DE4100595A1

DE4100595A1 - Verfahren zur herstellung einer lochmaske

Info

Publication number: DE4100595A1
Application number: DE4100595A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Teramoto; Kimio Hashizume; Tetsuya Watanabe; Hideya Ito
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-01-09
Filing date: 1991-01-08
Publication date: 1991-07-11
Also published as: JPH03208225A; KR910014983A; US5167557A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Lochmaske, die beispielsweise in Farbfernsehbildröhren verwendet wird.

Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen ist eine Schnittansicht, die wesentliche Teile einer Farbfernsehbildröhre zeigt. Die Elektronenstrahlen, die der roten, grünen und blauen Farbe entsprechen und von einem Elektronenrohr ausgesandt werden, gehen durch eine Anzahl von feinen Öffnungen 5 hindurch, die regelmäßig als Farbauswahlelektroden auf einer Lochmaske 4 angeordnet sind. Danach treffen die Elektronenstrahlen 1, 2 und 3 genau gegen den entsprechenden Leuchtstoff 6, 7 und 8, der jeweils eine Leuchterscheinung der roten, grünen und blauen Farbe liefert, wobei der Leuchtstoff Bestandteil eines Leuchtschirms 9 ist, der auf der inneren Oberfläche einer Frontplatte 10 ausgebildet ist, wodurch Farbbilder dargestellt werden.

Als Material der Lochmaske in einer Farbbildröhre wird allgemein ein niedrig gekohlter Al beruhigter Strahl, der als Hauptbestandteil Fe hoher Reinheit enthält, verwendet. Diese Auswahl wurde unter Berücksichtigung der Bearbeitbarkeit, der Festigkeit, der Kosten und ähnlichem getroffen.

Obwohl eine hervorragende Bearbeitbarkeit vorgegeben wird, ist eine Lochmaske 4 für Farbbildröhren nach dem Stand der Technik nachteilig, da ihre Farbreinheit aufgrund eines "doming" genannten Phänomens verschlechtert wird; im Betrieb einer Parbbildröhre gehen im allgemeinen nur 1/3 der gesamten Elektronenstrahlen durch die Öffnungen 5 der Lochmaske 4. Der Rest stößt gegen die Lochmaske 4 selbst, nicht gegen den Leuchtschirm, wodurch die Lochmaske 4 über 80°C aufgeheizt wird. Dadurch dehnt sich die Lochmaske 4 thermisch aus und wird thermisch beansprucht und die Elektronenstrahlen können nicht genau den Leuchtschirm treffen. Daher verschlechtert sich die Farbreinheit, wobei der sogenannte thermische Expansionskoeffizient des Al beruhigten Stahls, der als Rohmaterial für die Lochmasken verwendet wird, 1,2 * 10^-5/Grad bei 0-100°C beträgt. Dies ist ein ernstes Problem bei Lochmasken, die somit verbessert werden müssen.

Um mit den oben erwähnten Schwierigkeiten fertig zu werden,wurden Lochmasken aus beispielsweise einer Fe-Ni Invarlegierung (Fe-Ni 36%) hergestellt, die einen kleineren thermischen Expansionskoeffizient als der üblicherweise verwendete Al beruhigte Stahl aufweist, wobei die Lochmasken beispielsweise in den japanischen Offenlegungsschriften 25 446/1967, 58 977/1975 oder 68 650/1975 beschrieben sind.

Allerdings sind die Lochmasken aus der Invar- Legierung in ihren aseismatischen Eigenschaften schlechter als diejenigen aus Al beruhigtem Stahl. Diese Verschlechterung ist hauptsächlich auf den niedrigeren Elastizitätsmodul der Lochmaske selbst zurückzuführen, der durch die Eigenschaften des Rohmaterials und durch das Härteverfahren bei hohen Temperaturen, das zur Verbesserung der Formbarkeit der Lochmaske durchgeführt wird, bewirkt wird.

Zusätzlich zu dem ursprünglich niedrigen Elastizitäts modul der Invar-Legierung, der 14 000 kgf/mm² im Vergleich zu 20 000 kef/mm² von üblichem Al beruhigten Stahl beträgt, bewirkt die Härtung bei hohen Temperaturen zur Verbesserung der Formbarkeit der Lochmaske eine Veränderung bzw. Vergrößerung der Kristallkörner, wodurch weiterhin der Elastizitäts modul verkleinert wird.

