DE19920144C1

DE19920144C1 - Eisen-Nickel-Legierung

Info

Publication number: DE19920144C1
Application number: DE19920144A
Authority: DE
Inventors: Bodo Gehrmann
Original assignee: Krupp VDM GmbH
Current assignee: VDM Metals GmbH
Priority date: 1999-05-03
Filing date: 1999-05-03
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2019-05-04
Also published as: KR100636082B1; JP2002543291A; WO2000066802A1; EP1173628A1; CN1348508A; DE50000570D1; KR20020016622A; HK1045718A1; CN1110576C; TW524861B; EP1173628B1

Abstract

Vorgeschlagen wird eine ausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierung insbesondere zur Herstellung von Schattenmasken und Rahmenteilen für Bildschirme, die (in Masse-%) zur Einstellung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 0,6 x 10·-6·/K im Temperaturbereich von 20 bis 100 DEG C neben max. 0,009% C, max. 0,1% Mn, max. 0,1% Si und max. 0,1% Al, 0,5 bis 2,0% Co, 35,0 bis 36,0% Ni, Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen enthält.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer ausdehnungsarmen Eisen-Nickel- Legierung.

Es ist bekannt, daß Eisenbasislegierungen mit 36% Nickel einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 und 100°C haben. Deshalb finden diese Legierungen schon seit einigen Jahrzehnten dort Anwendung, wo auch bei Temperaturänderungen konstante Längen gefordert sind, wie z. B. bei Präzisionsinstrumenten, Uhren, Bimetallen. Mit der Entwicklung der Farbfernsehgeräte und Computer-Monitore in Richtung höherer Auflösung, Farbtreue und Kontraststärke auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen, und insbesondere im Hinblick der Entwicklung zu immer flacheren und größeren Bildschirmen, werden zunehmend Eisen-Nickel-Werkstoffe für Lochmasken eingesetzt. Technische Eisen-Nickel-Legierungen mit etwa 36% Nickel haben im Temperaturbereich von 20 bis 100°C, wie sie in herkömmlichen Bildschirmröhren vorherrschen, im weichgeglühten Zustand einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 1,2 × 10^-6/K oder sogar noch darüber, wie dies im Stahl-Eisen-Werkstoffblatt (SEW-385, Ausgabe 1991) bezeichnet ist.

Um den steigenden Anforderungen zu genügen, konnte gemäß der DE-A 44 02 684 eine Eisenbasislegierung mit mindestens 34% Nickel mit einem niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 bis 100°C von unter 1,0 × 10^-6/K entwickelt werden, indem der Mangangehalt niedriger als 0,1 % gehalten und das Eisen-Nickel-Verhältnis Fe/Ni zwischen 1,75 und 1,83 gewählt wurde. Typische Werte des thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 bis 100°C liegen etwa zwischen 0,6 und 0,9 × 10^-6/K.

Die DE-A 22 17 280 betrifft eine Lochblende in Farbbildröhren, deren Werkstoff eine Eisen-Nickel-Legierung mit einer im Temperaturbereich von 20-80° spezifischen thermischen Ausdehnung von 0-2, vorzugsweise von 0,6 bis 1,2 × 10^-6/C folgender Zusammensetzung (in Gew.-%) ist: 30-45% Ni, 0-2,5% Mn, 0 -2% Si, 0-2% C, 0-8% Co, 0-11% Cr, 0-3% W, Rest Eisen. Eine bevorzugte Legierung soll folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) aufweisen: 30 -31% Ni, 4-8, vorzugsweise 5-7% Co, Rest Eisen.

Der DE-Firmenschrift der International Nickel aus 1973 sind auf Seite 18 u. a. kaltzähe 36%tige Nickel-Eisen-Legierungen zu entnehmen, die mit geringen Anteilen an Restelementen (in Gew.-%) hergestellt wird: 0,1% C, 0,3% Si, 0,3% Mn, 0,015% S, 0,015% P, 0,05% Al, 0,02% Cu, 0,1% Co, 0,1% Cr sowie 0,03 % Mg.

