JP6246226B2 - ジルコン基板を結合させる方法 - Google Patents
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Description
本出願は、２０１２年１１月２６日に出願された米国特許出願第１３／６８５，１４９号の優先権を主張し、その内容全体を参照により本明細書に援用する。
この開示は、概して、結合剤を用いずに、耐火性成分を結合させて、より大きな耐火性基板を形成する方法に関する。耐火性基板は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）およびプラズマディスプレイのような高精度ガラス基板の製造におけるフュージョンダウンドロープロセス用の耐火性成形体を作ることにおいて有用となり得る。
液晶およびプラズマディスプレイのような近年販売されている高性能ディスプレイ装置は、典型的には、２つの高精度ガラスシート、すなわち、電子回路素子用の基板としての一方のシート、および、カラーフィルター用の基板としての他方のシートを用いる。そのような高品質ガラス基板を作るための先端技術は、コーニング社により開発され米国特許第３，３３８，６９６および３，６８２，６０９号に記載されているオーバーフローフュージョンダウンドロープロセスである。
フュージョンダウンドロープロセスは、典型的には、２つの上側トラフ壁およびトラフ底を含む上側トラフ部分と、基底で結合するように傾斜して下方向に向かう２つの主要側面を有する楔型断面の下側部分とを含む成形体を利用する。上側トラフ壁と、下側部分の主要側面とが、基底で結合する２つの連続的成形面を形成する。操作中、溶融ガラスが上側トラフ内に充たされ、トラフの上面（すなわち堰）を溢れ出し、２つの成形面に沿って下降し、遂には基底で集まって、成形体の表面に晒されていない２つの無傷外側面を有する単一のガラスリボンを形成する。リボンは引き下ろされ冷却されて、所望の厚さおよび無傷の表面品質を有する弾性ガラスシートを形成する。
消費者は高性能ディスプレイを要求し、さらに膨らむ寸法および画質要求によって、大きな無傷ガラスシートを製造するために用いられる製造方法に課題がもたらされている。ガラス基板が大きいほど、基板を製造するために成形体が大きくならなければならない。従来、成形体は、ジルコンのような耐火性材料の一つの単位片を冷間静水圧プレスすることにより形成される。当然、単一の耐火性材料からより大きな成形体を作るためには、より大きな静水圧プレスが必要とされる。しかしながら、焼成中の原料耐火性材料の収縮により引き起こされる寸法低下、および成形体を製造するための耐火性基板のその後の機械加工を考慮すると、必要とされる静水圧プレスの大きさは、成形体の所望の寸法が大きくなると、著しく大きくなり得る。そのような大きな静水圧プレスに多額の資本投資をすることは、特にＧｅｎ−１０（２８５０×３０５０ｍｍ）以上のような大きなガラス基板にとって、経費の妨げとなる。
すなわち、そこから大きな成形体を機械加工することができる大きな耐火性基板を作るための効率的かつ費用効果的な方法が当該産業において求められている。米国特許第７，９８８，８０４号は、結合剤を用いて複数の小さなジルコン成分を結合させることを含んでなる大きなジルコン塊を製造する方法を提案している。これらの方法は当該産業において著しい改良をもたらす結果となったが、そのような方法は、いまだに、強度低下、非適合性、腐食および筋模様形成のような特定の欠点を持っている。ここに開示の方法は、前記欠点の無い、より大きな耐火性基板を提供し得るものである。
本開示は、種々の態様において、結合剤を用いずに複数の耐火性成分を結合することにより、ジルコン基板のような大きな耐火性基板を作る方法に関する。一つの態様によれば、各成分が少なくとも一つの結合すべき表面を有している複数のジルコン成分を結合することによりジルコン基板が形成され、その方法は、（ａ）結合すべき各表面を２００ｎｍ以下の表面粗さ（Ｒａ）に研磨すること、（ｂ）結合すべき表面を直接接触させて非結合ジルコン基板を形成すること、（ｃ）非結合ジルコン基板を焼成すること、および（ｄ）結合すべき表面を焼成中に圧縮力に付することを含む。特定の態様において、非結合ジルコン基板を、ジルコン成分を焼成させ表面において結合させるのに充分な温度および時間焼成させる。
本開示のもう一つの態様は、各成分が少なくとも一つの結合すべき表面を有している複数の耐火性成分を結合させることにより耐火性基板を形成する方法であって、（ａ）結合すべき各表面を２００ｎｍ以下の表面粗さ（Ｒａ）に研磨すること、（ｂ）結合すべき表面を接触させて非結合耐火性基板を形成すること、（ｃ）非結合耐火性基板を焼成すること、および（ｄ）結合すべき表面を焼成中に圧縮力に付することを含んでなり、非結合耐火性基板を、耐火性成分を焼結させ表面において結合させるのに充分な温度および時間焼成することを特徴とする方法に関する。種々の態様において、耐火性材料は、例えば、ジルコンまたはアルミナから選択され得る。
本開示のさらなる態様は、ジルコン成形体のような耐火性成形体を作る方法であって、（ａ）各々が少なくとも一つの結合すべき表面を有する複数の耐火性成分を結合することにより耐火性基板を調製することを含み、その結合する工程は、（ｉ）結合すべき各表面を２００ｎｍ以下の表面粗さ（Ｒａ）に研磨すること、（ｉｉ）結合すべき表面を直接接触させて非結合耐火性基板を形成すること、（ｉｉｉ）非結合耐火性基板を焼成すること、および（ｉｖ）結合すべき表面を焼成中に圧縮力に付することを含み、かつ、（ｂ）上記の耐火性基板を所望の形状および寸法に加工して耐火性成形体を形成することを含んでなる方法に関する。特定の態様において、非結合耐火性基板を、耐火性成分を焼結させ表面において結合させるのに充分な温度および時間焼成する。耐火性成分は、種々の態様において、ジルコン成分またはアルミナ成分であってもよい。
