KR100531951B1 - 열팽창율이 낮은 크리프 내성 아이언 니켈 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 0.2% 이하의 C, 0.3% 이하의 Mn 및 0.3% 이하의 Si 외에 0.05-3.0 중량%의 Al, 0.1-3.0 중량%의 Ti, 1.0 중량%의 Nb 및 39.0-45.0 중량%의 Ni를 함유하고 나머지는 아이언 및 혼합시의 산물로 되어 있고 열팽창계수가 20-100℃의 온도 범위에서 6.0x10^-6/K 미만인, 크리프 내성 저팽창 아이언 니켈 합금에 관한다.

Description

열팽창율이 낮은 크리프 내성 아이언 니켈 합금{IRON-NICKEL ALLOY WITH CREEP RESISTANCE AND LOW THERMAL EXPANSION}

본 발명은 특히 스크린 섀도우 마스크용 프레임 부품의 제조에 사용하는, 열팽창율이 낮은 크리프 내성 아이언 니켈 합금에 관한다.

약 36%의 니켈을 포함하는 아이언 마스터 합금은 20-100℃의 온도에서 열팽창계수가 낮은 것으로 공지되어 있다. 따라서, 이들 합금은 예를들어 정밀 기구, 시계, 바이메탈과 같이 온도 변화에도 불구하고 일정한 길이일 것을 요하는 제품에서 몇십년간 사용되어 왔다. 바람직하지 못한 조명 조건하에서도 고해상도를 가지는 컴퓨터 모니터 및 칼라 텔레비젼의 개발 및 특히 점점 평평하고 큰 스크린이 개발되는 경향으로 점점 더 섀도우 마스크에 아이언 니켈 물질이 사용되고 있다. 20-100℃의 온도에서 소프트-어닐링된 약 36%의 니켈을 함유하는 공업 아이언 니켈 합금은 통상의 스크린 튜브에서 흔히 그러하듯이 "Stahl-Eisen-Werkstoffblatt"(Steel Iron Material Paper)(SEW-385, 1991년 발행)에 나타나 있는 것처럼 1.2 - 1.8x10^-6/K 이상의 열팽창계수를 가진다. 특히 섀도우 마스크에는 약 36%의 니켈을 함유하는 진보된 재료가 사용되는데 이의 열팽창계수는 20-100℃의 온도에서 0.6 - 1.2x10^-6/K이다.

프레임에서 미리 응력을 가한 새도우 마스크에 대하여 지금까지 사용된 합금에 비하여 크리프 내성이 개선된 저팽창 재료가 요구되고 있다. 섀도우 마스크 및 섀도구 마스크용 프레임 부품은 약 580℃ 이하의 온도에서 소위 흑화 어닐링을 받는다. 이때 어두운 아이언 옥사이드 층이 생성됨으로써 육안 이미지 질이 더 양호해진다.

지금까지 사용된 약 36%의 니켈을 함유하는 아이언 마스터 합금은 580℃에서 1시간동안 138MPa 로딩이라는 테스트 조건에서 약 2.6%의 크리프 내성 A₈₀을 보인다.

섀도우 마스크의 초기 수직 방향 응력은 수직 프레임 부품으로 생성된다. 지금까지 약 41% 니켈을 함유하는 아이언 니켈 합금이 재료로 사용되어 이들 합금이 메탈 글래스 씰 또는 리드 프레임 재료로 공지되어 있다. 기술적인 특성은 다음과 같다: 36% 니켈 함유 합금에 대하여 앞서 기술한 바와 같은 조건, 즉 580℃에서 1시간동안 138MPa 로딩이라는 조건과 동일한 테스트 조건하에서 측정한 크리프 내성 A₈₀은 약 0.5%이다. 20-100℃ 온도 범위에서 약 4.8x10^-6/K라는 열팽창계수에 따르면 이러한 합금으로 제조된 수직 프레임 부품은 약 36% 니켈을 함유하는 아이언 니켈 합금으로 제조된 섀도우 마스크보다 더욱 팽창된다.

수평 프레임 부품은 섀도우 마스크로서 동일한 열팽창 특성을 보일 것이므로 약 36% 니켈을 함유하는 동일한 아이언 니켈 합금이 수평 프레임 부품 및 섀도우 마스크용으로 사용된다.

