專利名稱：：玻璃模造用的模仁的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種模仁(moldingcore)，特別是指一種玻璃模造用的模仁。
背景技術(shù)：
：一般而言，玻璃模造用的模仁，包含有一基材及一形成于該基材上的保護膜(protectivefilm)，該保護膜于遠離該基材的一側(cè)形成有一提供一玻璃素材成型用的塑形面。在模造過程中，該玻璃素材是被放置于該保護膜的塑形面上，并對該玻璃模造用的模仁施予一致使該玻璃素材熔融軟化的溫度，借由該塑形面以使玻璃素材在高溫模壓的條件下形成一具有與該塑形面形狀互補的光學(xué)功能面的光學(xué)玻璃元件。為了降低模仁的保護膜于高溫模造過程中所產(chǎn)生的表面粗化(roughen)及化學(xué)反應(yīng)，以使得所制得的光學(xué)玻璃元件于使用上可符合光學(xué)品質(zhì)的要求，因此，于高溫模造過程中用來與該玻璃素材相接觸的保護膜大致上可分為兩大系列，一種是由分模性(releaseefficiency)佳的類鉆碳(diamondlikecarbon；簡稱DLC)所制成的DLC膜，另一種是由具有高化穩(wěn)性(chemicalstability)的貴金屬(noblemetal)所制成的貴金屬膜。日本專利JP63-103836揭露一種光學(xué)玻璃元模造用的模具，包含一具有一表面粗糙度低(意即表面精度高)的成型面的碳化鎢基材，及一形成在該碳化鎢基材上厚度為2μm并含有銥、錸及碳(Ir-Re-C)的貴金屬膜。JP63-103836的光學(xué)玻璃元件模造用的模具，是使用研削(grinding)加工在一碳化鎢(WC)基材的上方施予精密研磨，借以形成該具有表面精度高且呈一非球面狀的成型面的碳化鎢基材，并于該成型面上形成該Ir-Re-C貴金屬膜，借由該含有碳的貴金屬膜以減少并抑制該貴金屬膜于高溫模造環(huán)境下所造成的晶粒成長等問題。然而，由于此種JP63-103836所揭露的模具是采用研削方式加工碳化鎢基材至所需的面精度，因此加工較困難且費時。傳統(tǒng)的模具的制造方式，是利用研削方式將超硬的碳化鎢基材加工成形至所需的形狀及精密度，并于研削后再鍍上保護膜。由于碳化鎢材質(zhì)硬度高，使用研削加工相當耗時。因此，日本專利JP06-144850利用非晶質(zhì)(amorphous)貴金屬保護膜具有優(yōu)于碳化鎢的切削性，并利用鉆石切削刀具對非晶質(zhì)貴金屬膜進行精密切削加工(singlepointdiamondturning)，可在較短的時間內(nèi)得到更好的加工精度。參閱圖1，日本專利JP06-144850揭露一種光學(xué)玻璃元件模造用的模具1及其制作方法。該光學(xué)玻璃元件模造用的模具1，包含一具有一與該光學(xué)玻璃元件形狀相反且表面粗糙度(roughness)高的加工面13的碳化鎢基材11，及一形成在該碳化鎢基材11上的非晶質(zhì)貴金屬膜12。該非晶質(zhì)貴金屬膜12于遠離該碳化鎢基材11的一側(cè)有一表面粗糙度低的成型面14。該光學(xué)玻璃元件模造用的模具1的制作方法，是于一碳化鎢基材的上方施予粗磨以形成該具有加工面13的碳化鎢基材11，并于該加工面13上形成一貴金屬膜后利用鉆石切削刀具加以精密切削，借以形成該具有成型面14的非晶質(zhì)貴金屬膜12。其中，該非晶質(zhì)貴金屬膜12所使用的貴金屬材料是鉑(Pt)、銠(Rh)、銥(Ir)、釕(Ru)、錸(Re)、鉭(Ta)或鋨(Os)等。