さらなる特徴および利点が、以下に続く詳細な説明に提示され、部分的には、その説明から当業者に容易に明らかとなる、または、記載された説明および請求の範囲ならびに添付の図面に記載されたような態様を実施することにより理解される。前記の一般的説明および以下の詳細な説明は単なる例示であり、特許請求の範囲の性質および特徴を理解するための概観または構成を提供することを意図していると解すべきである。
添付の図面は、本開示のさらなる理解を提供するために含まれており、本明細書の一部に含まれそれを構成する。図面は、一または二以上の例示的態様を説明し、本明細書の記載と共に、種々の態様の原理および操作を説明するのに役立つ。
本開示の種々の態様によれば、結合剤を用いずに、少なくとも２つの小さな耐火性成分を結合することにより、より大きな耐火性基板を製造することができる。例えば、２以上の耐火性成分を研磨および／または他の方法で準備し、接触させ、荷重下に焼成して、単一の耐火性基板を製造することができる。すなわち、本開示の方法により、必要な静水圧プレス成形機の改良に係る経費の増加を伴うこと無く、ガラス基板の成形用のような大きな寸法の成形体を製造することができる。本開示は、Ｇｅｎ−１０以上のような大きなガラス基板の製造のための成形体の製造を意図しているが、ここに開示の方法は、単位静水圧プレス法を用いて他の手法で製造することができるＧｅｎ−８（２２００×２５００ｍｍ）以下のような小さなガラス基板の製造にも用いることができることに注目すべきである。
ここに開示の方法は、少なくとも本方法が結合剤を必要としないという理由で、従来技術の方法に対する改良を提供することができる。結合剤は、典型的には、その構成成分と耐火性成分の間で化学反応が起きて効果的結合を形成することを必要とする。全ての結合剤が反応した時点まで反応が首尾よく進行すると、反応体の薄い層を含む接点または接合が、耐火性成分の間に形成される。しかしながら、結合剤が、厚過ぎる層で適用されると、耐火性材料と完全には反応せず、それにより、結合の強さを損なう一または二以上の中間体相が得られることになる場合がある。さらに、未反応材料または予想される反応生成物が、ガラス中の耐火性物質または反応体の異なる溶解性故に、操作中に溶融ガラスにより向上したまたは低下した腐食を示す場合がある。
図１は、従来技術の方法による結合剤を用いた２つのジルコン成分の間の結合不全の様子を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮った後方散乱電子像を示している。結合不全は、例えば、結合剤の異常に厚い層の結果であったかも知れない。結合すべきジルコン耐火性材料１１０を、画像の右側に示す。結合剤は、ジルコン耐火性材料１１０と不完全に反応して、ジルコニア富含チタニア１２０とチタン酸ジルコニウム１３０との混合物を形成した。複数の結合相の存在により、弱い結合、相不適合性および／または腐食問題が生じ得る。中間相１２０および１３０が存在しない、チタニウム富含ジルコニア１４０の薄い層により、完全な反応、すなわち、より成功した結合が示される。
理論により束縛されることは望まないが、明確な結合剤相が存在することなく、溶融ガラスが耐火性材料のみに接触するので、本方法が適合性および／または腐食問題を減少させるまたは除去さえさせ得ると考えられる。さらに、本開示の方法により製造された耐火性基板または成形体は、結合剤の接合が存在しないので、ＭＯＲ強度のような強度の向上を示すことができる。特定の態様において、結合剤が無い、すなわち、例えば焼成または操作中に結合剤および耐火性材料の差異のある熱特性および／または挙動が存在しないので、耐火性基板または成形体は向上した熱衝撃特性も有し得る。
結合剤の使用に係るもう一つの潜在的問題は、さまざまなガラス腐食挙動である。例えば、接合材料が、操作中に耐火性材料よりも腐食しやすいまたは腐食しにくい場合、得られるガラスシートは、筋線または厚さの範囲のばらつきを有し得る。図２Ａおよび２Ｂは、結合剤の使用に係る２つの潜在的に問題のある摩耗パターンを示す。
図２Ａにおいて、２つの耐火性成分２１０および２２０が、結合剤２３０により結合される。この場合、結合剤２３０は、耐火性成分２１０および２２０よりも、高いガラス中溶解性、すなわち、高い腐食性を有する。すなわち、図２Ａにおける結合された基板は、時間および使用の後、徐々に窪み２４０を形成し、それが、最終的ガラス製品において筋を形成する。図２Ｂにおいて、２つの耐火性成分２１０および２２０が、結合剤２３０により結合される。この場合、結合剤２３０は、耐火性成分２１０および２２０よりも、低いガラス中溶解性、すなわち、低い腐食性を有する。すなわち、図２Ｂにおける結合された基板は、時間および使用の後、徐々に突起２５０を形成し、それが、最終的ガラス製品において筋を形成する。
