DE19838198C2

DE19838198C2 - Gläser und Glaskeramiken mit hohem E-Modul sowie deren Verwendungen

Info

Publication number: DE19838198C2
Application number: DE19838198A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Speit; Silke Wolff; Peter Brix; Monika Gierke
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1998-08-24
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2018-08-25
Also published as: JP4388635B2; US6184162B1; JP2000103636A; DE19838198A1

Description

Gegenstand der Erfindung sind Gläser und Glaskeramiken mit hohen Elastizi tätsmoduln sowie deren Verwendung.

Glas ist für die Verwendung als Substrat für Datenträger (Festplatten) gegenüber Metallen wie Aluminium oder Metallegierungen u. a. von Vorteil wegen seiner Ebenheit und seiner geringen Oberflächenrauhigkeit. Glas als der homogenste Werkstoff bietet die Möglichkeit, die Oberfläche von Glaskörpern sehr glatt (smooth) zu polieren. Auch der Produktionsprozeß von Glassubstraten ist, ver glichen mit dem von Aluminiumsubstraten, schneller und weniger aufwendig.

Substratgläser für Festplatten müssen bei der Verwendung erhöhten chemi schen, thermischen und mechanischen Belastungen standhalten. So erfahren sie während der Beschichtung (beispielsweise durch Kathodenzerstäubung) ho he Temperaturen mit hohen Abkühlraten. Bei der Verwendung als Festplatten treten hohe mechanische Belastungen auf, z. B. beim Einbau Klemmspannun gen auf der Drehachse von bis zu 100 N/mm² sowie im Betrieb bei hohen Um drehungszahlen von derzeit 3500 bis 10000 U/min zusätzliche Spannungen durch die Zentrifugalkräfte. Solchen Belastungen können vor allem 0,25 bis 3,0 mm dünne Gläser nur standhalten, wenn sie vorgespannt sind. Da die Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit durch thermisches Vorspannen erst bei einer Mindestdicke von 3 mm möglich ist, müssen Gläser für die genannte Verwen dung chemisch vorspannbar sein. Sinnvollerweise sind sie durch Ionenaus tausch im Salzbad unterhalb der Transformationstemperatur T_g vorspannbar, d. h. weisen sie genügend zum Austausch gegen K⁺ und/oder Na⁺ bzw. gegen Ba²⁺ geeignete Ionen wie Na⁺- und oder Li⁺-Ionen bzw. Ca²⁺-Ionen auf.

Eine weitere wesentliche Eigenschaft von als Festplattensubstraten geeigneten Gläsern ist ihr thermisches Ausdehnungsverhalten, das sich nicht zu sehr von dem der Beschichtungsmaterialien (z. B. Co-Legierungen mit thermischen Aus dehnungskoeffizienten α_20/300 ≧ 12 × 10^-6/K) und vor allem nicht zu sehr von dem der verwendeten Klemmaterialien und Spindelmaterialien des Laufwerks (mit α_20/300 ≧ 12 × 10^-6/K) unterscheiden soll, um Spannungen zu vermeiden.

Glaskeramik ist vor allem wegen ihrer Bruchfestigkeit ein für die beschriebene Verwendung interessanter Werkstoff. Jedoch begrenzt bei den bisher verwendeten Glaskeramiken die Kristallitgröße die Oberflächenrestrauhigkeit auf zu hohe Werte.

Die Entwicklung auf dem Festplatten-Markt geht hin zu Datenträgern mit höheren Kapazitäten und größeren Datentransferraten bei gleich bleibenden oder gar geringer werdenden Abmessung des Datenträgers. Höhere Datentransferraten bedingen eine höhere Rotationsgeschwindigkeit der Festplatte im Laufwerk. die Kapazität kann bei gleichbleibenden Abmessungen nur durch eine höhere Spur dichte auf der Festplatte oder durch eine Erhöhung der Zahl an Festplatten im Laufwerk gesteigert werden. Eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit verur sacht aber ein stärkeres Flattern der Festplattenaußenränder, was wiederum die gewünschte höhere Spurdichte, also einen kleineren Spurabstand und auch ein engeres Stapeln von Festplatten im Laufwerk unmöglich macht. Aufgrund dieser Flatterbewegung kann auch die Flug- bzw. Gleithöhe des Schreib-Lesekopfes über der Festplatte nicht so gesenkt werden, wie es für eine Erhöhung der Lese- /Schreibgeschwindigkeit und der Informationsdichte erwünscht wäre.