Diese Verringerung des Elastizitätsmoduls verringert die Resonanzfrequenz und bewirkt sogenanntes Selbsttönen, ein Phänomen dahingehend, daß die Lochmaske selbst in Resonanz kommt und durch äußere Schwingungen der Geräusche von den Laut sprechern und so weiter vibriert, wenn sie in eine Farbbildröhre eingebaut wird. Dadurch entsteht eine Positionsabweichung zwischen den Öffnungen der Lochmaske und den Elektronenstrahlen, so daß die Farbreinheit verschlechtert wird. Dies war ein schwerwiegendes Hindernis, die Lochmasken für die praktische Verwendung zu benutzen, insbesondere da die Forderung nach höherer Qualität existiert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Lochmasken zur Verfügung zu stellen, das eine Verschlechterung der Farbreinheit der Lochmaske, die durch die thermische Expansion bei Temperaturerhöhungen und durch Mitschwingen der Lochmaske selbst beim Auftreten von externen Schwingungen bewirkt wird.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung einer Lochmaske folgende Schritte: Härten eines Lochmaskenkörpers bei einer vorgegebenen hohen Temperatur, wobei der Lochmaskenkörper durch Herstellen einer Anzahl von öffnungen in einer Metallplatte aus einer Fe-Ni- Legierung gebildet wird, Preßformen des gehärteten Lochmaskenkörpers, Ionen-Nitrieren der Oberfläche des preßgeformten Lochmaskenkörpers, Durchführen eines Schwärzungsvorganges für den ionennitrierten Lochmaskenkörper.

Die Verwendung einer Fe-Ni-Legierung mit niedriger thermischer Expansion als Rohmaterial für Loch masken nutzt die Eigenschaft der niedrigen thermischen Expansion, die der Legierung eigen ist, sehr gut aus, wodurch jedwede Verschlechterung der Farbreinheit durch thermische Ausdehnung bei höheren Temperaturen verhindert wird. Darüber hinaus verbessert die ionennitrierte Oberfläche der Fe-Ni-Legierung den Elastizitätsmodul, wodurch ebenfalls eine Verschlechterung der Farbreinheit durch Mitschwingen der Maske, wenn äußere Schwingungen wie diejenigen von den Lautsprechergeräuschen auftreten, verhindert wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Ziele der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung unter Heranziehung der Zeichnung näher erläutert und offensichtlich.

Fig. 1 ist ein Schnitt, der einen Hauptteil einer üblichen Farbbildröhre zeigt,

Fig. 2 ist eine graphische Kennlinie, die die Beweglichkeitsrate der Elektronenstrahlen ent sprechend der Ionen-NitrierungsverfahrenstemPeratur (°C) zeigt, wenn ein nichtionennitriertes Material als 100% angenommen wird,

Fig. 3 ist eine graphische Kennlinie, die die Vibrationsdämpfungszeitrate in Abhängigkeit der Ionennitrierungsverfahrenstemperatur (°C) zeigt, wenn ein nichtionennitriertes Material als 100% angenommen wird.

EineSchnittansicht einer nach der Erfindung dar gestellten Lochmaske ist grundsätzlich ähnlich zu der der üblichen Maske nach Fig. 1. Daher wird das vorliegende Verfahren unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert, wobei die Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauelemente wie diejenigen des Standes der Technik bezeichnen.

Ein Verfahren zur Herstellung dieser Lochmaske wird im folgenden erläutert. Der Lochmaskenkörper wird durch eine Platte gebildet, die aus einer Fe-Ni-Legierung mit Fe und Ni als Hauptverbindungen besteht und eine Anzahl von Öffnungen aufweist. Der Lochmaskenkörper ist bei einer hohen Temperatur gehärtet und druck- bzw. preßverformt. Dann wird nacheinander das Ionen-Nitrierungsverfahren und das übliche Schwärzungsverfahren auf seine Oberfläche angewandt.

