DE19917921C1

DE19917921C1 - Gläser und Glaskeramiken mit hohem spezifischen E-Modul und deren Verwendung

Info

Publication number: DE19917921C1
Application number: DE19917921A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Pannhorst; Ute Woelfel; Silke Wolff
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2019-04-21
Also published as: US6376402B1; JP2000327365A; JP3512706B2

Abstract

Die Erfindung betrifft Gläser und Glaskeramiken mit hohem E-Modul, speziell mit hohem spezifischen E-Modul und mit einer Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) SiO¶2¶ 25-50; B¶2¶O¶3¶ > 5-16; Al¶2¶O¶3¶ 10-17; P¶2¶O¶5¶ 0-8; Li¶2¶O 5-15; Na¶2¶O 0-10; K¶2¶O 0-10; SIGMA R¶2¶O 30; MgO 10-30; CaO 0-10; SrO 0-8; ZnO 0-8; SIGMA RO 45; TiO¶2¶ 0,1-10; ZrO¶2¶ 0-8. DOLLAR A Die Werkstoffe sind hervorragend geeignet zur Herstellung von Festplattensubstraten.

Description

Gegenstand der Erfindung sind Gläser und Glaskeramiken mit hohem spezifischen Elastizitätsmodul sowie deren Verwendung.

Glas ist für die Verwendung als Substrat für Datenträger (Festplatten) gegenüber Metallen wie Aluminium oder Metallegierungen u. a. von Vorteil wegen seiner Planarität und seiner geringen Oberflächenrauhigkeit. Glas als der homogenste Werkstoff bietet die Möglichkeit, die Oberfläche von Glaskörpern sehr glatt (smooth) zu polieren. Auch der Produktionsprozeß von Glassubstraten ist, verglichen mit dem von Aluminiumsubstraten, schneller und weniger aufwendig.

Substratgläser für Festplatten müssen bei der Verwendung erhöhten chemischen, thermischen und mechanischen Belastungen standhalten. So erfahren sie während der Beschichtung (beispielsweise durch Kathodenzerstäubung) hohe Temperaturen mit hohen Abkühlraten. Bei der Verwendung als Festplatten treten hohe mechani sche Belastungen auf, z. B. beim Einbau Klemmspannungen auf der Drehachse sowie im Betrieb bei hohen Umdrehungszahlen von derzeit 3500 bis 10000 U/min zusätzliche Spannungen durch die Zentrifugal- und Präzessionskräfte. Solchen Be lastungen können vor allem 0,25 bis 3,0 mm dünne Gläser nur standhalten, wenn sie vorgespannt sind. Da die Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit durch thermi sches Vorspannen erst bei einer Mindestdicke von 3 mm möglich ist, müssen Gläser für die genannte Verwendung chemisch, d. h. durch Ionenaustausch, vorspannbar sein.

Durch eine Vorspannung wird g-shock-Belastungen, bspw. durch unsanften Trans port, die zu Rissen und Rißerweiterung am Innenloch führen, entgegengewirkt. Au ßerdem wird die Bruchfestigkeit erhöht.

Der Ionenaustausch in Gläsern, insbesondere mit Alkaliionen, kann verschiedene Ziele verfolgen. Die beiden wichtigsten sind (a) Veränderung der optischen Konstan ten, um Gradientenwerkstoffe zu erzeugen, (b) Erzeugung von Druckspannungen in der Oberflächenzone eines Gegenstandes, um die Anfälligkeit des Glases gegen Biegebeanspruchung zu reduzieren.

Bei den Gradientengläsern (a) geht es darum, durch ein gezielt eingebrachtes Bre chungsindexprofil schwierige und/oder aufwendige Bearbeitungprozesse einzuspa ren. Hierbei gilt es, Spannungen im Glas zu vermeiden, um Komplikationen, die durch Spannungsdoppelbrechung (Aufteilung eines optischen Strahles in einen or dentlichen und einer außerordentlichen Strahl) zu unterdrücken. Daher werden für den Ionenaustausch für diese Anwendung Alkaliionen verwendet, die die Erzeugung von Spannungsdoppelbrechung vermeiden. Für diese Anwendung werden bevorzugt Na⁺-Ionen gegen Ag⁺-Ionen ausgetauscht; der annähernd gleiche Ionenradius bei der Ionen sorgt dafür, daß keine Spannungen entstehen.

