EP1173628B1 - Eisen-nickel-legierung - Google Patents

Eisen-nickel-legierung Download PDF

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EP1173628B1
EP1173628B1 EP00905008A EP00905008A EP1173628B1 EP 1173628 B1 EP1173628 B1 EP 1173628B1 EP 00905008 A EP00905008 A EP 00905008A EP 00905008 A EP00905008 A EP 00905008A EP 1173628 B1 EP1173628 B1 EP 1173628B1
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iron
nickel alloy
nickel
alloy
low
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Krupp VDM GmbH
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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
    • C22C38/10—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing cobalt
    • C22C38/105—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing cobalt containing Co and Ni

Definitions

  • the invention relates to a low-expansion iron-nickel alloy.
  • iron-based alloys with 36% nickel have a low coefficient of expansion in the temperature range of 20 and 100 ° C. For this reason, these alloys have been used for several decades where constant lengths are required even when the temperature changes, such as precision instruments, watches, bimetals. With the development of color television sets and computer monitors in the direction of higher resolution, color fidelity and contrast strength even under unfavorable lighting conditions, and especially with regard to the development of ever flatter and larger screens, iron-nickel materials are increasingly being used for shadow masks.
  • an iron-based alloy with at least 34% nickel with a lower coefficient of thermal expansion in the temperature range from 20 to 100 ° C of below 1.0 x 10 -6 / K could be developed according to DE-A 4402684 by the Manganese content was kept lower than 0.1% and the iron-nickel ratio Fe / Ni was chosen between 1.75 and 1.83.
  • Typical values of the coefficient of thermal expansion in the temperature range from 20 to 100 ° C are between 0.6 and 0.9 x 10 -6 / K.
  • the DE-A 22 17 280 relates to a pinhole in color picture tubes, the material of which an iron-nickel alloy having a temperature range of 20 - 80 ° specific thermal expansion of 0-2, preferably of 0.6 to 1.2 x 10 - 6 / C of the following composition (in% by weight) is: 30 - 45% Ni, 0 - 2.5% Mn, 0 - 2% Si, 0 - 2% C, 0 - 8% Co, 0 - 11% Cr, 0 - 3% W, balance iron.
  • a preferred alloy should have the following composition (in% by weight): 30-31% Ni, 4-8, preferably 5-7% Co, balance iron.
  • An iron-nickel alloy is known from JP-A 6-336655, which with Ni content between 35 and 36% by weight Co content between 0 and 0.7% by weight having.
  • an alloy is required that achieves a thermal expansion coefficient in the temperature range from 20 to 100 ° C even below 1.0 x 10 -6 / K.
  • the alloy costs must be significantly lower than that of the iron-based alloy with about 32% nickel and 5% cobalt.
  • JP-A 06336655 contains an iron-nickel (cobalt) alloy for shadow masks described, which can have the following composition: ⁇ 0.35% Mn, ⁇ 0.020% Al, ⁇ 0.09% Si, ⁇ 0.06% Cr, ⁇ 0.03% Ti, ⁇ 0.06% Mo, ⁇ 0.04% W, ⁇ 0.03% Nb, ⁇ 0.02% V, ⁇ 0.03% Cu and ⁇ 0.10% Ti + Cr + Al + Cu.
  • the nickel content should between 28% and 38%, the rest Fe. Depending on the nickel content can be added between 1 and 7% cobalt. As already mentioned cobalt is an expensive alloying element that can be largely replaced.
  • EP-A 0567989 is a shadow mask material, a method of manufacturing the same and a color picture tube with such a material.
  • An Fe-Ni alloy with (in mass%) 30 - 40% Ni, rest Fe, is used. Up to 10% of the nickel can be replaced by cobalt.
  • On permissible Impurities are considered in the following contents: C ⁇ 0.005%, S ⁇ 0.005%, P ⁇ 0.005%, O ⁇ 0.005%, N ⁇ 0.005%.
  • Nb Nb, Ti, Zr, Mo, V, W, Be, Si, Al, Ta.
  • the purpose of this publication is the textures of the Optimize shadow mask material.
  • US-A-5811918 describes a shadow mask material with ⁇ 20 ° - 100 ° C ⁇ 0.9 x 10 -6 / ° C, the alloy contains 35 - 37% NI, less than 0.1 of (each) Mn, Cr and Si, and Max 0.9% Co.
  • the object of the invention is a low-expansion iron-nickel alloy provide the use of inexpensive alloy elements nevertheless optimal thermal expansion coefficients in the temperature range reached from 20 - 100 ° C and can be used for different applications should be.
  • the alloy must, especially when processing the alloy Shadow masks for color television sets, good hot and cold formability exhibit.
  • Cobalt contents lower than 0.5% do not achieve the desired effect.
  • the alloy according to the invention draws excels in processability and demands from Production of shadow masks no additional process steps. she shows furthermore a long-term stability of their thermal properties.
  • the alloy according to the invention achieves very low coefficients of thermal expansion in the temperature range from 20 to 100 ° C. from below 0.6 x 10 -6 / K.
  • a higher manganese content is at least 0.2% essential for good hot formability.
  • the alloy according to the invention is also very low manganese contents of less than 0.05% both warm and very good is cold formable.

