专利名称：阴极射线管玻璃面板的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种制造阴极射线管玻璃面板的方法，所述阴极射线管主要用于接收电视广播之类的信号。具体地说，本发明涉及一种通过物理强化法来制造所述玻璃面板的方法。
通过物理强化法在玻璃面板表面形成一个压应力层可提高表面的强度，能有效地防止在制造阴极射线管过程中的热碎裂，并使面板在阴极射线管制成之后不易碎裂。
当在玻璃面板内部的温度是在能使构成玻璃的分子重新排列的温度范围时进行物理强化方法，就会在冷却的玻璃面板表面产生暂时的应力，使得表面部分的温度进入不能使分子重新排列的温度范围，从而在玻璃面板的内部和表面之间产生应力的不平衡状态。然后，当玻璃面板在这种不平衡状态下冷却至室温时，就产生了永久的应力。
通常按以下方法制造和强化玻璃面板。在第一阶段，将温度约为1000℃的玻璃块放入底模内，用阳模加压。将阳模提起后，用冷空气吹向所形成的玻璃面板的内表面，使其温度达到这样的范围，在该温度下固化的玻璃面板外表面不粘附在底模上，并且不发生大的粘-弹性形变。在这过程中，在玻璃面板的内部和表面之间产生较大的温度差，并由于玻璃面板的壁厚分布和三维结构，产生了大的温度分布。即，由于玻璃面板具有矩形的表面部分，其壁厚向边缘部分逐渐增大，而且玻璃面板具有盒子那样的形状，在边缘部分带有裙边(skirt)，边缘部分的热发射表面积与其质量分布相比很小，因此在边缘部分散去的热量较少。而且，在常规的制造玻璃面板方法中，冷却空气是从一个喷嘴吹入，冷却盒状玻璃面板内表面的中心部分，因此对内表面中心部分的冷却效果当然高于对边缘部分的冷却效果。尤其是，对矩形面板内表面的角部的冷却效果不大充分，以致这些部分的温度与其它部分相比很高，而在角部的内部(与芯部)与表面之间在壁厚方向上的温度差较小。但是在这阶段，在玻璃面板内产生的暂时应力并不太大，因为内部和表面的温度都比较高。
在第二阶段，将形成的玻璃面板从模具中取出，冷却至退火点或以下，冷却过程中内部与表面之间在整体上保持一个大的温度差，以产生大的暂时应力。但是在这状态下继续冷却操作时，暂时应力会在玻璃面板内过分地积累，使其在冷却过程中发生自爆。或者收缩太大，远远超过许可的使其可供实用的范围。
因此，在第三阶段，将玻璃面板的温度保持在可使构成玻璃的分子重新排列的温度范围30-40分钟，以降低玻璃面板内部与表面之间的温度差，并进行退火操作来松弛暂时应力和收缩，从而保证其可供实用。进一步，玻璃面板通过一个低温区而冷却至室温，在这低温区构成玻璃的分子不可能重新排列，而在第三阶段被控制在适当范围的暂时应力则仍然保持，从而在玻璃面板内保留了永久应力。于是可如前所述有效地在玻璃面板表面形成压应力层。另一方面，已经知道具有上述热处理经历的玻璃面板会产生不需要的收缩。这种收缩是构成玻璃的分子重新排列所产生的，以便使玻璃面板再受热处理时获得热力学上稳定的结构。而收缩率等于热处理后屏幕有效面积的特定部分的长度除以热处理前该特定部分的起始长度而得到的数值。
