JP3120423B2 - 結晶化ガラス物品の製造方法 - Google Patents

結晶化ガラス物品の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、結晶化ガラス物品の製
造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】結晶化ガラスは、ガラス中に析出する種
々の結晶によって非晶質のガラスには無いユニークな特
性を示す材料である。例えばβ−石英固溶体、β−スポ
ジュメン固溶体等の結晶を析出させると極めて低膨張
の、或いはマイナス膨張を示す結晶化ガラスが得られ
る。しかも一般に結晶化ガラスは、これらの結晶の存在
により、ガラスに比べて高い機械的強度を有している。
【0003】近年、このような優れた特性を有する結晶
化ガラスを、細棒状、細管状、薄板状等に精密加工し
て、電子部品、精密機械部品等の精密な寸法精度が要求
される製品分野に応用する試みがなされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ガラスを精密に加工す
る方法として、リドロー成形法と呼ばれる成形方法が知
られている。この方法は、適当な精度を有するように予
備成形されたガラス成形体を、ガラスの軟化点以上の温
度に加熱しながら延伸成形するというものであり、高精
度が要求されるガラス製品を連続的に製造する方法とし
て広く採用されている。
【0005】ところが従来の結晶化ガラスの場合、ガラ
スと同様にリドロー成形することは以下の理由から困難
である。即ち、従来の結晶化ガラスは、耐熱性が高過ぎ
たり、加熱時に失透が生じて延伸が困難であったり、加
熱によって結晶量が変動して物性が大きく変化する等の
問題を有しているためである。そこで結晶化ガラスとな
る前のガラス、所謂原ガラスをリドロー成形することも
考えられたが、この種のガラスは加熱により結晶化し易
いように設計されているため、リドロー成形のために原
ガラスを加熱すると必然的に失透が発生し、寸法のみな
らず物性までも制御できなくなる。
【0006】それゆえ結晶化ガラスを精密加工する場合
は、セラミックスと同様の機械加工を余儀なくされ、非
常なコスト高になっているのが現状である。
【0007】本発明はこの様な事情に鑑みなされたもの
で、結晶化後にリドロー成形が可能な結晶性ガラスを
いた結晶化ガラス物品の製造方法を提供することを目的
とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は幾多の研究を
重ねた結果、結晶化ガラスがリドロー成形可能であるた
めには、加熱すると軟化して延伸可能であること、及び
加熱しても結晶相が安定であることの2点が重要である
との知見から、結晶化後にリドロー成形可能な結晶性ガ
ラスの必須条件を特定した。
【0009】即ち、本発明の結晶化ガラス物品の製造方
法は、析出結晶粒子が10μm以下、ガラス相の割合が
10〜85体積%、且つ、主結晶の融解点よりも軟化点
が低い結晶化ガラスとなる性質を有する結晶性ガラスを
予備成形し、続いて結晶化させた後、軟化点以上の温度
に加熱しながら延伸成形することを特徴とする。
【0010】
【作用】本発明の方法において使用する結晶性ガラス
は、結晶化させると10μm以下、好ましくは5μm以
下の結晶粒子を析出する。析出する結晶粒子の大きさが
10μmを越えると、リドロー成形した際の伸びが著し
く低下するとともに結晶が表面に突き出てしまい、失透
物の発生原因となったり、寸法や材料物性を大幅に劣化
させる。
【0011】また上記結晶性ガラスは、ガラス相の割合
が10〜85体積%、好ましくは20〜65体積%の結
晶化ガラスとなる。得られる結晶化ガラスのガラス相が
10体積%よりも少ないとリドロ−成形に充分な軟化性
が得難く、85体積%よりも多いと結晶量が少なくなる
ために結晶化ガラスとしての特性が劣化し易くなる。
【0012】また上記結晶性ガラスは、軟化点が主結晶
の融解点より低い結晶化ガラスとなる。軟化点が融解点
よりも低ければ、融解点より低い温度でリドロー成形す
ることが可能となり、成形後に結晶が残るため、実質的
に結晶化ガラスとしての特性を維持したまま成形を行う
ことができる。結晶化ガラスの軟化点及び融解点は示差
熱分析(DTA)によって測定することができる。なお
示差熱分析により軟化 点が検出できない結晶化ガラス
は、加熱すると結晶が著しく析出したり、ガラス相の割
合が少な過ぎて軟化しない結晶化ガラスであり、リドロ
ー成形不可能なものである。
【0013】本発明の方法において使用する結晶性ガラ
スは、以上の特性を有する結晶化ガラスとなるものであ
れば、析出結晶やガラス組成は特に限定されるものでは
ない。析出結晶の種類は目的と用途によって選定される
べきで、ガラスの組成系もそれに伴って決定される。例
えば、低膨張の結晶化ガラスを所望する場合には、β−
石英固溶体やβ−スポジュメン固溶体を主結晶として析
出する性質を有するLi 2 O−Al 2 3 −SiO 2 系結晶
性ガラスが好適である。以下、この系の結晶性ガラスに
ついて説明する。
【0014】Li 2 O−Al 2 3 −SiO 2 系の結晶性ガ
ラスの場合、上述の特性を発現させるに当たっては、重
量百分率でSiO 2 55〜72%(好ましくは62〜
68.5%)、Al 2 3 14〜30%(好ましくは1
6〜24.5%)、Li 2 O1.5〜3%(好ましくは
1.8〜2.8%)、K 2 O 1〜10%(好ましくは
2.5〜7%)の組成を有するものを使用することが好
ましい。
【0015】各成分の割合をこのように限定した理由は
次の通りである。
【0016】SiO 2 はガラスの主たる構成成分である
と共に結晶成分となる。SiO 2 が55%よりも少ない
と均一な構造の結晶化ガラスとならず、72%よりも多
いと得られる結晶化ガラスの軟化点が高くなると共にガ
ラス溶融時の溶融性が悪くなって不均一状態となるた
め、部分的に失透しやすくなってリドロー成形性が著し
く低下する。
【0017】Al 2 3 も結晶構成成分となるが、14%
より少ないと析出する結晶が粗大化してリドロー成形性
が著しく低下する。一方、30%より多くなるとリドロ
ー時に失透が発生しやすくなる。
【0018】Li 2 Oは結晶の構成成分となるが、1.
