專(zhuān)利名稱(chēng)：玻璃成形工具和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從高軟化點(diǎn)硅酸鹽玻璃制造玻璃制品，更具體涉及使這種玻璃在高溫成形的耐用工具。
背景技術(shù)：
由高軟化點(diǎn)玻璃形成復(fù)雜形狀的玻璃制品是具有相當(dāng)挑戰(zhàn)性的，原因在于，要使這種玻璃成功地形成一定形狀，必須采用高成形溫度。用于先進(jìn)消費(fèi)電子應(yīng)用的技術(shù)玻璃類(lèi)型具體包括用于制造信息顯示器(電視機(jī)、電腦監(jiān)視器、和移動(dòng)電子裝置例如手機(jī)以及用于包括白板、平板電腦和先進(jìn)手持裝置的大型和小型信息顯示器的觸摸屏)的玻璃蓋片產(chǎn)品的耐火鋁硅酸鹽玻璃，其軟化點(diǎn)和/或成形溫度可大于或等于800°C。在這種溫度下，常規(guī)的玻璃成形工具例如模具和模頭會(huì)由于表面氧化、機(jī)械磨損、化學(xué)腐蝕和/或模具表面組成或微結(jié)構(gòu)中的溫度引發(fā)變化快速損壞。隨著模具在使用過(guò)程中重復(fù)地從低溫到高溫進(jìn)行循環(huán)，這些變化會(huì)逐漸地變得更加嚴(yán)重。特別成問(wèn)題的是包含明顯濃度(例如大于或等于5重量％)的堿金屬成分如鈉的耐火玻璃。堿金屬在高玻璃成形溫度下 具有高度遷移性和反應(yīng)性，會(huì)導(dǎo)致模具表面劣化，從而不可接受地降低模塑的玻璃產(chǎn)品的表面質(zhì)量。消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商要求供信息顯示器使用的玻璃片板產(chǎn)品具有光學(xué)表面光潔度。消費(fèi)電子產(chǎn)品的制造出于成本考慮難以承擔(dān)成形后精飾成本，當(dāng)要求玻璃片產(chǎn)品具有三維曲率時(shí)，這種成形后精飾也是不現(xiàn)實(shí)的。耐用的玻璃成形工具的成本是影響顯示器玻璃蓋片制造成本的另一個(gè)因素。保持模塑的顯示器產(chǎn)品嚴(yán)密的尺寸容差和光學(xué)表面質(zhì)量的需求意味著，要求提供延長(zhǎng)工具的使用壽命以降低制造成本。例如由鐵、鋼、或包含鐵、鎳、鉻、或銅的金屬合金制造的金屬玻璃成形工具能在高溫下提供足夠的尺寸穩(wěn)定性，但是存在以下問(wèn)題例如在低至600°C的溫度下的表面氧化，以及玻璃在接近800°C的溫度下通過(guò)腐蝕性相互作用與反應(yīng)性玻璃成分發(fā)生粘連。這些問(wèn)題中的任何問(wèn)題都會(huì)不可接受地使得模塑的玻璃產(chǎn)品中的光學(xué)表面質(zhì)量下降。由諸如氧化硅、氧化鋁、WC、TiC, TiN, SiC, SiN之類(lèi)的陶瓷材料或者諸如Sialon(硅鋁氧氮聚合物)之類(lèi)的氮化硅合金形成的耐火非金屬模具能提供優(yōu)良的高溫尺寸穩(wěn)定性，但是其成本遠(yuǎn)高于金屬模具。另外，這些模具在高成形溫度下會(huì)與含堿金屬的玻璃反應(yīng)，造成玻璃粘連，導(dǎo)致模塑的玻璃表面的光潔性變差。而且，為了改善玻璃脫模特性或耐腐蝕性而向這些模具施加的表面涂層，例如TiAIN、TiAlN/ZrN、Al2O3 (氧化鋁)、GaN、貴金屬、貴金屬合金以及貴金屬-稀土合金，使得成本進(jìn)一步增加，并且通常沒(méi)有顯示其能有效地提高在高于約700°C的使用溫度下的模塑性能。因此，仍然需要具有以下特點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)節(jié)約的玻璃成形工具所述玻璃成形工具能以低成本制造，在高溫下具有尺寸穩(wěn)定性，結(jié)合有能夠在大于或等于800°C的成形溫度下為成形產(chǎn)品提供長(zhǎng)期使用的、具有光潔的光學(xué)表面的成形表面。發(fā)明概述本發(fā)明涉及結(jié)合有耐火保護(hù)涂層的玻璃成形工具及其制造和使用方法。