CN1424271A

CN1424271A - 一种磁记录盘玻璃基片离子交换表面增强方法

Info

Publication number: CN1424271A
Application number: CN 02157748
Authority: CN
Inventors: 刘重庆; 高为彪
Original assignee: Yingli Science & Technology Co Ltd Shanghai
Current assignee: Yingli Science & Technology Co Ltd Shanghai
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2003-06-18

Abstract

本发明述及一种磁记录盘玻璃基片离子交换表面增强方法，玻璃基片为钠钙硅及钠铝硅系玻璃。其方法是采用浸渍处理法和双温区处理法，以达到离子交换或离子注入的目的。实施技术方案中，除以K离子交换表面改性强化外，又以双温区处理将Ba²⁺、Li⁺、K⁺、Na⁺等离子盐类处于一温区，其相应离子气氛处于另一温区，在定时定温下处理玻璃基片，使其离子交换，最终能使磁记录盘玻璃基片的强度获得较大幅度的增长。

Description

一种磁记录盘玻璃基片离子交换表面增强方法

技术领域

本发明涉及磁记录存储器玻璃基片表面离子交换表面增强方法，属玻璃材料表面热处理技术领域。

背景技术

目前，应用于数字记录形式的磁记忆存储器已涉及信息技术范畴的各个领域，尤其用作计算机通讯技术的磁记录硬盘，各类移动通讯存储器，游戏机，手提电脑等磁记录盘基片均需采用高容量的磁盘以增加其记录密度。为此，缩小环节(bit)的单元尺寸，使磁头与磁盘在浮动上方达25μm情况下运行，此种结构基本已使两者接近到接触的状态下工作。因此，作为磁记录介质载体的基片应有相当高的耐磨性及平整度。

过去的铝镁合金基片，因其材料固有的弊端已逐渐被玻璃基片所取代。自90年代以来，常用的玻璃基片有两大类即一般强化玻璃及微晶玻璃。

实际上，强化玻璃一般不用风冷钢化法，因这种强化过程常会产生较明显的应力不均。尤其用在计算机磁记录硬盘上，为提高信息记录或读取的速度或存储密度，磁盘常要高速旋转，现已达15000rpm(即每分钟15000转)，甚至更高，故风冷强化玻片高速旋转时会发生较为严重的突发性破裂，造成人、机的损害，甚至危及生命。

自从玻璃基片出现后，人们开始着手对微晶玻璃应用的研究。目前有不少的国外专利报导了以微晶玻璃(或称玻璃陶瓷)片来作基片。其方法是将低钠或无钠硅酸盐玻璃，经晶核形成和结晶成长的晶化热处理，最终制得微晶玻璃，这种微晶玻璃具有较大的强度，可以作为磁记录盘的基片。日本专利JP平-92680A和USP5476821A公开了一种典型的微晶玻璃产品，但是其关键的微晶玻璃加工周期长及耗能较大，制取成本较高，在一定程度上影响了其应用。目前，也有采用离子交换法的化学增强方法，使基片达到强化。近年来，国外如美国的Corning(康宁)公司，日本的Hoya(即保谷公司)及日本板硝子公司，他们都是以离子交换法获得了增强的玻璃基片。

离子交换这种化学增强方法，可以改变基础玻璃基片表面的结构特性，使之产生压缩应力，导致玻璃增强。

离子交换法主要以一种半径较大的离子取代玻璃中相应离子半径较小的组份，导致玻璃，尤其表面层玻璃的结构变化，以半径大的离子挤进了玻璃中的若干半径较小离子位置，形成体积膨胀，使之产生压缩应力，此种压缩应力有利于抑制玻璃破裂时的张力所引起的危险，即因玻璃表面均匀受到压缩应力作用时，一般其破裂的张力首先用来抵消压缩应力，离子交换的结果所产生的压缩应力层必然会使玻璃基片的强度得到一定增强。

发明内容

本发明的目的是采用离子交换的化学强化法，也即离子注入增强方法来提高和增强磁记录存储器玻璃基片的强度及各种力学性质。

本发明提供了一种磁记录盘玻璃基片离子交换表面增强方法，其特征在于：采用的玻璃基片的成份为钠钙硅酸盐玻璃，其基本组成(wt％)为：SiO₂ 60-70％，Na₂O 5-14％，CaO 3-7％，MgO 1-5％，Al₂O₃ 1-4％，K₂O 0.2-2％及其他微量氧化物。玻璃基片表面离子交换的工艺方法如下：第一步，采用浸渍法处理：将玻璃基片浸入含有欲交换的离子如K⁺、Li⁺、Na⁺的盐类的高温融盐溶液中，处理温度为340～540℃，处理时间为8-36小时；也可以将上述这类盐加热到500～850℃，以其蒸汽K⁺、Li⁺、Na⁺与玻璃中的相关金属离子进行交换；第二步，采用双温区法处理：即第一温区处理是将欲交换的离子如K⁺、Li⁺、Na⁺及Ba²⁺等金属离子盐类加热到500～650℃温区，使之蒸发成相应的具有该金属离子的蒸汽；第二温区处理是将玻璃基片放置于周围具有相应金属离子的气氛中，静置于350～500℃温区，时间为10-48小时。