然而，由于非晶質(zhì)的貴金屬材料容易借由高溫環(huán)境以構(gòu)成晶粒成長(graingrowth)的驅(qū)動力。因此，于高溫的模造環(huán)境下，該光學(xué)玻璃元件模造用的模具1的非晶質(zhì)貴金屬膜12容易產(chǎn)生晶粒成長，而致使最終所制得的光學(xué)玻璃元件的功能面無法符合光學(xué)品質(zhì)的要求。此外，于降溫過程中產(chǎn)生，該非晶質(zhì)貴金屬膜12亦容易伴隨晶粒成長及形成于其內(nèi)部的熱應(yīng)力(thermalstress)而產(chǎn)生裂痕(cracking)，致使最終所制得的光學(xué)玻璃元件的功能面形成有紋路及瑕疵。因此，該光學(xué)玻璃元件模造用的模具1只限于低于該非晶質(zhì)金屬膜12的結(jié)晶溫度的模造環(huán)境下使用，對于需要具有較高溫的軟化溫度環(huán)境的玻璃素材而言，則無法符合其使用要求。參閱圖2，日本專利JP06-183755揭露一種光學(xué)玻璃元件成型模具2，包含有一具有一與該光學(xué)玻璃元件形狀相反且表面粗糙度高的加工面23的基材21，及一形成在該基材21上的結(jié)晶態(tài)(crystaline)貴金屬膜22。該結(jié)晶態(tài)貴金屬膜22是將形成于該加工面23上的一非晶質(zhì)貴金屬膜施予精密切削并加工至所需的表面形狀及精度后，再對該非晶質(zhì)貴金屬膜實施熱處理所構(gòu)成，并借此于遠離該基材21的一側(cè)形成有一表面粗糙度較低的成型面24。日本專利JP06-183755與前述的專利前案(JP06-144850)不同處，只在于該非晶質(zhì)貴金屬膜12在精密切削后熱處理為該結(jié)晶態(tài)貴金屬膜22。已呈結(jié)晶態(tài)的貴金屬膜22雖然可改善于高溫模造過程中伴隨晶粒成長而來的表面粗糙化問題，但將已經(jīng)加工成精密形狀的非晶質(zhì)貴金屬再經(jīng)熱處理使其結(jié)晶化，易使高面精度的成型面24形成表面粗化。因此，模造前必須再先研磨拋光使得最終所制得的光學(xué)玻璃元件的功能面較可符合光學(xué)品質(zhì)的要求。然而，由于貴金屬膜在經(jīng)過高溫模造后已呈結(jié)晶態(tài)并構(gòu)成表面粗化，若利用只由單一鉆石塊材所構(gòu)成的鉆石切削刀具加以精密切削，則易使得鉆石塊材產(chǎn)生崩裂。因此，若玻璃模造用的模具欲被重復(fù)使用，則必須利用由砥石及形成于砥石表面的鉆石粒子所構(gòu)成的研削刀具加以研削，致使整層貴金屬鍍膜被移除。后續(xù)地，于該碳化鎢基材實施粗加工達一近似面精度后，重新地于該碳化鎢基材上形成一非晶質(zhì)貴金屬膜再進行精密切削加工。由前所述，JP06-144850及JP06-183755兩篇專利前案所揭露的模具返修(repair)相當耗時，且鉆石研削刀具中的砥石壽命短。此外，JP06-144850及JP06-183755兩篇專利前案中所使用的貴金屬是屬于化學(xué)磨耗性(chemicalwear)材料，其與鉆石刀具兩者之間在加工過程中極易與鉆石刀具中呈介穩(wěn)態(tài)(metastable)的碳(C)原子形成復(fù)合物(complex)。因此，于模仁的返修過程中致使鉆石工具的使用壽命快速地降低。由上所述，如何解決由貴金屬材料所制成的保護膜于高溫模造環(huán)境下伴隨著晶粒成長所帶來的表面粗化等問題，借以延長玻璃模造用的模仁的使用壽命，同時亦減少鉆石刀具于加工過程中的化學(xué)磨耗，使得返修的難度降低并縮短返修時間，是研究開發(fā)光學(xué)玻璃元的模具相關(guān)業(yè)者所需克服的一大難題。
