DE10146301C1 - Verfahren zur Herstellung eines Metallbandes aus einer Eisen-Nickel-Legierung für gespannte Schattenmasken - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bandes aus einer Eisen-Nickel-Legierung für gespannte Schattenmasken zum Einsatz in flachen Monitoren und Bildschirmen, wobei das aus einer chemischen Zusammensetzung (in Masse-%) 35-38% Ni, 0,4-0,8% Mo, 0,1-0,3% Cr, 0,08-0,12% C, max. 1% Mn, max. 1% Si, max. 1% Nb, Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreindigungen bestehende Band im Anschluß an eine Kaltwalzung an Enddicke einer Durchlauf- oder Haubenglühung in einem vorgebbaren Temperaturbereich unterzogen wird, bei welchen die Koerzitivfeldstärke H¶c¶ nach ihrem steilen Abfall gerade den niedrigsten Wert annimmt und bei Erhöhung der Glühtemperatur im wesentlichen unverändert bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbandes aus einer Eisen-Nickel-Legierung für gespannte Schattenmasken, zum Einsatz in flachen Monitoren und Bildschirmen.

Eisenbasislegierungen mit etwa 36% Nickel werden aufgrund ihrer kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 100°C bereits seit einigen Jahren für geformte Schattenmasken in Monitoren und Fernsehgeräten verwendet. Technische Eisen-Nickel-Legierungen mit etwa 36% Nickel weisen im Temperaturbereich von 20 bis 100°C, wie sie in herkömmlichen Bildschirmröhren vorherrschen, im weichgeglühten Zustand einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 1,2 und 1,8 × 10^-6/K auf, wie dies im Stahl- Eisen-Werkstoffblatt (SEW-385, Ausgabe 1991) bezeichnet ist.

Für geformte Schattenmasken sind auch weiterentwickelte Werkstoffe mit etwa 36% Nickel im Einsatz, die kleinere Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 bis 100°C zwischen 0,6 und 1,2 × 10^-6/K erreichen.

Mit der Entwicklung von immer größeren und besonders flachen Bildschirmen verfolgen Hersteller von Bildschirmröhren neben der Technologie der geformten Schattenmasken auch die der gespannten Schattenmasken. Im letzteren Fall wird die Schattenmaske, die aus einer dünnen Eisen-Nickel-Folie mit etwa 36% Nickel geätzt wird, so auf einen massiven Metallrahmen mit einem Schweißverfahren befestigt, dass diese unter Spannung und hiermit in Form gehalten wird. Der Verbund aus Rahmen und Schattenmaske wird einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der eine Oxidschicht erzeugt wird, die für die Farbbildröhre vorteilhaft ist. Die bislang verwendeten Bänder für gespannte Schattenmasken werden in einem Kaltwalzprozeß an die Enddicke gefertigt. Dies hat zur Folge, dass die hieraus gefertigten Schattenmasken eine große magnetische Koerzitivfeldstärke Hc aufweisen. Bei der bisherigen Verfahrensweise muss daher der Bildschirmröhrenhersteller die Temperatur der Wärmebehandlung relativ hoch wählen, damit die magnetische Koerzitivfeldstärke Hc auf einen relativ kleinen Wert um etwa 400 A/m reduziert wird und die notwendige Wirkung zur Schirmung der Elektronenstrahlen gegenüber dem störenden Einfluss des Erdmagnetfeldes erreicht wird. Es zeigt sich nun, dass die Wärmebehandlung bei Verwendung einer deswegen hoch gewählten Temperatur, die im Bereich zwischen etwa 550 und 650°C liegt, unter der Last, die auf die gespannte Schattenmaske wirkt, es zu einer relativ großen Kriechdehnung von z. B. etwa 0,6% bei einer Prüflast von 138 MPa kommt. Dies kann zur Folge haben, dass die Schattenmaske nach ihrer der Wärmebehandlung folgenden Abkühlung die Spannung und somit die notwendige mechanische Stabilität und Form verliert. Außerdem kommt erschwerend hinzu, dass bei sehr großen Bildschirmen die Fläche der Schattenmaske ebenfalls sehr groß ist. Es zeigt sich, dass die magnetische Koerzitivfeldstärke Hc bei sehr großen Schattenmasken noch deutlich kleiner als 400 A/m sein muss, damit die Bahnen der Elektronenstrahlen gegen Störungen durch das Erdmagnetfeld wirksam abgeschirmt werden.

