WO2023037760A1 - 結晶化ガラス - Google Patents

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WO2023037760A1
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crystallized glass
glass
less
crystallized
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French (fr)
Inventor
小田望
Original Assignee
株式会社 オハラ
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B32/00—Thermal after-treatment of glass products not provided for in groups C03B19/00, C03B25/00 - C03B31/00 or C03B37/00, e.g. crystallisation, eliminating gas inclusions or other impurities; Hot-pressing vitrified, non-porous, shaped glass products
    • C03B32/02—Thermal crystallisation, e.g. for crystallising glass bodies into glass-ceramic articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C10/00—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C21/00—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface

Definitions

  • the present invention relates to transparent crystallized glass with a novel composition.
  • glass has been used as a cover glass to protect the displays of mobile electronic devices such as smartphones and tablet PCs, and as a protector to protect the lenses of optical devices for vehicles. Furthermore, in recent years, there is also a demand for use in housings that serve as exteriors of electronic devices. In addition, there is an increasing demand for materials having high strength so that these devices can withstand severe use. Furthermore, for these uses, materials with high transmittance while maintaining high strength are desired.
  • Crystallized glass is an example of glass with increased strength. Crystallized glass is obtained by depositing crystals inside the glass, and is superior in mechanical strength to glass.
  • Patent Document 1 discloses the material composition of a crystallized glass substrate for information magnetic recording media.
  • Patent Document 1 describes that a glass-ceramic substrate having a crystal phase such as enstatite has a high Young's modulus corresponding to high-speed rotation and is suitable for an information magnetic recording medium.
  • the inventors have applied for a novel glass in Japanese Patent Application No. 2020-134653.
  • This glass can be crystallized and chemically strengthened, which can increase its mechanical strength.
  • crystallized glass having high transmittance and high transparency while maintaining the mechanical strength of the crystallized glass obtained in the examples of this application.
  • An object of the present invention is to provide crystallized glass that has high strength and is transparent.
  • crystallized glass obtained by crystallizing glass having a predetermined composition under predetermined conditions has high transmittance and high hardness, and can be chemically strengthened. By doing so, the inventors have found that the hardness can be further increased, and have completed the present invention.
  • the contents of the present invention are specifically shown below.
  • crystallized glass with high strength and transparency can be obtained.
  • the crystallized glass or tempered crystallized glass of the present invention can be used as a protective member for equipment by taking advantage of its high strength and transparency. It can be used as cover glass and housings for smartphones, as components for mobile electronic devices such as tablet PCs and wearable terminals, and as components for protective protectors and head-up display substrates used in vehicles such as cars and airplanes. It is possible. In addition, it can be used for other electronic devices and machinery, construction members, solar panel members, projector members, cover glasses (windshields) for spectacles and watches, and the like.
  • FIG. 4 is a TEM photograph of the crystal phase of the crystallized glass obtained in Example 4.
  • FIG. 4 is an electron diffraction pattern of the crystal phase of the crystallized glass obtained in Example 4.
  • FIG. 4 is a TEM photograph of the crystal phase of the crystallized glass obtained in Comparative Example 1.
  • FIG. 4 is an electron diffraction pattern of the crystal phase of the crystallized glass obtained in Comparative Example 1.
  • FIG. 10 is a graph showing the transmittance versus wavelength of 1 mm-thick crystallized glass substrates obtained in Example 4 and Comparative Example 1;
  • Crystallized glass can be obtained by precipitating crystals inside the glass by heat-treating the glass.
  • the crystalline phase of crystallized glass is determined using the angles of peaks appearing in the X-ray diffraction pattern of X-ray diffraction analysis and, if necessary, the electron diffraction method.
  • the crystallized glass of the present invention has, for example, (Mg,Ti ) O , MgAl2Si2O8 , MgSiO3 , MgTi2O5 , Mg2SiO4 , Na2TiSiO5 , MgAl2O4 as a crystal phase . , Mg 2 Al 2 Si 3 O 12 or solid solutions thereof.
  • These crystals include granular microcrystals having a lower limit of 1 nm or more and an upper limit of 50 nm or less, more preferably 30 nm or less, and even more preferably 20 nm or less.
  • % by mass in terms of oxide means that when it is assumed that all glass constituent components are decomposed and changed to oxide , the amount of the oxide of each component contained in the glass is expressed in mass % when the total amount of the oxide is 100 mass %. In this specification, the content of each component is indicated by “mass% in terms of oxide” unless otherwise specified.
  • a to B% represents A% or more and B% or less.
  • 0 in "contains 0 to C%" means that the content is 0%.
  • composition range of each component constituting the glass of the present invention will be specifically described below.
  • the SiO2 component is an essential component that forms a glass network structure.
  • the lower limit of the content of the SiO 2 component can be, for example, 40.0% or more, 41.0% or more, or 42.0% or more.
  • the upper limit of the content of the SiO2 component can be, for example, 55.0% or less, 50.0% or less, 49.0% or less, or 48.0% or less.
  • the Al 2 O 3 component is an essential component that, like SiO 2 , forms a glass network structure and can become a component that forms a crystal phase by heat-treating the glass before crystallization. Also, it is a component that contributes to the improvement of mechanical strength.
  • the lower limit of the content of the Al 2 O 3 component can be, for example, 10.0% or more, 13.5% or more, or 15.0% or more.
  • the upper limit of the content of the Al 2 O 3 component can be, for example, 30.0% or less, 25.0% or less, or 23.0% or less.
  • the MgO component is one of the components that can constitute the crystal phase and is an essential component. Also, it is a component that contributes to the improvement of mechanical strength.
  • the lower limit of the content of the MgO component can be, for example, 10.0% or more, 13.5% or more, or 15.0% or more.
