DE102004062945B3

DE102004062945B3 - Plattiertes Kaltband, Verwendung eines solchen Kaltbands und eine aus einem solchen Kaltband hergestellte Schattenmaske

Info

Publication number: DE102004062945B3
Application number: DE102004062945A
Authority: DE
Inventors: Yun Dr.-Ing. Lan; Jörg Schumacher; Peter Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Mager
Original assignee: Wickeder Westgalenstahl GmbH
Current assignee: Wickeder Westgalenstahl GmbH
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-12-29
Also published as: JP2006188764A; KR20060076753A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein plattiertes Kaltband (1) mit einer aus einem weichen Stahlwerkstoff gebildeten Mittellage (2), auf deren einander gegenüberliegenden Oberflächen (O) jeweils eine aus einer Invar-Legierung gebildete Außenlage (3, 4) aufgebracht ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß gilt für das Verhältnis Da/Di der von den Außenlagen (3, 4) jeweils eingenommenen Dicke Da zur von der Mittellage (2) eingenommenen Dicke Di: DOLLAR A 0,05 Da/Di < 0,15. DOLLAR A Aufgrund seiner besonderen Eigenschaftskombination ist ein derart beschaffenes plattiertes Stahlmaterial besonders für die Herstellung von Schattenmasken für Bildröhren geeignet. Es weist eine Festigkeit auf, die es ihm ermöglicht, die im Einbauzustand einer Schattenmaske jeweils wirkenden Spannungen sicher aufzunehmen. Ebenso gewährleisten die außenseitig aufgebrachten Invar-Auflagen trotz ihrer im Verhältnis zur Mittellage geringen Dicke ein Wärmeausdehnungsverhalten, das dem einer aus einer reinen Invar-Legierung erzeugten Flachmaterial nahe kommt.

Description

Die Erfindung betrifft ein plattiertes Kaltband, eine Verwendung eines solchen Kaltbands und eine aus einem solchen Kaltband hergestellte Schattenmaske für Bildröhren.

Bildröhren von Fernsehern, Computermonitoren oder dergleichen werden mit so genannten "Schattenmasken" bestückt, die in der Fachsprache auch als "Loch-, Schlitz- oder Grillmasken" bezeichnet werden. Diese Masken bestehen üblicherweise aus einem 0,05 bis 0,2 mm dicken Stahlblech und sind mit einer Vielzahl von regelmäßig angeordneten Löchern oder Schlitzen versehen. Ihre Funktion besteht darin, den Kathodenstrahl der Bildröhre vor seinem Auftreffen auf die rotes, blaues oder grünes Licht emittierenden Beschichtungen des Bildschirms zu begrenzen. Auf diese Weise kann ein Bild von großer Abbildungsschärfe und hohem Kontrast auf dem für den Betrachter sichtbaren Schirm erzeugt werden. Darüber hinaus schirmen die Masken die Bildröhre gegen äußere magnetische Einflüsse ab und verhindern gleichzeitig das Austreten von übermäßiger Elektronenstrahlung in die Umgebung.

Um eine wirkungsvolle Abschirmung zu gewährleisten, werden die Masken in der Regel aus einem Kaltband hergestellt, dass aus einem weichmagnetischen, unlegierten und kohlenstoffarmen Stahl besteht, der mit Cr angereichert und aluminiumberuhigt ist. In dieses Band oder in einen aus dem Band gewonnenen Blechzuschnitt werden dann die Lochungen oder Schlitze in einem Photoätzverfahren eingeformt.

Beim Photoätzen wird zunächst eine Lackschicht auf das zu ätzende Substrat aufgebracht, die an den Stellen, an denen die Löcher erzeugt werden sollen, Öffnungen aufweist. Anschließend wird das derart beschichtete Substrat in ein Ätzbad gegeben, in dem durch das Ätzmittel das Substratmaterial im Bereich der Stellen abgetragen wird, die nicht von der Lackschicht abgedeckt sind.

Für die Montage in einer Bildröhre werden geschlitzte Masken üblicherweise in einen Rahmen eingebracht, der die dünnen, stegartigen Schlitzbegrenzungen unter einer mechanischen Spannung straff hält. Gelochte Masken werden nach einer rekristallisierenden Glühung durch Tief- und Streckzug zu einem ausreichend eigensteifen Bauteil verformt, das ohne einen Rahmen direkt in die Röhre eingebaut werden kann.

