EP0713923A1 - Alliage fer-nickel à faible coefficient de dilatation - Google Patents

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EP0713923A1
EP0713923A1 EP95402513A EP95402513A EP0713923A1 EP 0713923 A1 EP0713923 A1 EP 0713923A1 EP 95402513 A EP95402513 A EP 95402513A EP 95402513 A EP95402513 A EP 95402513A EP 0713923 A1 EP0713923 A1 EP 0713923A1
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iron
nickel alloy
alloy
less
nickel
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Jacques Baudry
Michel Faral
Jean-François Tiers
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Aperam Stainless Precision SAS
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Imphy SA
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/08—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing nickel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/54—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with boron

Definitions

  • the present invention relates to an Iron / Nickel alloy with a low coefficient of expansion.
  • Iron / Nickel alloys with a low coefficient of expansion containing by weight between 35% and 40% of Nickel are well known.
  • Nickel and Iron these alloys always contain impurities such as Sulfur, Phosphorus, Oxygen, Nitrogen and Carbon resulting from the production. They can also contain elements such as Cobalt, Chromium, Copper, Molybdenum, Vanadium, Niobium and Silicon added in particular to adjust their mechanical properties. However, due to the presence of impurities, these alloys are difficult to deform when hot by rolling or forging.
  • the object of the present invention is to provide an iron / nickel alloy with a low manganese content having good ductility when hot and which can be produced by conventional methods.
  • the subject of the invention is an Iron / Nickel alloy, the chemical composition of which comprises, by weight, 35.5% ⁇ Ni ⁇ 37% Mn ⁇ 0.1% 0.03% ⁇ If ⁇ 0.15% 0.0001% ⁇ Ca ⁇ 0.002% 0.0001% ⁇ Mg ⁇ 0.002% Al ⁇ 0.005% S ⁇ 0.001% O ⁇ 0.01% N ⁇ 0.005% P ⁇ 0.003%
  • the chemical composition satisfying the relationship: S ⁇ 0.02 x Mn + 0.8 x Ca + 0.6 x Mg
  • the chemical composition is such that: O ⁇ 0.005% N ⁇ 0.003% S ⁇ 0.0005%
  • the nickel content must be between 35.8% and 36.3% and better still between 35.9% and 36.2% and, Cr ⁇ 0.1%, Cu ⁇ 0.1%, Mo ⁇ 0.1%, V ⁇ 0.1%, Nb ⁇ 0.1%
  • the invention also relates to a strip of iron / nickel alloy according to the invention, obtained by hot and then cold rolling, of width greater than 400 mm and whose coefficient of linear expansion between 20 ° C and 100 ° C is less than 0.9x10 -6 / o K.
  • the alloy according to the invention is an alloy based on Iron and Nickel containing, from 35.5% to 37% of Nickel, optionally complementary alloying elements such as Cobalt, Chromium, Copper, Molybdenum , Vanadium or Niobium in contents lower than 3%, intended to adjust the mechanical characteristics according to the uses.
  • the alloy imperatively contains less than 0.1% and preferably less than 0.05% of manganese because this element increases the coefficient of thermal expansion.
  • the contents of Calcium and Magnesium are limited to 0.002% to avoid the formation of large inclusions liable to cause pitting during chemical cutting, this is particularly the case when the alloy is used in the form of thin strips for the manufacture of shadow masks for cathode ray tubes.
  • the alloy contains less than 0.005% of Aluminum and less than 0.005% and preferably less than 0.003% of Nitrogen. It must also contain less than 0.01% and preferably less than 0.005% of Oxygen.
  • the nickel content should preferably be between 35.8% and 36.3%, and better still between 35.9% and 36.2%; the optimum content being 36.05%.
  • Cobalt is an element which can be partially substituted for Nickel up to 10%, but this element has disadvantages when the alloy must undergo a chemical attack for example to make chemical etching, also, its content must preferably be limited to 0.5%, in particular when the alloy is intended for manufacturing shadow masks for cathode ray tubes.
  • the alloy When the alloy is used to make thin strips intended for stamping, it must contain less than 0.02% and preferably less than 0.010% and better still, less than 0.005% of Carbon in order to have a limit of lowest possible elasticity which is favorable for good drawing ability.
  • the hydrogen content must be less than 0.001% and preferably less than 0.0005% to avoid the formation of blisters.
  • the boron content must remain less than 0.01% and preferably less than 0.005% and better still less than 0.0004% in order to avoid the formation of boron nitrides on the surface of the products during heat treatments. These nitrides form a powdery layer which causes poor adhesion of the blackening layer produced on the shadow masks.
  • the rest of the chemical composition of the alloy consists of Iron.
  • This alloy makes it possible to manufacture, by hot rolling of ingots or slabs, then by cold rolling, thin strips, of thickness less than 0.3 mm and of width greater than 400 mm, used in particular for the manufacture of face masks. shade for CRT screens.
  • the hot rolling was carried out without cracking.
  • the coefficient of expansion was 0.81x10 -6 / o K.
  • the elastic limit E0.2 was 270MPa
  • the coercive field was 0.45 Oe.
  • the tape had very good chemical etching ability. All of these properties made it particularly suitable for the manufacture of shadow masks for cathode ray tubes.
  • the alloy according to the invention can also be used in particular in metrology or for the manufacture of bimetallic strips.