  • the upper limit of the content of the MgO component can be, for example, 30.0% or less, 25.0% or less, or 23.0% or less.
  • the TiO2 component is an essential component that plays a role of nucleation for precipitating crystals. Also, it is a component that contributes to the improvement of mechanical strength.
  • the lower limit of the content of the TiO 2 component can be, for example, 5.0% or more, 6.0% or more, or 7.0% or more.
  • the upper limit of the content of the TiO 2 component can be, for example, 15.0% or less, 14.0% or less, or 13.0% or less.
  • the Na 2 O component is an essential component that participates in chemical strengthening and contributes to improving mechanical strength.
  • the lower limit of the content of the Na 2 O component can be, for example, more than 0%, 0.5% or more, 1.0% or more, 2.0% or more, or 3.0% or more.
  • the upper limit of the content of the Na 2 O component can be, for example, 8.0% or less, 6.0% or less, 5.0% or less, or 4.5% or less.
  • B 2 O 3 components and P 2 O 5 components can be added as optional components.
  • An optional component is a component that may or may not be included.
  • the content can be 0% or more.
  • the upper limit of the content of these components can be, for example, 5.0% or less, 3.0% or less, or 2.0% or less.
  • the content of the B 2 O 3 component may be 0 to less than 2.0% or 0 to 1.0%.
  • the Li 2 O component is an optional component that participates in chemical strengthening and contributes to improving mechanical strength.
  • the Li 2 O component is 4.0% or less, devitrification, phase separation, or non-uniformity of the glass can be suppressed. Therefore, the upper limit of the content of the Li 2 O component can be, for example, 4.0% or less, 3.0% or less, 2.0% or less, or 1.0% or less.
  • Both the Na 2 O component and the Li 2 O component are involved in chemical strengthening. , is preferably 5.0% or less, more preferably 4.0% or less.
  • K 2 O component, CaO component, SrO component, BaO component and ZnO component can be added as optional components.
  • the upper limit of the content of these components can be, for example, 5.0% or less, 3.0% or less, or 2.0% or less.
  • the lower limit is preferably more than 0%, more preferably 0.5% or more, in order to improve the mechanical strength.
  • the ZrO 2 component is an optional component that can play a role in nucleation for precipitating crystals.
  • the upper limit of the content of the ZrO 2 component can be, for example, 8.0% or less, 5.0% or less, or 3.0% or less.
  • the glass contains 3 Gd 2 O components, 2 TeO components, 2 FeO components, 3 La 2 O components, 3 Y 2 O components, 5 Nb 2 O components, 5 Ta 2 O components, as long as the effects of the present invention are not impaired.
  • a WO 3 component may be an optional component.
  • the content of each component can be 0-2.0%, or 0.5-1.0%.
  • the glass contains 0 to 2.0%, preferably 0.005 to 1.0%, more preferably 0.005 to 1.0%, more preferably 0.005 to 1.0%, more preferably 0.005 to 1.0%, more preferably 0.005 to 1.0%, more preferably 0.005 to 1.0%, more preferably 0.005 to 1.0%, more preferably 0.005 to 1.0% of one or more selected from Sb 2 O 3 components, SnO 2 components and CeO 2 components as a clarifier. 01-0.5%.
  • the Pb, Th, Cd, Tl, Os, Be and Se components should not be substantially contained, since there is a tendency to refrain from using them as harmful chemical substances in recent years.
  • SiO 2 component, Al 2 O 3 component, MgO component, TiO 2 component and Na 2 O component total 80.0% or more, 85.0% or more, 90.0% or more, 92.0% or more, Or it can be 95.0% or more.
  • the reinforced crystallized glass of the present invention has a compressive stress layer on its surface. Assuming that the outermost surface has a depth of zero, the compressive stress of the outermost surface (surface compressive stress) is CS. The depth of the compressive stress layer when the compressive stress is 0 MPa is defined as DOLzero.
  • the surface compressive stress value (CS) of the compressive stress layer is preferably 200 MPa or more, more preferably 350 MPa or more, and even more preferably 450 MPa or more.
  • the upper limit of CS can be, for example, 1000 MPa or less or 900 MPa or less.
  • the central tensile stress (CT) is preferably 3 MPa or more, more preferably 4 MPa or more, and even more preferably 10 MPa or more.
  • the upper limit of CT can be, for example, 60 MPa or less or 50 MPa or less.
  • the depth (DOLzero) of the compressive stress layer is preferably 4 ⁇ m or more, more preferably 5 ⁇ m or more, and even more preferably 10 ⁇ m or more.
  • the upper limit can be, for example, 80 ⁇ m or less or 60 ⁇ m or less.
  • the lower limit of the thickness of the glass substrate may be, for example, 0.10 mm or more, 0.20 mm or more, or 0.40 mm or more.
  • the upper limit of the thickness of the glass substrate may be, for example, 10.00 mm or less, 5.00 mm or less, 1.00 mm or less, 0.90 mm or less, or 0.80 mm or less.
  • the crystallized glass or tempered crystallized glass has a Vickers hardness (Hv) measured in Examples of preferably 700 or more, more preferably 800 or more. By having such impact resistance, it can withstand the impact when dropped when used as a protective member.
  • Hv Vickers hardness
  • Crystallized glass or tempered crystallized glass preferably has a spectral transmittance of 50.00% or more, more preferably 60.00% or more, and most preferably 70.00% or more at 400 nm.
  • Crystallized glass or strengthened crystallized glass preferably has a high visible light transmittance, particularly a high transmittance for light on the short wavelength side of visible light, and is therefore less colored.
