EP2279274B1 - Eisen-nickel-legierung - Google Patents

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EP2279274B1
EP2279274B1 EP09741742A EP09741742A EP2279274B1 EP 2279274 B1 EP2279274 B1 EP 2279274B1 EP 09741742 A EP09741742 A EP 09741742A EP 09741742 A EP09741742 A EP 09741742A EP 2279274 B1 EP2279274 B1 EP 2279274B1
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EP
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alloy according
mass
max
sum
wire
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EP09741742A
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Bernd De Boer
Bodo Gehrmann
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VDM Metals GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp VDM GmbH
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    • 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
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • 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
    • C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten

Definitions

  • the invention relates to a low-thermal expansion iron-nickel alloy with special mechanical properties.
  • iron-base alloys with about 36% nickel have low expansion coefficients in the temperature range between 20 and 100 ° C. Therefore, these alloys have been used for some decades, where even with temperature changes constant lengths are required, such as precision instruments, watches, bimetals or shadow masks for color TV sets and computer monitors.
  • the Invar alloy has the following composition (in mass%) 33 to 38% nickel, 0.5 to 1.0% cobalt, 0.01 to 1.3% niobium, 0.5 to 4% molybdenum, 0.2 up to 1.5% chromium, 0.05 to 0.35% carbon, 0.1 to 1.2% silicon, 0.1 to 0.9% manganese, max. 0.1% magnesium, max. 0.1% titanium, remainder iron, where the sum of Mo + Cr is between 1.2 and 5.0% and the sum of niobium and carbon is between 0.1 and 0.6%.
  • the KR 1020000042608 discloses a high strength Invar alloy wire and a method of making the same.
  • the alloy used contains (in% by mass) not more than 0.1% nitrogen, 0.01 to 0.2% niobium, 0.3 to 0.4% carbon, 33 to 38% nickel, 0.5 to 4% molybdenum, 0.2 to 1.5% chromium, 0.1 to 1.2% silicon, 0.1 to 0.9% manganese, 1.0 to 10% cobalt and, if necessary, additions of Al, Mg and Ti in each case to 0.1%, balance iron.
  • the aim of the subject invention is to provide a low thermal expansion creep-resistant iron-nickel alloy with special mechanical To provide properties.
  • a manufacturing method for wire-shaped components made of this alloy will be presented.
  • the material should be usable for certain applications, the alloy should have a low coefficient of thermal expansion.
  • an iron-nickel alloy of the following composition: C 0.05 to 0.5% Cr 0.2 to 2.0% Ni 33 to 42% Mn ⁇ 0.1% Si ⁇ 0.1% Not a word 1.5 to 4.0% Nb 0.01 to 0.5% al 0.1 to 0.8% mg 0.001 to 0.01% V Max. 0.1% W 0.1 to 1.5% Co Max. 2.0% optional Zr > 0 to ⁇ 0.2% and / or optional B > 0 - 0.01%, wherein, if necessary, the element Mo can be proportionally substituted by the element W.
  • a preferred variant of the iron-nickel alloy according to the invention is reproduced (in% by mass) as follows: C 0.1 to 0.4% Cr 0.5 to 1.5% Ni 34 to 40% Mn ⁇ 0.08% Si ⁇ 0.08% Not a word > 2.0 to ⁇ 3.5% Nb 0.05 to 0.4% al 0.2 to 0.5% mg 0.001 to ⁇ 0.01% V Max. 0.1% W 0.2 to ⁇ 1.0% Co 0 to 1.0% Fe Remainder and production-related admixtures.
  • Another variant is formed by (in% by mass): C > 0.15 to ⁇ 0.4% Cr 0.6 to max. 1.2% Ni 35 to 40% Mn ⁇ 0.08% Si ⁇ 0.08% Not a word > 2.0 to ⁇ 3.0% Nb 0.05 to ⁇ 0.3% al > 0.1 to ⁇ 0.5% mg > 0 to ⁇ 0.01% V Max. 0.1% W 0.25 to 1.0% Co 0 to max. 0.5% B > 0 to ⁇ 0.01% Fe Remainder and production-related admixtures.
  • the inventive composition of the alloy is distinguished from the prior art in that the Si and Mn contents are kept as low as technically possible. It is known that in terms of the coefficient of thermal expansion, a strong dependence of the elements silicon and manganese is given. On the other hand, these elements are metallurgically necessary to ensure sufficient processability. This applies in particular to the hot forming of billets and wire rod.
