无机组成物产品以及结晶化玻璃的制作方法

1.本发明涉及一种表面硬的无机组成物产品以及结晶化玻璃。


背景技术：

2.各种的无机材料，被期待用作保护智能型手机或桌上型pc等便携电子设备的显示器的覆盖玻璃或框体，或是用作保护车载用光学设备的透镜的防护件、内装用表框(bezel)或主控面板、触控面板原材料、智能锁等。此外，这些设备，有在比硬盘用基板所需的更严酷的环境中使用的需求，并且对于具有更高硬度的无机材料的需求高涨。
3.作为提高玻璃强度的产品，有结晶化玻璃。结晶化玻璃，在玻璃内部析出结晶，已知与非晶质玻璃相比有更优异的机械强度。
4.另一方面，作为提高玻璃强度的方法，已知有化学强化。使得存在于玻璃表面层的碱性成分与离子半径比该碱性成分更大的碱性成分进行交换反应，而在表面形成压缩应力层，由此可抑制龟裂的发展并提高机械强度。为此，必须获得足够高的压缩应力值。
5.专利文献1中公开了一种能够化学强化的信息记录介质用无机组成物产品。专利文献1中公开的α-方英石系无机组成物产品能够化学强化，可作为高强度的材料基板来利用。但是，对于以硬盘用基板为代表的信息记录介质用结晶化玻璃，并未设想到使用于严酷环境中，尚未探讨伴随着化学强化的表面压缩应力值。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本特开2008-254984


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种表面硬度高的无机组成物产品以及结晶化玻璃。
10.本发明提供以下内容。
11.(方式1)
12.一种无机组成物产品，含有选自α-方英石以及α-方英石固溶体中的一种以上作为主结晶相，
13.以氧化物换算的质量％计：
14.sio2成分的含量为50.0％至75.0％，
15.li2o成分的含量为3.0％至10.0％，
16.al2o3成分的含量为5.0％以上至小于15.0％，
17.al2o3成分与zro2成分的合计含量为10.0％以上，
18.表面的压缩应力值为600mpa以上。
19.(方式2)
20.如方式1所述的无机组成物产品，
21.以氧化物换算的质量％计：
22.zro2成分的含量为大于0％至10.0％以下，
23.k2o成分的含量为0％至10.0％，
24.p2o5成分的含量为0％至10.0％。
25.(方式3)
26.如方式1或方式2所述的无机组成物产品，
27.以氧化物换算的质量％计：
28.na2o成分的含量为0％至10.0％，
29.mgo成分的含量为0％至10.0％，
30.cao成分的含量为0％至10.0％，
31.sro成分的含量为0％至10.0％，
32.bao成分的含量为0％至10.0％，
33.zno成分的含量为0％至10.0％，
34.sb2o3成分的含量为0％至3.0％。
35.(方式4)
36.如方式1至方式3中任一项所述的无机组成物产品，以氧化物换算的质量％计：nb2o5成分的含量为0％至10.0％，
37.ta2o5成分的含量为0％至10.0％，
38.tio2成分的含量为0％以上至小于7.0％。
39.(方式5)
40.一种结晶化玻璃，含有选自α-方英石以及α-方英石固溶体中的一种以上作为主结晶相，以氧化物换算的质量％计：
41.sio2成分的含量为50.0％至75.0％，
42.li2o成分的含量为3.0％至10.0％，
43.al2o3成分的含量为5.0％以上至小于15.0％，
44.zro2成分的含量为大于0％至10.0％以下，
45.al2o3成分与zro2成分的合计含量为10.0％以上。
46.(方式6)
47.如方式5所述的结晶化玻璃，
48.以氧化物换算的质量％计：
49.k2o成分的含量为0％至5.0％，
50.p2o5成分的含量为0％至10.0％。
51.(方式7)
52.如方式5或方式6所述的结晶化玻璃，
53.以氧化物换算的质量％计：
