強化的玻璃外殼及方法
2023-05-30 15:31:41 1
專利名稱：強化的玻璃外殼及方法
強化的玻璃外殼及方法相關申請交叉參考本申請根據35U.S.C.§ 119，要求2010年10月8日提交的美國臨時申請系列第61/391146號的優先權，本文以該申請為基礎並將其全文通過引用結合於此。背景本發明屬於玻璃製造領域，具體涉及製造用於電子設備的薄壁高強度玻璃外殼。用於製造玻璃外殼的常規方法包括模塑或壓塑、吹塑、拉制、旋塗以及澆鑄。這些方法長久以來用於製造以下產品，包括:食物容器、餐具、白熾燈罩、陰極射線管燈泡、用於諸如螢光燈和實驗室器皿之類應用的拉制管。用於傳統玻璃外殼的大多數應用既不要求玻璃不含有色雜質，也不要求光學質量的表面光潔度。這不同於用於先進技術應用，例如電視機、電腦監視器以及其他電子設備包括手機、筆記本電腦以及手持式娛樂裝置的顯示屏的平坦玻璃，通常來說用於上述應用的玻璃基本上不含光學缺陷。對於許多容器應用來說，玻璃相比金屬和塑料具有許多優勢，包括透明度、硬度、耐熱性、耐化學性以及高電阻率。但是，對於預期接觸化學衝擊或者高應力的使用，通常認為普通玻璃 的抗折斷性是不足的。因此，對於需要增強耐應力性或耐衝擊破裂性的玻璃餐具如玻璃板以及用於上色的平坦玻璃，在許多情況下通過熱回火或者甚至化學回火進行增韌。因為玻璃必須在高溫下熔融和成形，通常認為其不適用於製造容器或者用於其他外殼的成形組件，這些應用要求形狀精度、光學透明度和/或光學表面光潔度。對具有三維彎曲表面的玻璃產品(例如透鏡和望遠鏡鏡坯)進行光學精整的現有方法不適用於精整容器表面，並且相當昂貴。因此，現有技術並不十分適用於用玻璃製造要求高形狀精度和無缺陷表面的容器或外殼。概述本發明提供了基本不含光學缺陷的高形狀精度的玻璃外殼以及外殼組件，及其製造方法。可以由各種玻璃，包括光學質量的玻璃以及可進行熱回火或化學回火的玻璃來製造所述組件。此外，本發明的方法可用於生產在寬範圍精確截面形狀上軸向延伸的外殼或外殼組件。根據一些特定的實施方式，本發明包括具有三維形狀的玻璃壁部分的外殼的製造方法，該方法包括將玻璃進料成形為預成形件的初始步驟，該預成形件具有形狀對應於三維玻璃壁部分的較小截面形狀的預成形件截面。然後視需要對預成形件的至少一部分表面進行精整，以去除所述至少一部分表面上的任意可見的光學表面缺陷和/或使其符合幾何容差，並將預成形件沿著垂直於所述預成形件截面的伸長軸拉制，使預成形件的尺寸縮小或下拉至三維玻璃壁部分的較小截面形狀。然後對預成形件的較小截面形狀或截面進行回火，以提供其上具有壓縮應力表面層的強化的玻璃壁部分。根據上述方法製造的三維形狀的玻璃壁部分可以具有幾乎無限制的各種軸向延伸彎曲或者具有角度的截面形狀。具體的實施方式包括開放彎曲的或者具有角度的形狀(例如U形或者三側通道形狀)以及閉合形狀(包括具有角度的和非圓形形狀)。例子包括橢圓、正方形、三角形或者矩形截面的規則閉合形狀，以及例如花鍵形狀的不規則形狀。例如本文所述的外殼或外殼壁部分提供了電特性、化學特性和物理特性，使得它們特別適用於包封或者部分包封靈敏電子電路，包括含有所述電路的電子設備。因此，本發明還提供了電子設備，包括例如電子顯示器設備，它們至少部分放置在包含三維形狀的玻璃壁部分的外殼中。在一些特定的實施方式中，具有形狀的玻璃壁部分含有至少一層外部壓縮應力表面層以增強外殼的強度，包括通過例如熱回火、化學回火或者層疊提供的壓縮應力形狀。
下面結合附圖進一步顯示了本發明的方法和產品，其中:圖1是預成形件擠出模頭出口面的示意圖；圖2是用於外殼的玻璃預成形件的示意圖；圖3是拉制玻璃外殼截面的示意圖；以及
圖4是外殼截面端面照片的放大圖。
