MXPA96004967A - Substrato mejorado para disco - Google Patents

Abstract

Esta invención se refiere a un substrato para disco para su uso en una unidad de disco, este substrato para disco consiste esencialmente de zirconia parcialmente estabilizada y tiene una aspereza de superficie (Ra) de no más de 10 angstroms.

Description

- ^ SUBSTRATO MEJORADO PARA DISCO Antecedentes de la invención En los sistemas de información usados en el presente en las computadoras y procesadores de palabras, los datos (es decir, programas y archivos) son almacenados y recuperados a través de la unidad de disco. La unidad de disco tiene hípicamente tres componentes. La cabeza de escritura- leclura ("cabeza"), el brazo actuador, y el disco rnagné+ico duro ("disco"). La figura 1 describe una unidad de disco convencional 1, en la cual el brazo actuador 2 mueve la cabeza 3 sobre el disco 4 para que el sistema de circuitos en la cabeza pueda transmitir magnéticamente bits de información entre inductores (no mostrados) y el disco 4. La figura 2 describe un disco convencional en el que un substrato 5 - ,• (típicamente una aleación de 01/rig) está depositado en el mismo, consecutivamente, un revestimiento sin electrólisis o anodizado (Ni/P) 6, un revestimiento magnético 7, un sobre revestimiento protector 8, y un lubricante líquido 9. Debido a la alta densidad de información típicamente almacenada en un disco, la cabeza tiene que estar muy cerca del disco durante la transmisión de datos,, para así asegurar- una transferencia precisa. En consecuencia, el espacio en+re la cabeza y el disco (llamado una "altura voladora" o "espacio de aire") es casi siempre en+re cerca de 101.6 a 152 \ *11 Lrnicrome+ros. A dichas distancias extremadamente pequefías, tanto la cabeza corno el disco deben ser muy planos. De esta manera, el material usado para el disco debe de ser- muy duro y sujeto a un acabado fino. Cuando el disco y el brazo actuador se mueven relativamente entre sí, un flujo de aire se desarrolla y permite a la cabeza "flotar" sobre el disco. Durante la operación, la habilidad de la cabeza para flotar previene el '-Contacto inductor de desgaste entre la cabeza y el disco, el cual degrada la precisión de transferencia de datos. Sin embargo, la puesta en funcionamiento y el paro del disco o del brazo casi siempre produce contacto físico entre la cabeza y el disco. Por lo tanto, es también deseable el elaborar un substrato para disco de un material que sea resistente al desgaste. Co o se menciono anteriopnen+e, muchos discos convencionales están hechos de una aleación de Mg/Al sobr-e revestida con Ni/P y una película magnética. Fsta aleación ha sido seleccionada como el material de elección para el disco, gracias a su superior resistencia al desgas+e, dureza y habilidad de pulimentado, y a su buen rendimiento en las unidades de disco actuales relativamente lar-gas. Sin embargo, los requerimientos de capacidad y de velocidad que van en aurnen+o están forzando a que a las unidades de disco se hagan cada vez ás y más pequeñas. Por ejernplo, el disco duro actual tiene eni re 65 a 275 inin de 'lametro y 0.64 mm a J.5 mm de grosor, y se espera que en el futuro sea de menos de 38 rnrn de diámetro y menos de casi 0.4 rom de grosor, flsi mismo, el espacio de aire será i educado a no mas de 50.8 inilirnicrómetros. Con tales dimensiones, se cree que el uso de aleaciones de Al/Mg como substratos para discos será problemático, ya que el módulo elástico de las aleaciones de Rl/Mg (de sólo unos 80 GPa) no proveerá la dureza requerida en los discos delgados del futuro (en los que la dureza requerida "-podría ser de por lo menos cerca de 200 GPa). Enfrentando este problema, la técnica ha considerado el uso de cerámicas alternativas. Se na sugerido que el vidrio, las cerámicas de vidrio, el carbono amorfo, silicón, titanio, polímeros, y aceros inoxidables son los candidatos elegibles para la próxima generación de substratos para disco. Ver B. Bhusan, "Magnetic Slider/Rigid Disk Substrate Materials and Disl- Textupng Techmques-Status and Future Outlook", Advances ín Information Storage Systems, Vol. 5, 1993, pp. 175-209.

