JP3947087B2 - ガラス製造用スターラー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラスの製造工程において、溶融状態のガラスを攪拌、均質化するためのガラス製造用のスターラーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスの製造工程においては、調整・混合されたガラス原料を溶融した後、溶融状態のガラスを攪拌して均質化し成分、屈折率等の均一化を行った後、成形をして製品とされる。このガラス攪拌工程は、製品の品質を確保するためには重要かつ不可欠な工程である。そして、このような攪拌工程を経たガラスの製造工程は、各種のガラス製造で広く適用されるプロセスであり、各種レンズ用の光学ガラスの他、液晶ディスプレイ用ガラス、ハードディスク基板用ガラス、ＣＣＤ用ガラスといった電子デバイスのガラス基板となる高硬度ガラスの製造にも適用されている。
【０００３】
このガラスの攪拌工程においては、溶融ガラス槽にスターラー（攪拌棒）を挿入し、スターラーを回転させることにより行われている。スターラーは、回転軸となる攪拌軸と攪拌翼とからなるが、その形状、材質には様々なものが知られており、攪拌翼については、棒状、らせん状、竹トンボ状等、種々の形状のものが採用されており、材質についても、各種の白金系材料（白金、白金合金、分散強化型白金合金）が適用されている（ガラス攪拌装置に関する先行技術としては、特許文献１及び特許文献２が例として挙げられる。）。白金系材料が溶融ガラス攪拌装置の構造材料として用いられているのは、溶融ガラスの温度が１０００℃以上の高温であることから、高温における機械的強度、融点、耐酸化性、ガラス耐食性を総合的に勘案して白金系材料が適当であることによる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−７２４２６号公報
【特許文献２】
特開２００１−１８０９４３号公報
【０００５】
ところで、ガラスの攪拌工程においては、従来から組成の不均一（脉離）のような欠陥の発生を抑制することが本来の課題であったが、最近になって、ガラス中への介在物（インクルージョン）の発生がより大きな問題となる事案が生じている。このインクルージョンの問題は、特に、液晶ディスプレイ用ガラス等の硬質ガラスの製造において顕著となっている。ガラス中のインクルージョンの問題について、液晶デスプレイ（ＴＦＴディスプレイ）の基板用ガラスを例にとって説明すると、図３のようになる。
【０００６】
液晶ディスプレイの構造は、図３（ａ）で示すように、ガラス基板１００上に電極膜及び薄膜トランジスタ膜１０１が蒸着された液晶パネル１１０と、フィルター１１１と両者の間に充填される液晶１１２とからなる。この液晶ディスプレイのガラス基板に、図３（ｂ）のようにインクルージョンが発生すると、それが基板内部で生じる場合には影響はさほどないが、ガラス基板表面近傍に生じた場合、基板表面に起伏が生じる。このように起伏が生じた場合、電極膜、薄膜トランジスタ膜の断線が生じたり、液晶の厚さが変化するために色ムラが生じることとなる（図３（ｃ））。この問題は、特に、ノートパソコンの小型化及びディスプレイの薄型化の要求に伴い、ガラス基板の厚さ及び液晶の厚さが更に薄くなっていることから、より顕著になるものと考えられる。
【０００７】
ここで、ガラス中に残留するインクルージョンの組成について検討を行なうと、このインクルージョンは白金を主成分とするものであることが把握されている。また、この点に関して更なる検討、調査を行ったところ、ガラス中のインクルージョンは、ガラス攪拌部分において非常に発生割合が高いことが解明されている。そして、このようなことから、インクルージョンは、溶融ガラス攪拌装置（攪拌槽、スターラー）、の構造材料である白金系材料、特にスターラーを構成する白金系材料に由来するものと考えられている。そこで、インクルージョンの発生を防止する手段としては、ガラス溶解、攪拌時の溶解条件、攪拌条件の変更、又は、溶融ガラス攪拌装置の構造又はその材料の見直しが考えられる。
【０００８】
しかしながら、溶解条件、攪拌条件を変更することは、ガラスの溶解を不十分にし組成の不均一を生じさせるおそれや、生産効率を悪化させるおそれがあり、必ずしも容易な対策ではない。従って、インクルージョンの抑制手段としては、攪拌装置について何らかの改良を行なうことが有効かつ現実的な策と考えられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような背景の下なされたものであり、溶融ガラスの攪拌工程において、ガラス中のインクルージョンの発生を抑制することのできるスターラーを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、インクルージョン発生の要因について検討した。従来より把握されていたインクルージョンの要因は複数ある。これまで指摘されてきた要因としては、ガラス溶融時に発生する白金含有揮発物が温度の低くなった部位で固体となり溶融ガラス中に落下する現象、攪拌装置より生じる白金蒸気と攪拌槽に投入されるガラスとが接触し、白金がガラス中に取り込まれるという現象、更に、白金材料のガラスへの化学的な溶解等いくつかの要因によるものが知られている。これらの従来の考えに対し、本発明者等は、これらに加え新たにスターラーと溶融ガラスとの摩擦の影響を考えた。