Daher benötigen die Festplatten eine hohe Formstabilität, d. h. sie sollen an ih ren Außenrändern eine möglichst geringe zeitabhängige Auslenkung zeigen. Die maximale Auslenkung (disc flutter) W wird durch folgende Formel beschrie ben

mit:
ρ = Dichte
r_A = Außendurchmesser der Festplatte
E = Elastizitätsmodul
d = Dicke der Festplatte
f(ν) geometriespezifischer Parameter

Daraus ergeben sich als Hauptanforderung für neue Materialien für Festplatten:
Mit einem hohen Elastizitätsmodul E und/oder einer geringen Dichte p kann bei gleichbleibender Geometrie (r_A, d const.) die maximale Auslenkung W gesenkt werden. Üblicherweise wird der Quotient dieser beiden Parameter E/ρ als spezi fischer Elastizitätsmodul bezeichnet. Er soll einen möglichst hohen Wert anneh men.

Die für diesen Anwendungsbereich bekannten Gläser und Glaskeramiken sind meist hoch SiO₂-haltige Aluminosilicatgläser bzw. Lithiumaluminosilicatglaske ramiken, die durch ihren hohen SiO₂-Anteil und hohen Al₂O₃-Anteil keine guten Schmelzeigenschaften aufweisen. Als hoch SiO₂-haltiges Beispiel sei die che misch verstärkbare Glaszusammensetzung für Substrate zur Informationsauf zeichnung aus der DE 42 06 268 A1 mit 62-75 Gew.-% SiO₂ genannt, sowie die Glaskeramik für magnetische Festplatten-Substrate aus der EP 626 353 A1 mit 65-83 Gew.-% SiO₂, die als Kristallphasen α-Quarz und Lithiumdisilicat ent hält.

Die bekannten Gläser und Glaskeramiken sowie andere Werkstoffe erfüllen nicht gleichzeitig alle Anforderungen, die an Materialien für Festplatten, insbesondere für Festplatten mit hohen Umdrehungszahlen gestellt werden, sondern weisen die verschiedensten Nachteile auf:
Aus JP 9-301732 A sind Gläser für die Verwendung als Substrate für Plasma- Display-Panels beschrieben, die hohe Anteile an SiO₂ und an Al₂O₃ und zur Vermeidung hoher Einschmelztemperaturen auch hohe Anteile an Alkalioxiden, was zu einem niedrigen E-Modul führt.

JP 52-45612 A beschreibt Gläser mit hohen Anteilen an Nb₂O₅, was ebenfalls zu einem niedrigen E-Modul führt. Auch die Gläser der DE 34 20 306 A1 enthalten mit bis zu 35 Gew.-% teilweise sehr hohe Nb₂O₅-Anteile und mit bis zu 42 Gew.- % hohe Anteile an CaO, während beispielsweise Alkalioxide nur fakultative Be standteile sind. Die Gläser weisen Brechungsindices von 1,79 oder mehr auf.

Ähnliches gilt für die Gläser aus JP 52-9012 A, die hohe Anteile an Nb₂O₅ ent halten können, während der Gehalt an TiO₂, das den E-Modul hebt, auf niedrige Gehalte beschränkt bleiben muß, sowie für die Gläser der DE 26 60 012 C2, bei denen zusätzlich der Anteil der fakultativen Komponente La₂O₃ auf wenige % beschränkt bleibt, was auch einem hohen E-Modul entgegenwirkt.

EP 0 287 345 A1 beschreibt Gläser für Linsen mit Brechungsgradienten, die relativ hohe SiO₂- und Li₂O-Gehalte aufweisen. Aufgrund der vorhandenen und fakultativ vorhandenen Komponenten können die Gläser zwar relativ hohe E- Moduln, aber keine entsprechend hohen spezifischen E-Moduln besitzen. Dies gilt auch für die hoch Li-haltigen Gläser der JP 63-170 247 A mit demselben Verwendungszweck. Durch den Li-Anteil sind die Gläser sehr kristallisationsan fällig. JP 1-133956 A beschreibt ebenfalls Gläser für Linsen mit Brechungsgradienten, deren Zusammensetzung mit vielen fakultativen Komponenten in einem großen Bereich variieren kann, die jedoch zwingend F^- in Anteilen von bis zu 20 Mol.-% und auch relativ hohe Al₂O₃-Anteile enthalten.