Hintergrund des Aufspannens der Masken in einen Rahmen oder die Umformung zu einem eigensteifen Bauteil ist, dass die Masken auch unter den im eingebauten Zustand wirkenden hohen Spannkräften eine hohe Formhaltigkeit aufweisen, um eine optimale Abbildungsschärfe zu erzielen. So müssen die Schattenmasken auch unter dem Wärmeeinfluss, dem sie beim Betrieb der Bildröhre ausgesetzt sind, ihre Form beibehalten. Im Betrieb auftretende übermäßige wärmebedingte Verformungen führen wegen der dann nicht mehr einwandfreien Abbildung der Farbpunkte zu einer Farbverschiebung und Unschärfe bei der Darstellung des Bildes auf dem Bildschirm der Bildröhre.

Masken, die aus den voranstehend erwähnten aluminiumberuhigten Stählen bestehen, haben den Vorteil, dass sie besonders preisgünstig hergestellt werden können und den Spannungen, denen sie im Einbauzustand ausgesetzt sind, in der Regel ausreichend gut standhalten. Diesen Vorteilen steht allerdings der Nachteil gegenüber, dass Al-beruhigte Stähle sich bei Erwärmung so stark ausdehnen, dass aus ihnen hergestellte Schattenmasken gesteigerten Anforderungen an die Abbildungstreue nicht gerecht werden.

Um diesem Problem abzuhelfen, ist vorgeschlagen worden, Schattenmasken für Bildröhren aus einer ausdehnungsarmen Eisen-Nickel-Legierung herzustellen ( EP 0 626 462 B1 ). Derartige Eisen-Nickel-Legierungen mit Nickel-Gehalten von mindestens 34 Gew.-% sind unter dem Stichwort "Invar-Legierungen" bekannt und zeichnen sich durch einen extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus. Ihre Festigkeit entspricht der von üblichen nicht rostenden Stählen und reicht aus, um den im Einbauzustand der Schattenmasken wirkenden Spannungen sicher standzuhalten. Aufgrund des hohen Nickel-Anteils sind aus Invar-Legierungen hergestellte Schattenmasken jedoch teuer, so dass sie sich unter den gegebenen Marktbedingungen nur in hochwertigen Fernsehgeräten mit entsprechender Wertschöpfung vermarkten lassen.

In der JP 62-082631 A ist vorgeschlagen worden, zur Herstellung von Schattenmasken für Bildröhren ein dreilagiges plattiertes Kaltband zu verwenden, dessen Mittellage aus einem weichen Stahl und dessen Außenlagen jeweils aus einer Invar-Legierung mit einem Nickelanteil von 36 Gew.-%, Rest Eisen und Verunreinigungen, bestehen. Das Verhältnis des Volumens bzw. der Dicke der Mittellage zum Volumen bzw. zur Dicke jeweils einer Außenlage soll dabei zwischen 0,15 und 0,5 liegen, um einerseits ein für das Ertragen der im Einbauzustand wirkenden Kräfte ausreichend hohes E-Modul des plattierten Blechs zu gewährleisten und andererseits eine ausreichend geringe Wärmeausdehnung zu garantieren.

Ein gemäß der JP 62-082631 A beschaffenes plattiertes Blech weist zwar eine gute Eigenschaftskombination auf. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass die Abbildungsschärfe von aus solchem Blech hergestellten Schattenmasken den von den Verwendern gestellten Anforderungen nicht entspricht.

Ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein kostengünstiges Stahlmaterial zu schaffen, das eine Eigenschaftskombination aufweist, welche es für die Verwendung als Werkstoff für die Herstellung von Schattenmasken für hochwertige Bildröhren besonders geeignet macht. Ebenso sollte eine kostengünstig herstellbare Schattenmaske angegeben werden, die den gesteigerten Anforderungen an die Abbildungsschärfe und -treue gerecht wird.

