WO2004053179A1 - Eisen-nickel-cobalt-legierung, verfahren zur herstellung sowie verwendung derselben - Google Patents

Eisen-nickel-cobalt-legierung, verfahren zur herstellung sowie verwendung derselben Download PDF

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    • H01J2229/0727—Aperture plate
    • H01J2229/0733—Aperture plate characterised by the material

Definitions

  • Iron-nickel-cobalt alloy process for producing and using the same
  • the invention relates to an iron-nickel-cobalt alloy.
  • Iron-based alloys with around 36% nickel have been used for shaped shadow masks in monitors and televisions for several years due to their small coefficients of thermal expansion between 20 and 100 ° C.
  • Technical iron-nickel alloys with about 36% nickel have a thermal expansion coefficient between 1, 2 and 1, 8 x 10 "6 / K in the temperature range from 20 to 100 ° C, as they prevail in conventional display tubes, in the soft-annealed state, as described in the steel-iron material sheet (SEW-385, 1991 edition).
  • the aim of the subject matter of the invention is therefore to provide a material for shadow masks which enables an even smaller average thermal expansion coefficient between 20 and 100 ° C than that iron-nickel alloys available today with approximately 36% nickel. Furthermore, a material variant with a relatively low thermal expansion but increased mechanical strength is to be produced.
  • the first goal of a particularly low thermal expansion is achieved according to the invention by an iron-nickel-cobalt alloy for shadow masks for use in large flat monitors and screens, the chemical composition (in% by mass) being defined by 32.5
  • the second goal is achieved by an iron-nickel-cobalt alloy for shadow masks for use in large flat monitors and screens, the chemical composition (in% by mass) being defined by 32.5
  • the iron-nickel-cobalt alloy described is melted in an arc furnace or vacuum induction furnace and cast in the form of blocks.
  • a process e.g. VAR
  • VAR vacuum induction furnace
  • Preferred fields of application of this alloy are frames of shadow masks for use in display tubes as well as mirror mounts and frames in lithography devices for chip production.
  • Table 1 shows exemplary chemical compositions for iron-nickel-cobalt alloys (E1, E2, E3, E4) according to the invention in comparison to another iron-nickel-cobalt alloy (U1) investigated and in comparison to exemplary ones from the prior art iron-nickel alloys with about 36% nickel (T1, T2, T3) with their average thermal expansion coefficients between 20 and 100 ° C.
  • Table 1 Exemplary chemical compositions (in mass%) for the iron-nickel alloys E1, E2, E3, E4 according to the invention, the alloys U1 investigated and the alloys in the prior art T1, T2, T3 with indication of the average coefficient of thermal expansion between 20 ° C and 100 ° C.
  • the material variants E5 and E6 of the alloy according to the invention achieve a yield strength Rp0.2 which is about 10 to 20% higher than that of the prior art alloy T2.
  • An increase in mechanical strength was achieved by alloying 0.30% Mo and 0.047% C (E5) and 0.036% C (E6).
  • the alloy E5 according to the invention also achieves a low coefficient of expansion of 0.45 x 10 " ⁇ / K between 20 and 100 ° C, so that with the alloy E5 a combination of increased strength and low thermal expansion was achieved In these alloys according to the invention, very low Mn and Si contents are decisive for achieving the technological properties.
  • Further advantageous alloy variants according to the invention contain an Nb content instead of or in combination of the Mo and C contents mentioned between 0.02 and 0.3%. With the stated Nb content, in addition to a further increase in mechanical strength at room temperature, improved thermal and creep resistance at higher temperatures is also achieved.
  • Table 2 Exemplary chemical compositions (in% by mass) for the iron-nickel alloys E5 and E5 according to the invention compared to the alloy according to the prior art T2 with indication of the average coefficient of thermal expansion between 20 ° C. and 100 ° C. and the mechanical yield point Rp0, 2 after a heat treatment of 14 minutes at 790 ° C.