所述保護(hù)涂層在長(zhǎng)期熱循環(huán)過(guò)程中具有熱穩(wěn)定，具有與腐蝕性高軟化點(diǎn)玻璃接觸時(shí)的耐破壞性，能在高達(dá)800°C的成形溫度下直接模塑光潔的光學(xué)玻璃表面。額外使用選定的擴(kuò)散阻擋層來(lái)抑制金屬污染物的遷移，使得能將該涂層用于保護(hù)耐火金屬模具材料，否則該材料不適合從高軟化點(diǎn)玻璃直接成形光潔的光學(xué)玻璃制品。因此在第一方面，本發(fā)明涉及用于玻璃成形等的耐火工具，該工具包括結(jié)合有玻璃成形表面的工具體以及保護(hù)性表面涂層。所述工具的工具體或至少是玻璃成形表面主要由選自以下的金屬組成鐵、鎳、鉻、銅、及其混合物與合金，所述保護(hù)性表面涂層是金屬氮化物涂層，其能在高達(dá)800°C的使用溫度下耐受機(jī)械性、腐蝕性、和氧化性的表面損壞。根據(jù)本發(fā)明這一方面提 供的耐火工具包括玻璃成形模頭和模具。為高溫玻璃模塑提供特別優(yōu)點(diǎn)的示例性實(shí)施方式包括一種玻璃成形模具，其包含金屬模塑表面、設(shè)置在至少一部分模塑表面上的耐火金屬氮化物表面涂層、以及設(shè)置在模塑表面和表面涂層之間的包含無(wú)定形氧化鋁的擴(kuò)散阻擋層。本發(fā)明另一方面涉及所述工具的制造方法。一些實(shí)施方式包括玻璃成形模具的制造方法，所述方法包括以下步驟(i )選擇具有金屬模塑表面的模具體，所述金屬模塑表面主要由選自以下的金屬組成鐵、鉻、鎳、銅及其混合物與合金；(ii)沉積氧化物擴(kuò)散阻擋層，至少在部分模塑表面上抑制過(guò)渡金屬或堿金屬的擴(kuò)散；以及(iii)在擴(kuò)散阻擋層上沉積金屬氮化物表面涂層。本發(fā)明的其他方面涉及具有光潔的光學(xué)表面的玻璃制品的模塑方法。一些具體的實(shí)施方式包括一種方法，該方法包括以下步驟提供軟化的硅酸鹽玻璃進(jìn)料，使用模具將該進(jìn)料成形為具有光潔的光學(xué)表面的玻璃制品，其中所述硅酸鹽玻璃是堿金屬氧化物含量超過(guò)5重量％的鋁硅酸鹽玻璃，所述模具包含具有金屬氮化物表面涂層的金屬模塑表面，該金屬氮化物表面涂層能在高達(dá)至少800°C的溫度下耐受堿腐蝕和氧化損壞。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明以下參考附圖詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明提供的工具和方法的示例性實(shí)施方式，其中

圖1是在氮化物保護(hù)涂層中的金屬濃度-深度圖；圖2是在氧化鋁阻擋層中的金屬濃度-深度圖；圖3是第一玻璃成形模具的示意圖；圖4是第二玻璃成形模具的示意圖；圖5是第三玻璃成形模具的示意圖；以及圖6是第四玻璃成形模具的示意圖。發(fā)明詳述雖然本發(fā)明的玻璃成形工具和方法可廣泛用于玻璃制造領(lǐng)域中，但是特別優(yōu)選的實(shí)施方式包括通過(guò)直接模塑制造具有光潔的光學(xué)表面的玻璃片產(chǎn)品的玻璃成形模具，尤其包括從包含大于或等于5%的堿金屬氧化物的高軟化點(diǎn)堿金屬鋁硅酸鹽玻璃制造的產(chǎn)品。因此，以下描述包括對(duì)這些模具和方法的具體參考，但是本發(fā)明的范圍并不限于此。關(guān)于制造用于信息顯示器應(yīng)用的成形玻璃片的關(guān)鍵問(wèn)題是，要求直接模塑的較大尺寸的玻璃片具有光潔的光學(xué)表面。雖然使用陶瓷的玻璃成形模具對(duì)于從不太難熔的非硅酸鹽玻璃制造較小的光學(xué)部件如非球面照相機(jī)透鏡而言是很實(shí)用的，但是對(duì)于大玻璃片的再成形工藝而言，使用陶瓷模具不具有經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)使用本發(fā)明的金屬氮化物保護(hù)涂層，使得能夠使用全部由選定的硬質(zhì)難熔金屬形成的模塑或成形表面的模具，或至少部分結(jié)合有由選定的硬質(zhì)難熔金屬形成的模塑或成形表面的模具。