CN103221350A - 强化的玻璃外壳及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了具有三维形状的玻璃壁部分的外壳的制造方法，该方法包括将玻璃进料成形为预成形件的初始步骤，该预成形件具有形状对应于三维玻璃壁部分的较小截面形状的预成形件截面。然后视需要对预成形件的至少一部分表面进行精整以去除所述至少一部分表面上的任意可见的光学表面缺陷和/或使其符合几何容差；以及将预成形件沿着垂直于所述预成形件截面的伸长轴拉制，使预成形件的尺寸缩小或下拉至三维玻璃壁部分的较小截面形状。然后对预成形件的较小截面形状或截面进行回火，以提供其上具有压缩应力表面层的强化的玻璃壁部分。

Description

强化的玻璃外壳及方法

相关申请交叉参考

本申请根据35U.S.C.§119，要求2010年10月8日提交的美国临时申请系列第61/391146号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

背景

本发明属于玻璃制造领域，具体涉及制造用于电子设备的薄壁高强度玻璃外壳。

用于制造玻璃外壳的常规方法包括模塑或压塑、吹塑、拉制、旋涂以及浇铸。这些方法长久以来用于制造以下产品，包括：食物容器、餐具、白炽灯罩、阴极射线管灯泡、用于诸如荧光灯和实验室器皿之类应用的拉制管。

用于传统玻璃外壳的大多数应用既不要求玻璃不含有色杂质，也不要求光学质量的表面光洁度。这不同于用于先进技术应用，例如电视机、电脑监视器以及其他电子设备包括手机、笔记本电脑以及手持式娱乐装置的显示屏的平坦玻璃，通常来说用于上述应用的玻璃基本上不含光学缺陷。

对于许多容器应用来说，玻璃相比金属和塑料具有许多优势，包括透明度、硬度、耐热性、耐化学性以及高电阻率。但是，对于预期接触化学冲击或者高应力的使用，通常认为普通玻璃的抗折断性是不足的。因此，对于需要增强耐应力性或耐冲击破裂性的玻璃餐具如玻璃板以及用于上色的平坦玻璃，在许多情况下通过热回火或者甚至化学回火进行增韧。

因为玻璃必须在高温下熔融和成形，通常认为其不适用于制造容器或者用于其他外壳的成形组件，这些应用要求形状精度、光学透明度和/或光学表面光洁度。对具有三维弯曲表面的玻璃产品（例如透镜和望远镜镜坯）进行光学精整的现有方法不适用于精整容器表面，并且相当昂贵。因此，现有技术并不十分适用于用玻璃制造要求高形状精度和无缺陷表面的容器或外壳。

概述

本发明提供了基本不含光学缺陷的高形状精度的玻璃外壳以及外壳组件，及其制造方法。可以由各种玻璃，包括光学质量的玻璃以及可进行热回火或化学回火的玻璃来制造所述组件。此外，本发明的方法可用于生产在宽范围精确截面形状上轴向延伸的外壳或外壳组件。

根据一些特定的实施方式，本发明包括具有三维形状的玻璃壁部分的外壳的制造方法，该方法包括将玻璃进料成形为预成形件的初始步骤，该预成形件具有形状对应于三维玻璃壁部分的较小截面形状的预成形件截面。然后视需要对预成形件的至少一部分表面进行精整，以去除所述至少一部分表面上的任意可见的光学表面缺陷和/或使其符合几何容差，并将预成形件沿着垂直于所述预成形件截面的伸长轴拉制，使预成形件的尺寸缩小或下拉至三维玻璃壁部分的较小截面形状。然后对预成形件的较小截面形状或截面进行回火，以提供其上具有压缩应力表面层的强化的玻璃壁部分。

根据上述方法制造的三维形状的玻璃壁部分可以具有几乎无限制的各种轴向延伸弯曲或者具有角度的截面形状。具体的实施方式包括开放弯曲的或者具有角度的形状（例如u形或者三侧通道形状）以及闭合形状（包括具有角度的和非圆形形状）。例子包括椭圆、正方形、三角形或者矩形截面的规则闭合形状，以及例如花键形状的不规则形状。

例如本文所述的外壳或外壳壁部分提供了电特性、化学特性和物理特性，使得它们特别适用于包封或者部分包封灵敏电子电路，包括含有所述电路的电子设备。因此，本发明还提供了电子设备，包括例如电子显示器设备，它们至少部分放置在包含三维形状的玻璃壁部分的外壳中。在一些特定的实施方式中，具有形状的玻璃壁部分含有至少一层外部压缩应力表面层以增强外壳的强度，包括通过例如热回火、化学回火或者层叠提供的压缩应力形状。

附图说明

下面结合附图进一步显示了本发明的方法和产品，其中：

图1是预成形件挤出模头出口面的示意图；

图2是用于外壳的玻璃预成形件的示意图；

图3是拉制玻璃外壳截面的示意图；以及

图4是外壳截面端面照片的放大图。

具体实施方式

虽然本说明书中列出的方法适用于生产用于各种技术应用的宽范围的外壳，但是根据这些方法提供的外壳组件特别适用于生产用于消费者电子设备或其组件的全部或者部分外壳的化学强化的外壳组件。因此，如下详细描述包括适用于此类用途的外壳的例子和说明，但是本发明不限于此。

