DE19934401A1 - Creep-resistant, low-expansion iron-nickel alloy - Google Patents
Creep-resistant, low-expansion iron-nickel alloyInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft kriechbeständige und ausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierungen, die (in Masse-%) neben max. 0,2% C, max. 0,3% Mn, und max. 0,3% Si einen Al-Gehalt von 0,05 bis 3,0%, einen Ti-Gehalt von 0,1 bis 3,0% 1,0% Nb, sowie einen Ni-Gehalt von 39,0 bis 45,0% aufweist, Rest-Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen, die im Temperaturbereich von 20 bis 100 DEG C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten < 6,0 x 10·-6·/K aufweist.The invention relates to creep-resistant and low-expansion iron-nickel alloys, which (in mass%) in addition to max. 0.2% C, max. 0.3% Mn, and max. 0.3% Si has an Al content of 0.05 to 3.0%, a Ti content of 0.1 to 3.0% 1.0% Nb, and a Ni content of 39.0 to 45, 0%, residual iron and manufacturing-related admixtures, which has a thermal expansion coefficient <6.0 x 10 · -6 · / K in the temperature range from 20 to 100 ° C.
Description
Die Erfindung betrifft eine kriechbeständige und ausdehnungsarme Eisen-Nickel- Legierung, insbesondere zur Herstellung von Rahmenteilen für Schattenmasken von Bildschirmen.The invention relates to a creep-resistant and low-expansion iron-nickel Alloy, in particular for the production of frame parts for shadow masks of screens.
Es ist bekannt, daß Eisenbasislegierungen mit etwa 36% Nickel niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten 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 bei Präzisionsinstrumenten, Uhren, Bimetallen. Mit der Entwicklung der Farbfernsehgeräte und Computer-Monitore in Richtung höherer Auflösung, Farbtreue und Kontraststärke auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen und insbesondere im Hinblick des Trends 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 zwischen 1,2 und 1,8 × 10-6/K, wie dies im Stahl-Eisen- Werkstoffblatt (SEW-385, Ausgabe 1991) bezeichnet ist. Insbesondere für Schattenmasken sind auch weiterentwickelte Werkstoffe mit etwa 36% Nickel im Einsatz, die niedrigere Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 bis 100°C zwischen 0,6 und 1,2 × 10-6/K erreichen.It is known that iron-based alloys with about 36% nickel have low coefficients of thermal expansion in the temperature range between 20 and 100 ° C. For some decades now, these alloys have been used where constant lengths are required, even with 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 in view of the trend towards ever flatter and larger screens, iron-nickel materials are increasingly being used for shadow masks. Technical iron-nickel alloys with approximately 36% nickel have a thermal expansion coefficient between 1.2 and 1.8 × 10 -6 / K in the temperature range from 20 to 100 ° C, as they prevail in conventional display tubes, in the soft-annealed state, such as this is referred to in the steel-iron material sheet (SEW-385, 1991 edition). In particular for shadow masks, further developed materials with around 36% nickel are used, which achieve lower thermal expansion coefficients in the temperature range from 20 to 100 ° C between 0.6 and 1.2 × 10 -6 / K.
Für in Rahmen vorgespannte Schattenmasken wird ein ausdehnungsarmer Werkstoff mit einer gegenüber der bisher verwendeten Legierung verbesserten Kriechbeständigkeit gefordert. Die Schattenmasken und die Rahmenteile für die Schattenmasken werden bei Temperaturen bis zu etwa 580°C einer sogenannten Schwärzungsglühung unterzogen. Hierbei wird eine dunkle Eisenoxidschicht erzeugt, mit der eine bessere visuelle Bildqualität erzielt wird. For shadow masks that are prestressed in frames, a low-expansion is used Material with an improved compared to the previously used alloy Creep resistance required. The shadow masks and the frame parts for the Shadow masks become a so-called at temperatures up to about 580 ° C Blackening annealing. This creates a dark iron oxide layer with which a better visual image quality is achieved.
Die bisher verwendete Eisenbasislegierung mit etwa 36% Nickel erzielt eine Kriechfestigkeit A80 von etwa 2,6% bei folgenden Prüfbedingungen: 1 Stunde bei 580°C bei einer Belastung von 138 MPa.The previously used iron-based alloy with approximately 36% nickel achieved a creep resistance A 80 of approximately 2.6% under the following test conditions: 1 hour at 580 ° C under a load of 138 MPa.