Sollen dagegen durch den Ionenaustausch im Glas Oberflächendruckspannungen erzeugt werden (b), werden bevorzugt Ionen gegeneinander ausgetauscht, die sich in ihren Ionenradien stark unterscheiden. Eine Vorspannung wird dadurch jedoch nur erzielt, wenn die Gläser eine Gerüststruktur besitzen, die sich während des Io nenaustauschs nicht verändert, so daß die beispielsweise aus einem Salzbad ins Glas hineindiffundierenden Ionen gerade die Positionen der herausdiffundierenden besetzen. Daher erfolgt ein solcher Ionenaustausch bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur Tg, da anderenfalls die Gerüststruktur relaxieren würde und so die Vorspannung verloren ginge. Druckvorspannungen bilden sich aus, wenn die eindiffundierenden Ionen größere Radien als die herausdiffundierenden haben. Typischerweise werden Na⁺-Ionen gegen K⁺-Ionen ausgetauscht; das chemische Vorspannen funktioniert jedoch auch mit dem Austausch von Li⁺-Ionen durch Na⁺- Ionen oder von K⁺-Ionen durch Cs⁺-Ionen.

Es hat sich gezeigt, daß Aluminosilicatgläser zum Ionenaustausch besonders gut geeignet sind. Durch den Einbau des Al auf Si-Tetraederplätze und die dazugehöri ge Ladungskompensation durch ein Alkaliion wird eine offene Gerüststruktur bereit gestellt, in der die Alkaliionen besonders leicht beweglich sind und die gegenüber Relaxation stabil ist.

Mit der für die Zukunft vorgesehene Erhöhung der Umdrehungszahlen von Festplat ten steigen die Anforderungen an die mechanische Stabilität von Gläsern als Fest plattensubstrate:
Die Entwicklung auf dem Festplatten-Markt geht hin zu Datenträgern mit höheren Kapazitäten und größeren Datentransferraten bei gleich bleibenden oder gar gerin ger werdenden Abmessungen des Datenträgers. Höhere Datentransferraten bedin gen eine höhere Rotationsgeschwindigkeit der Festplatte im Laufwerk. Die Kapazität kann bei gleichbleibenden Abmessungen nur durch eine höhere Spurdichte auf der Festplatte oder durch eine Erhöhung der Zahl an Festplatten im Laufwerk gesteigert werden. Eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit verursacht aber ein stärkeres Flattern der Festplattenaußenränder, was wiederum die gewünschte höhere Spur dichte, also einen kleineren Spurabstand und auch ein engeres Stapeln von Fest platten im Laufwerk unmöglich macht. Aufgrund dieser Flatterbewegung kann auch die Flug- bzw. Gleithöhe des Schreib-Lese-Kopfes über der Festplatte nicht so ge senkt werden, wie es für eine Erhöhung der Lese-/Schreibgeschwindigkeit und der Informationsdichte erwünscht wäre.

Daher benötigen die Festplatten eine hohe Formstabilität, d. h. sie sollen an ihren Außenrändern eine möglichst geringe zeitabhängige Auslenkung zeigen. Die maxi male Auslenkung (disc flutter) W wird durch folgende Formel beschrieben:

mit:

ρ = Dichte
r_A = Außendurchmesser der Festplatte
E = Elastizitätsmodul
d = Dicke der Festplatte
f(ν) geometriespezifischer Parameter

Daraus ergeben sich die Hauptforderungen an neue Materialien für Festplatten:
Mit einem hohen Elastizitätsmodul E und/oder einer geringen Dichte ρ kann bei gleichbleibender Geometrie (r_A, d const.) die maximale Auslenkung W gesenkt wer den. Üblicherweise wird der Quotient dieser beiden Parameter E/ρ als spezifischer Elastizitätsmodul bezeichnet. Er soll einen möglichst hohen Wert annehmen.

Die bekannten ionenaustauschfähigen Alkalialuminosilicatgläser weisen jedoch mit typischerweise E < 90 GPa keine besonders hohen E-Moduln auf. Als Gläser mit hohen E-Moduln sind bisher vor allem optische Gläser bekannt. Zur Erzielung des E-Moduls enthalten sie beispielsweise La₂O₃, Ta₂O₅ oder hohen Anteile an TiO₂ als sogenannte Glasbildner, die jedoch kaum die zum Ionenaustausch befähigenden gerüstähnlichen Strukturen besitzen und die nur schlechte Glasbildner sind, so daß die Gläser eher zu Kristallisation neigen.

Eine weitere Anforderung an von als Festplattensubstraten geeigneten Gläsern ist ihr thermisches Ausdehnungsverhalten, das sich nicht zu sehr von dem der verwen deten Klemm- und Spindelmaterialien des Laufwerks (mit thermischem Ausdeh nungskoeffizienten α_20/300 ≧ 12 × 10^-6/K) unterscheiden soll, um Spannungen zu vermeiden.