  • the shortest wavelength ( ⁇ 80) at which a 1 mm-thick sample of the crystallized glass or strengthened crystallized glass of the present invention exhibits a spectral transmittance of 80% is preferably 500 nm or less, more preferably 480 nm or less, and still more preferably 450 nm or less. and
  • the shortest wavelength ( ⁇ 80) exhibiting a spectral transmittance of 80% can have a lower limit of, for example, 200 nm or more or 300 nm or more.
  • the shortest wavelength ( ⁇ 5) at which a 1 mm-thick sample of the crystallized glass or strengthened crystallized glass of the present invention exhibits a spectral transmittance of 5% is preferably 400 nm or less, more preferably 380 nm or less, and even more preferably 350 nm or less. and
  • the shortest wavelength ( ⁇ 5) exhibiting a spectral transmittance of 5% can have a lower limit of, for example, 150 nm or more or 200 nm or more.
  • the glass and crystallized glass of the present invention can be produced, for example, by the following method.
  • the raw materials are uniformly mixed, and the resulting mixture is melted and stirred for homogenization, then molded and slowly cooled to produce glass. Next, this glass is crystallized to produce crystallized glass. Further, by chemically strengthening a crystallized glass as a base material, a strengthened crystallized glass can be formed.
  • the glass is heat-treated to precipitate crystals inside the glass.
  • This heat treatment may be performed in one stage or in two stages of temperature.
  • the crystallization temperature and time are adjusted so that the crystallized glass does not become cloudy and the transmittance does not decrease.
  • the nucleation step is first performed by heat treatment at a first temperature, and after this nucleation step, the crystal growth step is performed by heat treatment at a second temperature higher than the nucleation step.
  • the nucleation step and the crystal growth step are performed continuously at one step of temperature. Usually, the temperature is raised to a predetermined heat treatment temperature, and after reaching the heat treatment temperature, the temperature is maintained for a certain period of time, and then the temperature is lowered.
  • the holding time at the heat treatment temperature is preferably 30 minutes to 500 minutes, more preferably 60 minutes to 400 minutes.
  • the holding time at the heat treatment temperature is preferably less than 30 minutes.
  • an alkali component present in the surface layer of the crystallized glass substrate is exchange-reacted with an alkali component having a larger ionic radius to form a compressive stress layer on the surface layer.
  • an ion implantation method in which ions are implanted into the surface layer of the crystallized glass substrate.
  • the chemical strengthening method can be carried out, for example, by the following steps. Crystallized glass is brought into contact with or immersed in a molten salt containing potassium or sodium, such as potassium nitrate (KNO 3 ), sodium nitrate (NaNO 3 ), or a mixed salt or composite salt thereof.
  • a molten salt containing potassium or sodium such as potassium nitrate (KNO 3 ), sodium nitrate (NaNO 3 ), or a mixed salt or composite salt thereof.
  • KNO 3 potassium nitrate
  • NaNO 3 sodium nitrate
  • the treatment of contacting or immersing in the molten salt may be performed in one step or in two steps.
  • the steel is contacted or immersed in a sodium salt or a mixed salt of potassium and sodium heated at 350° C. to 550° C. for 1 to 1440 minutes.
  • the thermal strengthening method is not particularly limited.
  • a compressive stress layer can be formed by the temperature difference of . By combining with the above chemical treatment method, the compressive stress layer can be formed more effectively.
  • the ion implantation method is not particularly limited, but for example, arbitrary ions are allowed to collide with the crystallized glass (base material) surface at an acceleration energy and an acceleration voltage that do not destroy the base material surface, thereby implanting ions on the base material surface. inject.
  • a compressive stress layer can be formed on the surface in the same manner as in other methods by performing heat treatment as necessary thereafter.
  • Examples 1 to 6 Comparative Examples 1 and 2 1.
  • Manufacture of glass and crystallized glass Select the corresponding oxides, hydroxides, carbonates, nitrates, fluorides, chlorides, metaphosphates, etc. as raw materials for each component of glass, and display these raw materials. The components were weighed and uniformly mixed so as to obtain the composition (% by mass) described in 1 above.
  • the mixed raw materials were put into a platinum crucible and melted in an electric furnace at a temperature range of 1300°C to 1540°C depending on the melting difficulty of the glass composition. Thereafter, the molten glass was stirred and homogenized, cast into a mold, and slowly cooled to produce glass.
  • the obtained glass was subjected to one-step heat treatment at the crystallization temperature shown in Table 1 to produce crystallized glass.
  • the temperature was maintained at 750° C. for 360 minutes, and in Comparative Examples 1 and 2, the temperature was maintained at 800° C. for 360 minutes.
  • the crystallized glasses of Examples 1 to 6 were transparent, and the crystallized glasses of Comparative Examples 1 and 2 were cloudy.
  • the glass used in Comparative Examples 1 and 2 has the same composition as that of Examples 1 and 2, and Comparative Examples 1 and 2 differ from Examples 1 and 2 only in crystallization temperature.
  • Example 4 The presence or absence of crystals in the obtained crystallized glass of Example 4 and Comparative Example 1 was confirmed by TEM.
  • a 200 kV field emission transmission electron microscope JEM-2100F manufactured by JEOL Ltd. was used to confirm the crystal phase, and measurement was performed at an accelerating voltage of 200 kV during observation.
  • a TEM photograph of Example 4 is shown in FIG. 1, and an electron diffraction pattern is shown in FIG. It was confirmed that (Mg,Ti)O was included as the crystal phase in Examples 1-6.
  • a TEM photograph of Comparative Example 1 is shown in FIG. 3, and an electron diffraction pattern is shown in FIG.
  • Example 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 the crystallized glass substrate was immersed in a KNO 3 salt bath at 500° C. for 8 hours (480 minutes) for chemical strengthening to obtain tempered crystallized glass.
  • Table 2 shows the results.