Ein weiterer Firmenprospekt der International Nickel aus 1973 offenbart auf Seite 12 Eisen-Nickel-Legierungen. Bei Austausch von 5-6 Gew.-% Ni durch Co soll bei einer normalerweise 36 Gew.-% Ni enthaltenden Eisen-Nickel-Legierung der Wärmeausdehnungskoeffizient bei Raumtemperatur erheblich reduziert werden, wobei allerdings der Bereich des nutzbaren niedrigen Ausdehnungskoeffizienten eingeengt wird.

Durch die JP-A 6-336655 ist eine Eisen-Nickel-Legierung bekannt geworden, die bei Ni-Gehalt zwischen 35 und 36 Gew.-% Co-Gehalte zwischen 0 und 0,7 Gew.-% aufweist.

Es ist weiterhin bekannt, daß Eisenbasislegierungen mit etwa 32% Nickel und 5% Cobalt einen noch niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 bis 100°C aufweisen. Daher werden diese Legierungen für höchste Anforderungen hinsichtlich thermischer Längenstabilität angewendet. Wegen der hohen Legierungskosten aufgrund des hohen Cobaltgehalts finden diese Legierungen allerdings keine weitreichende technische Anwendung.

Für Lochmasken bei sehr flachen Bildschirmen mit sehr großen Abmessungen wird eine Legierung gefordert, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 bis 100°C noch unterhalb von 1,0 × 10^-6/K erzielt. Die Legierungskosten müssen aber deutlich niedriger sein, als die der Eisenbasislegierung mit etwa 32% Nickel und 5% Cobalt.

Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, eine ausdehnungsarme Eisen-Nickel- Legierung bereitzustellen, die bei Einsatz preiswerter Legierungselemente dennoch optimale thermische Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20-100°C erreicht und die für unterschiedliche Einsatzbereiche verwendbar sein soll.

Zugleich muß die Legierung, insbesondere bei der Verarbeitung der Legierung zu Schattenmasken für Farbfernsehgeräte, eine gute Warm- und Kaltverformbarkeit aufweisen.

Dieses Ziel wird durch die Verwendung einer ausdehnungsarmen Eisen-Nickel- Legierung erericht, die in Masse-% zur Einstellung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 0,6 × 10^-6/K, im Temperaturbereich von 20-100°C neben max. 0,009% C, max. 0,1% Mn, max. 0,1% Si und max. 0,1% Al, 0,5- 2,0% Co und 35,0-36,0% Ni, Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen enthält sowohl für

- Schattenmasken und Rahmenteile von Bildschirmen als auch für
- passive Komponenten von Thermo-Bimetallen,
- Komponenten zur Herstellung, Lagerung und Transport von verflüssigten Gasen
- Komponenten in der Laser-Technologie

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Niedrigere Cobaltgehalte als 0,5% erzielen nicht den gewünschten Effekt. Die erfindungsgemäße Legierung enthält neben den Gehalten an Nickel und Kobalt max. 0,009% Kohlenstoff, max. 0,1% Mangan, max. 0,1% Silizium und max. 0,1 % Aluminium sowie die üblichen herstellungsbedingten Beimengungen in nur sehr geringer Menge bei restlichem Eisen. Die erfindungsgemäße Legierung zeichnet sich durch eine hervorragende Verarbeitbarkeit aus und verlangt bei der Produktion von Schattenmasken keine zusätzlichen Verfahrensschritte. Sie zeigt darüberhinaus eine den Bedürfnissen entsprechende Langzeitstabilität ihrer thermischen Eigenschaften.

