DE19934400C2

DE19934400C2 - Verwendung einer kriechbeständigen wärmeausdehnungsarmen Eisen-Nickel-Legierung

Info

Publication number: DE19934400C2
Application number: DE1999134400
Authority: DE
Inventors: Bodo Gehrmann; Burkhard Erpenbeck; Ulrich Brill
Original assignee: Krupp VDM GmbH
Current assignee: VDM Metals International GmbH
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: DE19934400A1

Description

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

Es ist bekannt, daß Eisenbasislegierungen mit etwa 36% Nickel niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten 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 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 des Trends 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 zwischen 1,2 und 1,8 × 10^-6/K, wie dies im Stahl-Eisen- Werkstoffblatt (SEW-385, Ausgabe 1991) bezeichnet ist. Insbesondere für Schattenmasken sind auch weiterentwickelte Werkstoffe mit etwa 36% Nickel im Einsatz, die niedrigere Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 bis 100°C zwischen 0,6 und 1,2 × 10^-6/K erreichen.

Für in Rahmen vorgespannte Schattenmasken wird ein ausdehnungsarmer Werkstoff mit einer gegenüber der bisher verwendeten Legierung verbesserten Kriechbeständigkeit gefordert. Die Schattenmasken und die Rahmenteile für die Schattenmasken werden bei Temperaturen bis zu etwa 580°C einer sogenannten Schwärzungsglühung unterzogen. Hierbei wird eine dunkle Eisenoxidschicht erzeugt, mit der eine bessere visuelle Bildqualität erzielt wird.

Die bisher verwendete Eisenbasislegierung mit etwa 36% Nickel erzielt eine Kriechfestigkeit A₈₀ von etwa 2,6% bei folgenden Prüfbedingungen: 1 Stunde bei 580°C bei einer Belastung von 138 MPa.

Die Vorspannung der Schattenmasken in vertikaler Richtung wird mit den vertikalen Rahmenteilen erzeugt. Als Werkstoff kommen bisher Eisen-Nickel- Legierungen mit etwa 41% Nickel zur Anwendung, wobei diese Legierungen bekannt sind als Werkstoffe für z. B. Metallglasanschmelzungen oder für Leadframes. Die technologischen Eigenschaften sind wie folgt: Die Kriechfestigkeit A₈₀ beträgt etwa 0,5%, gemessen unter den gleichen Prüfbedingungen wie zuvor für die 36% nickelhaltige Legierung beschrieben, d. h. 1 Stunde bei 580°C bei einer Belastung von 138 MPa. Die vertikalen Rahmenteile aus dieser Legierung dehnen sich gemäß eines Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 4,8 × 10^-6/K im Temperaturbereich von 20 bis 100°C stärker aus, als die Schattenmaske, die aus der Eisen-Nickel-Legierung mit etwa 36% Nickel gefertigt ist.

Die horizontalen Rahmenteile sollen die gleichen Wärmeausdehnungseigenschaften aufweisen, wie die Schattenmasken, so daß für die horizontalen Rahmenteile und für die Schattenmasken die gleiche Eisen- Nickel-Legierung mit etwa 36% Nickel verwendet wird.

Ebenso wie für die Schattenmasken werden auch für die Rahmenteile Werkstoffe gefordert, die gegenüber den bisher verwendeten Legierungen eine verbesserte Kriechbeständigkeit bei Temperaturen bis 580°C aufweisen. Die Größe und der temperaturabhängige Verlauf der Ausdehnungskoeffizienten sollen denen der bisher verwendeten Werkstoffe nahezu entsprechen.

Es ist weiterhin bekannt, daß geeignete Zusätze zu Eisen-Nickel-Legierungen zur Entstehung von Ausscheidungen führen können. Als solche Zusätze werden z. B. Titan und Aluminium in Kombination miteinander angewendet. Die Bildung einer γ (Ni₃Ti/Ni₃Al) Phase erhöht die Streckgrenze und Festigkeit.

Allerdings können zu hohe Summengehalte der Elemente Titan und Aluminium die Wärmeausdehnungskoeffizienten zu sehr erhöhen.

Durch die DE-C 29 40 532 ist eine aushärtbare Nickel-Eisen-Gußlegierung bekannt geworden, die einen linearen Ausdehnungskoeffizienten < 5 × 10^-6/°C bei 20-300°C und einer Streckgrenze von über 350 N/mm² bei 20°C aufweist, bestehend aus 35-45 Gew.-% Nickel, weniger als 4 Gew.-% freies Titan, 0-1 Gew.-% Niob, 1,5-2,5 Gew.-% Kobalt, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Nachteilig bei dieser Legierung ist der hohe Legierungsanteil an Kobalt zu werten, der diese Legierung verhältnismäßig teuer macht. Diese Legierung ist für Konstruktionsteile für Kompressoren in der Motorentechnik einsetzbar.