Aus US 3,804,646 sind hoch Al₂O₃-haltige Gläser aus dem System MgO-Al₂O₃- SiO₂ bekannt, die hohe E-Moduln aufweisen, aber aufgrund ihrer Alkalifreiheit nicht chemisch vorspannbar sind und außerdem aufgrund ihrer Zusammenset zung leicht kristallisieren.

Aus WO 96/04651 ist ein Datenträger als Verbundscheibe aus Glas und einem viskoelastischen Material bekannt, bei der Schwingungen durch die Schicht aus dem viskoelastischen Werkstoff, beispielsweise Kunststoffe wie Synthesekau tschuke, z. B. Silikonkautschuk, oder wie Polyester, Polyurethane, Polyamide, gedämpft werden. Nachteilig ist, daß die Herstellung sehr teuer ist und daß der viskoelastische Werkstoff mit der Zeit ermüdet (versprödet) und dann nicht mehr als Schwingungsdämpfer fungieren kann. Außerdem können die verwendeten Kunststoffe, wenn die magnetische Schicht bei erhöhter Substrattemperatur durch Kathodenzerstäubung niedergeschlagen wird, ausgasen und dadurch die Qualität der aufgebrachten Schicht beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Werkstoff zu finden, der einen hohen spezi fischen Elastizitätsmodul, d. h. einen hohen E-Modul und eine geringe Dichte, und einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der eine ausreichende Festigkeit besitzt oder härtbar ist, so daß er eine solche Festigkeit erhält, und der gute Oberflächeneigenschaften aufweist.

Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebenen Gläser und die im Patentanspruch 2 beschriebenen Glaskeramiken gelöst. Verwendungen dieser Gläser und Glaskeramiken sind in den Patentansprüche 14 und 15 beschrieben. Die erfindungsgemäßen Gläser sind gut chemisch vorspannbar, durch Ionen austausch von Alkali- und/oder Erdalkaliionen unterhalb der Transformations temperatur. Ein solcher Ionenaustauch kann auf bekannte Weise durch Einbrin gen des Glaskörpers in Schmelzen (Salzbädern) von eher niedrigschmelzenden Kalium-, Natrium- und/oder Bariumsalzen, z. B. ihre Nitrate, oder auch durch Aufbringen von Pasten von eher höher schmelzenden Kalium-, Natrium- und/oder Bariumsalzen, z. B. ihre Sulfate, auf die Oberfläche des Glaskörpers stattfinden. Einwirkzeiten und -temperaturen entsprechen den üblichen von der jeweiligen Glaszusammensetzung abhängenden Bedingungen bei diesen be kannten Ionenaustauschverfahren, d. h. Zeiten zwischen 0,5 h und 10 h und Temperaturen zwischen T_g (Transformationstemperatur) -80 K und T_g -10 K, wobei niedrigere Temperaturen höhere Verweilzeiten erforderlich machen. Durch das chemische Vorspannen läßt sich eine starke und anhaltende Vor spannung aufbauen, wodurch die Bruchfestigkeit der Gläser erhöht wird.

Die Glaskeramiken aus dem erfindungsgemäßen Zusammensetzungsbereich besitzen bereits eine ausreichende Festigkeit, um den mechanischen Belastun gen, denen Festplatten ausgesetzt sind, standzuhalten. Dies liegt an der Ver stärkung der Glasmatrix durch die Kristallite.

Das erfindungsgemäße Glas liegt in einem Erdalkaliborosilicatglassystem. Es enthält als Glasbildner SiO₂, und zwar 17 bis 34 Gew.-%; vorzugsweise bis 32 Gew.-%, und B₂O₃ (1-8 Gew.-%).

Durch das ausgewogene Verhältnis von Glasbildnern zu Erdalkalioxiden, näm lich 10-20 Gew.-% MgO und 4-12 Gew.-% CaO, wird eine sehr gute Schmelzbarkeit bei einem bereits hohen E-Modul gewährleistet.

Ein höherer Anteil an SiO₂ + B₂O₃ gegenüber MgO + CaO würde den thermi schen Ausdehnungskoeffizienten senken. Ein höherer Anteil an SiO₂ würde die Schmelzbarkeit des Glases herabsetzen, während eine Erhöhung des Erdalkali anteils zwar zu einer weiteren Erhöhung des E-Moduls führen würde, aber auch zu einer starken Verschlechterung der Kristallisationsstabilität.