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Description

Die Erfindung betrifft eine ausdehnungsarme 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 Farbfemsehgeräte 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 x 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 4402684 eine Eisenbasislegierung mit mindestens 34 % Nickel mit einem niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 bis 100°C von unter 1,0 x 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 x 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 x 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 x 10-6/K erzielt. Die Legierungskosten müssen aber deutlich niedriger sein, als die der Eisenbasislegierung mit etwa 32 % Nickel und 5 % Cobalt.
In der JP-A 06336655 ist eine Eisen-Nickel-(Kobalt)-Legierung für Schattenmasken beschrieben, die folgende Zusammensetzung aufweisen kann: ≤ 0,35% Mn, ≤ 0,020% Al, ≤ 0,09% Si, ≤ 0,06% Cr, ≤ 0,03% Ti, ≤ 0,06% Mo, ≤ 0,04% W, ≤ 0,03% Nb, ≤ 0,02% V, ≤ 0,03% Cu sowie ≤ 0,10% Ti+Cr+Al+Cu. Der Nickelgehalt soll zwischen 28% und 38% betragen, Rest Fe. In Abhängigkeit vom Nickelgehalt können zwischen 1 und 7% Kobalt hinzulegiert werden. Wie bereits angesprochen stellt Kobalt ein teures Legierungselement dar, das weitestgehend zu ersetzen ist.
Der EP-A 0567989 ist ein Schattenmaskenmaterial, ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie eine Farbbildröhre mit einem solchen Material zu entnehmen. Zum Einsatz kommt eine Fe-Ni-Legierung mit (in Masse-%) 30 - 40% Ni, Rest Fe. Ein Anteil des Nickels kann bis zu 10% durch Kobalt ersetzt werden. An zulässigen Verunreinigungen werden in folgenden Gehalten angesehen: C ≤ 0,005%, S ≤ 0,005%, P ≤ 0,005%, O ≤ 0,005%, N ≤ 0,005%. Des weiteren können zwischen 0,001 - 3% einzeln oder kombiniert nachstehende Elemente zulegiert werden: Nb, Ti, Zr, Mo, V, W, Be, Si, Al, Ta. Zweck dieser Druckschrift ist es, die Texturen des Schattenmaskenmaterials zu optimieren.
US-A-5811918 beschreibt ein Schattenmaskenmaterial mit α 20° - 100°C≤0.9 x 10-6/°C, die Legierung enthält 35 - 37% NI, weniger als 0.1 von (jedem) Mn, Cr und Si, und Max 0.9 % Co.
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 Anwendungsfälle 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 erreicht durch eine ausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierung, die (in Masse-%) zur Einstellung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 0,6 x 10-6/K im Temperaturbereich von 20 bis 100°C neben max. 0,009 % C, max. 0,05 % Mn, max. 0,05 % Si und 0,01 bis 0,05% AI noch 0,7 bis 1,3 % Co, 35 bis 36% Ni, Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen enthält.
Niedrigere Kobaltgehalte als 0,5 % erzielen nicht den gewünschten Effekt. 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 x 10-6/K.
Bevorzugte Verwendungsformen des Erfindungsgegenstandes sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.
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.
Die erfindungsgemäße Legierung kann eingesetzt werden 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 Lasertechnologie

Claims (5)

  1. Ausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierung, die (in Masse-%) zur Einstellung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 0,6 x 10-6/K im Temperaturbereich von 20 bis 100°C neben max. 0,009 % C, max. 0,05 % Mn, max. 0,05 % Si und 0,01 bis 0,05% Al noch 0,7 bis 1,3 % Co, 35 bis 36% Ni, Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen enthält.
  2. Verwendung der ausdehnungsarmen Eisen-Nickel-Legierung nach Anspruch 1 für Schattenmasken und Rahmenteile von Bildschirmen.
  3. Verwendung der ausdehnungsarmen Eisen-Nickel-Legierung nach Anspruch 1 für passive Komponenten von Thermo-Bimetallen.
  4. Verwendung der ausdehnungsarmen Eisen-Nickel-Legierung nach Anspruch 1 für Komponenten zur Herstellung, Lagerung und Transport von verflüssigten Gasen.
  5. Verwendung der ausdehnungsarmen Eisen-Nickel-Legierung nach Anspruch 1 für Komponenten in der Laser-Technologie.
EP00905008A 1999-05-03 2000-02-02 Eisen-nickel-legierung Expired - Lifetime EP1173628B1 (de)

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