在这一点上，对部件的检查揭示涂层仍然是完整无损的，指示部件可以用于附加的处理。同样在这段时间范围期间，包含正常石墨/树脂涂层的分配斜槽以六周为间隔从过程中被移走并用新的斜槽替换。该实验证明了复合金刚石涂层可以至少提供附加的超过传统涂层50％的寿命。
当涂层最终磨损掉时，复合物金刚石涂层可以从端上以化学方式被剥掉，并且每个端可以用一新层复合金刚石涂层再涂敷。
实施例6这个实施例证明了在成型过程中在加工热固性塑料时复合物金刚石涂层的应用。
热塑性塑料被广泛用于成型宽范围的产品，从汽车部件到运动用品到消费品。这些塑料被加热到软化阶段(通常在约80℃到约400℃的温度范围内，尽管其他温度是可能的)，并且被推入(forced into)模或通过一系列型模(die)或通道，形成最终产品或中间产品。中间产品的一个实施例是当两种或更多种热塑性塑料在混和过程(compounding process)中被混合在一起时形成的塑料小球。在这个过程中，单独的塑料成分(component)被引入到混和机(compounding machine)中。这些通常由沿紧紧地安装在筒内的轴组装的一套或更多套螺杆组成。筒被加热，以提供对于软化塑料部件必需的温度，允许它们流动并混合在一起。塑料部件被进料到混和机(compounder)的底端，并且，随着螺杆的转动，成分被混合到一起并且移动到机器的前部。模板(die plate)被定位在机器的前部，并且软化的、混合的塑料被强迫通过孔洞(orifice hole)。随着塑料从孔洞中被排出，材料冷却和硬化，并通常被切成如它们的直径的同样长度范围(scale)的小球。然后，小球在随后的模制过程中被用作主要的塑料成分。
混和过程的一个操作是为在混合室内生产均匀掺混的化合物提供足够的滞留时间。因为模板中的孔洞由于与流动的塑料重复的接触而磨损，所以直径增加。由于直径增加，由进料螺杆(feedscrew)产生的前压导致塑料以更快的速度离去(exit)并且导致总的更低的滞留时间。如果孔洞以非均匀的速度磨损，那么效果变得更加复杂并且产生的小球大小分布变得更宽。当模板中的孔洞由于磨损变得太大或磨损变得太不均匀时，板被替换。工业塑料混和过程中使用的模板在范围从1个月到2年的时间范围中磨损完，取决于磨损性、流速和被加工的塑料的总吨位生产量。如果模板被做得维持更久或具有磨损得更均匀的孔，这将允许制造者生产更一致的产品，并且保持工艺设备运转更长的时间范围，从而允许更有生产力的工艺。
做了一个实验，在所述实验中用复合物金刚石涂层涂敷一套钢模板。用约8微米标称平均大小金刚石把板(plate)涂到0.002英寸(50μm)的厚度，以及按体积计算大约30-35％的金刚石浓度。用阻剂涂层掩蔽冲模的螺栓孔和侧面。一旦板被掩蔽并且彻底清洁，施加复合物金刚石涂层使涂层在所有孔洞中被均匀地沉积。涂敷之后，在炉中以约350℃的温度热处理板大约一个小时，以增加涂层中金属基体的硬度。
复合物金刚石涂敷的模板被放置到工业混和机器上，所述机器正在处理聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚烯烃并含有玻璃纤维过滤器。工艺可以生产的这种类型的热塑性塑料的正常量为约800吨，在此后模板中的洞会变得太大和非均匀。复合物金刚石涂敷的模板被运转了约1500小时，在此后机器被转变成需要不同套的模的另一种产品。当CDC涂敷的板为检查而被移走时，注意，涂敷层看起来完整无缺地贯穿洞，并且所有的孔洞仍然是相同大小和形状。所述板还可以在相同的工艺中使用。
本发明并不想要限于这里所公开的实施方案，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的全部实施方案，即，对于要被施加到模表面上的超级磨料涂层，通过在本领域已知的合适的工艺允许涂层被精确地镀到复杂的(complex)和/或错纵的模形状上，所述工艺包括物理气相沉积工艺(例如等离子沉积)、化学气相沉积工艺等等。本文所参考的所有引用通过引用被明确地结合到本文。