Glaskeramik ist vor allem wegen ihrer Bruchzähigkeit auch ohne chemisches Vor spannen ein für die beschriebene Verwendung interessanter Werkstoff. Jedoch be grenzt bei den bisher verwendeten Glaskeramiken die Kristallitgröße die Oberflä chenrestrauhigkeit auf zu hohe Werte. Bei nicht ausreichend glatter Oberfläche be stünde insbesondere bei der angestrebten geringen Flug- und Gleithöhe des Schreib-Lese-Kopfes die Gefahr, daß dieser auf der Festplatte aufsetzen würde, was zu mechanischen Beschädigungen der Platte und damit zu Datenverlust füh ren würde.

Die für die Verwendung als Festplattensubstrate bekannten Gläser und Glaskerami ken sind meist hoch SiO₂-haltige Aluminosilicatgläser bzw. Lithiumsilicatglaskerami ken, die durch ihren hohen SiO₂-Anteil und ggf. hohen Al₂O₃-Anteil keine guten Schmelzeigenschaften aufweisen. Als hoch SiO₂-haltiges Beispiel sei die chemisch verstärkbare Glaszusammensetzung für Substrate zur Informationsaufzeichnung aus der DE 42 06 268 A1 mit 62-75 Gew.-% SiO₂ genannt, sowie die Glaskeramik für magnetische Festplatten-Substrate aus der EP 626 353 A1 mit 65-83 Gew.-% SiO₂, die als Kristallphasen α-Quarz und Lithiumdisilicat enthält.

Die bekannten Gläser und Glaskeramiken erfüllen nicht gleichzeitig alle Anforderun gen, die an Materialien für Festplatten, insbesondere für Festplatten mit hohen Um drehungszahlen gestellt werden, sondern weisen die verschiedensten Nachteile auf.

Verschiedene Schriften beschreiben ionenaustauschfähige Gläser zur Erzeugung von Brechwertgradienten:
EP 287 345 A1 beschreibt ionenaustauschbare Gläser für Gradientenlinsen, die ne ben Li₂O auch Na₂O und/oder K₂O enthalten. Mit der nur fakultativen Komponente als einzigem Erdalkalioxid, dokumentiert durch Beispiele mit MgO-Gehalten zwi schen 0 und 10 mol-%, besitzen die Gläser eher geringe E-Moduln, insbesondere geringe spezifische E-Moduln, was sie für die Herstellung von Festplattensubstrate ungeeignet sein läßt. Auch B₂O₃ und Al₂O₃ sind nur fakultative Komponenten. Letz teres gilt auch für die Li₂O- und Na₂O-haltigen Gläser für Sammellinsen aus der JP 59-41 934 B2 und der JP 63-64 941 A, in denen kein einziges Aluminoborosilicat glas beschrieben ist. Auch bei den in JP 63-170 247 A offenbarten ionenaustausch baren Gläsern zur Erzeugung von Brechwertgradienten sind AbO₃ (mit nur max. 7 mol-%) und B₂O₃ fakultative Komponenten. Innerhalb des relativ größen und stark variierbaren Zusammensetzungsbereichs sind keine Beispiele offenbart, die neben der Ionenaustauschbarkeit einen hohen spezifischen Elastizitätsmodul aufweisen, da Komponenten wie BaO, die die Dichte des Glases stark erhöhen, vorhanden sind. Auch diese Schrift gibt keine Hinweise, welche Zusammensetzung ein Glas besitzen muß, um gleichzeitig bruchfest (hohe Vorspannung) und formstabil (hoher spezifischer E-Modul) zu sein. Die offenbarten Gläser sind für die Verwendung als Festplattensubstrate nicht geeignet.

JP 4-198 041 A beschreibt kristallisierte Gläser, die als Baumaterial verwendet wer den. Diese Gläser mit hohen Glasbildneranteil enthalten MgO und ZnO, wobei der ZnO-Anteil stets höher als der des MgO sein muß, was nachteilig für das Schmelz- und Viskositätsverhalten ist.

In EP 858 974 A1 wird die Bedeutung des hohen E-Moduls für Festplattensubstrate hervorgehoben. Die dort genannten Glasgruppen weisen sehr hohe Transformati onstemperaturen auf und sind aufgrund ihrer Zusammensetzung, insbesondere ihrer B₂O₃-Freiheit bzw. ihres geringen fakultativen B₂O₃-Gehaltes schlecht schmelz- und verarbeitbar.

Auch WO 96/11888 beschreibt Glassubstrate für Aufzeichnungsmedien, die nur fa kultativ und auch nur geringe Anteile B₂O₃ enthalten und daher schlecht schmelzbar sind. Diese Li₂O-freien Gläser enthalten bei maximal 8 Gew.-% des fakultativen MgO wenigstens 11 Gew.-% RO, was zumindest keine hohen spezifischen E-Moduln er möglicht.