'Además, Bhusan concluye que, de este grupo, los más promisorios son los vidrios, las cerámicas de vidrio, y el carbono amorfo, porque éstos poseen un módulo elástico adecuado. Otro material que ha sido sugerido para su uso corno substrato par-a discos futuros es el carburo de silicio CVD. Ver fírn. Cer. Soc. Bull. Vol. 72, No. 3 (Marzo 1993), p. 74. Sin embargo, el carburo de silicio CVD sufre las desventajas del alto cos+o y estructura de grano direccional (colurnnnr). 3P 620787 6 describe un substrato r disco magnético basado en zirconia par-a su uso en unidades de dLsco. Sin embargo, la aspereza de la superficie (Ra) de este material se reporta que es de sólo 0.01 um. (100 angstroms). 3P 62078715 describe un substrato para disco magnético basado en zirconia para su uso en unidades de disco. Sin embargo, la baja densidad de este material probablemente podría producir una aspereza de superficie (Ra) aun más baja. La solicitud de Patente EPO 0 131 895 reporta un substrato para disco magnético basado en zirconia para su uso en unidades de disco. Sin embargo, la mejor aspereza de superficie (Ra) de cualquier material descrito se reporta que es de sólo 0.003 um (30 angstroms). JP 01112518 describe un substrato para disco magnético basado en zirconia para su uso en unidades de disco. Sin embargo, se reporta que la aspereza de superficie (Ra) de este material es de sólo 5 a 8 nm (50 a 80 angstroms) . En consecuencia, existe la necesidad de un material para unidad de disco que posea una superior resistencia al desgaste, dureza y habilidad de pulimentado. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De conformidad con la presente invención, se provee un substrato de zirconia parcialmente estabili ada (preferiblemente en la forma de ?n substrato para disco para su uso en una unidad de disco), el subs rato consiste esencialmente de zi rconia parcialmente estabilizada y tiene una aspereza de superficie (Ra) de no más de angstroms. También de conformidad con la presente invención, se provee un substrato para disco para su uso en una unidad de disco, que consiste esencialmente de zircoma parcialmente estabilizada y que tiene una superficie texturizada. También de conformidad con la presente invención, se provee una unidad de disco que comprende: a) una cabeza, y b) -m disco subyacente como el descrito anteriormente, en el que el espacio de aire en uso entre la cabeza y el disco es de no más de 50.8 milimicró etros. También de conformidad con la presente invención, se provee un procedimiento que comprende: a) pulir un substrato de zirconia parcialmente estabilizada con una pasta de diamante o de alumina para obtener un acabado de no más de 10 angstroms. Descripción de las figuras La figura 1 presenta un sistema de unidad de disco convencional La figura 2 presenta un disco convencional. Descripción detallada de la invención Se cree que la mayoría de los materiales candidatos de substrato para disco promisorios poseen una resistencia inadecuada o una aspereza de superficie muy alta (Ra). Cn particular, poseen las siguientes resistencias: N Substrato Resistencia (MPa ^) 1) vidrio 0.5 a 0.9 2) cerámicas de vidrio 2 3) carbono amorfo 1 4) silicio 2 5) carburo de silicio CVD 3 En contraste, se cree que la resistencia requerida para los discos delgados del futuro será de por lo menos 4 MPa —at y el requerimiento de aspereza de superficie (Ra) será de no más de 10 angstroms. Sin desear ser apegados a una teoría, se cree que una alta resistencia es requerida en estos futuros substratos para disco, porque ésta ofrece una capacidad de maquinado superior y tolerancia al daño, y el acabado fino (baja aspereza de superficie) es requerido para una densidad de grabación aumentada. Ya que la zirconia parcialmente estabilizada tiene típicamente tiene una resistencia de por lo menos casi 7 MPa m* y puede ahora ser elaborada para tener una aspereza de superficie de no más de 10 angstroms, se cree que estos materiales serán requeridos en los discos del futuro. Para los propósitos de esta invención, la "resistencia a la fractura" es medida por el método de fuerza de indentación de Chantik?l, corno se describe en el Journal of the American Ceramics Society, 64(9), 1981, pp. 539-44. (CITE); la aspereza de superficie Ra" es universalmente reconocida corno la media aritmética de las desviaciones del perfil en la superficie media; y los tamaños de grano usados en el acabado *<5 refieren al diámetro promedio del grano. Cualquier cer mica de zirconia parcialmente estabilizada convencional ("PSZ"), corno la cer mica de policristal de zircoma tetr agonal parcialmente estabilizada con itria (YTZP"), puede ser usada de conformidad con la presente invención. Típicamente, las zirconias parcialmente estabilizadas comerciales tienen por lo menos 30% (y muchas veces más de 70%) de zircoma tetragonal, y una resistencia de " ,¿>or lo menos 4.5 MPa rn* , preferiblemente de por lo menos 6 MPa m* . Preferiblemente, la zirconia es parcialmente estabilizada por medio de una tierra rara, y más preferiblemente a una concentración de entre casi 2.5 % molar y hasta 6% molar, co o oxido de tierra rara, más preferiblemente a una concentración de entre 2.5% molar y hasta 4% molar, co o óxido de tierra rara . En algunas modalidades, la zirconia es YZ110, una zirconia estabilizada con ítpa disponible de the Norton Cornpany «le Uorcester, MA. Puede ser usado cualquier método convencional para elaborar el substrato de zirconia del disco. Por ejemplo, en algunas modalidades, el polvo de óxido de tierra rara y el polvo de zirconia son mezclados, la mezcla es sumergida a presión (uniaxial o ísostática ente) a entre 50 y 500 MPa para formar una pieza verde; la pieza verde es conc ecionada a entre 1300°C y 1500°C durante 0.5 a 4 horas para lograr una densidad de por lo menos 95%; y la pieza concrecionada es sumergida en "^ inerte a entre 1200°C y 1500°C durante entre 0.5 y 4 horas para lograr un densidad de por lo menos 99.9%. Más preferiblemente, los polvos de itpa y zircorua son mezclados, prensados en frío, concrecionados a por- lo menos un 96% de densidad y sumergidos