發(fā)明內(nèi)容上述貴金屬膜的硬度較鉆石工具低，其構(gòu)成鉆石工具的磨耗毀損主要原因為化學(xué)磨耗。然而，構(gòu)成化學(xué)磨耗的原因，是與金屬原子于d層軌域中含未配對電子數(shù)目的多寡有關(guān)。由于鉑、銠、銥、釕、錸、鉭及鋨等貴金屬元素是屬于在d層軌域含未配對電子數(shù)的材料。因此，當模仁經(jīng)過高溫模造使用后產(chǎn)生表面粗化，需進一步地借由鉆石刀具進行返修時，形成于基材上的貴金屬材料本身中的d層軌域未配對電子，則非常容易與鉆石刀具中的碳原子形成復(fù)合物。值得一提的是，貴金屬膜對鉆石工具的化學(xué)磨耗機構(gòu)可分為兩階段，第一階段是借由d層軌域含未配對電子的貴金屬原子吸引碳以形成復(fù)合物，第二階段是此復(fù)合物中的碳原子后續(xù)所產(chǎn)生的四種可能性。(1)多個碳形成石墨(graphite)結(jié)構(gòu)、(2)碳擴散入金屬晶格(lattice)的間隙中、(3)碳與金屬原子形成化合物，及(4)碳返回鉆石工具中，其中，(1)至(3)會導(dǎo)致碳原子由鉆石結(jié)構(gòu)中流失因而構(gòu)成損耗，只有(4)不會導(dǎo)致化學(xué)磨耗。由前所述，本發(fā)明是借由使用于d層軌域無含未配對電子數(shù)的貴金屬元素鈀(Pd)，及在d層軌域含未配對電子數(shù)的貴金屬材料內(nèi)引入足夠的碳原子，導(dǎo)致所引入的碳原子存在于貴金屬的晶格中，并使得含未配對電子數(shù)的貴金屬原子與碳先形成復(fù)合物，進而抑止貴金屬再與鉆石工具的碳原子形成復(fù)合物并同時抑制晶粒成長。借此，減少本發(fā)明的貴金屬保護膜在研削或切削過程中對鉆石工具的化學(xué)磨耗性，使原本結(jié)晶貴金屬膜的可切削性提高。此外，當使用研削方式加工時，亦可減少鉆石砥石磨耗并達到較好的加工品質(zhì)。值得一提的是，碳在本發(fā)明的貴金屬保護膜內(nèi)的含量，是隨著該貴金屬保護膜的材料于d層軌域所含有的未配對電子數(shù)增加而增加。意即，當本發(fā)明的貴金屬保護膜的材質(zhì)主要是由鈀(Pd)所構(gòu)成時，形成于該貴金屬保護膜內(nèi)的含碳量較低；相對地，當該貴金屬保護膜的材質(zhì)主要是由d層軌域含未配電子數(shù)的材料所構(gòu)成時，形成于該貴金屬保護膜的含碳量則需增加。再者，本發(fā)明于制作貴金屬保護膜的過程中，對碳化鎢基材施加熱使含碳貴金屬保護膜形成結(jié)晶化(crystallization)，借以使得本發(fā)明的整體模仁經(jīng)過頻繁的高溫模造使用次數(shù)的后，伴隨晶粒成長所構(gòu)成的表面粗化及裂痕等問題可獲得改善。在本發(fā)明的基材上形成有該貴金屬保護膜前，亦可只對該基材提供一表面精度低且呈一非球面狀的成型面，并后續(xù)地形成一預(yù)定厚度的貴金屬保護膜，使該貴金屬保護膜可利用研削或切削方式新創(chuàng)成或返修達所要求的非球面形狀及粗糙度，其中，所鍍的厚度愈厚，可返修的次數(shù)愈多。因此，本發(fā)明的目的，在于提供一種玻璃模造用的模仁。于是，本發(fā)明玻璃模造用的模仁，包含一具有一近似的塑形面的基材，及一形成在該基材上并含有M1及碳的保護膜。該M1是一選自于下列所構(gòu)成的群組的貴金屬元素鈀(Pd)、金(Au)、銥(Ir)、釕(Ru)、錸(Re)、鉭(Ta)、鉑(Pt)、銠(Rh)、鋨(Os)及此等的一組合。