即，本發(fā)明的氮化物涂層使得能使用難熔金屬，雖然通常認(rèn)為所述難熔金屬具有高硬度和高耐氧化性，但是在形成耐火玻璃蓋片組合物所需的玻璃接觸溫度下，單獨(dú)使用所述難熔金屬無(wú)法為耐火玻璃蓋片組合物的模塑提供足夠的耐氧化性和/或耐模具腐蝕性。。在金屬氮化物保護(hù)涂層由TiAlN組合物形成的一些實(shí)施方式中，表現(xiàn)出極佳的耐氧化性、優(yōu)良的玻璃脫模特性、以及為了獲得優(yōu)良的耐磨損性所需的高硬度。適合與本發(fā)明的阻擋層和保護(hù)涂層組合使用的模具包括那些結(jié)合有模塑表面的模具，所述模塑表面至少主要包含選自以下的金屬鐵、鎳、鉻、銅及其混合物與合金。術(shù)語(yǔ)“主要包含”表示金屬、金屬混合物或金屬合金中的金屬占所述金屬、混合物或合金的50重量％以上。這些金屬的說(shuō)明性例子包括鑄鐵、鋼或鋼合金例如H13、S7和P20，不銹鋼309、310和420,以及鎮(zhèn)合金例如Hastelloy 和]_neonei(g)合金。尤其是鎮(zhèn)合金,具體以Ineonel 718為例，已知其具有高溫硬度和耐氧化性。在用于玻璃成形的模塑表面中，硬度是一項(xiàng)重要特性，因?yàn)橛捕饶芙档碗S時(shí)間流逝產(chǎn)生的玻璃對(duì)模具的磨損或劃傷的可能性。玻璃接觸表面的耐高溫氧化性對(duì)于防止高溫玻璃成形過(guò)程中的氧化物生長(zhǎng)至關(guān)重要。模具表面上的大范圍氧化物生長(zhǎng)會(huì)增加模具的表面粗糙度，并最終導(dǎo)致所按壓的玻璃表面的損壞，使得難以在成形后的玻璃產(chǎn)品中保持粗糙度小于25納米R(shí)MS的模塑表面。 根據(jù)本發(fā)明的能提供優(yōu)異的耐氧化性和硬度的TiAlN涂層的具體實(shí)施方式
是富鋁涂層；即，Ti/Al原子比小于I的涂層。TiAlN涂層實(shí)施方式中，鋁含量不超過(guò)涂層中Al+Ti總含量的70重量％，例如鋁含量不超過(guò)總含量的67重量％，可用于抑制氮化鋁的形成。雖然這些涂層在800°C范圍中的溫度下事實(shí)上發(fā)生了一些表面氧化，但是這種氧化是自我限制性的，不會(huì)導(dǎo)致剛施加的涂層的光潔的光學(xué)表面損失。雖然TiAlN保護(hù)涂層的耐氧化性、硬度和玻璃脫模特性非常適合于高溫玻璃成形，但是將這種涂層直接沉積于金屬模具表面上時(shí)，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中對(duì)于劣化并不能保持完全穩(wěn)定。觀察到的涂層劣化的原因在于金屬在高溫下遷移到涂層中，包括堿金屬?gòu)牟Ａнw移到涂層中以及過(guò)渡金屬?gòu)慕饘倌Ｋ鼙砻孢w移到涂層中。將TiAlN涂層設(shè)置在Inconel 鎳合金基材上，在450-800°C進(jìn)行重復(fù)的熱循環(huán)，然后采集分析數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)顯示堿金屬(鈉)從玻璃擴(kuò)散到涂層中，在500次熱循環(huán)之后達(dá)到400納米的深度，過(guò)渡金屬(例如Fe、Cr、N1、Nb等)從合金基材擴(kuò)散到涂層中，在100次熱循環(huán)之后達(dá)到500納米的深度。在后一情況中，基材表面的性質(zhì)以及氮化物保護(hù)涂層的性質(zhì)可以折中。使用氧化鋁作為抵抗金屬離子擴(kuò)散的阻擋層具有如下優(yōu)點(diǎn)，包括氧化物承受高溫的能力以及氧化物抵制或延緩過(guò)渡金屬如鉻在這種高溫下進(jìn)行擴(kuò)散的能力。但是，單獨(dú)的氧化鋁并非用于模具的合適涂層，因?yàn)檠趸X不具備優(yōu)良的玻璃脫模特性，而且很難以低表面粗糙度沉積。在設(shè)置在金屬模塑表面上的氧化鋁阻擋層上沉積氮化物保護(hù)涂層能解決以上兩個(gè)缺點(diǎn)。用于制造具有光潔的光學(xué)表面的玻璃制品的保護(hù)性涂覆的模具的具體實(shí)施方式