Es wird auf ein Standardionen-Nitrierungsverfahren Bezug genommen. In einer Niederdruckstickstoff atmosphäre unter Beaufschlagung einer Gleichspannung zwischen einem Ofenkörper und dem betrachteten Material wird eine Glimmentladung erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Stickstoff ionisiert und emittiert Elektronen, wodurch Stickstoffionen entstehen, die in Richtung des die negative Elektrode bildenden betrachteten Materials wandern und dagegen stoßen. Folglich werden einige der Stickstoffionen direkt in das betrachtete Material implantiert, während einige von ihnen der Oberfläche Elektronen und Fe, C, 0, usw. entziehen. Somit werden extrahierte Fe-Atome mit atomähnlichem Stickstoff im durch die Glimmentladung erzeugten Plasma kombiniert, so daß nitriertes Eisen gebildet wird, das an der Oberfläche des betreffenden Materials adsorbiert wird.

Aufgrund der Erhöhung der Temperatur und der Ionen kollision an der Fläche des betrachteten Materials zerfällt das nitrierte Eisen anschließend in Nitride niedrigerer Ordnung. Ein Teil des Stickstoffs tritt und diffundiert in das Innere des betrachteten Materials ein, wodurch die Oberfläche des betrachteten Rohmaterials härter und der Elastizitätsmodul erhöht wird. Insbesondere verbessert dieser erhöhte Elastizitätsmodul die Steifigkeit der Lochmaske und verringert merkbar das durch externe Vibrationen, wie Lautsprechergeräusche, bewirkte Selbsttönen.

Ein derartiges bekanntes Nitrierverfahren war aber deshalb nachteilig, weil die auf der Oberfläche des betrachteten Materials gebildete Zusammensetzung üblicherweise spröde war und sehr viel Fertigkeit verlangt wurde, um die Dicke einer derartigen Oberflächenschicht zu kontrollieren. Bei dem erfindungsgemäßen Ionen-Nitrierverfahren dahingegen kann der Zustand der Oberflächenschicht mit einer guten Reproduzierbarkeit durch Regulieren einiger Faktoren während des Verfahrens gesteuert werden.

Das in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Roh material ist eine metallische Platte aus Fe-36% Ni (Invarlegierung) mit einer Dicke von 0,15 mm und den in der Tabelle 1 gezeigten Bestandteilen.

Um die Eigenschaften des Rohmaterials zu studieren, wurde es zuerst unter Vakuum bei 1150°C gehärtet. Danach wurde das Ionennitrierverfahren bei sechs verschiedenen Temperaturen, 380°C, 420°C, 450°C, 480°C, 580°C und 600°C durchgeführt bei jeweils einer Stunde Haltezeit, einem Verfahrens druck von 4 Torr,einem Verhältnis von N2 : H2 von 1 : 1. Die Härte und der Elastizitätsmodul des bearbeiteten Materials wurde zusammen mit einem nichtionennitrierten Material als Vergleichsbeispiel untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.

Aus dieser Tabelle 2 ist zu entnehmen, daß das Ionennitrierverfahren sowohl die Härte als auch den Elastizitätsmodul bei jeder Temperatur erhöht. Vor allem weist das bei 420°C behandelte Material eine um 2,5 mal größere Härte auf und der Elastizitäts modul ist ungefähr 20% größer als das nicht ionennitrierte Material.

Als nächstes wird eine Anzahl von Öffnungen in dem Material durch Photoätzen gebildet, das be trachtete Material bei 1150°C unter Vakuum gehärtet und dann druck- bzw. preßverformt, wobei seine Eigenschaften als Lochmaske untersucht wurden. Auch wurde das Ionennitrierverfahren bei den verschiedenen unterschiedlichen Temperaturen und den gleichen Bedingungen wie bei dem oben erwähnten Rohmaterial durchgeführt.

Tabelle 3 zeigt das Verhältnis der durch Selbst tönen gewanderten Elektronenstrahlen und der Dämpfungszeit der Vibrationen mit nichtbehandeltem Material als 100% einer Lochmaske, auf die das Schwärzungsverfahren in Dampfatmosphäre oder DX Gasatmosphäre bei 600°C angewandt wurde und die in eine aktuelle Farbbildröhre eingebaut ist, nachdem der Verformungsgrad der Lochmaske nach dem Beenden des Ionennitrierverfahrens geschätzt wurde.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Ionennitrier prozeßtemperatur (°C) und dem Verhältnis der gewanderten Elektronenstrahlen (%) und Fig. 3 in ähnlicher Weise die Beziehung zwischen der Ionennitrierprozeßtemperatur (°C) und dem Verhältnis der Schwingungsdämpfungszeit (%), wobei jeweils das nichtionennitrierte Material 100% ergibt.