54.na2o成分的含量为0％至4.0％，
55.mgo成分的含量为0％至4.0％，
56.cao成分的含量为0％至4.0％，
57.sro成分的含量为0％至4.0％，
58.bao成分的含量为0％至5.0％，
59.zno成分的含量为0％至10.0％，
60.sb2o3成分的含量为0％至3.0％。
61.(方式8)
62.如方式5至方式7中任一项所述的结晶化玻璃，
63.以氧化物换算的质量％计：
64.nb2o5成分的含量为0％至5.0％，
65.ta2o5成分的含量为0％至6.0％，
66.tio2成分的含量为0％以上至小于1.0％。
67.依据本发明，可提供一种表面硬度高的无机组成物产品以及结晶化玻璃。
68.本发明的无机组成物产品以及结晶化玻璃，可活用作为具有高强度的无机材料使用于设备的保护部件等。可用作智能型手机的覆盖玻璃或框体、桌上型pc或可穿戴式终端等便携电子设备的部件，或是用作在车辆或飞机等输送机体所使用的保护防护件或抬头显示器用基板等部件。此外，能够使用于其他电子设备或机械器具类、建筑部件、太阳能面板用部件、投影机用部件、眼镜或时钟用覆盖玻璃(防风)等。
具体实施方式
69.以下，对本发明的无机组成物产品的实施方式以及实施例进行详细说明，但本发明完全不受限于以下的实施方式以及实施例，在本发明的目的范围内，可做适宜变更来实施。
70.本发明的无机组成物产品，含有选自α-方英石以及α-方英石固溶体中的一种以上作为主结晶相，
71.以氧化物换算的质量％计：
72.sio2成分的含量为50.0％至75.0％，
73.li2o成分的含量为3.0％至10.0％，
74.al2o3成分的含量为5.0％以上至小于15.0％，
75.al2o3成分与zro2成分的合计含量为10.0％以上，
76.表面的压缩应力值为600mpa以上。
77.通过具有该主结晶相、组成以及压缩应力值，能够得到硬的无机组成物产品。
78.本发明中所谓“无机组成物产品”是由玻璃、结晶化玻璃、陶瓷、或它们的复合材料等无机组成物材料构成。本发明的产品，例如是将这些无机材料予以加工或以基于化学反应的合成等成形为所需形状的产品。此外，也包括将无机材料经粉碎后加压而得到的压粉体或压粉体经烧结所得的烧结体等。本文所得到的产品的形状，平滑度、曲率、大小等不受限定。例如，可为板状的基板，可为具有曲率的成型体，可为具有复杂形状的立体构造体等。
79.本发明的结晶化玻璃，含有选自α-方英石以及α-方英石固溶体中的一种以上作为主结晶相，
80.以氧化物换算的质量％计，
81.sio2成分的含量为50.0％至75.0％，
82.li2o成分的含量为3.0％至10.0％，
83.al2o3成分的含量为5.0％以上至小于15.0％，
84.zro2成分的含量为超过0％至10.0％以下，
85.al2o3成分与zro2成分的合计含量为10.0％以上。
86.通过具有该主结晶相以及组成，可得到硬且表面具有高的压缩应力值的结晶化玻璃。
87.结晶化玻璃也称为玻璃陶瓷，是对玻璃进行热处理而在玻璃内部析出结晶的材料。结晶化玻璃为具有结晶相与玻璃相的材料，与非晶质固体不同。通常，结晶化玻璃的结晶相，是使用x射线衍射分析的x射线衍射图形中所出现的波峰的角度来判定。
88.以下，对本发明的无机组成物产品以及结晶化玻璃(以下也简称为无机组成物产品)进行说明。无机组成物产品优选为经强化的结晶化玻璃。
89.无机组成物产品，含有选自α-方英石以及α-方英石固溶体中的一种以上作为主结晶相。析出这些结晶相的无机组成物产品，具有高的机械强度。
90.本说明书中所说的“主结晶相”，是指根据x射线衍射图形的波峰所判定的在无机组成物产品中含有最多的结晶相。
91.本说明书中各成分的含量，只要无特别否定，全部以氧化物换算的质量％来表示。此处，所谓“氧化物换算”是在假设无机组成物产品的组成成分全部分解变化成为氧化物的情况下，以该氧化物的总质量为100质量％时，以质量％表示无机组成物产品中所含有的各成分的氧化物的量。本说明书中，a％至b％表示a％以上至b％以下。