在彩色阴极射线管的装配过程中，要在玻璃面板内表面上设置一层萤光膜作为屏幕，再在该屏幕的后面形成一层铝膜。然后在玻璃面板上固定荫罩。再在约440℃热处理35分钟以便将玻璃面板与漏斗形玻璃管身封合。在这情况下，在玻璃面板屏幕的有效平面内产生了不需要的收缩。另一方面，为了获得纯的色彩，要求荫罩的开孔与相对于它的荧光膜的象素之间具有正确的位置关系。但是，收缩使得荫罩开孔与象素之间的相对位置产生误差。误差的数量定义为错位(mislanding)的大小。在离屏幕有效平面中心r处一任意位置上的错位大小U(r)与收缩C之间的关系可用式(1)表示U(r)=∫orc(r′)dr′----(1)]]>即错位大小可表示为从屏幕中心起算的积累值，因此，在有效平面未端靠近裙边处的错位大小最大。所以，使某一特定位置上的收缩尽可能地小并不一定意味着错位大小最小。也就是说，重要的是减小在有效平面内的收缩分布，使得在有效平面边缘部分的错位大小在可容许的范围内。
在常规方法中，当形成并强化上述玻璃面板时，至少在第一阶段和第二阶段，会在截面方向或壁厚方向上产生温度差，同时，由于玻璃面板如上所述具有盒子形的三维结构和不均匀的壁厚，也在玻璃面板的平面方向上产生不需要的温度分布。特别是在靠近角部的区域和在面板有效平面的边缘部分(这些部分与裙边相邻)，由这些区域与裙边部分发生热流入。因此，这些区域的冷却率小，不如面板中心部分作为简单的辐射平面的冷却率那样大。因此，在第二阶段的最初步骤或最终步骤中，在表面积的中心部分与有效平面的边缘部分之间存在大的温度差。这一趋势在面板表面的中心部分与角部之间尤其显著，而这种趋势显示于其内表面部分而不是其外表面部分，因为外表面与模具接触一段较长的时间。
在强化步骤中在面板的有效平面内产生大的温度分布，结果就在玻璃表面产生压应力值的分布，因而在面板有效平面内产生了收缩值的分布，这就增加了错位的大小。另外，由于在靠近面板有效平面边缘部分的内表面处的冷却率低，在强化步骤中这些区域内横截面方向的温度差减小，因而在其表面产生的压应力值比面板中心部分小。
在常规方法的第三阶段，进行退火操作以减小面板玻璃内部与表面之间的温度差，并适当地释放暂时应力。一般，当玻璃面板在可使构成玻璃的分子重新排列的温度范围保持30-40分钟后，温度分布可降至最小，但应力被过分地释放。而当退火时间很短时，就不能消除温度分布，在面板表面的不需要的应力也不能消除。
当要保留必需的应力时，玻璃面板的内表面部分在第一和第二阶段以后不可避免地存在大的温度分布。亦即在面板表面有效平面的中心部分与边缘部分以及裙边部分的内表面产生大的温度分布，因而在面板内表面有效平面的边缘部分及其附近产生不需要的平面张应力，这应力不同于起强化作用的压应力。
本发明的目的是消除上述常规的制造和强化玻璃面板方法的缺点。
本发明的另一目的，是通过在强化玻璃面板的第二阶段尽可能减小面板表面部分平面内的温度差，从而减小错位大小(错位大小在面板表面有效平面边缘部分呈现最大的数值)。而且，本发明的目的是通过提高内表面部分有效平面边缘处或附近的压应力，来提高面板表面部分内表面有效平面端部区域与面板内表面中心部分的压应力比值。
本发明的另一目的，是在退火过程中取一个低的起始退火温度，而在第二阶段提高退火温度，从而缩短使面板内表面的温度分布均匀所需的时间，减小在面板内表面产生的不需要的平面张应力，同时保持预定的起强化作用的压应力。
本发明的第一方面提供了一种制造阴极射管玻璃面板的方法，该方法包括第一阶段，将放入模具内的熔融玻璃压制成形，并让成形的玻璃固化至其表面温度达到粘附温度以下；第二阶段，将成形的玻璃从模具取出，使其冷却强化；第三阶段，松弛成形的玻璃内在第二阶段所产生的暂时应力；第四阶段，将成形的玻璃冷却至室温以产生足够的永久应力，在这阶段中对成形玻璃内表面角部(它们在第二阶段时是温度最高的区域)的冷却强于其它部分，从而减小它们与内表面的中心部分(它是温度最低的区域)的温度差。