これに対し、図２Ｃは、本開示に従って、すなわち、結合剤を用いずに製造された耐火性基板を示す。耐火性成分２１０および２２０は、結合剤無しに結合され、窪みまたは突起のような望ましくない摩耗パターンを示さない。２つの成分の間に接合２６０が存在するが、見ることができない、または他の方法で検出することができない。結合剤と耐火性成分とが同等のガラス中溶解性を示す場合にのみ、従来技術の方法は、理論的に本開示の腐食プロフィールを達成することができる。すなわち、結合剤の存在により引き起こされる接合を除去することにより、本方法により製造されたガラス成形体は、筋形成の減少した、または特定の態様においては筋形成が無いガラスシートを製造する。
ここに開示の方法を用いて、任意の耐火性材料からなる２以上の成分を結合させることができる。例えば、耐火性成分は、ジルコン、アルミナ、溶融鋳造ジルコニア、または、原子格子または粒界拡散により焼成することができる他の耐火性酸化物から選択することができる。一つの態様によれば、結合すべき耐火性成分はジルコン成分である。他の限定されない態様において、耐火性成分は同じ耐火性材料の異なるタイプである、例えば、耐火性材料は、ジルコンまたはアルミナのような同じ主要成分を含むが、異なる粒子寸法または微量成分を有し得る。限定されない例として、耐火性材料は、クリープ抵抗または強度のような特定の耐火性挙動を向上させ得る他の成分の濃度が異なる様々なタイプのジルコン耐火性材料であり得る。異なる耐火性材料または異なるタイプの耐火性材料の組み合わせは、単位静水圧プレス法を用いる場合、不可能である。
種々の態様によれば、結合すべき耐火性成分は、無機耐火性粉末および種々の他の成分を冷間静水圧プレスし、得られる産物を続いて焼成することにより作られる焼成耐火性体であり得る。耐火性組成物は、焼成助剤およびバインダーのような、セラミックにおいて従来利用されている他の出発材料を含み得る。耐火性成分は、特定の態様において、焼成ジルコン体であってもよい。耐火性組成物は、主要成分に加えて、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＢａＯ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、ＣａＯのような種々の微量成分、および、原材料に固有の種々の他の痕跡または微量成分を含むことができる。
「焼成された」、「焼成体」、「焼成成分」といった用語およびそれらの用語の他の変形は、静水圧プレスされ、耐火性組成物の焼成に充分な温度に付された耐火性組成物を示すために、ここで、交換可能に用いられる。例えば、耐火性成分は、約１０００℃より高い温度、例えば、約１２００℃より高い温度、約１４００℃より高い温度または約１５００℃より高い温度で焼成されてから、本開示に従って結合させることができる。
種々の態様によれば、各耐火性成分は、ここで結合表面とも呼ばれる、少なくとも一つの結合すべき表面を含む。例えば、２つの耐火性成分を結合させる場合、各成分は、結合表面と遠位表面とを有する。結合表面が一緒に合わせられ、遠位表面が、新しく形成された耐火性基板の遠位端となる。３つの成分のような、２つより多くの耐火性成分が結合される場合、２つの端部成分は、結合表面と遠位表面とを有し、中間成分は２つの結合表面を有する。中間成分は、２つの端部成分の間に配され、結合表面が一緒に合わせられ、遠位表面が、新しく形成された耐火性基板の遠位端となる。同様に、１または２以上のさらなる中間成分を加え、２つの結合表面を端部成分の間とすることにより、３を超える成分を同様にして結合することができる。
結合すべき表面は、互いに接触する前に、各々、粉砕および／または研磨される。特定の態様において、結合すべき成分中に存在する最も大きな粒子と少なくとも同程度に細かい粒子寸法の研磨剤を用いて、表面が粉砕および／または研磨される。例えば、結合すべき成分中の最も大きな粒子寸法が約７５マイクロメートルの場合、結合すべき表面は、約７５マイクロメートルまたはそれより細かい粒を用いて研磨することができる。より細かい研磨を必要とせず、結合表面を粉砕して、特定のより粗い表面仕上げを得てもよい。
種々の態様によれば、粒の寸法が約３５マイクロメートル以下の研磨剤を用いて結合表面を研磨することができる。例えば、約２５マイクロメートル以下、約１５マイクロメートル以下または約１０マイクロメートル以下の粒を用いて結合表面を研磨することができる。当該分野で知られている技術を用いて、例えば、ダイヤモンドルージュまたはホイールを用いる研磨あるいはＳｉＣペーパーによる手研磨により、結合表面を研磨することができる。例えば、所望の表面粗さを達成するように、粒寸法が降順で変わる研磨剤を用いて、表面を粉砕および／または研磨することができる。限定されない例として、表面を、約５０マイクロメートルの粒寸法を用いて粉砕および／または圧砕し、続いて、約３５マイクロメートルの粒寸法のダイヤモンドルージュを用いて研磨し、続いて、２０マイクロメートル以下の粒寸法のＳｉＣペーパーを用いて手で研磨することができる。
結合すべき表面の表面粗さは、研磨方法に係る種々の要因に依存する。例えば、研磨剤の粒寸法、研磨剤の硬度、耐火性成分の硬度、および／または研磨中に用いられる荷重が、得られる最終的表面粗さに影響を与え得る。ここで用いられる「表面粗さ」という用語は、Ｒａ値、すなわち、平均表面粗さを示すことを意図している。一部の態様において、約２００ｎｍ未満の表面粗さＲａを得るように、結合すべき表面が研磨される。例えば、表面粗さは、約１５０ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、または約１０ｎｍ未満であり得る。表面粗さＲａは、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）のような当該分野で良く知られている方法を用いて画像化および計算することができる。理論により束縛されることは望まないが、結合すべき表面の間の接触の程度は、表面が細かな仕上げ面まで粉砕および／または研磨されると増加し、その結果として、成分の間のより強力な結合が得られると考えられる。