In Bezug auf das Stahlmaterial ist diese Aufgabe durch ein plattiertes Kaltband mit einer aus einem weichen Stahlwerkstoff gebildeten Mittellage gelöst, auf deren einander gegenüberliegenden Oberflächen jeweils eine aus einer Invar-Legierung gebildete Außenlage aufgebracht ist, wobei für das Verhältnis Da/Di der von den Außenlagen jeweils eingenommenen Dicke Da zur von der Mittellage eingenommenen Dicke Di gilt: 0,05 ≤ Da/Di < 0,15.

Die Erfindung macht sich die aus der JP 62-082631 A bekannte Erkenntnis zu Nutze, gemäß der ein dreilagiges plattiertes Band oder Blech, bei dem auf ein weiches Stahlsubstrat ein hochfester Invar-Werkstoff aufgebracht ist, für die Herstellung von Schattenmasken besonders geeignet ist. Im Gegensatz zu diesem Stand der Technik schlägt die Erfindung jedoch vor, die Dicke Da der Außenlage im Verhältnis zur Dicke Di der Mittellage des erfindungsgemäßen Kaltwalzproduktes so zu wählen, dass das Dickenverhältnis Da/Di in einem Bereich liegt, der unter dem im Stand der Technik vorgegebenen liegt.

Überraschend hat sich herausgestellt, dass, anders als von der Fachwelt bisher angenommen, auch ein in dieser Weise ausgebildetes plattiertes Kaltband oder -blech eine Festigkeit aufweist, die es ihm ermöglicht, die im Einbauzustand einer Schattenmaske jeweils wirkenden Spannungen sicher aufzunehmen. Ebenso gewährleisten die außenseitig aufgebrachten Invar-Auflagen bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Kaltband oder -blech trotz ihrer im Verhältnis zur Mittellage geringen Dicke ein Wärmeausdehnungsverhalten, das dem einer aus einer reinen Invar-Legierung erzeugten Flachmaterial nahe kommt. So können für erfindungsgemäßes Kaltband bzw. -blech in Längsrichtung Wärmeausdehnungskoeffizienten garantiert werden, die im Temperaturbereich von 20 – 100 °C höchstens 10,5 10^–6K^–1 betragen.

Neben diesen Vorzügen besteht der für die Praxis wesentliche Erfolg der Erfindung jedoch darin, dass sich in erfindungsgemäße Bänder oder Bleche präzise geformte Öffnungen, wie kreisrunde oder schlitzförmige Löcher, durch Ätzen einbringen lassen. Praktische Versuche haben ergeben, dass sich in ein erfindungsgemäßes dreilagiges Kaltband durch Photoätzen Öffnungen einformen lassen, deren Form nur minimal von der Form der in der Lackschicht vorgegebenen Öffnungen abweicht und die durch die Öffnungen der Lackschicht vorgegebenen Verläufe der Ränder und Eckbereiche der in das erfindungsgemäße Substrat eingebrachten Öffnungen scharfkantig und exakt abgebildet sind. So kann bei Verwendung eines erfindungsgemäßen plattierten Kaltbands oder -blechs für die Herstellung von Schattenmasken eine mindestens 95 % betragende Übereinstimmung zwischen der Form der Lackschichtöffnungen und der in das Kaltband eingeätzten Öffnung gewährleistet werden.

Aufgrund des günstigen Verhältnisses der Dicken der Invar-Stahl-Außenlagen zur aus Al-beruhigtem Stahl bestehenden Mittellage ist erfindungsgemäß plattiertes Kaltband oder -blech trotz des zusätzlichen Arbeitsschritts des Plattierens deutlich kostengünstiger als aus einer reinen Invar-Legierungen bestehende Bleche oder Bänder.

Dementsprechend steht mit der Erfindung ein kostengünstiges Stahlmaterial zur Verfügung, das eine Eigenschaftskombination aufweist, welche es für die Verwendung als Werkstoff für die Herstellung von Schattenmasken für hochwertige Bildröhren besonders geeignet macht.

Schattenmasken, die aus erfindungsgemäßem Kaltband oder -blech hergestellt sind, bilden aufgrund der Präzision der in sie eingeformten Schlitze bzw. Löcher ein optimales Abbildungsverhalten, das auch den in der Praxis laufend steigenden Anforderungen sicher gerecht wird. Der geringe Wärmeausdehnungskoeffizient erfindungsgemäßer Bleche und Bänder stellt dabei sicher, dass die günstigen Abbildungseigenschaften auch unter dem Einfluss der im Betrieb einer Bildröhre entstehenden Wärme erhalten bleiben.

