專利名稱：模造玻璃透鏡的模仁的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于模壓光學玻璃的模仁，尤其涉及一種高機械強度且容易脫模的模仁。
背景技術(shù)：
模仁廣泛應(yīng)用于模壓成型制程，特別是用于制造光學玻璃產(chǎn)品，如非球面玻璃透鏡、球透鏡、棱鏡等，采用直接模壓成型(Direct Press-molding)技術(shù)可直接生產(chǎn)高質(zhì)量的光學玻璃產(chǎn)品，而且無需打磨、拋光等后續(xù)加工步驟，可大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。但直接模壓成型法對于模仁的化學穩(wěn)定性、抗熱沖擊性能、機械強度、表面光滑度等要求非常高。所以，模壓成型技術(shù)的發(fā)展實際上主要取決于模仁的材料及模仁制造技術(shù)的進步。對于用于模壓成型的模仁一般有以下要求a.在高溫時，具有很好的剛性、耐機械沖擊強度及足夠的硬度；b.在反復及快速加熱冷卻的熱沖擊下，模仁不產(chǎn)生裂紋或變形；c.在高溫時模仁成型表面與光學玻璃不發(fā)生化學反應(yīng)，不黏附玻璃；d.模仁不發(fā)生高溫氧化；e.加工性能好，易加工成高精度及高表面光潔度的型面；f.成本低。
傳統(tǒng)模仁大多采用不銹鋼或耐熱合金作為模仁材料，這種模仁容易發(fā)生高溫氧化，特別是在反復熱沖擊作用下，材料會發(fā)生晶粒長大，從而模仁表面變粗糙，黏結(jié)玻璃。
為解決上述問題，非金屬及超硬合金被用于制造模仁。據(jù)報道，碳化硅(SiC)，氮化硅(Si3N4)，碳化鈦(TiC)，碳化鎢(WC)及碳化鎢-鈷合金已經(jīng)被用于制造這種模仁。但是，上述各種碳化物陶瓷硬度非常高，很難加工成所需要的特定外形，特別是高精度非球面形。而超硬合金除難以加工之外，使用一段時間之后還可能發(fā)生高溫氧化。
因此，以碳化物或超硬合金為模仁基底，其表面形成有其它材料鍍層或覆層的復合結(jié)構(gòu)模仁成為新的發(fā)展方向。典型復合結(jié)構(gòu)模仁如美國專利第4,685,948號及第5,202,156號。
美國專利第4,685,948號揭示一種用于直接模壓成型光學玻璃產(chǎn)品的復合結(jié)構(gòu)模仁。其采用高強度的超硬合金、碳化物陶瓷或金屬陶瓷作為模仁基底，并在模仁的模壓面形成有銥(Ir)薄膜層，或銥(Ir)與鉑(Pt)、錸(Re)、鋨(Os)、銠(Rh)或釕(Ru)的合金薄膜層，或釕(Ru)薄膜層，或釕(Ru)與鉑(Pt)、錸(Re)、鋨(Os)、銠(Rh)的合金薄膜層。
美國專利第5,202,156號揭示一種制備用于光學玻璃產(chǎn)品的復合結(jié)構(gòu)模仁的方法。其采用高強度的超硬合金、碳化物陶瓷或金屬陶瓷作為模仁基底，并在模仁的模壓面形成一層類金剛石膜(DLC，Diamond Like Carbon)。
臺灣專利申請第92203565號也揭露一種模造玻璃的金屬模仁，其采用碳化鎢為主的超硬合金為底材，表面濺鍍以鉭鎢(Ta-W)合金取代貴金屬薄膜層，以降低成本。
由于上述復合結(jié)構(gòu)模仁的膜層應(yīng)力作用，在使用較長時間后，膜層容易出現(xiàn)開裂、剝離、微裂紋等情形，從而影響模仁精度及模壓成型玻璃產(chǎn)品質(zhì)量，使用壽命不長。
另外，本發(fā)明的發(fā)明人曾經(jīng)提出一種易于脫模的復合結(jié)構(gòu)模仁，該模仁的基體孔隙中具有潤滑劑，且所述模仁基體一部分是由碳化鎢微粒(WC)及貴金屬微粒(Noble Metal)混合燒結(jié)的燒結(jié)物制成。詳情請參見中國專利申請第200510032759.9號。
在此，本發(fā)明人再提出另一種模造玻璃透鏡的模仁結(jié)構(gòu)，其具有優(yōu)良離型能力，容易脫模，并具有較高強度及韌性，不易產(chǎn)生微裂紋或剝離現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)的模仁結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生微裂紋、剝離現(xiàn)象，以及不易脫模等問題，以下將通過若干實施例說明一種具有良好離型能力、高強度及良好韌性的模造玻璃透鏡的模仁。