Dem abstract zur JP 58-11768 A ist eine magnetische Eisen-Nickel-Legierung zu entnehmen, die im Bereich von Magnetkernen oder Magnetspulen sowie Transformatoren eingesetzt werden soll. Die Legierung hat (in Masse %) folgende Zusammensetzung: 30-40% Ni, 0,5-10% (in Summe) wenigstens eines der Elemente Al, Si, Mn, Cr, Ti, V, Ta, W, Zr, Hf, Nb, optional 1-5% Mo, Rest Eisen.

Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, eine kriechbeständige und ausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierung dahingehend zu optimieren, daß sie die im Stand der Technik angeführten Nachteile nicht mehr besitzt, preiswert in der Herstellung ist, so daß sie auch für Schattenmasken und Rahmenteile von Bildschirmen geeignet ist. Auf kostenintensive Legierungselemente soll hierbei weitestgehend verzichtet werden.

Dieses Ziel wird erreicht durch Verwendung einer kriechbeständigen und ausdehnungsarmen Eisen-Nickel-Legierung, die (in Masse-%) neben max. 0,2% C, max. 0,3% Mn, max. 0,3% Si einen Al-Gehalt von 0,05 bis 3,0%, einen Ti- Gehalt von 0,1 bis 3,0%, ≦ 1,0% Nb sowie einen Ni-Gehalt von 34,0 bis 41,0% aufweist, Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen, die im Temperaturbereich von 20 bis 100°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten < 4 × 10^-6/K aufweist, für Schattenmasken und Rahmenteile von Bildschirmen oder Monitoren.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß Eisen-Nickel-Legierungen, denen nur definierte Gehalte des Elements Aluminium bzw. Titan allein zulegiert werden, die geforderte Verbesserung der Kriechfestigkeit bei 580°C unter der Belastung von 138 MPa im hartgewalzten Zustand erreichen.

Eisen-Nickel-Legierungen, die einen Nickelgehalt zwischen 34 und 41 Masseprozent beinhalteten, erzielen die erforderlichen mechanischen und physikalischen Eigenschaften, insbesondere für die Anwendung als Werkstoff sowohl für die Schattenmasken als auch für die horizontalen Rahmenteile.

Eine bevorzugte Zusammensetzung enthält neben den Gehalten an Nickel und Eisen im wesentlichen einen Aluminiumgehalt von 0,5 bis 2,5 Masseprozent und darüberhinaus (in Masseprozent) max. 0,2% Kohlenstoff, max. 0,1% Mangan, max. 0,1% Silizium und übliche herstellungsbedingte Beimengungen in nur sehr geringer Menge. Diese Legierung zeichnet sich durch eine hervorragende Verarbeitbarkeit aus und verlangt bei der Produktion von Schattenmasken und Rahmenteilen für Schattenmasken keine zusätzlichen Verfahrensschritte. Sie zeigt darüberhinaus eine den Bedürfnissen entsprechende Langzeitstabilität ihrer thermischen Eigenschaften.

Diejenigen Legierungen, die durch ihren Aluminium- bzw. Titangehalt ausgehärtet werden können, erzielen mit A₈₀ = 0,19% bei der Prüftemperatur 580°C und mit A₈₀ = 0,08% bei der Prüftemperatur 520°C eine gegenüber der normalen dem Stand der Technik entsprechende Eisen-Nickel-Legierung mit etwa 36% Nickel, wesentlich verbesserte Kriechfestigkeit. Die Prüfbedingung ist 1 Stunde bei der Prüftemperatur und der Belastung von 138 MPa.

Die mechanischen Eigenschaften, die im Warmzugversuch ohne und mit Belastung bei der Prüftemperatur 580°C bzw. 520°C bestimmt wurden, als auch die magnetische Koerzitivfeldstärke sowie die Wärmeausdehnungskoeffizienten, sind für die Verwendung der Legierung E1 für Schattenmasken und Rahmenteile im Vergleich zu den Eigenschaften der Legierungen T1 und T2, die dem Stand der Technik entsprechen, in der Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1

Mechanische Eigenschaften Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung bei 580°C, bestimmt im Warmzugversuch, als auch die Kriechfestigkeit bei 1 h bei 580°C (bzw. 520°C) bei der Belastung von 138 MPa, die Koerzitivfeldstärke und die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Legierungen E1 (bzw. E1v; Variante von E1) im Vergleich zu den Legierungen T1. Die Prüfkörper wurden aus an 1,4 mm kaltgewalztem Band gefertigt.

