玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁及其制备方法，所述碳化硅陶瓷模仁包括基材、保护膜以及位于所述基材和保护膜之间的金属过渡层，其中，所述基材为碳化硅陶瓷，保护膜为碳化钨硬质合金，所述金属过渡层为钛、铬或钨。
【专利说明】玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于工程陶瓷材料【技术领域】，具体涉及一种玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁及其制备方法。
【背景技术】
[0002]玻璃模造工艺是一种高精度光学元件制造技术，它是将软化的光学玻璃放入高精度的模具中，在加温加压和保护性气氛下，一次性直接模压成型出达到使用要求的光学零件。其核心技术在于高精度模仁制造工艺。其中模仁的表面光学质量、精度和使用寿命直接关系到镜片的合格率和与制造成本。
[0003]玻璃模造用模仁需要具备如下两个主要特征:
(1)表面无缺陷，能够研磨成无气孔、光滑的光学表面质量；
(2)在高温条件下具有高强度、硬度和良好的抗氧化性能，表面质量稳定，面形精度和光洁度保持不变，不与光学玻璃发生化学反应、出现粘结现象，脱模性能良好。
[0004]玻璃模造用模仁由基材和保护膜构成。其中基材的发展主要经历了不锈钢和碳化钨两大类。不锈钢硬度不高，耐高温性能差，外形精度和表面质量在多次循环加热过程中不容易保持，造成模仁的使用寿命不高。硬质合金模仁加工性能优异，但其结合剂中的钴、镍等元素长期使用下容易扩 散至光学玻璃与之发生界面反应。同时，硬质合金的热膨胀系数较高，热导率较低，高温热循环下晶粒长大明显，造成模仁精度和表面质量下降，使用寿命不闻。
[0005]为了提高模仁基材的性能，逐步开始发展高性能陶瓷材料，如碳化硅陶瓷材料。特别是固相烧结碳化硅陶瓷具有高热导率(100~130W/m.Κ)，低热膨胀系数(4.2Χ 10_6/Κ)，优异的抗氧化和抗热震性能，能够显著提高玻璃模造工艺中模具的升温和冷却速度，降低高温热循环下尺寸精度和表面质量变化，被认为最具潜力的模仁基材。
[0006]玻璃模造用模仁保护膜体系也经历了非晶碳、类金刚石和贵金属薄膜等。非晶碳虽有良好的脱模性，但强度低、容易损伤、易氧化，使用寿命有限。类金刚石薄膜成本较低，制备温度低，但也存在着与基材结合力较弱的问题，使用寿命有限。贵金属如以钼、铱或钌合金为主的保护膜，能够提高与基材的结合力，由于其反应惰性，与光学玻璃的界面反应低，大大提高了模仁使用寿命，是目前使用效果最好的模仁保护膜，但其成本较高，在高温玻璃(700°C以上)的模造方面具有一定的局限性。W02013141234A1提供了一种玻璃模造用模仁。其与光学玻璃接触面为玻璃碳材料，通过反应浸硅工艺原位生成碳化硅陶瓷作为基体。但该工艺制造的碳化硅陶瓷和玻璃碳结合强度一般，并且玻璃碳材料作为模仁保护膜来说硬度和使用寿命有限。JP2002255570提供了一种碳化硅陶瓷模仁，采用化学气相沉积工艺制备。JP2005112672提供了一种碳化硅陶瓷模仁，但其基材和薄膜之间采用金属扩散焊的工艺连接，造成二者之间存在较大的热膨胀失配，抗热震性能较差，使用寿命不高。CN200410052270.3提供了一种碳化硅陶瓷模仁，其基材为碳化硅，表面改性膜为钼铱、钯铱或其混合组分，中间层为氮化硅或氮化铝。由于过渡层的厚度为lnm-5nm，该工艺对过渡层的制备要求比较高，工艺复杂，成本高。CN02140644.8提供了一种玻璃模造用模仁，基材为碳化钨，保护膜为钽钨合金，降低了制造成本，且能适用于高温玻璃材料的模造。
[0007]在该领域，进一步降低玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁的制造成本、同时提高其性能，仍具有客观的需求。
【发明内容】
[0008]本发明旨在克服现有玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁制备成本高、性能不够理想的缺陷，本发明提供了一种玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁及其制备方法。