Wie aus Tabelle 3 zu erkennen ist, wurden leichte Verformungen der Lochmaske bewirkt, die bei höheren Temperaturen ionennitriert wurden. Es gab im wesent lichen die gleichen Tendenzen wie beim Rohmaterial hinsichtlich des Verhältnisses der gewanderten Elektronenstrahlen und des Verhältnisses der Schwingungsdämpfungszeit. Die Minima beider Verhältnisse wurde bei der bei 420°C behandelten Lochmaske gefunden, wobei der unerwünschte Einfluß des Selbsttönens wesentlich verringert wurde.

Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel wird die Oberfläche der aus einer Fe-Ni Legierung als Rohmaterial geformten Lochmaske ionennitriert, um seine Steifigkeit zu verbessern und um das beste aus den niedrigen thermischen Expansions eigenschaften zu machen, die der als Rohmaterial verwendeten Legierung inhärent sind. Folglich erhält die Lochmaske eine Eigenschaft der ver ringerten thermischen Expansion, wodurch eine Farbbildröhre mit einer minimalen Farbreinheit verschlechterung aufgrund von thermischer Ausdehnung beim Aufheizen oder aufgrund von äußeren Schwingungen, wie durch die Lautsprechergeräusche, realisiert werden kann.

Während darüber hinaus andere Beschichtungsverfahren, wie Plattieren oder Dampfabscheidung abhängig von den Beschichtungsarten bei den Schritten des Ätzens oder des Schwärzungsverfahrens Probleme mit sich bringen können, kann bei der vorliegenden Erfindung das betrachtete Material ohne Probleme geätzt oder geschwärzt werden, genau wie das Rohmaterial, da seine Oberfläche nicht mit irgend welchen anderen Materialien beschichtet wird.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wurde die beste Wirkung bei 420°C erzielt. Allerdings sollte die Verfahrenszeit abhängig von der Halte zeit, dem Verfahrensdruck, der Verfahrensatmosphäre oder der Verfahrenstemperatur (melanism-processing temperature) gewählt werden. Entsprechend den Versuchen können Lochmasken mit ausgezeichneten Eigenschaften durch Auswahl der Ionennitrierverfahrenstemperatur im Bereich von 350-500°C hergestellt werden.

Neben der Invarlegierung können andere Fe-Ni- Legierungen als Material für eine Lochmaske entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Wie oben beschrieben, ist nach der vorliegenden Erfindung die Oberfläche einer aus einer Fe und Ni als Hauptbestandteile enthaltenden Legierung hergestellten Lochmaske ionennitriert. Als Folge kann die durch die thermische Verformung und durch die Resonanz der Maske selbst bewirkte Verschlechterung der Farbreinheit verhindert werden, wodurch eine hervorragende Lochmaske für eine stark verbesserte CRT realisiert werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Lochmaske mit folgenden Schritten:

a) Härten bei einer vorbestimmten hohen Temperatur eines Lochmaskenkörpers, der durch Bilden einer Anzahl von Öffnungen in einer aus einer Fe-Ni-Legierung bestehenden metallischen Platte geformt wird,
b) Druckverformen des gehärteten Lochmasken körpers,
c) Ionennitrieren der Oberfläche des druck verformten Lochmaskenkörpers,
d) Durchführen eines Schwärzungsprozesses auf den ionennitrierten Lochmaskenkörper.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Platte aus einer Fe-Ni (36%)- Legierung oder Invarlegierung besteht und eine Dicke von weniger als 0,15 mm aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Härtungsprozeß unter Vakuum bei einer Temperatur von ungefähr 1150°C ausgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwärzungsverfahren bei einer Temperatur von ungefähr 600°C in Dampfatmosphäre oder DX-Gasatmosphäre durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nitrierverfahren bei einer Temperatur von ungefähr 420°C durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionennitrierverfahren bei einer Temperatur im Bereich von 350°C-500°C durchgeführt wird.