特定の態様において、結合すべき表面を、それらが実質的に相互補完的となるように機械加工、粉砕および／または研磨することができる。言い換えると、この態様において、各結合表面は、対向表面の鏡像である。例えば、２つの平面的な結合すべき表面は、互いに平行である。しかしながら、結合すべき表面は平面的である必要はないと解すべきである。「結合表面対」という用語およびその変形は、ここでは、互いに接触する２つの結合表面を示すために用いられる。２つの耐火性成分が結合される場合、２つの結合表面は、それらが互いに平行となるように研磨することができる。３つの成分を結合する場合、中間成分は２つの異なる結合表面を有してもよく、一方は、第１の端部成分の結合表面に平行であり、もう一方は、第２の端部成分の結合表面に平行である。この態様において、２つの結合表面対があり、それらは同じまたは異なる構造を有して良い。同様に、３を超える成分を結合する場合、種々の結合表面対構造が可能であり、本開示の範囲内である。
もう一つの態様において、結合すべき表面は、かみ合う接合部を形成する表面を有し得る。限定されない例として、一つの成分の結合表面は、ほぞ穴−ほぞ接合のように、別の結合表面のへこんだ部分の中に実質的にはまり合う突出している部分を有することができる。この態様において、結合表面は、接合の対応表面が実質的に平行であり、成分を合わせたときに空隙が実質的に無いはまり合いを提供するように、研磨および／または機械加工される。前述したように、３以上の成分を結合する場合、同一または異なるかみ合い接合を含む、種々の結合表面対構造が可能である。特定の用途に適した結合表面構造を選択することは当業者の能力の範囲内である。
「接合」という用語およびその他の変形は、ここでは、２つの結合表面が接触され、最終的に、適用された圧縮力の下に焼成することにより接合される界面を示すために用いられる。結合剤を用いる従来技術の方法では、結合剤反応体を含む可視的または他の方法で検出可能な接合が得られる。しかしながら、２つの成分の間に結合剤が存在しないので、特定の態様において、本発明の「接合」は可視的で無いまたは他の方法で検出できない。すなわち、ここで用いられる「接合」という用語は、２つの成分が接合されるが可視的でなく検出可能でもない理論的線を意味する。一部の態様において、接合は可視的または検出可能である。
耐火性成分は、結合すべき表面の間に適当な接触を提供するのに適した任意の手段により配置することができる。ここで用いられる「直接接触」、「直接的に接触され」という用語およびその変形は、結合すべき表面が、介在成分無しに互いに接触する、すなわち、結合材料または接着剤の不存在下に互いに接触することを示すために、交換可能に用いられる。
耐火性成分は、結合すべき表面が直接接触するように、端を突き合わせて水平に配することができる。この態様を図３Ａに示すが、これは、限定的ではない例示的な水平構造を提供するものである。２つの成分を結合すべき場合、２つの端部成分３１０が提供され、その各々が、結合すべき表面を含む近位端３２０と、近位端３２０に対向する遠位端３３０とを有する。端部成分３１０は端を突き合わせて水平に配され、接合すべき表面が直接接触するように近位端３２０が合わせられる。任意に、３以上の成分を結合すべき場合、１または２以上の中間成分３４０が提供され、その各々が、結合すべき表面を含む２つの近位端３５０を有する。中間成分３４０が端部成分３１０の間に配され、近位端３２０および３５０が、結合すべき表面が直接接触するように合わせられる。
もう一つの態様において、図３Ｂに示すように、結合すべき表面が直接接触するように、耐火性成分を垂直に配するまたは積み重ねることができる。２つの成分を結合すべき場合、２つの端部成分３１０が提供され、その各々が、結合すべき表面を含む近位端３２０と、近位端３２０に対向する遠位端３３０とを有する。２つの端部成分３１０が、結合すべき表面が直接接触するように一方の端部成分３１０の近位端３２０をもう一方の端部成分３１０の近位端３２０の上に配することにより、垂直に配される。３以上の成分を結合すべき場合、１または２以上の中間成分３４０が提供され、その各々が、結合すべき表面を含む２つの近位端３５０を有する。中間成分３４０が端部成分３１０の間に配され、近位端３２０および３５０が、結合すべき表面が直接接触するように合わせられる。
水平、垂直または任意の他の状態で接触させることができる耐火性成分は、非結合耐火性基板を形成し、それを次に、荷重下に焼成することができる。種々の態様によれば、非結合耐火性基板は、焼成中に圧縮力に付される。理論により束縛されることは望まないが、圧縮力は結合表面の間の良好な接触を確保し、それにより、接合部を交差する耐火性結晶の成長が促進され、耐火性成分の間の強力な結合が生じると考えられる。圧縮力は、種々の方法で適用することができる。特定の態様において、圧縮力は、結合すべき表面に対して垂直の方向に適用することができる。