  • Vickers Hardness Measurement Table 2 shows the Vickers hardness (Hv) of crystallized glass (before tempering) and tempered crystallized glass (after tempering). Vickers hardness is a value obtained by dividing the load when a pyramid-shaped indentation is made on the test surface using a diamond square pyramid indenter with a facing angle of 136° by the surface area (mm 2 ) calculated from the length of the indentation. Indicated.
  • the crystallized glasses of Examples 1 to 6 had a spectral transmittance of 50% or more at 400 nm.
  • the crystallized glasses of Comparative Examples 1 and 2 had a spectral transmittance of about 13% at 400 nm.
  • FIG. 5 shows the transmittance versus wavelength of the 1 mm-thick crystallized glass substrates obtained in Example 4 and Comparative Example 1. As shown in FIG.
  • the particle size (diameter) of granular microcrystals was obtained from a TEM image.
  • the crystallized glass of Example 4 contained granular crystallites with a grain size of 5-15 nm.
  • the crystallized glass of Comparative Example 1 contained granular microcrystals having a particle size of 50 to 100 nm, which is larger than those of the crystallized glasses of Examples 1 to 6.
  • the depth DOLzero ( ⁇ m) and central tensile stress (CT) of the compressive stress layer were measured using a scattered light photoelastic stress meter SLP-1000.
  • a light source with a wavelength of 640 nm was selected as the wavelength of the measurement light source used for DOLzero and CT measurements.
  • the refractive index value at 640 nm was used as the refractive index used for DOLzero and CT measurements.
  • the value of the refractive index at a wavelength of 640 nm is quadratic from the measured values of the refractive indices at the wavelengths of the C-line, d-line, F-line, and g-line according to the V-block method specified in JIS B 7071-2:2018. It was calculated using the approximation formula of
  • the value of the photoelastic constant at 640 nm used for measurement used in DOLzero and CT measurements was calculated using a quadratic approximation from the measured values of the photoelastic constant at wavelengths of 435.8 nm, 546.1 nm and 643.9 nm. .
  • the crystallized glasses of Examples were transparent while the crystallized glasses of Comparative Examples 1 and 2 were cloudy.
  • the crystallized glass can be chemically strengthened and has a higher Vickers hardness.

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Abstract

