KR970009316B1 - Las계 결정화 유리의 화학적 강화방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

LAS계 결정화 유리의 화학적 강화방법

제1도는 이온교환 장치의 모식도.

제2도는 3시간 동안 온도에 따라 Li⁺이온을 Na⁺이온으로 이온교환한 유리의 강도를 나타낸 도표.

제3도는 450℃에서 Li⁺이온을 Na⁺이온으로 이온교환할 때 시간변화에 따른 유리의 곡강도를 나타낸 도표.

제4도는 450℃에서 Li⁺이온을 Na⁺이온으로 이온교환시간 변화를 준 후 결정화시킨 유리의 곡강도를 나타낸 도표.

제5도는 결정화후 450℃에서 Li⁺이온을 Na⁺이온으로 이온교환시간 변화를 준후 결정화시킨 유리의 곡강도를 나타낸 도표.

본 발명은 유리의 강화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Li₂O-Al₂O₃-SiO₂(이하, LAS 로 칭함)게 결정화 유리를 이온교환법에 의하여 강화시키는 방법에 관한 것이다.

결정화 유리는 결정 핵형성 물질을 함유한 유리원료를 통상의 방법으로 용융, 성형한 후에 제어된 조건으로 재열처리하여 유리상 중에 50-95%정도의 결정상을 석출시킨 것으로 기초유리와는 완전히 다른 물성을 가진 재료이다. 결정화 유리 중 LAS계 결정화 유리는 내열성이 높고 열팽창 계수가 낮으므로 초내열식기등에 사용될 수 있다.

그러나 통상의 LAS계 결정화 유리는 내열성이 높고 열팽창 계수가 낮은 장점에도 불구하고 물리적 강도가 다소 부족하여 그 사용이 제한되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 LAS계 결정화 유리의 장점을 그대로 유지시키면서 그 물리적 강도를 강화시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위하여 연구한 결과 LAS계 결정화 유리의 표면에 존재하는 Li⁺이온을 Na⁺이온과 적절히 교환시키게 되면 LAS계 결정화 유리가 가진 장점이 그대로 유지되면서 물리적 강도가 현격히 증가됨을 밝혀 내게 되었다.

즉, 본 발명은 LAS계 결정화 유리의 표면에 존재하는 Li⁺이온을 Na⁺이온으로 부분적으로 교환시키는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

유리중의 수직이온 중 다가이온을 유리내에서 거의 이동하지 않지만 1가이온은 유리내에서 비교적 용이하게 이동한다. 이때 이루어지는 이동의 용이성이 이온교환에 대한 기초를 제공한다. 즉, 알카리 성분이 함유되어 있는 유리의 타종의 1가이온이 함유되어 있는 용융염에 침적시키면 유리중의 알카리 이온이 확산하여 유리 표면으로 이동되어 용융염 중의 1가 양이온과 교환하게 된다.

결정화 유리의 β-spodumene 고용체와 β-quartz고용체에서도 마찬가지로 알카리 염조에 담그므로써 결정화 유리내 잔존 유리상의 Li⁺이온 자리에 Na⁺또는 K⁺이온이 치환된다. 결과적으로 Crowding으로 표면 압축층을 만들게 되어 모유리의 강도가 증가하게 된다. 그러나 이온 교환 시간을 지나치게 길게하여 치환되는 알카리 이온이 전체적으로 확산된 경우보다는 표면에만 침투되었을 경우가 더 큰 강도를 나타낸다. 가장 강도증가 효과가 높은 경우는 이온교환이 30μm 이내의 표면에만 이루어 졌을 경우이다.

또한 기초유리를 결정화시킨 후 이온교환이 이류어져야만 강도증가의 효과가 있으며, 이온교환 후 결정화시키는 것을 강도증가 효과가 별로 없다. 그 이유는 LAS계 조성의 β-spodumene상으로 전이되어야 할 Li⁺이온이 Na⁺이온과 교환되면서 β-spodumene으로 전이하지 못한Li₂O-Al₂O₃-SiO₂계가 팽창계수가 높은 Nephelline상으로 전이되면서 강도를 약화시키는 것으로 추측된다.

본 발명의 실시예는 다음과 같다.