[0009]本发明提供了一种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、保护膜以及位于所述基材和保护膜之间的金属过渡层，其中，所述基材为碳化硅陶瓷，保护膜为碳化钨硬质合金，所述金属过渡层为钛、铬或钨。
[0010]较佳地,所述碳化鹤硬质合金为由碳化鹤和金属粘结剂Co、TaC、Ti共同烧结形成的硬质合金，所述碳化钨硬质合中金属粘结剂的重量百分含量为0.5~10%。
[0011]较佳地，所述金属过渡层的厚度为0.05-0.2 μ m。
[0012]较佳地，所述保护膜的厚度为0.1-0.8 μ m。
[0013]较佳地，所述基材的表面粗糙度Ra值≤10nm，垂直度和底面平行度≤LOym0
[0014]本发明还提供了一种制备上述任一碳化硅陶瓷模仁的方法，所述方法包括: 1)采用磁控溅射工艺在经预处理的基材表面，镀上金属过渡层；
2)采用离子束辅助气相沉积工艺，在步骤I)制备的基材表面的金属过渡层上，沉积保护膜。
[0015]较佳地，步骤I)中，所述基材为碳化硅陶瓷，采用固相、液相或反应烧结得到。
[0016]较佳地，步骤I)中，磁控溅射工艺的参数为:工作气体为氩气，本底真空度为2~4Xl(T3Pa，工作气压为0.2~IPa，基片温度为100~200°C，工作电压为80~115V。
[0017]较佳地，步骤2)中，离子束辅助气相沉积工艺的参数为:气体总流量是120~210L/分钟，氢气流量是1.5~51/分钟，真空度为I~IX 10_5Pa，射频功率为5~15MHz，温度为100~650°C，工作气压为15~50Pa，沉积时间是150~300分钟。
[0018]本发明的有益效果:
1、选用碳化硅陶瓷做模仁基底材料，热膨胀系数小、热导率高、耐高温、抗氧化性能好，模仁的使用寿命久；
2、制备金属过渡层使用的磁控溅射技术和制备保护膜的离子束辅助沉积工艺都是已经非常成熟的制备工艺，成本低，镀膜效果好；
3、在基底与保护膜之间镀金属过渡层，这样会提高基底与保护膜之间的结合力，使碳化硅模仁强度更高，提高模仁使用寿命；
4、用这种技术方案制备的碳化硅陶瓷模仁耐高温、加工精度高、寿命长，是一种可以拓展应用的技术方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的一个实施方式中常压固相烧结碳化硅陶瓷为基底的显微结构；
图2为本发明的一个实施方式中常压固相烧结碳化硅陶瓷基底抛光后的AFM图；图3为本发明的一个实施方式中以Cr为过渡层金属并采用常压固相烧结碳化硅陶瓷作为基材制得的模仁断面SEM照片。
【具体实施方式】
[0020]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0021]本发明属于工程陶瓷材料【技术领域】。本发明提供了一种玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，主要由基材和保护膜组成。其中基材为碳化硅陶瓷，表面沉积硬质合金碳化钨为主的保护膜，中间过渡层为钛、铬或钨等。采用碳化硅陶瓷基材，能够显著提高玻璃模造过程中升降温速度，提高镜片生产率。而采用过渡层结合的硬质合金保护膜能够提高与基材的结合强度，改善与光学玻璃的脱模性能，与贵金属保护膜相比，能够降低镜片生产成本。该发明提供的碳化硅陶瓷模仁具有耐高温、高精度、长寿命的特点，特别是能够适用于高温玻璃镜片的模造，具有更广泛的应用范围。该模仁能够大大提高玻璃模造的生产效率和降低生产成本，特别能适用于高温玻璃镜片的模造，具有更广泛的应用范围。
[0022]本发明提供了一种玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，包括基材、中间过渡层及保护膜，基材为碳化硅陶瓷，保护膜主要为碳化钨硬质合金，过渡层为金属层。
[0023]所述的玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，该基材为碳化硅陶瓷，可以采用固相、液相烧结助剂或反应烧结。
[0024]所述的玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，具有优异的表面加工质量，粗糙度Ra值小于1nm0