Das Glas kann bis zu 8 Gew.-% Al₂O₃ enthalten. Durch den Einbau von Al₂O₃ in die Glasstruktur wird die Beweglichkeit der Alkali- und Erdalkaliionen und damit ihre Austauschbarkeit verbessert. Bei mehr als 8 Gew.-% Al₂O₃ würde die Verar beitungstemperatur erhöht, was eine Verschlechterung der Einschmelzbedin gung bedeutete, und würde die thermische Dehnung herabgesetzt.

TiO₂ liegt mit einem Mindestanteil von 14,5 Gew.-% und einem maximalen Anteil von 25 Gew.-% im Glas vor. Es steigert den E-Modul des Glases. Eine weitere Erhöhung seines Anteils würde die Kristallisationsstabilität stark herabsetzen. Das Glas enthält ZrO₂ in Anteilen von 1 bis 8 Gew.-%, das ebenfalls den E- Modul hebt, jedoch nicht dieselben negativen Eigenschaften bezüglich Kristalli sation hat. Bei höheren Gehalten würde jedoch die Transformationstemperatur T_g erhöht, was wiederum eine Verschlechterung der Schmelzeigenschaften darstellte. Daher enthält das Glases sowohl TiO₂ als auch ZrO₂ in den genann ten Anteilen.

Weiter enthält das Glas La₂O₃ und zwar zwischen 5,5 und 15,5 Gew.-%. Auch La₂O₃ erhöht den E-Modul, jedoch auch die Dichte des Glases, so daß der posi tive Effekt bezüglich des spezifischen E-Moduls geringer ausfällt.

Die Erhöhung der Dichte ist bei Ce₂O₃ nicht so stark ausgeprägt. Deswegen kann das Glas zusätzlich bis 8 Gew.-%, vorzugsweise bis 5 Gew.-%, der eben falls den E-Modul erhöhenden, jedoch sehr teuren Komponente Ce₂O₃ enthalten. In einer speziellen Ausführungsform enthalten die Gläser, bevorzugt die Li- haltigen, wenigstens 0,5 Gew.-% Ce₂O₃. Der Anteil der Summe aus La₂O₃ und Ce₂O₃ soll 16 Gew.-%, bei Beschränkung des Ce₂O₃ auf 5 Gew.-% 14 Gew.-%, nicht überschreiten.

Nb₂O₅ liegt im Glas mit 0,5 bis 4,5 Gew.-% vor. In diesen geringen Anteilen dient es als Netzwerkwandler der Stabilisierung gegen Kristallisation. In größeren An teilen würde der E-Modul stark gesenkt und würde das Gemenge verteuert.

Na₂O, vorliegend mit < 3 bis 10 Gew.-%, erfüllt im Glas zwei Funktionen: Zum einen verbessert es die Schmelzbarkeit und senkt T_g, zum anderen ist es, vor allem in den lithiumfreien Ausführungsformen, neben CaO wesentlich für den Ionenaustauch zum Vorspannen, da mittels Kaliumsalzen Natriumionen aus dem Glas ausgetauscht werden, während Ba-Salze einen Austausch von Ca-Ionen bewirken. Höhere Na₂O-Gehalte erhöhen die Kristallisationsneigung und senken den E-Modul.

Das Glas kann auch zusätzlich geringe Mengen (0-< 2 Gew.-%) Li₂O enthalten. Dann können am Ionenaustauschprozeß auch die Li-Ionen beteiligt sein, und zur Durchführung des Austauschprozesses können neben den genannten Salzen auch Natriumsalzschmelzen oder -pasten verwendet werden.

Die Summe aus Na₂O und Li₂O beträgt wenigstens 5 Gew.-%.

Höhere Konzentrationen an Li₂O machen das Material nicht zwangsläufig unge eignet für die Herstellung von Festplattensubstraten. Durch einen höheren Li₂O- Gehalt kommt es nach Schmelze und Heißformgebung zu Kristallisationen im Glas, die aber kontrolliert durchgeführt werden können und zu der erfindungs gemäßen Glaskeramik gemäß Patentanspruch 2 führen:
Die Glaskeramik ist gekennzeichnet durch eine Grundglaszusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) von SiO₂ 17-34 (bevorzugt 17-32). B₂O₃ 1-8, Al₂O₃ 0- 8 (bevorzugt 0-5); Li₂O 2-10 (bevorzugt 3-10); Na₂O 0,5-10; mit Li₂O + Na₂O ≧ 5; MgO 10-20;
CaO 4-12; TiO₂ 14,5-25; ZrO₂ 1-8; Nb₂O₅ 0,5-4,5; La₂O₃ 5,5-15; Ce₂O₃ 0-8 (bevorzugt 0,5-5) mit La₂O₃ + Ce₂O₃ ≦ 16 (bevorzugt 14).