該保護膜具有一遠離該基材并經(jīng)過精密削制而可用于模造的塑形面，且厚度是至少大于5μm。因此，本發(fā)明的玻璃模造用的模仁的重復(fù)使用率高、模造壽命長，且于返修過程中不易耗損鉆石切削刀具。再者，由于本發(fā)明的貴金屬保護膜的化學(xué)磨耗性低不易耗損鉆石工具，因此，本發(fā)明所使用的基材可只先行加工成一近似的成型面，并于完成后續(xù)鍍膜制程后，利用鉆石研削或切削刀具加以精密加工成適用于玻璃模造用的塑形面所要求的表面精度。參閱圖3，本發(fā)明玻璃模造用的模仁的一較佳實施例，包含一具有一近似的塑形面31的基材3，及一形成在該基材3上并含有M1及碳的保護膜5。該M1是一選自于下列所構(gòu)成的群組的貴金屬元素鈀(Pd)、金(Au)、銥(Ir)、釕(Ru)、錸(Re)、鉭(Ta)、鉑(Pt)、銠(Rh)、鋨(Os)及此等的一組合。該保護膜5具有一遠離該基材3并經(jīng)過精密削制而可用于模造的塑形面51，且厚度是至少大于5μm。較佳地，碳在該保護膜5的含量是介于10wt％至50wt％之間。在一具體實施例中，該M1是鈀、釕及鉭的一組合(意即，該保護膜5含有Pd-Ru-Ta-C)。在另一具體實施例中，該M1是銥及釕的一組合(意即，該保護膜5含有Ir-Ru-C)。在又一具體實施例中，該M1是銥及錸的一組合(意即，該保護膜5含有Ir-Re-C)。較佳地，該保護膜5的厚度是介于10μm至30μm之間。較佳地，本發(fā)明的玻璃模造用的模仁更包含有一夾置于該基材3及該保護膜5之間且含有M2的化合物的中間膜4。適用于本發(fā)明的該M2是一選自于下列所構(gòu)成的群組鈦(Ti)、鉻(Cr)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、鋁(Al)、硅(Si)及此等的一組合。適用于本發(fā)明的該含有M2的化合物是一選自于下列所構(gòu)成的群組含有M2的氮化物、含有M2的碳化物及含有M2的氧化物。較佳地，該M2是鈦。在一具體實施例中，該中間膜4是含有鈦的氮化物。較佳地，該中間膜4的厚度是介于20nm至200nm之間。適用于本發(fā)明的該基材3是由碳化鎢(WC)所制成，也可以是由含有氮化鈦(TiN)或碳化鈦(TiC)的陶金(cermets)所制成。在一具體實施例中，該基材3是由碳化鎢(WC)所制成。本發(fā)明的功效在于，提供一種具有重復(fù)使用率高、模造壽命長、且適合于鉆石研削或切削刀具返修等特點的玻璃模造用的模仁。下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細說明圖1是一側(cè)視示意圖，說明日本專利JP06-144850所揭露的光學(xué)玻璃元件模造用的模具。圖2是一側(cè)視示意圖，說明日本專利JP06-183755所揭露的光學(xué)玻璃元件成型模具。圖3是一側(cè)視示意圖，說明本發(fā)明玻璃模造用的模仁的一較佳實施例。具體實施例方式實施例一在本發(fā)明玻璃模造用的模仁的一具體實施例一中，該基材3是由WC所制成、該中間膜4是含有鈦的氮化物且厚度為100nm，該保護膜5是含有Pd-Ru-Ta-C且厚度為20μm的結(jié)晶化貴金屬層。在該具體實施例一中，Pdwt％∶Ruwt％∶Tawt％∶Cwt％約為83∶2∶5∶10。以下簡單地說明該具體實施例一的玻璃模造用的模仁的制作方法。首先，于一WC基材的上方形成一表面精度低且呈一非球面狀的塑形面，借以構(gòu)成該具有近似的塑形面31的基材3。進一步地，在一真空系統(tǒng)(vacuumsystem)中利用濺鍍(sputtering)法，于該塑形面31上形成該含有鈦的氮化物的中間膜4。