限定されない例として、耐火性成分が垂直に積み重ねられて非結合耐火性基板を形成する場合、圧縮力は重力のみにより提供されてもよく、すなわち、上側成分の重量によって提供されてもよい。もう一つの態様において、非結合基板の遠位端に、１または２以上の重りを任意に適用することができる。この態様において、重力が、結合すべき表面にかけられる圧縮力の少なくとも一部を提供する。例えば、結合すべき表面上に約１０ｋＰａのさらなる圧力をかけるように遠位端の上に重りを配することができる。あるいは、機械的手段、例えば、外部液圧プレスにより圧縮力を適用することができる。種々の態様によれば、上側成分の重量および任意のさらに適用された重りおよび／または力を考慮した合計圧縮力は、結合すべき表面の上に、約６５０ｋＰａ〜約３５００ｋＰａ、例えば、約１０００ｋＰａ〜約２０００ｋＰａの合計圧力をかけるのに充分である。
もう一つの態様において、耐火性成分を端を突き合わせて水平に配して非結合耐火性基板を形成する場合、基板の遠位端の少なくとも１つに圧縮力を適用することができる。例えば、クランプ、スクリューまたは他の適当な道具を用いて、基板の少なくとも１つの遠位端に圧縮力を適用することができる。圧縮力は、表面界面における充分な結合を促進するのに充分な力であればよい。特定の態様において、圧縮力は、結合すべき表面の上に、約６５０ｋＰａ〜約３５００ｋＰａ、または約１０００ｋＰａ〜約２０００ｋＰａの圧力をかけるのに充分である。
重り、またはクランプのような他の機械的道具を非結合耐火性基板の一方または両方の遠位端に適用する場合、特定の態様において、基板と重りおよび／または道具との間に化学的に不活性または非反応性の材料を配することが望ましいことがある。限定されない例として、基板と重りおよび／または道具との間にＰｔ箔の薄片を配することができる。
非結合耐火性基板を、焼成のための炉内に配する前に、またはその炉内に配したが焼成の前に、圧縮力に付することができる。非結合耐火性基板は、次に、非結合基板を焼成して結合表面において個々の耐火性成分の間で結合を生じさせるのに充分な温度および時間で、焼成される。種々の態様によれば、非結合耐火性基板を、少なくとも約１２００℃の温度で少なくとも約１２時間焼成する。種々の態様によれば、焼成温度は、耐火性材料および／または焼成サイクルの所望の長さに依存して変化する。
例えば、ジルコン成分の場合、非結合基板は、少なくとも約１５００℃、少なくとも約１５８０℃、または少なくとも約１６００℃の温度で焼成することができる。アルミナ成分の場合のような他の態様において、非結合耐火性基板は、少なくとも約１２００℃、少なくとも約１３００℃、または少なくとも約１４００℃の温度で焼成することができる。耐火性材料、焼成時間および／または所望の用途に基づいて適切な焼成温度を選ぶことは当業者の能力の範囲内である。非結合耐火性基板は、少なくとも約１２時間、例えば、少なくとも約２０時間、少なくとも約４８時間、少なくとも約６０時間、または少なくとも約１２０時間焼成してもよい。
焼成が完了後、耐火性成分が結合され、単一の耐火性基板が形成される。一部の態様において、結合耐火性基板は、同じ耐火性材料の非結合片のＭＯＲにほぼ等しいＭＯＲ強度を有し得る。他の態様において、結合耐火性基板は、同じ耐火性材料の非結合片のＭＯＲより高いＭＯＲ強度を有し得る。ＭＯＲ強度は、例えば、ＡＳＴＭ Ｃ１６７４−１１に提示されている４点曲げ試験を用いて耐火性基板を試験することにより、特定することができる。
本開示は、各成分が少なくとも一つの結合すべき表面を有している複数のジルコン成分を結合することによりジルコン基板を作る方法であって、（ａ）結合すべき各表面を２００ｎｍ以下の表面粗さ（Ｒａ）に研磨する、（ｂ）結合すべき表面を直接接触させて非結合ジルコン基板を形成する、（ｃ）非結合ジルコン基板を焼成する、および（ｄ）結合すべき表面を焼成中に圧縮力に付することを含んでなる方法にも関する。ここに開示の耐火性基板を作る方法およびそれに関する全ての種々の態様は、ジルコン基板を作る方法に等しく適用することができると解すべきである。ここに開示の種々の態様を、ジルコン基板を作るために互換および／または修正することは、当業者の能力の範囲内である。同様に、ここに開示の種々の態様を、アルミナのような特定の耐火性材料から任意の基板を作るために修正することも、当業者の能力の範囲内である。
特定の態様において、結合耐火性基板を、結合後仕上げに付して、成形体、トラフまたは他の所望のセラミック物品のような最終製品を生成することができる。そのような結合後仕上げには、例えば、機械加工、表面粉砕および／または研磨が挙げられる。耐火性基板は、機械加工して所望の形状または寸法にすることができる。最終製品の表面を、任意に、さらに粉砕および／または研磨して、ガラスがその上を均一に流れることができる平滑な表面を確保することができる。他の結合後仕上げプロセスが、本開示により考えられ本開示の範囲に含まれる。
ガラス基板の製造に用いるためのような成形体を、耐火性成分の種々の構成を用いて本開示に従って製造することができる。例えば、図４Ａ〜Ｃに示される態様において、耐火性成分４０５が端を突き合わせて水平に接触されて垂直接合４１５が形成され、このように形成された耐火性基板が、続いて、成形体４００の形状に機械加工される。機械加工された成形体４００は、上側トラフ４１０、上側トラフ壁４２０、トラフ底４３０、楔型断面を有する底部分４４０、および基底４６０で結合するように傾斜して下方向に向かう２つの主要側面４５０を含む。ガラス４７０がトラフ壁４２０を溢れ、側面４５０を下がり、基底４６０で集まる。