尽管参照本发明的某些优选实施方案以相当多的细节描述了本发明，但是其他的形式是可能的。因此所附权利要求书的精神实质和范围不应当限于包含在该详细说明书之内的描述和优选的形式。
权利要求
1.一种制品，包括具有成形表面的模；其中所述表面的一个或更多个部分包括在基体中的颗粒超级研磨材料；其中所述模表面被成形和定位，以在模制过程中与被加热到高于材料加工点的所述材料接触。
2.如权利要求1所述的制品，其中在所述基体中的所述颗粒超级研磨材料是附着在模基础部分上的保形层。
3.如权利要求2所述的制品，其中所述保形层的厚度至少是用于所述保形层的超级磨料粒子的平均粒度。
4.如权利要求2所述的制品，其中在所述基体中的所述颗粒超级磨料通过无电镀形成在所述表面上。
5.如权利要求2所述的制品，其中所述基础部分材料包括金属。
6.如权利要求1所述的制品，其中所述基体包括镍。
7.如权利要求1所述的制品，其中所述模在模制的对象上生成设计、图像或字符中的一个或更多个。
8.如权利要求1所述的制品，其中所述基础部分上的所述基体被热处理，以增加所述基体的硬度。
9.如权利要求1所述的制品，其中所述超级研磨材料包括金刚石。
10.如权利要求1所述的制品，其中所述超级研磨材料包括立方氮化硼。
11.如权利要求1所述的制品，其中所述基体还包括选自由SiC、Si3N4、WC、TiC、CrC、B4C、SiO2、Al2O3和ZrB2组成的组中的磨料粒子。
12.如权利要求1所述的制品，其中所述基体还包括选自由石墨、MoS2、六角氮化硼、或这些的组合组成的组中的润滑粒子。
13.一种制造被模制对象的方法，包括在材料的加工范围内的温度下，用具有成形表面的模压制所述材料；其中所述成形表面与所述材料接触并模制所述材料；其中所述成形表面包括在压制期间与所述材料接触的在基体中的颗粒超级磨料。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述超级研磨材料包括金刚石、立方氮化硼或这些的混合物。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述基体包括镍。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述材料包括熔融玻璃。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述材料包括熔融塑料。
18.一种制品，包括一个或更多个表面，所述一个或更多个表面在模制过程中接触或处理熔融材料；其中与所述熔融材料接触的所述表面包括在金属基体中的颗粒超级磨料的附着的保形涂层；其中所述金属基体和超级磨料被涂敷到所述表面的一部分上，以接触所述熔融材料。
19.如权利要求18所述的制品，其中所述制品包括活塞、滴料刀、模、滴料孔、模颈环、挤压机、吹制端、分配槽、挤压模。
20.如权利要求18所述的制品，其中所述超级磨料包括金刚石、立方氮化硼、这些的混合物，或含有这些以及其他研磨材料的混合物。
21.如权利要求18所述的制品，其中所述涂层是通过无电镀形成的。
22.如权利要求18所述的制品，其中所述金属基体包括镍。
全文摘要
产品成型模具有保形地涂敷有包括超级磨料粒子的涂层复合物的表面。在一个实施方案中，模表面被镀有(无电镀的或电镀的)或涂敷有具有超级磨料粒子分散在其中的金属。在另一个实施方案中，复合物是具有超级磨料粒子分散在其中的SiC复合物。
文档编号C03B11/08GK1976801SQ200580010922
公开日2007年6月6日 申请日期2005年2月11日 优先权日2004年2月11日
发明者约翰·卢塞克, 马克·戴维森, 蒂莫西·达姆 申请人:戴蒙得创新股份有限公司