接著，利用同一真空系統(tǒng)，于通有氣體流量比為1∶4的甲烷(CH4)及氬氣(Ar)且工作壓力(workingpressure)為15mTorr的反應(yīng)腔體中，對一由重量百分比為81∶4∶15的Pd-Ru-Ta所構(gòu)成的合金靶材(target)施予一預(yù)定的功率，以在該中間膜4上形成一含有Pd-Ru-Ta-C且厚度約為20μm的貴金屬層，同時，對承接有該基材3的試片承載座(holder)施以450℃的升溫處理，以使得該含有Pd-Ru-Ta-C的貴金屬層結(jié)晶化。最后，利用鉆石切削刀具對該含有Pd-Ru-Ta-C的結(jié)晶化貴金屬層施予一精密切削，以構(gòu)成該具有高表面精密度的塑形面51的保護膜5。由于該具體實施例一的保護膜5主要成份是在d軌域無含未配對電子數(shù)的Pd，因此只需借由低含量的碳原子與少量的Ru、Ta等含未配對電子數(shù)的金屬形成復(fù)合物，以在切削過程中降低鉆石切削刀具的碳原子與該保護膜5內(nèi)的貴金屬元素兩者間所產(chǎn)生化學(xué)磨耗，并于高溫模造環(huán)境下抑制晶粒成長。此外，借由該保護膜5具有足夠的厚度值，使得本發(fā)明玻璃模造用的模仁可利用精密研削或切削對該貴金屬膜施予加工，借以達到快速返修的目的。實施例二本發(fā)明玻璃模造用的模仁的一具體實施例二，大致上與該具體實施例一相同，其不同處在于該保護膜5是含有Ir-Ru-C的結(jié)晶化貴金屬層。在該具體實施例二中，Irwt％∶Ruwt％∶Cwt％約為33∶22∶45。該具體實施例二玻璃模造用的模仁的制作方法，大致上是與該具體實施例一相同。其不同處在于，該含有Ir-Ru-C的結(jié)晶化貴金屬層，是利用濺鍍法，于通有氣體流量比為5∶1的CH4及Ar且工作壓力為10mTorr的反應(yīng)腔體中，對一由重量百分比為62∶38的Ir-Ru所構(gòu)成的合金靶施予一預(yù)定的功率，以在該中間膜4上形成一含有Ir-Ru-C且厚度約為20μm的貴金屬層，同時，對承接有該基材3的試片承載座施以650℃的升溫處理，以使得該含有Ir-Ru-C的貴金屬層結(jié)晶化。實施例三在本發(fā)明發(fā)玻璃模造用的模仁的一具體實施例三，大致上與該具體實施例二相同，其不同處在于該保護膜5是含有Ir-Re-C的結(jié)晶化貴金屬層。在該具體實施例三中，Irwt％∶Rewt％∶Cwt％約為45∶5∶50。該具體實施例三玻璃模造用的模仁的制作方法，大致上是與該具體實施例二相同。其不同處在于，所使用的鈀材是由重量百分比為89∶11的Ir-Re所構(gòu)成的合金靶，且CH4及Ar的氣體流量比為6∶1。值得一提的是，由于該具體實施例二中的Ir與Ru均具有3個未配對電子，而該具體實施例三中的Re具有5個未配對電子，因此，該具體實施例三的C含量需高于該具體實施例二的C含量。經(jīng)由前面的說明，該具體實施例二及三的保護膜5是不含有Pd，因此需借由含量較高的碳原子與更多的含未配對電子數(shù)的金屬原子形成復(fù)合物，以在切削過程中降低鉆石切削刀具的碳原子與該保護膜5內(nèi)的貴金屬元素兩者間所產(chǎn)生化學(xué)磨耗，并于高溫模造環(huán)境下抑制晶粒成長。此外，前述三個具體實施例的保護膜5已于鍍膜過程中加入碳原子并結(jié)晶化，因此于高溫模造環(huán)境下，該保護膜5由晶粒成長所構(gòu)成的表面粗糙化及裂痕等問題減少。