本发明的第二方面提供了一种制造玻璃面板的方法，这方法按照第一方面的方法，但冷却成形玻璃时满足下列公式(2)0.4≤(T2fmax-T2fmin)/(T2smax-T2smin)≤0.7(2)其中T2smax是内表面角部的温度，它是第二阶段起始步骤时温度最高的区域；T2smin是内表面中心部分的温度，它是第二阶段起始步骤时温度最低的区域；T2fmax是第二阶段最终步骤时内表面角部的温度，而T2fmin是第二阶段最终步骤时内表面中心部分的温度。
本发明的第三方面提供了一种制造玻璃面板的方法，这方法按照第二方面的方法，但在第二阶段中，T2smax、T2smin、T2fmax和T2fmin分别在以下范围内退火点≤T2smax≤650℃；400℃≤T2smin；350℃≤T2fmin；和T2fmax≤应变点。
本发明的第四方面提供了一种制造玻璃面板的方法，这方法按照第二方面的方法，但在第二阶段中，内表面角部的平均温度下降率R2max和内表面中心部分的平均温度下降率分别是45℃/分钟≤R2max≤65℃/分钟和30℃/分钟≤R2min≤40℃/分钟。
本发明的第五方面提供了一种制造玻璃面板的方法，这方法按照第二方面的方法，但温度控制至满足以下关系350℃≤T3smin；T3smax＜应变点；T3smin＜T3smax；和T3smin＜T3fmin＝T3fmax；其中T3smax是内表面角部(它是第三阶段初始步骤时温度最高的区域)的温度；T3smin是内表面中心部分(它是第三阶段初始步骤时温度最低的区域)的温度；T3fmax是第三阶段最终步骤时内表面角部的温度；T3fmin是第三阶段最终步骤时内表面中心部分的温度。
当按照本发明制造物理强化的玻璃面板时，重要的是在第一和第二阶段尽可能消除玻璃面板表面部分平面方向上的温度差，或至少在退火的第二阶段中将其控制在预定范围内。这样，在面板表面部分平面方向上和在截面方向上的应力分布都在可允许的范围内。
一般来说，在面板内表面的温度，由处于最低温度的面板表面中心部分，逐渐升高至面板的有效平面的边缘部分，处于最高温度的是内表面角部，内表面的这些角部是与盒形面板的角相邻的。因此面板内表面的角部与中心部分之间具有最大的温度差。所以强化冷却处于高温状态的角部可减小温度差。角部是指矩形面板内表面对角线方向上靠近角落处的区域，其温度高于其它部分。
本发明中，冷却操作是在T2smax、T2smin、T2fmax和T2fmin各温度满足公式(2)的关系下进行的，其中T2smax是内表面角部(它在第二阶段初始步骤时是温度最高的区域)的温度；T2smin是内表面中心部分(它在第二阶段初始步骤时是温度最低的区域)的温度；T2fmax是内表面角部在第二阶段最终步骤时的温度；T2fmin是内表面中心部分在第二阶段最终步骤时的温度。在公式(2)中，T2smax和T2smin分别看作是处于最高温度区的内表面角部的最高温度和处于最低温度区的内表面中心部分的最低温度。T2fmax和T2fmin可同样处理。
在(T2fmax-T2fmin)/(T2smax-T2smin)＜0.4时，暂时应力变得过分大，从而会引起玻璃面板碎裂。另一方面，当(T2fmax-T2fmin)/(T2smax-T2smin)＞0.7时，就难以得到有效的物理强化作用。最好的范围是0.5-0.6。