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Abstract

Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung für Schattenmasken zum Einsatz in grossen flachen Monitoren und Bildschirmen, wobei die chemische Zusammensetzung (in Masse-%) definiert ist durch 32,5 - 34,5 % Ni, 3,0 - 4,5 % Co, max. 0,1 % Mo, max. 0,1 % Cr, max. 0,01 % C, max. 0,05 % Mn, max. 0,1 % Si, max. 0,03 % Al, Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Description

Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung, Verfahren zur Herstellung sowie Verwendung derselben
Die Erfindung betrifft eine Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung.
Eisenbasislegierungen mit etwa 36% Nickel werden aufgrund ihrer kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 100°C bereits seit einigen Jahren für geformte Schattenmasken in Monitoren und Fernsehgeräten verwendet. Technische Eisen-Nickel-Legierungen mit etwa 36% Nickel weisen 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 x 10"6/K auf, wie dies im Stahl-Eisen-Werkstoffblatt (SEW-385, Ausgabe 1991 ) bezeichnet ist.
Für geformte Schattenmasken sind auch weiterentwickelte Werkstoffe mit etwa 36% Nickel im Einsatz, die kleinere Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 bis 100°C zwischen 0,6 und 1 ,2 x 10"6/K erreichen.
Mit der Entwicklung von immer größeren und besonders flachen Bildschirmen sowie im Hinblick auf die Entwicklung der High Definition TV-Technologie (HDTV) und unter Betrachtung der Verringerung der Bautiefe durch näheres Heranbringen der Elektronenkanone an die Mattscheibe und somit näher an der Schattenmaske fordern Hersteller von Bildschirmröhren neue Werkstoffe für Schattenmasken, die noch kleinere Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 100°C erreichen.
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es daher, einen Werkstoff für Schattenmasken bereitzustellen, der einen noch wesentlich kleineren mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 100°C ermöglicht, als die heute zur Verfügung stehenden Eisen-Nickel-Legierungen mit etwa 36 % Nickel. Ferner soll eine Werkstoffvariante mit relativ niedriger Wärmeausdehnung, aber erhöhter mechanischer Festigkeit erzeugt werden.
Das erste Ziel einer besonders niedrigen Wärmeausdehnung wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung für Schattenmasken zum Einsatz in großen flachen Monitoren und Bildschirmen, wobei die chemische Zusammensetzung (in Masse-%) definiert ist durch 32,5
- 34,5 % Ni, 3,0 - 4,5 % Co, max. 0,1 % Mo, max. 0,1 % Cr, max. 0,01 % C, max. 0,05 % Mn, max. 0,1 % Si, max. 0,03 % AI, Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Neben der Einstellung der Gehalte an Ni und Co sowie der Elemente Mo, Cr und C sind zur Erzielung eines äußerst niedrigen
Wärmeausdehnungskoeffizienten sehr niedrige Gehalte an Mn und Si unbedingt notwendig.
Das zweite Ziel wird erreicht durch eine Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung für Schattenmasken zum Einsatz in großen flachen Monitoren und Bildschirmen, wobei die chemische Zusammensetzung (in Masse-%) definiert ist durch 32,5
- 34,5 % Ni, 3,0 - 5,0 % Co, 0,2 - 0,5 % Mo, max. 0,1 % Cr, 0,02 - 0,06 % C, max. 0,05 % Mn, max. 0,05 % Si, max. 0,03 % AI, Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der nebengeordneten erfindungsgemäßen Legierungen sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen. Die Zugabe von Nb in Gehalten zwischen 0,02 bis 0,3 % wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Verbesserung der Warm- und Kriechfestigkeit bei höheren Temperaturen aus. Die Zugabe von B in Gehalten von bis zu 0,005 % wirkt sich vorteilhaft auf die Verbesserung der Warmverformbarkeit der Legierung aus.
Die darüber hinaus für die Anwendung als Band für eine Schattenmaske erforderlichen technologischen Eigenschaften können mit dieser erfindungsgemäßen Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung erzielt werden.
Die beschriebene Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung wird, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, in einem Lichtbogenofen oder auch Vakuuminduktionsofen erschmolzen und in Form von Blöcken gegossen. Vor den Warmwalzprozessschritten wird evtl. mit einem Verfahren (z.B. VAR) umgeschmolzen. Nach den Warmwalzprozessen von Block an Bramme sowie von Bramme an Warmband der Dicke von etwa 4,0 mm wird dieses in mehreren Kaltwalzprozessen und dazwischen durchgeführten
