一种超高硬度非球面玻璃透镜模具材料及其制备方法与流程

本发明属于非球面光学玻璃精密模压成形领域，具体涉及一种超高硬度非球面玻璃透镜模具材料及其制备方法。

背景技术：

随着高端制造技术的快速发展，精密光学玻璃(主要是指非球面玻璃透镜)在卫星监控系统、激光辐射、显微系统、光纤通信、红外夜视成像等民用、国防领域的应用越来越广泛。随着玻璃透镜向微体积、高精度、高成像质量的不断发展，精密模压成形技术成为非球面透镜玻璃发展应用的关键环节。该技术对模具材料的红硬性、耐磨性、热导性能、热膨胀系数和化学稳定性提出了极高要求。

玻璃精密模压成形技术是将光学玻璃加热到转变温度tg以上合适温度，通过移动上下模具，将模仁的形状复制到玻璃预制件上的玻璃透镜制造技术。本质上，透镜的精度很大程度是由模具决定的。模具制造成为精密模压成形技术发展的瓶颈，其材料需要具备以下特性：a、在高温下保持高硬度和强度，热膨胀系数尽量小，化学稳定性好；b、材料致密性高，无内部缺陷，加工后表面粗糙度达到10nm以下；c、与玻璃材料不发生粘结现象。现阶段应用的玻璃模压设备中，模具一般是由超硬材料、陶瓷材料以及模体镀膜来制造的。

wc基复合陶瓷材料(无粘结剂碳化钨材料)是指不含或含有很少金属粘结剂(质量分数<0.5％)的wc合金。相比传统硬质合金，wc基复合陶瓷材料具有更优异的高硬度、耐高温性、耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性，在精密模压成形过程中承受200～2000n的压力、400～1400℃的使用温度时，其强度和韧性同样满足要求，是精密模压成形可靠的模仁材料。

目前，国内的高精密光学玻璃精密模压成形模仁主要通过模具材料进口-加工或直接成品进口，其模仁hv10硬度超过2650，国内自研的碳化钨模具材料hv10硬度低于2600。中国专利cn109692955a公开了一种适用于纯碳化钨硬质合金制备方法及纯碳化钨硬质合金，其维氏硬度为2600-2700hv，弯曲强度为1400-1500mpa，压缩强度为7000-8000mpa，而碳化钨材料的致密度为99％，材料内部依然存在较多孔隙，使其加工后表面粗糙度达不到模仁性能要求。为实现碳化钨材料硬度hv10达到2650，同时孔隙率达到a02b00c00，进一步优化碳化钨材料的成分和制备工艺具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，为了进一步改善碳化钨材料性能，本发明提供一种超高硬度非球面玻璃透镜模具材料及其制备方法。

本发明采用以下技术方案：

一种超高硬度非球面玻璃透镜模具材料，其特征在于，所述模具材料包括如下重量百分含量的配料：0.1％-0.5％的co、0.5％-5％的tac、0.45％-0.75％cr3c2、0.3％-0.5％vc、余量为wc。

根据上述的模具材料，其特征在于，wc粉经过分级处理，wc粉的费氏粒度为0.1μm-0.2μm，co粉的费氏粒度为0.6μm-0.9μm，tac粉的费氏粒度为0.4μm-0.6μm；

根据上述的模具材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将配料co、tac、wc混合均匀后置于滚动球磨罐，球磨介质为无水乙醇:去离子水＝(10-15):1，球磨介质与配料的液固比为350ml/kg-450ml/kg，球料比为(5-8):1，球磨时间为96h-120h，获得球磨料；

(2)将所述球磨料在真空搅拌干燥机中进行干燥，干燥温度为80℃-90℃，经过筛分-掺蜡-筛分制得混合料，筛分在氮气或氩气保护下进行，掺入石蜡含量为配料的0-1.5wt％；