제조실시예 1-3)

모유리의 제조

기초유리 조성은 LAS계의 상평형도서 상에서 β-spodumene조성에 해당하는 것으로 SiO₂를 1mol, Al₂O₃를 0.2mol 고정시킨 조성에 이온교환에 민감한 조성인 Li₂O를 0.15-0.25mol로 변화를 주었으며 이들 변화에 따른 조성을 다음의 표1)에 나타내었다.

이들 조성에 핵형성제로 TiO₂를 5중량% 첨가하였으며 수식 또는 중간산화물인 ZnO와 MgO를 각각 1.8, 2.0중량%씩 첨가하였고, 또한 용융온도를 낮추기 위하여 Na₂O를 0.6중량%첨가시켰으며, 유리 청징을 위하여 As₂O₃를 0.6중량% 첨가시켰다.

위의 조성대로 뱃치 조합한 후 V-Mixer에서 충분히 혼합하여 Super Kanthal전기로에서 1600℃에서 2시간 동안 용융시킨 후 흑연판에 부어 모유리 시편을 제조하였다. 이와 같이 제조된 모유리시편을 30mm×5mm×3mm의 크기로 절단하고 각면에 발생된 크랙을 제거하기 위하여 절단면을 Diamond Plate(#800)으로 연마한 후 SiC연마포 (#1000,#1200)으로 연마하였고, 다시 HF 2M농도에 10초간 담가 미세한 크랙을 최대로 제거하였다.

실시예 1

제조실시예에서 얻어진 모유리를 350℃에서 500℃까지 50℃간격을 두고 3시간 동안 열처리를 하였으며, 이들중 침투깊이가 가장 큰 450℃에서 1,3,5,7시간의 간격을 두고 이온교환을 행하여 강도측정을 하였다.

이온교환 장치는 원통형 Furnace의 내부 중앙에 Stainless steel bath를 설치하고, bath 높이의 3/4까지 염(NaNo)을 채운 후 시편은 제2도와 같이 세팅하였다. 실험 중 염이 온도구배와 농도구배를 줄이기 위하여 젓게로 염을 교반시켰으며 이때 회전수를 60rpm으로 고정하였다.

강도측정 방법으로는 3점 고강도법을 사용하였으며 강도값은 다음의 식에 의하여 산출하여다.

(여기서, b는 시편의 폭, d는 시편의 두께, P는 작용하중, L은 샘플의 길이를 나타냄)

제2도는 제조실시예 2에서 얻어진 모유리를 각각의 온도에서 3시간씩 이온교환을 시킨 후의 강도변화를 나타낸 도표이다. 이에 의하여 450℃에서 최대의 강도를 나타냄을 알 수 있다.

제3도는 450℃에서 각 조성의 모유리를 시간별로 이온교환 후 측정한 곡강도를 나타내는 도표로서, 제조실시예 1, 2의 모유리의 경우 3시간에서 가장 큰 강도값을 보인 반면 리튬의 함량이 비교적 많은 제조실시예 3의 모유리의 1시간에서 최대의 강도 값을 보이고 있다.

비교예

이온교환을 먼저한 후 결정화시키는 경우의 강도증가 효과를 확인하기 위하여 450℃에서 시간별로 이온교환시킨 후 실시예와 동일하게 열처리하여 곡강도를 측정하였다. 그 결과는 제4도와 같으며, 이에 의하여 이온교환을 먼저 한 후 결정화시키는 것은 강도증가 효과가 미미함을 알 수 있다.

실시예 2

결정화 시킨 후에 450℃의 NaNO₃용융염에 시간별로 이온교환을 시켜 곡강도를 측정하였다. 그 결과는 제5도와 같으며 최대의 강도값은 450℃에서 1시간 열처리를 한 경우가 모유리에 비해 10배이상의 고강도를 나타냄을 알수 있었다.

본 실시예는 침투되는 이온의 두께에 따른 강도증가 효과를 알기 위한 것으로, 시험결과를 아래의 표2와 같다.

Claims (2)

1. Li₂O-Al₂O₃-SiO₂계 결정화 유리의 강화에 있어서, 기초유리를 결정화시킨 후 Li⁺이온을 부분적으로 Na⁺이온으로 교환시키는 것을 특징으로 하는 LAS계 결정화 유리의 화학적 강화방법.
2. 제1항에 있어서, 이온교환 층의 두께는 표면으로부터 30μm 이내인 것을 특징으로 하는 LAS계 결정화 유리의 화학적 강화방법.