Wärmebehandlungen im Durchlaufverfahren an Kaltband der gewünschten Enddicke gefertigt.
Bevorzugte Anwendungsgebiete dieser Legierung sind Rahmen von Schattenmasken zum Einsatz in Bildschirmröhren sowie Spiegelhalterungen und Rahmen in Geräten der Litographie bei der Chip-Herstellung.
Eine Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung der beispielhaften chemischen Zusammensetzung (in Masse-%) von 0,008% C, 0,0015% S, 0,001 % N, <0,01 % Cr, 32,80% Ni, <0,01 % Mn, < 0,01 % Si, 0,01 % Mo, <0,01 % Ti, <0,01 % Cu, 0,002% P, 0,005% AI, 0,0003% Mg, 0,0006% Ca, 3,9 % Co, Rest Eisen erzielt einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 100°C nach einer Wärmebehandlung von 15min bei 750°C mit abschließender schneller Abkühlung an Luft, der bereits kleiner als 0,2 x 10~6/K ist. In der Tabelle 1 sind beispielhafte chemische Zusammensetzungen für erfindungsgemäße Eisen-Nickel-Cobalt-Legierungen (E1 , E2, E3, E4) im Vergleich zu einer weiteren untersuchten Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung (U1 ) sowie im Vergleich zu beispielhaften, dem Stand der Technik zuzuordnenden Eisen-Nickel-Legierungen mit etwa 36 % Nickel (T1 , T2, T3) mit ihren mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 100°C aufgelistet.
Element (%) E1 E2 E3 E4
C 0,002 0,002 0,008 0,002
S 0,0023 0,0006 0,0015 0,0004
N 0,001 0,001 0,001 0,001
Cr 0,02 <0,01 <0,01 <0,01
Ni 34,20 32,75 32,80 32,8
Mn < 0,01 <0,01 <0,01 <0,01
Si 0,07 <0,01 <0,01 <0,01
Mo 0,02 0,01 0,01
Ti <0,01 <0,01 <0,01 <0,01
Cu 0,01 <0,01 <0,01 <0,01
P 0,002 0,002 0,002 0,002
AI 0,004 <0,001 0,005 0,005
Mg 0,0004 0,0003 0,0003 0,0002
Ca 0,0004 0,0006 0,0006 0,0007
Co 3,0 3,38 3,9 4,45
Fe Rest Rest Rest Rest
CTE 0,07 0,12 0,03 0,06
(20-100c >C) (10E-06/K)
Element (%) T1 T2 T3 U1
C 0,005 0,005 0,004 0,002
S 0,0005 0,0013 0,0008 0,0025
N 0,001
Cr 0,01 0,03 0,01 0,02
Ni 36,0 35,85 35,50 34,20
Mn 0,26 0,03 0,03 <0,01
Si 0,06 0,01 0,04 0,1 1
Mo 0,02 0,02 0,09 Ti <0,01 <0,01 <0,01
Cu 0,04 0,03 0,05 0,01
P 0,002 0,002 0,002 0,003
AI 0,013 0,01 0,01 1 0,010
Mg 0,0012 0,0003 0,0006 0,0005
Ca 0,0003 0,0003 0,0002 0,0003
Co 0,03 0,05 1 ,44 2,3
Fe Rest Rest Rest Rest
CTE 1 ,27 0,63 0,44 0,37
(20-100°C) (10E-06/K)
Tabelle 1 : Beispielhafte chemische Zusammensetzungen (in Masse %) für die erfindungsgemäßen Eisen-Nickel-Legierungen E1 , E2, E3, E4, der untersuchten Legierungen U1 sowie der Legierungen im Stande der Technik T1 , T2, T3 mit Angabe des mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20°C und 100°C.
Die Werkstoffvarianten E5 und E6 der erfindungsgemäßen Legierung (Tabelle 2) erzielen im Vergleich zur Legierung T2 im Stande der Technik eine um etwa 10 bis 20% höhere Streckgrenze Rp0,2. Eine Steigerung der mechanischen Festigkeit wurde durch Zulegieren von 0,30 % Mo und 0,047 % C (E5) bzw. 0,036 % C (E6) erreicht.
Überraschenderweise erzielt darüber hinaus die erfindungsgemäße Legierung E5 auch noch einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten von 0,45 x 10"δ/K zwischen 20 und 100°C, so dass mit der Legierung E5 eine Kombination von gesteigerter Festigkeit bei gleichzeitig niedriger Wärmeausdehnung erreicht wurde. Auch bei diesen erfindungsgemäßen Legierungen sind sehr niedrige Gehalte an Mn und Si maßgeblich für die Erreichung der technologischen Eigenschaften.
Weitere vorteilhafte erfindungsgemäße Legierungsvarianten beinhalten anstelle oder in Kombination der angeführten Mo- und C-Gehalte einen Nb-Gehalt zwischen 0,02 und 0,3 %. Mit dem angegebenen Gehalt an Nb wird neben einer weiteren Erhöhung der mechanischen Festigkeit bei Raumtemperatur auch eine bei höherer Temperatur verbesserte Warm- und Kriechfestigkeit erzielt.
Element (%) E5 E6 T2
C 0,047 0,036 0,005
S 0,0009 0,001 1 0,0013
N
Cr 0,01 0,01 0,03
Ni 34,25 32,55 35,85
Mn <0,01 <0,01 0,03
Si <0,01 <0,01 0,01
Mo 0,30 0,30 0,02
Ti <0,01 <0,01 <0,01
Cu <0,01 <0,01 0,03
P 0,002 0,002 0,002
AI 0,007 0,014 0,01
Mg 0,0003 0,0003 0,0003
Ca <0,001 <0,001 0,0003
Co 3,0 4,9 0,05
Fe Rest Rest Rest
CTE 0,45 0,74 0,63
(20-100( >C) (10E-06/K)
Rp0,2 313 291 266
(MPa)
Tabelle 2: Beispielhafte chemische Zusammensetzungen (in Masse %) für die erfindungsgemäßen Eisen-Nickel-Legierungen E5 und E5 im Vergleich zur Legierung gemäß Stand der Technik T2 mit Angabe des mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20°C und 100°C und der mechanischen Streckgrenze Rp0,2 nach einer Wärmebehandlung von 14min bei 790°C.