另外，在第二阶段，最好满足以下关系退火点≤T2smax≤650℃；400℃≤T2smin；350℃≤T2fmin和T2fmax＜应变点。当退火点＞T2smax时，就不能控制玻璃面板所需的强化应力；当T2smax＞650℃时，玻璃会粘附在底模上以致玻璃面板不能从其中取出。另外，当T2smin＜400℃时，玻璃面板常会在刚取出后碎裂。当T2fmin＜350℃，所得到的强化应力和收缩会过大。为了维持稳定的强化应力，T2fmax应小于应变点。
在本发明中，可通过在第二阶段调节处于最高温度区域的内表面角部和处于最低温度区的内表面中心部分的冷却速率，来控制面板表面部分温度差的减小。当以R2max和R2min分别表示在这些区域的平均冷却速率时，最好让45℃/分钟≤R2max≤65℃/分钟和30℃/分钟≤R2min≤40℃/分钟。当R2max小于45℃/分钟时，温度差不能得到有效的减小。另一方面，当它超过65℃/分钟时，将发生碎裂。当R2min小于30℃/分钟时，不能得到使玻璃面板强化以供实用的效果。另一方面，当它超过40℃/分钟时，温度差不能得到有效的减小。
在本发明中，可通过在第三阶段适当控制玻璃面板的温度，来改进最后残留在面板表面部分的应力以及收缩的均匀性，或消除收缩的不均匀分布。即可通过使T3smax、T3smin、T3fmax和T3fmin各温度满足以下关系来减小内表面角部高于内表面中心部分的温度分布350℃≤T3smin；T3fmax＜应变点；T3smin＜T3smax；和T3smin＜T3fmin＝T3fmax；其中T3smax是内表面角部(它是第三阶段初始步骤时温度最高的区域)的温度，T3smin是内表面中心部分(它是第三阶段初始步骤时温度最低的区域)的温度，T3fmax是第三阶段最终步骤时内表面角部的温度，T3fmin是第三阶段最终步骤时内表面中心部分的温度。
当T3smin小于350℃时，玻璃面板易发生碎裂。当T3smax大于应变点时，内表面角部与中心部分之间的温度差太大，以致难于控制强化应力的分布。
另外，为了在第三阶段中以较短时间有效地减小面板表面部分的温度分布，可改变内表面角部与中心部分的温度提高速率，直至这些部分的温度变成相同。更具体地说，在第三阶段退火炉的温度应从炉子入口至出口逐渐地或分步地增加。
冷却速率正比于放入炉中的玻璃面板温度与冷却介质的温度(炉温)之差。因此，要求在玻璃面板刚放入炉内时，使面板表面角部与炉子气氛之间的温度差增大而令角部具有高冷却速率，另一方面使面板表面中心部分加温。这样调节温度，可使角部强化，并在较短时间内使面板表面部分的温度分布均匀。因此，第三阶段的操作时间可以缩短，同时可以改善起强化作用的应力。实验表明，当以R3max和R3min分别表示第三阶段面板内表面角部和中心部分的平均温度升高速率时，最好是2℃/分钟≤R3min≤4℃/分钟和-1℃/分钟≤R3max≤1℃/分钟。
在本发明的第二阶段，减小面板内表面中心部分与角部之间温度差的最简单的方法，是在整个第二阶段或其中的一部分时间使处于高温状态下的角部比其它部分更激烈地冷却。在第二阶段之前，玻璃面板的内表面部分的温度，总体来说高于外表面部分的温度，而且内表面中心部分与角部之间的温度差大于外表面中心部分与角部之间的温度差。因此，冷却内表面的角部是有效的。冷却操作中一般使用冷却空气。在这情况下，所用的冷却速率最好能沿壁厚方向在内部与表面之间产生温度差，从而获得所需的强化作用。
在第二阶段，玻璃面板被从模具中取出暴露于空气中，因此玻璃面板的整体被冷却。在第二阶段较早期间当玻璃面板的整体处于高温状态时进行上述的局部冷却，与暴露于空气中冷却相结合，可获得较好效果。在第二阶段，可以在玻璃面板的裙边部分安装销钉。
图1是本发明制造玻璃面板方法的实施例中的玻璃面板温度变化图，其中内表面的角部在第二阶段被局部地快速冷却。