[0025]所述的玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，具有优异的外形尺寸精度，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，该保护膜成分主要为碳化钨硬质合金。所述碳化钨硬质合金为是由碳化钨和金属粘结剂Co、TaC、Ti共同烧结形成的硬质合金，所述碳化钨硬质合中金属粘结剂的重量百分含量为0.5~10。例如可采用WC-Ta-Co、WC-Co硬质
么么
I=1-Wl O
[0027]所述的玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，该保护膜的厚度为0.1-0.8 μ m。
[0028]所述的玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，该保护膜和基材之间存在着金属过渡层，该过渡层的成分为钛、铬或鹤。
[0029]所述的玻璃模造用碳化硅陶瓷模仁，该金属过渡层的厚度为0.05~0.2 μ m。
[0030]本发明的技术方案采用的具体步骤是: 步骤1、采用碳化硅陶瓷为基底，采用研磨抛光或者非球面加工机结合磁流变抛光对基底进行表面抛光处理，使碳化硅基底的表面粗糙度Ra ( 1nm ；
步骤2、采用磁控溅射工艺在步骤I抛光处理好的碳化硅表面镀金属过渡层Cr、T1、W等可改善基底与薄膜结合力的金属，并控制金属过渡层厚度为0.05-0.2um ;主要工作控制参数是工作气体为氩气，本底真空为2~4X10_3Pa，工作气压为0.2~IPa，基片温度100~200°C，工作电压80~115V ;
步骤3、采用离子束辅助气相沉积工艺在步骤2中处理好的基底上沉积碳化钨硬质合金薄膜，并控制薄膜厚度在0.lum-0.8um气体总流量是120~210L/min，氢气流量是1.5~5L/min，真空度为I~10 X l(T6Pa，射频功率为5~15MHz，温度为100~650°C，工作气压为15~50Pa，沉积时间是150~300min。
[0031]本发明的特点:
1、选用碳化硅陶瓷做模仁基底材料，热膨胀系数小、热导率高、耐高温、抗氧化性能好，模仁的使用寿命久；
2、制备金属过渡层使用的磁控溅射技术和制备保护膜的离子束辅助沉积工艺都是已经非常成熟的制备工艺，成本低，镀膜效果好；
3、在基底与保护膜之间镀金属过渡层，这样会提高基底与保护膜之间的结合力，使碳化硅模仁强度更高，提高模仁使用寿命；
4、用这种技术方案制备的碳化硅陶瓷模仁耐高温、加工精度高、寿命长，是一种可以拓展应用的技术方案。
[0032]图1为本发明的一个实施方式中常压固相烧结碳化硅陶瓷为基底的显微结构；
图2为本发明的一个实施方式中常压固相烧结碳化硅陶瓷基底抛光后的AFM图；
图3为本发明的一个实施方式中以Cr为过渡层金属并采用常压固相烧结碳化硅陶瓷作为基材制得的模仁断面SEM照片。
[0033]下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
[0034]实施例1:
步骤1、以常压固相烧结碳化硅陶瓷做基底，采用不同粒度的金刚石研磨膏对碳化硅陶瓷进行表面抛光，模仁表面为平面，使其表面粗糙度Ra为5nm，垂直度和底面平行度为
1.0 μ m ;
步骤2、采用磁控溅射工艺在步骤I中抛光好的碳化硅陶瓷平面上镀上Ti金属过渡层，厚度控制为0.05μπι;
步骤3、采用离子束辅助气相沉积工艺在步骤2已经镀好的金属过渡层上沉积WC硬质合金薄膜，控制厚度为0.1 μ m。
[0035]实施例2:
步骤1、以常压液相烧结碳化硅陶瓷做基底，采用不同粒度的金刚石研磨膏对碳化硅陶瓷进行表面抛光，模仁表面为平面，使其表面粗糙度达到Ra为10nm，垂直度和底面平行度为 1.0 μ m ;
步骤2、如实施例1中步骤2相同的工艺在步骤I准备好的碳化硅基底表面镀金属过渡层Ti，控制金属过渡层的厚度为0.2 μ m ;
步骤3、如实施例1中步骤3相同的步骤在步骤2制备好的碳化硅基底镀保护膜碳化钨，并控制保护膜碳化钨薄膜厚度为0.8 μ m。
[0036]实施例3:
步骤1、以热压固相烧结碳化硅陶瓷做基底，采用非球面加工机车床辅助磁流变抛光进行抛光，抛光面为球面，使其表面粗糙度达到Ra为8nm，垂直度和底面平行度为l.0ym;步骤2、如实施例1中步骤2相同的工艺在步骤I准备好的碳化硅基底表面镀金属过渡层Cr,控制金属过渡层的厚度为0.05 μ m ;