Claims

Patentansp üche
1. Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung für Schattenmasken zum Einsatz in großen, flachen Monitoren und Bildschirmen, wobei die chemische Zusammensetzung (in Masse-%) definiert ist durch 32,5 - 34,5 % Ni, 3,0 - 4,5 % Co, max.0,1 % Mo, max.0,1 % Cr, max.0,01 % C, max. 0,05 % Mn, max. 0,1 % Si, max. 0,03 % AI, Rest Fe sowie herstellungsbedingten Verunreinigungen.
2. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (in Masse-%)
32,5 - 34,5 % Ni 3,0 - 4,5 % Co max.0,05 % Mo max.0,05 % Cr max.0,009 % C max.0,04 % Mn max.0,03 % Si max.0,003 % S max.0,004 % N max.0,01 % Ti max.0,05 % Cu max.0,005 % P 0,005 - 0,03 % AI max.0,0008 % Mg max.0,001 % Ca max.0.03 % Zr max.0,0060 % O Rest Fe
3. Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung für Schattenmasken zum Einsatz in großen, flachen Monitoren und Bildschirmen, wobei die chemische Zusammensetzung (in Masse-%) definiert ist durch 32,5 - 34,5 % Ni, 3,0 - 5,0 % Co, 0,2 - 0,5 % Mo, 0,02 - 0,06 % C, max. 0,1 % Cr, max. 0,05 % Mn, max. 0,05 % Si, max. 0,03 % AI, Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
4. Legierung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (in Masse-%)
32,5 - 34,5 % Ni 3,0 - 5,0 % Co 0,25 - 0,35 % Mo max. 0,05 % Cr 0,03 - 0,05 % C max. 0,04 % Mn max. 0,03 % Si max. 0,003 % S max. 0,004 % N max. 0,01 % Ti max. 0,05 % Cu max. 0,005 % P 0,005 - 0,03 % AI max. 0,0008 % Mg max. 0,001 % Ca max. 0,03 % Zr max. 0,006 % O Rest Fe
5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Zusammensetzung (in Masse-%) einen Gehalt von 0,02 - 0,3 % Nb aufweist.
6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Zusammensetzung (in Masse-%) einen Gehalt von bis zu 0,005 % B aufweist.
7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Ni-Gehalt (in Masse-%) von 32,5 - 33,5 %.
8. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Co-Gehalt (in Masse-%) von 3,7 - 4,1 %.
9. Verfahren zur Herstellung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung in einem Lichtbogen- oder Vakuuminduktionsofen erschmolzen und in Form von Blöcken gegossen wird, nach einer bedarfsweisen Umschmelzung mit einem Verfahren, wie VAR oder ESU, die Blöcke in mehreren Warmwalzstufen an Warmband mit einer Dicke < 5 mm umgeformt werden und das Band in mehreren Kaltwalzstufen mit mindestens einer dazwischen durchgeführten Wärmebehandlung an Kaltband vorgebbarer Enddicke umgeformt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozesse des Kaltwalzens mit der dazwischen vorgesehenen Wärmebehandlung im Durchlauf vorgenommen werden.
1 1 . Verwendung der Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für Rahmen von Schattenmasken zum Ersatz für Bildschirmröhren.
2. Verwendung der Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für Spiegelhalterungen und Rahmen in Geräten der Lithographie bei der Chip-Herstellung.
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