專利名稱：磁盤基片用的玻璃-陶瓷及其制法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有適用于作為磁盤基片材料的晶體結構和拋光后具有改進的表面特性的玻璃-陶瓷，及其制法。
在開發(fā)磁盤要求方面已取得迅猛進展，作為大規(guī)模計算機和個人電腦的外部設備方面的用途最近已明顯增加。對于磁盤基片一般需要的特征如下i)在磁盤的CSS(接觸起動和接觸停止)性能方面，該磁盤應具有一個不完全平滑表面，而應具有這樣一種表面，即其表面粗度(Ra)被控制在15A至50范圍內，以防止磁頭和磁盤間的靜摩擦造成磁頭和介質的損壞。
ii)由于改進了磁盤的記錄密度，磁頭提升量趨于減小到0.1μm至0.05μm的量級，磁盤表面必須是扁平而較平滑。
iii)磁盤基片的材料必須不包括各向異性晶體或其它缺陷，其結構必須是致密、均勻而精細。
iv)該材料必須具有足夠的機械強度和硬度，以經受得住高速旋轉以及與磁頭的接觸。
v)該材料原則上必須不含N2O成份，因為在薄片形成過程中Na2O成份會引起鈉離子的擴散，從而導致薄片性能的降低。
vi)該材料必須具有化學持久力，以抵抗不同化學品的漂洗和蝕刻。
鋁合金常常被用作為磁盤材料，然而，鋁合金基片由于材料中固有的缺陷，在進行拋光過程中，有使基片表面產生具凸起或斑點凸起和凹陷的傾向。因此，鋁合金基片沒有足夠的平滑度和表面粗糙度，而無法滿足近來由于信息量增長所需的高密度記錄的要求。
作為本領域中已知的一種克服鋁合金基片弊病的材料，磁盤用的玻璃基片由經化學回火處理的玻璃構成，但是該玻璃基片具有下列缺點(1)化學回火后進行拋光，而這樣該回火處理層對使磁盤基片變薄的過程有引起不穩(wěn)定性的傾向。
(2)為改進CSS特性，該基片必須受到物理或化學處理以形成所需結構。這就無法以具有競爭力的價格大規(guī)模地生產該產品。
(3)由于Na2O成份是包含在玻璃中的一種基本成份，玻璃的薄片形成特性就降低，使得表面涂層處理成為必須。近來為了克服結構處理中的弊端以改進CSS特性，在化學回火玻璃和晶態(tài)玻璃-陶瓷領域，已開始實行在拋光處理期間使玻璃表面變粗糙。然而這一技術對于實現(xiàn)以具有競爭力的價格大規(guī)模生產該產品還是不可行的。
除鋁合金基片和經化學回火處理的玻璃基片以外，本領域也已知玻璃-陶瓷可滿足部分上述之要求。例如，在日本專利申請公開No.昭60-229234中所述的SiO2-Al2O3-Li2O體系結晶玻璃-陶瓷，含有β-石英固體溶液或β-鋰輝石固體溶液，其顆粒粒徑的范圍為約0.1-1μm。另一個實例在日本專利申請公開No.昭60-72547中描述的SiO2-Li2O體系玻璃-陶瓷，含二硅酸鋰和(偏)硅酸鋰作為主晶相。二硅酸鋰相具有一種板狀晶體，其粒徑范圍為約0.3-約1.5μm，而(偏)硅酸鋰相則含有粒狀晶體，其顆粒粒徑范圍為約0.3-約0.5μm。U.S.P.No.3,231,456揭示出一種在SiO2-Li2O-P2O5-MgO體系中添加CuO和SnO組份而形成的玻璃-陶瓷，其中二硅酸鋰生長成為主晶相而α-石英可生長成為次晶相。然而，由于這些玻璃-陶瓷需要在850-1050℃溫度范圍下進行結晶熱處理，因此它們無法象本發(fā)明玻璃-陶瓷那樣生成一種由聚集微粒構成的球形顆粒結構，以作為α-石英晶粒結構，這將在后面敘述。另外，U.S.P.No.3,231,456中，以晶相和晶體結構進行了討論，以提供一種適用作為粘合材料的陶瓷材料。這些玻璃-陶瓷需要進行結構處理使玻璃-陶瓷表面在經拋光加工后變粗糙，以改進對于磁盤材料來說重要的CSS特性。