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Abstract

Alliage Fer/Nickel à faible coefficient de dilatation dont la composition chimique comprend, en poids, de 35,5 à 37% de Nickel, moins de 0,1% de Manganèse, de 0,03% à 0,15% de Silicium, de 0,0001% à 0,002% de Calcium, de 0,0001% à 0,002% de Magnésium, moins de 0,005% d'Aluminium, moins de 0,001% de Soufre, moins de 0,01% d'Oxygène, moins de 0,005% d'Azote, moins de 0,003% de Phosphore ; la composition chimique satisfaisant en outre la relation : S <= 0,02 x Mn + 0,8 x Ca + 0,6 x Mg

Description

  • La présente invention concerne un alliage Fer/Nickel à faible coefficient de dilatation.
  • Les alliages Fer/Nickel à faible coefficient de dilatation contenant en poids entre 35% et 40% de Nickel sont bien connus.
  • Outre, le Nickel et le Fer, ces alliages contiennent toujours des impuretés tels que le Soufre, le Phosphore, l'Oxygène, l'Azote et le Carbone résultant de l'élaboration. Ils peuvent également contenir des éléments tels que le Cobalt, le Chrome, le Cuivre, le Molybdène, le Vanadium, le Niobium et le Silicium ajoutés notamment pour ajuster leurs propriétés mécaniques. Mais, du fait de la présence d'impuretés, ces alliages sont difficiles à déformer à chaud par laminage ou par forgeage.
  • Afin d'améliorer l'aptitude à la déformation à chaud, on ajoute du Manganèse en des teneurs supérieures à 0,2%. Mais cet élément a l'inconvénient d'augmenter sensiblement le coefficient de dilatation.
  • Dans le brevet américain US 2 050 387 on a proposé un procédé de fabrication d'un alliage Fer/Nickel à bas coefficient de dilatation et bonne forgeabilité à chaud selon lequel on élabore l'alliage en recuisant sous Hydrogène des matières premières de haute pureté à plus de 1150°C pendant 20 h puis en les fondant et en faisant solidifier sous une atmosphère d'Hydrogène. Ce procédé a l'inconvénient d'être compliqué à mettre en oeuvre et très coûteux.
  • Le but de la présente invention est de proposer un alliage Fer/Nickel à faible teneur en Manganèse ayant une bonne ductilité à chaud et pouvant être élaboré par les procédés classiques.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un alliage Fer/Nickel dont la composition chimique comprend, en poids , 35,5% ≤ Ni ≤ 37%
    Figure imgb0001
     Mn ≤ 0,1%
    Figure imgb0002
     0,03% ≤ Si ≤ 0,15%
    Figure imgb0003
     0,0001% ≤ Ca ≤ 0,002%
    Figure imgb0004
     0,0001% ≤ Mg ≤ 0,002%
    Figure imgb0005
     Al ≤ 0,005%
    Figure imgb0006
     S ≤ 0,001 %
    Figure imgb0007
     O ≤ 0,01 %
    Figure imgb0008
     N ≤ 0,005 %
    Figure imgb0009
     P ≤ 0,003%
    Figure imgb0010
     La composition chimique satisfaisant la relation : S ≤ 0,02 x Mn + 0,8 x Ca + 0,6 x Mg
    Figure imgb0011
  • De préférence, la composition chimique est telle que : O ≤ 0,005 %
    Figure imgb0012
     N ≤ 0,003%
    Figure imgb0013
     S ≤ 0,0005 %
    Figure imgb0014
  • Afin d'obtenir une bonne aptitude à l'emboutissage et un bon état de surface après traitement thermique, il est préférable que : C ≤ 0,005 %
    Figure imgb0015
     B ≤ 0,0004%
    Figure imgb0016
  • De préférence la teneur en Nickel doit être comprise entre 35,8% et 36,3% et mieux encore entre 35,9% et 36,2% et, Cr≤0,1%, Cu≤0,1%, Mo≤0,1%, V≤0,1%, Nb≤0,1%
  • Pour obtenir un très bas coefficient de dilatation, il est préférable que : Cr+Cu+Mo+V+Nb +Si ≤ 0,15%
  • L'invention concerne également une bande en alliage Fer/Nickel selon l'invention, obtenue par laminage à chaud puis à froid, de largeur supérieure à 400 mm et dont le coefficient de dilatation linéaire entre 20°C et 100°C est inférieur à 0,9x10-6/oK.
  • L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative.
  • L'alliage selon l'invention est un alliage à base de Fer et de Nickel contenant, de 35,5% à 37% de Nickel, éventuellement des éléments d'alliage complémentaires tels que le Cobalt, le Chrome, le Cuivre, le Molybdène, le Vanadium ou le Niobium en des teneurs inférieures à 3%, destinés à ajuster les caractéristiques mécaniques en fonction des utilisations.
  • L'alliage contient, impérativement, moins de 0,1% et de préférence moins de 0,05% de Manganèse car cet élément augmente le coefficient de dilatation thermique.
  • La faible teneur en Manganèse a pour inconvénient d'être défavorable à l'aptitude à la déformation à chaud (ductililté à chaud) de l'alliage et pour obtenir une bonne ductilité à chaud il est nécessaire que l'alliage contienne en combinaison :