包括如下所述的模具其具有光潔的光學(xué)表面，位于模具模塑表面上的金屬氮化物保護(hù)涂層主要包含氮化鈦鋁，而且在模塑表面和金屬氮化物保護(hù)性表面涂層之間提供有含氧化鋁的擴(kuò)散阻擋層。為了本發(fā)明的目的，光潔的光學(xué)表面或光潔的光學(xué)涂層或模塑的玻璃制品是RMS表面粗糙度不超過(guò)25納米的制品、涂層或光潔表面。位于氧化鋁擴(kuò)散阻擋層之上的氮化鈦鋁保護(hù)涂層的涂覆組合為經(jīng)過(guò)涂覆的金屬模塑表面提供了高熱穩(wěn)定性。氧化鋁(最優(yōu)選是無(wú)定形氧化鋁)作為高效的阻擋層，抑制了金屬模具組分如Fe、Cr、N1、Nb和Mo向涂層的擴(kuò)散，所述擴(kuò)散會(huì)使TiAlN涂層對(duì)機(jī)械性、腐蝕性和氧化性表面損壞的耐受性變差。為了本發(fā)明的目的，如果涂層在800°C玻璃接觸溫度下相對(duì)于堿金屬鋁硅酸鹽玻璃經(jīng)過(guò)100次或更多次模塑循環(huán)之后保持如上所述的光潔的光學(xué)表面，則認(rèn)為該涂層能耐受這種損壞。圖1和2對(duì)氣相沉積的TiAlN保護(hù)涂層的高溫過(guò)渡金屬擴(kuò)散特性(圖1)和氣相沉積的無(wú)定形氧化鋁阻擋層的高溫過(guò)渡金屬擴(kuò)散特性(圖2)進(jìn)行了比較。每種材料都作為涂層沉積在鎳合金基材(丨nconel 718鎳合金)上,在沉積之后和在初始濃度曲線之后,都在450-800°C之間重復(fù)進(jìn)行熱循環(huán)，對(duì)金屬?gòu)暮辖鸹臄U(kuò)散到涂層中的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。TiAlN涂層的厚度約為1. 5微米，氧化鋁層的厚度約為2微米。附圖給出二次離子質(zhì)譜(SMS)深度曲線，顯示了對(duì)于每種經(jīng)過(guò)涂覆的基材，在剛沉積時(shí)(A)和100次(C100)熱循環(huán)或200次(C200)熱循環(huán)之后，相對(duì)鎳濃度(單位是信號(hào)計(jì)數(shù)每秒)隨測(cè)`量深度的變化。在每種情況中，當(dāng)在熱循環(huán)之前進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，金屬離子深度曲線在合金-涂層界面處都相當(dāng)陡峭。熱循環(huán)之后，對(duì)于TiAlN涂覆的基材的ClOO曲線顯示，存在明顯的鎳從合金基材向涂層中的遷移。相反，對(duì)于氧化鋁涂覆的基材的ClOO和C200曲線顯示，基本上沒(méi)有鎳遷移。對(duì)于曲線掃描觀察到類(lèi)似的效果，其中SIMS分析出有痕量的Fe、Cr、Mo或Nb從Inconel 合金基材擴(kuò)散到這些涂層中。如上所述，通過(guò)直接模塑制造適合于生產(chǎn)光潔的光學(xué)玻璃產(chǎn)品的玻璃成形模具的方法包括在模具的至少一部分金屬模塑表面上沉積氧化物擴(kuò)散阻擋層的初始步驟，所述氧化物擴(kuò)散阻擋層是例如包含無(wú)定形氧化鋁的層。之后，在擴(kuò)散阻擋層上沉積保護(hù)性金屬氮化物表面涂層，例如主要包含或基本包含氮化鈦鋁的涂層。根據(jù)沉積氧化鋁阻擋層和TiAlN保護(hù)涂層所用的具體方法，在一些情況下可以采用一些步驟來(lái)改善模塑表面和阻擋層之間的粘結(jié)，以及阻擋層和保護(hù)涂層之間的粘結(jié)。根據(jù)一些實(shí)施方式，通過(guò)在沉積氧化鋁之前向模塑表面施加鎳無(wú)電鍍層，改善了模具/氧化鋁阻擋層的粘結(jié)和相容性。用于改善阻擋層和氮化物保護(hù)涂層之間的粘合性的適用措施包括在阻擋層上提供氧氮化鋁、氧氮化鋁鈦、或其他金屬氧氮化物過(guò)渡層?？梢苑奖愕赝ㄟ^(guò)氣相沉積提供此類(lèi)過(guò)渡層，例如在氣氛中通過(guò)物理氣相沉積提供，在該工藝中，在氣相沉積步驟中，氣氛中的氧含量降低而氮含量上升。根據(jù)本發(fā)明方法生產(chǎn)的玻璃成形模具包含設(shè)置在阻擋層和表面涂層之間并與它們良好粘結(jié)的氧氮化鋁或氧氮化鋁鈦過(guò)渡層。在一些典型的實(shí)施方式中，這種模具中的保護(hù)性TiAlN表面涂層的厚度通常至少為I微米，氧氮化物過(guò)渡層的厚度至少為10納米，例如10-300納米，阻擋層的厚度至少為200納米，例如200-1500納米。