DE19944578A1 - Wärmeausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierung mit besonderen mechanischen Eigenschaften - Google Patents
Wärmeausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierung mit besonderen mechanischen EigenschaftenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft kriechbeständige und ausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierungen, die (in Masse-%) neben 0,02 bis 0,3% C, max. 1% Mn und max. 1% Si einen Mo-Gehalt von 0,1 bis 2,5% und/oder einen Cr-Gehalt von 0,1 bis 2,5 %, 1,0% Nb, sowie einen Ni-Gehalt von 31,0 bis 45,0% beinhaltet, Rest-Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen, wobei die Legierung im Temperaturbereich von 20 bis 100 DEG C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten < 6,0 x 10·-6·/K aufweist.
Description
Die Erfindung betrifft eine ausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierung mit
besonderen mechanischen Eigenschaften.
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 oder 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, 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.
Neuentwickelte Werkstoffe für die horizontalen Rahmenteile sollen die gleichen
niedrigen Wärmeausdehnungseigenschaften aufweisen, wie die für die
Schattenmasken bisher verwendete Eisen-Nickel-Legierung, die neben Eisen und
etwa 36% Ni im wesentlichen nur herstellungsbedingte Beimengungen in
geringem Maße enthält.
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
härtesteigernd wirken können. Es kommen diesbezüglich z. B. Molybdän und
Chrom in Kombination mit Kohlenstoff zum Einsatz. Hierbei erhöht sich die
Streckgrenze und Festigkeit.
Allerdings können zu hohe Summengehalte der Elemente Molybdän, Chrom und
Kohlenstoff die Wärmeausdehnungskoeffizienten zu sehr erhöhen.
Als Drahtwerkstoff für Überlandleitungen wurde eine Eisen-Nickel-Legierung
bekannt, die etwa 38 Ni, 2% Mo, 0,8% Cr und 0,25% C sowie
herstellungsbedingte Beimengungen und Rest Eisen enthält. Im lösungsgeglühten
Zustand weist diese Legierung einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen
20 und 100°C von etwa 4 × 10-6/K auf. Die Zugfestigkeit kann im gehärteten
Zustand Werte größer 1000 N/mm2 erreichen.
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, eine kriechbeständige und
ausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierung dahingehend zu entwickeln, daß sie die
im Stand der Technik angeführten Nachteile nicht mehr besitzt, preiswert in der
Herstellung ist und für eine Vielzahl technischer Anwendungsgebiete eingesetzt
werden kann.
Dieses Ziel wird erreicht mit einer kriechbeständigen und ausdehnungsarmen
Eisen-Nickel-Legierung, die (in Masse-%) neben 0,02 bis 0,3% C, max. 1% Mn,
max. 1% Si, einen Mo-Gehalt von 0,1 bis 2,5% und/oder einen Cr-Gehalt von 0,1
bis 2,5%, ≦ 1% Nb sowie einen Ni-Gehalt von 31,0 bis 45,0% beinhaltet, Rest-
Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen, wobei die Legierung im
Temperaturbereich von 20 bis 100°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten < 6,0
× 10-6/K aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Legierungen sind den
zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.
Die erforderlichen technologischen Eigenschaften für die Anwendung als Werkstoff
insbesondere für vertikale Rahmenteile von Schattenmasken können mit der
erfindungsgemäßen Eisen-Nickel-Legierung eingestellt werden, wobei die
Zusammensetzung hinsichtlich der Gehalte an Ni, Mo, Cr und C so gewählt
werden kann, daß die gewünschten Wärmeausdehnungskoeffizienten und
mechanischen Eigenschaften vorliegen.
Der Erfindungsgegenstand ist neben Rahmenteilen und Schattenmasken für
Bildschirme und Monitore bevorzugt auch einsetzbar für folgende Gegenstände:
- - passive Komponenten von Thermobimetallen
- - Komponenten in der Laser-Technologie
- - Leadframes
- - Metall-Glasanschmelzungen
- - Bauteile von Elektronenkanonen, insbesondere in Fernsehröhren
- - Komponenten zur Herstellung, Lagerung und Transport von verflüssigten Gasen
Im folgenden werden bevorzugte erfindungsgemäße Legierungen in Bezug auf ihre
mechanischen Eigenschaften mit Legierungen gemäß Stand der Technik
verglichen.