섀도우 마스크에서와 같이 프레임 부품 재료에 대하여도 지금까지 사용된 합금에 비하여 580℃까지의 온도에서 크리프 내성이 더 양호할 것이 요구된다. 크기 및 온도에 따른 팽창계수의 추이는 지금까지 사용된 재료들에 거의 상당할 것이다.

또한 아이언 니켈 합금에 적당한 첨가물을 가하면 침전물을 생성시킬 수 있음도 공지되어 있다. 예를들어 티타늄 및 알루미늄을 이러한 첨가물로서 함께 사용한다. γ(Ni₃Ti/Ni₃Al)상의 생성은 명백히 수율 및 강도를 증가시킨다.

그러나, 티타늄 및 알루미늄 원소의 총함량이 너무 높으면 열팽창계수가 너무 많이 증가할 수 있다.

DE-C 29 40 532에 따르면 20-300℃에서 5x10^-6/℃ 미만의 선형 팽창계수를 가지고 20℃에서 명백한 수율 포인트가 350N/mm² 이상인 시효경화성 니켈 아이언 캐스트 합금은 35-45 중량%의 니켈, 4 중량% 미만의 유리 티타늄, 0-1 중량%의 니오븀, 1.5-2.5 중량%의 코발트로 이루어지고 나머지는 아이언 및 용융시의 불순물인 것으로 공지되어 있다. 이러한 합금은 예를들어 가스 동압 웨이브 머신의 로터와 같이 기계적으로 열적으로 높은 응력을 받는 기계 부품에 적당하다.

본 발명의 목적은 앞서 기술한 현기술의 단점을 보이지 않으며 생산 비용이 저렴하고 특히 섀도우 마스크용 프레임 부품에 사용할 수 있도록, 팽창율이 낮은 크리프 내성 아이언 니켈 합금을 최적화시키는 것이다.

이 목적은 0.2% 이하의 C, 0.3% 이하의 Mn 및 0.3% 이하의 Si 외에 0.05-3.0 중량%의 Al, 0.1-3.0 중량%의 Ti, 1.0 중량%의 Nb 및 39.0-45.0 중량%의 Ni를 함유하고 나머지는 아이언 및 혼합시의 산물로 되어 있고 열팽창계수가 20-100℃의 온도 범위에서 6.0x10^-6/K 미만인, 크리프 내성 저팽창 아이언 니켈 합금으로 달성된다.

본 발명 합금의 이점에 대하여는 관련 종속항에 기술한다.

놀랍게도, 각각 정량의 알루미늄 및 티타늄을 가하여 합금시킨 아이언 니켈 합금으로 138MPa 로딩하에 580℃에서 의도하는 크리프 내성의 개선이 얻어짐을 발견하였다.

특히 섀도우 마스크용 수직 프레임 부품의 재료로서 사용하는데 요구되는 기술적인 특징들은 니켈 함량이 39.0-45.0 중량%인 본 발명 아이언 니켈 합금으로 얻을 수 있다.

바람직한 조성물은 니켈 및 아이언 외에 1.0-2.5중량% 알류미늄, 최대 0.02중량%의 탄소를 함유하고 경우에 따라서는 최대 0.1중량%의 망간, 최대 0.1중량%의 실리슘 및 매우 소량의 혼합시 통상적인 제조 산물을 함유한다. 본 발명 합금은 우수한 가공성에서 뛰어나고 제조시 추가 가공 단계를 요하지 않는다. 또한 요구조건에 해당하는 열적 특성의 장기 안정성을 보인다.

본 발명 합금 E1은 41%의 니켈을 함유하는 현재 통상적인 아이언 니켈 합금 T2에 비하여 138MPa 로딩에서 1시간동안 580℃의 테스트 온도에서 현저히 개선된 크리프 내성(A₈₀=0.17%)을 보인다.

본 발명의 목적은 다음 제품에 바람직하게 사용할 수 있다:

- 온도조절 바이메탈

- 레이저 테크놀로지 부품

- 리드프레임

- 메탈 글래스 씰

- 스크린 또는 모니터 섀도우 마스크의 프레임 부품

- 특히 텔레비젼 튜브에서 전자총의 구조적 부품

- 제조, 저장 및 전달 액화 기체를 위한 부품.