圖3給出 根據(jù)本發(fā)明這種實(shí)施方式提供的玻璃成形模具的端面正視圖，該圖并不按照真實(shí)比例或尺度，而是示意圖。圖3所示模具10的部件包含金屬模塑表面10a，設(shè)置在模塑表面上的無(wú)定形氧化鋁阻擋層12，以及設(shè)置在阻擋層上并與阻擋層和TiAlN保護(hù)涂層之間的梯度Al2O3-AlN過(guò)渡層12a接觸的TiAlN保護(hù)涂層14。對(duì)于高溫高磨損應(yīng)用，在電偏置條件下沉積TiAlN保護(hù)涂層是有利的，從而改善涂層的密度和最終硬度。適用于該目的的本發(fā)明方法的實(shí)施方式包括其中的保護(hù)性表面涂層通過(guò)從T1-Al源的反應(yīng)性濺射沉積的實(shí)施方式，進(jìn)行所述濺射的同時(shí)保持源和阻擋層之間的電偏置。反應(yīng)性濺射可方便地在反應(yīng)室中進(jìn)行，先從反應(yīng)室中基本除去空氣，然后將氮反應(yīng)氣體(即包含氮原子或離子的反應(yīng)氣體)和Ar工作氣體引入反應(yīng)室中。當(dāng)選擇保護(hù)涂層沉積方法對(duì)TiAlN進(jìn)行電偏置沉積時(shí)，由于氧化鋁阻擋層的絕緣性質(zhì)，使得保持源和阻擋層之間的適當(dāng)偏置變得復(fù)雜化。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)改進(jìn)或補(bǔ)充阻擋層的組成或結(jié)構(gòu)，從而提供設(shè)置在阻擋層上或之內(nèi)的導(dǎo)電區(qū)域，來(lái)解決這個(gè)困難。實(shí)現(xiàn)該結(jié)果的本發(fā)明方法的一些實(shí)施方式包括如下方法其中沉積阻擋層的步驟包括在阻擋層的模塑表面上進(jìn)行非反應(yīng)性濺射，其中所述阻擋層包含無(wú)定形氧化鋁和金屬鋁的導(dǎo)電混合物。然后在導(dǎo)電性阻擋層上沉積金屬Al或AlTi粘結(jié)層。因此，發(fā)明人相信該鋁/氧化鋁阻擋層能在氧化鋁基質(zhì)中包含互連的鋁納米顆粒。所述Al或AlTi粘結(jié)層改善了阻擋層和保護(hù)性TiAlN涂層之間的粘合性。在通過(guò)采用這種方法得到的模具中，在阻擋層和保護(hù)性表面涂層之間設(shè)置含金屬鋁的粘結(jié)層，其中的導(dǎo)電區(qū)域由阻擋層組成，或者由阻擋層中包含互連的鋁金屬相的那部分組成。圖4給出具有按照本發(fā)明這種實(shí)施方式提供的導(dǎo)電阻擋層的玻璃成形模具的端面正視圖，該圖并不按照真實(shí)比例或尺度，而是示意圖。如圖4中所示，模具結(jié)構(gòu)包括具有金屬模塑表面IOa的模具體10,設(shè)置在模塑表面IOa上的導(dǎo)電性Al-Al2O3阻擋層22,位于阻擋層上的AlTi粘結(jié)層22a，以及設(shè)置在粘結(jié)層上的TiAlN保護(hù)涂層14。這種結(jié)構(gòu)的模具的典型層厚度是A1/A1203復(fù)合阻擋層厚度為200-1500納米，TiAlN保護(hù)涂層厚度為1000-1500納米，Al或AlTi粘結(jié)層厚度為1-2納米。提供與電偏置TiAlN沉積相似結(jié)果的另一種方法是，其中沉積阻擋層的步驟包括在模具表面上氣相沉積摻雜有ZnO的無(wú)定形氧化鋁的導(dǎo)電層。得到的模具如下其中的導(dǎo)電區(qū)域完全是包含ZnO摻雜劑的阻擋層，或者所述導(dǎo)電區(qū)域是包含ZnO摻雜劑的阻擋層的一部分，其中在阻擋層和保護(hù)性表面涂層之間提供有氧氮化鋁鈦過(guò)渡層。圖5給出具有根據(jù)本實(shí)施方式的導(dǎo)電性ZnO摻雜氧化鋁阻擋層的玻璃成形模具的一部分端面的正視圖，該圖并不按照真實(shí)的比例或尺度，而是示意圖。圖5所示的模具包含具有金屬模塑表面IOa的模具體10，設(shè)置在模塑表面上的導(dǎo)電性ZnO摻雜的氧化鋁阻擋層32，設(shè)置在阻擋層上的梯度Al2O3-AlN過(guò)渡層12a，以及設(shè)置在過(guò)渡層上的TiAlN保護(hù)涂層14。