a por lo menos un 09.9% de densidad. En algunas modalidades, se cree que es ven+ oso el tener un substrato para disco altamente puro, esto es, un Vubstrato que tenga menos de 0.3% de impureza o de auxiliar de concrecionado, especialmente si la impureza o auxiliar de concrecionado tiende a formar una segunda fase. Tales auxiliares de concrecionado típicos incluyen sílice, hierro y manganeso. Se ha descubierto que el usar polvos de YTZP, disponibles de Danchi Kigenso (DKK) de Osaka, Japón, sin auxiliar de concrecionado, produce un substrato para disco parcialmente estabilizado que tiene los niveles de pureza deseados, los cuales pueden ser acabados a los niveles deseados de aspereza de superficie (Ra). En consecuencia, se provee un substrato para disco de zircoma parcialmente estabilizada que tiene no más de 0.3% de impureza o de auxiliar de concrecionado y una aspereza de superficie de no más de 10 angstroms. En algunas modalidades preferidas, se cree que es ventajoso el tener no mas de 0.1% de porosidad. Se ha descubierto que el PSZ de los polvos DKK comerci lmente disponibles, provee un substrato para disco parcialment estabilizado que tiene o mas de 0. % de porosidad, el cual "üede ser acabado a los niveles deseados de aspereza de superfi cíe (Ra) . La preparación del disco generalmente implica solo dos pasos: elaborar un cuerpo de cerámica delgado y después darle acabado al cuerpo. Cualquier método convencional para elaborar cuerpos de cerámica delgados puede ser usado de conformidad con la invención, incluyendo el rebanado de barras de cerámica con cortador de diamante, el moldeado en cinta, la extrusión, y el prensado en fundición. Preferiblemente, los substratos para disco delgados son elaborados rebanando una barra de cerámica con un cortador de diamante. El rebanado debe de producir un disco que tenga un Ra de entre casi 2 a 7 um y un grosor de menos de hasta 1 m, preferiblemente menos de hasta 0.5 mrn. Cualquier método de esmerilado convencional puede ser usado para ayudar a obtener el acabado requerido en el substrato para disco de la presente invención, incluyendo el esmerilado con una pasta de diamante o de alumina. El esmerilado debe de producir un acabado de menos de 125 angstrorns. En modalidades preferidas, el pulimentado implica el seleccionar, ya sea una pasta de diamante o grano de alumina, que tenga un tamaño promedio de entre 3 y 15 um, preferiblemente menos de 10 u . Se ha descubierto que el pulimentado del substrato para disco esmerilado con una pasta fina de diarnan+e o de alumina, produce un acabado de menos de 10 angstroins. Un Modalidades preferidas, en el paso de pulimentado se usa diamante, alumina o una mezcla de ambos, teniendo un t maño promedio de 0.01 y 0.2 u , preferiblemente menos que 0.1 urn. Aunque una superficie para disco lisa es deseable para una mayor precisión, es casi siempre el caso que los substratos para disco que son muy lisos, se adhieren a la cabeza. En consecuencia, los discos requieren muchas veces de una textura de superficie. Cualquier método convencional de -"texturizado puede ser usado, incluyendo el grabado térmico, el grabado con láser, el grabado químico y el grabado con plasma, y combinaciones de los mismos. Si el grabado térmico es seleccionado para texturizar la zirconia, la temperatura del grabado es típicamente de entre 800 y 1400°C, preferiblemente de 1000°C y durante 30 minutos. En otras modalidades puede ser usada alumina resistente a la zirconia, preferiblemente AZ67, disponible de the Norton Company de Uorcester, MA. Se cree que el esmerilado y pulimentado de la alumina comercial resistente a la zirconia, tiene una resistencia de por lo menos 4.5 MPa rn* , preferiblemente por lo menos de 5 MPa m* co o se describió anteriormente, produce el acabado «leseado. En aun otras modalidades, el carburo de boro puede ser seleccionado. Si el carburo de boro es seleccionado corno el substrato para disco, cualquier cerámica convencional de carburo de boro puede ser usada. Se cree que cuando el car-buro de boro es, ya sea prensado a calor o sumergido por concreción, después esmerilado y pulimentado corno ^ indico anterio mente, produce el acabado deseado. Este tiene típicamente un módulo de elasticidad de por lo menos 435 GPa. Más preferiblemente, el car-buro de boro también tiene una porosidad de menos de 0.1% y una aspereza de superficie (Ra) de no más de 10 angstroms. En modalidades preferidas, el carburo de boro es Norbide, un carburo de boro prensado a calor disponible de the Norton Company de Worcester, MA. EJEMPLO COMPARATIVO Una barra lisa de YZ110-H que tiene un diámetro de 18.1 rnrn y una longitud de 76.2 mm, disponible de the Norton Cornpany of Uorceeter MA, fue rebanada con un cortador de diamante. La superficie de esta rebanada fue sujeta a un numere de pasos de acabado, incluyendo los pasos de amolado, esmerilado y pulimentado. En particular, la rebanada fue primero amolada con un cortador de diamante de 320 granos para producir una aspereza de superficie (Ra) de casi 0.110 urn. Posteriormente, la rebanada esmerilada fue senalrnente esmerilada y pulida con diamante en una máquina de esmerilado de 304.8 inm, de conformidad con las especi icaciones señaladas en el cuadro 1 a coirt muacion: CUADRO I Rebanada Tamaño de Tipo de Velocidad Presión Duración Ra grano rueda um rpm psi rnin urn fl 40 alumi a 100 20 4 0.130 B 30 platina 25 25 3 0.028 C 9 platina 125 25 2 0.020 D 3 texmet 200 30 1.2 0.012 E 1 tela 300 45 1.2 0.008 F 0.25 tela 400 60 <1 0.005 Esta rebanada de prueba no logró la aspereza de superficie (Ra) deseada de 0.001 urn (10 angstrorne) . EJEMPLO I Una barra lisa de YZ110-H que tiene un diámetro de 38.1 mm y una longitud de 76.2 mm, disponible de the Norton Company de Uorcester, Ma, fue rebanada con un cortador de diamante en seis rebanadas de fl a F. Las rebanadas E y F fueron cortadas a un ritmo de velocidad más alto. Las secciones transversales de mayor grosor y rnáe delgadas, así como la aspereza de superficie Ra de estas seis rebanadas, son presentadas en el cuadro II. La aspereza de superficie (Ra) fue medida por TENCOR.