具體實施例方式雖然本說明書中列出的方法適用於生產用於各種技術應用的寬範圍的外殼，但是根據這些方法提供的外殼組件特別適用於生產用於消費者電子設備或其組件的全部或者部分外殼的化學強化的外殼組件。因此，如下詳細描述包括適用於此類用途的外殼的例子和說明，但是本發明不限於此。適用於生產本發明方法的外殼或外殼組件的玻璃預成形件的製造方法不是關鍵。可以通過例如澆鑄、壓制、機械加工、彎垂、重整或者擠出來提供近淨(near-net)截面形狀的預成形件，並且在許多情況下，在精整和拉制之前，其表面精度無需或者幾乎無需再成形。本發明方法的另一個優勢是它們不限於使用任意特定的玻璃組合物。用於消費者電子產品外殼的特別感興趣的實施方式是能夠通過回火進行有效強化的玻璃，該玻璃不含可見表面缺陷並且優選不含體積缺陷。合適的玻璃的示例性例子包括鹼性矽酸鹽玻璃、鹼性硼矽酸鹽玻璃、鹼性鋁矽酸鹽玻璃以及鹼性硼鋁矽酸鹽玻璃，它們可以通過在低於其退火點的溫度進行離子交換過程進行化學回火至高表面應力水平。同樣可用含成核劑的玻璃以及用光學活性組分(例如銀)進行摻雜的玻璃，以提供極化或者其他獨特的光學效果，所述含成核劑的玻璃可通過成形後熱處理轉化為具有高強度和耐久性的半晶體玻璃陶瓷外殼。可以通過常規感應或電阻加熱拉制爐加熱和下拉預成形件來適當地拉伸適當配置的預成形件以提供較小(縮小)截面的選定外殼或外殼部分，但是也可以使用其他拉制方法或者設備。但是，使用一些形式的拉制對於生產本發明的外殼和外殼組件是關鍵步驟。這是因為通過拉制所提供的截面縮小，通常構成了預成形件最少2:1且最高50:1或更高的截面外部尺寸的縮小，實現了拉制形狀中玻璃表面尺寸和預成形件形狀缺陷的顯著且必要的下降。
設計用於保護消費者電子產品的外殼通常要求非常高的形狀精度。也就是說，夕卜殼(至少包括其玻璃壁部分)的較小截面形狀必須與消費者要求的形狀規格緊密地附著。有利地，本發明的方法提供了較小的截面形狀，其中較小形狀的至少一個且更通常是所有的截面尺寸符合較小形狀的形狀規格的±0.25%，並且在一些實施方式中是相應的形狀規格尺寸的±0.025%之內。在傳統玻璃模塑工藝中無法始終如一地維持該量級的形狀精度，但是對於10:1的下拉尺寸縮小的情況，通過將模塑的預成形件的形狀精度維持在0.3_之內，可以符合該量級的形狀精度。類似地，當允許在拉制過程中對玻璃表面進行軟化時，可以明顯地降低或者修復預成形件表面中的殘留玻璃表面裂紋，在一些情況下，對於小心製造的預成形件，在拉制工藝的過程中降低或者修復的程度可以實現從預成形件去除可見光學表面缺陷的步驟。本發明方法的其他實施方式允許製造由相同或不同玻璃組合物的多壁截面形成的外殼，所述相同或不同玻璃組合物是物理相容的。一個例子是含有一個透明壁部分和一個半透明、有色或者不透明壁部分的外殼的情況。如果玻璃的溫度-粘度特性在拉制溫度下是相似的，並且它們的熱膨脹係數在從拉制溫度到室溫的冷卻範圍內是相似的，則可以將通過結合不同形狀和/或組成的預成形件部分製造的複雜截面形狀的預成形件拉制在一起。或者，相同或不同玻璃的兩個預成形件區段可以在拉制過程中結合在一起並密封，同樣地，前提是玻璃的粘度和膨脹特性相差不太大。可以通過常規實驗容易地鑑定適合用所述方法結合成此類外殼的不同玻璃組成或形狀的合適配對或者甚至是較大群體。以下參考示例性實施例進一步說明本發明的方法。實施例通過擠出製造橢圓截面的管狀預成形件，該管狀預成形件設計用於拉製成用於電子電路設備的外殼。如圖1示意性所示，製造了用於成形橢圓預成形件的難熔金屬擠壓模頭10，所述難熔金屬 擠壓模頭10被加工成在其出口面提供橢圓形排料孔12，所述橢圓預成形件的長軸(D)為35.6mm，短軸(d)為13.7mm。孔12的寬度範圍約為1.1-1.3mm。