JP3126558B2 - 結晶化ガラス - Google Patents

結晶化ガラス

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    • 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
    • C03C10/0009—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 containing silica as main constituent

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  • Glass Compositions (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、透光性を有し、鋳造性
に優れ、特に歯冠材料に好適な結晶化ガラスに関する。
【0002】
【従来の技術】透明もしくは透光性結晶化ガラス物質は
公知の技術であり、その古典的研究はG.H.ビオール(Bea
ll)およびD.A.デューク(Duke)により「Transparent Gla
ss-Ceramics」, Jounal of Material Science, 4 , p.
340 〜 352(1969)に記載されている。
【0003】これらの著者の説明によれば、結晶化ガラ
ス素地はその中に存在する結晶が可視光の波長よりかな
り小さいか、結晶の複屈折差および結晶と残余ガラス間
の屈折率差が非常に小さい場合肉眼上、透明になると報
告している。さらに、非常に透明な物質が製造できる系
としてアルミノホウケイ酸結晶化ガラス系において3つ
の一般的な組成領域を記している。第1の組成域ではβ
ー石英もしくはβーユークリプトタイト固溶体が主な結
晶相を構成する。第2の組成域ではスピネル固溶体が主
な結晶相を構成する。第3の領域ではムライトが主結晶
相となる。βー石英もしくはβーユークリプトタイト固
溶体が主な結晶相を構成するLi2O-Al12O3-SiO2系結晶
化ガラスは極めて低膨張であるため、ICフォトマスク基
板、あるいはオプティカルフラットなどの光学原器に使
用されている。
【0004】近年、特にこれらの結晶化ガラスもしく
は、ガラスセラミックスは歯冠材料として、金属よりも
審美性が高く、違和感の少ない材料として注目されてい
る。歯冠用の結晶化ガラスの例としては、例えば特開平
03-88744、特開平03-177340のように雲母結晶を析出さ
せ、雲母の壁開性を利用した快削性セラミックスを利用
したものや、特開昭62-36042、特開昭63ー21236のように
メタリン酸カルシュウム系のガラスを利用し、金属と同
程度の鋳造温度で鋳造可能な結晶化ガラスがある。しか
しながらこれらは、十分な透光性を満足する材料は現在
も得られていない。
【0005】エンスタタイト(MgO・SiO2)は単鎖状のシリ
ケート構造を有し、副屈折差が小さく、より透明な結晶
化ガラスを作製するのに適しているが、現在でも透光性
を有するエンスタタイト系結晶化ガラスは得られていな
い。さらにエンスタタイトはマルテンサイト型の転移、
すなわち1000℃以下に冷却するとプロトエンスタタイト
ーオルソエンスタタイト、および剪断応力を加えるとオ
ルソエンスタタイトークリノエンスタタイトを示す。こ
れらの転移は発生したクラックの進展を防ぎ、靱性を強
化できる双晶化を起こすことが知られている。さらに単
柱状の結晶であり、弾性率、熱膨張が比較的高く高強度
化が期待できる。
【0006】通常、結晶化ガラスは前駆物質のガラス体
を結晶化させることによって得られる。しかしエンスタ
タイトの化学量論比でMgOとSiO2を溶融しても、安定な
ガラスは形成されない。そのため例えば化学量論比のMg
OとSiO2を溶融し、窒素ガスを吹き込んだ水中に投入急
冷し、ガラス化した後、これを粉砕、成形しガラス粉末
の燒結温度域で燒結とともに結晶化を施すという煩雑な
方法を用いない限りエンスタタイト結晶化ガラスを得る
ことは困難である。
【0007】さらに特開昭63-112439ではMgO-SiO2にガ