【００１１】
スターラーの摩耗とインクルージョン発生との因果関係については、これまで明確に指摘されることはなかった。そして、スターラーの構造材料も硬度を考慮して選択されたものではなく、高温強度、特に、耐変形能の指標となる高温クリープ特性を考慮した材料開発が主であった。これに対し本発明者等は、スターラーの摩耗こそインクルージョンの要因であると考え、インクルージョンを生じさせ難いスターラーとするためには、耐摩耗性の高い材料、つまり、高硬度の材料を適用するのが好ましいと考え本発明に想到した。
【００１２】
即ち、本発明は、攪拌軸と、攪拌翼とからなるガラス製造用スターラーにおいて、少なくとも攪拌翼の端部が１６００℃で２時間加熱処理後のビッカース硬度が１１０〜５００Ｈｖの材料からなることを特徴とするガラス製造用スターラーである。
【００１３】
本発明に係るスターラーは、その硬度を従来の材料よりも高硬度としたことで、溶融ガラスとの接触によっても摩耗することなくインクルージョンとなり得るガラスへの混入が極めて少ない。これは、特にインクルージョンの問題が頻出する液晶ディスプレイ用ガラス等の高硬度ガラスの製造において顕著である。この硬質ガラスは溶融時（溶融温度：１５００〜１６００℃）の粘度も高いが、本発明に係るスターラーは、かかる高粘度の流体中においても摩耗することがないからである。
【００１４】
ここで、本発明に係るスターラーの構成材料について、１６００℃の熱処理後の硬度を基準とするのは、硬質ガラスのような高融点ガラス中での使用を考慮したものである。そして、硬度の値を１１０Ｈｖ以上とするのは、これ未満の硬度では、摩耗によるガラスへの構成材料の混入を十分抑制できないからである。また、５００Ｈｖを上限とするのは、高温での脆性に乏しく加工時にクラックが発生するおそれがあること、また、溶接による固定にも問題があることによる。
【００１５】
そして、かかる条件を具備する材料としてより好ましいのは、溶融ガラスという高温環境の下において、ガラスとの反応や変形が生じることのない化学的安定性を及び機械的強度を有する材料である。このようなことから、本発明に係るスターラーの構成材料としては、ロジウム、２０重量％以上のロジウムを含む白金−ロジウム合金、白金−ジルコニウム合金、白金−イリジウム合金、白金−タングステン合金、白金−ニッケル合金、白金−ロジウム−ジルコニウム合金を適用するのが好ましい。
【００１６】
白金−ロジウム合金についてロジウム含有量を２０重量％以上とするのは、この濃度以下のロジウム含有量では硬度が不足し、摩耗によるインクルージョンの発生を抑制できないからである。尚、白金−ロジウム合金は、従来からスターラーの構成材料として知られているが、これまで用いられてきた白金−ロジウム合金は、ロジウム含有量が１０重量％と比較的低く、この材料を適用してもインクルージョンの問題が生じることが確認されている。
【００１７】
また、これらの材料は、上記範囲内の硬度を有していても、分散強化型合金のような複数相からなる合金よりも単相の固溶合金を適用するのが好ましい。分散強化型合金のように微小な第２相が分散された合金を用いる場合、使用過程において合金表面の分散相が剥離し易く、分散相剥離により生じる合金表面の凹部が起点となって材料の変形、剥離が生じこれがインクルージョンとなるおそれがあるからである。
【００１８】
尚、本発明に係るスターラーにおいては、高硬度の材料が「少なくとも」攪拌翼の端部に備わっていれば良い。つまり、スターラー全体が高硬度材料で形成されていても良いが、攪拌翼、あるいはその先端部のみを高硬度材料で形成されていても良い。インクルージョンの要因はスターラーの摩耗によるが、この摩耗は攪拌軸や攪拌翼の根元（攪拌軸との接合部）では生じにくく、摩耗が生じやすいのは周速が大きく、かつ、攪拌槽との間隙においてガラスの剪断を伴う攪拌翼先端部である。従って、少なくとも攪拌翼の先端に高硬度材料を配することでインクルージョンの抑制は十分達成できると考えられる。従って、スターラーの構成材料の選定は、攪拌翼の形状、材料コスト等を考慮して行なうが、攪拌翼の端部以外の部分の構成材料としては、従来通り、高温での機械的特性を主に考慮すれば良い。例えば、攪拌軸については、従来より用いられている白金系合金（白金、白金−低ロジウム合金、分散強化型白金合金等）を用い、攪拌翼に上記した高硬度材料を適用しても良い。