再者，由于前述三個具體實施例的該保護膜5的化學(xué)磨耗性低，因此在經(jīng)過頻繁的高溫模造使用次數(shù)后所形成的微量晶粒成長(即微量的表面粗糙化)，亦可借由鉆石切削刀具加以返修至符合模造要求的精度。因此，借該等具體實施例的保護膜5致使本發(fā)明玻璃模造用的模仁于高溫模造環(huán)境下不易產(chǎn)生晶粒成長等問題，以提高本發(fā)明玻璃模造用的模仁的模造壽命及所制得的光學(xué)玻璃元件的光學(xué)品質(zhì)。此外，借該等具體實施例的保護膜5的低化學(xué)磨耗性，以增加鉆石切削刀具于返修過程中的可切削性并提高本發(fā)明玻璃模造用的模仁的重復(fù)使用率。歸納上述，本發(fā)明玻璃模造用的模仁具有模造壽命長、高重復(fù)使用率，及利于鉆石研削或切削刀具進行返修等特點，所以確實能達到本發(fā)明的目的。權(quán)利要求1.一種玻璃模造用的模仁，其特征在于其包含一基材，具有一近似的塑形面；及一形成在該基材上并含有M1及碳的保護膜，該M1是一選自于下列所構(gòu)成的群組的貴金屬元素鈀、金、銥、釕、錸、鉭、鉑、銠、鋨及此等的一組合，該保護膜具有一遠離該基材并經(jīng)過精密削制而可用于模造的塑形面，且厚度是至少大于5μm。2.如權(quán)利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于碳在該保護膜的含量是介于10wt至50wt％之間。3.如權(quán)利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該M1是鈀、釕及鉭的一組合。4.如權(quán)利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該M1是銥及釕的一組合。5.如權(quán)利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該M1是銥及錸的一組合。6.如權(quán)利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該保護膜的厚度是介于10μm至30μm之間。7.如權(quán)利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于更包含有一夾置于該基材及該保護膜之間且含有M2的化合物的中間膜，該M2是一選自于下列所構(gòu)成的群組鈦、鉻、鈮、鋯、鋁、硅及此等的一組合；該含有M2的化合物是一選自于下列所構(gòu)成的群組含有M2的氮化物、含有M2的碳化物及含有M2的氧化物。8.如權(quán)利要求7所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該M2是鈦，該中間膜是含有鈦的氮化物。9.如權(quán)利要求7所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該中間膜的厚度是介于20nm至200nm之間。10.如權(quán)利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該基材是由碳化鎢所制成。全文摘要本發(fā)明公開了一種玻璃模造用的模仁，包含一基材，及一形成在該基材上并含有M文檔編號C03B11/00GK1772664SQ20041009090公開日2006年5月17日申請日期2004年11月10日優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日發(fā)明者白瑞芬申請人:亞洲光學(xué)股份有限公司