ラス安定化成分として多量のZrO2を添加するか、もしく
はAl2O3やLi2O,BaOを添加しガラス化を促進させる方法
が行われている。この方法においてはガラス粉末を燒結
させることなく、バルクガラスを加熱することによって
結晶化ガラス体を得ることができる。しかしこの組成の
ガラスは結晶化させるとエンスタタイトの他にスポジュ
メンや、クリストバライト、ジルコンといった副結晶成
分が析出し、屈折率の調節が困難になっている。さらに
この組成においては核形成剤であるジルコニアの添加量
が多いため溶融温度が高く、さらに長時間の溶融時間を
必要とし、鋳造体を作成するには適していない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、1600℃以下の温度で溶融かつ成形が可能であり、
得られたガラスを加熱処理することによってそのまま結
晶化可能であり、エンスタタイトを主結晶相として含有
し、高強度でかつ透光性を有する結晶化ガラスを提供す
ることにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するために鋭意研究した結果、MgO-SiO2系のガラ
スにK2O,Na2O,La2O3,Y2O3等を特定範囲で含有するガラ
スからエンスタタイト結晶を析出させてることにより、
従来のエンスタタイト結晶化ガラスより溶融温度が低
く、透光性が発現することを発見し、本発明を完成する
に至った。
【0010】即ち、本発明は、酸化物換算の重量%表示
で、SiO2:40〜60重量%、MgO:20〜35重量%、ZrO2:5〜1
5重量%、Na2O:1.0〜4.5重量%、K2O:1.0〜4.5重量%、
並びにLa2O3およびY2O3からなる群より選ばれた少なく
とも一種の金属酸化物:7〜25重量%からなり、主結晶相
としてエンスタタイトを含有することを特徴とする結晶
化ガラスである。
【0011】本発明の結晶化ガラスの組成範囲は上述の
通りであり、その限定理由を以下説明する。
【0012】SiO2含有量は40〜60重量%であり、好まし
くは50〜57重量%である。SiO2の含量が60%を越えると
ガラスの粘性が高くなり、均質なガラスを得ることが難
しくなる。またキャスト中に失透しやすくなり好ましく
ない。40%未満になるとエンスタタイト結晶の析出量が
低下し、さらにフォレステライト(2MgO・SiO2)が析出す
るため、不透明になり好ましくない。
【0013】MgO含有量は20〜35重量%であり、好ましく
は20〜30重量%である。MgOは結晶成分であり、必須成分
である。MgOの含量が35%を越えるとフォレステライト
が析出するため、エンスタタイトの析出量が低下し、好
ましくない。さらにガラスの粘性が高くなり、溶融、成
形が難しくなる。またキャスト中に失透しやすくなる。
10%未満になるとエンスタタイトの析出量が低下するた
め好ましくない。
【0014】ZrO2含有量は5〜15重量%であり、より透光
性を必要とする場合には5〜10重量%が好ましい。ZrO2は
核形成剤として働くため、より均質で微細な結晶を析出
させるため必須成分であるZrO2が5%未満では核形成剤と
しての効果はない。含有量が15%を超えると溶融温度が
高くなり、均一なガラスを得ることがむつかしい上に、
熱処理によってジルコニアが発達成長し、透光性が減少
するので好ましくない。
【0015】K2Oの含有量は1〜4.5重量%である。K2Oは
ガラスの溶融温度を低くし、ガラス化の促進効果がある
のでこの範囲で含有することが必要である。アルカリ成
分としてのK2Oを単独で含有した場合、熱処理によって
表面結晶化が優勢に進行するため、核形成剤であるZrO2
が12%以上必要となる。この場合、透明性が低減する傾
向にあるため、以下のごとくアルカリ成分としてのNa2O
をさらに含有することで解決することが必要である。
【0016】Na2Oの含有量は1〜4.5重量%である。Na2O
をこの範囲で含有することによって核形成剤であるZrO2
の含量を減少させることができ、より溶融温度が低減で
き、透光性が向上する。しかしながら、アルカリ成分と