  • the chemical composition according to the invention therefore makes it possible to dispense with the elements silicon and manganese as far as possible, whereby the negative influence of these elements on the thermal expansion coefficients can be avoided and, at the same time, a good processability of the alloy is achieved. For this reason, the sum of Mn + Si should not exceed (in% by mass) 0.2%. If technically feasible, the sum of Mn + Si should be ⁇ 0.1%.
  • the alloy according to the invention has a nickel content of between 35 and 38%, a chromium content of> 0.6 to ⁇ 1.2%, a molybdenum content of between 2.1 and 2.8%, and an aluminum content of between 0.2 and 0 , 4% and a tungsten content> 0.25 to ⁇ 1.0%.
  • the ratio W: Cr: Mo should, according to another idea of the invention, be approximately 1: 2: 5. However, the proportion of said elements in the alloy according to the invention must be specified so that the desired thermal expansion coefficient is not exceeded.
  • the alloy according to the invention has a thermal expansion coefficient ⁇ 4 ⁇ 10 -6 / K, in particular ⁇ 3.5 ⁇ 10 -6 / K.
  • the alloy according to the invention can be used as a wire for transmission lines, in particular as a core wire for transmission lines.
  • the alloy according to the invention can be present for the preferred applications in the form of sheet metal, rod, strip or wire material.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine wärmeausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierung mit besonderen mechanischen Eigenschaften.
  • Es ist bekannt, dass Eisen-Basislegierungen mit etwa 36 % Nickel niedrige Ausdehnungskoeffizienten 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 beispielsweise bei Präzisionsinstrumenten, Uhren, Bimetallen oder Schattenmasken für Farbfernsehgeräte und Computermonitore.
  • Der KR 100261678 B1 ist ein Invar-Legierungsdraht und ein Verfahren zur Herstellung desselben zu entnehmen. Die Invar-Legierung hat folgende Zusammensetzung (in Masse-%) 33 bis 38 % Nickel, 0,5 bis 1,0 % Kobalt, 0,01 bis 1,3 % Niob, 0,5 bis 4 % Molybdän, 0,2 bis 1,5 % Chrom, 0,05 bis 0,35 % Kohlenstoff, 0,1 bis 1,2 % Silizium, 0,1 bis 0,9 % Mangan, max. 0,1 % Magnesium, max. 0,1 % Titan, Rest Eisen, wobei die Summe aus Mo + Cr zwischen 1,2 und 5,0 % und die Summe aus Niob und Kohlenstoff zwischen 0,1 und 0,6 % beträgt.
  • Die KR 1020000042608 offenbart einen hochfesten Invar-Legierungsdraht sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Die zum Einsatz gelangende Legierung beinhaltet (in Masse-%) nicht mehr als 0,1 % Stickstoff, 0,01 bis 0,2 % Niob, 0,3 bis 0,4 % Kohlenstoff, 33 bis 38 % Nickel, 0,5 bis 4 % Molybdän, 0,2 bis 1,5 % Chrom, 0,1 bis 1,2 % Silizium, 0,1 bis 0,9 % Mangan, 1,0 bis 10 % Kobalt sowie bedarfsweise Zugaben an Al, Mg und Ti jeweils bis 0,1 %, Rest Eisen.
  • In beiden Druckschriften sind Verfahrensparameter zum Kalt-/Warmziehen und Glühen innerhalb definierter Temperaturbereiche angegeben.
  • Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, eine wärmeausdehnungsarme kriechbeständige Eisen-Nickel-Legierung mit besonderen mechanischen Eigenschaften bereit zu stellen. Darüber hinaus soll ein Herstellungsverfahren für drahtförmige Bauteile aus dieser Legierung vorgestellt werden. Schließlich soll der Werkstoff für bestimmte Einsatzfälle verwendbar sein, wobei die Legierung einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen soll.
  • Dieses Ziel wird erreicht durch eine Eisen-Nickel-Legierung folgender Zusammensetzung:
    C 0,05 bis 0,5 %
    Cr 0,2 bis 2,0 %
    Ni 33 bis 42 %
    Mn < 0,1 %
    Si < 0,1 %
    Mo 1,5 bis 4,0 %
    Nb 0,01 bis 0,5 %
    Al 0,1 bis 0,8 %
    Mg 0,001 bis 0,01 %
    V max. 0,1 %
    W 0,1 bis 1,5 %
    Co max. 2,0 %
    optional Zr > 0 bis < 0,2 % und/oder
    optional B > 0 - 0,01 %,
    wobei bedarfsweise das Element Mo anteilig durch das Element W substituiert werden kann
    Fe Rest und herstellungsbedingten Beimengungen
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Eisen-Nickel-Legierung wird (in Masse-%) wie folgt wiedergegeben:
    C 0,1 bis 0,4 %
    Cr 0,5 bis 1,5 %
    Ni 34 bis 40 %
    Mn < 0,08 %
    Si < 0,08 %
    Mo > 2,0 bis < 3,5 %
    Nb 0,05 bis 0,4 %
    Al 0,2 bis 0,5 %
    Mg 0,001 bis < 0,01 %
    V max. 0,1 %
    W 0,2 bis < 1,0 %
    Co 0 bis 1,0 %
    Fe Rest und herstellungsbedingte Beimengungen.