    • moins de 0,001% et de préférence moins de 0,0005% de Soufre.
    • moins de 0,003% de Phosphore.
    • entre 0,0001 % et 0,002% de Calcium.
    • entre 0,0001 % et 0,002% de Magnésium
    • entre 0,03% et 0,015% de Silicium.
  • Les teneurs en Manganèse, Calcium, Magnésium et Soufre doivent être telles que : S ≤ 0,02 x Mn + 0,8 x Ca + 0,6 x Mg
    Figure imgb0017
  • Les teneurs en Calcium et Magnésium sont limitées à 0,002% pour éviter la formation de grosses inclusions susceptibles de provoquer des piqûres lors de la découpe chimique, c'est notamment le cas lorsque l'alliage est utilisé sous forme de bandes minces pour la fabrication de masques d'ombre pour tubes cathodiques.
  • Il est également nécessaire, pour obtenir une bonne ductilité à chaud, que l'alliage contienne moins de 0,005% d'Aluminium et moins de 0,005% et de préférence moins de 0,003% d'Azote. Il doit également contenir moins de 0,01 % et de préférence moins de 0,005% d'Oxygène.
  • Afin d'obtenir le coefficient de dilatation le plus bas possible, la teneur en Nickel doit être comprise de préférence entre 35,8% et 36,3%, et mieux encore entre 35,9% et 36,2% ; la teneur optimale étant 36,05%.
  • Les éléments d'alliage Chrome, Cuivre, Molybdène, Vanadium Niobium et Silicium ont un effet défavorable sur le coefficient de dilatation. Aussi, lorsqu'on cherche le coefficient de dilatation le plus bas possible, les teneurs en chacun de ces éléments doivent rester inférieures à 0,1% et de préférence inférieures à 0,05%.
    Mieux encore il est souhaitable que : Cr+Cu+Mo+V+Nb+Si ≤ 0,15%
    Figure imgb0018
  • Le cobalt est un élément qui peut être substitué partiellement au Nickel jusqu'à hauteur de 10%, mais cet élément présente des inconvénients lorsque l'alliage doit subir une attaque chimique par exemple pour faire de la gravure chimique, aussi, sa teneur doit de préférence être limitée à 0,5% notamment lorsque l'alliage est destiné à fabriquer des masques d'ombre pour tubes cathodiques.
  • Lorsque l'alliage est utilisé pour fabriquer des bandes minces destinées à être embouties, il doit contenir moins de 0,02% et de préférence moins de 0,010% et mieux encore, moins de 0,005% de Carbone afin d'avoir une limite d'élasticité la plus basse possible ce qui est favorable à une bonne aptitude à l'emboutissage.
  • La teneur en Hydrogène doit être inférieure à 0,001% et de préférence inférieure à 0,0005% pour éviter la formation de soufflures. La teneur en Bore doit rester inférieure à 0,01 % et de préférence inférieure à 0,005% et mieux encore inférieure à 0,0004% afin d'éviter la formation de nitrures de Bore en surface des produits lors des traitements thermiques. Ces nitrures forment une couche pulvérulente qui entraîne une mauvaise adhérence de la couche de noircissage réalisée sur les masques d'ombre.
  • Le reste de la composition chimique de l'alliage est constitué par du Fer.
  • Cet alliage permet de fabriquer par laminage à chaud de lingots ou de brames, puis par laminage à froid, des bandes minces, d'épaisseur inférieure à 0,3 mm et de largeur supérieure à 400 mm, utilisées notamment pour la fabrication de masques d'ombre pour écrans cathodiques.
  • A titre d'exemple, on a fabriqué une bande de 600 mm de large et de 0,15 mm d'épaisseur, par laminage à chaud puis à froid d'un lingot d'alliage Fer/Nickel dont la composition chimique était en poids :
    • Ni : 35,97%
    • Co : 0,019%
    • Cr : 0,025%
    • Cu :< 0,01%
    • Mo : 0,0058%
    • V: < 0,005%
    • Nb : < 0,005%
    • Mn : 0,041%
    • Si : 0,048%
    • S: < 0,0005%
    • Ca : 0,0002%
    • Mg : 0,0003%
    • Al : < 0,005%
    • O : 0,0045%
    • C : 0,0033%
    • N : 0,0032%
    • P: < 0,003%
    • H: < 0,001 %
    • B: < 0,0004%
  • Lorsque les teneurs sont indiquées comme étant "inférieures à" cela signifie qu'elles sont inférieures à la limite de sensibilité des méthodes d'analyse utilisées.
  • Le laminage à chaud s'est effectué sans formation de criques. Le coefficient de dilatation était de 0,81x10-6/oK. Après traitement thermique de 30 minutes à 800°C, la limite d'élasticité E0,2 était de 270MPa, le champ coercitif était de 0,45 Oe. La bande avait une très bonne aptitude à la gravure chimique. L'ensemble de ces propriétés la rendaient particulièrement apte à la fabrication de masques d'ombre pour tubes cathodiques.
  • L'alliage selon l'invention peut également être utilisé notamment en métrologie ou pour la fabrication de bilames.