图2是另一玻璃面板温度变化图，其中在第二阶段快速冷却的时间与图1的实施例不同。
图3是本发明另一实施例的玻璃面板温度变化图，显示了第三阶段中退火炉中的温度以恒定的升温速率增高。
图4是另一玻璃面板温度变化图，其中第三阶段的时间比图3的实施例长。
图5是说明怎样计算面板表面有效平面边缘部分错位大小的图形。
图6是用以说明计算面板表面有效平面边缘部分错位大小的方法的图形。
以下参照实施例详细说明本发明。但应理解，本发明并不受这些具体实施例的限制。
使用Asahi Glass Company Ltd.制造的29英寸玻璃面板(玻璃编码5001)作为本发明的实施例。实施例与按常规方法得到的对比例的结果一起列出于后。
实施例1在第二阶段将面板从模具中取出27秒钟后，用空气流鼓吹面板内表面角部将其冷却约40秒，每个角部在面板内表面上沿对角线离中心约300毫米。图1显示了玻璃面板内表面中心部分和角部从第一阶段至第四阶段的温度变化。
实施例2采用与实施例1相同的条件，不同之处是空气流鼓吹了10秒钟。图2显示了本实施例中面板表面的温度变化。
实施例3在第三阶段之前内表面部分的初始温度分布为T3smax＝500℃和T3smin＝410℃，将面板表面温度历时35分钟逐渐提高至510℃，以使温度分布均匀化。图3显示了面板表面的温度变化，图中以虚线示出了常规方法的温度变化以供参考。由图3可看到，内表面中心部分与角部之间的温度差可在短时间内减小，而且第三阶段所需的时间比常规方法短。
实施例4与实施例3相似，但第三阶段的持续时间为45分钟，而且在均匀温度状态下松弛的时间比实施例3长。
实施例5(对比例)图4显示了常规方法中面板表面的温度变化。
表1至表4显示了各实施例中第二和第三阶段的初始步骤和最终步骤时的温度和平均冷却速率、退火以后面板表面的强化应力、最大平面应力、以及错位大小。
表1
表2
表3
表4
面板表面有效平面边缘部分(面板表面内沿对角轴的边缘)的错位大小可按以下方法计算。在图5中，从面板表面1的对角线r′上的中心部分区域(a)、角部区域(c)和中间部分区域(b)切出用以测定收缩的测试块(150mm×2mm)。考虑到制造阴极射线管时的实际热处理过程，测试块在440℃加热。然后测定每个区域的收缩C(r′)。将这三个区域测得的收缩值标示在图6中，利用公式(1)按抛物线近似计算错位大小。
对于强化表面层中的压应力值，是切出厚度约为15mm的面板表面，按照JIS-S2305规定的直接方法(Sénarmont方法)用光弹应力仪测定压应力值。
平面应力是按以下方式测定。将应变片固定在玻璃面板上要测量其应力的部分上。把裙边部分从玻璃面板上切去。在测量点附近切下大小约为10cm×10cm的部分。然后测量切割前后应变量的变化。
由表1-4可见，实施例1和2(本发明)的玻璃面板中内表面中心部分与角部之间的强化应力之差小于实施例5(对比例)，即本发明的玻璃面板是均匀强化的。而且在面板表面的中心部分和角部任一区域，强化程度都大于常规的对比例，表明可得到强固的玻璃面板。尤其是在实施例1中，内表面角部在第二阶段局部冷却的时间较长，其强化程度比冷却时间较短的实施例2高，同时，中心部分与角部的应力差小，因而面板表面整体上更均匀地强化。由于均匀强化的结果，错位大小也小于对比例。
另一方面，在实施例3和4中，面板表面中心部分和角部的强化应力均匀性和强化程度以及错位大小比实施例1和2差。但这些数值优于对比例。在面板表面有效平面内或其附近的边缘部分产生的最大平面张应力(这是不需要的)可比对比例减小，因而可得到平面应力较均匀的玻璃面板。在实施例4中(它在第三阶段的时间与对比例相等)这个趋势很明显。