CUADRO II Rebanada Más 9 ruesa i [ m) Más delgada (mm) Ra ( um ) A 1.031 mm 1.021 rnm 2-7 B 1.046 mm 1.028 rnm 2-7 C 1.031 m 1.018 mrn 2 -7 D 0.510 mrn 0.493 nrn 2-6 E 0.546 m 0.495 mm 2~? - F 0.597 rnm 0.559 rnrn 2-5 Estas rebanadas fueron sujetas a pasos de esmerilado de pulimentado normales, y posteriormente se les dio un acabado de pulimentado con un pasta de diamante de 0.05 u , para obtener una aspereza de superficie (Ra) de 10 angstroins, corno es medido mediante la metodología de TENCOR. Finalmente, una de las rebanadas fue texturizada mediante grabado térmico a ?ooo°c EJEMPLO II Dos polvos Danchi (Y-TZP 3% molar y Y-TZP 4% molar) fueron sumergidos a presión a 200 MPa para formar bar-ras verdes, concrecionadas en aire a 1350° durante 60 minutos par-a obtener por lo menos una densidad de 98%, y sumergidos en arg n a 1350°C y 200 MPa durante cas 45 minutos pa -a producir barr-as que tienen una densidad de por lo menos 99.9%. Estas bar-ras densas fueron entonces rebanadas en discos de 25.4 rnm de diámetro y 0.8 rnm de grosor. El acabado nal de amolado de estas rebanadas fue llevado a cabo con ruedas de diamante aglutinadas con resma de grano #500. Las muestras «je disco amoladas fueron esmeriladas usando una grano de alumina de 9 um en una rueda de esmerilado moldeada en hierro que tiene un líquido espeso go+eando continuamente de la rueda. El esmerilado tornó cérea de 30 minutos y produjo una aspereza de superficie de casi 125 angstrorns. A las rebanadas esmeriladas se les dio entonces un acabado de pulimentado con una pasta de alumina/diamante de 0.05 um para obtener una aspereza de superficie (Ra) de 10 angetrorns, como es medido mediante la metodología de TENCOR. EJEMPLO III Este procedi iento de ejemplo es substancialmente sirmlar- al del ejemplo II, excepto que en el paso de esmerilado •- e usó sólo una alumina de 9 um y en el paso final de pulimentado se usó alumina de 50 n únicamente. El substrato par-a disco resultante tuvo una aspereza de superficie de cerca de 10 angstroms, como es medido mediante AFM.