  • Eine weitere Variante wird gebildet durch (in Masse-%):
    C > 0,15 bis < 0,4 %
    Cr 0,6 bis max. 1,2 %
    Ni 35 bis 40 %
    Mn < 0,08 %
    Si < 0,08 %
    Mo > 2,0 bis < 3,0 %
    Nb 0,05 bis < 0,3 %
    Al > 0,1 bis < 0,5 %
    Mg > 0 bis < 0,01 %
    V max. 0,1 %
    W 0,25 bis 1,0 %
    Co 0 bis max. 0,5 %
    B > 0 bis < 0,01%
    Fe Rest und herstellungsbedingte Beimengungen.
  • Die erfindungsgemäße Zusammensetzung der Legierung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass die Si- sowie Mn-Gehalte so gering als technisch möglich gehalten werden. Es ist bekannt, dass hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine starke Abhängigkeit der Elemente Silizium und Mangan gegeben ist. Andererseits sind diese Elemente metallurgisch notwendig, um eine ausreichende Verarbeitbarkeit zu gewährleisten. Dies betrifft insbesondere die Warmformgebung zu Knüppeln und Walzdraht.
  • Durch die erfindungsgemäße chemische Zusammensetzung kann somit weitestgehend auf die Elemente Silizium und Mangan verzichtet werden, wodurch der negative Einfluss dieser Elemente auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten vermieden werden kann und gleichzeitig eine gute Verarbeitbarkeit der Legierung gegeben ist. Aus diesem Grund soll die Summe an Mn + Si hierbei (in Masse-%) 0,2 % nicht überschreiten. Soweit technisch realisierbar, soll die Summe an Mn + Si ≤ 0,1 % betragen.
  • Von besonderem Vorteil ist, wenn die erfindungsgemäße Legierung einen Nickelgehalt zwischen 35 und 38 %, einen Chromgehalt > 0,6 bis < 1,2 %, einen Molybdängehalt zwischen 2,1 und 2,8 %, einen Aluminiumgehalt zwischen 0,2 und 0,4 % sowie einen Wolframgehalt > 0,25 bis < 1,0 % aufweist.
  • B + Zr einzeln oder gemeinsam verbessern die Warmformgebbarkeit der Legierung.
  • Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Summe der Elemente Mo + W zwischen 2,0 und 4,0 % beträgt.
  • Ebenfalls vorteilhaft für die mechanischen Eigenschaften ist, wenn die Summe der Elemente Cr + W zwischen 1,0 und 2,0 % liegt.
  • Von Bedeutung ist, dass zum einen die Legierungselemente Mo, W, Cr und C in ausreichender Menge zur Verfügung stehen und zum anderen das Verhältnis aus (Mo + W + Cr)/C dergestalt gewählt wird, dass eine ausgewogene Mischung aus Karbidverfestigung, Mischkristallhärtung und Kaltverfestigung im Endprodukt erreicht werden kann. Ein optimales Verhältnis wird im Bereich zwischen 14 und 15 gesehen.
  • Das Verhältnis W : Cr : Mo soll, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, etwa bei 1 : 2 : 5 liegen. Der Anteil der genannten Elemente in der erfindungsgemäßen Legierung muss jedoch so vorgegeben werden, dass der angestrebte thermische Ausdehnungskoeffizient nicht überschritten wird.
  • Die erfindungsgemäße Legierung hat im Temperaturbereich zwischen 20 und 200°C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 4 x 10-6/K, insbesondere < 3,5 x 10-6/K.
  • Ferner vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus der erfindungsgemäßen Legierung im Lichtbogen-, Induktions- oder Vakuumofen (bedarfsweise mit VOD-Behandlung), mit anschließendem Blockguss, Warmwalzen (oder -schmieden) zu Knüppeln und Warmwalzen an Draht vorgebbarer Dicke, anschließendem Ziehen zu drahtförmigen Vorprodukten vorgebbaren Durchmessers, wobei zwischen einzelnen Ziehstufen bedarfsweise Glühvorgänge gegeben sind. Da der Grad der Kaltverfestigung entscheidend für die Gebrauchseigenschaften sowohl hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten als auch der Festigkeit ist, muss der Walzdrahtdurchmesser so eingestellt werden, dass vor und nach einer gegebenenfalls mehrstufigen Zwischenglühung eine ausreichende Kaltverformung herbeigeführt werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Legierung ist, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, einsetzbar als Draht für Überlandleitungen, insbesondere als Kerndraht für Überlandleitungen.