Eine bevorzugte Zusammensetzung E1 der erfindungsgemäßen Legierungen für
die Anwendung als Werkstoff für den vertikalen Rahmen beispielsweise für einen
Bildschirm enthält neben den Gehalten (in Masse-%) an 37 bis 39% Ni, 1,6 bis 2,0
% Mo, 0,6 bis 1,0% Cr und darüberhinaus 0,22 bis 0,28% C sowie max. 1% Mn,
max, 1% Si, max. 1% Nb und übliche herstellungsbedingte Beimengungen in nur
sehr geringer Menge. Der Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen 20 und 100°C
mit etwa 4,2 × 10-6/K und der gesamte temperaturabhängige Verlauf der
Ausdehnungskoeffizienten zwischen Raumtemperatur und 600°C sind vergleichbar
zu dem Wert bzw. zum Verlauf zu der bisher verwendeten Zweistofflegierung T1 im
Stande der Technik, die neben Eisen und etwa 42% Ni nur herstellungsbedingte
Beimengungen enthält. Die für die Anwendung notwendige Verbesserung der
mechanischen Eigenschaften ist mit der erfindungsgemäßen Legierung erreicht,
insbesondere insofern, daß die Kriechbeständigkeit, gemessen an einer 1,4 mm
dicken kaltgewalzten Probe als Dehnung A80 bei 580°C und sogar bei einer
einstündigen höheren Belastung von 200 MPa, mit einem Wert von etwa 0,04%
gegeben ist. Die erfindungsgemäße Legierung E1 zeichnet sich durch eine
hervorragende Verarbeitbarkeit aus und verlangt bei der Produktion keine
zusätzlichen Verfahrensschritte. D. h. zur Einstellung der besonders guten
mechanischen Eigenschaften ist keine weitere Aushärtewärmebehandlung
notwendig, wie dies z. B. bei γ'-ausscheidungshärtbaren Legierungen notwendig
wäre. Der Rahmen kann direkt aus dem kaltgewalzten Zustand gebogen werden.
Die mechanischen Eigenschaften sind in diesem Zustand, wie sie zuvor
beschrieben wurden, gegeben. Sie zeigt darüberhinaus eine den Bedürfnissen
entsprechende Langzeitstabilität ihrer thermischen Eigenschaften.
Eine weitere bevorzugte Zusammensetzung E2 der erfindungsgemäßen
Legierungen für die Anwendung als Werkstoff für den vertikalen Rahmen
beispielsweise eines Monitors enthält neben den Gehalten (in Masse-%) an 35 bis
38% Ni, 1,0 bis 1,6% Mo, 0,2 bis 0,6% Cr und darüberhinaus 0,1 bis 0,18% C
sowie max. 1% Mn, max. 1% Si, max. 1% Nb und übliche herstellungsbedingte
Beimengungen in nur sehr geringer Menge. Der Wärmeausdehnungskoeffizient
zwischen 20 und 100°C ist mit etwa 2,8 × 10-6/K niedriger als im Fall der
erfindungsgemäßen Legierung E1. Die für die Anwendung notwendige
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist mit der erfindungsgemäßen
Legierung E2 ebenfalls erreicht, insbesondere insofern, daß die
Kriechbeständigkeit, gemessen an einer 1,4 mm dicken kaltgewalzten Probe als
Dehnung A80 bei 580°C und sogar bei einer einstündigen höheren Belastung von
200 MPa, mit einem Wert von etwa 0,003% gegeben ist. Die erfindungsgemäße
Legierung E2 zeichnet sich ebenfalls durch eine hervorragende Verarbeitbarkeit
aus und verlangt bei der Produktion keine zusätzlichen Verfahrensschritte. D. h. zur
Einstellung der besonders guten mechanischen Eigenschaften ist keine weitere
Aushärtewärmebehandlung notwendig. Der Rahmen kann direkt aus dem
kaltgewalzten Zustand gebogen werden. Die mechanischen Eigenschaften sind in
diesem Zustand, wie sie zuvor beschrieben wurden, gegeben. Sie zeigt
darüberhinaus eine den Bedürfnissen entsprechende Langzeitstabilität ihrer
thermischen Eigenschaften.
Die erforderlichen technologischen Eigenschaften für die Anwendung als Werkstoff
insbesondere für horizontale Rahmenteile für Schattenmasken können mit den
erfindungsgemäßen Eisen-Nickel-Legierungen eingestellt werden, wobei die
Zusammensetzung hinsichtlich der Gehalte an Ni, Mo, Cr und C so gewählt
werden kann, daß die gewünschten Wärmeausdehnungskoeffizienten und
mechanischen Eigenschaften vorliegen.
