[0001] Die Erfindung betrifft ausdehnungsarme Eisenbasislegierungen mit mindestens 34 %
Nickel, insbesondere zur Herstellung von Schattenmasken für Farbfernsehgeräte.
[0002] Es ist bekannt, daß solche Eisenbasislegierungen mit etwa 36 % Nickel einen niedrigen
Ausdehnungskoeffizienten im Bereich zwischen Raumptemperatur und 100° C haben. Diese
Legierungen werden deshalb schon seit einigen Jahrzehnten dort eingesetzt, wo auch
bei Temperaturveränderungen konstante Längen gefordert sind, wie bei Präzisionsinstrumenten,
Uhren, Bimetallen. Mit der Entwicklung der Farbfernsehgeräte in Richtung höherer Auflösung,
Farbtreue und Kontraststärke auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen und insbesondere
im Hinblick auf die HDTV (High Definition Television)-Technik 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 Fernsehröhren
vorherrschen, im geglühten Zustand (30 min bei 950° C) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von etwa 1,2 · 10⁻⁶ /K oder sogar noch darüber; im Temperaturbereich zwischen 20 und
200° C liegt ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient bei etwa 2,2 · 10⁻⁶ /K oder darüber.
Dieser Temperaturbereich bis herauf zu 200° C wird wegen der zunehmenden thermischen
Belastung der Bildschirm-Lochmasken künftig sehr an Bedeutung gewinnen. Aufgabe der
Erfindung ist nun die Schaffung ausdehnungsarmer Eisen-Nickel-Legierungen mit dem
Ziel eines möglichst geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich
von 20 bis 100° C für die herkömmlichen Fernsehröhren einerseits und im Temperaturbereich
von 20 bis 200° C für die Bildschirm-Lochmasken künftiger Geräte andererseits sowie
zugleich guter Warm- und Kaltverformbarkeit, insbesondere bei der Verarbeitung der
Legierung zu Schattenmasken für Farbfernsehgeräte.
[0003] Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe dann am besten gelöst werden
kann, wenn für die Anwendung im Temperaturbereich zwischen 20 und 100° C eine Eisen-Nickel-Legierung
mit einem Eisen-Nickel-Verhältnis von 1,75 bis 1,83 gewählt wird, und für den Temperaturbereich
zwischen 20 und 200° C eine Eisen-Nickel-Legierung mit einem Eisen-Nickel-Verhältnis
von 1,68 bis 1,72, wobei die Legierungen neben max. 0,009 % Kohlenstoff und max. 0,1
% Mangan die üblichen herstellungsbedingten Beimengungen in nur sehr geringen Mengen
enthalten. Die Erfindung zieht ihre vorteilhafte Wirkung aus den angegebenen Eisen-Nickel-Verhältnissen.
Ergänzt wird diese Wirkung auf den Ausdehnungskoeffizienten durch die gezielte Einstellung
der vorstehend genannten weiteren Legierungsbestandteile und der herstellungsbedingten
Beimengungen. Die erfindungsgemäße Legierung zeichnet sich darüberhinaus durch eine
hervorragende Verarbeitbarkeit aus und verlangt bei der Produktion von Schattenmasken
keine zusätzlichen Verfahrensschritte. Sie zeigt weiterhin eine den Bedürfnissen entsprechende
Langzeitstabilität ihrer thermischen Eigenschaften.
[0004] Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
So werden Eisen-Nickel-Legierungen mit einem Summengehalt an Aluminium und Silizium
von 0,075 bis 0,45 % bevorzugt. Mit solchen Legierungen läßt sich der gewünschte niedrige
thermische Ausdehnungskoeffizient in den genannten Temperaturbereichen zuverlässig
einstellen. Bei einem Mangangehalt von max. 0,07 % sollte neben max. 0,05 % Si der
Aluminiumgehalt im Bereich von 0,1 bis 0,4 % liegen. Eine weitere Optimierung ist
dadurch möglich, daß der Aluminiumgehalt 0,15 bis 0,40 %, vorzugsweise 0,2 bis 0,4
% beträgt.
[0005] In den Eisen-Nickel-Legierungen kann der Mangangehalt max. 0,1 % betragen, und es
sollte neben 0,001 bis 0,01 % Al ein Siliziumgehalt von 0,05 bis 0,30 % vorgesehen
sein. Bevorzugt wird der Siliziumgehalt auf 0,10 bis 0,30 %, vorzugsweise 0,15 bis
0,30 % eingestellt. Obwohl nach der herrschenden Meinung Silizium für die Einstellung
eines geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sehr abträglich sein soll, hat
sich bei den Versuchen bei einem Übergewicht von Silizium gegenüber Aluminium wider
Erwarten herausgestellt, daß innerhalb des durch die Erfindung insgesamt gesteckten
Rahmens die Einstellung eines extrem geringen Ausdehnungskoeffizienten von weniger
als 1 x 10⁻⁶/K im Temperaturbereich von 20 bis 100° C bei zugleich guter Warm- und
Kaltverformbarkeit sogar noch besser möglich ist, wenn man bei Anwesenheit von 0,001
bis 0,01 % Al noch 0,05 bis 0,30 % Si zusetzt.
