DE102008022854A1

DE102008022854A1 - Eisen-Nickel-Legierung

Info

Publication number: DE102008022854A1
Application number: DE200810022854
Authority: DE
Inventors: Bernd de Dr. Boer; Bodo Dr. Gehrmann
Original assignee: ThyssenKrupp VDM GmbH
Current assignee: VDM Metals GmbH
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-11-19

Abstract

Eisen-Nickel-Legierung folgender Zusammensetzung (in Masse-%): C 0,05 bis 0,5% Cr 0,2 bis 2,0% Ni 33 bis 42% Mn < 0,1% Si < 0,1% Mo 1,5 bis 4,0% Nb 0,01 bis 0,5% Al 0,1 bis 0,8% Mg 0,001 bis 0,01% V max. 0,1% W 0,1 bis 1,5% Co max. 2,0% Fe Rest und herstellungsbedingte Beimengungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine wärmeausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierung mit besonderen mechanischen Eigenschaften.
Es ist bekannt, dass Eisen-Basislegierungen mit etwa 36% Nickel niedrige Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich zwischen 20 und 100°C haben. Diese Legierungen werden deshalb schon seit einigen Jahrzehnten dort eingesetzt, wo auch bei Temperaturänderungen konstante Längen gefordert werden, wie beispielsweise bei Präzisionsinstrumenten, Uhren, Bimetallen oder Schattenmasken für Farbfernsehgeräte und Computermonitore.
Der KR 100261678 B1 ist ein Invar-Legierungsdraht und ein Verfahren zur Herstellung desselben zu entnehmen. Die Invar-Legierung hat folgende Zusammensetzung (in Masse-%) 33 bis 38% Nickel, 0,5 bis 1,0% Kobalt, 0,01 bis 1,3% Niob, 0,5 bis 4% Molybdän, 0,2 bis 1,5% Chrom, 0,05 bis 0,35% Kohlenstoff, 0,1 bis 1,2% Silizium, 0,1 bis 0,9% Mangan, max. 0,1% Magnesium, max. 0,1% Titan, Rest Eisen, wobei die Summe aus Mo + Cr zwischen 1,2 und 5,0% und die Summe aus Niob und Kohlenstoffzwischen 0,1 und 0,6% beträgt.
Die KR 1020000042608 offenbart einen hochfesten Invar-Legierungsdraht sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Die zum Einsatz gelangende Legierung beinhaltet (in Masse-%) nicht mehr als 0,1% Stickstoff, 0,01 bis 0,2% Niob, 0,3 bis 0,4% Kohlenstoff, 33 bis 38% Nickel, 0,5 bis 4% Molybdän, 0,2 bis 1,5% Chrom, 0,1 bis 1,2% Silizium, 0,1 bis 0,9% Mangan, 1,0 bis 10% Kobalt sowie bedarfsweise Zugaben an Al, Mg und Ti jeweils bis 0,1%, Rest Eisen.
In beiden Druckschriften sind Verfahrensparameter zum Kalt-/Warmziehen und Glühen innerhalb definierter Temperaturbereiche angegeben.
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, eine wärmeausdehnungsarme kriechbeständige Eisen-Nickel-Legierung mit besonderen mechanischen Eigenschaften bereit zu stellen. Darüber hinaus soll ein Herstellungsverfahren für drahtförmige Bauteile aus dieser Legierung vorgestellt werden. Schließlich soll der Werkstoff für bestimmte Einsatzfälle verwendbar sein, wobei die Legierung einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen soll.

Dieses Ziel wird erreicht durch eine Eisen-Nickel-Legierung folgender Zusammensetzung:

C	0,05 bis 0,5%
Cr	0,2 bis 2,0%
Ni	33 bis 42%
Mn	< 0,1%
Si	< 0,1%
Mo	1,5 bis 4,0%
Nb	0,01 bis 0,5%
Al	0,1 bis 0,8%
Mg	0,001 bis 0,01%
V	max. 0,1%
W	0,1 bis 1,5%
Co	max. 2,0%
Fe	Rest und herstellungsbedingte Beimengungen

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Eisen-Nickel-Legierung wird (in Masse-%) wie folgt wiedergegeben:

C	0,1 bis 0,4%
Cr	0,5 bis 1,5%
Ni	34 bis 40%
Mn	< 0,08%
Si	< 0,08%
Mo	> 2,0 bis < 3,5%
Nb	0,05 bis 0,4%
Al	0,2 bis 0,5%
Mg	0,001 bis < 0,01%
V	max. 0,1%
W	0,2 bis < 1,0%
Co	0 bis 1,0%
Fe	Rest und herstellungsbedingte Beimengungen.