Die Wirkungen der Komponenten sind wie oben beim erfindungsgemäßen Glas beschrieben.

Li₂O ist in den hier vorliegenden höheren Anteilen der Initiator einer Kristallisati on, die eine so hochhomogene und feinkörnige Kristallphase - vorherrschende Kristallistaionsphase ist Lithiumtitanat - bildet, daß das Material sich ähnlich gut bearbeiten läßt wie das erfindungsgemäße Glas mit dem Ergebnis ähnlich glat ter Oberflächen. Bei einem höheren Gehalt an Li₂O als 10 Gew.-% würde die Kristallisation unkontrolliert und zu schnell ablaufen.

Zur "Bremsung" einer unkontrollierten Kristallisation, die zu inhomogen verteil ten, uneinheitlich großen Kristallen führt, dient auch die bei der Beschreibung des erfindungsgemäßen Glases als Stabilisator gegen Kristallisation genannte Komponente Nb₂O₅ sowie die Einhaltung der genannten Obergrenzen bei den ebenfalls schon beim Glas als in zu großen Anteilen kristallisationsfördernd ge nannten Komponenten CaO und MgO, TiO₂, Na₂O.

Sowohl das Glas als auch die Glaskeramik können insgesamt 0,2 bis 7,5 Gew.- % eines oder mehrerer farbgebender Mittel, ausgewählt aus der Gruppe CoO, CuO, V₂O₅, Cr₂O₃, wobei der Anteil der einzelnen Komponente 5 Gew.-% nicht überschreiten soll, enthalten. Falls CuO, V₂O₅ und Cr₂O₃ vorhanden sind, sind sie vorzugsweise jeweils mit wenigstens 0,5 Gew.-% vorhanden.

Zur Läuterung können dem Glas bzw. dem Grundglas, aus dem die Glaskeramik entsteht, übliche Läutermittel wie As₂O₃, Sb₂O₃, NaCl zugesetzt werden, die dann in üblichen Mengen, d. h. je nach Menge und verwendetem Typ des Läu termittels in Mengen von 0,05 bis 1 Gew.-% im Produkt anzutreffen sind.

Vorzugsweise wird auf das Läutermittel As₂O₃ verzichtet, d. h. Glas und Glaske ramik sind bis auf unvermeidliche Verunreinigungen frei von Arsenoxid, da die erfindungsgemäßen Materialien möglichst frei von umweltbedenklichen Kompo nenten sein sollen.

In bevorzugter Ausführung enthält das Glas oder die Glaskeramik 0,1 bis 0,5 Gew.-% Sb₂O₃.

Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Gläser Li₂O-frei. Der folgende Zu sammensetzungsbereich (in Gew.-% auf Oxidbasis) stellt einen engeren bevor zugten Zusammensetzungsbereich erfindungsgemäßer Gläser dar:
SiO₂ 20-30 (besonders bevorzugt 24-30), B₂O₃ 2-7; Al₂O₃ 1-5 (besonders bevorzugt 2-5) Na₂O 5-10 (besonders bevorzugt 5-8); MgO 10-20 (beson ders bevorzugt 10-18); CaO 4-10; TiO₂ 15-25 (besonders bevorzugt 16-25); ZrO₂ 3-7 (besonders bevorzugt 4-6) Nb₂O₅ 0,5-4 (besonders bevorzugt 0,5- 3,5); La₂O₃ 6-12 (besonders bevorzugt 6,5-9,5) Ce₂O₃ 0-3,5 (besonders be vorzugt 0-1,5); mit La₂O₃ + Ce₂O₃ ≦ 13 (besonders bevorzugt 8-10).