この態様において、耐火性成分４０５が、所望の寸法の耐火性基板が得られるまで、横に並んで配される。このように形成された耐火性基板から成形体が機械加工される場合、接合部は、側面図（図４Ａ）および上面図（図４Ｂ）からは理論的に「見える」が、端面図（図４Ｃ）からは見えない。垂直接合構造の１つの利点は、小さな個々の成分を用いることができることである。図４Ａ〜Ｃは、比較的均一に離れた５つの耐火性成分４０５と、平行垂直接合４１５を含む成形体４００を示しているが、この構造は単なる例示であることに注意すべきである。本開示に従う成形体の製造において、種々の寸法で種々の結合表面構造の任意の数の耐火性成分を用いることができる。
もう一つの態様において、図５Ａ〜Ｃに示すように、成形体５００は、垂直に接触して水平接合５１５を形成する複数の耐火性成分５０５を含む。この態様において、１つの耐火性成分の近位端がもう１つの耐火性成分の近位端の上に配され、さらなる成分が、所望の寸法の耐火性基板が得られるまで、同様に垂直に接触している。このように形成された耐火性基板から成形体が機械加工される場合、接合部は、側面図（図５Ａ）および端面図（図５Ｃ）からは理論的に「見える」が、上面図（図５Ｂ）からは見えない。
水平接合構造は、耐火性成分が、成形体の所望の長さに少なくとも等しい長さを有さなくてはならないので、垂直接合構造と比べて、比較的大きな耐火性成分を必要とし得る。しかしながら、所定の使用後に接合部が摩耗および／または腐食した場合、ガラス５７０がその上を流れる表面の全長に亘ってその効果が広がることが少なくとも理由となって、水平接合構造を用いた場合の影響はあまり顕著ではない。得られるガラスシートの上の摩耗効果は、このように、あまり検出できない。図５Ａ〜Ｃは、トラフ底５３０および底部分５４０において成形体５００を交差する比較的均一に離れた平行な水平接合５１５を伴う、３つの耐火性成分５０５を含む成形体５００を図示しているが、この構造は単なる例示であることに注意すべきである。種々の寸法で種々の結合表面構造の任意の数の耐火性成分を、本開示に従う成形体の製造において用いることができ、水平接合は成形体を任意の位置で交差することができる。
図６Ａ〜Ｃは、本開示のさらなる態様を示しており、成形体６００は、水平に接触して傾斜接合６１５を形成している複数の耐火性成分６０５を含む。この態様において、耐火性成分６０５が横に並んで配され、所望の寸法の耐火性基板が得られるまで平行傾斜結合表面を接触させている。このように形成された耐火性基板から成形体が機械加工される場合、接合部は、側面図（図６Ａ）および上面図（図６Ｂ）からは理論的に「見える」が、端面図（図６Ｃ）からは見えない。
水平接合構造と同様に、効果は成形体の大きな領域、従って、得られるガラスシートの上に広がるので、潜在的接合部摩耗および／または腐食がもたらす影響は、それほど著しくない。傾斜接合構造は、比較的小さな耐火性成分の使用も可能にする。図６Ａ〜Ｃは、５つの耐火性成分６０５を含み、各々が互いに平行である比較的均一に離れた傾斜接合６１５を有する成形体６００を図示しているが、この構造は単なる例示であることに注意すべきである。種々の寸法で種々の結合表面構造である任意の数の耐火性成分を、本開示に従う成形体の製造において用いることができる。
図４〜６は、従来形状の成形体を示しているが、任意の種々の形状または寸法の任意の成形体を、本開示の結合耐火性基板から製造し得ることを理解すべきである。さらに、トラフのような任意のセラミック物品を、本開示の結合耐火性基板から任意の所望の形状または寸法に機械加工することができる。
例えば、図７は、２つのトラフ壁７１０をトラフ底７２０に結合させることにより幾つかの耐火性成分から製造することができる前床トラフ７００を示す。トラフ壁７１０がトラフ底７２０に出合う部分で、接合７３０が形成される。図７は、トラフ底７２０の上に垂直に配された２つのトラフ壁７１０を図示しているが、トラフ壁７１０の間にトラフ底７２０を水平に配することも可能であると解すべきである。他の配置が考えられ、本開示の一部である。前床トラフ構造は、接合の数が少なく、機械加工に係る時間および費用の節約も提供し、結合耐火性成分間の望ましくない空隙のような製造欠陥の可能性が低いという利点を提供する。
前述の種々の接合構造の組み合わせも、この開示の範囲内である。異なる寸法の成形体の製造であってもセラミック物品の製造であっても、所望の用途に適した接合の組み合わせを選択することは当業者の能力の範囲内である。同様に、ガラス成形体の構造、寸法および配向についての他の変更が、当業者に容易に明らかとなり、本開示の範囲および精神の範囲内である。
（実施例）
以下の非限定的実施例により、種々の態様がさらに明らかとなる。
以下の非限定的実施例により、種々の態様がさらに明らかとなる。
複数の結合ジルコン基板を、２つの異なるタイプのジルコン（ジルコンＡおよびジルコンＢ）の種々の組み合わせを用いて製造した。各ケースにおいて、概寸が１１．４３ｃｍ×５．０８ｃｍ×３．８１ｃｍである２つの焼成ジルコン成分からジルコン基板を製造した。各ブロックの結合表面（１１．４３ｃｍ×３．８１ｃｍ側面）をダイヤモンドホイールを用いて研磨し、続いて、Ｐ３６０（４０．５マイクロメートル）で始まり、次にＰ８００（２５．８マイクロメートル）およびＰ１２００（１５．３マイクロメートル）と粒が次第に細かくなるＳｉＣペーパーを用いる手研磨を行った。研磨後、成分を、約１５分間超音波清浄し、約１２０℃で動作している乾燥炉内で一晩乾燥した。ジルコン成分を垂直に積み重ね、Ｐｔ箔の薄片と約２０ｇの重りを積み重ねた成分の上（遠位端）に乗せ、このように形成された非結合基板を約１５８０℃で焼成した。２つのジルコン成分の間には、何ら結合材料は用いられなかった。