Claims (26)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un substrato para disco para su uso en una unidad de disco, el substrato para disco consiste esencialmente de zirconia parcialmente estabilizada y tiene una aspereza de superficie (Ra) de no más de 10 angstroms.. 2.- El substrato para disco de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la zirconia parcialmente estabilizada comprende entre

2.5% molar y 6% molar de tierra rara, co o ÓXKO «je tierra rara.

3.- El substrato para disco de conformidad con la reivindicación 2, que tiene además una superficie textura zada.

4.- El substrato para disco de conforrn?«Ja«l con la reivindicación 3, caracterizado además porque la superficie ^-texturizada es producida mediante un método seleccionado del grupo que consiste de grabado térmico, grabado químico y grabado con plasma.

5.- El substrato para disco de conformidad con la reivindicación 1, que tiene una impureza y un nivel concrecionado de no más «Je 0.3%.

6.- El substrato para disco de conformidad con ia reivindicación 1, «jue tiene una porosidad de no más de 0.1%.

7.- Un substrato para disco par-a su uso en una unidad de disco, este substrato de disco consistiendo esencialmente de "'-rconia parcialmente estabilizada y teniendo una su?eif??e texturizada.

8.- El substrato para disco de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque la zircon la parcialmente estabilizada comprende entre casi 2.5% molar y hasta 4% molar de tierra rara, como óxido de tierra rara.