[0006] Die Elemente Si und Al werden bei der Erschmelzung der Werkstoffe als Desoxidationsmittel
zur Erzielung eines hohen Reinheitsgrades verwendet.
[0007] In der folgenden Tabelle 1 sind Ausführungsbeispiele E1 mit etwa gleichen Gehalten
an Silizium und Aluminium, E2 mit Übergewicht von Aluminium, E3 mit Übergewicht von
Silizium mit Eisen-Nickel-Verhältnissen zwischen 1,75 und 1,83 für den Temperaturbereich
zwischen 20 und 100° C und zwei Eisen-Nickel-Legierungen ST1 und ST2 nach dem Stand
der Technik gegenübergestellt.
[0009] Der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient der erfindungsgemäßen Legierungen
E1 bis E3 für den Temperaturbereich von 20 bis 100° C wurde nach 30-minütiger Glühung
bei 950° C ermittelt. Er liegt damit um ca. 30 % niedriger als bei den zum Stand der
Technik gehörenden Legierungsbeispielen ST1 und ST2. Da der erfindungsgemäße Werkstoff
außerdem mit maximalen Oxidzeilen von 2.2 gemäß DIN 50602 metallurgisch sauber und
hervorragend warm- und kaltverformbar ist, eignet er sich hervorragend zur Herstellung
z. B. von Schattenmasken von Farbbildröhren.
[0010] In der nachfolgenden Tabelle 2 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel E4 mit
dem thermischen Ausdehungskoeffizienten für den Temperaturbereich von 20 bis 200°
C den beiden Legierungen ST1 und ST2 gegenübergestellt.
Tabelle 2
| |
E4 |
ST1 |
ST2 |
| Cr |
0,03 |
0,06 |
0,05 |
| Ni |
36,85 |
36,35 |
36,40 |
| Mn |
0,09 |
0,25 |
0,27 |
| Si |
0,18 |
0,19 |
0,18 |
| Mo |
0,01 |
0,04 |
0,03 |
| Ti |
0,01 |
0,01 |
0,01 |
| Nb |
< 0,01 |
< 0,01 |
< 0,01 |
| Cu |
0,03 |
0,05 |
0,03 |
| Fe |
62,70 |
62,90 |
62,95 |
| S |
< 0,002 |
< 0,002 |
< 0,002 |
| P |
0,002 |
0,002 |
0,006 |
| Al |
0,006 |
0,005 |
0,003 |
| Mg |
0,002 |
0,003 |
0,003 |
| Pb |
0,001 |
0,001 |
0,001 |
| Sn |
< 0,01 |
< 0,01 |
< 0,01 |
| Co |
0,02 |
0,06 |
0,02 |
| C |
0,002 |
0,003 |
0,007 |
| Fe:Ni |
1,70 |
1,73 |
1,73 |
| AK (20-200° C) |
1,75 |
2,2 |
2,2 |
| 10 ⁻⁶/K |
|
|
|
| AK = mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient für den Temperaturbereich 20 bis
200° C |
[0011] Der thermische Ausdehnungskoeffizient der erfindungsgemäßen Legierung E4 für den
Temperaturbereich von 20 bis 200° C wurde nach 30-minütiger Glühung bei 950° C ermittelt.
Er liegt damit um ca. 20 % niedriger als bei den zum Stand der Technik gehörenden
Legierungsbeispielen ST1 und ST2. Da der erfindungsgemäße Werkstoff außerdem mit maximalen
Oxidzeilen von 2.2 gemäß DIN 50 602 metallurgisch sauber und hervorragend warm- und
kaltverformbar ist, eignet er sich hervorragend zur Herstellung z. B. von Schattenmasken
für Farbbildröhren.
1. Ausdehnungsarme Eisen-Nickel-Legierungen, insbesondere zur Herstellung von Schattenmasken
für Farbfernsehgeräte, die (in Masse-%) neben max. 0,009% C und max. 0,1% Mn, mind.
34% Ni, Rest Eisen und
herstellungsbedingte Beimengungen enthalten,
dadurch gekennzeichnet, daß für die Anwendung im Temperaturbereich von 20 bis 100°C ein Eisen-Nickel-Verhältnis
von 1,75 bis 1,83 mit thermischen Ausdehnungskoeffizienten von unter 1 x 10⁻⁶/K, und
für die Anwendung im Temperaturbereich von 20 bis 200°C ein Eisen-Nickel-Verhältnis
von 1,68 bis 1,72 mit thermischen Ausdehnungskoeffizienten von unter 2 x 10⁻⁶/K eingestellt
wird.
2. Eisen-Nickel-Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Begrenzung der Legierungselemente
Mangan, Aluminium und Silizium auf max. 0,1% Mn, max. 0,01% Al und max. 0,3% Si.
3. Eisen-Nickel-Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Begrenzung der Legierungselemente
Mangan, Aluminium und Silizium auf max. 0,07% Mn, max. 0,05% Si und max. 0,4% Al.