Die Vorspannung der Schattenmasken in vertikaler Richtung wird mit den vertikalen Rahmenteilen erzeugt. Als Werkstoff kommen bisher Eisen-Nickel- Legierungen mit etwa 41% Nickel zur Anwendung, wobei diese Legierungen bekannt sind als Werkstoffe für z. B. Metallglasanschmelzungen oder für Leadframes. Die technologischen Eigenschaften sind wie folgt: Die Kriechfestigkeit A80 beträgt etwa 0,5%, gemessen unter den gleichen Prüfbedingungen wie zuvor für die 36% nickelhaltige Legierung beschrieben, d. h. 1 Stunde bei 580°C bei einer Belastung von 138 MPa. Die vertikalen Rahmenteile aus dieser Legierung dehnen sich gemäß eines Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 4,8 × 10-6/K im Temperaturbereich von 20 bis 100°C stärker aus, als die Schattenmaske, die aus der Eisen-Nickel-Legierung mit etwa 36% Nickel gefertigt ist.The prestressing of the shadow masks in the vertical direction is generated with the vertical frame parts. Up to now, iron-nickel alloys with approximately 41% nickel have been used as the material. These alloys are known as materials for e.g. B. metal glass melts or for lead frames. The technological properties are as follows: The creep resistance A 80 is about 0.5%, measured under the same test conditions as previously described for the 36% nickel-containing alloy, ie 1 hour at 580 ° C under a load of 138 MPa. The vertical frame parts made of this alloy expand according to a thermal expansion coefficient of about 4.8 × 10 -6 / K in the temperature range of 20 to 100 ° C more than the shadow mask made of the iron-nickel alloy with about 36% nickel is made.
Die horizontalen Rahmenteile sollen die gleichen Wärmeausdehnungseigenschaften aufweisen, wie die Schattenmasken, so daß für die horizontalen Rahmenteile und für die Schattenmasken die gleiche Eisen- Nickel-Legierung mit etwa 36% Nickel verwendet wird.The horizontal frame parts should be the same Have thermal expansion properties, such as the shadow masks, so that for the horizontal frame parts and the same iron for the shadow masks Nickel alloy with about 36% nickel is used.
Ebenso wie für die Schattenmasken werden auch für die Rahmenteile Werkstoffe gefordert, die gegenüber den bisher verwendeten Legierungen eine verbesserte Kriechbeständigkeit bei Temperaturen bis 580°C aufweisen. Die Größe und der temperaturabhängige Verlauf der Ausdehnungskoeffizienten sollen denen der bisher verwendeten Werkstoffe nahezu entsprechen.Just as for the shadow masks, materials are also used for the frame parts required an improved compared to the previously used alloys Have creep resistance at temperatures up to 580 ° C. The size and the temperature-dependent course of the expansion coefficients should that of materials used so far almost correspond.
Es ist weiterhin bekannt, daß geeignete Zusätze zu Eisen-Nickel-Legierungen zur Entstehung von Ausscheidungen führen können. Als solche Zusätze werden z. B. Titan und Aluminium in Kombination miteinander angewendet. Die Bildung einer γ (Ni3Ti/Ni3Al) Phase erhöht die Streckgrenze und Festigkeit. It is also known that suitable additives to iron-nickel alloys can lead to the formation of precipitates. As such additives z. B. titanium and aluminum used in combination. The formation of a γ (Ni 3 Ti / Ni 3 Al) phase increases the yield strength and strength.
Allerdings können zu hohe Summengehalte der Elemente Titan und Aluminium die Wärmeausdehnungskoeffizienten zu sehr erhöhen.However, the total contents of the elements titanium and aluminum can be too high Thermal expansion coefficient increase too much.
Durch die DE-C 29 40 532 ist eine aushärtbare Nickel-Eisen-Gußlegierung mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten < 5 × 10-6/°C bei 20 bis 300°C und einer Streckgrenze von über 350 N/mm2 bei 20°C bekannt geworden, bestehend aus 35-45 Gew.-% Nickel, weniger als 4 Gew.-% freies Titan, 0-1 Gew.-% Niob, 1,5-2,5 Gew.-% Kobalt, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Diese Legierung ist geeignet für mechanisch und thermisch hoch belastete Maschinenteile, beispielsweise Rotoren von gasdynamischen Druckwellenmaschinen.From DE-C 29 40 532 a hardenable nickel-iron casting alloy with a linear expansion coefficient <5 × 10 -6 / ° C at 20 to 300 ° C and a yield strength of over 350 N / mm 2 at 20 ° C is known become, consisting of 35-45 wt .-% nickel, less than 4 wt .-% free titanium, 0-1 wt .-% niobium, 1.5-2.5 wt .-% cobalt, the rest iron and melting-related impurities . This alloy is suitable for mechanically and thermally highly stressed machine parts, for example rotors of gas-dynamic pressure wave machines.