為實現(xiàn)上述內(nèi)容，提供一種模造玻璃透鏡的模仁，其包括一模壓結(jié)構(gòu)，其形成有模壓面，其中，該模壓結(jié)構(gòu)是由二氧化鈰部分穩(wěn)定氧化鋯(Ce-PSZ)、氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(Y-PSZ)、氧化鋁及貴金屬燒結(jié)而成的復合結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選的，所述貴金屬包括鉑(Pt)、鉑銥合金(PtIr)及錸銥合金(ReIr)。
在其中一實施例中，該模仁進一步包括一超硬材料構(gòu)成的底材。優(yōu)選的，所述底材是由超硬合金、碳化物陶瓷或金屬陶瓷制成。
另一實施例中，該模仁更進一步包括一形成于底材與模壓結(jié)構(gòu)之間的中間層；優(yōu)選的，所述中間層是由鉭或鎢金屬構(gòu)成，其厚度優(yōu)選小于1微米。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本技術(shù)方案的模仁由Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化鋁的燒結(jié)體提供足夠機械強度、硬度及韌性，并由摻雜于其中的貴金屬微粒提供離型能力，從而獲得具有高機械強度、優(yōu)良離型能力的模造玻璃透鏡的模仁。

圖1是本發(fā)明模造玻璃透鏡的模仁第一實施例的結(jié)構(gòu)剖示圖。
圖2是本發(fā)明模造玻璃透鏡的模仁第二實施例的結(jié)構(gòu)剖示圖。
圖3是本發(fā)明模造玻璃透鏡的模仁第三實施例的結(jié)構(gòu)剖示圖。
具體實施方式請參閱圖1，是本發(fā)明模造玻璃透鏡模仁第一實施例結(jié)構(gòu)剖示圖。該模仁1包括模壓層30，模壓層30的頂部形成有模壓面32，由該模壓面32圍成一模壓凹槽34。在本實施例中，該模壓面32呈圓弧面，當然也可根據(jù)欲模造的玻璃透鏡的形狀而設(shè)計模壓面32及凹槽34的形狀，例如非球面、圓球面等。本實施例中，整個模仁1由均勻的模壓層30構(gòu)成，不包含其它層結(jié)構(gòu)。該模壓層30是由Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化鋁及貴金屬組成。其中，Ce-PSZ即二氧化鈰部分穩(wěn)定氧化鋯(Cerium partially-stabilized-zirconia)，或稱為二氧化鈰不完全穩(wěn)定氧化鋯；Y-PSZ即氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(Yttria partially-stabilized-zirconia)，或稱為氧化釔不完全穩(wěn)定氣化鋯；貴金屬包括鉑(Pt)、鉑銥合金(PtIr)及錸銥合金(ReIr)。
上述第一實施例模仁1是利用燒結(jié)方法制備而成。例如首先，將Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化鋁及貴金屬粉粒均勻混合；然后將該混合之物料置于模仁內(nèi)，并施以壓力于模仁內(nèi)擠壓成形，并將初步擠壓成形的物體放置于高溫中進行燒結(jié)成復合燒結(jié)模仁；最后，利用微細加工雕刻形成所需光學透鏡曲面。因Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化鋁的燒結(jié)體可以提供足夠機構(gòu)強度，并且燒結(jié)體內(nèi)的貴金屬Pt、PtIr及ReIr可以提供優(yōu)良離型能力，如此，無需再鍍以其它薄膜結(jié)構(gòu)即可獲得具有高機械強度、優(yōu)良離型能力的模造玻璃透鏡的模仁。