Besonders sicher lässt sich der Erfolg der Erfindung gewährleisten, wenn das Verhältnis Da/Di ≤ 0,12 ist. Praktische Erprobungen haben gezeigt, dass auch mit derart dünnen Invar-Außenlagen versehene erfindungsgemäße Bänder oder Bleche eine Festigkeit aufweisen, die ausreicht, um den im Einbauzustand auftretenden Spannungen im Wesentlichen verformungsfrei zu widerstehen.

Für die Fachwelt überraschend hat sich gezeigt, dass sich eine besonders präzise Formgebung der in das erfindungsgemäße Kaltband oder -blech einzubringenden Öffnungen dann einstellt, wenn die Außenlagen im walzharten Zustand auf die Mittenlage aufplattiert sind. Dieser Effekt lässt sich insbesondere dann nutzen, wenn die Außenlagen eine kristallografische Textur aufweisen, bei der die Würfellage [100] zu mindestens 80 %, insbesondere zu mindestens 90 %, vorliegt.

Dabei lassen sich erfindungsgemäße Flachprodukte trotz der relativ hohen Verfestigung ihrer Außenlagen aufgrund des günstigen Dickenverhältnisses Di/Da erforderlichenfalls immer noch ausreichend gut zu einem Bauteil verformen.

Als kostengünstig erhältliches Material für die Mittenlage lässt sich in an sich bekannter Weise ein aluminiumberuhigter Stahl verwenden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen jeweils ausschnittsweise:
1 ein plattiertes Kaltband in einem Längsschnitt;
2 das plattierte Kaltband gemäß 1 nach dem Auftrag einer Lackschicht in einer Ansicht von oben;
3 das plattierte Kaltband gemäß 1 nach dem Ätzen in einer Ansicht von oben;
4 ein aus einem aluminiumberuhigten Stahl erzeugtes Blech nach dem Ätzen in einer Ansicht von oben.
Das in an sich bekannter Weise durch Walzplattieren erzeugte plattierte Kaltband 1 weist eine Mittellage 2 auf, die aus einem aluminiumberuhigten Stahl mit (in Gew.-%) bestand:
Tabelle 1
Auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen der Mittellage 2 ist jeweils eine bestehende Außenlage 3, 4 aufgewalzt worden, die aus einer Invar-Legierung mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-%) bestand:
Tabelle 2
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel A1 wies das Kaltband 1 eine Gesamtdicke D von 0,120 mm auf, während bei einem zweiten Ausführungsbeispiel A2 die Dicke D des Kaltbands 1 0,220 mm betrug. Der Anteil des der Dicke Da jeder der Außenlagen 3, 4 an der Gesamtdicke D betrug jeweils 6,06 %. Beim Ausführungsbeispiel A1 lag das Verhältnis Da/Di der Dicke Da einer Außenlage 3, 4 zur Dicke Di der Mittellage dementsprechend bei 0,11, während es beim Ausführungsbeispiel A2 0,06 betrug.
Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der bei den Ausführungsbeispielen A1 und A2 untersuchten Kaltbänder 1 sind in der nachfolgenden Tabelle 3 angegeben. Dabei sind für die jeweiligen Beispiele A1, A2 jeweils die Streckgrenze R_p0,2, die Zugfestigkeit R_m, die Dehnung A₈₀ und die Rauhigkeit Ra für ein gemäß Ausführungsbeispiel A1 ausgebildetes Kaltband mit ungebürsteten Außenflächen, ein gemäß Ausführungsbeispiel A1 ausgebildetes Kaltband mit gebürsteten Außenflächen, ein gemäß Ausführungsbeispiel A2 ausgebildetes Kaltband, das dressiergewalzt worden ist, und ein gemäß Ausführungsbeispiel A2 ausgebildetes Kaltband angegeben, das dressiergewalzt und anschließend geglüht worden ist.
Tabelle 3
In Tabelle 4 sind die für die Kaltbänder der Ausführungsbeispiele A1 und A2 ermittelten Wärmeausdehnungskoeffizienten den Wärmeausdehnungskoeffizienten gegenüber gestellt, die für ein aus dem in Tabelle 1 angegebenen aluminiumberuhigten Stahl erzeugtes Kaltband V1 und aus der in Tabelle 2 angegebenen Invar-Legierung hergestelltes Kaltband V2 ermittelt worden sind. Es zeigt sich, dass der für die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele A1, A2 ermittelte Wert jeweils zwischen den Werten liegt, die für die beiden anderen Kaltbandtypen ermittelt worden sind.
Tabelle 4
In Bild 1 ist ein dem Ausführungsbeispiel A2 entsprechendes plattiertes Kaltband 1 dargestellt, auf das in einem Druckverfahren eine Lackschicht L mit schlitzartig ausgebildeten Öffnungen F aufgebracht ist. Die Öffnungen F weisen dabei eine langgestreckt rechtwinklige Form auf. Im Bereich der Öffnungen F der Lackschicht L liegt die Oberfläche O des Kaltbands 1 frei, während sie an ihren anderen Abschnitten durch die Lackschicht L dicht gegenüber den Angriffen durch ein Ätzmittel abgedeckt ist.
Das derart beschichtete Kaltband 1 wird in ein hier nicht dargestelltes Ätzbad gegeben. Durch den Angriff des Ätzmittels wird darin im freien Bereich der Öffnungen F der Lackschicht jeweils eine Lochung C in das Kaltband 1 eingeformt. Nachdem die Lackschicht L von der Oberfläche O des Kaltbands 1 entfernt ist, ist erkennbar, dass die Kanten der Lochungen C scharfkantig ausgebildet sind und ihr Verlauf mit einer Übereinstimmung von nahezu 97 % mehr mit dem Randverlauf der Öffnungen F der Lackschicht L übereinstimmen (3).
In 4 ist zum Vergleich das Ergebnis der Ätzung eines aus aluminiumberuhigtem Stahl gefertigten Kaltbands 1' gezeigt, das zuvor in gleicher Weise wie das Kaltband 1 mit einer hier nicht dargestellten, schlitzartige Öffnungen der für die Lackschicht L beschriebenen Art aufweisenden Lackschicht beschichtet worden ist. Es zeigt sich eine deutlich schlechtere Übereinstimmung zwischen der Form der Lochung C' und der Form der zugeordneten Öffnung der Lackschicht. Dementsprechend schlechter ist die Abbildungsgenauigkeit einer aus dem Kaltband 1' gefertigten Schattenmaske.