Bevorzugte Glaskeramiken zeichnen sich durch folgende Grundglaszusammen setzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) aus:
SiO₂ 20-30 (besonders bevorzugt 24-30), B₂O₃ 2-7 (besonders bevorzugt 2- 5); Al₂O₃ 0-3 (besonders bevorzugt 0-2); Li₂O 3-9; Na₂O 1-8 (besonders be vorzugt 1-5,5); mit Li₂O + Na₂O ≧ 5; MgO 10-18 (besonders bevorzugt 10- 16); CaO 6-10 (besonders bevorzugt 7-10); TiO₂ 15-25 (besonders bevorzugt 16-25); ZrO₂ 3-7 (besonders bevorzugt 4-6); Nb₂O₅ 0,5-4 (besonders bevor zugt 0,5-3,5); La₂O₃ 6-12 (besonders bevorzugt 6,5-9,5); Ce₂O₃ 0-3,5 (be sonders bevorzugt 0-1,5); mit La₂O₃ + Ce₂O₃ ≦ 13 (besonders bevorzugt 8-10). Ganz besonders bevorzugt ist ein Mindestgehalt von 0,5 Gew.-% Ce₂O₃.

Durch das ausgewogene Verhältnis von kristallisationshemmenden Komponen ten zu kristallisationsfördernden Komponenten, insbesondere durch die Gehalte an Li₂O und TiO₂, den Keimbildnern, tritt nach der Heißformgebung während des Abkühlens Kristallisation ein. Mit Abkühlraten von 25-45 K/h, insbesondere von 30-40 K/h, ausgehend von T_K = T_g + 10 K, läuft die Keramisierung kontrolliert ab. Es entsteht Lithiumtitanat als vorherrschende Kristallphase. Ein Tempe rungsprozeß ist nicht notwendig. Die entstehenden Kristallite sind klein und in Größe und Verteilung sehr homogen. Je nach dem Phasenverhältnis (Verhältnis von der Kristall- zur Glasphase) und der Größe der Kristallite sind die Glaskera miken transparent, translucent oder opak, was aber für die Verwendung als Festplattensubstrate nicht entscheidend ist.

Festplatten-Substrate aus opakem oder z. B. durch farbgebende Mittel in seiner Transmission herabgesetztem Material haben den Vorteil, daß sie eine verrin gerte Durchlässigkeit für das Prüflicht einer Oberflächenqualitäts-Prüfeinrichtung aufweisen, die Fehler an der Oberfläche und nicht im Volumen detektieren soll.

Unabhängig von der Transmission ist das Material derart, daß sich die Oberflä che der Glaskeramikkörper gut bearbeiten lassen und auf die gewünschten ge ringen Restrauhigkeiten von maximal 0,5 nm polieren lassen, wie es auch für die Glaskörper aus den erfindungsgemäßen Gläser möglich ist.

Ausführungsbeispiele

In der Tabelle 1 sind acht Beispiele erfindungsgemäßer Gläser (Bsp. 1-3) und Glaskeramiken (Bsp. 4-8) angegeben. Die Tabelle enthält deren Zusammen setzung sowie Angaben zu wesentlichen Eigenschaften.

Zur Herstellung werden übliche Rohstoffe verwendet. Das Gemenge wird bei ca. 1300°C in einem kontinuierlichen Schmelzaggregat eingeschmolzen, geläutert und homogenisiert. Bei einer Gußtemperatur von etwa 1200°C wird das Glas gegossen und gekühlt.

Während dieses Kühlvorganges mit ca. 30-40 K/h, ausgehend von der Tempe ratur T_g + 10 K = T_K, läuft bei den Glaskeramiken die Keramisierung ab. Aus dem entstandenen Gußblöcken (Glas- bzw. Glaskeramikkörper) werden auf her kömmliche Weise runde Scheiben hergestellt, die die Form und die Abmessun gen von Festplatten-Substraten besitzen, d. h. einen Außendurchmesser von 65,0 mm und eine Dicke von 0,635 mm aufweisen und ein konzentrisches Innen loch mit einem Durchmesser von 20,00 mm besitzen.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient α_20/300 der Gläser und der Glaskerami ken ≧ 8,0 × 10^-6/K und ≦ 11,0 × 10^-6/K und liegt damit ausreichend nah an dem des Spindelmaterials, das die Festplatten im Laufwerk trägt. Neben der Trans formationstemperatur Tg [°C] der Gläser bzw. der Glaskeramiken und α_20/300 enthält die Tabelle 1 die für die Verwendung als Festplattensubstrate wichtigen Eigenschaften Elastizitätsmodul E [10³ N/mm²] und Dichte ρ [g/cm³] sowie, dar aus berechnet, den spezifischen Elastizitätsmodul E/ρ [10⁵ N × cm/g]. Der E- Modul wird an nicht vorgespannten Proben bestimmt. Die Gläser weisen Ela stizitätsmoduln E zwischen 100 × 10³ und 120 × 10³ N/mm² und spezifische E- Moduln E/ρ zwischen 30 × 10⁵ und 36 × 10⁵ Ncm/g auf. Die Glaskeramiken wei sen E-Moduln E zwischen 120 × 10³ und 145 × 10³ N/mm² und spezifische E- Moduln E/ρ zwischen 36 × 10⁵ und 45 × 10⁵ Ncm/g auf. Beide Gruppen sind damit hervorragend geeignet für die Verwendung als Festplattensubstrate, wo bei die Gläser vorher noch chemisch vorgespannt werden und eine ausreichend tiefe Druckspannungszone ausbilden, während die Glaskeramiken bereits eine ausreichend hohe Festigkeit aufweisen.