92.sio2成分，是构成选自α-方英石以及α-方英石固溶体的一种以上所需的必要成分。优选地，上限为75.0％以下、小于74.0％、小于73.7％、小于72.5％、或是小于72.0％。此外优选地，下限为50.0％以上、55.0％以上、58.0％以上、60.0％以上、62.0％以上、或是64.0％以上。
93.li2o成分，是提升原无机组成物的熔融性的重要成分，但是若li2o成分的量小于3.0％则无法得到上述效果，原玻璃的熔融变得困难，此外，若超过10.0％则会增加二硅酸锂结晶的生成。
94.优选地，下限为3.0％以上、3.5％以上、4.0％以上、4.5％以上、5.0％以上、或是5.5％以上。此外优选地，上限为10.0％以下、9.0％以下、8.5％以下、或是8.0％以下。
95.al2o3成分，是提高无机组成物产品的机械强度的适切成分。优选地，上限为小于15.0％、14.5％以下、14.0％以下、13.5％以下、或是13.0％以下。此外优选地，下限为5.0％以上、5.5％以上、5.8％以上、6.0％以上、或是6.5％以上。
96.zro2成分，是用以提高机械强度而添加的任意成分。优选地，上限为10.0％以下、9.5％以下、9.0％以下、8.8％以下、或是8.5％以下。此外优选地，下限为大于0％、0.1％以上、1.0％以上、1.5％以上、1.8％以上、或是2.0％以上。
97.若al2o3成分与zro2成分的含量和、即[al2o3+zro2]多，则进行化学强化、热处理强化、离子注入强化时，表面的压缩应力会变大。优选地，[al2o3+zro2]的下限为10.0％以上、10.5％以上、11.0％以上、12.0％以上、13.0％以上或是大于13.5％。
[0098]
另一方面，[al2o3+zro2]的上限，优选为22.0％以下、21.0％以下、20.0％以下、或是19.0％以下。
[0099]
sio2成分、li2o成分、al2o3成分以及zro2成分的合计含量的下限，能够设为75.0％以上、80.0％以上、83.0％以上、或是85.0％以上。
[0100]
p2o5成分，是能够添加用以发挥无机组成物的结晶成核剂的作用的任意成分。优选地，上限为10.0％以下、9.0.％以下、8.0％以下、或是7.5％以下。此外优选地，下限为0％以上、0.5％以上、1.0％以上、或是1.5％以上。
[0101]
k2o成分，是能够添加用以提高表面压缩应力的任意成分。优选地，下限为0％以上、0.1％以上、0.3％以上、0.5％以上、或是0.8％以上。
[0102]
此外若过剩含有则有时结晶变得难以析出。是以，优选地，上限为10.0％以下、6.0％以下、5.0％以下、4.0％以下、3.5％、或是3.0％以下。
[0103]
na2o成分，是能够添加用以提高表面压缩应力的任意成分。若过剩含有则有时难以得到所需的结晶相。优选地，上限为10.0％以下、5.0％以下、4.0％以下、3.0％以下、或是2.5％以下。
[0104]
mgo、cao、sro、bao、zno成分为任意成分，用以提升无机组成物的熔融性，但若过剩含有，则所得的结晶容易粗大化。因此mgo成分，优选地上限为10.0％以下、7.0％以下、5.0％以下、4.0％以下、3.0％以下、或是2.5％以下。cao成分，优选地上限为10.0％以下、7.0％以下、5.0％以下、4.0％以下、3.0％以下、或是2.0％以下。sro成分，优选地上限为10.0％以下、7.0％以下、4.0％以下、3.0％以下、2.5％以下、或是2.3％以下。bao成分，优选地上限为10.0％以下、8.0％以下、7.0％以下、6.0％以下、5.0％以下、或是4.0％以下。zno成分，优选地上限为10.0％以下、9.0％以下、8.8％以下、8.5％以下、8.0％以下、或是7.5％以下。
[0105]