Aus IDEMA, Alternative Substrates III (05.09.1995, San Jose, California) S. 55-60: D. J. Perettie at al. "The Alternate Alternative Substrate - "Chemically Strengthened" Aluminium" Komposit ist ein Werkstoff aus Al-B-C bekannt, der eine geringe Dichte, eine hohe Festigkeit und einen sehr hohen spezifischen Elastizitätsmodul E/ρ be sitzt. Der genannte Werkstoff läßt sich jedoch nur mit großem Aufwand auf die für hochwertige Festplatten geforderte Oberflächenqualität polieren. Vor allem wegen der großen Abriebhärte ist die Herstellung von Festplatten aus diesem Werkstoff sehr teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es, Werkstoffe zu finden, die einen hohen spezifischen Elastizitätsmodul, sich ergebend durch einen hohen E-Modul und eine geringe Dichte, und einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, die gut schmelzbar sind, die eine ausreichende Bruchzähigkeit besitzen oder chemisch vorspannbar sind, so daß sie eine solche Bruchzähigkeit erhalten, und die gute Oberflächeneigenschaften aufweisen.

Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebenen Gläser und Glaske ramiken gelöst. Ihre Verwendung ist im Patentanspruch 10 beschrieben.

Die Werkstoffe enthalten 25-50 Gew.-%, vorzugsweise 30-45 Gew.-% SiO₂ und 10-17 Gew.-%, vorzugsweise 10-15 Gew.-% Al₂O₃. Damit liegen die beiden E- Modulträger klassischer Aluminosilicatgläser in einem zueinander ausgewogenen Verhältnis vor, das den E-Modul hebt, ohne die Dichte zu sehr zu erhöhen. Al₂O₃ hebt auch die Knoop-Härte des Werkstoffes. Die Knoop-Härte ist ein Maß für die Eindruckhärte. Als weiterer Glasbildner sind < 5-16 Gew.-% B₂O₃ vorhanden zur Ausbildung einer stabilen Gerüststruktur. So beträgt die Summe der klassischen Glasbildner (SiO₂, Al₂O₃, B₂O₃) zwischen < 40 Gew.-% und 83 Gew.-%. Vorzugswei se beträgt die Summe wenigstens 50 Gew.-%. Durch den genannten Anteil an Glasbildnern wird ein stabiles, nach Ionenaustausch nicht relaxierendes Grundglas erhalten. Durch den genannten B₂O₃-Anteil wird die Schmelzbarkeit des Glases we sentlich verbessert. Der B₂O₃-Gehalt wirkt viskositätserniedrigend und macht das Glas "länger". So erhalten die Materialien ein Viskositätsverhalten, daß einen direkt zu dünnen Scheiben führenden Heißformgebungsprozeß ermöglicht. Eine Erhöhung des B₂O₃-Gehaltes über den genannten Bereich hinaus würde die chemische Resi stenz, den E-Modul und die Knoop-Härte verringern. Vorzugsweise beträgt der B₂O₃- Höchstgehalt 14 Gew.-%.

Ähnliche Gläser, jedoch nur fakultativ B₂O₃-haltig mit nur geringen B₂O₃-Gehalten, sind in der älteren deutschen Patentanmeldung DE 198 02 919.5 der Anmelderin beschrieben.

Als E-Modul hebende Komponente sind ein oder mehrere Erdalkalioxide vorhanden, und zwar 10-30 Gew.-%, vorzugsweise 15-30 Gew.-% MgO, 0-10 Gew.-%, vor zugsweise 0-8 Gew.-% CaO und 0-8 Gew.-% SrO. Auch ZnO, das mit 0-8 Gew.- % vorhanden sein kann, wirkt entsprechend. Die Summe der zweiwertigen Oxide (RO) beträgt bis zu 45 Gew.-%, bevorzugt bis zu 40 Gew.-%, besonders bevorzugt bis zu 35 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt bis zu 30 Gew.-%.

Die Werkstoffe enthalten 5-30 Gew.-% Alkalioxide, die als Flußmittel dienen. Höhe re Anteile würden sowohl den E-Modul und die Knoop-Härte senken als auch die chemische Beständigkeit herabsetzen. Bevorzugt ist ein Höchstgehalt von 20 Gew.- %, besonders bevorzugt von 17 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von 15 Gew.-%.

Von den Alkalioxiden können 0-10 Gew.-%, vorzugsweise 0-6 Gew.-% Na₂O und 0-10 Gew.-%, vorzugsweise 0-8 Gew.-% K₂O sein. Li₂O ist mit 5-15 Gew.-%, vorzugsweise 5-12 Gew.-% zwingender Bestandteil, da diese Komponente für die se Materialien wesentlich für die chemische Vorspannung durch Ionenaustausch ist. Bei zu hohen Anteilen an K₂O und Na₂O gegenüber Li₂O würde der geforderte hohe E-Modul bzw. hohe spezifische E-Modul nicht erreicht.