強度が高く透明な結晶化ガラスを提供することにある。 酸化物換算の質量％で、ＳｉＯ２成分を４０．０～５５．０％、Ａｌ２Ｏ３成分を１０．０～３０．０％、ＭｇＯ成分を１０．０～３０．０％、ＴｉＯ２成分を５．０～１５．０％、Ｎａ２Ｏ成分を０超～８．０％含有し、ビッカース硬度（Ｈｖ）が７００以上であり、１ｍｍ厚の試料について４００ｎｍにおける分光透過率が５０％以上であることを特徴とする結晶化ガラス。

Description

結晶化ガラス
　本発明は、新規な組成を有する透明な結晶化ガラスに関する。
　従来、ガラスは、スマートフォン、タブレット型ＰＣなどの携帯電子機器にディスプレイを保護するためのカバーガラスとして、また、車載用の光学機器にレンズを保護するためのプロテクターとして、使用されている。さらに、近年、電子機器の外装となる筐体などへの利用も求められている。そして、これらの機器が過酷な使用に耐えうるよう、高い強度を有する材料の要求が強まっている。さらに、これらの用途として、高い強度を保ちつつ、かつ透過率の高い材料が求められている。
　ガラスの強度を高めたものとして、結晶化ガラスがある。結晶化ガラスはガラス内部に結晶を析出させたものであり、ガラスよりも機械的強度が優れている。
　特許文献１には、情報磁気記録媒体用結晶化ガラス基板の材料組成が開示されている。特許文献１ではエンスタタイトなどの結晶相を有するガラスセラミックス基板が、高速回転に対応した高ヤング率を有し情報磁気記録媒体に適することが記載されている。
　本発明者らは、特願２０２０－１３４６５３で、新規なガラスを出願している。このガラスは結晶化と化学強化が可能であり、これらにより機械的強度を高めることができる。しかしながら、この出願の実施例で得られる結晶化ガラスの機械的強度を保ちつつ、さらに透過率がよく透明性が高い結晶化ガラスが求められる用途が望まれる。
特開２００１－０４８５８１
　本発明の目的は、強度が高く透明な結晶化ガラスを提供することにある。
　本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、所定の組成を有するガラスを所定の条件で結晶化させた結晶化ガラスは透過率が高くかつ硬度も高く、化学強化することにより、さらに硬度を高めることができることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明の内容を具体的に以下に示す。
（１）酸化物換算の質量％で、
ＳｉＯ２成分を４０．０～５５．０％、
Ａｌ２Ｏ３成分を１０．０～３０．０％、
ＭｇＯ成分を１０．０～３０．０％、
ＴｉＯ２成分を５．０～１５．０％、
Ｎａ２Ｏ成分を０超～８．０％
含有し、ビッカース硬度（Ｈｖ）が７００以上であり、１ｍｍ厚の試料について４００ｎｍにおける分光透過率が５０％以上であることを特徴とする結晶化ガラス。
（２）酸化物換算の質量％で、
Ｂ２Ｏ３成分を０～５．０％、
Ｐ２Ｏ５成分を０～５．０％、
ＬｉＯ２成分を０～４．０％、
Ｋ２Ｏ成分を０～５．０％、
ＣａＯ成分を０～５．０％、
ＳｒＯ成分を０～５．０％、
ＢａＯ成分を０～５．０％、
ＺｎＯ成分を０～５．０％、
ＺｒＯ２成分を０～８．０％、
Ｓｂ２Ｏ３成分を０～２．０％
含有する（１）に記載の結晶化ガラス。
（３）粒径が１ｎｍ～５０ｎｍの粒状微結晶を含む（１）または（２）に記載の結晶化ガラス。
（４）表面に圧縮応力層を有する強化ガラスである（１）～（３）のいずれかに記載の結晶化ガラス。
　本発明によれば、強度が高く透明な結晶化ガラスを得ることができる。
　本発明の結晶化ガラスまたは強化した結晶化ガラスは、高い強度と透明性を活かして機器の保護部材などに使用することができる。スマートフォンのカバーガラスや筐体、タブレット型ＰＣやウェアラブル端末などの携帯電子機器の部材として利用したり、車や飛行機などの輸送機体で使用される保護プロテクターやヘッドアップディスプレイ用基板などの部材として利用可能である。また、その他の電子機器や機械器具類、建築部材、太陽光パネル用部材、プロジェクタ用部材、眼鏡や時計用のカバーガラス（風防）などに使用可能である。
実施例４で得られた結晶化ガラスの結晶相のＴＥＭ写真である。 実施例４で得られた結晶化ガラスの結晶相の電子回折パターンである。 比較例１で得られた結晶化ガラスの結晶相のＴＥＭ写真である。 比較例１で得られた結晶化ガラスの結晶相の電子回折パターンである。 実施例４および比較例１で得られた１ｍｍ厚の結晶化ガラス基板の、波長に対する透過率を示す図である。
　以下、本発明の実施形態および実施例について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態および実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。
　結晶化ガラスは、ガラスを熱処理することでガラス内部に結晶を析出させて得ることができる。一般的に、結晶化ガラスの結晶相は、Ｘ線回折分析のＸ線回折図形において現れるピークの角度、および必要に応じて電子回折法を用いて判別される。
　本発明の結晶化ガラスは、例えば、結晶相として、（Ｍｇ,Ｔｉ）Ｏ、 ＭｇＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８、ＭｇＳｉＯ３、ＭｇＴｉ２Ｏ５、Ｍｇ２ＳｉＯ４、Ｎａ２ＴｉＳｉＯ５、ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｍｇ２Ａｌ２Ｓｉ３Ｏ１２またはこれらの固溶体を含む。
　これらの結晶は、粒径の下限は１ｎｍ以上であることが好ましく、粒径の上限は５０ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下、さらに好ましくは２０ｎｍ以下の粒状微結晶を含む。
　ガラスおよび結晶化ガラス（以下、単にガラスともいう）の構成成分の含有量の記載において、「酸化物換算の質量％」とは、ガラス構成成分が全て分解され酸化物へ変化すると仮定した場合に、当該酸化物の総量を１００質量％としたときの、ガラス中に含有される各成分の酸化物の量を、質量％で表記したものである。本明細書において、各成分の含有量は、特に断りがない場合、「酸化物換算の質量％」で表示する。