In der DE-A 199 44 578 ist eine Eisen-Nickel-Legierung beschrieben, die u. a. Gehalte (in Masse-%) an Ni von 35 bis 38%, Mo von 0,4 bis 0,8%, Cr von 0,1 bis 0,3%, C von 0,08 bis 0,12% sowie Mn von max. 1%, Si von max. 1% und Nb von max. 1% aufweist. Diese Legierung weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 1,5 × 10^-6/K im Temperaturbereich 20 und 100°C auf.

Der DE-A 36 42 205 ist ein Schattenmaskenwerkstoff und eine Schattenmaske zu entnehmen. Der Werkstoff besteht im wesentlichen aus 0,10% oder weniger C, 0,30% oder weniger Si, 0,30% oder weniger Al, 0,1 bis 1% Mn, 34,0 bis 38,0% Ni, 0,01 bis 1,0% eines oder mehrerer zusätzlicher Elemente aus der aus Ti, Zr, B, Mo, Nb, N, P, Cu, V, Mg, Co und W bestehenden Gruppe, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen. Diese Legierung kann hergestellt werden, indem die Zusammensetzung in einem Elektroofen oder Konverter geschmolzen wird, worauf durch externes Feinen eine Einstellung der Zusammensetzung erfolgt. Kaltgewalzte Bleche können unter Wasserstoff etwa 10 Minuten bei 1100°C geglüht werden. Bezüglich der Koerzitivfeldstärke H_c ist in dieser Druckschrift nichts ausgeführt.

Durch die DE-A 30 02 743 ist eine verbesserte Invarlegierung bekannt geworden, bestehend aus ca. 36% Ni, wobei der Rest auf Eisen entfällt und gegebenenfalls aus bis zu 0,1% C, bis zu 0,3% Si, bis zu 0,5% Mn, bis zu 0,025% P, bis zu 0,025% S, bis zu 0,5% Co, bis zu 0,5% Cr, bis zu 0,5% Mo und bis zu 0,02% Al als zulässige Zusätze und/oder Verunreinigungen enthält. Proben wurden im Vakuum in einem Hochfrequenzofen mit einem Fassungsvermögen von 10 kg geschmolzen und vergossen. Jedes Gußstück wurde bei ca. 1150°G geschmiedet und nach erneuter Wärmebehandlung und Kaltbehandlung zu Blechen mit einer vorgegebenen Dicke geformt. Danach wurden die Bleche einer endgültigen Wärmebehandlung bei 800°C während 10 Minuten unterzogen. Die so erzeugten Bleche sollen bevorzugt für den Bau von Containern und Ausrüstungen eingesetzt werden, wobei die Beständigkeit des Gefüges in einem Temperaturbereich von bis zu -162°C ohne Verlust der Zähigkeit bei dieser Temperatur gegeben sein soll. Auch hier ist kein Bezug zur Koerzitivfeldstärke H_c insbesondere für Schattenmasken gegeben.

Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, ein alternatives Verfahren bereitzustellen, mit dem man unter Verwendung einer geeigneten Eisen-Nickel-Legierung ausreichend niedriger Wärmeausdehnung gespannte Schattenmasken mit sowohl einer deutlich kleineren Koerzitivfeldstärke als auch einer deutlich kleineren Kriechdehnung erreichen kann.

Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bandes aus einer Eisen-Nickel-Legierungen für gespannte Schattenmasken zum Einsatz in flachen Monitoren und Bildschirmen, wobei das aus einer chemischen Zusammensetzung (in Masse-%) 35-38% Ni, 0,4-0,8% Mo, 0,1-0,3% Cr, 0,08-0,12% C, max. 1% Mn, max. 1% Si, max. 1% Nb, Rest Fe sowie herstellungsbedingten Verunreinigungen bestehende Band im Anschluß an eine Kaltwalzung an Enddicke einer Durchlauf- oder Haubenglühung in einem Temperaturbereich von 600-1100°C und einem Zeitfenster von 10 s bis 4 h unterzogen wird, bei welchem die Koerzitivfeldstäke Hc nach ihrem steifen Abfall gerade den niedrigsten Wert annimmt und bei Erhöhung der Glühtemperatur im wesentlichen unverändert bleibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die im Stand der Technik gemäß DE-A 199 44 578 angesprochene Legierung ist geeignet mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet zu werden, um die gewünschten Parameter zu erreichen. Gegenüber dem allgemeinen Stand der Technik wird ein alternatives Herstellverfahren bereitgestellt, mit welchem zur Erzeugung gespannter Schattenmasken Koerzitivfeldstärken < 100 A/m und eine Kriechdehnung < 0,1% bei vorgebbaren Prüfbedingungen, wie z. B. bei 1 h und 460°C sowie einer Last von 138 MPa erreichbar sind.