Die Werkstoffe können bis zu 8 Gew.-% P₂O₅ enthalten. P₂O₅ in diesen Anteilen er leichtert in den erdalkalireichen Aluminoborosilicatzusammensetzungen den Ionen austausch mit einem hohen Spannungsaufbau, da es anscheinend die zum Aus tausch nötigen gerüstartigen Strukturen fördert. Daher ist das Vorhandensein von wenigstens 1 Gew.-% P₂O₅ bevorzugt. Höhere Anteile als 8 Gew.-% lassen jedoch E-Modul und Knoop-Härte zu sehr absinken. Es ist von Vorteil, daß der P₂O₅- Höchstgehalt relativ niedrig ist, da solche P₂O₅-haltigen Zusammensetzungen auch hinsichtlich der Schmelz- und Verdampfungsproblematik des P₂O₅ noch sehr gut handhabbar sind.

Die Werkstoffe enthalten weiter 0,1-10 Gew.-% -TiO₂, vorzugsweise 1-8 Gew.-%. diese Komponente ist notwendig, um bei dieser B₂O₃- und relativ hoch R₂O-haltigen Zusammensetzung eine ausreichende chemische Beständigkeit zu gewährleisten. Aus demselben Grund können die Werkstoffe noch bis zu 8 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 5 Gew.-% ZrO₂ enthalten. Beide Komponenten tragen darüberhinaus positiv zu den hohen E-Moduln bei.

Aufgrund der Anteile an Li₂O und TiO₂ und ggf. ZrO₂ kann es insbesondere bei ho hen MgO-Gehalten, d. h. bei MgO-Gehalten ≧ 21 Gew.-%, zusammen mit TiO₂ + ZrO₂ ≧ 6, nach Schmelze und Heißformgebung während des Abkühlens zu Kristalli sationen im Glas kommen, die aber kontrolliert ablaufen, da das Verhältnis zwischen kristallisationsfördernden und kristallisationshemmenden Komponenten ausgewogen ist. Geringe Kühlraten begünstigen die Keramisierung. Es bildet sich eine feinkörni ge und in Größe und Verteilung hochhomogene Kristallphase, die in der Glasphase auch hinsichtlich der Härte homogen ist, so daß das Material sich gut bearbeiten läßt mit dem Ergebnis glatter Oberflächen. Mit steigendem Keramisierungsanteil, der mit dem Anteil der zweiwertigen Oxide (RO) steigt, steigen E-Modul und Knoop- Härte an. Bei den höheren Kristallphasenanteilen baut sich in den zwar ionenaus tauschbaren Materialien beim Austausch nur eine geringe oder keine Vorspannung mehr auf bzw. relaxiert diese schnell, jedoch weisen diese Glaskeramiken bereits ohne Verspannen eine ausreichend hohe Festigkeit auf. Je nach Phasenverhältnis (Verhältnis von Kristall- zur Glasphase) und der Größe der Kristallite sind die Glas keramiken transparent, translucent oder opak. Die gute Oberflächenbearbeitbarkeit ist unabhängig von der Transmission.

Bei einem höheren als dem genannten RO-Gehalt würden die Materialien die typi schen Sprödwerkstoffeigenschaften verlieren.

Festplatten-Substrate aus opakem oder z. B. durch farbgebende Mittel in seiner Transmission herabgesetztem Material haben den Vorteil, daß sie eine verringerte Durchlässigkeit für das Prüflicht einer Oberflächenqualitätsprüfeinrichtung aufwei sen, die Fehler an der Oberfläche und nicht im Volumen detektieren soll. Daher können die Gläser und Glaskeramiken bis zu insgesamt 10 Gew.-% eines oder meh rerer farbgebender Mittel, ausgewählt aus der Gruppe Fe₂O₃, NiO, Cr₂O₃, CoO, CuO, V₂O₅ enthalten.

Zur Läuterung können dem Glas bzw. dem Grundglas der Glaskeramik übliche Läutermittel wie As₂O₃, Sb₂O₃, NaCl zugesetzt werden, die dann in üblichen Men gen, d. h. je nach Menge und verwendetem Typ des Läutermittels in Mengen von 0,05 Gew.-% bis 1 Gew.-% im Produkt anzutreffen sind.