　本明細書において、Ａ～Ｂ％はＡ％以上Ｂ％以下を表す。また、「０～Ｃ％を含有する」の０は、含有量が０％であることを意味する。
　以下、具体的に、本発明のガラスを構成する各成分の組成範囲を述べる。
　ＳｉＯ２成分は、ガラス網目構造を形成する必須成分である。ＳｉＯ２成分の含有量は、例えば、４０．０％以上、４１．０％以上、または４２．０％以上を下限とできる。ＳｉＯ２成分の含有量は、例えば、５５．０％以下、５０．０％以下、４９．０％以下、または４８．０％以下を上限とできる。
　Ａｌ２Ｏ３成分は、ＳｉＯ２と同様にガラス網目構造を形成し、結晶化前のガラスの熱処理により結晶相を構成する成分になりうる必須成分である。また、機械的強度の向上に寄与する成分である。Ａｌ２Ｏ３成分の含有量は、例えば、１０．０％以上、１３．５％以上、または１５．０％以上を下限とできる。Ａｌ２Ｏ３成分の含有量は、例えば、３０．０％以下、２５．０％以下、または２３．０％以下を上限とできる。
　ＭｇＯ成分は、結晶相を構成しうる成分の一つであり、必須成分である。また、機械的強度の向上に寄与する成分である。ＭｇＯ成分の含有量は、例えば、１０．０％以上、１３．５％以上、または１５．０％以上を下限とできる。ＭｇＯ成分の含有量は、例えば、３０．０％以下、２５．０％以下、または２３．０％以下を上限とできる。
　ＴｉＯ２成分は、結晶を析出させるための核形成の役割を果たす必須成分である。また、機械的強度の向上に寄与する成分である。ＴｉＯ２成分の含有量は、例えば、５．０％以上、６．０％以上、または７．０％以上を下限とできる。ＴｉＯ２成分の含有量は、例えば、１５．０％以下、１４．０％以下、または１３．０％以下を上限とできる。
　Ｎａ２Ｏ成分は、化学強化に関与し、機械的強度の向上に寄与する必須成分である。Ｎａ２Ｏ成分の含有量は、例えば、０％超、０．５％以上、１．０％以上、２．０％以上、または３．０％以上を下限とできる。
　Ｎａ２Ｏ成分を８．０％以下とすると、ガラスが失透、分相または不均一化することを抑えることができる。従って、Ｎａ２Ｏ成分の含有量は、例えば、８．０％以下、６．０％以下、５．０％以下、または４．５％以下を上限とできる。
　Ｂ２Ｏ３成分、Ｐ２Ｏ５成分は、任意成分として添加することができる。任意成分とは、含んでもよいし含まなくてもよい成分である。含有量は０％以上とできる。
　これら成分の含有量は、それぞれ、例えば、５．０％以下、３．０％以下、または２．０％以下を上限とできる。Ｂ２Ｏ３成分の含有量を０～２．０％未満または０～１．０％としてもよい。
　Ｌｉ２Ｏ成分は、化学強化に関与し、機械的強度の向上に寄与する任意成分である。
　Ｌｉ２Ｏ成分を４．０％以下とすると、ガラスが失透、分相または不均一化することを抑えることができる。従って、Ｌｉ２Ｏ成分の含有量は、例えば、４．０％以下、３．０％以下、２．０％以下、または１．０％以下を上限とできる。
　Ｎａ２Ｏ成分とＬｉ２Ｏ成分は共に化学強化に関与するが、合計の含有量を５．０％以下とすると、失透性が悪くなることを抑えることができるため、合計の含有量は、５．０％以下が好ましく、４．０％以下がより好ましい。
　Ｋ２Ｏ成分、ＣａＯ成分、ＳｒＯ成分、ＢａＯ成分およびＺｎＯ成分は、任意成分として添加することができる。これら成分の含有量は、それぞれ、例えば、５．０％以下、３．０％以下、または２．０％以下を上限とできる。
　特に、ＣａＯ成分、ＳｒＯ成分については、０％超含有した場合には、機械的強度の向上のため、好ましくは０％超、より好ましくは０．５％以上を下限とできる。
 
　ＺｒＯ２成分は、結晶を析出させるための核形成の役割を果たすことができる任意成分である。ＺｒＯ２成分の含有量は、例えば、８．０％以下、５．０％以下、または３．０％以下を上限とできる。
　ガラスは、本発明の効果を損なわない範囲で、Ｇｄ２Ｏ３成分、ＴｅＯ２成分、ＦｅＯ成分、Ｌａ２Ｏ３成分、Ｙ２Ｏ３成分、Ｎｂ２Ｏ５成分、Ｔａ２Ｏ５成分、ＷＯ３成分を、任意成分としてよい。各々の成分の含有量は０～２．０％、または０．５～１．０％とできる。
　ガラスは、清澄剤として、Ｓｂ２Ｏ３成分、ＳｎＯ２成分およびＣｅＯ２成分から選択される１以上を０～２．０％、好ましくは０．００５～１．０％、さらに好ましくは０．０１～０．５％含むことができる。
　Ｐｂ、Ｔｈ、Ｃｄ、Ｔｌ、Ｏｓ、ＢｅおよびＳｅの各成分は、近年有害な化学物質として使用を控える傾向にあるため、これらを実質的に含有しないことが好ましい。
　上記の配合量は適宜組み合わせることができる。
　ＳｉＯ２成分、Ａｌ２Ｏ３成分、ＭｇＯ成分、ＴｉＯ２成分およびＮａ２Ｏ成分を合計して、８０．０％以上、８５．０％以上、９０．０％以上、９２．０％以上、または９５．０％以上とすることができる。
　本発明の強化結晶化ガラスは、その表面に圧縮応力層を有する。最表面を深さゼロとすると、最表面の圧縮応力（表面圧縮応力）がＣＳである。圧縮応力が０ＭＰａのときの圧縮応力層の深さをＤＯＬｚｅｒｏとする。
　表面に圧縮応力層を形成することでクラックの延伸を抑え機械的強度を高めることができる。圧縮応力層の表面圧縮応力値（ＣＳ）は２００ＭＰａ以上が好ましく、３５０ＭＰａ以上がより好ましく、４５０ＭＰａ以上がさらに好ましい。ＣＳの上限は、例えば、１０００ＭＰａ以下または９００ＭＰａ以下とすることができる。
　中心引張応力（ＣＴ）は、３ＭＰａ以上が好ましく、４ＭＰａ以上がより好ましく、１０ＭＰａ以上がさらに好ましい。ＣＴの上限は、例えば、６０ＭＰａ以下または５０ＭＰａ以下とすることができる。
　圧縮応力層が深いと、表面に深いクラックが生じてもクラックが延伸したり、基板が割れたりするのを抑えることができる。圧縮応力層の深さ（ＤＯＬｚｅｒｏ）は、４μｍ以上が好ましく、５μｍ以上がより好ましく、１０μｍ以上がさらに好ましい。上限は、例えば、８０μｍ以下また６０μｍ以下とすることができる。