下面簡單說明本實施例之模仁1作用機理。
本實施例是基于氧化鋯陶瓷的相變機理來達到提高機械強度及韌性的目的。氧化鋯陶瓷的韌性提高主要原因在于在微裂紋延伸處附近，開裂面的氧化鋯微粒吸收能量，并產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)相變現(xiàn)象(stress-induced transformation)或者相變導致體積變化，從而阻止微裂紋進一步擴大，防止模仁的模壓面形成微裂紋。Y-PSZ具有較高硬度，但是，其單獨使用時，特別是當Y-PSZ在潮濕環(huán)境中、200～3000度溫度條件下退火時容易降低強度、劣化；Ce-PSZ則無此問題，其在低溫退火具有優(yōu)良性質(zhì)，然而，Ce-PSZ單獨使用時硬度稍有不足。本實施例將Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化鋁均勻混合、燒結(jié)，則可彌補Y-PSZ的上述問題并保持其高強度特性。
本實施例直接采用Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化鋁及貴金屬復合燒結(jié)體作為模仁結(jié)構(gòu)，由Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化鋁的燒結(jié)體提供足夠機械強度、硬度及韌性，并由摻雜于其中的貴金屬微粒提供離型能力，從而獲得具有高機械強度、優(yōu)良離型能力的模造玻璃透鏡的模仁。
當然，本發(fā)明之實施方式還可有其它變化，例如請參見圖2，本發(fā)明第二實施例的模仁2包括一底材10及形成于底材10上的模壓層20。其中，該底材10可由高強度的超硬合金、碳化物陶瓷(例如碳化鎢)或金屬陶瓷制成；而模壓層20是由Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化鋁及貴金屬混合、燒結(jié)而成的復合體，貴金屬包括鉑(Pt)、鉑銥合金(PtIr)及錸銥合金(ReIr)。該模壓層20頂部形成有模壓面22，由該模壓面22圍成一模壓凹槽24。在本實施例中，該模壓面22呈圓弧面，當然也可根據(jù)欲模造的玻璃透鏡的形狀而設(shè)計模壓面22及凹槽24的形狀，例如非球面、圓球面等。
上述第二實施例模仁2是利用燒結(jié)方法制備而成。由于該模仁2是由底材10及模壓層20兩部分構(gòu)成，所以，可將底材10及模壓層20同時進行燒結(jié)、再經(jīng)微細加工形成模壓面22。例如首先將底材10之材料(例如以碳化鎢為主的超硬材料微粒)先置于模仁內(nèi)；再將Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化鋁及貴金屬粉粒均勻混合后置于底材10之上，并施以壓力于模仁內(nèi)擠壓成形；并將擠壓成形的物體放置于高溫中進行燒結(jié)成具有底材10及模壓層20的復合燒結(jié)模仁；最后，利用微細加工雕刻于模壓層20表面形成所需光學透鏡曲面。因Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化鋁的燒結(jié)體可以提供足夠機構(gòu)強度，并且分布在燒結(jié)體內(nèi)的貴金屬Pt、PtIr及ReIr可以提供優(yōu)良離型能力，如此，無需再鍍以其它薄膜結(jié)構(gòu)即可獲得具有高機械強度、優(yōu)良離型能力的模造玻璃透鏡的模仁。一般而言，底材10作為基底，其厚度較大；而模壓層20提供模壓面22及模壓凹槽24，其厚度可較小一些，例如數(shù)微米至數(shù)百微米之間。