Wärmeausdehnungskoeffizienten (von 20°C bis zur Prüftemperatur T in 10^-6/K)

Die Koerzitivfeldstärken H_C der Legierung E1 sowie der Legierungen T1 sind nach einer Wärmebehandlung von 15 Minuten bei 580°C nahezu gleich. Nach einer einstündigen Wärmebehandlung bei 580°C sind die Koerzitivfeldstärken H_C der Legierung E1 für die Anwendung als Werkstoff für die Schattenmasken und für die Rahmenteile für die Schattenmasken ausreichend niedrig.

Die Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 bis 100°C genügen mit etwa 1,9 × 10^-6/K im Fall der Legierung E1 den Anforderungen der Anwendung als Werkstoffe für die Schattenmasken und der horizontalen Rahmenteile. Der temperaturabhängige Verlauf der Ausdehnungskoeffizienten der Legierung E1 ähnelt dem Verlauf der Ausdehnungskoeffizienten der Legierung T1, die dem Stand der Technik entspricht. Dies zeigt die Abb. 1, wobei auch zu erkennen ist, daß sich die Ausdehnungskoeffizienten der Legierungen im Temperaturverlauf etwa zwischen 220°C und 270°C kreuzen, so daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Legierung mit dem niedrigeren Nickelgehalt unterhalb der Kreuzungstemperatur niedriger sind, als die der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Legierung mit dem höheren Nickelgehalt.

Oberhalb der Kreuzungstemperatur kehrt sich das Verhalten um. Die Knickpunkttemperatur der Wärmeausdehnungskoeffizienten entspricht etwa der Curie-Temperatur T_C der entsprechenden Legierung. Die Legierung E1v ist eine Variante der Legierung E1.

Abb. 1: Temperaturabhängige Ausdehnungskoeffizienten der Legierung E1. Im Vergleich zu den temperaturabhängigen Ausdehnungskoeffizienten der Legierungen T1 und T2. Die Legierung E1v ist eine Variante der Legierung E1v.

Beispielhafte chemische Zusammensetzung einer der Legierungen E1 sind im Vergleich zu den Zusammensetzungen der Legierungen T1 und T2 in der Tabelle 2 aufgeführt. Hierbei ist die Legierung E1v eine Variante der erfindungsgemäß zu ver wendenden Legierung E1.

Tabelle 2

Beispielhafte chemische Zusammensetzungen der Legierungen E1, E1v im Vergleich zu beispielhafte Zusammensetzungen von Legierungen T1 und T2

In den folgenden Tabellen sind die Grenzwerte der chemischen Zusammensetzungen der Legierung E1 und E2 beschrieben.

Tabelle 3

Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung der Legierung E1 mit erhöhtem Al-Gehalt

Tabelle 4

Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung der Legierung E2 mit erhöhtem Ti-Gehalt

Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung stellt die Variante E3 dar.

Tabelle 5

Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung der Legierung E3 mit erhöhtem Ti-Gehalt

Die bevorzugte Zusammensetzung enthält neben 34,0 bis 41,0% Ni, 1,5 bis 2,5% Ti, 0,05 bis 0,3% Al und 0,2 bis 1,0% Nb, Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen gemäß Tabelle 5. Die Legierung E3 erfüllt im ausgehärteten Zustand (z. B. 30 min bei 750°C) auch höhere Anforderungen, die an die Kriechfestigkeit auch unter einer höheren Belastung von z. B. 200 MPa gestellt werden.

Claims

1. Verwendung einer kriechbeständigen und ausdehnungsarmen Eisen- Nickel-Legierung, die (in Masse-%) neben max. 0,2% C, max. 0,3% Mn, max. 0,3% Si einen Al-Gehalt von 0,05 bis 3,0%, einen Ti-Gehalt von 0,1 bis 3,0%, ≦ 1,0% Nb sowie einen Ni-Gehalt von 34,0 bis 41,0% aufweist, Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen, die im Temperaturbereich von 20 bis 100°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten < 4 × 10^-6/K aufweist, für Schattenmasken und Rahmenteile von Bildschirmen oder Monitoren.

2. Verwendung der Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte (in Masse-%) an C auf max. 0,02% und Ti von 1,5 bis 2,5% eingestellt sind.

3. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte (in Masse-%) an C max. 0,02%, Mn auf max. 0,1%, Si auf max. 0,1% und Al von 0,5 bis 2,5% eingestellt sind.

4. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte (in Masse-%) an Mn auf max. 0,05% und Si auf max. 0,05% eingestellt sind.

5. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Gehalt (in Masse-%) an Co ≦ 0,5%.