熔化組成為康寧編號(Corning Code) 2318玻璃的鹼性鋁矽酸鹽玻璃的圓柱形梨晶碎玻璃，並澆鑄到直徑為3.75英寸、深為8英寸的石墨模具中。將梨晶放置在位於模頭頂部的擠出機筒中，將工具加熱至1050° C。一旦達到熱平衡，壓力為數百千克的活塞迫使玻璃以IO5-1O7泊的粘度範圍通過模頭。從模頭拉制擠出橢圓、冷卻並切斷，以提供長度約為5英尺的管狀橢圓預成形件。圖2示意性地顯示了典型預成形件20的截面形狀。將如此得到的管狀預成形件在酸性水溶液中浸沒約20分鐘進行清潔，該酸性水溶液包含5重量％HF+5重量％HCl+5重量％ΗΝ03。接著用去離子水衝洗，然後用甲烷衝洗，最後風乾。接下來將經過清潔的預成形件夾在位於三區電拉制爐的頂部開口上的向下進料機械裝置的卡盤中，該卡盤對準開口的中心軸。然後預加熱拉制爐使頂區溫度達到830° C，中區溫度達到950° C，底區溫度達到725° C，使玻璃預成形件懸在爐子的頂部開口上方。在將預成形件預加熱10分鐘之後，以約10毫米/分鐘的進料速率使其下降到爐子的加熱區。繼續進料直至預成形件的底部進入爐子的中部加熱區，然後將預成形件維持在該位置，直至管的底部被充分加熱以軟化並開始伸長。然後將預成形件伸長的末端或者所謂的「誘餌關閉(bait-off) 」的末端(由於伸長的原因，其尺寸縮小)進料到置於拉制爐出口下方的下拉牽引機中進行拉制，並激活牽引機，從而能夠以受控速率向下拉動預成形件變薄的末端。一旦牽引機開始向下拉制使預成形件變薄，以受控速率恢復預成形件進料到拉制爐的頂部開口中。然後通過控制預成形件的進料速度、爐子中的溫度分布以及牽引機的拉動速度來控制下拉過程。這三個變量決定了該過程中所實現的縮小比例，例如預成形件的截面尺寸或壁厚與較小下拉產品的截面尺寸或壁厚的比例。
圖3顯示了通過下拉具有圖2所示預成形件的一般構型的預成形件所得到的橢圓截面的再拉制外殼筒(stock)30的示意圖(未按真實比例或規格繪製)。採用本實施例的玻璃預成形件和拉制設備，容易地提供約為3:1的例如圖2所示的玻璃預成形件與例如圖3所示的再拉制外殼截面的縮小比例。在用於從例如上述尺寸的康寧編號2318玻璃預成形件拉制外殼截面的典型過程中，使用40毫米/分鐘的預成形件向下進料速率、50釐米/分鐘的牽引機拉動速度、以及包含頂區溫度為860° C，中區溫度為950° C且底區溫度為750° C的拉制爐溫度分布實現了規定的縮小。玻璃在上述條件下的拉制粘度約為IO6泊。圖4是根據本實施例從玻璃預成形件拉制的玻璃外殼截面的切割端面放大圖。照片上所記錄的外殼截面的截面尺寸顯示實現了約為3.1:1的縮小比例，並且基本保留了初始預成形件中所提供的截面形狀。通過改變預成形件的進料速率、拉制速率和/或拉制爐的溫度分布，採用相同的玻璃和拉制設備，還提供了較大或較小的縮小比例。當然，正如眾所周知的那樣，其他玻璃的成功拉製取決於選擇進行加工的特定玻璃的組成和粘度-溫度曲線，但是可以通過常規實驗容易地確定正確的進料和拉動速率以及最佳的拉制爐溫度分布。應理解，對於上文所揭示的特定組成、產物、方法和/或設備僅是示例性的目的，對它們可以採取許多改進和調整以符合新應用以及現有應用的要求，而不背離所附權利要求書的範圍。
權利要求