　ガラス基板の厚さの下限は、例えば、０．１０ｍｍ以上、０．２０ｍｍ以上または０．４０ｍｍ以上としてよい。ガラス基板の厚さの上限は、例えば、１０．００ｍｍ以下、５．００ｍｍ以下、１．００ｍｍ以下、０．９０ｍｍ以下または０．８０ｍｍ以下としてよい。
　結晶化ガラスまたは強化結晶化ガラスは、実施例で測定したビッカース硬度（Ｈｖ）が、好ましくは７００以上、より好ましくは８００以上である。このような耐衝撃性を有することで、保護部材として使用した際に落下時の衝撃に耐えることができる。
　結晶化ガラスまたは強化結晶化ガラスは、４００ｎｍの分光透過率が好ましくは５０．００％以上、より好ましくは６０．００％以上、最も好ましくは７０．００％以上であることが望ましい。
　結晶化ガラスまたは強化結晶化ガラスは、可視光透過率、特に可視光のうち短波長側の光の透過率が高く、それにより着色が少ないことが好ましい。
　本発明の結晶化ガラスまたは強化結晶化ガラスの厚み１ｍｍのサンプルで分光透過率８０％を示す最も短い波長（λ８０）は、好ましくは５００ｎｍ以下、より好ましくは４８０ｎｍ以下、さらに好ましくは４５０ｎｍ以下を上限とする。分光透過率８０％を示す最も短い波長（λ８０）は、例えば、２００ｎｍ以上または３００ｎｍ以上を下限とできる。
　本発明の結晶化ガラスまたは強化結晶化ガラスの厚み１ｍｍのサンプルで分光透過率５％を示す最も短い波長（λ５）は、好ましくは４００ｎｍ以下、より好ましくは３８０ｎｍ以下、さらに好ましくは３５０ｎｍ以下を上限とする。分光透過率５％を示す最も短い波長（λ５）は、例えば、１５０ｎｍ以上または２００ｎｍ以上を下限とできる。
　本発明のガラスおよび結晶化ガラスは、例えば、以下の方法で製造できる。
　原料を均一に混合し、作製した混合物を熔融、攪拌することにより均質化した後に、成形、徐冷することで、ガラスを製造する。次にこのガラスを結晶化して結晶化ガラスを作製する。さらに結晶化ガラスを母材として化学強化すると強化結晶化ガラスが形成できる。
　ガラスは、熱処理しガラス内部に結晶を析出させる。この熱処理は、１段階でもよく２段階の温度で熱処理してもよい。結晶化ガラスが白濁して透過率が低下しないように、結晶化温度と時間を調整する。
　２段階熱処理では、まず第１の温度で熱処理することにより核形成工程を行い、この核形成工程の後に、核形成工程より高い第２の温度で熱処理することにより結晶成長工程を行う。
　１段階熱処理では、１段階の温度で核形成工程と結晶成長工程を連続的に行う。通常、所定の熱処理温度まで昇温し、当該熱処理温度に達した後に一定時間その温度を保持し、その後、降温する。
　１段階の温度で熱処理する場合、例えば、熱処理の温度が６００℃～７５０℃のとき、熱処理の温度での保持時間は、３０分～５００分が好ましく、６０分～４００分がより好ましい。例えば、熱処理の温度が７５０℃を超えるとき、熱処理の温度での保持時間は、３０分未満が好ましい。
　圧縮応力層の形成方法としては、例えば結晶化ガラス基板の表面層に存在するアルカリ成分を、それよりもイオン半径の大きなアルカリ成分と交換反応させ、表面層に圧縮応力層を形成する化学強化法がある。また、結晶化ガラス基板を加熱し、その後急冷する熱強化法、結晶化ガラス基板の表面層にイオンを注入するイオン注入法がある。
　化学強化法は、例えば次のような工程で実施することができる。結晶化ガラスを、カリウムまたはナトリウムを含有する塩、例えば硝酸カリウム（ＫＮＯ３）、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）またはその混合塩や複合塩の溶融塩に接触または浸漬させる。この溶融塩に接触または浸漬させる処理（化学強化処理）は、１段階でもよく２段階で処理してもよい。
　例えば２段階化学強化処理の場合、第１に３５０℃～５５０℃で加熱したナトリウム塩またはカリウムとナトリウムの混合塩に１～１４４０分接触または浸漬させる。続けて第２に３５０℃～５５０℃で加熱したカリウム塩またはカリウムとナトリウムの混合塩に１～１４４０分接触または浸漬させる。
　１段階化学強化処理の場合、３５０℃～５５０℃で加熱したカリウムまたはナトリウムを含有する塩、またはその混合塩に１～１４４０分、好ましくは９０～６００分接触または浸漬させる。
　熱強化法については、特に限定されないが、例えば結晶化ガラスを、３００℃～６００℃に加熱した後に、水冷および／または空冷などの急速冷却を実施することにより、結晶化ガラス基板の表面と内部の温度差によって、圧縮応力層を形成することができる。なお、上記化学処理法と組み合わせることにより、圧縮応力層をより効果的に形成することもできる。
　イオン注入法については、特に限定されないが、例えば結晶化ガラス（母材）表面に任意のイオンを母材表面が破壊しない程度の加速エネルギー、加速電圧にて衝突させることで母材表面にイオンを注入する。その後必要に応じて熱処理を行うことにより、他方法と同様に表面に圧縮応力層を形成することができる。
実施例１～６、比較例１，２
１．ガラスと結晶化ガラスの製造
　ガラスの各成分の原料として各々相当する酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、弗化物、塩化物、メタ燐酸化合物などの原料を選定し、これらの原料を表１に記載の組成（質量％）になるように秤量して均一に混合した。
　次に、混合した原料を白金坩堝に投入し、ガラス組成の熔融難易度に応じて電気炉で１３００℃から１５４０℃の温度範囲で熔融した。その後、熔融したガラスを攪拌して均質化してから金型に鋳込み、徐冷してガラスを作製した。
　得られたガラスに対し、表１に示す結晶化温度で1段階熱処理を施し、結晶化ガラスを作製した。実施例１～６では７５０℃で３６０分保持し、比較例１，２では８００℃で３６０分保持した。実施例１～６の結晶化ガラスは透明であり、比較例１，２の結晶化ガラスは白濁していた。尚、比較例１，２で用いたガラスは実施例１，２と同じ組成であり、比較例１，２は実施例１，２と結晶化温度だけが異なる。
