DE10258356B3 - Verwendung einer Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung - Google Patents

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Abstract

Verwendung einer Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung für Schattenmasken in großen flachen Monitoren und Bildschirmen, wobei die chemische Zusammensetzung (in Masse-%) definiert ist durch 32,5-34,5% Ni, 3,0-4,5% Co, max. 0,05% Mo, max. 0,05% Cr, max. 0,009% C, max. 0,04% Mn, max. 0,03% Si, 0,005-0,03% Al, Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung.
  • 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 sowie im Hinblick auf die Entwicklung der High Definition TV-Technologie (HDTV) und unter Betrachtung der Verringerung der Bautiefe durch näheres Heranbringen der Elektronenkanone an die Mattscheibe und somit näher an der Schattenmaske fordern Hersteller von Bildschirmröhren neue Werkstoffe für Schattenmasken, die noch kleinere Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 100°C erreichen.
  • In der US-A 4,066,117 wird eine durch Sprühen aufbringbare Schmelze beschrieben, die (in Masse-%) folgende chemische Zusammensetzung beinhaltet:
    etwa 60 %, vorzugsweise 1–25 % Cr
    etwa 30 %, vorzugsweise 5–25 % Co,
    wobei die Legierung entweder als Ni- oder Fe-Basis-Legierung anzusehen ist und
    etwa 10 %, vorzugsweise 1–9 % Al
    etwa 8 %, vorzugsweise 1–7 % Ti
    etwa 30 %, vorzugsweise 1–8 % Mo
    etwa 25 %, vorzugsweise 2–20 % W
    bis zu 10 % Nb
    bis zu 10 % Ta
    bis zu 0,5 % B
    bis zu 5 % Hf
    bis zu 2% V
    bis zu 6 % Cu
    bis zu 5% Mn
    bis zu 4 % Si
    Rest, wenigstens 40 %, eines Metalles der Fe-Gruppe (Fe,Ni,Co) enthält.
  • Der CH-A-155830 ist eine Legierung mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten zu entnehmen, die (in Masse-%) folgende Zusammensetzung aufweist: 46–70 % Fe, 20–54 % Ni, max. 34 % Co, wobei der Ausdehnungskoeffizient zwischen einem negativen Wert in der Nähe von Null bis ungefähr + 12 Millionstel pro Grad Celsius Temperaturerhöhung schwankt. Die Legierung soll < 10 % Cr und < 2 % C enthalten.
  • Durch die EP-A 0 792 943 ist eine Fe-Ni-Legierung bekannt geworden, die (in Masse-%) folgende Zusammensetzung aufweist:
    30 % ≤ Ni + Co ≤ 85 %
    0% ≤ Co + Cu + Mn ≤ 10%
    0 % ≤ Mo + W + Cr ≤ 4 %
    0 % ≤ V + Si ≤ 2 %
    0 % ≤ Nb + Ta ≤ 1 %
    0,003 % ≤ C ≤ 0,05 %
    0,003 % ≤ Ti ≤ 0,15 %
    0,003 % ≤ Ti + Zr + Hf ≤ 0,15 %
    0,001 % ≤ S + Se + Te < 0,015%
    Rest Fe sowie erschmelzungsbedingte Beimengungen.
  • Der JP-A 2000319762 ist eine Legierung mit geringem Ausdehnungskoeffizienten zu entnehmen, die folgende Zusammensetzung (in Masse-%) aufweist: 30 – 45 % Ni, 0 – 10 % Co, ≤ 0,03 % C, ≤ 0,2 % Si, ≤ 0,6 % Mn, ≤ 0,01 % P, ≤ 0,005 % S, ≤ 0,008 % Al, ≤ 0,008 % O, Rest Fe, die Legierung soll darüber hinaus folgenden Gleichungen genügen: 0,001 ≤ N ≤ 2 × Al + 0,004; 0,003 ≤ 0 + S; 0 + 1,5 × S ≤ 0,001.
  • Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, einen Werkstoff, insbesondere für Schattenmasken, bereitzustellen, der einen noch wesentlich kleineren mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 100°C ermöglicht, als die heute zur Verfügung stehenden Eisen-Nickel-Legierungen mit etwa 36 % Nickel. Ferner soll eine Werkstoffvariante mit relativ niedriger Wärmeausdehnung, aber erhöhter mechanischer Festigkeit erzeugt werden.
  • Dieses Ziel einer besonders niedrigen Wärmeausdehnung wird erfindungsgemäß erreicht durch die Verwendung einer Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung, mit (in Masse%) 32,5–34,5 % Ni, 3,0–4,5 % Co, max. 0,05 % Mo, max. 0,05 % Cr, max. 0,009 % C, max. 0,04 % Mn, max. 0,03 % Si, max. 0,003 % S, max. 0,004 % N, max. 0,01 % Ti, max. 0,05 % Cu, max. 0,005 % P, 0,005–0,03 % Al, max. 0,0008 % Mg, max. 0,001 % Ca, max. 0.03 % Zr, max. 0,0060 % O, Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen für Schattenmasken zum Einsatz in großen flachen Monitoren und Bildschirmen.