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, eine kriechbeständige und ausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierung dahingehend zu optimieren, daß sie die im Stand der Technik angeführten Nachteile nicht mehr besitzt, preiswert in der Herstellung ist und insbesondere für Rahmenteile für Schattenmasken eingesetzt werden kann.The object of the invention is to provide a creep-resistant and low-expansion iron-nickel alloy to optimize the no longer has disadvantages mentioned in the prior art, inexpensive in Manufacturing is and used in particular for frame parts for shadow masks can be.
Dieses Ziel wird erreicht mit kriechbeständigen und ausdehnungsarmen Eisen- Nickel-Legierungen, die (in Masse-%) neben neben max. 0,2% C, max. 0,3% Mn, und max. 0,3% Si einen Al-Gehalt von 0,05 bis 3,0%, einen Ti-Gehalt von 0,1 bis 3,0%, ≦ 1,0% Nb, sowie einen Ni-Gehalt von 39,0 bis 45,0% aufweist, Rest-Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen, die im Temperaturbereich von 20 bis 100°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten < 6,0 × 10-6/K aufweist.This goal is achieved with creep-resistant and low-expansion iron-nickel alloys, which (in mass%) in addition to max. 0.2% C, max. 0.3% Mn, and max. 0.3% Si has an Al content of 0.05 to 3.0%, a Ti content of 0.1 to 3.0%, ≦ 1.0% Nb, and a Ni content of 39.0 to 45.0%, residual iron and additives due to production, which has a thermal expansion coefficient <6.0 × 10 -6 / K in the temperature range from 20 to 100 ° C.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Legierungen sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous further developments of the alloys according to the invention are associated subclaims.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß die Eisen-Nickel-Legierungen, denen nur definierte Gehalte des Elements Aluminium bzw. Titan allein zulegiert werden, die geforderte Verbesserung der Kriechfestigkeit bei 580°C unter der Belastung von 138 MPa im hartgewalzten Zustand erreicht. Surprisingly, it has now been found that the iron-nickel alloys to which only defined contents of the element aluminum or titanium alone are alloyed be, the required improvement in creep resistance at 580 ° C below the Load of 138 MPa in the hard-rolled state reached.
Die erforderlichen technologischen Eigenschaften für die Anwendung als Werkstoff insbesondere für vertikale Rahmenteile für Schattenmasken können mit den erfindungsgemäßen Eisen-Nickel-Legierungen eingestellt werden, die einen Nickelgehalt zwischen 39,0 und 45,0 Masseprozent beinhalten.The technological properties required for use as a material Especially for vertical frame parts for shadow masks can be used with the iron-nickel alloys according to the invention can be adjusted, the one Contain nickel content between 39.0 and 45.0 mass percent.
Eine bevorzugte Zusammensetzung enthält neben den Gehalten an Nickel und Eisen im wesentlichen einen Aluminiumgehalt von 1,0 bis 2,5 Masseprozent und darüberhinaus (in Masseprozent) max. 0,02% Kohlenstoff sowie ggf. max. 0,1% Mangan, max. 0,1% Silizium und übliche herstellungsbedingte Beimengungen in nur sehr geringer Menge. Die erfindungsgemäße Legierung zeichnet sich durch eine hervorragende Verarbeitbarkeit aus und verlangt bei der Produktion keine zusätzlichen Verfahrensschritte. Sie zeigt darüberhinaus eine den Bedürfnissen entsprechende Langzeitstabilität ihrer thermischen Eigenschaften.A preferred composition contains, in addition to the nickel and Iron essentially has an aluminum content of 1.0 to 2.5 mass percent and furthermore (in mass percentage) max. 0.02% carbon and possibly max. 0.1% Manganese, max. 0.1% silicon and usual manufacturing-related admixtures in only a very small amount. The alloy according to the invention is characterized by excellent processability and does not require any during production additional procedural steps. It also shows one of the needs corresponding long-term stability of their thermal properties.