為克服這些問題，日本專利申請No.平成2-247821提出了一種含具有片狀或鏈狀硅酸鹽結構晶相的玻璃-陶瓷。這種具有針狀或棒狀結構的玻璃-陶瓷的各向異性晶體產生許多洞和孔，使得無法獲得足夠的表面粗糙度。另外，因為該玻璃-陶瓷的晶體中含有Na2O成份，在薄片形成過程中會出現(xiàn)鈉離子的擴散，而對薄片的特性產生不利的影響。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種磁盤基片用的玻璃-陶瓷，它可以消除現(xiàn)有技術產品的缺陷，并可通過控制產生的晶體之晶體結構和晶粒，在進行拋光后具有優(yōu)異的表面特性。本發(fā)明的另一個目的是提供一種生產該玻璃-陶瓷的方法。
為達到本發(fā)明的上述目的，由本發(fā)明的發(fā)明者進行的累積研究與實驗獲得了導致本發(fā)明的如下發(fā)現(xiàn)在SiO2-Li2O-P2O5體系中，通過對含MgO成份作為基本成份的基料玻璃在一特定溫度范圍內進行熱處理而得到的玻璃-陶瓷，具有作為晶相的α-石英(SiO2)，α-石英的聚集微粒(次生顆粒)呈現(xiàn)出一種球形顆粒結構，并通過對晶粒尺寸進行調控而控制表面特性，使該玻璃陶瓷經過拋光處理的表面具有優(yōu)異的表面特性。
能達到本發(fā)明上述目的的磁盤基片用玻璃-陶瓷，可通過對含下列組份(重量百分比)的基材玻璃進行熱處理而生成SiO265-83％Li2O 8-11％K2O 0-7％MgO＋ZnO＋PbO0.5-5.5％其中MgO0.5-5.5％ZnO 0-4％PbO 0-5％P2O51-4％Al2O30-7％As2O3＋Sb2O30-2％所說的玻璃-陶瓷含α-石英(SiO2)作為主晶相，而二硅酸鋰作為次晶相，以及一種由聚集微粒構成具有球形晶體結構的α-石英生長晶粒。
本發(fā)明玻璃-陶瓷的組成以基于基料玻璃中氧化物組成的形式表示。上述各種組份所選擇的含量范圍之理由敘述如下。
SiO2組份是一種重要的組份，通過熱處理基料玻璃，它可產生α-石英(SiO2)作為主晶相以及二硅酸鋰(Li2O·2SiO2)作為次晶相。該成份的量如果低于65％，玻璃-陶瓷中生成的晶體不穩(wěn)定，它的結構也趨于變得粗糙。若該組份的量超過83％，基料玻璃的熔化則變得困難了。
Li2O組份也是一種重要的組份，通過熱處理基材玻璃，它可產生二硅酸鋰(Li2O·2SiO2)作為次晶相。該組份的量如果低于8％，晶體的生長以及基料玻璃的熔化都變得困難。若該成份量大于11％，長成的玻璃-陶瓷晶體不穩(wěn)定并且它的結構趨向變得過于粗糙，另外，玻璃-陶瓷的化學耐久力和硬度都會降低。
K2O組份可改善基料玻璃的熔化性能，最多可含7％。
MgO是一重要成份，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)它可使作為主晶相的α-石英(SiO2)聚集微粒(次生顆粒)構成的球形晶粒，在整個玻璃中隨機地生長。該成份的量如果低于0.5％，上述效應則無法獲得，而該成份的量若大于5.5％，所需晶體的生長將變得困難。
也可以加入ZnO和PbO組份，因為它們與MgO的作用類似。若ZnO或PbO成份的量超過4％和5％，所需晶體的生長變得困難。
因為同樣的原因，MgO，ZnO和PbO成份的總量必須在0.5-5.5％的范圍內。
P2O5組份作為玻璃-陶瓷的成核劑是一種基本成份。如果該成分的量低于1％，所需的晶體無法產生，而若該成份擔超過4％，長成的玻璃-陶瓷晶體變得不穩(wěn)定和過于粗糙，另外抗失透性的穩(wěn)定性也將降低。
Al2O3組份是一種改善結晶玻璃-陶瓷化學耐久性的有效成份。該成分的量如果超過7％，基料玻璃的熔化性能將降低，結果作為主晶相的α-石英(α-SiO2)的晶體生長速度也將下降。
可加入As2O3和/或Sb2O3組份作為熔化基料玻璃的精煉劑。如果這些成份一種或兩種加入到玻璃的總量達到2％則已足夠。