Die Glaskeramiken enthalten als vorherrschende Kristallphase Lithiumtitanat. Je nach Phasenverhältnis (Verhältnis von Kristallphase zu Glasphase) und Größe der Kristalle sind die Körper transparent, translucent oder opak. Ihr Aussehen ist in Tabelle 1 angegeben. Zahl und Größe der Kristalle variieren in Abhängigkeit vom Li- und Ti-Gehalt, aber auch vom Nb-Gehalt, d. h. sie steigen mit steigen dem Li₂O-Gehalt und mit steigendem TiO₂-Gehalt und sinken mit steigendem Anteil an Nb₂O₅, das kristallisationshemmend wirkt. Mit steigendem Mg-Gehalt wird die Glaskeramik opaker. Die Kristallgrößen sind gering und liegen zwi schen 100 nm und 400 nm, hauptsächlich zwischen 100 und 200 nm.

Aufgrund der homogenen Verteilung der feinkörnigen Kristallite in der erfin dungsgemäßen Glaskeramik sind die Oberflächen von Körpern aus diesem Material ebenso gut bearbeitbar wie die Oberflächen von den Glaskörpern der erfindungsgemäßen Zusammensetzung. Sie sind gut polierbar, und zwar kön nen sie auf eine Mikrorauhigkeit (Smoothness) von 0,5 nm bearbeitet werden.

Die erfindungsgemäßen Gläser weisen Brechwerte n_d zwischen 1,72 und 1,77 und Abbezahlen ν_d zwischen 32 und 36 auf und gehören damit zur optischen Glasart Lanthanflint (LaF). Ihre Teildispersion im blauen Bereich des Spektrums P_g,F sowie die Anomalie dieser Teildispersion ΔP_g,F [10^-4] weisen sie als Gläser mit positiv anomaler Teildispersion aus. Mit diesen optischen Eigenschaften sowie mit ihrer guten Schmelz- und Verarbeitbarkeit sind die erfindungsgemä ßen Gläser auch als optische Gläser hervorragend geeignet.

Tabelle 1

Zusammensetzungen (in Gew.-% auf Oxidbasis) und wesentliche Eigenschaften (1-3: Gläser, 4-8: Glaskeramiken)

Claims

1. Glas mit hohem E-Modul gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) von:
SiO₂ 17-34 B₂O₃ 1-8 Al₂O₃ 0-8 Li₂O 0-< 2 Na₂O < 3-10 mit Li₂O + Na₂O ≧ 5 MgO 10-20 CaO 4-12 TiO₂ 14,5-25 ZrO₂ 1-8 Nb₂O₅ 0,5-4,5 La₂O₃ 5,5-15 Ce₂O₃ 0-8 mit La₂O₃ + Ce₂O₃ ≦ 16

sowie ggf. übliche Läutermittel in üblichen Mengen

2. Glaskeramik mit hohem E-Modul gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung des Grundglases (in Gew.-% auf Oxidbasis von)
SiO₂ 17-34 B₂O₃ 1-8 Al₂O₃ 0-8 Li₂O 2-10 Na₂O 0,5-10 mit Li₂O + Na₂O ≧ 5 MgO 10-20 CaO 4-12 TiO₂ 14,5-25 ZrO₂ 1-8 Nb₂O₅ 0,5-4,5 La₂O₃ 5,5-15 Ce₂O₃ 0-8 mit La₂O₃ + Ce₂O₃ ≦ 16

sowie ggf. übliche Läutermittel in üblichen Mengen

3. Glas oder Glaskeramik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt 0,2 bis 7,5 Gew.-% eines oder mehrerer farbgebender Mittel, ausgewählt aus der Gruppe CoO, CuO, V₂O₅, Cr₂O₃, enthalten sind, wobei der Anteil einer einzelnen Komponente 5 Gew.-% nicht überschreitet.