　得られた実施例４，比較例１の結晶化ガラスについて、ＴＥＭにより結晶の有無を確認した。結晶相の確認には、２００ｋＶ－電界放出型透過電子顕微鏡ＪＥＭ－２１００Ｆ（日本電子製）を用い、観察時加速電圧２００ｋＶで測定することにより行った。実施例４のＴＥＭ写真を図１に、電子回折パターンを図２に示す。実施例１～６の結晶相として、（Ｍｇ，Ｔｉ）Ｏが含まれていることが確認された。比較例１のＴＥＭ写真を図３に電子回折パターンを図４に示す。
２．結晶化ガラスの化学強化
　作製した結晶化ガラスを切断および研削し、実施例１～６および比較例１，２については厚さが１．００ｍｍになるように対面平行研磨し、結晶化ガラス基板を得た。
　実施例１～６および比較例１，２では、結晶化ガラス基板を、ＫＮＯ３塩浴に５００℃８時間（４８０分）浸漬させ、化学強化を行い、強化結晶化ガラスを得た。
３．結晶化ガラスおよび強化結晶化ガラスの評価
　結晶化ガラスおよび強化結晶化ガラスについて以下の評価を実施した。結果を表２に示す。
（１）ビッカース硬度測定
　結晶化ガラス（強化前）と強化結晶化ガラス（強化後）のビッカース硬度（Ｈｖ）を表２に示す。ビッカース硬度は、対面角が１３６°のダイヤモンド四角錐圧子を用いて、試験面にピラミッド形状のくぼみをつけたときの荷重を、くぼみの長さから算出した表面積（ｍｍ２）で割った値で示した。（株）島津製作所マイクロビッカース硬度計ＨＭＶ－Ｇ２１Ｄを用い、試験荷重２００ｇｆ、保持時間１５秒で測定した。
（２）分光透過率
　日本光学硝子工業会規格ＪＯＧＩＳ－０２（２０１９）「光学ガラスの着色度測定方法」を参考に、結晶化ガラス（強化前）の厚さ１ｍｍの対面平行研磨試料の分光透過率を、日立製作所製 分光光度計Ｕ－４１００を用いて測定した。
　λ８０およびλ５は、分光透過率曲線において８０％および５％の透過率を示す波長（ｎｍ）である。
　実施例１～６の結晶化ガラスは４００ｎｍにおける分光透過率は５０％以上であった。比較例１，２の結晶化ガラスは４００ｎｍにおける分光透過率は約１３％であった。
　図５に、実施例４および比較例１で得られた１ｍｍ厚の結晶化ガラス基板の、波長に対する透過率を示す。
（３）結晶径
　粒状微結晶の粒径（直径）は、ＴＥＭ画像より求めた。実施例４の結晶化ガラスは、粒径５～１５ｎｍの粒状微結晶を含んでいた。比較例１の結晶化ガラスは、実施例１～６の結晶化ガラスの粒径より大きく、粒径５０～１００ｎｍの粒状微結晶を含んでいた。
（４）応力測定
　強化結晶化ガラス基板について応力測定をした。結果を表２に示す。表面圧縮応力値（ＣＳ）は、折原製作所製のガラス表面応力計ＦＳＭ－６０００ＬＥシリーズを用いて測定した。ＣＳ測定において用いられる測定機の光源は、５９６ｎｍの波長の光源を選択した。ＣＳ測定に用いる屈折率は、５９６ｎｍの屈折率の値を使用した。なお、波長５９６ｎｍにおける屈折率の値は、ＪＩＳ　Ｂ　７０７１－２：２０１８に規定されるＶブロック法に準じてＣ線、ｄ線、Ｆ線、ｇ線の波長における屈折率の測定値から二次の近似式を用いて算出した。
　ＣＳ測定に用いる５９６ｎｍの光弾性定数の値は、波長４３５．８ｎｍ、波長５４６．１ｎｍ、波長６４３．９ｎｍにおける光弾性定数の測定値から二次の近似式を用いて算出した。
　圧縮応力層の深さＤＯＬｚｅｒｏ（μｍ）および中心引張応力（ＣＴ）は、散乱光光弾性応力計ＳＬＰ－１０００を用いて測定した。ＤＯＬｚｅｒｏおよびＣＴ測定に用いられる測定光源の波長は６４０ｎｍの波長の光源を選択した。
　ＤＯＬｚｅｒｏおよびＣＴ測定に用いる屈折率は、６４０ｎｍの屈折率の値を使用した。なお、波長６４０ｎｍにおける屈折率の値は、ＪＩＳ　Ｂ　７０７１－２：２０１８に規定されるＶブロック法に準じてＣ線、ｄ線、Ｆ線、ｇ線の波長における屈折率の測定値から二次の近似式を用いて算出した。
　ＤＯＬｚｅｒｏおよびＣＴ測定に用いる測定に用いる６４０ｎｍの光弾性定数の値は、波長４３５．８ｎｍ、波長５４６．１ｎｍ、波長６４３．９ｎｍにおける光弾性定数の測定値から二次の近似式を用いて算出した。
　表２に示されるように、実施例の結晶化ガラスは、比較例１，２の結晶化ガラスが白濁しているのに対し、透明であった。結晶化ガラスは、化学強化でき、ビッカース硬度がさらに高くなった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  

Claims (4)

  1. 　酸化物換算の質量％で、
    ＳｉＯ２成分を４０．０～５５．０％、
    Ａｌ２Ｏ３成分を１０．０～３０．０％、
    ＭｇＯ成分を１０．０～３０．０％、
    ＴｉＯ２成分を５．０～１５．０％、
    Ｎａ２Ｏ成分を０超～８．０％
    含有し、ビッカース硬度（Ｈｖ）が７００以上であり、１ｍｍ厚の試料について４００ｎｍにおける分光透過率が５０％以上であることを特徴とする結晶化ガラス。
  2. 　酸化物換算の質量％で、
    Ｂ２Ｏ３成分を０～５．０％、
    Ｐ２Ｏ５成分を０～５．０％、
    ＬｉＯ２成分を０～４．０％、
    Ｋ２Ｏ成分を０～５．０％、
    ＣａＯ成分を０～５．０％、
    ＳｒＯ成分を０～５．０％、
    ＢａＯ成分を０～５．０％、
    ＺｎＯ成分を０～５．０％、
    ＺｒＯ２成分を０～８．０％、
    Ｓｂ２Ｏ３成分を０～２．０％
    含有する請求項１に記載の結晶化ガラス。
  3. 　粒径が１ｎｍ～５０ｎｍの粒状微結晶を含む請求項１または２に記載の結晶化ガラス。
  4. 　表面に圧縮応力層を有する強化ガラスである請求項１～３のいずれかに記載の結晶化ガラス。
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