這種結(jié)構(gòu)的模具的合適層厚度是=ZnO-Al2O3阻擋層厚度為200-1500納米，梯度Al2O3-AlN過(guò)渡層厚度為10-300納米，TiAlN保護(hù)涂層厚度為1000-1500納米。有效進(jìn)行電偏置的TiAlN涂層沉積的另一種方法是在沉積TiAlN保護(hù)性表面涂層之前，包括在阻擋層上并在至少一部分模塑表面上沉積導(dǎo)電性金屬夾層的步驟。形成這種結(jié)構(gòu)的一種方法是，在沉積氧化鋁阻擋層之前對(duì)模塑表面的邊緣部分進(jìn)行掩蔽，然后除去掩模，在阻擋層和至少一部分模塑表面上沉積導(dǎo)電性金屬夾層。適用于這些實(shí)施方式的導(dǎo)電性金屬層包括含有TiAl合金的金屬層。通過(guò)采用這種方法得到的模具是，其中的導(dǎo)電區(qū)域包含設(shè)置在阻擋層上并與模塑表面電接觸的導(dǎo)電性金屬層。圖6給出根據(jù)本實(shí)施方式在阻擋層上結(jié)合有導(dǎo)電性金屬層的玻璃成形模具的一部分端面的正視圖，該圖并不按照真實(shí)比例或尺度，而是示意圖。圖6的模具包含具有金屬模塑表面IOa的模具體10，設(shè)置在模塑表面上的氧化鋁阻擋層12，設(shè)置在阻擋層上但與模塑表面IOa接觸的導(dǎo)電性TiAl合金夾層42，以及設(shè)置在導(dǎo)電夾層上的TiAlN保護(hù)涂層
14。這種模具結(jié)構(gòu)的合適層厚度是=Al2O3阻擋層厚度為200-1500納米，導(dǎo)電性金屬夾層厚度為20-100納米，TiAlN保護(hù)涂層厚度為1000-1500納米。如上所述，根據(jù)本發(fā)明 提供的方法包括用本文所述的耐火模塑工具制造具有直接模塑的光潔的光學(xué)表面的玻璃制品的方法。這些方法包括提供軟化的堿金屬鋁硅酸鹽玻璃進(jìn)料，以及使用具有保護(hù)性耐氧化和耐腐蝕的金屬氮化物表面涂層如TiAlN的模具將軟化的進(jìn)料成形為玻璃制品。對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品應(yīng)用，軟化的玻璃進(jìn)料通常是玻璃片的形式，對(duì)進(jìn)料進(jìn)行成形包括將玻璃片再成形為具有光潔的光學(xué)表面的用于顯示器玻璃蓋片的成形玻璃片。在一些具體的實(shí)施方式中，將進(jìn)料成形以提供具有光潔的光學(xué)表面的玻璃產(chǎn)品的步驟包括在IOltl-1O7 5泊范圍的玻璃粘度條件下將玻璃進(jìn)料和模具壓制在一起。在堿金屬鋁硅酸鹽顯示器玻璃中獲得這種粘度，通常包括使待模塑的玻璃保持750°C以上的溫度。根據(jù)特別適合于顯示器玻璃應(yīng)用的本發(fā)明模塑方法的一些實(shí)施方式，硅酸鹽玻璃進(jìn)料由堿金屬氧化物含量為至少10重量％且軟化溫度為至少800°C的鋁硅酸鹽玻璃組成。為了實(shí)施的經(jīng)濟(jì)節(jié)省，用于將玻璃片或其他進(jìn)料成形為光潔的光學(xué)玻璃制品所用的模具包括具有模塑表面的模具體，所述模塑表面主要由選自鐵、鎳、鉻、銅的金屬及其混合物與合金組成，該模塑表面具有主要由氮化鈦鋁組成的保護(hù)性表面涂層。為了根據(jù)本發(fā)明經(jīng)濟(jì)節(jié)省地制造光潔的光學(xué)玻璃片產(chǎn)品，要求制造所用模具能提供延長(zhǎng)的使用壽命。為了達(dá)到這個(gè)目的，在本發(fā)明模塑方法的一些實(shí)施方式中使用的模具是，在模塑表面和保護(hù)性表面涂層之間提供有包含無(wú)定形氧化鋁的擴(kuò)散阻擋層，該阻擋層用于穩(wěn)定涂層，抑制因金屬在高溫下從金屬模塑表面擴(kuò)散到保護(hù)涂層中而造成的劣化。如上所述，根據(jù)本發(fā)明方法制造玻璃片在使用如下模具時(shí)能以最佳方式實(shí)現(xiàn)所述模具上的保護(hù)性表面涂層具有不超過(guò)25納米的RMS表面粗糙度。這種涂層能有效地制造具有類(lèi)似或更低表面粗糙度的光潔的光學(xué)玻璃片，即，玻璃表面基本沒(méi)有光學(xué)缺陷。