DE19944578C2 - Verwendung einer wärmeausdehnungsarmen Eisen-Nickel-Legierung mit besonderen mechanischsen Eigenschaften - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer ausdehnungsarmen 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.

Dem abstract zur JP 09176797 A ist ein Fe-Ni-Cr Legierungsmaterial für Schattenmasken zu entnehmen, beinhaltend eine Zusammensetzung von (in Masse%) 30-45% Ni, 1-10% Cr. Die Mengengehalte an Al, Mn, S, Si, C werden auf ≦ 0,1%-≦ 0,30% beschränkt. Rest ist Fe einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen. Eines oder mehrere der Elemente Ti, Zr, Mo, Nb, B, V, Be, Hf, Ta und W können zusätzlich in Gehalten zwischen 0,01-1% hinzulegiert werden.

Der abstract zur JP 07243005 offenbart Lead frame-Materialien in Verbindung mit Halbleitern. Das Material hat folgende Zusammensetzung (in Masse%): 30-48% Ni, 0,005-1% wenigstens eines der Elemente Nb, Mo, V, W, Ti, Zr, Cr, B, 0,003 0,02% C, ≦ 50 ppm O, ≦ 10 ppm H, Rest Eisen. Mindestens eines der genannten Elemente kann hierbei in Form von Carbiden vorliegen.

Im abstract zur JP 06322486 ist ein Trägerelement für Schattenmasken sowie dessen Herstellungsverfahren abgehandelt. Die Schattenmaske soll in Kathodenstrahlröhren eingesetzt werden. Die Zusammensetzung (in Masse%) wird wie folgt wiedergegeben: 0,1-0,5% C, 1% Si, 2% Mn, 30-40% Ni, 1-5 % Mo, Rest Eisen. Bei Bedarf können jeweils noch bis zu 10% Cr und Co zulegiert werden, so daß die Maßgabe 30-40% Ni + Co erfüllt ist.

Im Hinblick auf den verhältnismäßig großen Spreizungsbereich für Nickel sowie die anteilig hohe Zulegierung der Elemente Mo und Cr ist nicht gewährleistet, daß bei gewollt geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten auch den Anforderungen an die Kriechbeständigkeit genüge getan wird.

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 bestimmte technische Anwendungsgebiete bevorzugt eingesetzt werden kann.

Dieses Ziel wird erreicht durch die Verwendung einer kriechbeständigen und ausdehnungsarmen Eisen-Nickel-Legierung, die (in Masse-%) neben 0,02 bis < 0,1% C, max. 0,5% Mn, und max. 0,3% Si einen Mo-Gehalt von 0,1 bis < 1,0% und einen Cr-Gehalt von 0,1 bis < 1,0%, ≦ 0,2% Nb, sowie einen Ni- Gehalt von 34,0 bis 39,0% beinhaltet, Rest-Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen, wobei die Legierung im Temperaturbereich von 20 bis 100°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten < 4,0 × 10^-6/K aufweist, für Rahmenteile von Schattenmasken sowie für Schattenmasken von Bildschirmen und Monitoren.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäß verwendeten Legierungen sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die erforderlichen technologischen Eigenschäften 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.

Im folgenden werden bevorzugte erfindungsgemäß verwendete Legierungen in Bezug auf ihre mechanischen Eigenschaften mit Legierungen gemäß Stand der Technik verglichen.

Eine bevorzugte Zusammensetzung E1 einer Legierung 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 Legierung E1 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 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 einer weiteren Legierung 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 Legierung E1. Die für die Anwendung notwendige Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist mit der 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 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 abgehandelten 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 einer weiteren Legierung 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 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 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 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 einer weiteren Legierung 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 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 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 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 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 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 (6)

1. Verwendung einer kriechbeständigen und ausdehnungsarmen Eisen- Nickel-Legierung, die (in Masse-%) neben 0,02 bis < 0,1% C, max. 0,5% Mn, und max. 0,3% Si einen Mo-Gehalt von 0,1 bis < 1,0% und einen Cr-Gehalt von 0,1 bis < 1,0%, ≦ 0,2% Nb, sowie einen Ni-Gehalt von 34,0 bis 39,0% beinhaltet, Rest-Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen, wobei die Legierung im Temperaturbereich von 20 bis 100°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten < 4,0 × 10^-6/K aufweist, für Rahmenteile von Schattenmasken sowie für Schattenmasken von Bildschirmen und Monitoren.

2. Verwendung der Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte (in Masse-%) an Ni von 37 bis 39%, Mo von 0,1 bis 1,0%, Cr von 0,6 bis 1,0%, C von 0,02 bis 0,1% sowie Mn auf max. 0,5%, Si auf max. 0,3%, und Nb auf max. 0,2% eingestellt sind.

3. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte (in Masse-%) an Ni von 35 bis 38%, Mo von 0,1 bis 1,0%, Cr von 0,2 bis 0,6%, C von 0,02 bis 0,1% sowie Mn auf max. 0,5%, Si auf max. 0,3% und Nb auf max. 0,2% eingestellt sind.

4. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte (in Masse-%) an Ni von 35 bis 38%, Mo von 0,7 bis 1,0%, Cr auf max. 0,1%, C von 0,08 bis 0,1% sowie Mn auf max. 0,5%, Si auf max. 0,3% und Nb auf max. 0,2% eingestellt sind.

5. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 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 0,1% sowie Mn auf max. 0,5%, Si auf max. 0,3% und Nb auf max. 0,2% eingestellt sind.

6. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Zugaben (in Masse-%) an Kobalt in Grenzen zwischen 0,01 und 0,5%.