Vorzugsweise wird auf das Läutermittel As₂O₃ verzichtet, d. h. Glas und Glaskeramik sind bis auf unvermeidliche Verunreinigungen frei von Arsenoxid, da die erfindungs gemäßen Materialien möglichst frei von umweltbedenklichen Komponenten sein sollen. Aus diesem Grund ist es auch von Vorteil, daß die Materialien kein PbO ent halten.

Weiter können die Gläser bzw. Glaskeramiken laseraktive Komponenten enthalten, die die Lasertexturierung der Substratoberfläche vor der Beschichtung ermöglichen. So können sie bis zu insgesamt 8 Gew.-% an Oxiden eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Ga, Ge, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Hf, Ta enthalten.

Der Ionenaustausch von Li⁺-Ionen und ggf. zusätzlich Na⁺-Ionen gegen Na⁺ und/oder K⁺ kann auf bekannte Weise durch Einbringen der Glas- oder Glaskerami körper in Schmelzen (Salzbädern) von eher niedrigschmelzenden Natrium- und/oder Kaliumsalzen, z. B. ihre Nitrate, oder auch durch Aufbringen von Pasten von eher höher schmelzenden Natrium- und/oder Kaliumsalzen, z. B. ihre Sulfate, auf die Oberfläche des Körpers stattfinden. Das Bad oder die Paste kann auch Anteile von Li-Salzen enthalten. Bevorzugt ist der Austausch mit Natriumsalzen. Einwirkzeiten und -temperaturen entsprechen den üblichen, von der jeweiligen Zusammensetzung abhängenden Bedingungen bei diesen bekannten Ionenaustauschverfahren unter halb der Transformationstemperatur Tg, d. h. Zeiten zwischen 1 h und 16 h, vor zugsweise zwischen 1 h und 8 h, und Temperaturen zwischen Tg - 120 K und Tg - 30 K, vorzugsweise zwischen Tg - 80 K und Tg - 40 K, wobei niedrigere Temperatu ren höhere Verweilzeiten erforderlich machen. Daher ist der bei eher höheren Tem peraturen und eher näher an Tg, d. h. bei ungefähr Tg - 30 K bis Tg - 50 K, durch geführte Austausch mittels Salzpasten i. a. mit kürzeren Austauschzeiten möglich, verglichen mit dem chemischen Vorspannen in Salzbädern. Durch den Ionenaus tausch werden Ionenaustauschprofiltiefen < 15 µm erreicht und Vorspannungen σ < 50 MPa erhalten.

Besonders tiefgehende Austauschprofile bei nicht zu hohen Vorspannungen - zu hohe Vorspannungen, d. h. Vorspannungen < 500 MPa, könnten zur Selbstzerstö rung der Substrate führen - werden erreicht durch einen über das Maximum der Vorspannung hinaus verlängerten Austausch, so daß ein noch tiefgreifender Aus tausch erfolgt, die Spannungswerte jedoch durch Relaxation schon wieder sinken.

Auch ein zweifacher Ionenaustausch, der sogenannte "verdeckte" Profile erzeugt, ist möglich: Dabei wird z. B. erst Li⁺ gegen Na⁺ in einer tiefen Zone durch relativ lange Einwirkzeiten ausgetauscht und dann in einem zweiten Schritt in einer dünneren Randzone Na⁺ wieder gegen Li⁺ ausgetauscht, wobei die Austauschzeiten 1/3 bis 1/2 derer des ersten Austauschs betragen.

Folgender Zusammensetzungsbereich (in Gew.-% auf Oxidbasis) beinhaltet bevor zugte Gläser (die Konzentrationen von Keimbildnern sind gering, so daß die Gläser nicht kristallisieren), die die geforderten Eigenschaften besonders vorteilhaft verei nen und die insbesondere sehr gut chemisch vorspannbar sind: SiO₂ 35-45, vor zugsweise 40-45, B₂O₃ 6-12, vorzugsweise 6-10, Al₂O₃ 10-14, vorzugsweise 11 -13, P₂O₅ 0,1-5, vorzugsweise 0,1-3, Li₂O 8-12, vorzugsweise 9-11, Na₂O 0-4, vorzugsweise 0-2, bevorzugt Na₂O-frei, K₂O 0-4, vorzugsweise 0-2, bevorzugt K₂O-frei, mit Σ R₂O ≦ 15, MgO 15-25, vorzugsweise 17-23, CaO 0-5, vorzugs weise 0-3, bevorzugt CaO-frei, SrO 0-5, vorzugsweise 0-3, bevorzugt SrO-frei, ZnO 0-5, vorzugsweise 0-2, bevorzugt ZnO-frei, mit Σ RO ≦ 35, vorzugsweise Σ RO ≦ 30, TiO₂ 3-8, vorzugsweise 3-7, ZrO₂ 0 -< 5, vorzugsweise 0-3, mit TiO₂ + ZrO₂ ≦ 10.