sro、bao成分的合计量优选小于12.0％。更优选地，上限为小于10.0％、小于8.0％、小于6.0％、或是4.5％以下。
[0106]
无机组成物产品，在不损及本发明的效果的范围内，也可分别含有nb2o5成分、ta2o5成分、tio2成分，或也可不含这些成分。nb2o5成分，优选地上限为10.0％以下、6.0％以下、5.0％、或是3.0％。ta2o5成分，优选地上限为10.0％以下、8.0％、6.0％、或是4.0％以下。tio2成分，优选地上限为小于7.0％、5.0％以下、3.0％以下、2.0％以下、小于1.0％、0.5％以下、或是0.1％以下。
[0107]
此外无机组成物产品，在不损及本发明的效果的范围内，也可分别含有b2o3成分、la2o3成分、y2o3成分、wo3成分、teo2成分、bi2o3成分，也可不含这些成分。调配量可分别为0％至2.0％、0％以上至小于2.0％、或是0％至1.0％。
[0108]
进一步，无机组成物产品，在不损及本发明的无机组成物产品的特性的范围内，可含有上述以外的其他成分，也可不含这些成分。例如有gd、yb、lu、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、ag以及mo等金属成分(包含它们的金属氧化物)等。
[0109]
也可含有sb2o3成分作为玻璃的清澄剂。优选地，上限为3.0％以下，更优选为1.0％以下、还更优选为0.6％以下。
[0110]
此外，作为玻璃的清澄剂，除了sb2o3成分以外，也可含有选自sno2成分、ceo2成分、as2o3成分、以及f、nox、sox的群中的一种或是两种以上，也可不含这些成分。其中，清澄剂的含量，优选地上限为3.0％以下，更优选为1.0％以下，最优选为0.6％以下。
[0111]
另一方面，pb、th、tl、os、be、cl以及se的各成分，由于近年来成为有害化学物质倾向于减少使用，故优选实质不含这些成分。
[0112]
本发明的无机组成物产品，在表面形成有压缩应力值cs(mpa)为600mpa以上的压
缩应力层。此外，本发明的结晶化玻璃可在表面形成压缩应力层。压缩应力层的压缩应力值优选为600mpa以上、更优选为650mpa以上、还更优选为680mpa以上、特别优选为700mpa以上。上限例如为1400mpa以下、1300mpa以下、1200mpa以下、或是1100mpa以下。通过具有这样的压缩应力值，可抑制龟裂的发展，提高机械强度。
[0113]
压缩应力层的厚度dolzero(μm)，由于也依赖于无机组成物产品的厚度，故无限定，例如在厚度10mm的结晶化玻璃基板的情况，压缩应力层的厚度的下限，能够为1μm以上、30μm以上、50μm以上、70μm以上、100μm以上、130μm以上、150μm以上、180μm以上、或是200μm以上。
[0114]
例如无机组成物产品为结晶化玻璃基板时，此产品能通过以下方法来制作。即，以上述各成分成为规定的含量范围内的方式将原料均匀混合，经熔解成型来制造原玻璃。其次，使得该原玻璃进行结晶化，制作结晶化玻璃。
[0115]
为了使结晶析出的热处理，能以1阶段或是2阶段的温度来进行热处理。
[0116]
2阶段热处理中，首先以第1温度来热处理而进行成核步骤，在该成核步骤后，以温度高于成核步骤的第2温度来热处理以进行结晶生长步骤。
[0117]
2阶段热处理的第1温度优选为450℃至750℃，更优选为500℃至720℃，进一步优选为550℃至680℃。第1温度下的保持时间优选为30分钟至2000分钟，更优选为180分钟至1440分钟。
[0118]
2阶段热处理的第2温度优选为600℃至800℃，更优选为650℃至750℃。第2温度下的保持时间优选为30分钟至600分钟，更优选为60分钟至400分钟。
[0119]
1阶段热处理中，以1阶段的温度来连续地进行成核步骤与结晶生长步骤。通常，升温直到规定的热处理温度，在到达该热处理温度后保持该温度达一定时间，之后再降温。