除了上述成份，也可加入一種或多種少量的B2O3，CaO，SrO，BaO，TiO2和ZrO2成份，用量范圍以不使本發(fā)明的玻璃-陶瓷所需性能受到損害為宜。
為制造本發(fā)明磁盤基片用的玻璃-陶瓷，將具有上述組成的基料玻璃熔化和進行熱成形和/或冷成形處理后，在450-540℃溫度范圍下經熱處理以生成晶核，再在700-840℃溫度范圍下進行結晶熱處理。
如果成核溫度低于450℃，由于P2O5組份相分離所產生的成核作用不充分，而成核溫度超過540℃，獲得的晶體不穩(wěn)定并且趨于變得粗糙。
結晶溫度，與MgO成份產生的作用一起，在α-石英(α-SiO2)聚集微粒(次生顆粒)構成的球形顆粒尺寸調控方面起很大的作用。結晶溫度若低于700℃，α-石英晶體生長得不充分，結晶溫度若超過840℃，保持聚集微粒(次生顆粒)的球形晶粒結構則變得困難，無法獲得本發(fā)明的上述優(yōu)點。這樣熱處理后的玻璃-陶瓷接著進行研磨過程和最后拋光處理，最后拋光后的表面粗糙度(Ra)在15-50A范圍內。
實施例現(xiàn)在敘述本發(fā)明玻璃-陶瓷的優(yōu)選實施例。表1列出了按照本發(fā)明用作磁盤基片的玻璃-陶瓷之實施例(No.1到No.10)和現(xiàn)有技術SiO2-Li2O-Al2O3-P2O5體系與SiO2-Li2O-MgO-P2O5體系玻璃-陶瓷之對照實例，以及熱處理溫度與時間，生成的α-石英晶粒的直徑，主晶相和拋光后的表面粗糙度(Ra)的測量結果。表中，α-Q代表α-石英(SiO2)，而α-Cri代表α-方石英(SiO2)。
表1(重量％)實施例No.1 2 3SiO267.569.0 69.5Li2O 10.09.09.0Al2O36.0 5.05.5MgO 2.5 3.51.0ZnO 1.0 0.50.5PbO 1.5 1.54.0K2O 6.0 7.06.0P2O52.0 1.52.0As2O30.5 0.5Sb2O30.5其他 CaO1.0 BaO 1.5TiO22.0B2O32.0 ZrO 1.0晶核形成溫度(℃) 480 450450成核時間(Hr) 22 2結晶溫度(℃) 750 760770結晶時間(Hr) 23 2晶相α-Q α-Q α-QLi2O· Li2O· Li2O·2SiO22SiO22SiO2次生α-Q晶粒直徑(μm)0.7 0.60.9表面粗糙度Ra(A) 16 15 18
(重量％)實施例No.4 5 6SiO273.076.775.5Li2O 8.010.510.0Al2O35.0 3.8 4.5MgO 4.0 2.5 1.0ZnO 0.5 0.5PbO 2.0K2O 4.0 4.5P2O54.0 3.5 2.0As2O30.5 2.0 0.5Sb2O30.5其他 SrO 1.0晶核形成溫度(℃) 540 480 500成核時間(Hr) 5 5 1結晶溫度(℃) 780 750 750結晶時間(Hr) 3 3 2晶相 α-Qα-Qα-QLi2O· Li2O· Li2O·2SiO22SiO22SiO2次生α-Q晶粒直徑(μm) 1.3 1.2 0.8表面粗糙度Ra(A) 35 32 18
(重量％)實施例No.7 8 9SiO276.076.5 78.5Li2O10.510.59.0Al2O34.0 3.52.0MgO 2.5 1.02.5ZnO 0.5 2.01.0PbO 1.0K2O 4.0 4.04.0P2O52.0 2.01.5As2O30.5 0.50.5Sb2O3其他晶核形成溫度(℃) 500 540500成核時間(Hr) 5 5 5結晶溫度(℃) 780 780780結晶時間(Hr) 2 5 2晶相 α-Qα-Q α-QLi2O· Li2O· Li2O·2SiO22SiO22SiO2次生α-Q晶粒直徑(μm) 1.2 1.51.4表面粗糙度Ra(A) 30 40 36