  • Neben der Einstellung der Gehalte an Ni und Co sowie der Elemente Mo, Cr und C sind zur Erzielung eines äußerst niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten sehr niedrige Gehalte an Mn und Si unbedingt notwendig.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der verwendeten Legierung sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen. Die Zugabe von Nb in Gehalten zwischen 0,02 bis 0,3 % wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Verbesserung der Warm- und Kriechfestigkeit bei höheren Temperaturen aus. Die Zugabe von B in Gehalten von bis zu 0,005 % wirkt sich vorteilhaft auf die Verbesserung der Warmverformbarkeit der Legierung aus.
  • Die darüber hinaus für die Anwendung als Band für eine Schattenmaske erforderlichen technologischen Eigenschaften können mit dieser erfindungsgemäßen Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung erzielt werden.
  • Die beschriebene Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung wird in einem Lichtbogenofen oder auch Vakuuminduktionsofen erschmolzen und in Form von Blöcken gegossen. Vor den Warmwalzprozessschritten wird evtl. mit einem Verfahren (z.B. VLB) umgeschmolzen. 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.
  • Bevorzugte Anwendungsgebiete dieser Legierung sind Rahmen von Schattenmasken zum Einsatz in Bildschirmröhren sowie Spiegelhalterungen und Rahmen in Geräten der Litographie bei der Chip-Herstellung.
  • Eine Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung der beispielhaften chemischen Zusammensetzung (in Masse-%) von 0,008% C, 0,0015% S, 0,001 % N, < 0,01 % Cr, 32,80% Ni, < 0,01 % Mn, < 0,01 % Si, 0,01 % Mo, < 0,01 % Ti, < 0,01 % Cu, 0,002% P, 0,005% Al, 0,0003% Mg, 0,0006% Ca, 3,9 % Co, Rest Eisen erzielt einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 100°C nach einer Wärmebehandlung von 15min bei 750°C mit abschließender schneller Abkühlung an Luft, der bereits kleiner als 0,2 × 10–6/K ist.
  • In der Tabelle 1 sind beispielhafte chemische Zusammensetzungen für erfindungsgemäße Eisen-Nickel-Cobalt-Legierungen (E1, E2 im Vergleich zu einer weiteren untersuchten Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung (U1) sowie im Vergleich zu beispielhaften, dem Stand der Technik zuzuordnenden Eisen-Nickel-Legierungen mit etwa 36 % Nickel (T1, T2, T3) mit ihren mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 100°C aufgelistet.
    Figure 00050001
    Figure 00060001
    Tabelle 1: Beispielhafte chemische Zusammensetzungen (in Masse %) für die erfindungsgemäßen Eisen-Nickel-Legierungen E1, E2, E3, E4, der untersuchten Legierungen U1 sowie der Legierungen im Stande der Technik T1, T2, T3 mit Angabe des mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20°C und 100°C.

Claims (6)

  1. Verwendung einer Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung mit (in Masse-%) 32,5–34,5 % Ni 3,0–4,5 % Co max. 0,05 % Mo max. 0,05 % Cr max. 0,009 % C max. 0,04 % Mn max. 0,03 % Si max. 0,003 % S max. 0,004 % N max. 0,01 % Ti max. 0,05 % Cu max. 0,005 % P 0,005–0,03 % Al max. 0,0008 % Mg max. 0,001 % Ca max. 0.03 % Zr max. 0,0060 % O Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen für Schattenmasken zum Einsatz in flachen Monitoren und Bildschirmen.
  2. Verwendung der Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung nach einem Anspruch 1 für Rahmen von Schattenmasken zum Einsatz in Bildschirmröhren.
  3. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Zusammensetzung (in Masse-%) einen Gehalt von 0,02–0,3 % Nb aufweist.
  4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Zusammensetzung (in Masse-%) einen Gehalt von bis zu 0,005 % B aufweist.
  5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Ni-Gehalt (in Masse-%) von 32,5–33,5 %.
  6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Co-Gehalt (in Masse-%) von 3,7–4,1 %.
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