4. Glas oder Glaskeramik nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß 0,1 bis 0,5 Gew.-% Sb₂O₃ enthalten sind.

5. Glas oder Glaskeramik nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bis auf unvermeidliche Verunreinigungen kein Arsenoxid enthalten ist.

6. Glas nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 5, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) von:
SiO₂ 20-30 B₂O₃ 2-7 Al₂O₃ 1-5 Na₂O 5-10 MgO 10-20 CaO 4-10 TiO₂ 15-25 ZrO₂ 3-7 Nb₂O₅ 0,5-4 La₂O₃ 6-12 Ce₂O₃ 0-3,5 mit La₂O₃ + Ce₂O₃ ≦ 13

sowie ggf. übliche Läutermittel in üblichen Mengen

7. Glas nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) von:
SiO₂ 24-30 B₂O₃ 2-7 Al₂O₃ 2-5 Na₂O 5-8 MgO 10-18 CaO 4-10 TiO₂ 16-25 ZrO₂ 4-6 Nb₂O₅ 0,5-3,5 La₂O₃ 6,5-9,5 Ce₂O₃ 0-1,5 mit La₂O₃ + Ce₂O₃ 8-10

sowie ggf. übliche Läutermittel in üblichen Mengen

8. Glas nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es chemisch vorspannbar ist und einen Elastizitätsmodul E zwischen 100 × 10³ N/mm² und 120 × 10³ N/mm², einen spezifischen Elastizitätsmodul E/ρ zwischen 30 × 10⁵ Ncm/g und 36 × 10⁵ Ncm/g und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20/300 zwischen 8,0 × 10^-6/K und 11,0 × 10^-6/K aufweist.

9. Glaskeramik nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5, die Lithiumtitanat als vorherrschende Kristallphase enthält, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung des Grundglases (in Gew.-% auf Oxidbasis) von:
SiO₂ 20-30 B₂O₃ 2-7 Al₂O₃ 0-3 Li₂O 3-9 Na₂O 1-8 mit Li₂O + Na₂O ≧ 5 MgO 10-18 CaO 6-10 TiO₂ 15-25 ZrO₂ 3-7 Nb₂O₅ 0,5-4 La₂O₃ 6-12 Ce₂O₃ 0-3,5 mit La₂O₃ + Ce₂O₃ ≦ 13

sowie ggf. übliche Läutermittel in üblichen Mengen

10. Glaskeramik nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5 oder 9, die Lithiumtitanat als vorherrschende Kristallphase enthält, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) von:
SiO₂ 24-30 B₂O₃ 2-5 Al₂O₃ 0-2 Li₂O 3-9 Na₂O 1-5,5 mit Li₂O + Na₂O ≧ 5 MgO 10-16 CaO 7-10 TiO₂ 16-25 ZrO₂ 4-6 Nb₂O₅ 0,5-3,5 La₂O₃ 6,5-9,5 Ce₂O₃ 0-1,5 mit La₂O₃ + Ce₂O₃ 8-10

sowie ggf. übliche Läutermittel in üblichen Mengen

11. Glaskeramik, nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5 oder 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus dem Grundglas während des Abkühlens nach der Heißformgebung keramisiert.

12. Glaskeramik nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Abkühlen mit 25 bis 45 K/h, ausgehend von T_K = T_g + 10 K, hergestellt ist.

13. Glaskeramik nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5 oder 9 bis 12, die einen Elastizitätsmodul E zwischen 120 × 10³ N/mm² und 145 × 10³N/mm², einen spezifischen Elastizitätsmodul E/ρ zwischen 36 × 10⁵ Ncm/g und 45 × 10⁵ cm/g und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20/300 zwischen 8,0 × 10^-6/K und 11,0 × 10^-6/K aufweist.

14. Verwendung des Glases nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 8 zur Herstellung eines vorgespannten Substratglases für Festplatten.

15. Verwendung der Glaskeramik nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5 oder 9 bis 13 zur Herstellung von Festplattensubstraten.