Die darüber hinaus für die Anwendung als Band für eine gespannte Schattenmaske erforderlichen technologischen Eigenschaften können insbesondere mit dieser Eisen-Nickel-Legierung mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erzielt werden.

Die beschriebene Eisen-Nickel-Legierung wird in einem Lichtbogenofen erschmolzen und in Form von Blöcken gegossen. Nach den Warmwalzprozessen von Block an Bramme sowie von Bramme an Warmband der Dicke von etwa 4,0 mm wird dieses in mehreren Kaltwalzprozessen und dazwischen durchgeführten Wärmebehandlungen im Durchlaufverfahren an Kaltband der gewünschten Enddicke gefertigt. Bis zu diesem Zustand entspricht das Fertigungsverfahren dem Stand der Technik.

In diesem kaltverformten Zustand beträgt die Koerzitivfeldstärke Hc etwa 600 A/m, die an der auf dem Rahmen gespannten Schattenmaske mit einer Schwärzungsglühung nur auf etwa 400 A/m abgesenkt werden kann, ohne dass die Schattenmaske ihre Spannung während dieser Schwärzungsglühung verliert.

Das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren setzt am kaltgewalzten Zustand des Bandes der Eisen-Nickel-Legierung an. Das an Enddicke gewalzte Band der Eisen-Nickel-Legierung wird vor dem Ätzverfahren zur Schattenmaske einer Wärmebehandlung entweder im Durchlaufofen oder in einem Haubenofen unterzogen. Hierbei wird der Temperaturbereich bzw. die Temperatur verwendet, bei der die Koerzitivfeldstärke Hc nach ihrem steilen Abfall gerade den niedrigsten Wert annimmt und bei Erhöhung der Glühtemperatur nahezu unverändert bleiben würde. Vorzugsweise kommt ein Temperaturbereich von 750-850°C zur Anwendung.

Im Fall der beschriebenen Eisen-Nickel-Legierung, aber auch bei anderen Eisen- Nickel-Legierungen im Stande der Technik sind nach einer derartigen Glühbehandlung Koerzitivfeldstärken unterhalb von etwa 100 A/m erreichbar.

Die optimale Glühtemperatur ist neben der Verweildauer sowohl von der chemischen Zusammensetzung der verwendeten Eisen-Nickel-Legierung als auch von dem vor der Glühbehandlung eingesetzten letzten Kaltumformungsgrad abhängig.

Überraschenderweise erzielt das erfindungsgemäß geglühte Band der beschriebenen Eisen-Nickel-Legierung unter der Prüfbedingung 1 h bei 460°C mit einer Last von 138 MPa, welche als Simulation einer ausreichenden Schwärzungsglühung einer auf einen Rahmen gespannten Schattenmaske entspricht, eine sehr kleine Kriechdehnung < 0,1%. Ein unter Umständen notwendiger weiterer Prozeßschritt zur Planheitsverbesserung erhöht die Koerzitivfeldstärke nur geringfügig, so dass ein Wert kleiner als 200 A/m beibehalten wird.

Hiermit wird ein Fertigungsverfahren bereitgestellt, welches die Herstellung von Band aus einer Eisen-Nickel-Legierung für gespannte Schattenmasken ermöglicht, die in großformatigen Flachbildschirmen eingesetzt werden können. Es bietet den Bildschirmröhrenherstellern erhebliche Vorteile, weil mit diesem Fertigungsverfahren bereits vor dem Ätzprozeß der Schattenmaskenherstellung eine kleinere Koerzitivfeldstärke und somit ein besseres magnetisches Verhalten eingestellt wird, als bisher auch durch eine besondere Wärmebehandlung im Verbund von Rahmen und gespannter Schattenmaske bei höherer Temperatur nicht möglich war. Dies führt einerseits auf der technologischen Seite zu besseren Eigenschaften, aber auch zu einer sicheren und einfacheren Röhrenherstellung, da keine zusätzliche Wärmebehandlung zu den üblichen Wärmebehandlungen in der weiteren Prozeßkette erforderlich ist.