在本发明中，在面板内表面有效平面边缘部分内或其附近产生的强化压缩应力与面板内表面中心部分的强化压缩应力之比可得到增大。亦即可通过提高内表面角部的强化程度(该部分过去一直是较难强化的)来使面板表面强化更均匀。此外，在有效平面边缘部分很显著的错位也可通过均匀强化而减小。
另外，第三阶段的时间可以缩短，而且在面板表面有效平面边缘部分内或其附近的不需要的平面张应力可以减小。
权利要求
1.一种制造阴极射线管玻璃面板的方法，包括第一阶段，将熔融玻璃放在模具内加压成形，然后让成形的玻璃固化，直至玻璃的表面温度低于粘附温度；第二阶段，将成形的玻璃从模具中取出，使其冷却并强化；第三阶段，使第二阶段期间在成形的玻璃内所产生的暂时应力松弛；和第四阶段，使成形的玻璃冷却至室温以产生足够的永久应力，其中在第二阶段处于最高温度区的成形玻璃内表面角部比其它部分更激烈地冷却，以减小它与处于最低温度区的内表面中心部分之间的温度差。
2.如权利要求1所述的制造玻璃面板的方法，其特征还在于成形的玻璃冷却时满足以下关系式0.4≤(T2fmax-T2fmin)/(T2smax-T2smin)≤0.7其中T2smax是第二阶段起始步骤时处于最高温度区的内表面角部的温度；T2smin是第二阶段起始步骤时处于最低温度区的内表面中心部分的温度；T2fmax是第二阶段最终步骤时内表面角部的温度；T2fmin是第二阶段最终步骤时内表面中心部分的温度；
3.如权利要求2所述的制造玻璃面板的方法，其特征还在于在第二阶段中，T2smax，T2smin，T2fmax和T2fmin各温度分别处于以下范围退火点≤T2smax≤650℃；400℃≤T2smin；350℃≤T2fmin；和T2fmax≤应变点。
4.如权利要求2所述的制造玻璃面板的方法，其特征还在于在第二阶段中，内表面角部的平均温度下降速率R2max和内表面中心部分的平均温度下降速率R2min分别在以下范围45℃/分钟≤R2max≤65℃/分钟和30℃/分钟≤R2min≤40℃/分钟。
5.如权利要求2所述的制造玻璃面板的方法，其特征在于在控制各温度满足以下关系350℃≤T3smin；T3smax＜应变点；T3smin＜T3smax；和T3smin＜T3fmin＝T3fmax；其中T3smax是第三阶段起始步骤时处于最高温度区的内表面角部的温度；T3smm是第三阶段起始步骤时处于最低温度区的内表面中心部分的温度；T3fmax是第三阶段最终步骤时内表面角部的温度；T3fmin是第三阶段最终步骤时内表面中心部分的温度。
6.如权利要求5所述的制造玻璃面板的方法，其特征在于在第三阶段中，内表面角部的平均温度升高速率R3max和内表面中心部分的平均温度升高速率R3min分别在以下范围2℃/分钟≤R3min≤4℃/分钟和-1℃/分钟≤R3max≤1℃分钟。
7.一种阴极射线管玻璃面板，其特征在于它是按权利要求1所述的方法制造的。
全文摘要
在退火步骤前用空气吹向在模具中压制成型的玻璃面板的内表面角部,使该部分比其它部分更激烈地冷却,从而减小角部与其它部分之间的温度差。
文档编号C03B25/00GK1189681SQ97126329
公开日1998年8月5日 申请日期1997年12月26日 优先权日1996年12月26日
发明者菅原恒彦, 池沢利一, 清水直也, 山崎博司 申请人:旭硝子株式会社