また、攪拌翼全体を上記した高硬度材料で構成させる場合でも先端部とそれ以外の箇所の材料を変更させても良い（例えば、攪拌翼先端を白金−３０重量％ロジウム合金とし、それ以外を白金−２０重量％ロジウム合金とするように、ロジウム濃度を変更させた攪拌翼を用いても良い）。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面と共に説明する。本実施形態では、ロジウム濃度２０重量％以上の３種類の白金−ロジウム合金及び純ロジウムよりなる攪拌翼を備えるスターラーを製造し、これらを用いてガラスの攪拌を行った。また、比較例として、従来より用いられていた強化白金（０．３重量％ジルコニウムを含有する粒子分散強化形白金合金：商品名ＧＴＨ）及び白金−１０重量％ロジウム合金よりなる攪拌翼についてもガラス攪拌を実施し、両者の相違を検討した。
【００２０】
まず、本実施形態で使用した白金−ロジウム合金、ロジウム、白金合金について、鋳造、圧延後に熱処理を行わない状態での硬度、及び、１６００℃で２時間加熱除冷した後の硬度を測定した。その結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
次に、これらの材料を攪拌翼としてスターラーを作成し、溶融ガラスの攪拌を行った。このとき攪拌翼の形状は丸棒形状とした。また、攪拌軸については、材質として比較例の材料と同じＧＴＨを適用し丸棒形状とした。攪拌軸と攪拌翼との接合は溶接による。このスターラーの外観を図１（ａ）に示す。
【００２３】
図１（ｂ）は、この攪拌試験の試験装置を概略示す図である。攪拌試験は、攪拌槽２０にガラス２１を入れこれを溶解してスターラー１０で攪拌した。このときの溶融ガラス２１の温度は１４５０℃〜１５００℃の間になるように制御した。また、スターラー１０の回転数は１５ｒｐｍとし、攪拌時間を４００時間とした。
【００２４】
攪拌試験後、スターラーを取り出して冷却、付着したガラスを除去し、まず、表面の光沢の有無を観察した所、従来の強化白金合金（ＧＴＨ）及び白金−１０％ロジウム合金からなる攪拌翼では光沢がなくなっていた。他方、ロジウムを２０重量％含有する白金合金及びロジウムの場合、いずれも僅かに光沢を残しているのが確認された。そこで、次に、攪拌試験後の攪拌翼のうち、白金−２０％ロジウム合金、白金−３０％ロジウム合金、ＧＴＨの表面形態を電子顕微鏡で観察した。図２はその結果を示すが、これらの図からわかるように、本実施形態に係るロジウムを２０重量％含有する白金合金（図２（ａ）、（ｂ））では、結晶粒界のエッチングはみられるが、表面に大きな荒れはみられなかった。一方、強化白金合金（図２（ｃ））については表面の荒れが目だった。そこで、更にこれらにつき表面粗さを測定したところ、表２のような結果を得た。
【００２５】
【表２】

【００２６】
以上の表面観察、表面粗さの測定結果より、本実施形態に係るロジウムを２０重量％、３０重量％含有する白金合金を適用した攪拌翼は、従来の白金材料を適用したものよりも溶融ガラスによる摩耗が少ないことが確認された。そして、この違いは両者により製造されるガラス中のインクルージョンの量でも現れた。即ち、ガラス中に存在するインクルージョン量をガラスの透過検査で測定したところ、従来の材料で製造されたガラスと本実施形態で製造されたガラスとの間には１０倍以上の違いがみられた。以上の相違は、表面粗さの測定を行っていない、白金−４０％ロジウム合金及びロジウムでも同様である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、溶融ガラスを攪拌する際ガラス中にインクルージョンを発生させることなくガラスの均質化を図ることができる。これにより製品の不良率を大幅に低減することができる。本発明は、特に、液晶ディスプレイ用ガラス、ハードディスク基板用ガラス等のような硬質ガラス又は今後より薄型の製品が求められるガラスの製造に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態で想像したスターラー及び攪拌試験の概要を示す図。
【図２】攪拌試験後の各攪拌翼表面の電子顕微鏡像。
【図３】液晶ディスプレイの構造概略及びインクルージョンが生じた場合の欠陥を説明する図。
【符号の説明】
１０ スターラー
２０ 攪拌槽
２１ 溶融ガラス
１００ ガラス基板
１０１ 電極膜及び薄膜トランジスタ膜
１１０ 液晶パネル
１１１ フィルター
１１２ 液晶

Claims (1)

1. 攪拌軸と、攪拌翼とからなるガラス製造用スターラーにおいて、
   前記攪拌翼は、１６００℃、２時間加熱処理後のビッカース硬度で１１０〜５００Ｈｖとなる、２０〜４０重量％のロジウムを含む白金−ロジウム合金からなり、
   前記攪拌軸は、白金−１０％ロジウム合金、分散強化型白金合金のいずれかよりなることを特徴とするガラス製造用スターラー。

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