[0120]
在以1阶段温度进行热处理的情况，热处理的温度优选为600℃至800℃，更优选为630℃至770℃。此外，热处理温度下的保持时间优选为30分钟至500分钟，更优选为60分钟至400分钟。
[0121]
结晶化玻璃可利用例如磨削以及研磨加工的手段等来制作玻璃成型体。可通过将玻璃成型体加工成为薄板状来制作结晶化玻璃基板。
[0122]
作为无机组成物产品的压缩应力层的形成方法、以及无压缩应力层的结晶玻璃中的压缩应力层的形成方法有：例如将存在于结晶化玻璃基板的表面层的碱性成分，与离子半径比该碱性成分更大的碱性成分进行交换反应，而在表面层形成压缩应力层的化学强化法。此外，还有加热结晶化玻璃基板的后骤冷的热强化法、对结晶化玻璃基板的表面层注入离子的离子注入法。
[0123]
化学强化法，例如能通过以下的步骤来实施。让结晶化玻璃母材接触或是浸渍于含有钾或是钠的盐，例如接触或是浸渍于硝酸钾(kno3)、硝酸钠(nano3)或是其混合盐、复合盐的熔融盐。接触或是浸渍于此熔融盐的处理(化学强化处理)能以1阶段或是2阶段进行处理。
[0124]
例如若为2阶段化学强化处理的情况，首先第1段在加热至350℃至550℃的钠盐或是钾与钠的混合盐中接触或是浸渍1分钟至1440分钟，优选为90分钟至500分钟。接着第2段在加热至350℃至550℃的钾盐或是钾与钠的混合盐中接触或是浸渍1分钟至1440分钟，优选为60分钟至600分钟。
[0125]
在1阶段化学强化处理的情况下，在加热至350℃至550℃的含有钾或是钠的盐、或是其混合盐中接触或是浸渍1分钟至1440分钟。
[0126]
无机组成物产品的化学强化能以1阶段或多阶段来处理，但是为了高效率地提高表面压缩应力、加大压缩应力层的厚度，优选进行两阶段强化处理，即在第1段利用钠的熔融盐进行强化之后，在第2段利用钾的熔融盐进行强化。
[0127]
关于热强化法，并无特别限定，例如可将无机组成物产品母材加热至300℃至600℃之后，实施水冷和/或空冷等急速冷却，通过玻璃基板的表面与内部的温差，能够形成压缩应力层。此外，通过组合热强化法与上述化学处理法，可更有效地形成压缩应力层。
[0128]
关于离子注入法，并无特别限定，例如对于无机组成物产品母材表面，使得任意的离子以不致破坏母材表面的程度的加速能量、加速电压冲撞母材表面而注入离子。之后，根据需要进行热处理，由此可和其他方法同样地在表面形成压缩应力层。
[0129]
实施例
[0130]
实施例1至实施例28、比较例1与比较例2
[0131]
作为结晶化玻璃的各成分的原料，分别选择相对应的氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐、氟化物、氯化物、偏磷酸化合物等原料，以成为表1至表3中记载的组成的方式称量这些原料并均匀混合。
[0132]
其次，将混合后的原料投入铂坩埚中，配合玻璃组成的熔融难易度使用电炉在1300℃至1600℃熔融2小时至24小时。之后，将熔融后的玻璃加以搅拌并均质化，然后将温度下降到1000℃至1450℃再浇铸至模具中，缓冷来制作原玻璃。在实施例1至实施例24以及比较例1、比较例2中，是通过2阶段热处理使得所得到的原玻璃结晶化，制作结晶化玻璃。第1阶段是以表1至表3的“成核条件”所示的温度与时间来进行成核，第2阶段是以表1至表3的“结晶化条件”所示的温度与时间来进行结晶化。实施例25至实施例28，是通过1阶段热处理使得原玻璃结晶化，制作结晶化玻璃。以表3的“结晶化条件”所示的温度与时间，同时进行成核和结晶化。
[0133]
实施例1至实施例28以及比较例1、比较例2的结晶化玻璃的结晶相，根据使用x射线衍射分析装置(bruker公司制造，d8dsicover)的x射线衍射图形中所出现的波峰的角度进行判定。观察实施例1至实施例28以及比较例1、比较例2的结晶化玻璃的x射线衍射图形，能够看到全都在与α-方英石和/或α-方英石固溶体的波峰图案相对应的位置处出现了主波峰(强度最高的波峰面积大的波峰)，由此可判定全都析出了α-方英石以及α-方英石固溶体作为主结晶相。
