[发明专利]用于工具透镜生产的惰性高硬度材料

说明书

技术领域

本发明是针对一种用于玻璃模制过程的致密化的惰性材料，并且更具体地是一种碳化钨材料以及其制造方法。

背景技术

现代玻璃制造工艺的要求对用于玻璃制造模具的材料的性能加注了更大的要求。例如，玻璃品质的要求更高，加工的温度更高，希望更严密的尺寸公差控制，期望更长的使用寿命，并且高的生产率已经成为一种经济上的必要性。所有这些要求已经将模具材料的特性和性能的要求推向日益更高的水平。这在精密玻璃制造行业中是更普遍的，因为消费电子设备（例如拍照手机和数码相机）和工业光学设备中的透镜市场的增长已经将透镜生产从传统的金刚石车削操作转向高体积、低成本的模制操作。

除了改进模制材料的品质（这进而改进了模制的玻璃的品质）之外，提高模具的寿命也是所希望的。影响品质和模具寿命这两者的因素的例子是模具材料的化学惰性连同可机加工性。特别是，精密玻璃透镜的生产者报告了在模制操作过程中热模具材料与熔融玻璃的化学相互作用，这是模具失效的主要原因之一。模具中污染的这个问题不仅降低了模具的寿命而且还减小了正在生产的玻璃或透镜的光学品质。

行业内对于着手解决模具寿命、制造成本连同模制的玻璃的品质的问题已经考虑了不同的解决方案。一个解决方案包括使用高化学纯度的碳化硅材料。尽管碳化硅的化学惰性和高硬度使得它是一种对于精密玻璃模而言具有意义的材料，但是碳化硅的脆性性质可能存在着处理和精加工的顾虑。此外，碳化硅通常是一种昂贵的材料方案并且因此不是实际的。

另一个替代方案可以是使用陶瓷。陶瓷材料（例如氮化硅）的相对惰性和高硬度对于例如玻璃模制的应用是有益的。然而，最终的研磨和抛光由于获得所要求的表面光洁度而没有碎屑和/或破坏所要求的参数会是费时的并且昂贵的。更重要的是，陶瓷材料中的热膨胀系数显著地低于正在模制的玻璃的热膨胀系数并且引入了模具设计的挑战。

无粘合剂碳化钨是另一个选择。无粘合剂碳化钨作为用于精密玻璃模制应用的一个良好的配合已经在业界进行了讨论，这是由于碳化钨的高硬度以及匹配的热膨胀系数。应理解的是，然而，在不存在粘合剂材料时实现完全的致密化提出了显著的制造挑战，导致了这种类型的材料具有孔隙性和其他缺点，这些缺点进而使其不适合于精加工以及随后模具工具加工的使用。

在致力于孔隙性和致密化的碳化物模具材料方面已经获得了进步。然而，在对碳化物模具材料的最终抛光过程中显示的微结构缺陷或不合格仍然存在并且以减少的工具加工产量的形式增加了制造过程的成本以及与返工有关的费用。模具中的非球面形状的机加工使得模具较昂贵，特别是因为总体上所要求的是非常硬的并且耐久的模具材料。在许多情况下，微结构的缺陷是由模具材料中小的、局部的组成变化而引起的。这样的组成波动可能引起低于化学计量的碳化物相和/或杂质相，从而导致缺陷的形成。

为成功解决精密玻璃模具的功能要求并减轻来自潜在微结构缺陷的工具加工产量损失，需要展现出高硬度、化学惰性和对局部组成变化减小的敏感性的材料。

发明内容

在一个方面，在此描述了碳化钨材料体系，这些体系在一些实施例中可以提供多种所希望的特征，包括化学惰性、高硬度、对局部组成波动的减小的敏感性和/或增强的机加工特性。在一些实施例中，在此描述的碳化钨材料包含5.85wt.%-6.13wt.%的碳、0.85wt.%-1.05wt.%的铬、少于0.3wt.%的粘合剂、少于0.3wt.%的杂质、以及余量的钨。在一些实施例中，在此描述的碳化钨材料具有小于0.5微米的标称晶粒大小。例如，在一个实施例中，碳化钨材料具有0.25至0.4μm的标称晶粒大小。进一步在一些实施例中，该粘合剂是钴，其量的范围是从0.15wt.%至0.25wt.%。

在一些实施例中，在此描述的碳化钨材料主要由碳化一钨（WC）组成。例如，在一个实施例中，在此描述的碳化钨材料不含或基本上不含碳化二钨（W₂C）。另外，该碳化钨材料可以具有为理论密度的至少98%的密度以及小于2%的空隙体积。