してのNa2Oは単独の含有では失透しやすくなるので、上
記K2Oと組合わせて含有することにより、より均一なガ
ラスが作成でき、さらに核形成時の加熱処理によって分
相を誘起しやすく、核形成を促進することができる。
【0017】Na2OとK2Oは、その含有量はK2OとNa2Oの合
量が9重量%以上になると発泡しやすくなり好ましくな
い。また3%未満になると失透しやすくなりガラス化の
促進効果が得られにくくなる。このためアルカリ成分と
しては、K2OとNa2Oの両成分を含有させることが必要で
あり、その合計含有量は、2〜9重量%、特に3〜6重量%
が好ましい。
【0018】La2O3および/またはY2O3の含有量は7〜25
重量%である。これらは、ガラス化を促進し、さらに該
ガラスを結晶化した場合においても、副結晶質を形成せ
ず残余ガラス中に残るため屈折率調整性分として必須で
ある。La2O3とY2O3は少なくともいづれかの成分を含有
させれば良いが、両者を共に含有してもかまわない。そ
の含量はガラスの熱処理温度、結晶化度によって調整さ
れる。その含有量が25%を越えると、ガラスの粘性が高
くなり、溶融、成形が難しくなる。7%未満になると屈折
率が大幅に低減し、透明性が得られなくなる。よってLa
2O3および/またはY2O3の含有量は 7〜25重量%とする。
【0019】なお、本発明の結晶化ガラスは、元の色と
異る色を出したい場合や歯冠用材料として使用する際に
天然の色に近づけるために、 Fe,Mn,Ni,C
o,Vなどの金属の酸化物を着色成分として1種以上含
有することもできる。
【0020】本発明の結晶相としては、エンスタタイト
を含むことが必須である。エンスタタイトが含まれない
場合は、透光性及び高強度化の実現が困難となる。尚、
このエンスタタイト以外の結晶相としては微量のジルコ
ニアの結晶が存在する。
【0021】本発明の結晶化ガラスの代表的な製造方法
を以下具体的に例示する。先ず上記各必須構成成分の供
給源となるガラス原料をボールミルを用いて粉砕、混合
した後、白金るつぼに混合物を充填し、電気炉を用いて
1550℃〜1600℃で一時間加熱溶融する。ついで溶融状態
のガラスを、型枠に鋳込み徐冷して試料ガラス塊を得
る。
【0022】上記のガラス原料は特に限定されず、また
最終的に得られるガラス組成を勘案して、あらかじめ計
算により用いるガラス原料の混合比を決定する。各必須
構成成分の供給源となるガラス原料を以下具体的に例示
する。
【0023】SiO2の原料としては珪砂(SiO2)が一般に用
いられる。
【0024】MgOの原料としてはマグネシア(MgO)、マグ
ネサイト(MgCO3)、水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)、硫酸
マグネシウム(MgSO4)、硝酸マグネシウム(MgNO3)等が用
いられる。ZrO2の原料としてはジルコニア(ZrO2)、ジル
コン(ZrO2・SiO2)等が用いられる。
【0025】K2Oの原料としては炭酸カリウム(K2CO3)、
水酸化カリウム(KOH),硫酸カリウム(K2CO3)、硝酸カリ
ウム(K2NO3)等を用いることができる。
【0026】Na2Oの原料としてはソーダ灰(Na2CO3)、水
酸化ナトリウム(NaOH),硫酸ナトリウム(Na2CO3)、硝酸
ナトリウム(Na2NO3)等を用いることができる。
【0027】La2O3の原料としては酸化ランタン(La
2O3)、炭酸ランタニウム(La2(CO3)3)、硝酸ランタニウ
ム(La(NO3)3)等を用いることができる。
【0028】Y2O3の原料としては酸化イットリウム(Y2O
3)、炭酸イットリウム(Y2(CO3)3)、硝酸イットリウム(Y
(NO3)3)等を用いることができる。
【0029】そのほかこれら金属酸化物の複合酸化物等
を用いることができる。
【0030】次いで上記方法で得られた試料ガラス塊を
熱処理してエンスタタイト結晶を析出させることによっ
て優れた透光性を有する本発明の結晶化ガラスを得る。
【0031】エンスタタイト結晶の析出させるための熱
処理法は特に限定されないが、以下代表的な方法を説明