Ausführungsbeispiele

In der Tabelle 1 sind 18 Beispiele, 17 erfindungsgemäße Gläser (1-16, 18) und ein Beispiel einer Glaskeramik (17), angegeben. Die Tabelle enthält deren Zusammen setzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) sowie Angaben zu wesentlichen Eigenschaften. Zur Herstellung werden übliche Rohstoffe verwendet. Das Gemenge wird bei ca. 1400°C in einem kontinuierlichen Schmelzaggregat eingeschmolzen, bei ca. 1360 °C geläutert und danach homogenisiert. Bei einer Gußtemperatur von etwa 1350°C wird das Glas gegossen und gekühlt. Während dieses Kühlvorgangs läuft bei den hoch MgO- und (TiO₂ + ZrO₂)-haltigen Zusammensetzungen die Keramisierung ab. Aus den entstandenen Gußblöcken (Glas- bzw. Glaskeramikkörper) werden auf her kömmliche Weise runde Scheiben hergestellt, die die Form und die Abmessungen von Festplatten-Substraten besitzen, d. h. einen Außendurchmesser von 65,0 mm und eine Dicke von 0,635 mm aufweisen und ein konzentrisches Innenloch mit ei nem Durchmesser von 20,00 mm besitzen.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient α_20/300 der Gläser und der Glaskeramiken beträgt < 7,0 . 10^-6/K und < 11,0 . 10^-6/K und liegt damit ausreichend nah an dem des Spindelmaterials, das die Festplatten im Laufwerk trägt. Neben der Transforma tionstemperatur Tg [°C] der Gläser bzw. der Glaskeramiken und α_20/300 enthält die Tabelle 1 die für die Verwendung als Festplattensubstrate wichtigen Eigenschaften Elastizitätsmodul E [10³ N/mm²] und Dichte ρ [g/cm³] sowie, daraus berechnet, den spezifischen Elastizitätsmodul E/ρ [10⁵ N.cm/g]. Der E-Modul wird an nicht vorge spannten Proben bestimmt. Die Gläser und Glaskeramiken weisen Elastizitätsmo duln E < 90 . 10³ N/mm² und < 125 . 10³ N/mm², meist < 115 . 10³ N/mm², und spezifische E-Moduln E/ρ < 30 . 10⁵ Ncm/g, meist < 35 . 10⁵ Ncm/g, und < 45 . 10⁵ N.cm/g auf. Aufgrund der niedrigen Dichten der Gläser und Glaskeramiken werden bei hohen E-Moduln sehr hohe spezifische E-Moduln erreicht. Weiterhin enthält die Tabelle 1 die Knoop-Härte HK(0,1/20) nach DIN ISO 9385.

Tabelle 1

Zusammensetzungen (in Gew.-% auf Oxidbasis) und wesentliche Eigenschaften

Tabelle 2 enthält die Ergebnisse des Ionenaustauschs an Beispielen unterschiedli cher Zusammensetzungen und unter unterschiedlichen Austauschbedingungen, d. h. Austauschzeiten und -temperaturen. Der Ionenaustausch wurde in einer Salz schmelze von 95 Gew.-% NaNO₃ und 5 Gew.- NaCl an allseitig polierten und kan tenfacettierten 2 mm dicken Scheiben der Abmessung 6 mm × 50 mm durchgeführt. Tabelle 2 gibt jeweils die Austauschzeit t [h], die Austauschtemperatur T [°C], die Transformationstemperatur Tg [°C] des behandelten Glases und die Differenz zwi schen Transformationstemperatur und Austauschtemperatur ΔT [K] = Tg - T, auf 5 K gerundet an. Weiter enthält sie die erzielte Druckspannung [MPa], die Tiefe [µm] der Druckspannungszone sowie die Profiltiefe [µm] des Ionenaustausches, gemes sen mittels energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX). Die Druckspannung wird an Querschliffen von den ionenausgetauschten Scheiben bestimmt. Die Druckspan nungswerte zeigen, daß die Werkstoffe eine hohe Bruch- und Rißzähigkeit aufwei sen.

Die erfindungsgemäßen Werkstoffe, sowohl die Gläser als auch die Glaskeramiken, erfüllen das gesamte Anforderungsprofil an Materialien für die Herstellung von Festplattensubstraten und vereinen dabei bisher vermeintlich unvereinbare Eigen schaften in sich:
Sie besitzen aufgrund ihrer hohen spezifischen Elastizitätsmoduln eine hohe Form stabilität, und sie sind aufgrund ihrer guten Schmelz- und Verarbeitungseigenschaf ten gut herstellbar.