适用于生产本发明方法的外壳或外壳组件的玻璃预成形件的制造方法不是关键。可以通过例如浇铸、压制、机械加工、弯垂、重整或者挤出来提供近净(near-net)截面形状的预成形件，并且在许多情况下，在精整和拉制之前，其表面精度无需或者几乎无需再成形。

本发明方法的另一个优势是它们不限于使用任意特定的玻璃组合物。用于消费者电子产品外壳的特别感兴趣的实施方式是能够通过回火进行有效强化的玻璃，该玻璃不含可见表面缺陷并且优选不含体积缺陷。合适的玻璃的示例性例子包括碱性硅酸盐玻璃、碱性硼硅酸盐玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃以及碱性硼铝硅酸盐玻璃，它们可以通过在低于其退火点的温度进行离子交换过程进行化学回火至高表面应力水平。同样可用含成核剂的玻璃以及用光学活性组分（例如银）进行掺杂的玻璃，以提供极化或者其他独特的光学效果，所述含成核剂的玻璃可通过成形后热处理转化为具有高强度和耐久性的半晶体玻璃陶瓷外壳。

可以通过常规感应或电阻加热拉制炉加热和下拉预成形件来适当地拉伸适当配置的预成形件以提供较小（缩小）截面的选定外壳或外壳部分，但是也可以使用其他拉制方法或者设备。但是，使用一些形式的拉制对于生产本发明的外壳和外壳组件是关键步骤。这是因为通过拉制所提供的截面缩小，通常构成了预成形件最少2:1且最高50:1或更高的截面外部尺寸的缩小，实现了拉制形状中玻璃表面尺寸和预成形件形状缺陷的显著且必要的下降。

设计用于保护消费者电子产品的外壳通常要求非常高的形状精度。也就是说，外壳（至少包括其玻璃壁部分）的较小截面形状必须与消费者要求的形状规格紧密地附着。有利地，本发明的方法提供了较小的截面形状，其中较小形状的至少一个且更通常是所有的截面尺寸符合较小形状的形状规格的±0.25%，并且在一些实施方式中是相应的形状规格尺寸的±0.025%之内。

在传统玻璃模塑工艺中无法始终如一地维持该量级的形状精度，但是对于10:1的下拉尺寸缩小的情况，通过将模塑的预成形件的形状精度维持在0.3mm之内，可以符合该量级的形状精度。类似地，当允许在拉制过程中对玻璃表面进行软化时，可以明显地降低或者修复预成形件表面中的残留玻璃表面裂纹，在一些情况下，对于小心制造的预成形件，在拉制工艺的过程中降低或者修复的程度可以实现从预成形件去除可见光学表面缺陷的步骤。

本发明方法的其他实施方式允许制造由相同或不同玻璃组合物的多壁截面形成的外壳，所述相同或不同玻璃组合物是物理相容的。一个例子是含有一个透明壁部分和一个半透明、有色或者不透明壁部分的外壳的情况。如果玻璃的温度-粘度特性在拉制温度下是相似的，并且它们的热膨胀系数在从拉制温度到室温的冷却范围内是相似的，则可以将通过结合不同形状和/或组成的预成形件部分制造的复杂截面形状的预成形件拉制在一起。或者，相同或不同玻璃的两个预成形件区段可以在拉制过程中结合在一起并密封，同样地，前提是玻璃的粘度和膨胀特性相差不太大。可以通过常规实验容易地鉴定适合用所述方法结合成此类外壳的不同玻璃组成或形状的合适配对或者甚至是较大群体。

以下参考示例性实施例进一步说明本发明的方法。

实施例

通过挤出制造椭圆截面的管状预成形件，该管状预成形件设计用于拉制成用于电子电路设备的外壳。如图1示意性所示，制造了用于成形椭圆预成形件的难熔金属挤压模头10，所述难熔金属挤压模头10被加工成在其出口面提供椭圆形排料孔12，所述椭圆预成形件的长轴（D）为35.6mm，短轴（d）为13.7mm。孔12的宽度范围约为1.1-1.3mm。

熔化组成为康宁编号（Corning Code）2318玻璃的碱性铝硅酸盐玻璃的圆柱形梨晶碎玻璃，并浇铸到直径为3.75英寸、深为8英寸的石墨模具中。将梨晶放置在位于模头顶部的挤出机筒中，将工具加热至1050°C。一旦达到热平衡，压力为数百千克的活塞迫使玻璃以10⁵-10⁷泊的粘度范围通过模头。从模头拉制挤出椭圆、冷却并切断，以提供长度约为5英尺的管状椭圆预成形件。图2示意性地显示了典型预成形件20的截面形状。

将如此得到的管状预成形件在酸性水溶液中浸没约20分钟进行清洁，该酸性水溶液包含5重量%HF+5重量%HCl+5重量%HNO₃。接着用去离子水冲洗，然后用甲烷冲洗，最后风干。