Claims (6)

  1. Alliage Fer/Nickel à faible coefficient de dilatation caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en poids : 35,5% ≤ Ni ≤ 37%
    Figure imgb0019
     Mn ≤ 0,1%
    Figure imgb0020
     0,03% ≤ Si ≤ 0,15%
    Figure imgb0021
     0,0001% ≤ Ca ≤ 0,002%
    Figure imgb0022
     0,0001% ≤ Mg ≤ 0,002%
    Figure imgb0023
     Al ≤ 0,005%
    Figure imgb0024
     S ≤ 0,001%
    Figure imgb0025
     O ≤ 0,01%
    Figure imgb0026
     N ≤ 0,005%
    Figure imgb0027
     P ≤ 0,003%
    Figure imgb0028
     C ≤ 0,005%
    Figure imgb0029
     B ≤ 0,0004%
    Figure imgb0030
     H ≤ 0,001%
    Figure imgb0031
     Cr ≤ 0,1%
    Figure imgb0032
     Cu ≤ 0,1%
    Figure imgb0033
     Mo ≤ 0,1%
    Figure imgb0034
     V ≤ 0,1%
    Figure imgb0035
     Nb ≤ 0,1 %
    Figure imgb0036
     Co ≤ 0,5%
    Figure imgb0037
     le reste étant du fer,
    et en ce que : S ≤ 0,02 x Mn + 0,8 x Ca + 0,6 x Mg
    Figure imgb0038
  2. Alliage Fer/Nickel selon la revendication 1 caractérisé en ce que: O ≤ 0,005%
    Figure imgb0039
     N ≤ 0,003%
    Figure imgb0040
     S ≤ 0,0005%
    Figure imgb0041
  3. Alliage Fer/Nickel selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que : 35,8% ≤ Ni ≤ 36,3%
    Figure imgb0042
  4. Alliage Fer/Nickel selon la revendication 3 caractérisé en ce que: 35,9% ≤ Ni ≤ 36,2%
    Figure imgb0043
  5. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que : Cr+Cu+Mo+V+Nb+Si ≤ 0,15%
    Figure imgb0044
  6. Bande en alliage Fer/Nickel selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 obtenue par laminage à chaud puis à froid, caractérisée en ce que sa largeur est supérieure à 400 mm et son coefficient de dilatation entre 20°C et 100°C est inférieur à 0,9x10-6/oK.
EP95402513A 1994-11-23 1995-11-10 Alliage fer-nickel à faible coefficient de dilatation Expired - Lifetime EP0713923B1 (fr)

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