Eine weitere bevorzugte Zusammensetzung E3 der erfindungsgemäßen
Legierungen für die Anwendung als Werkstoff für den horizontalen Rahmen z. B.
eines Bildschirmes enthält neben den Gehalten (in Masse-%) an 35 bis 38% Ni,
0,7 bis 1,1% Mo, < 0,2% Cr und darüberhinaus 0,08 bis 0,12% C sowie max. 1%
Mn, max. 1% Si, max. 1% Nb und übliche herstellungsbedingte Beimengungen in
nur sehr geringer Menge. Der Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen 20 und
100°C ist mit dem niedrigen Wert von etwa 2,0 × 10-6/K nahezu vergleichbar zu
dem Ausdehnungskoeffizienten der bisher verwendeten EisenNickel-Legierung T2
im Stande der Technik, die neben Eisen und etwa 36% Ni nur herstellungsbedingte
Beimengungen enthält. Die für die Anwendung notwendige Verbesserung der
mechanischen Eigenschaften ist mit der erfindungsgemäßen Legierung E3
erreicht, insbesondere insofern, daß die Kriechbeständigkeit, gemessen an einer
1,4 mm dicken kaltgewalzten Probe als Dehnung A80 bei 580°C und bei einer
einstündigen höheren Belastung von 200 MPa, mit einem Wert von etwa 0,02%
gegeben ist. Die erfindungsgemäße Legierung E3 zeichnet sich durch eine
hervorragende Verarbeitbarkeit aus und verlangt bei der Produktion keine
zusätzlichen Verfahrensschritte. D. h. zur Einstellung der besonders guten
mechanischen Eigenschaften ist keine weitere Aushärtewärmebehandlung
notwendig, wie dies z. B. bei γ'-ausscheidungshärtbaren Legierungen notwendig
wäre. Der Rahmen kann direkt aus dem kaltgewalzten Zustand gebogen werden.
Die mechanischen Eigenschaften sind in diesem Zustand, wie sie zuvor
beschrieben wurden, gegeben. Sie zeigt darüberhinaus eine den Bedürfnissen
entsprechende Langzeitstabilität ihrer thermischen Eigenschaften.
Eine weitere bevorzugte Zusammensetzung E4 der erfindungsgemäßen
Legierungen für die Anwendung als Werkstoff für den vertikalen Rahmen z. B.
eines Monitors enthält neben den Gehalten (in Masse-%) an 35 bis 38% Ni, 0,4
bis 0,8% Mo, 0,1 bis 0,3% Cr und darüberhinaus 0,08 bis 0,12% C sowie max. 1
% Mn, max. 1% Si, max. 1% Nb und übliche herstellungsbedingte Beimengungen
in nur sehr geringer Menge. Der Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen 20 und
100°C ist mit dem niedrigen Wert von etwa 1,8 × 10-6/K nahezu vergleichbar mit
dem Ausdehnungskoeffizienten der bisher verwendeten EisenNickel-Legierung T2
im Stande der Technik. Die für die Anwendung notwendige Verbesserung der
mechanischen Eigenschaften ist mit der erfindungsgemäßen Legierung E4
ebenfalls erreicht, insbesondere insofern, daß die Kriechbeständigkeit, gemessen
an einer 1,4 mm dicken kaltgewalzten Probe als Dehnung A80 bei 580°C und bei
einer einstündigen höheren Belastung von 200 MPa, mit einem Wert von etwa 0,03
% gegeben ist. Die erfindungsgemäße Legierung E4 zeichnet sich ebenfalls durch
eine hervorragende Verarbeitbarkeit aus und verlangt bei der Produktion keine
zusätzlichen Verfahrensschritte. D. h. zur Einstellung der besonders guten
mechanischen Eigenschaften ist keine weitere Aushärtewärmebehandlung
notwendig. Der Rahmen kann direkt aus dem kaltgewalzten Zustand gebogen
werden. Die mechanischen Eigenschaften sind in diesem Zustand, wie sie zuvor
beschrieben wurden, gegeben. Sie zeigt darüberhinaus eine den Bedürfnissen
entsprechende Langzeitstabilität ihrer thermischen Eigenschaften.