接下来将经过清洁的预成形件夹在位于三区电拉制炉的顶部开口上的向下进料机械装置的卡盘中，该卡盘对准开口的中心轴。然后预加热拉制炉使顶区温度达到830°C，中区温度达到950°C，底区温度达到725°C，使玻璃预成形件悬在炉子的顶部开口上方。

在将预成形件预加热10分钟之后，以约10毫米/分钟的进料速率使其下降到炉子的加热区。继续进料直至预成形件的底部进入炉子的中部加热区，然后将预成形件维持在该位置，直至管的底部被充分加热以软化并开始伸长。然后将预成形件伸长的末端或者所谓的“诱饵关闭(bait-off)”的末端（由于伸长的原因，其尺寸缩小）进料到置于拉制炉出口下方的下拉牵引机中进行拉制，并激活牵引机，从而能够以受控速率向下拉动预成形件变薄的末端。

一旦牵引机开始向下拉制使预成形件变薄，以受控速率恢复预成形件进料到拉制炉的顶部开口中。然后通过控制预成形件的进料速度、炉子中的温度分布以及牵引机的拉动速度来控制下拉过程。这三个变量决定了该过程中所实现的缩小比例，例如预成形件的截面尺寸或壁厚与较小下拉产品的截面尺寸或壁厚的比例。

图3显示了通过下拉具有图2所示预成形件的一般构型的预成形件所得到的椭圆截面的再拉制外壳筒（stock）30的示意图（未按真实比例或规格绘制）。采用本实施例的玻璃预成形件和拉制设备，容易地提供约为3:1的例如图2所示的玻璃预成形件与例如图3所示的再拉制外壳截面的缩小比例。

在用于从例如上述尺寸的康宁编号2318玻璃预成形件拉制外壳截面的典型过程中，使用40毫米/分钟的预成形件向下进料速率、50厘米/分钟的牵引机拉动速度、以及包含顶区温度为860°C，中区温度为950°C且底区温度为750°C的拉制炉温度分布实现了规定的缩小。玻璃在上述条件下的拉制粘度约为10⁶泊。

图4是根据本实施例从玻璃预成形件拉制的玻璃外壳截面的切割端面放大图。照片上所记录的外壳截面的截面尺寸显示实现了约为3.1:1的缩小比例，并且基本保留了初始预成形件中所提供的截面形状。通过改变预成形件的进料速率、拉制速率和/或拉制炉的温度分布，采用相同的玻璃和拉制设备，还提供了较大或较小的缩小比例。当然，正如众所周知的那样，其他玻璃的成功拉制取决于选择进行加工的特定玻璃的组成和粘度-温度曲线，但是可以通过常规实验容易地确定正确的进料和拉动速率以及最佳的拉制炉温度分布。

应理解，对于上文所揭示的特定组成、产物、方法和/或设备仅是示例性的目的，对它们可以采取许多改进和调整以符合新应用以及现有应用的要求，而不背离所附权利要求书的范围。

Claims (15)

1.一种制造包含三维尺寸形状的玻璃壁部分的方法，该方法包括以下步骤： 

将玻璃进料成形为预成形件，该预成形件具有形状对应于所述三维玻璃壁部分的较小截面形状的预成形件截面； 

精整预成形件的表面部分，以调节所述预成形件的几何形状或者从所述预成形件上去除可见的表面缺陷； 

沿着垂直于所述预成形件截面的伸长轴拉制预成形件，将所述预成形件缩小为较小截面形状，以及 

对所述较小截面形状进行回火，在其上提供具有压缩应力表面层的玻璃壁部分。 

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预成形件截面与较小截面形状之间的尺寸比例在2:1至50:1的范围内。 

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述较小截面形状包含至少一个符合形状规格的截面尺寸，所述形状规格使较小截面形状是相应的形状规格尺寸的0.25%以内。 

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述较小截面形状包含至少一个符合形状规格的截面尺寸，所述形状规格使较小截面形状是相应的形状规格尺寸的0.025%以内。 

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预成形件截面含有两种或更多种不同玻璃的截面。 

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预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.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过选自浇铸、压制、机械加工、弯垂、重整和挤出的方法形成所述预成形件。 

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过化学离子交换过程对所述玻璃壁部分进行回火。 

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过共拉制、层叠的压缩玻璃层对所述玻璃壁部分进行强化。 

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃壁部分的截面形状为开放的u形形状或者三侧通道形状构型。 

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃壁部分具有选自椭圆形、正方形、花键形、三角形和矩形的闭合非圆形截面形状。 

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃壁部分的截面具有包含两种或更多种不同组成的玻璃截面的截面。 

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在进行拉制步骤之前或者在拉制步骤过程中将所述两种不同的玻璃截面熔合在一起。 

14.一种根据权利要求1所述方法制造的三维形状的玻璃壁部分。 

15.一种电子显示器设备，该电子显示器设备至少部分放置在包含三维形状的玻璃壁部分的外壳中，所述具有形状的玻璃壁部分含有外部压缩应力表面层。 

Images