Eine Eisen-Nickel-Legierung der beispielhaften chemischen Zusammensetzung (in Masse-%) von 0,087% C, 0,0008% S, 0,001% N, 0,18% Cr, 36,40% Ni, 0,14% Mn, 0,10% Si, 0,62% Mo, 0,01% Ti, 0,05% Nb, 0,01% Cu, 0,002% P, 0,001% Al, < 0,001% Mg, 0,01% Co, Rest Eisen erzielt an Band, welches mit einem Umformungsgrad von 50% an die Dicke 0,10 mm gewalzt und im Durchlaufofen mit einer Verweildauer von 45 s bei 800°C geglüht wurde, eine Koerzitivfeldstärke Hc von 72 A/m sowie eine Kriechdehnung von 0,037% bei der Prüfbedingung von 1 h bei 460°C und einer Last von 138 MPa.

Dieses Herstellungsverfahren zur Erzielung von sehr kleinen magnetischen Koerzitivfeldstärken bei verbesserter Kriechfestigkeit kann ebenso auf Bandmaterial aus Eisen-Nickel-Legierungen für gespannte Schattenmasken angewendet werden, deren chemische Zusammensetzungen dem Stand der Technik entsprechen. Der Fachmann wird die geeignete Analyse dem Anwendungsfall anpassen.

Die gewünschten Eigenschaften werden vorteilhafterweise dann erreicht, wenn die Glühung im Bereich der Rekristallisationstemperatur erfolgt. Die Rekristallisationstemperatur (ober besser die Temperatur, bei der gerade der niedrigste Hc-Wert erzielt wird) ist hierbei abhängig vom Umformungsgrad und von der Verweildauer. Die notwendige Glühdauer richtet sich nach der Glühtemperatur oder umgekehrt, d. h. es können verschiedene Parametersätze bei unterschiedlichen Werkstoffen gegeben sein, um das Ziel zu erreichen. Im allgemeinen kann ein Temperaturbereich zwischen 600 und 1100°C sowie eine Verweildauer von 10 s bis 4 h angesetzt werden.

Eine weitere Ergänzung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sieht vor, dass das Band der Eisen-Nickel-Legierung unter Zug im Durchlaufofen wärmebehandelt oder als unter Zug aufgewickeltes Coil im Haubenofen geglüht wird. Hiermit wird ein mechanisches Kriechen bereits während des Herstellungsverfahrens vorweggenommen und somit die verbleibende Kriechdehnung, die bei der späteren Wärmebehandlung unter Last frei werden würde, deutlich reduziert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Vorwegnahme eines mechanischen Kriechens bereits während des Herstellungsverfahrens und somit Reduzierung der verbleibenden Kriechdehnung, die bei der folgenden Wärmebehandlung unter Last frei werden würde, indem das Band einer Eisen- Nickel-Legierung unter Zug im Durchlaufofen wärmebehandelt oder als unter Zug aufgewickeltem Coil im Haubenofen geglüht wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines Bandes aus einer Eisen-Nickel-Legierungen für gespannte Schattenmasken zum Einsatz in flachen Monitoren und Bildschirmen, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einer chemischen Zusammensetzung (in Masse-%) 35-38% Ni, 0,4-0,8% Mo, 0,1-0,3% Cr, 0,08-0,12% C, max. 1% Mn, max. 1% Si, max. 1% Nb, Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen bestehende Band im Anschluß an eine Kaltwalzung an Enddicke einer Durchlauf- oder Haubenglühung in einem Temperaturbereich von 600-1100°C und einem Zeitfenster von 10 s bis 4 h unterzogen wird, bei welchem die Koerzitivfeldstäke H_c nach ihrem steilen Abfall gerade den niedrigsten Wert annimmt und bei Erhöhung der Glühtemperatur im wesentlichen unverändert bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf der Glühbehandlung im Band eine Koerzitivfeldstärke < 100 A/m eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf der Glühbehandlung im Band eine Kriechdehnung < 0,1% unter der Prüfbedingung 1 h bei 460°C und einer Last von etwa 138 MPa eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Band unter Zugspannung einer Durchlaufglühung unterzogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Band im aufgewickelten Zustand unter Zugspannung im Haubenofen geglüht wird.