Die erfindungsgemäße Legierung E1, die durch ihren Aluminiumgehalt ausgehärtet werden kann, erzielt mit A80 = 0,17% bei der Prüftemperatur 580°C, wobei die Belastung von 138 MPa 1 Stunde lang wirkt, eine gegenüber der normalen dem Stand der Technik entsprechenden Eisen-Nickel-Legierung T2 mit 41% Nickel, wesentlich verbesserte Kriechfestigkeit.The alloy E1 according to the invention, which can be hardened by its aluminum content, achieves an iron corresponding to the normal state of the art with A 80 = 0.17% at the test temperature of 580 ° C., the load being 138 MPa for 1 hour -Nickel alloy T2 with 41% nickel, significantly improved creep resistance.
Der Erfindungsgegenstand ist bevorzugt einsetzbar für folgende Gegenstände:
The object of the invention can preferably be used for the following objects:
- - passive Komponenten von Thermobimetallen- passive components of bimetallic metals
- - Komponenten in der Laser-Technologie- Components in laser technology
- - Leadframes- lead frames
- - Metall-Glasanschmelzungen- Metal-glass melts
- - Rahmenteile von Bildschirm- oder Monitorschattenmasken- Frame parts of screen or monitor shadow masks
- - Bauteile von Elektronenkanonen, insbesondere in Fernsehröhren- Components of electron guns, especially in television tubes
- - Komponenten zur Herstellung, Lagerung und Transport von verflüssigten Gasen- Components for the production, storage and transport of liquefied Gases
Die mechanischen Eigenschaften, die im Warmzugversuch ohne und mit Belastung bei der Prüftemperatur 580°C bestimmt wurden, als auch die magnetische Koerzitivfeldstärke sowie die Wärmeausdehnungskoeffizienten, sind für die erfindungsgemäße Legierung E1 im Vergleich zu den Eigenschaften der Legierungen T1 und T2, die dem Stand der Technik entsprechen, in der Tabelle 1 aufgeführt.The mechanical properties in hot tensile tests with and without Load at the test temperature of 580 ° C were determined as well magnetic coercive force as well as the coefficient of thermal expansion for the alloy E1 according to the invention compared to the properties of the Alloys T1 and T2, which correspond to the prior art, in Table 1 listed.
Tabelle 1: Mechanische Eigenschaften Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung bei 580°C, bestimmt im Warmzugversuch, als auch die Kriechfestigkeit bei 1 h bei 580°C bei der Belastung von 138 MPa, die Koerzitivfeldstärke und die Wärmeausdehnungskoeffizienten der erfindungsgemäßen Legierung E1 im Vergleich zu den Legierungen T1 und T2, die dem Stand der Technik entsprechen. Die Prüfkörper wurden aus an 1,4 mm kaltgewalztem Band gefertigt.Table 1: Mechanical properties yield strength, tensile strength, elongation at break at 580 ° C, determined in the warm tensile test, as well as the creep resistance at 1 h 580 ° C at a load of 138 MPa, the coercive force and the Coefficient of thermal expansion of the alloy E1 in the invention Comparison to alloys T1 and T2, which are the prior art correspond. The test specimens were made from 1.4 mm cold-rolled strip.
Im Fall der Legierung E2 wurden vor der Prüfung die Testkörper weichgelüht und ausgehärtet (Belastung 200 MPa bei Prüfung der Kriechfestigkeit).In the case of alloy E2, the test specimens were soft-annealed and hardened (load 200 MPa when testing the creep resistance).
Die Koerzitivfeldstärken HC der erfindungsgemäßen Legierung E1 sowie der Legierungen T1 und T2, die dem Stand der Technik entsprechen, sind nach einer Wärmebehandlung von 15 Minuten bei 580°C nahezu gleich. Nach einer einstündigen Wärmebehandlung bei 580°C sind die Koerzitivfeldstärken HC der erfindungsgemäßen Legierung E1 für die Anwendung als Werkstoff für die Rahmenteile für die Schattenmaske ausreichend niedrig.The coercive field strengths H C of the alloy E1 according to the invention and of the alloys T1 and T2, which correspond to the prior art, are almost the same after a heat treatment of 15 minutes at 580 ° C. After a one-hour heat treatment at 580 ° C., the coercive field strengths H C of the alloy E1 according to the invention are sufficiently low for use as a material for the frame parts for the shadow mask.