Insbesondere die Gläser sind sehr gut chemisch vorspannbar, wodurch ihre me chanische Belastbarkeit erhöht wird. Mit steigendem Keramisierungsanteil sinkt zwar die Vorspannbarkeit der Glaskeramiken, jedoch steigt ebenfalls mit steigendem Ke ramisierungsanteil die dem Material eigene Bruchzähigkeit, so daß die erfindungs gemäßen Werkstoffe eine ausreichende Festigkeit besitzen bzw. durch das Vor spannen erhalten, was sie neben den anderen Eigenschaften hervorragend geeig net macht für die Herstellung von vorgespannten oder durch ausreichende Kristalli sation von sich aus ausreichend rißzähen Festplattensubstraten.

Weiter weisen die Werkstoffe eine ausreichende chemische Beständigkeit auf, und ihr thermisches Ausdehnverhalten stimmt ausreichend gut mit dem des Klemmateri als und der Antriebswelle überein. Auch sind die Oberflächen der Glas- und Glaske ramikkörper gut bearbeitbar. So können sie auf eine Mikrorauhigkeit (smoothness) von ≦ 0,5 nm bearbeitet werden. Sie weisen also eine hervorragende Oberflächen qualität auf.

Claims

1. Gläser oder Glaskeramiken mit hohem spezifischen Elastizitätsmodul mit ei ner Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis):
SiO₂ 25-50 B₂O₃ < 5-16 Al₂O₃ 10-17 P₂O₅ 0-8 Li₂O 5-15 Na₂O 0-10 K₂O 0-10 Σ R₂O ≦ 30 MgO 10-30 CaO 0-10 SrO 0-8 ZnO 0-8 Σ RO ≦ 45 TiO₂ 0,1-10 ZrO₂ 0-8

und ggf. übliche Läutermittel in üblichen Mengen.

2. Gläser oder Glaskeramiken nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis):
SiO₂ 30-45 B₂O₃ < 5-14 Al₂O₃ 10-15 mit SiO₂ + B₂O₃ + Al₂O₃ ≧ 50 P₂O₅ 0-8 Li₂O 5-12 Na₂O 0-6 K₂O 0-8 Σ R₂O ≦ 20 MgO 15-30 CaO 0-8 SrO 0-8 ZnO 0-8 Σ RO ≦ 40 TiO₂ 1-8 ZrO₂ 0-5

und ggf. übliche Läutermittel in üblichen Mengen.

3. Gläser nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis):
SiO₂ 35-45 B₂O₃ 6-12 Al₂O₃ 10-14 P₂O₅ 0,1-5 Li₂O 8-12 Na₂O 0-4 K₂O 0-4 Σ R₂O ≦ 15 MgO 15-25 CaO 0-5 SrO 0-5 ZnO 0-5 Σ RO ≦ 35 TiO₂ 3-8 ZrO₂ 0 -< 5 TiO₂ + ZrO₂ ≦ 10

und ggf übliche Läutermittel in üblichen Mengen.

4. Gläser nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis):
SiO₂ 40-45 B₂O₃ 6-10 Al₂O₃ 11-13 P₂O₅ 0,1-3 Li₂O 9-11 Na₂O 0-2 K₂O 0-2 MgO 17-23 CaO 0-3 SrO 0-3 ZnO 0-2 Σ RO ≦ 30 TiO₂ 3-7 ZrO₂ 0-3

und ggf. übliche Läutermittel in üblichen Mengen.

5. Gläser oder Glaskeramiken nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens 1 Gew.-% P₂O₅ enthalten.

6. Gläser oder Glaskeramiken nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich bis zu insgesamt 10 Gew.-% eines oder mehrerer Ele mente aus der Gruppe Fe₂O₃, NiO, Cr₂O₃, CoO, CuO, V₂O₅ enthalten.

7. Gläser oder Glaskeramiken nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich bis zu insgesamt 8 Gew.-% von Oxiden eines oder meh rerer Elemente aus der Gruppe Ga, Ge, Y, Nb, Mo, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, HF, Ta enthalten

8. Gläser oder Glaskeramiken nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis auf unvermeidbare Verunreinigungen frei von As₂O₃ und von PbO sind.

9. Gläser oder Glaskeramiken nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem Elastizitätsmodul E von 90 . 10³ N/mm² < E < 125 . 10³ N/mm², einem spezifischen Elastizitätsmodul E/ρ von 30 . 10⁵ N.cm/g < E/ρ < 45 . 10⁵ N.cm/g und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20/300 von 7,0 . 10^-6/K < α_20/300 < 11,0 . 10^-6/K.

10. Verwendung eines Glases oder einer Glaskeramik nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung von Substraten für Festplatten.