표1: 현재 합금 T1 및 T2와 비교한 본 발명 합금 E1의 기계적 특성, 오프셋 항복응력, 항복강도, 핫 드로잉 테스트로 측정한 580℃에서의 파단 신장, 로딩 138MPa에서 1시간동안 580℃에서의 크리프 내성, 보자력마당 세기 및 열팽창계수. 테스트 샘플은 1.4mm의 냉간압연 스트립으로 제조함.

합금 E2의 경우 테스트 샘플을 소프트-어닐링하여 시효경화시킨 다음 테스트하였다(크리프 내성 테스트시 로딩 200MPa).

현기술에 해당하는 합금 T1 및 T2 뿐만 아니라 본 발명 합금 E1의 보자력마당 세기(H_c)는 580℃에서 15분간 열처리후 거의 동일하다. 580℃에서 1시간 열처리후의 본 발명 합금 E1의 보자력마당 세기(H_c)는 섀도우 마스크용 프레임 부품의 재료로 사용하기에 충분히 낮다.

본 발명 합금 E1의 경우 20-100℃의 온도 범위에서 열팽창계수는 4.8x10^-6/K이므로 수직 프레임 부품용 재료로서의 용도의 조건에 부합한다. 온도에 따른 본 발명 합금 E1의 팽창계수의 추이는 현기술 합금 T2의 팽창계수의 추이와 유사하다. 이것을 도1에 나타내었는데, 이로써 270-320℃에서 합금 E1 및 T2의 팽창계수가 합금 T1의 팽창계수와 교차하므로 니켈 함량이 더 낮은 합금의 열팽창계수가 니켈 함량이 더 높은 합금의 열팽창계수보다 교차온도 이하에서 더 작음을 알 수 있다. 교차온도 이상에서는 거동이 역전한다. 열팽창계수의 중단점 온도는 대략 해당 합금의 큐리 온도(T_c)에 해당한다.

도1은 온도에 따른 본 발명 합금 E1 및 E2의 팽창계수 및 현재의 합금 T1 및 T2의 팽창계수를 도시한 것이다.

본 발명 합금 E1 및 E2의 예시적 화학 조성을 현재 합금 T1 및 T2의 조성과 비교하여 표2에 나타내었다.

표2: 현재 합금 T1 및 T2의 예시적 조성과 비교한 본 발명 합금 E1 및 E2의 예시적 화학 조성

다음 표는 본 발명 합금 E1의 화학 조성의 한계를 나타낸 것이다.

표3:본 발명 합금 E1의 화학적 조성 한계

본 발명 합금의 또다른 구체예는 변형 E2이다. 바람직한 조성물은 39.0-45.0%의 Ni외에 1.5-2.5%의 Ti, 0.05-0.3%의 Al 및 0.2-1.0%의 Nb을 함유하고 나머지는 아이언 및 표4에 따른 혼합시의 산물이다.

다음 표는 본 발명 합금 E2의 화학적 조성의 한계를 나타낸다.

표4: 본 발명 합금 E2의 화학적 조성 한계

먼저 합금 E2를 소프트-어닐링된 상태에서 프레임 부품으로 재주조할 수 있다. 이후 시효경화 상태에서(예를들어 750℃에서 약 30분) 200MPa로 로딩을 증가시켜 1시간동안 580℃에서 크리프 내성 테스트하면 A₈₀이 0.1% 미만이라는 높은 조건을 부합시킨다. 기계적, 자기적 및 열적 팽창 특성치는 표1에 나타낸다. 본 발명 합금 E1의 일반적 조성은 표2에 나타나 있다.

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35. 0.02중량% 이하의 C, 0.05중량% 이하의 Mn 및 0.05중량% 이하의 Si 외에 0.05-0.3 중량%의 Al, 0.5-2.5중량%의 Ti, 0.2-1.0중량%의 Nb 및 39.0-45.0 중량%의 Ni을 함유하고 나머지는 Fe 및 혼합시의 산물로 되어 있으며, 열팽창계수가 20-100℃의 온도 범위에서 6.0x10^-6/K 미만인 것을 특징으로 하는 스크린 또는 모니터 섀도우 마스크의 프레임 부품용 크리프 내성 저팽창 아이언 니켈 합금.
36. 제35항에 있어서, 0.5 중량% 이하의 Co를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스크린 또는 모니터 섀도우 마스크의 프레임 부품용 크리프 내성 저팽창 아이언 니켈 합금.
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