Die Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 bis 100°C genügen mit etwa 4,8 × 10-6/K im Fall der erfindungsgemäßen Legierung E1 den Anforderungen der Anwendung als Werkstoffe für die vertikalen Rahmenteile. Der temperaturabhängige Verlauf der Ausdehnungskoeffizienten der erfindungsgemäßen Legierung E1 ähnelt dem Verlauf der Ausdehnungskoeffizienten der Legierung T2, die dem Stand der Technik entspricht. Dies zeigt die Abb. 1, wobei auch zu erkennen ist, daß sich die Ausdehnungskoeffizienten der Legierungen E1 und T2 im Temperaturverlauf zwischen 270°C und 320°C mit dem Ausdehnungskoeffizienten der Legierung T1 kreuzen, so daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Legierung mit dem niedrigeren Nickelgehalt unterhalb der Kreuzungstemperatur niedriger sind, als die der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Legierungen mit den höheren Nickelgehalten. Oberhalb der Kreuzungstemperatur kehrt sich das Verhalten um. Die Knickpunkttemperatur der Wärmeausdehnungskoeffizienten entspricht etwa der Curie-Temperatur TC der entsprechenden Legierung. The thermal expansion coefficients in the temperature range from 20 to 100 ° C. with about 4.8 × 10 -6 / K in the case of the alloy E1 according to the invention meet the requirements for use as materials for the vertical frame parts. The temperature-dependent course of the expansion coefficients of the alloy E1 according to the invention is similar to the course of the expansion coefficients of the alloy T2, which corresponds to the prior art. This is shown in Fig. 1, whereby it can also be seen that the expansion coefficients of the alloys E1 and T2 intersect with the expansion coefficient of the alloy T1 in the temperature profile between 270 ° C. and 320 ° C., so that the thermal expansion coefficients of the alloy with the lower nickel content below the crossing temperature are lower than that of the thermal expansion coefficient of the alloys with the higher nickel contents. Behavior reverses above the crossing temperature. The break point temperature of the thermal expansion coefficient corresponds approximately to the Curie temperature T C of the corresponding alloy.
Abb. 1: Temperaturabhängige Ausdehnungskoeffizienten der erfindungs gemäßen Legierungen E1 und E2 und die der Legierungen T1 und T2, die dem Stand der Technik entsprechen. Fig. 1: Temperature-dependent expansion coefficients of the alloys E1 and E2 according to the invention and that of the alloys T1 and T2, which correspond to the prior art.
Beispielhafte chemische Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Legierungen E1 und E2 sind im Vergleich zu den Zusammensetzungen der Legierungen T1 und T2, die dem Stand der Technik entsprechen, in der Tabelle 2 aufgeführt.Exemplary chemical compositions of the invention Alloys E1 and E2 are compared to the compositions of the Alloys T1 and T2, which correspond to the prior art, in Table 2 listed.
In der folgenden Tabelle sind die Grenzwerte der chemischen Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Legierung E1 beschrieben.The table below shows the chemical limit values Compositions of the alloy E1 according to the invention are described.
Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Legierung stellt die Variante E2 dar. Die bevorzugte Zusammensetzung enthält neben 39,0-45,0% Ni, 1,5-2,5% Ti, 0,05-0,3% Al und 0,2-1,0% Nb sowie Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen gemäß der Tabelle 4.A further embodiment of the alloy according to the invention is variant E 2. The preferred composition contains 39.0-45.0% Ni, 1.5-2.5% Ti, 0.05-0.3% Al and 0, 2-1.0% Nb as well as the rest iron and manufacturing-related additions according to Table 4.
In der folgenden Tabelle sind die Grenzwerte der chemischen Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Legierung E2 beschrieben. The table below shows the chemical limit values Compositions of the alloy E2 according to the invention described.
Die Legierung E2 kann zunächst im weichgeglühten Zustand zu Rahmenteilen umgeformt werden. Sie erfüllt dann im ausgehärtetem Zustand (z. B. 30 min bei 750°C) mit A80 < 0,1% im Test der Kriechfestigkeit bei 580°C während 1 Stunde bei der erhöhten Belastung von 200 MPa die hohen Anforderungen. Werte für die mechanischen, magnetischen und Wärmeausdehnungseigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt. Eine typische Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung E1 ist in Tabelle 2 bekannt.Alloy E2 can first be formed into frame parts in the soft annealed condition. It then meets the high requirements when cured (e.g. 30 min at 750 ° C) with A 80 <0.1% in the creep resistance test at 580 ° C for 1 hour at an increased load of 200 MPa. Values for the mechanical, magnetic and thermal expansion properties are listed in Table 1. A typical composition of the alloy E1 according to the invention is known in Table 2.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Owner name: THYSSENKRUPP VDM GMBH, 58791 WERDOHL, DE |
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8131 | Rejection |