上述的K⁺离子盐类为：KNO₃、KCl、K₂CO₃；Li⁺离子盐类为：LiCl、LiNO₃；Na⁺离子盐类为：NaCl、NaNO₃、Na₂SO₄；Ba²⁺离子盐类为：Ba(NO₃)₂。

本发明又可适用于另一种钠铝硅酸盐系玻璃磁，其基本组成(wt％)为：SiO₂ 62-72％，Na₂O 7-13％，Li₂O 2-7％，Al₂O₃ 12-18％，K₂O 0.2-3％，ErO₂或其他KO₂ 0.5-5％，及其他微量氧化物；玻璃基片表面离子交换的工艺方法如下：第一步，采用浸渍法处理：将玻璃基片浸入含有欲交换的离子如K⁺、Li⁺、Na⁺的盐类的高温融盐溶液中，处理温度为350～600℃，处理时间为10-36小时；第二步，采用双温区法处理：即第一温区处理是将欲交换的离子如K⁺、Li⁺、Na⁺及Ba²⁺等金属离子盐类加热到500～650℃温区，使之蒸发成相应的具有该金属离子的蒸汽；第二温区处理是将玻璃基片放置于周围具有相应金属离子的气氛中，静置于360～520℃温区，时间为10-36小时。

上述的欲交换的离子如K⁺、Li⁺、Na⁺及Ba²⁺的盐类各为：KNO₃、KCl或K₂CO₃；LiCl、LiNO₃；NaCl、NaNO₃或Na₂SO₄；Ba(NO₃)₂。

本发明的离子交换玻璃基片表面增强方法具有改变表面结构的作用，只要温度选择适当，尤其是选择具有压应力效应离子的注入或取代，并在有限时间内达到一定深度后，完全能增强玻璃基片的力学性能。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例列举如下：

实施例一：采用钠钙硅酸盐玻璃基片，其基本组成(wt％)为：SiO₂ 72％，Na₂O 13％，CaO 5％，MgO 3.5％，Al₂O₃ 1.1％。首先采用浸渍法进行处理：将上述成份的玻璃加工成厚度d≤1.8mm，直径φ≤9.0cm的玻璃基片，置于一密闭箱内，以适当挂架将玻璃基片托挂妥当，然后浸渍于含K⁺离子盐即KNO3离子交换熔融盐液中，浸渍温度为360℃，浸渍时间为10小时。其离子交换方式为K⁺→Na⁺(交换离子K⁺→基片被交换离子Na⁺)。然后再将该基片置于密闭箱内，采用双温区法进行处理：先在595℃温度下，将含K⁺和Ba²⁺的盐KNO₃或KCl和Ba(NO₃)₂以50％∶50％(WT％)混合之共混盐进行加热，并使之蒸发生成相应的金属离子蒸汽；然后在第二温区510℃下静置14小时，将该玻璃基片进行离子交换处理。其交换方式是K⁺→Na⁺，Ba²⁺→Ca²⁺、Mg²⁺(交换离子K⁺→基片被交换离子Na⁺，交换离子Ba²⁺→基片被交换离子Ca²⁺、Mg²⁺)。

经处理后，玻璃基片试样其外观无变化；其力学性能即抗折强度大幅度增强，即处理前的抗折强度为108Kg/cm²，处理后的抗折强度为414Kg/cm²，提高了4倍。其离子交换深度为：75 um。