(3)将所述混合料采用模压或冷等静压成形制备成形坯，模压压力为5t-20t，冷等静压压力为100mpa-150mpa，成形坯尺寸为φ(5-30)mm×(5-15)mm；

(4)将所述成形坯在氢气气氛保护下进行热脱脂脱除粘结剂，脱脂温度为550℃-650℃，保温时间为30min-90min；随后进行预烧结，预烧结温度为850℃-950℃，保温时间为30min-60min，得到预烧结坯；

(5)将所述预烧结坯置于涂有氧化铝或氧化锆的石墨舟皿上进行真空烧结，烧结温度为1600℃～1650℃，保温时间为45min-60min，获得烧结坯；将所述烧结坯进行热等静压处理，热处理温度为1500℃-1600℃，保温时间为45min-60min，压力为150mpa-200mpa，得到所述模具材料。

根据上述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中将配料co、tac、wc预添加粘结剂后置于滚动球磨罐，粘结剂为配料的0-1.5wt％；粘结剂为石蜡、甲基纤维素、聚乙烯醇、丙三醇、聚乙二醇中的一种或几种。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明所制备的超高硬度非球面玻璃透镜模具材料，特别适用于光学玻璃透镜模仁，其wc平均晶粒度为0.13μm-0.25μm，孔隙率为a02b00c00，hv10为2650～2750，具有高温稳定性好、耐磨性高、耐热冲击性好的优点。

2.本发明提供的制备方法，采用超细分级碳化钨、超细钴粉和超细碳化钽粉末为原料，通过溶液预添加粘结剂改善粉末团聚、防止粉末氧化、提高混合料均匀性，实现增硬剂分布均匀和碳化钨晶粒细小；同时，采用预烧结-真空烧结-热等静压处理的优化工艺来实现碳化钨晶粒度控制和降低材料孔隙率。

3.本发明采取增硬剂成分优化、混合料均匀化与防氧化措施、晶粒长大机制控制等方法来降低碳化钨晶粒度和材料孔隙率，从而提高碳化钨材料的硬度和耐磨性，进一步改善光学玻璃模仁的力学性能和使用寿命。

4.本发明所制备的超高硬度非球面玻璃透镜模具材料，加工为非球面玻璃透镜模仁，表面光洁度高、玻璃透镜成形质量好、模压次数多、模仁表面耐磨性好，降低了非球面玻璃透镜精密模压成形的生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例1中超高硬度非球面玻璃透镜模具材料的扫描电镜(bse)显微结构；

图2为本发明实施例2中超高硬度非球面玻璃透镜模具材料的扫描电镜(bse)显微结构。

具体实施方式

本发明的一种超高硬度非球面玻璃透镜模具材料，模具材料包括如下重量百分含量的配料：0.1％-0.5％的co、0.5％-5％的tac、0.45％-0.75％cr3c2、0.30％-0.50％vc、余量为wc。wc粉经过分级处理，wc粉的费氏粒度为0.1μm-0.2μm，co粉的费氏粒度为0.6μm-0.9μm，tac粉的费氏粒度为0.4μm-0.6μm。

本发明的模具材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将配料co、tac、wc混合均匀后置于滚动球磨罐，球磨介质为无水乙醇:去离子水＝(10-15):1，球磨介质与配料的液固比为350ml/kg-450ml/kg，球料比为(5-8):1，球磨时间为96h-120h，获得球磨料；优选的，将配料co、tac、wc预添加粘结剂后置于滚动球磨罐，粘结剂为配料的0-1.5wt％；粘结剂为石蜡、甲基纤维素、聚乙烯醇、丙三醇、聚乙二醇中的一种或几种。(2)将球磨料在真空搅拌干燥机中进行干燥，干燥温度为80℃-90℃，经过筛分-掺蜡-筛分制得混合料，筛分在氮气或氩气保护下进行，掺入石蜡含量为配料的0-1.5wt％。(3)将混合料采用模压或冷等静压成形制备成形坯，模压压力为5t-20t，冷等静压压力为100mpa-150mpa，成形坯尺寸为φ(5-30)mm×(5-15)mm。(4)将成形坯在氢气气氛保护下进行热脱脂脱除粘结剂，脱脂温度为550℃-650℃，保温时间为30min-90min；随后进行预烧结，预烧结温度为850℃-950℃，保温时间为30min-60min，得到预烧结坯。(5)将预烧结坯置于涂有氧化铝或氧化锆的石墨舟皿上进行真空烧结，烧结温度为1600℃～1650℃，保温时间为45min-60min，获得烧结坯；将所述烧结坯进行热等静压处理，热处理温度为1500℃-1600℃，保温时间为45min-60min，压力为150mpa-200mpa，得到所述模具材料。