1: Kaltband
1': Kaltband
2: Mittellage des Kaltbands 1
3, 4: Außenlagen des Kaltbands 1
C: Lochung des Kaltbands 1
C': Lochung des Kaltbands 1'
D: Gesamtdicke des Kaltbands 1
Da: Dicke jeder Außenlage 3, 4
Di: Dicke der Mittellage 2
F: Öffnungen der Lackschicht L
L: Lackschicht
O: Oberfläche des Kaltbands 1

Claims

Plattiertes Kaltband (1) mit einer aus einem weichen Stahlwerkstoff gebildeten Mittellage (2), auf deren einander gegenüberliegenden Oberflächen (O) jeweils eine aus einer Invar-Legierung gebildete Außenlage (3, 4) aufgebracht ist, wobei für das Verhältnis Da/Di der von den Außenlagen (3, 4) jeweils eingenommenen Dicke Da zur von der Mittellage (2) eingenommenen Dicke Di gilt. 0,05 ≤ Da/Di < 0,15.
Plattiertes Kaltband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Da/Di ≤ 0,12 ist.
Plattiertes Kaltband nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlagen (3, 4) im walzharten Zustand auf die Mittenlage (2) aufplattiert sind.
Plattiertes Kaltband nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlagen (3, 4) eine kristallografische Textur aufweisen, bei der die Würfellage [100] zu mindestens 80 % vorliegt.
Plattiertes Kaltband nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenlage (2) aus einem aluminiumberuhigten Stahl besteht.
Verwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildeten Kaltbands (1) zur Herstellung von Schattenmasken für Bildröhren.
Schattenmaske für Bildröhren hergestellt aus einem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildeten Kaltband (1).