Die mechanischen Eigenschaften, die im Warmzugversuch ohne und mit
Belastung bei der Prüftemperatur 580°C bestimmt wurden, als auch die
magnetische Koerzitivfeldstärke sowie die Wärmeausdehnungskoeffizienten, sind
für die erfindungsgemäßen Legierungen E1, E2, E3 und E4 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 bei der Belastung von 138 MPa bzw. 200 MPa und die
Wärmeausdehnungskoeffizienten der erfindungsgemäßen Legierungen E1, E2, E3
und E4 im Vergleich zu den Legierungen T1 und T2, die dem Stand der Technik
entsprechen. Die Prüfkörper wurden aus an 1,4 mm kaltgewalztem Band gefertigt.
Beispielhafte chemische Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen
Legierungen E1, E2, E3 und E4 sind im Vergleich zu den Zusammensetzungen der
Legierungen T1 und T2, die dem Stand der Technik entsprechen, in der Tabelle 2
aufgeführt.
Für bestimmte Anwendungsbereiche kann es sinnvoll sein, Kobalt in
vorgegebenen Gehalten (in Masse-%) der erfindungsgemäßen Legierung
hinzuzufügen. Bevorzugte Zugaben an Kobalt (in Masse-%) liegen hierbei
zwischen 0,5 und 7%, wobei der Nickelgehalt in entsprechender Weise
einzustellen ist.
Claims (15)
1. Kriechbeständige und ausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierung, die (in
Masse-%) neben 0,02 bis 0,3% C, max. 1% Mn, und max. 1% Si einen Mo-
Gehalt von 0,1 bis 2,5% und/oder einen Cr-Gehalt von 0,1 bis 2,5%, ≦ 1,0%
Nb, sowie einen Ni-Gehalt von 31,0 bis 45,0% beinhaltet, Rest-Eisen und
herstellungsbedingte Beimengungen, wobei die Legierung im
Temperaturbereich von 20 bis 100°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
< 6,0 × 10-6/K aufweist.
2. Eisen-Nickel-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Gehalte (in Masse-%) an Ni von 37 bis 39%, Mo von 1,6 bis 2,0%, Cr von
0,6 bis 1,0%, C von 0,22 bis 0,28% sowie Mn auf max. 1%, Si auf max. 1%,
und Nb auf max. 1% eingestellt sind.
3. Eisen-Nickel-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Gehalte (in Masse-%) an Ni von 35 bis 38%, Mo von 1,0 bis 1,6%, Cr von
0,2 bis 0,6%, C von 0,1 bis 0,18% sowie Mn auf max. 1%, Si auf max. 1%
und Nb auf max. 1% eingestellt sind.
4. Eisen-Nickel-Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Gehalte (in Masse-%) an Ni von 35 bis 38%, Mo von 0,7 bis 1,1%, Cr auf
max. 0,1%, C von 0,08 bis 0,12% sowie Mn auf max. 1%, Si auf max. 1%
und Nb auf max. 1% eingestellt sind.
5. Eisen-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gehalte (in Masse-%) an Ni von 35 bis 38%, Mo
von 0,4 bis 0,8%, Cr von 0,1 bis 0,3%, C von 0,08 bis 0,12% sowie Mn auf
max. 1%, Si auf max. 1% und Nb auf max. 1% eingestellt sind.
6. Eisen-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet
durch Zugaben (in Masse-%) an Kobalt in Grenzen zwischen 0,5 und 7%.
7. Eisen-Nickel-Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Nickelgehalt (in Masse-%) zwischen 31 und 45% eingestellt ist.
8. Verwendung der Eisen-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7
für Rahmenteile von Schattenmasken sowie für Schattenmasken von
Bildschirmen und Monitoren.
9. Verwendung der Eisen-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7
für passive Komponenten von Thermobimetallen.
10. Verwendung der Eisen-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7
für Komponenten zur Herstellung, Lagerung und Transport von verflüssigten
Gasen.
11. Verwendung der Eisen-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
für Komponenten in der Laser-Technologie.
12. Verwendung der Eisen-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7
für Leadframes.
13. Verwendung der Eisen-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7
für Metall-Glasanschmelzungen.
14. Verwendung der Eisen-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7
für Rahmenteile von Bildschirm- oder Monitorschattenmasken.
15. Verwendung der Eisen-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7
für Bauteile von Elektronenkanonen, insbesondere in Fernsehröhren.
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