实施例1

将配料wc粉、tac粉、co粉与预添加的粘结剂加入滚动球磨罐中，配料为0.1wt％的co粉(费氏粒度为0.9μm)、5wt％的tac(费氏粒度为0.6μm)、0.45wt％cr3c2、0.3wt％vc、余量为wc(费氏粒度为0.2μm)；预添加的粘结剂包括：0.25wt％石蜡、0.25wt％聚乙二醇。球磨介质为无水酒精:去离子水＝15:1，液固比为450ml/kg，磨球为yg8圆球(φ6)球料比为8:1，球磨转速为60r/min，球磨96h，获得球磨料。将球磨料在真空搅拌干燥机中进行干燥，干燥温度为80℃，干燥后在氩气保护下进行过筛(-320目)，掺入蜡含量为配料的1.5wt％，过筛(-200目)，获得混合料。混合料经过模压成形，压制出φ10mm×10mm成形坯，模压压力为5t。成形坯在氢气气氛保护下进行热脱脂，热脱脂温度为600℃，保温时间为60min；继续升温进行预烧结，预烧结温度为850℃，保温时间为60min，获得预烧结坯。将预烧结坯置于涂有氧化铝的石墨舟皿上进行真空烧结获得烧结坯，烧结温度为1650℃，保温时间为45min；烧结坯进行热等静压处理，热处理温度为1500℃，保温时间为45min，压力为200mpa。

图1为实施例1制备的超高硬度非球面玻璃透镜模具材料的扫描电镜(bse)显微结构，其wc平均晶粒度为0.25μm，孔隙率为a02b00c00，hv10为2650。

实施例2

将配料wc粉、tac粉、co粉与预添加的粘结剂加入滚动球磨罐中，配料为0.5wt％的co粉(费氏粒度为0.6μm)、0.5wt％的tac(费氏粒度为0.4μm)、0.75wt％cr3c2、0.5wt％vc、余量为wc(费氏粒度为0.1μm)；预添加的粘结剂包括：0.5wt％甲基纤维素、0.25wt％丙三醇、0.25wt％聚乙烯醇。球磨介质为无水酒精:去离子水＝10:1，液固比为350ml/kg，磨球为yg8圆球(φ6)球料比为5:1，球磨转速为60r/min，球磨120h，获得球磨料。将球磨料在真空搅拌干燥机中进行干燥，干燥温度为90℃，干燥后在氩气保护下进行过筛(-200目)，获得混合料。混合料经过冷等静压成形，压制出φ30mm×15mm成形坯，压力为150mpa。成形坯在氢气气氛保护下进行热脱脂，热脱脂温度为950℃，保温时间为45min；继续升温进行预烧结，预烧结温度为950℃，保温时间为30min，获得预烧结坯。将预烧结坯置于涂有氧化铝的石墨舟皿上进行真空烧结获得烧结坯，烧结温度为1600℃，保温时间为60min；烧结坯进行热等静压处理，热处理温度为1600℃，保温时间为60min，压力为150mpa。

图2为实施例2制备的超高硬度非球面玻璃透镜模具材料的扫描电镜(bse)显微结构，其wc平均晶粒度为0.13μm，孔隙率为a02b00c00，hv10为2750。