实施例二：采用钠钙硅酸盐玻璃即片，其组成(wt％)为：SiO₂ 73％，Na₂O 12.5％，CaO 8.6％，MgO 4.1％，Al₂O₃ 1.6，Li₂O 0.4％，B₂O₃适量。首先采用浸渍法进行处理：即将该成份的玻璃加工成厚度d≤1.8mm，直径φ≤9.0cm的玻璃基片，置于一密闭箱内，以适当挂架将玻璃基片托挂妥当，然后浸渍于含K⁺、Li⁺离子的盐，即KNO₃(70wt％)和LiNO₃(30wt％)的共混盐熔融盐液中，浸渍温度为400℃，浸渍时间为12小时。其离子交换方式为K⁺→Na⁺(交换离子K⁺→基片被交换离子Na⁺)。然后再将该基片置于密闭箱内，采用双温区法进行处理：先在600℃温度下，将含Li⁺、K⁺和Ba²⁺的盐，即LiNO₃(20wt％)、KNO₃(40wt％)和Ba(NO₃)₂(40wt％)的共混盐进行加热，并使之蒸发生成相应的金属离子蒸汽；然后在第二温区470℃下静置12小时，将该玻璃基片进行离子交换处理。其交换方式是K⁺→ Na⁺、Li⁺，Ba²⁺→Ca²⁺、Mg²⁺(交换离子K⁺→基片被交换离子Na⁺，交换离子Ba²⁺→基片被交换离子Ca²⁺、Mg²⁺)。

经处理后，玻璃基片试样其外观无变化；其力学性能即抗折强度大幅度增强，即处理前的抗折强度为110Kg/cm²，处理后的抗折强度为511Kg/cm²，提高了5倍。其离子交换深度为：100um。

实施例三：采用钠钙硅酸盐玻璃即片，其组成(wt％)为：SiO₂ 63％，Na₂O 15.2％，CaO 1.2％，MgO 0.8％，Al₂O₃ 4％，Li₂O 6％，ZnO 5.8％。首先采用浸渍法进行处理：即将该成份的玻璃加工成厚度d≤1.8mm，直径φ≤9.0cm的玻璃基片，置于一密闭箱内，以适当挂架将玻璃基片托挂妥当，然后浸渍于含K⁺、Na⁺离子的盐，即KNO₃(75wt％)和NaNO₃(25wt％)的共混盐熔融盐液中，浸渍温度为380℃，浸渍时间为20小时。其离子交换方式为：K⁺→ Na⁺、Li⁺(交换离子K⁺→基片被交换离子Na⁺、Li⁺)。然后再将该基片置于密闭箱内，采用双温区法进行处理：先在620℃温度下，将含K⁺和Ba²⁺的盐，即KNO₃(50wt％)和Ba(NO₃)₂(50％wt％)的共混盐进行加热，并使之蒸发生成相应的金属离子蒸汽；然后在第二温区450℃下静置15小时，将该玻璃基片进行离子交换处理。其交换方式是K⁺→Na⁺、Li⁺(交换离子K⁺→基片被交换离子Na⁺、Li⁺)，Ba²⁺→Ca²⁺、Al³⁺(交换离子Ba²⁺→基片被交换离子Ca²⁺、Al³⁺)。

经处理后，玻璃基片试样其外观稍有变化，略带灰色；其力学性能即抗折强度大幅度增强，即处理前的抗折强度为97Kg/cm²，处理后的抗折强度为496Kg/cm²，提高了5倍。其离子交换深度为：100um。

实施例四：采用钠铝硅酸盐玻璃即片，其组成(wt％)为：SiO₂ 63％，Na₂O 11％，CaO 0.2％，MgO 0.1％，Al₂O₃ 14％，Li₂O 6％，ZrO₂适量。首先采用浸渍法进行处理：将该成份的玻璃加工成厚度d≤1.8mm，直径φ≤9.0cm的玻璃基片，置于一密闭箱内，以适当挂架将玻璃基片托挂妥当，然后浸渍于含K⁺离子的盐，即KNO₃熔融盐液中，浸渍温度为520℃，浸渍时间为20小时。其离子交换方式为：K⁺→Na⁺、Li⁺(交换离子K⁺→基片被交换离子Na⁺、Li⁺)。然后再将该基片置于密闭箱内，采用双温区法进行处理：先在640℃温度下，将含K⁺和Ba²⁺的盐，即KNO₃(或KCl)(50wt％)和Ba(NO₃)₂(50％wt％)的共混盐进行加热，并使之蒸发生成相应的金属离子蒸汽；然后在第二温区540℃下静置10小时，将该玻璃基片进行离子交换处理。其交换方式是K⁺→Na⁺、Li⁺(交换离子K⁺→基片被交换离子Na⁺、Li⁺)，Ba²⁺→Ca²⁺、Al³⁺(交换离子Ba²⁺→基片被交换离子Ca²⁺、Al³⁺)。

经处理后，玻璃基片试样其外观稍有变化，略带灰色；其力学性能即抗折强度大幅度增强，即处理前的抗折强度为141Kg/cm²，处理后的抗折强度为510Kg/cm²，提高了4倍。其离子交换深度为：95um。