9.- El subetrato para disco de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque la superficie texturizada es producida mediante un método seleccionado del grupo que consiste de grabado térmico, grabado químico y grabado con plasma.

10.- El subetrato para disco de conformidad con la reivindicación 7, que tiene una impureza y un nivel de concrecionado de no más de 0.3%.

11.- El substrato para disco de conformidad con la reivindicación 7, que tiene una porosidad de no más de 0.1%.

12.- Una unidad de disco que comprende: a) una cabeza, b) un disco «jue comprende el substrato para disco de conformidad con las reivindicaciones 1 ó 7, caracterizado además porque el espacio de aire entre la cabeza y el disco es de no más de 50.8 mmicrómetros.

13.- Un procedimiento que comprende: a) el pulir un substrato que consiste esencialmente «e zirconia parcialmente estabilizada con una pasta de diamante o de alumina que tiene un tamaño de grano de entre 0.01 un y 0.02 urn para obtener una aspereza de superficie de no más de 10 angstroms.

14.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 13, que comprende además el paso «Je. h) texturizar al substrato para disco.

15.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado ademas porque el textura zado se logra mediante un método seleccionado del grupo que consiste de grabado térmico, grabado químico y grabado con plasma.

16.- El procedimiento de conformidad con la ---' -reivindicación 14, que comprende además el paso de: c) depositar un sobre revestimiento en el substrato del disco para formar un disco.

17.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 16, que comprende además el paso de: d) colocar al disco en una unidad de disco que tenga una cabeza, para definir la altura voladora de no más de 50.8 rnilima crórnet ros entre la cabeza y el disco.

18.- Un procedim ento que comprende los pasos de: a) esmerilar un substrato para disco que consiste esencialmente de zircoma parcialmente estabilizada con una pasta de diamante o de alumina, o mezclas de las mismas, que tiene un «amaño de grano de entre 3 u y 15 um, para obtener una aspereza de superficie (Ra) «Je cerca de 125 angstroms, y b) pulir- el substrato para disco con una pasta de diamante o de alumina, o mezclas de las mismas, para obtener una aspereza de superficie (Ra) de no mas de 10 angstroms.

19.- Un substrato de zircoma parcialmente estabilizada que consiste esenc?alrnen+ de zarconia parcialmente estabilizada y que tiene una aspereza de superficie (Ra) de no más de 10 angstrorns.

20.- El substrato para disco de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además por-que la zirconia parcialmente estabilizada comprende entre casi 2.5% molar y casi 6% molar «Je tierra rara, como óxido de tierra rara. •"" ~

21.- El substrato para disco de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque la tierra rara es itria.

22.- El substrato para disco de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado además porque la concentración de tierra rara es 4% molar, como óxido de tierra rara.

23.- Un substrato para disco para su uso en una unidad de disco, este substrato para disco consistiendo esencialmente de carburo de boro.

24.- El substrato para disco de conformidad con la reivindicación 23, caracteriza<Jo además por-que el carbure de boro tiene un módulo de elasticidad de por lo menos 435 GPa, una porosidad de menos de 0.1% y una aspereza de superficie (Ra) de no más de 10 angst rerns.

25.- Un substrato para disco par-a su uso en una unidad de disco, consistiendo esencialmente de alumina resistente a la zirconia, que tiene una aspereza de superficie (Ra) de no más de 10 angst r ms.

26.- Un substrato de zirconia parcialmente estabilizada que consiste esencialmente de zirconia parcialmente estabilizada y que tiene una aspereza de superficie (Ra) de no más de 10 angstroms, este substrato producido mediante un procedimiento que com?ren«Je los pasos de: a) esmerilar un substrato para disco que consiste esencialmente de zirconia parcialmente estabilizada con una pasta de diamante o de alumina, o mezcla de las mismas, que tiene un tamaño de ""'grano de entre 3 urn y 15 urn para obtener una aspereza de superficie (Ra) de casi 125 angstroms, y b) pulir el substrato para disco con una pasta de diamante o «Je alumina, o mezcla de las mismas, que tiene un tamaño «Je grano de entre 0.01 y 0.2 um para obtener una aspereza de superficie (Ra) de no más de 10 angstroms.