1.一種製造包含三維尺寸形狀的玻璃壁部分的方法，該方法包括以下步驟: 將玻璃進料成形為預成形件，該預成形件具有形狀對應於所述三維玻璃壁部分的較小截面形狀的預成形件截面； 精整預成形件的表面部分，以調節所述預成形件的幾何形狀或者從所述預成形件上去除可見的表面缺陷； 沿著垂直於所述預成形件截面的伸長軸拉制預成形件，將所述預成形件縮小為較小截面形狀，以及 對所述較小截面形狀進行回火，在其上提供具有壓縮應力表面層的玻璃壁部分。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，預成形件截面與較小截面形狀之間的尺寸比例在2:1至50:1的範圍內。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述較小截面形狀包含至少一個符合形狀規格的截面尺寸，所述形狀規格使較小截面形狀是相應的形狀規格尺寸的0.25%以內。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述較小截面形狀包含至少一個符合形狀規格的截面尺寸，所述形狀規格使較小截面形狀是相應的形狀規格尺寸的0.025%以內。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述預成形件截面含有兩種或更多種不同玻璃的截面。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述預成形件截面包含透明截面以及半透明、有色或者不透明的截面。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過選自澆鑄、壓制、機械加工、彎垂、重整和擠出的方法形成所述預成形件。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過化學離子交換過程對所述玻璃壁部分進行回火。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過共拉制、層疊的壓縮玻璃層對所述玻璃壁部分進行強化。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述玻璃壁部分的截面形狀為開放的U形形狀或者三側通道形狀構型。
11.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述玻璃壁部分具有選自橢圓形、正方形、花鍵形、三角形和矩形的閉合非圓形截面形狀。
12.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述玻璃壁部分的截面具有包含兩種或更多種不同組成的玻璃截面的截面。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，在進行拉制步驟之前或者在拉制步驟過程中將所述兩種不同的玻璃截面熔合在一起。
14.一種根據權利要求1所述方法製造的三維形狀的玻璃壁部分。
15.一種電子顯示器設備，該電子顯示器設備至少部分放置在包含三維形狀的玻璃壁部分的外殼中，所述具有形狀的玻璃壁部分含有外部壓縮應力表面層。
全文摘要
本發明揭示了具有三維形狀的玻璃壁部分的外殼的製造方法，該方法包括將玻璃進料成形為預成形件的初始步驟，該預成形件具有形狀對應於三維玻璃壁部分的較小截面形狀的預成形件截面。然後視需要對預成形件的至少一部分表面進行精整以去除所述至少一部分表面上的任意可見的光學表面缺陷和/或使其符合幾何容差；以及將預成形件沿著垂直於所述預成形件截面的伸長軸拉制，使預成形件的尺寸縮小或下拉至三維玻璃壁部分的較小截面形狀。然後對預成形件的較小截面形狀或截面進行回火，以提供其上具有壓縮應力表面層的強化的玻璃壁部分。
文檔編號C03B23/037GK103221350SQ201180048745
公開日2013年7月24日 申請日期2011年10月3日 優先權日2010年10月8日
發明者J·阿明, D·J·麥克恩羅, W·P·維克斯 申請人:康寧股份有限公司