(重量％)實施例 對照實例對照實例No. 10 1 2SiO282.071.080.1Li2O 11.012.010.7Al2O31.3 9.6MgO1.0 3.6ZnOPbO0.9K2O 2.5P2O51.7 1.9 2.6As2O30.5Sb2O3Na2O 3.8 CuO 2.0其他 CaO0.4 SnO 1.0SrO0.4晶核形成溫度(℃) 540 500 550成核時間(Hr) 55 5結晶溫度(℃) 840 840 850結晶時間(Hr) 52 2晶相 α-Q Li2O· Li2O·Li2O· 2SiO22SiO22SiO2α-cri α-Q次生α-Q晶粒直徑(μm) 1.3無次生晶粒 無次生晶粒α-cir(0.2)α-Q(0.5)表面粗糙度Ra(A) 33 11 10
附圖中，

圖1A、1B、1C分別示出表1中實施例4、對照實例1和對照實例2的玻璃-陶瓷經拋光后的表面粗糙度(Ra)，后二者用于對比。
圖2A和2B示出實施例4的玻璃-陶瓷之晶體結構經HF蝕刻后的SEM(掃描電子顯微鏡)圖像，圖2C為對照實例1，圖2D和2E為對照實例2的玻璃-陶瓷之圖像以作為對比。
圖3為實例5的玻璃-陶瓷中α-石英聚集微粒的表面粗糙度(Ra)與結晶溫度間相互關系的曲線圖。
圖4為經拋光后具有32A表面粗糙度(Ra)的實施例5之玻璃-陶瓷的AFM(原子力顯微鏡)三維圖像。從圖4可見每個由α-石英聚集微粒(次生晶粒)構成的球形晶粒形成的微小凸起散布在磁盤基片的整個表面上。
為了生產上述實例的玻璃-陶瓷，將包括有氧化物、碳酸鹽和硝酸鹽的原料進行混合，并于常規(guī)熔化設備中在約1350℃到1500℃的溫度范圍熔化。攪拌此熔融態(tài)玻璃使之均勻，而后使之成形為所需形狀并進行退火處理以獲得成形玻璃。接著此成形玻璃在450℃-540℃溫度范圍下，受到熱處理約1-5小時而產生晶核，之后再在700℃-840℃范圍的溫度下受到約1-5小時的熱處理，進行結晶過程而生成所需的玻璃-陶瓷。為制作用于測定表面粗糙度(Ra)的樣品，將上述玻璃-陶瓷與平均粒徑為9-12μm的顆粒進行約10-20分鐘的研磨，而后用平均粒徑范圍為1-2μm的氧化鈰進行約30-40分鐘的最后拋光處理。
如表1所示，實例4的玻璃-陶瓷具有所需的表面粗糙度，而對照例1和2則沒有這樣的所需表面粗糙度。從圖1A、1B和1C可以清楚看到，實例4具有所需的表面糙度但對照1和2則沒有。從圖2A、2B和2C的SEM圖像明顯看到實例4的玻璃-陶瓷之α-石英晶粒呈現(xiàn)出聚集微粒的球形晶粒結構并且其在玻璃-陶瓷的表面凸起，而對照例1的晶粒呈現(xiàn)出針狀和棒狀的晶粒結構，因此，所需的表面糙度即無法獲得。另外，圖2D和2E顯示，對照實例2的晶粒呈現(xiàn)出一種非聚集的單球結構，其無法獲得所需的表面粗糙度，并且粒徑也無法象本發(fā)明那樣容易地得到調控，其后還將有更詳細的敘述。至于本發(fā)明的玻璃-陶瓷之粒徑，通過不同的熱處理條件，其可以被調控到0.3-3μm的范圍。
本發(fā)明的α-石英聚集微粒構成的球形晶粒結構與對照例2的α-石英之非聚集單球晶粒結構間的差別，將在下面做更詳細的描述。
從示于圖2B中實例4的玻璃-陶瓷SEM圖像可顯顯看到本發(fā)明的每一個α-石英顆粒都具有球形結構，其由許多細小的微粒聚集在一球中而組成。如圖2A所示，這些α-石英顆粒被隨機地散布在二硅酸鋰(Li2O-2SiO2)細粒中。已發(fā)現(xiàn)這種狀態(tài)特別對調控拋光后的表面粗糙度(Ra)有利，這將在下面得到描述。相反，從圖2D和2E的掃描顯微鏡照片可見，通過X-射線衍射分析已證實，在對照例2的玻璃-陶瓷中、二硅酸鋰(Li2O·2SiO2)晶粒和α-石英(α-SiO2)晶粒生長，但這二種晶粒間生長狀態(tài)的差別不如本發(fā)明的玻璃-陶瓷中的那樣明顯，除此之外，這二種晶粒沒有呈現(xiàn)出如本發(fā)明的玻璃-陶瓷中所具有的確定形狀。