する。熱処理の最高温度は組成によって異なるが、概ね
850℃〜1000℃である。またいきなり850℃〜1000℃に保
持する一段の熱処理であっても構わないが、より優れた
透過率を有する結晶化ガラスを作製するために、700℃
〜850℃の温度域で第一段の熱処理を行い、その後例え
ば900℃〜1000℃の温度域で第二段の熱処理を行う二
段、あるいはさらに熱処理するそれ以上の多段階熱処理
の方が、結晶粒径が小さくなり、散乱が低下してより透
光性を有するよい結晶化物が得られるので好ましい。
【0032】熱処理するための装置としては、公知の熱
処理装置、即ち電気炉等が好適に用いられる。
【0033】本発明の結晶化ガラスは、一般に無色半透
明の塊状物として得られ、必要に応じて公知の方法によ
り粉砕し、微粉末とすることもできる。
【0034】本発明のガラスの組成は蛍光X線、原子吸
光等を用いて算出できる。またエンスタタイトの確認は
X線回折によって確認できる。尚、結晶化ガラスの透過
率は試料厚を2mmとし、可視、紫外吸収分光法によって6
00nmの透過率を算出することによって得た。
【0035】
【発明の効果】以上のようにMgO-SiO2系のガラスにK2O,
Na2O,La2O3,Y2O3等を特定範囲で含有するガラスからエ
ンスタタイト結晶を析出させてなる本発明の結晶化ガラ
スは、従来のエンスタタイト結晶化ガラスより溶融温度
が低く、透光性を有するという利点がある。このため、
上記ガラスに必要に応じて着色成分を加えることにより
半透明な着色ガラスになるので、天然歯に近い色調を発
現でき、歯冠材料として有用となる。
【0036】
【実施例】以下に実施例および比較例を挙げて説明する
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。
【0037】実施例1 ガラス原料である27.6gSiO2,11.7gMgO,2.7gZrO2,1.1gK2
CO3,1.3gNa2CO3,及び6.5gLa2O3をボールミルを用いて粉
砕、混合した。白金るつぼにこれら混合物を充填し、電
気炉を用いて1550℃〜1600℃で一時間加熱溶融した。つ
いで溶融状態のガラスを、型枠に鋳込み徐冷して試料ガ
ラス塊を得た。得られた試料ガラス塊を、電気炉に入
れ、870℃で4時間、さらに1000℃で2時間の二段階加
熱処理をして、ガラス中に微結晶を析出させた。この時
の昇温速度は300℃/hで行い、ついで炉内で室温まで
放冷した。得られた結晶化ガラスについて測定を行った
結果、表2に示すとおり600nmの透過率は15%であっ
た。各結晶化ガラスの析出結晶相はX線回折によりエン
スタタイトであることが確認された。
【0038】得られた結晶化ガラスの組成、熱処理条
件、および得られた結晶化ガラスの析出結晶相をX線回
折により同定した結果を表2に示す。
【0039】実施例2〜7 実施例1と同様の方法で、表1に示した原料を用いて試
料ガラスを作製し、それぞれ表2に示す2段階の熱処理
条件で結晶化した。得られたガラスの組成、透過率、析
出結晶を表2に示す。析出結晶は実施例1と同様にエン
スタタイトであり、透過率のよい結晶化物であった。
【0040】比較例1〜6 実施例1と同様の方法で、表1に示した原料を用いて試
料ガラスを作製しそれぞれ表3に示す2段階の熱処理条
件で結晶化した。得られたガラス組成、透過率、析出結
晶相の分析結果をそれぞれ表3に示した。
【0041】
【表1】
【0042】
【表2】
【0043】
【表3】

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸化物換算の重量%表示で、SiO2:40〜6
    0重量%、MgO:20〜35重量%、ZrO2:5〜15重量%、Na2O:
    1.0〜4.5重量%、K2O:1.0〜4.5重量%、並びにLa2O3お
    よびY2O3からなる群より選ばれた少なくとも一種の金属
    酸化物:7〜25重量%からなり、主結晶相としてエンスタ
    タイトを含有することを特徴とする結晶化ガラス。
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