雖然已經(jīng)在上文就適合于實(shí)際應(yīng)用的材料、產(chǎn)品和工藝的具體例子對(duì)本發(fā)明的方法和工具進(jìn)行了描述，但是應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，僅僅出于說(shuō)明的目的給出這些例子，本發(fā)明的方法和工具的各種改進(jìn)形式可用于所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的類(lèi)似或其他應(yīng)用中。
權(quán)利要求
1.一種包含金屬工具體和保護(hù)性表面涂層的耐火工具，其特征在于，所述工具體的表面主要包含選自鐵、鎳、鉻、銅的金屬及其混合物和合金，所述保護(hù)性表面涂層是在高達(dá)800°C的使用溫度下能耐受機(jī)械性、腐蝕性和氧化性表面損壞的金屬氮化物涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的耐火工具，其特征在于，所述金屬氮化物涂層主要包含氮化鈦，在工具體和金屬氮化物保護(hù)性表面涂層之間提供有含氧化鋁的擴(kuò)散阻擋層。
3.一種玻璃成形模具，其包含具有金屬模塑表面的模具體，設(shè)置在至少一部分模塑表面上的耐火金屬氮化物表面涂層，以及設(shè)置在模塑表面和表面涂層之間的包含無(wú)定形氧化鋁的擴(kuò)散阻擋層。
4.如權(quán)利要求3所述的模具，其特征在于，所述模塑表面主要包含選自鐵、鎳、鉻、銅的金屬及其混合物和合金，所述表面涂層主要包含氮化鈦鋁。
5.如權(quán)利要求4所述的模具，其特征在于，所述模具由選自鑄鐵、鋼、鋼合金、不銹鋼合金和鎳合金的金屬形成，所述表面涂層的T1:Al原子比小于1，涂層中的Al含量占Al+Ti的總含量不超過(guò)70重量％。
6.如權(quán)利要求4所述的模具，其特征在于，所述表面涂層的RMS表面粗糙度不超過(guò)25納米。
7.如權(quán)利要求4所述的模具，其特征在于，在阻擋層和表面涂層之間設(shè)置有氧氮化鋁或氧氮化鋁鈦過(guò)渡層。
8.如權(quán)利要求7所述的模具，其特征在于，所述表面涂層的厚度至少為I微米，過(guò)渡層的厚度至少為10納米，阻擋層的厚度至少為200納米。
9.如權(quán)利要求3所述的模具，其特征在于，至少一部分模塑表面涂覆有鎳鍍層。
10.如權(quán)利要求3所述的模具，其特征在于，所述模具包括設(shè)置在阻擋層上或之內(nèi)的導(dǎo)電區(qū)域。
11.如權(quán)利要求10所述的模具，其特征在于，所述導(dǎo)電區(qū)域包含位于至少一部分阻擋層之內(nèi)的互連鋁金屬相，在阻擋層和表面涂層之間設(shè)置有金屬粘結(jié)層。
12.如權(quán)利要求10所述的模具，其特征在于，所述導(dǎo)電區(qū)域包含至少一部分含ZnO摻雜劑的阻擋層，在阻擋層和表面涂層之間提供有氧氮化鋁鈦過(guò)渡層。
13.如權(quán)利要求10所述的模具，其特征在于，所述導(dǎo)電區(qū)域包含設(shè)置在阻擋層上并與模塑表面電接觸的導(dǎo)電性金屬層。
14.一種制造玻璃成形模具的方法，該方法包括以下步驟(i)選擇具有主要包含選自鐵、鉻、鎳、銅的金屬及其混合物和合金的模塑表面的模具體；(ii)在至少一部分模塑表面上沉積氧化物擴(kuò)散阻擋層；以及(iii)在擴(kuò)散阻擋層上沉積金屬氮化物表面涂層。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述沉積阻擋層的步驟包括沉積包含無(wú)定形氧化鋁的層。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述沉積表面涂層的步驟包括沉積主要包含氮化鈦鋁的涂層。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述表面涂層通過(guò)從T1-Al源進(jìn)行反應(yīng)性濺射而沉積，在進(jìn)行濺射的同時(shí)在源和阻擋層之間保持電偏置。