試験したサンプル間において、焼成時間を変化させた。ジルコンＡ−Ａ基板を約１２時間焼成し、ジルコンＡ−Ｂ基板を約４８時間焼成し、ジルコンＢ−Ｂ基板を約１２０時間焼成した。得られた結合ジルコン基板を、次に、機械加工して、実質的に同じ寸法（約１．２７ｃｍ×０．６３ｃｍ×１１．４３ｃｍ）の約１０個の小さな基板を製造した。各基板は、基板の長さ（１１．４３ｃｍ）のほぼ中間点において結合した接合部を有していた。機械加工した基板を、次に、室温で４点曲げ試験に付した。結合ジルコン基板のＭＯＲ強度を、ジルコンＡおよびジルコンＢからなり結合ジルコン基板とほぼ同じ寸法の非結合ジルコン基板のＭＯＲと比較した。
以下の表１は、ＭＯＲ４点曲げ試験の結果を提供する。約１２０時間焼成した結合ジルコンＢ−Ｂ基板は、非結合ジルコンＡまたはジルコンＢ基板よりも高いＭＯＲ強度を示した。同様に、約４８時間焼成した結合ジルコンＡ−Ｂ基板は、非結合ジルコンＡおよびジルコンＢ基板とほぼ等しいＭＯＲ強度を示した。約１２時間焼成した結合ジルコンＡ−Ａ基板は許容できるＭＯＲ強度を示したが、測定されたＭＯＲ強度は、非結合ジルコンＡおよびジルコンＢ基板より低かった。すなわち、理論により束縛されることは望まないが、得られる結合基板のＭＯＲ強度に、焼成時間が影響を与える可能性がある。一部の態様において、より長い焼成時間は、より高い強度をもたらし得る。
表２は、試験した各結合ジルコン基板についての欠陥（破壊点）の位置をまとめて示す。ジルコンＡ−Ａサンプルは、最も低いＭＯＲ強度を示したのみならず、ジルコンＡ−Ａにおける全ての欠陥が基板中よりも結合部において生じた。
図８Ａは、ダイヤモンドホイールを用いて研磨され、続いて粒寸法が約３５マイクロメートルのダイヤモンドフィルムを用いて研磨され、約１５８０℃で約４８時間焼成した、結合剤を用いていない、ジルコン成分８１０および８２０の結合対（ジルコンＡ−Ａ）のＳＥＭ像（倍率×２００）を示す。２つの成分の間の接合部を、点線８３０で示す。この線をＳＥＭ像に加えないと、拡大しても、ジルコンの２つの別々の片の接合部を見ることは非常に困難である。ジルコン粒は界面を超えて成長し、境界を越えて実質的に均一な微小構造をもたらしている。
図８Ｂは、同じサンプルのより倍率の高いＳＥＭ像（倍率×７５０）示している。ここでも、２つの成分８１０および８２０の間の接合部を点線８３０で示している。線の両側に配された大きな単一の粒は、２つの基板の界面において粒成長が起こり、強力な結合を形成していることを示している。
図９Ａは、ダイヤモンドホイールを用いて研磨され、続いて粒が次第に細かくなるダイヤモンドフィルム（約３５、９、６および３マイクロメートル）を用いて研磨され、約１５８０℃で約４８時間焼成した、結合剤を用いていない、ジルコン成分９１０および９２０の結合対（ジルコンＡ−Ａ）のＳＥＭ像（倍率×２００）を示す。２つの成分の間の接合部を、点線９３０で示す。この線をＳＥＭ像に加えないと、拡大しても、ジルコンの２つの別々の片の接合部を見ることは非常に困難である。ジルコン粒は界面を超えて成長し、境界を越えて実質的に均一な微小構造をもたらしている。
図９Ｂは、同じサンプルのより倍率の高いＳＥＭ像（倍率×７５０）示している。ここでも、２つの成分９１０および９２０の間の接合部を点線９３０で示している。粒成長が、２つの基板の界面を超えて起こり、線の両側に配された大きな単一の粒として容易に見ることができる。界面における粒成長は、強力な結合の形成を示している。界面を超える粒成長は、図８Ｂ（３５マイクロメートルの研磨粒）よりも図９Ｂ（３マイクロメートルの研磨粒）において、より著しいように見えることが注目される。理論により束縛されることは望まないが、表面粗さは、より細かい粒を用いて研磨することにより低下し、それは、結合すべき表面の間の接触の程度を増加させ、それが、界面を超える粒成長の程度を増加させると考えられる。
特記しない限り、ここに示した方法は、その工程を特定の順番で行うことを要求しているとは決して解されない。従って、方法の請求項が従うべき工程の順番を指定していない場合、または請求の範囲または詳細な説明において、工程が特定の順番に限定されていると具体的に記載されていない場合には、いかなる特定の順番を示すことも決して意図していない。
前述の記載は単なる例示および説明であり、本開示を限定すると解すべきではないと理解すべきである。さらに、本明細書記載の異なる態様の種々の性質および／または特徴を互いに組み合わせて良いと解すべきである。従って、説明的態様に対し修正および変更を加えてもよく、本発明の精神または範囲から離れることなく他の態様を工夫して良い。本発明の精神および実質を組み込んだ開示された態様の修正の組み合わせ、副組み合わせおよび変更を当業者は思い付くことがあるので、本発明は、添付の請求の範囲およびその均等物の範囲内の全てを含むものと解すべきである。
１１０：ジルコン耐火性材料
１２０：ジルコニア富含チタニア
１３０：チタン酸ジルコニウム
１４０：チタニウム富含ジルコニア
２１０：耐火性成分
２２０：耐火性成分
２３０：結合剤
２４０：窪み
２５０：突起
３１０：端部成分
３２０：近位端
３３０：遠位端
３４０：中間成分
３５０：近位端
４００：成形体