請參閱圖3，本發(fā)明第三實施例的模仁3包括底材10、模壓層20以及形成于底材10及模壓層20之間的中間層25。其中，底材10可由高強度的超硬合金、碳化物陶瓷(例如碳化鎢)或金屬陶瓷制成；而模壓層20是由Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化鋁及貴金屬混合、燒結(jié)而成的復合體，貴金屬包括鉑(Pt)、鉑銥合金(PtIr)及錸銥合金(ReIr)；中間層25起增強結(jié)合性的作用，使模壓層20與底材10緊密結(jié)合，提高穩(wěn)定性，中間層25可由鉭或鎢金屬構(gòu)成，其厚度可以較薄，例如小于1微米厚。該模壓層20頂部形成有模壓面22，由該模壓面22圍成一模壓凹槽24。在本實施例中，該模壓面22呈圓弧面，當然也可根據(jù)欲模造的玻璃透鏡的形狀而設(shè)計模壓面22及凹槽24的形狀，例如非球面、圓球面等。
上述第三實施例模仁3由底材10、模壓層20及中間層25構(gòu)成，其中底材10及模壓層20可由燒結(jié)法制備，而中間層25則可由濺鍍法形成。例如可先采用類似第二實施例的方法，利用擠壓成形及燒結(jié)法形成底材10；再以濺鍍法于底材10表面形成鉭、鎢薄膜，即中間層25；最后以擠壓成形、燒結(jié)法形成模壓層20，并施以精細加工形成模壓面22。
本發(fā)明上述三個實施例均是利用氧化鋯陶瓷的相變機理來達到提高模仁結(jié)構(gòu)的機械強度及韌性，提高模仁使用壽命，適用于模造玻璃透鏡，或其它光學元件。
權(quán)利要求
1.一種模造玻璃透鏡的模仁，包括一模壓結(jié)構(gòu)，其形成有模壓面，其特征在于該模壓結(jié)構(gòu)是由二氧化鈰部分穩(wěn)定氧化鋯(Ce-PSZ)、氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(Y-PSZ)、氧化鋁及貴金屬燒結(jié)而成的復合結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的模仁，其特征在于，所述貴金屬包括鉑(Pt)、鉑銥合金(PtIr)及錸銥合金(ReIr)。
3.如權(quán)利要求2所述的模仁，其特征在于，該模壓面為球面或非球面。
4.如權(quán)利要求2所述的模仁，其特征在于，所述Ce-PSZ、Y-PSZ、氧化鋁及貴金屬均勻分布。
5.如權(quán)利要求2所述的模仁，其特征在于，進一步包括一超硬材料構(gòu)成的底材。
6.如權(quán)利要求5所述的模仁，其特征在于，所述底材是由超硬合金、碳化物陶瓷或金屬陶瓷制成。
7.如權(quán)利要求6所述的模仁，其特征在于，所述底材與所述模壓結(jié)構(gòu)一體燒結(jié)而成。
8.如權(quán)利要求6所述的模仁，其特征在于，所述底材與模壓結(jié)構(gòu)之間進一步包括一中間層。
9.如權(quán)利要求8所述的模仁，其特征在于，所述中間層是由金屬構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求9所述的模仁，其特征在于，該中間層是由鉭或鎢金屬構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模造玻璃透鏡的模仁，其包括一模壓結(jié)構(gòu)，其形成有模壓面，其中，該模壓結(jié)構(gòu)是由二氧化鈰部分穩(wěn)定氧化鋯(Ce－PSZ)、氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(Y－PSZ)、氧化鋁及貴金屬燒結(jié)而成的復合結(jié)構(gòu)。所述貴金屬包括鉑(Pt)、鉑銥合金(PtIr)及錸銥合金(ReIr)。在一實施例中，該模仁進一步包括一超硬材料構(gòu)成的底材。所述底材是由超硬合金、碳化物陶瓷或金屬陶瓷制成。另一實施例中，該模仁更進一步包括一形成于底材與模壓結(jié)構(gòu)之間的中間層，其厚度小于1微米。本技術(shù)方案的模仁具有高機械強度、防止微裂紋產(chǎn)生以及良好離型能力的特點。
文檔編號C03B11/00GK1830851SQ20051003353
公開日2006年9月13日 申請日期2005年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月9日
發(fā)明者呂昌岳 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司