Eine weitere Variante wird gebildet durch (in Masse-%):

C	> 0,15 bis < 0,4%
Cr	0,6 bis max. 1,2%
Ni	35 bis 40
Mn	< 0,08%
Si	< 0,08%
Mo	> 2,0 bis < 3,0%
Nb	0,05 bis < 0,3%
Al	> 0,1 bis < 0,5%
Mg	> 0 bis < 0,01%
V	max. 0,1%
W	0,25 bis 1,0%
Co	0 bis max. 0,5%
B	> 0 bis < 0,01%
Fe	Rest und herstellungsbedingte Beimengungen.

Die erfindungsgemäße Zusammensetzung der Legierung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass die Si- sowie Mn-Gehalte so gering als technisch möglich gehalten werden. Es ist bekannt, dass hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine starke Abhängigkeit der Elemente Silizium und Mangan gegeben ist. Andererseits sind diese Elemente metallurgisch notwendig, um eine ausreichende Verarbeitbarkeit zu gewährleisten. Dies betrifft insbesondere die Warmformgebung zu Knüppeln und Walzdraht.
Durch die erfindungsgemäße chemische Zusammensetzung kann somit weitestgehend auf die Elemente Silizium und Mangan verzichtet werden, wodurch der negative Einfluss dieser Elemente auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten vermieden werden kann und gleichzeitig eine gute Verarbeitbarkeit der Legierung gegeben ist. Aus diesem Grund soll die Summe an Mn + Si hierbei (in Masse-%) 0,2% nicht überschreiten. Soweit technisch realisierbar, soll die Summe an Mn + Si ≤ 0,1% betragen.
Von besonderem Vorteil ist, wenn die erfindungsgemäße Legierung einen Nickelgehalt zwischen 35 und 38%, einen Chromgehalt > 0,6 bis < 1,2%, einen Molybdängehalt zwischen 2,1 und 2,8%, einen Aluminiumgehalt zwischen 0,2 und 0,4% sowie einen Wolframgehalt > 0,25 bis < 1,0% aufweist.
Falls notwendig, kann noch das Element Zirkon in Gehalten > 0 bis < 0,2% und/oder das Element B in Gehalten > 0–0,01% der erfindungsgemäßen Legierung zugesetzt werden.
B + Zr einzeln oder gemeinsam verbessern die Warmformgebbarkeit der Legierung.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Summe der Elemente Mo + W zwischen 2,0 und 4,0% beträgt.
Ebenfalls vorteilhaft für die mechanischen Eigenschaften ist, wenn die Summe der Elemente Cr + W zwischen 1,0 und 2,0% liegt.
Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß kann das Element Mo anteilig durch das Element W substituiert werden.
Von Bedeutung ist, dass zum einen die Legierungselemente Mo, W, Cr und C in ausreichender Menge zur Verfügung stehen und zum anderen das Verhältnis aus (Mo + W + Cr)/C dergestalt gewählt wird, dass eine ausgewogene Mischung aus Karbidverfestigung, Mischkristallhärtung und Kaltverfestigung im Endprodukt erreicht werden kann. Ein optimales Verhältnis wird im Bereich zwischen 14 und 15 gesehen.
Das Verhältnis W:Cr:Mo soll, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, etwa bei 1:2:5 liegen. Der Anteil der genannten Elemente in der erfindungsgemäßen Legierung muss jedoch so vorgegeben werden, dass der angestrebte thermische Ausdehnungskoeffizient nicht überschritten wird.
Die erfindungsgemäße Legierung hat im Temperaturbereich zwischen 20 und 200°C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 4 × 10^–6/K, insbesondere < 3,5 × 10^–6/K.
Ferner vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus der erfindungsgemäßen Legierung im Lichtbogen-, Induktions- oder Vakuumofen (bedarfsweise mit VOD-Behandlung), mit anschließendem Blockguss, Warmwalzen (oder -schmieden) zu Knüppeln und Warmwalzen an Draht vorgebbarer Dicke, anschließendem Ziehen zu drahtförmigen Vorprodukten vorgebbaren Durchmessers, wobei zwischen einzelnen Ziehstufen bedarfsweise Glühvorgänge gegeben sind. Da der Grad der Kaltverfestigung entscheidend für die Gebrauchseigenschaften sowohl hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten als auch der Festigkeit ist, muss der Walzdrahtdurchmesser so eingestellt werden, dass vor und nach einer gegebenenfalls mehrstufigen Zwischenglühung eine ausreichende Kaltverformung herbeigeführt werden kann.
Die erfindungsgemäße Legierung ist vorteilhaft einsetzbar für