步骤3、如实施例1中步骤3相同的步骤在步骤2制备好的碳化硅基底镀保护膜碳化钨，并控制保护膜碳化钨薄膜厚度为0.4 μ m ;
实施例3中采用图1中常压固相烧结碳化硅陶瓷作为基材，经抛光处理后如图2所示，最终得到的以Cr为过渡层金属并采用常压固相烧结碳化硅陶瓷为基底的模仁材料。
[0037]实施例4:
步骤1、以热压液相烧结碳化硅陶瓷做基底，采用非球面加工机车床辅助磁流变抛光进行抛光，抛光面为球面，使其表面粗糙度达到Ra为5nm，垂直度和底面平行度为0.5 μ m ;
步骤2、如实施例1中步骤2相同的工艺在步骤I准备好的碳化硅基底表面镀金属过渡层Cr,控制金属过渡层的厚度为0.2 μ m ;
步骤3、如实施例1中步骤3相同的步骤在步骤2制备好的碳化硅基底镀保护膜碳化钨，并控制保护膜碳化钨薄膜的厚度为0.1 μ m。
[0038]实施例5:
步骤1、以反应烧结碳化硅陶瓷做基底，采用非球面加工机车床辅助磁流变抛光进行抛光，抛光面为非球面，使其表面粗糙度达到Ra为10nm，垂直度和底面平行度为0.6 μ m ;
步骤2、如实施例1中步骤2相同的工艺在步骤I准备好的碳化硅基底表面镀金属过渡层W，控制金属过渡层的厚度为0.05μπι;
步骤3、如实施例1中步骤3相同的步骤在步骤2制备好的碳化硅基底镀保护膜碳化钨，并控制保护膜碳化钨薄膜的厚度为0.8 μ m。
[0039]实施例6:
步骤1、以反应烧结碳化硅陶瓷做基底，采用非球面加工机车床辅助磁流变抛光进行抛光，抛光面为非球面，使其表面粗糙度达到Ra为8nm，垂直度和底面平行度为0.5 μ m ;
步骤2、如实施例1中步骤2相同的工艺在步骤I准备好的碳化硅基底表面镀金属过渡层W，控制金属过渡层的厚度为0.2 μ m ;
步骤3、如实施例1中步骤3相同的步骤在步骤2制备好的碳化硅基底镀保护膜碳化钨，并控制保护膜碳化钨薄膜的厚度为0.4 μ m。
【权利要求】
1.一种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、保护膜以及位于所述基材和保护膜之间的金属过渡层，其中，所述基材为碳化硅陶瓷，保护膜为碳化钨硬质合金，所述金属过渡层为钛、铬或钨。
2.根据权利要求1所述的碳化硅陶瓷模仁，其特征在于，所述碳化钨硬质合金为由碳化钨和金属粘结剂共同烧结形成的硬质合金，所述碳化钨硬质合中金属粘结剂的重量百分含量为0.5~10%，其中，金属粘结剂优选Co, TaC, Ti0
3.根据权利要求1或2所述的碳化硅陶瓷模仁，其特征在于，所述金属过渡层的厚度为0.05-0.2 μ m。
4.根据权利要求1-3中 任一所述的碳化硅陶瓷模仁，其特征在于，所述保护膜的厚度为 0.1-0.8 μ m。
5.根据权利要求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.
6.一种制备权利要求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)采用磁控溅射工艺在经预处理的基材表面，镀上金属过渡层； 2)采用离子束辅助气相沉积工艺，在步骤I)制备的基材表面的金属过渡层上，沉积保护膜。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤I)中，所述基材为碳化硅陶瓷，采用固相、液相或反应烧结得到。
8.根据权利要求6-7中任一所述的方法，其特征在于，步骤I)中，磁控溅射工艺的参数为:工作气体为氩气，本底真空度为2-4X 10_3Pa，工作气压为0.2-lPa,基片温度为100-200°C，工作电压为 80-115V。
9.根据权利要求6-8中任一所述的方法，其特征在于，步骤2)中，离子束辅助气相沉积工艺的参数为:气体总流量是120-210L/分钟，氢气流量是1.5-5L/分钟，真空度为l-lX10_5Pa，射频功率为5-15MHZ，温度为100-650°C，工作气压为15_50Pa，沉积时间为150-300 分钟。
【文档编号】C03B11/06GK104030548SQ201410314758
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】黄政仁, 王凤艳, 闫永杰, 刘学健, 陈忠明 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所