[0134]
将所制作的结晶化玻璃进行切断以及磨光，进一步以厚度成为10mm的方式进行对面平行研磨，得到结晶化玻璃基板。其次，实施例1至实施例23、实施例25、实施例26中，使用结晶化玻璃基板作为母材进行2阶段强化而得到了化学强化结晶化玻璃基板。具体而言，以表1至表3所示温度与时间浸渍于nano3熔融盐(第1阶段)之后，以表1至表3所示温度与时间浸渍于kno3熔融盐(第2阶段)。实施例24、比较例1、比较例2所得的基板，以表3所示温度与时间浸渍于kno3熔融盐进行了1阶段强化。比较例1、比较例2的强化基板是对应于专利文献1中记载的实施例25以及实施例27的化学强化结晶化玻璃基板。实施例27、实施例28所得的基板，是以表3所示的温度与时间浸渍于nano3熔融盐进行了1阶段强化。
[0135]
对以上述方式所得的强化结晶化玻璃，测量了表面的压缩应力值(cs)。实施例1至
实施例26、比较例1、比较例2，是使用折原制作所制造的玻璃表面应力计fsm-6000le系列；实施例27、实施例28，是使用散射光光弹性应力计slp-1000进行了测量。如表1至表3所示，在fsm-6000le系列的情况下，测量机的光源根据强化深度而选择了波长为596nm或是365nm的光源进行测量。在slp-1000的情况下，使用波长为640nm的光源进行测量。
[0136]
成为cs测量条件的折射率的值，使用了表1至表3所示的值。在cs测量中使用的折射率，使用了在测量中所采用的光源的波长(640nm、596nm或是365nm)的折射率的值。此外，规定波长的折射率的值，是遵照jis b 7071-2：2018所规定的v区块(block)法而根据c线、d线、f线、g线的波长的折射率的测量值以二次近似式算出的。
[0137]
成为cs测量条件的光弹性常数的值，使用了表1至表3所示的值。在cs测量所使用的光弹性常数，使用了在测量中所采用光源的波长(640nm、596nm或是365nm)的光弹性常数的值。此外，波长640nm、596nm或是365nm的光弹性常数，是根据波长435.8nm、波长546.1nm、波长643.9nm的光弹性常数的测量值以二次近似式算出的。
[0138]
光弹性常数(β)的测量方法，进行对面研磨将试料形状做成直径25mm、厚度8mm的圆板状，朝规定方向施加压缩荷重，测量在玻璃中心所出现的光路差，以δ＝β
·d·
f的关系式求出。上述式中，光路差记为δ(nm)，玻璃的厚度记为d(cm)，应力记为f(mpa)。
[0139]
在压缩应力层的压缩应力为0mpa时的深度dolzero(μm)(也称为应力深度)的测量中，由于装置的感度随dolzero(μm)的深度而不同，故根据深度来选择测量装置。
[0140]
在实施例1至实施例23、实施例25至实施例28的深度测量中，使用散射光光弹性应力计slp-1000，在实施例24、比较例1、比较例2中，使用折原制作所制造的玻璃表面应力计fsm-6000le系列来进行了测量。测量光源的波长、试料的折射率以及光弹性常数，使用表中所示的值进行算出。其中，在dolzero(μm)超过500μm的情况，无法以上述测量机来进行测量，因而记载为“＞500”。
[0141]
结果如表1至表3所示。从表1至表3可知，本发明的无机组成物产品(结晶化玻璃)在表面具有cs高的压缩应力层，并且坚硬。
[0142]
【表1】
[0143][0144]
【表2】
[0145][0146]
【表3】
[0147][0148]
以上详述了几个本发明的实施方式和/或实施例，但发明所属技术领域具有通常知识的人员可轻易在不实质脱离本发明的新颖启示以及效果的前提下，对这些例示的实施方式和/或实施例追加诸多变更。从而，这些诸多变更也包含在本发明的范围中。将本说明书中所述的文献内容悉数援引使用。