5%よりも少ないと均一な結晶化ガラスとなり難く、3
%より多くなると結晶性が強くなりすぎて、得られる結
晶化ガラスのガラス相の割合が不充分になる。
【0019】 2 Oは結晶性を制御するための必須成分
で、得られる結晶化ガラスのガラス相の割合と軟化点に
重要な影響を及ぼす。即ち、K 2 Oが1%未満であると
結晶性が強くなりすぎて得られる結晶化ガラスのガラス
相の割合が不充分になるとともに、結晶化ガラスの軟化
点が高くなる。一方、10%を越えると結晶化し難くな
る。
【0020】この組成系においては、上記成分の他にT
iO 2 を1〜5%(好ましくは1.5〜3.5%)、Z
rO 2 を0〜4%(好ましくは1.5〜2.5%)、た
だしTiO 2 とZrO 2 は合量で2〜9%(好ましくは3
〜6%)、ZnOを0〜10%(好ましくは1.5〜5
%)、MgOを0〜2.5%(好ましくは0〜1.5
%)、CaOを0〜4%(好ましくは0〜1%)、Ba
Oを0〜6%(好ましくは0〜2%)、B 2 3 を0〜7
%(好ましくは0〜5%)、Na 2 Oを0〜4%(好ま
しくは0〜1%)、P 2 5 を0〜8%(好ましくは0〜
0.5%)加えることが望ましい。各成分の限定理由は
次の通りである。
【0021】TiO 2 とZrO 2 は結晶を析出させる際に
核となる物質で、結晶を細かくする作用を有する。両者
の合計が2%よりも少ないと、緻密な結晶が得難くな
る。また両者の合計が9%を越えるか、或いはそれぞれ
単独で上記の範囲の上限を越えるとガラスが不均一にな
り易い。
【0022】ZnO、MgO、CaO、BaO、B 2 3
及びNa 2 Oはいずれも得られる結晶化ガラスの軟化点
を低下させるのに有効な成分であり、それぞれ上記の範
囲で添加することができるが、これらの範囲を越えると
異種結晶が析出し易くなって失透性が強くなる。
【0023】 2 5 は結晶を細かくする作用を有する
が、8%よりも多くなると失透性が強くなる。
【0024】なおこれ以外にも、合量で5%をこえない
範囲で、さらにAs 2 3 、Sb 2 3 、SnO 2 、Pb
O、Bi 2 3 等を加えることもできる。
【0025】次に、上記結晶性ガラスを用いた本発明の
結晶化ガラス物品の製造方法について説明する。
【0026】まず、上記結晶性ガラスを所望の形状に予
備成形する。
【0027】続いて予備成形された結晶性ガラスを結晶
化させる。なお結晶化するに当たっては、再び加熱して
も結晶化が実質的に進行しないようにしておくことが望
ましい。これは、リドロー成形によって新たに発生する
表面は内部よりも自由エネルギーが高いため、結晶化が
進行し易いと表面に粗大な結晶(失透物)が集中して析
出し、リドロー成形が困難になったり、成形品の寸法や
物性が大幅に劣化してしまうためである。なおここで”
結晶化が実質的に進行しない”とは、具体的には軟化点
以上の温度に加熱し、保持しても結晶相が15体積%以
上、好ましくは10体積%以上増加しないことを意味す
る。
【0028】その後、得られた結晶化ガラスを軟化点以
上の温度に加熱しながら延伸成形し、所望の長さで切断
することにより、リドロー成形された結晶化ガラス物品
を得ることができる。
【0029】なお結晶性ガラスの結晶化工程とその後の
延伸成形工程とは、それぞれ独立して行ってもよいが、
温度スケジュールを適当に調整することによって一工程
内で連続的に行っても差し支えない。
【0030】
【実施例】 以下、実施例に基づいて本発明を説明する。
【0031】表1は本発明の実施例(試料No.1〜
5)、表2は比較例(試料No.6、7)をそれぞれ示
している。
【0032】
【表1】
【0033】
【表2】
【0034】表に示した組成となるように調合したガラ
ス原料をガラス溶解窯に投入し、1650℃にて24時
間溶融した後、直径50mm、長さ500mmの円柱状
に鋳込んだ。
【0035】次いで、結晶性ガラスの外周をダイヤモン
ドツールで研削して真円度を整え、直径400mmの予
備成形体とした後、電気炉で加熱して結晶化させた。な
お結晶化は、表1及び表2に示す核形成温度及び結晶成
長温度で各々4時間加熱することにより行った。
【0036】このようにして得られた結晶化ガラス予備
成形体について、析出結晶粒子の種類と粒径、ガラス相
の占める割合、主たる結晶の融解点、結晶化ガラスの軟
化点を測定した。
【0037】
【表3】
【0038】
【表4】
【0039】続いて図1に示すように、結晶化ガラス予
備成形体Gを、環状電気炉1の上部から5mm/分の速