  • Die erfindungsgemäße Legierung ist darüber hinaus vorteilhaft einsetzbar für
    • Leadframes,
    • Formteile, insbesondere CFK-Formteile,
    • Bauteile in der Chip-Herstellung.
  • Die erfindungsgemäße Legierung kann für die bevorzugten Einsatzfälle in Form von Blech-, Stangen-, Band- oder Drahtmaterial vorliegen.

Claims (22)

  1. Eisen-Nickel-Legierung folgender Zusammensetzung (in Masse-%) C 0,05 bis 0,5 % Cr 0,2 bis 2,0 % Ni 33 bis 42 % Mn < 0,1 % Si < 0,1 % Mo 1,5 bis 4,0 % Nb 0,01 bis 0,5 % Al 0,1 bis 0,8 % Mg 0,001 bis 0,01 % V max. 0,1 % W 0,1 bis 1,5 % Co max. 2,0 % optional Zr > 0 bis < 0,2 % und/oder optional B > 0 - 0,01 %,
    wobei bedarfsweise das Element Mo anteilig durch das Element W substituiert werden kann Fe Rest und herstellungsbedingten Beimengungen
  2. Legierung nach Anspruch 1, mit (in Masse-%) C 0,1 bis 0,4 % Cr 0,5 bis 1,5 % Ni 34 bis 40 % Mn < 0,08 % Si < 0,08 % Mo > 2,0 bis < 3,5 % Nb 0,05 bis 0,4 % Al 0,2 bis 0,5 % Mg 0,001 bis < 0,01 % V max. 0,1 % W 0,2 bis < 1,0 % Co 0 bis 1,0 % Fe Rest und herstellungsbedingte Beimengungen.
  3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, mit (in Masse-%) C > 0,1 5 bis < 0,4 % Cr 0,6 bis max. 1,2 % Ni 35 bis 40 % Mn < 0,08 % Si < 0,08 % Mo > 2,0 bis < 3,0 % Nb 0,05 bis < 0,3 % Al > 0,1 bis < 0,5 % Mg 0,001 bis < 0,01 % V max. 0,1 % W 0,25 bis 1,0 % Co 0 bis max. 0,5 % Fe Rest und herstellungsbedingte Beimengungen.
  4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit (in Masse-%) Ni 35 bis 38 %.
  5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit (in Masse-%) Cr > 0,6 bis < 1,2 %.
  6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit (in Masse-%) Mo 2,1 bis 2,8 %.
  7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit (in Masse-%) Al 0,2 bis 0,4 %.
  8. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit (in Masse-%) W > 0,25 bis < 1,0 %.
  9. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Summe (in Masse-%) an Mo+W zwischen 2,0 und 4,0 % beträgt.
  10. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Summe (in Masse-%) an Mo+W zwischen 2,2 und 3,5 % beträgt.
  11. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Summe (in Masse-%) an Cr+W zwischen 1,0 und 2,0 % beträgt.
  12. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Summe (in Masse-%) an Si+Mn ≤ 0,2 % beträgt.
  13. Legierung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe (in Masse-%) an Si+Mn ≤ 0,1 % beträgt.
  14. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (Mo + W + Cr)/C = 13,5 - 15,5 beträgt.
  15. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die im Temperaturbereich zwischen 20 und 200°C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 4 x 10-6/K, insbesondere 3,5 x 10-6/K, aufweist.
  16. Verfahren zur Herstellung von drahtförmigen Bauteilen aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, indem die Schmelze zu Blöcken gegossen wird, die Blöcke zu Knüppeln gewalzt und die Knüppel zu Drähten vorgebbaren Durchmessers gezogen werden, wobei zwischen einzelnen Ziehstufen bedarfsweise Glühvorgänge gegeben sind, das drahtförmige Vorprodukt aluminiert und das Vorprodukt an Endabmessung gezogen wird.
  17. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als Draht für Überlandleitungen.
  18. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als Kerndraht für Überlandleitungen.
  19. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 für Leadframes.
  20. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 im Formbau, insbesondere im CFK-Formbau.
  21. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 für Bauteile in der Chip-Herstellung.
  22. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Basismaterial in Form von Blech, Stangen, Draht oder Band vorliegt.
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