按本發(fā)明制得的玻璃-陶瓷之表面粗糙度調控特性，是通過本發(fā)明玻璃-陶瓷特定的晶體結構而獲得的，其中，每個由α-石英聚集小微粒形成的球形晶粒，被隨機地散布在比它小得多的二硅酸鋰晶粒中，而α-石英在物理和化學方面都比二硅酸鋰強。這一特定的結構導致在進行拋光處理時，二硅酸鋰顆粒比α-石英顆粒更快地被磨掉，這樣α-石英顆粒就相對顯著地在二硅酸鋰表面上凸起，而獲得相對大的表面粗糙度(Ra)值。從示于圖4中的三維AFM圖像中可清楚地看到由強物理和化學性質的α-石英聚集微粒構成的球形顆粒，隨機地在整個拋光后的表面上凸起。
本發(fā)明玻璃-陶瓷中由α-石英聚集微粒(次生顆粒)形成的球形顆粒結構的另一個優(yōu)點在于，通過改變結晶溫度可使粒徑得到可變調控，調控程度為任何所需的粒徑均可獲得。這是因為本發(fā)明α-石英晶粒的生長在很大程度上取決于微粒的聚集度，而后者取決于所使用的結晶溫度。對粒徑進行如此微細的調控是對照例2中采用現(xiàn)有技術的玻璃-陶瓷所無法達到的，對照例2中，晶粒為單球狀的并且無法呈現(xiàn)確定形狀。
綜上所述，本發(fā)明作磁盤基片的玻璃-陶瓷可通過熱處理具有特定組成范圍的SiO2-Li2O-P2O5-MgO體系玻璃而得到，因而主晶相包括α-石英(α-SiO2)和二硅酸鋰(Li2O·2SiO2)。生成的α-石英晶粒具有由聚集微粒(次生顆粒)形成的球形晶粒結構，這使得可容易地通過熱處理調控顆粒大小，并且在拋光后的表面上獲得所需的表面粗糙度，這樣，本發(fā)明玻璃-陶瓷可用作為優(yōu)良的磁盤基片。
制造本發(fā)明玻璃-陶瓷的方法包括下列步驟熔化和形成上述的基材玻璃，而后在450-540℃范圍溫度下使其受到熱處理以產生晶核，接著再在700-840℃范圍溫度下進行結晶熱處理，這樣具有由聚集微粒(次生顆粒)形成的球形顆粒及由此得到的優(yōu)良特性的玻璃-陶瓷，就可以良好的產率被制造出來。
權利要求
1. 一種對具有下列組成(以重量百分數計)的基材玻璃進行熱處理而生成的磁盤基片用的玻璃-陶瓷SiO265-83％Li2O 8-11％K2O 0-7％MgO＋ZnO＋PbO0.5-5.5％其中MgO0.5-5.5％ZnO 0-4％PbO 0-5％P2O51-4％Al2O30-7％As2O3＋Sb2O30-2％所說的玻璃-陶瓷含有α-石英(SiO2)和二硅酸鋰(Li2O·2SiO2)作為主晶相，和由聚集微粒(次生顆粒)構成具有球形晶粒結構的α-石英生長晶粒。
2. 權利要求1限定的玻璃-陶瓷，其中α-石英晶粒的大小可控制在0.3-3μm的范圍內，而玻璃-陶瓷經拋光后的表面粗糙度(Ra)可控制在1.5-50的范圍內。
3. 一種制造磁盤基片用的玻璃-陶瓷的方法，它包括以下步驟將具有下列組成(以重量百分比計)的基料玻璃熔化；SiO265-83％Li2O 8-11％K2O 0-7％MgO＋ZnO＋PbO0.5-5.5％其中MgO0.5-5.5％ZnO 0-4％PbO 0-5％P2O31-4％Al2O30-7％As2O3＋Sb2O30-2％使熔融態(tài)玻璃形成所需的形狀；在450-540℃范圍溫度下對生成的玻璃進行熱處理以產生晶核；以及在700-840℃范圍溫度下再對玻璃進行結晶熱處理。
全文摘要
提供一種磁盤基片用的玻璃-陶瓷，其晶粒大小可控制，拋光后其表面粗糙度在15-50范圍內。此玻璃-陶瓷可通過熱處理包括下列組成(重量百分比)的基料玻璃而獲得。SiO
文檔編號G11B5/733GK1114954SQ9410822
公開日1996年1月17日 申請日期1994年7月11日 優(yōu)先權日1993年5月19日
發(fā)明者後藤直雪, 山口勝彥 申請人:株式會社小原