度で連続的に送り込み、軟化変形して下方に伸びた成形
体の下端をローラー2に挟んで、直径2.5mmの細棒
となるように1280mm/分の速度で延伸し、成形性
を評価した。なお図中、gは成形された結晶化ガラス物
品を示している。またリドロー成形は表3及び表4に示
した温度で行った。各試料の評価結果を表3及び表4に
示す。
【0040】表から明らかなように、本発明の実施例で
あるNo.1〜5の試料を用いて作製した結晶化ガラス
は、結晶粒径が2.5μm以下、ガラス相の割合が20
〜65体積%であり、しかも軟化点が主結晶の融解点よ
りも低かった。これらの結晶化ガラスについてリドロー
成形性を評価したところ、何れも良好な成形性を示し
た。
【0041】これに対して、比較例であるNo.6の試
料を用いて作製した結晶化ガラスは 、ガラス相の割合が
極めて少ないために軟化点が測定できなかった。次に成
形性を評価したところ、軟化変形が不充分で延伸するこ
とができなかった。また試料No.7を用いて作製した
結晶化ガラスは、結晶粒子が15μmと粗大であった。
さらに成形性を評価したところ、延伸中にガラスが切断
し、また失透物が認められた
【0042】なお、主たる析出結晶の種類はX線回折
(XRD)によって特定し、析出結晶粒子の粒径及びガ
ラス相の占める割合は、走査型電子顕微鏡(SEM)を
用いて測定した。主たる結晶の融解点及び結晶化ガラス
の軟化点は、150メッシュ以下の粉末にした試料を用
い、示差熱分析(DTA)によって測定した。またリド
ロー成形性(伸び、失透物の有無)は次のようにして評
価した。伸びについては、リドロー成形中に切断が生じ
なかったものを良、切断したもの及び全く伸びなかった
ものを不良とした。失透物については成形後の試料の表
面を目視で観察し、失透物が認められなかったものを
無、認められたものを有とした。
【0043】
【発明の効果】 以上のように、本発明の方法によれば、
寸法精度が高い結晶化ガラス製品を安価に供給できるた
め、電子部品、精密機械部品等に使用される結晶化ガラ
ス物品の製造方法として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】リドロー成形を示す説明図である。
【符号の説明】 G 結晶化ガラス予備成形体 g リドロー成形された結晶化ガラス物品 1 環状電気炉 2 ローラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C03C 1/00 - 14/00 C03B 19/00 - 19/10 C03B 32/00 - 32/02

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 析出結晶粒子が10μm以下、ガラス相
    の割合が10〜85体積%、且つ、主結晶の融解点より
    も軟化点が低い結晶化ガラスとなる性質を有する結晶性
    ガラスを予備成形し、続いて結晶化させた後、軟化点以
    上の温度に加熱しながら延伸成形することを特徴とする
    結晶化ガラス物品の製造方法。
  2. 【請求項2】 主結晶としてβ−石英固溶体又はβ−ス
    ポジュメン固溶体が析出する性質を有する結晶性ガラス
    を使用することを特徴とする請求項1の結晶化ガラス物
    品の製造方法。
  3. 【請求項3】 主成分としてSiO 2 、Al 2 3 、Li 2
    O、K 2 Oを含有し、これら各成分の含有量が重量百分
    率でSiO 2 55〜72%、Al 2 3 14〜30
    %、Li 2 O 1.5〜3%、K 2 O 1〜10%の範囲
    にある結晶性ガラスを使用することを特徴とする請求項
    1の結晶化ガラス物品の製造方法。
  4. 【請求項4】 重量百分率でSiO 2 55〜72%、
    Al 2 3 14〜30%、Li 2 O 1.5〜3%、K 2
    O 1〜10%、TiO 2 1〜5%、ZrO 2 0〜4
    %、TiO 2 +ZrO 2 2〜9%、ZnO 0〜10
    %、MgO0〜2.5%、CaO 0〜4%、BaO
    0〜6%、B 2 3 0〜7%、Na 2 O 0〜4%、P 2
    5 0〜8%の組成を有する結晶性ガラスを使用する
    ことを特徴とする請求項3の結晶化ガラス物品の製造方
    法。
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