４０５：耐火性成分
４１０：上側トラフ
４１５：垂直結合
４２０：上側トラフ壁
４３０：トラフ底
４４０：底部分
４５０：主要側面
４６０：基底
４７０：ガラス
５００：成形体
５０５：耐火性成分
５１５：水平結合
５３０：トラフ底
５４０：底部分
６００：成形体
６０５：耐火性成分
６１５：傾斜接合
７００：前床トラフ
７１０：トラフ壁
７２０：トラフ底
７３０：接合
１２０：ジルコニア富含チタニア
１３０：チタン酸ジルコニウム
１４０：チタニウム富含ジルコニア
２１０：耐火性成分
２２０：耐火性成分
２３０：結合剤
２４０：窪み
２５０：突起
３１０：端部成分
３２０：近位端
３３０：遠位端
３４０：中間成分
３５０：近位端
４００：成形体
４０５：耐火性成分
４１０：上側トラフ
４１５：垂直結合
４２０：上側トラフ壁
４３０：トラフ底
４４０：底部分
４５０：主要側面
４６０：基底
４７０：ガラス
５００：成形体
５０５：耐火性成分
５１５：水平結合
５３０：トラフ底
５４０：底部分
６００：成形体
６０５：耐火性成分
６１５：傾斜接合
７００：前床トラフ
７１０：トラフ壁
７２０：トラフ底
７３０：接合
Claims (10)
- 各々が少なくとも一つの結合すべき表面を有する複数のジルコン成分を結合させる方法であって、
（ａ）結合すべき各表面を２００ｎｍ以下の表面粗さＲ ａ に研磨すること、
（ｂ）結合すべき表面を直接接触させて非結合ジルコン基板を形成すること、
（ｃ）前記非結合ジルコン基板を焼成すること、
（ｄ）結合すべき表面を焼成中に圧縮力に付すること
を含んでなり、前記非結合ジルコン基板を、前記ジルコン成分を焼結させ表面において結合させて、ＡＳＴＭ Ｃ１６７４−１１に準拠するＭＯＲ強度として、前記非結合ジルコン基板のＭＯＲ強度以上のＭＯＲ強度を有する結合耐火性基板を形成するのに、充分な温度および時間焼成することを特徴とする方法。 - 結合すべき表面が１００ｎｍ以下の表面粗さＲａに研磨される、請求項１に記載の方法。
- 結合すべき表面が、実質的に相互補完的となるように圧砕、粉砕および／または研磨される、請求項１または２に記載の方法。
- 前記ジルコン成分が結合すべきかみ合い表面を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
- 結合すべき表面に垂直な方向に前記圧縮力が加えられる、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
- 少なくとも第１のジルコン成分と第２のジルコン成分とが結合され、前記第１のジルコン成分および前記第２のジルコン成分の各々が、結合すべき表面を含む近位端と、該近位端に対向する遠位端とを有しており、
前記第１のジルコン成分の前記近位端が、結合すべき表面が直接接触するように、前記第２のジルコン成分の近位端の上に垂直に配され、
任意選択的に、結合すべき表面を含む２つの近位端を各々が有する１または２以上の第３のジルコン成分が、結合すべき表面が直接接触するように、前記第１のジルコン成分と前記第２のジルコン成分との間に配され、
前記圧縮力が、少なくとも、前記第１のジルコン成分の前記遠位端に加えられる、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。 - 少なくとも前記第１のジルコン成分と前記第２のジルコン成分とが結合され、前記第１のジルコン成分および前記第２のジルコン成分の各々が、結合すべき表面を含む近位端と、該近位端に対向する遠位端とを有しており、
前記第１のジルコン成分の前記近位端と前記第２のジルコン成分の前記近位端とが、結合すべき表面が直接接触するように、端を突き合わせて水平に配され、
任意選択的に、結合すべき表面を含む２つの近位端を各々が有する１または２以上の第３のジルコン成分が、結合すべき表面が直接接触するように、前記第１のジルコン成分と前記第２のジルコン成分との間に配され、および、
前記圧縮力が、少なくとも、前記第１のジルコン成分および前記第２のジルコン成分の前記遠位端に加えられる、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。 - 各々が少なくとも一つの結合すべき表面を有する複数の耐火性成分を結合させる方法であって、
（ａ）結合すべき各表面を２００ｎｍ以下の表面粗さＲ ａ に研磨すること、
（ｂ）結合すべき表面を直接接触させて非結合耐火性基板を形成すること、
（ｃ）前記非結合耐火性基板を焼成すること、
（ｄ）結合すべき表面を焼成中に圧縮力に付すること
を含んでなり、
前記耐火性成分が、ジルコン成分と、アルミナ成分と、溶融鋳造ジルコニア成分とからなる群より選択されたものであり、
前記非結合耐火性基板を、前記耐火性成分を焼結させ表面において結合させるのに充分な少なくとも１２００℃の温度で少なくとも１２時間焼成することを特徴とする方法。 - 前記耐火性成分が、ジルコン成分、または溶融鋳造ジルコニア成分を含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
- 前記非結合耐火性基板を前記焼成することにより、ＡＳＴＭ Ｃ１６７４−１１に準拠するＭＯＲ強度として、前記非結合耐火性基板のＭＯＲ強度以上のＭＯＲ強度を有する結合耐火性基板が形成されることを特徴とする請求項８または９記載の方法。
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