– Leadframes,
– Formteile, insbesondere CFK-Formteile,
– Bauteile in der Chip-Herstellung.

Die erfindungsgemäße Legierung kann für die bevorzugten Einsatzfälle in Form von Blech-, Stangen- oder Band- oder Drahtmaterial vorliegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- KR 100261678 B1 [0003]
- KR 1020000042608 [0004]

Claims

Eisen-Nickel-Legierung folgender Zusammensetzung (in Masse-%) C 0,05 bis 0,5% Cr 0,2 bis 2,0% Ni 33 bis 42% Mn < 0,1% Si < 0,1% Mo 1,5 bis 4,0% Nb 0,01 bis 0,5% Al 0,1 bis 0,8% Mg 0,001 bis 0,01% V max. 0,1% W 0,1 bis 1,5% Co max. 2,0% Fe Rest und herstellungsbedingten Beimengungen
Legierung nach Anspruch 1, mit (in Masse-%) C 0,1 bis 0,4% Cr 0,5 bis 1,5% Ni 34 bis 40% Mn < 0,08% Si < 0,08% Mo > 2,0 bis < 3,5% Nb 0,05 bis 0,4% Al 0,2 bis 0,5% Mg 0,001 bis < 0,01% V max. 0,1% W 0,2 bis < 1,0% Co 0 bis 1,0% Fe Rest und herstellungsbedingte Beimengungen.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, mit (in Masse-%) C > 0,15 bis < 0,4% Cr 0,6 bis max. 1,2% Ni 35 bis 40% Mn < 0,08% Si < 0,08% Mo > 2,0 bis < 3,0% Nb 0,05 bis < 0,3% Al > 0,1 bis < 0,5% Mg 0,001 bis < 0,01% V max. 0,1% W 0,25 bis 1,0% Co 0 bis max. 0,5% Fe Rest und herstellungsbedingte Beimengungen.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit (in Masse-%) Ni 35 bis 38%.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit (in Masse-%) Cr > 0,6 bis < 1,2%.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit (in Masse-%) Mo 2,1 bis 2,8%.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit (in Masse-%) Al 0,2 bis 0,4%.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit (in Masse-%) W > 0,25 bis < 1,0%.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bedarfsweise mit Zugaben an (in Masse-%) Zr > 0 bis < 0,2% und/oder B > 0–0,01%
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Summe (in Masse-%) an Mo + W zwischen 2,0 und 4,0% beträgt.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Summe (in Masse-%) an Mo + W zwischen 2,2 und 3,5% beträgt.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Summe (in Masse-%) an Cr + W zwischen 1,0 und 2,0% beträgt.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Summe (in Masse-%) an Si + Mn ≤ 0,2% beträgt.
Legierung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe (in Masse-%) an Si + Mn ≤ 0,1% beträgt.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (Mo + W + Cr)/C = 13,5–15,5 beträgt.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Element Mo anteilig durch das Element W substituiert ist.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, die im Temperaturbereich zwischen 20 und 200°C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 4 × 10^–6/K, insbesondere 3,5 × 10^–6/K, aufweist.
Verfahren zur Herstellung von drahtförmigen Bauteilen aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, indem die Schmelze zu Blöcken gegossen wird, die Blöcke zu Knüppeln gewalzt und die Knüppel zu Drähten vorgebbaren Durchmessers gezogen werden, wobei zwischen einzelnen Ziehstufen bedarfsweise Glühvorgänge gegeben sind, das drahtförmige Vorprodukt aluminiert und das Vorprodukt an Endabmessung gezogen wird.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 für Leadframes.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 im Formbau, insbesondere im CFK-Formbau.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 für Bauteile in der Chip-Herstellung.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei das Basismaterial in Form von Blech, Stangen, Draht oder Band vorliegt.