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法在沉積表面涂層之前，還包括在阻擋層上沉積金屬氧氮化物過(guò)渡層的步驟。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述沉積過(guò)渡層的步驟包括在氣氛中進(jìn)行氣相沉積的步驟，在該氣相沉積步驟中，氣氛中的氧含量降低而氮含量上升。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述沉積阻擋層的步驟包括對(duì)包含無(wú)定形氧化鋁和金屬鋁的導(dǎo)電混合物的層進(jìn)行非反應(yīng)性濺射，然后在導(dǎo)電混合物上沉積Al或AlTi粘結(jié)層。
21.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述沉積阻擋層的步驟包括對(duì)用ZnO摻雜的無(wú)定形氧化鋁的導(dǎo)電層進(jìn)行氣相沉積。
22.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法在沉積表面涂層之前，還包括在阻擋層上和在至少一部分模塑表面上沉積導(dǎo)電性金屬夾層的步驟。
23.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)電性金屬夾層包含鈦鋁合金。
24.一種制造具有光潔的光學(xué)表面的玻璃制品的方法，該方法包括以下步驟提供軟化的硅酸鹽玻璃進(jìn)料，使用模具將該進(jìn)料成形為玻璃制品；其中所述硅酸鹽玻璃是堿金屬氧化物含量超過(guò)5重量％的鋁硅酸鹽玻璃，所述模具包含金屬模塑表面，該金屬模塑表面提供有能在高達(dá)至少800°C的溫度下耐受堿金屬腐蝕和氧化損壞的金屬氮化物表面涂層。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述硅酸鹽玻璃是堿金屬氧化物含量至少為10重量％且軟化溫度至少為800°C的鋁硅酸鹽玻璃。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述模塑表面主要包含選自鐵、鎳、鉻的金屬及其混合物和合金，所述表面涂層主要包含氮化鈦鋁。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，在模塑表面和表面涂層之間提供有包含無(wú)定形氧化鋁的擴(kuò)散阻擋層。
28.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述玻璃制品是玻璃片，所述表面涂層的RMS表面粗糙度不超過(guò)25納米。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述玻璃片基本不含光學(xué)缺陷，所述成形步驟包括在玻璃粘度為IOltl-1O7 5泊范圍內(nèi)的條件下對(duì)玻璃進(jìn)料和模具一起進(jìn)行壓制。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述成形步驟在高于750°C的玻璃成形溫度下進(jìn)行。
全文摘要
耐火玻璃成形工具，其包括結(jié)合有保護(hù)性金屬氮化物表面涂層(14)的玻璃成形模具(10)，在模具體和涂層之間設(shè)置有任選的氧化鋁阻擋層(12)用于提供高溫氮化物涂層穩(wěn)定性，對(duì)于從耐火堿金屬鋁硅酸鹽玻璃以高達(dá)并高于800℃的模塑溫度通過(guò)直接模塑制造光學(xué)成品玻璃產(chǎn)品例如信息顯示器玻璃蓋片提供特別的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C03B11/08GK103068751SQ201180040562
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月24日
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