Die erfindungsgemäße Legierung erzielt sehr geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 bis 100°C von unterhalb 0,6 × 10^-6/K.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen gekenzeichnet. So werden Eisen-Nickel-Legierungen mit einem Nickelgehalt von 35,0 bis 36,0%, einem Kobaltgehalt von 0,7 bis 1,3%, einem Mangangehalt von max. 0,05%, einem Siliziumgehalt von max. 0,05% und einem Aluminiumgehalt von 0,01 bis 0,05% bevorzugt zum Einsatz gebracht, um den gewünschten Anforderungen gerecht zu werden. Der dann erreichbare extrem niedrige thermische Ausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20 bis 100°C beträgt dann etwa 0,4 × 10^-6/K.

Gemäß der allgemeinen Auffassung ist ein höherer Mangangehalt von mindestens 0,2% unabdinglich für eine gute Warmverformbarkeit. Es hat sich jedoch überraschenderweise gezeigt, daß die erfindungsgemäße Legierung auch bei sehr niedrigen Mangangehalten von kleiner 0,05% sowohl sehr gut warm- als auch kaltverformbar ist.

In der folgenden Tabelle ist ein Ausführungsbeispiel E der erfindungsgemäßen Legierung im Vergleich zu Eisen-Nickel-Legierungen ST1, ST2, ST3 und ST4 nach dem Stand der Technik bzw. gemäß der genannten DE-A 44 02 684 beschrieben.

Tabelle: Chemische Zusammensetzung in Masse-Prozent

Der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20 bis 100°C der erfindungsgemäßen Legierung E ist mit 0,44 × 10^-6/K deutlich niedriger als die Koeffizienten der zum Stand der Technik zugehörigen Legierungsbeispiele ST1, ST2, ST3 und ST4.

Die angegebenen Legierungselemente Chrom, Titan, Kupfer, Schwefel, Phosphor, Magnesium, Zirkonium und Bor werden als herstellungsbedingte Beimengungen angesehen.

Claims

1. Verwendung einer ausdehnungsarmen Eisen-Nickel-Legierung, die in Masse-% zur Einstellung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 0,6 × 10^-6/K im Temperaturbereich von 20 bis 100°C neben max. 0,009 % C, max. 0,1% Mn, max. 0,1% Si und max. 0,1% Al, 0,5 bis 2,0% Co und 35,0 bis 36,0% Ni, Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen enthält für Schattenmasken und Rahmenteile von Bildschirmen.

2. Verwendung einer ausdehnungsarmen Eisen-Nickel-Legierung, die in Masse-% zur Einstellung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 0,6 × 10^-6/K im Temperaturbereich von 20 bis 100°C neben max. 0,009 % C, max. 0,1% Mn, max. 0,1% Si und max. 0,1% Al, 0,5 bis 2,0% Co und 35,0 bis 36,0% Ni, Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen enthält für passive Komponenten von Thermo-Bimetallen.

3. Verwendung einer ausdehnungsarmen Eisen-Nickel-Legierung, die in Masse-% zur Einstellung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 0,6 × 10^-6/K im Temperaturbereich von 20 bis 100°C neben max. 0,009 % C, max. 0,1% Mn, max. 0,1% Si und max. 0,1% Al, 0,5 bis 2,0% Co und 35,0 bis 36,0% Ni, Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen enthält für Komponenten zur Herstellung, Lagerung und Transport von verflüssigten Gasen.

4. Verwendung einer ausdehnungsarmen Eisen-Nickel-Legierung, die in Masse-% zur Einstellung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 0,6 × 10^-6/K im Temperaturbereich von 20 bis 100°C neben max. 0,009 % C, max. 0,1% Mn, max. 0,1% Si und max. 0,1% Al, 0,5 bis 2,0% Co und 35,0 bis 36,0% Ni, Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen enthält für Komponenten in der Laser-Technologie.

5. Verwendung der Eisen-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gehalte an Mn (in Masse-%) auf max. 0,05% und an Al auf Werte zwischen 0,01 und 0,05% eingestellt sind.

6. Verwendung der Eisen-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Co-Gehalt (in Masse-%) zwischen 0,7 und 1,3% eingestellt ist.