实施例五：采用钠铝硅酸盐玻璃即片，其组成(wt％)为：SiO₂ 66％，Na₂O 8％，CaO 2％，MgO 2.5％，Al₂O₃15％，Li₂O 3％，SnO₂适量、ZrO₂适量。首先采用浸渍法进行处理：即将该成份的玻璃加工成厚度d≤1.8mm，直径φ≤9.0cm的玻璃基片，置于一密闭箱内，以适当挂架将玻璃基片托挂妥当，然后浸渍于含K⁺离子的盐，即KNO₃熔融盐液中，浸渍温度为540℃，浸渍时间为20小时。其离子交换方式为：K⁺→Na⁺、Li⁺(交换离子K⁺→基片被交换离子Na⁺、Li⁺)。然后再将该基片置于密闭箱内，采用双温区法进行处理：先在650℃温度下，将含K⁺和Ba²⁺的盐，即KNO₃(50wt％)和Ba(NO₃)₂(50wt％)的共混盐进行加热，并使之蒸发生成相应的金属离子蒸汽；然后在第二温区520℃下静置12小时，将该玻璃基片进行离子交换处理。其交换方式是K⁺→Na⁺(交换离子K⁺→基片被交换离子Na⁺)，Ba²⁺→Ca²⁺、Al³⁺(交换离子Ba²⁺→基片被交换离子Ca²⁺、Al³⁺)。

经处理后，玻璃基片试样其外观稍有变化，略带灰色；其力学性能即抗折强度大幅度增强，即处理前的抗折强度为147Kg/cm²，处理后的抗折强度为527Kg/cm²，提高了4倍。其离子交换深度为：95um。

Claims

1.一种磁记录盘玻璃基片离子交换表面增强方法，其特征在于：采用的玻璃基片的成份为钠钙硅酸盐玻璃，其基本组成(wt％)为：SiO₂ 60-70％，Na₂O 5-14％，CaO 3-7％，MgO 1-5％，Al₂O₃ 1-4％，K₂O 0.2-2％及其他微量氧化物；玻璃基片表面离子交换的工艺方法如下：第一步，采用浸渍法处理，即将玻璃基片浸入含有欲交换的离子如K⁺、Li⁺、Na⁺的盐类的高温融盐溶液中，处理温度为340～540℃，处理时间为8-36小时；也可以将上述这类盐加热到500～850℃，以其蒸汽K⁺、Li⁺、Na⁺与玻璃中的相关金属离子进行交换；第二步，采用双温区法处理：即第一温区处理是将欲交换的离子如K⁺、Li⁺、Na⁺及Ba²⁺等金属离子盐类加热到500～650℃温区，使之蒸发成相应的具有该金属离子的蒸汽；第二温区处理是将玻璃基片放置于周围具有相应金属离子的气氛中，静置于350～500℃温区，时间为10-48小时。

2.根据权利要求1所述的一种磁记录盘玻璃基片离子交换表面增强方法，其特征在于：所述的欲交换的离子如K⁺、Li⁺、Na⁺、Ba²⁺的盐类各为：KNO₃、KCl、K₂CO₃；LiCl、LiNO₃；NaCl、NaNO₃、Na₂SO₄；Ba(NO₃)₂。

3.一种磁记录盘玻璃基片离子交换表面增强方法，其特征在于：采用的玻璃基片的成份为钠铝硅酸盐玻璃，其基本组成(wt％)为：SiO₂ 62-72％，Na₂O 7-13％，Li₂O 2-7％，Al₂O₃ 12-18％，K₂O 0.2-3％，ZrO₂或其他KO₂ 0.5-5％，及其他微量氧化物；玻璃基片表面离子交换的工艺方法如下：第一步，采用浸渍法处理：即将玻璃基片浸入含有欲交换的离子如K⁺、Li⁺、Na⁺的盐类的高温融盐溶液中，处理温度为350～600℃，处理时间为10-36小时；第二步，采用双温区法处理：即第一温区处理是将欲交换的离子如K⁺、Li⁺、Na⁺及Ba²⁺等金属离子盐类加热到500～650℃温区，使之蒸发成相应的具有该金属离子的蒸汽；第二温区处理是将玻璃基片放置于周围具有相应金属离子的气氛中，静置于360～520℃温区，时间为10-36小时。

4.根据权利要求4所述的一种磁记录盘玻璃基片离子交换表面增强方法，其特征在于：所述的欲交换的离子如K⁺、Li⁺、Na⁺、Ba²⁺的盐类各为：KNO₃、KCl、K₂CO₃；LiCl、LiNO₃；NaCl、NaNO₃、Na₂SO₄；Ba(NO₃)₂。