ES2203503T3 - Aleaccion de hierro-niquel de baja dilatacion termica con propiedades mecanicas particulares. - Google Patents

Abstract

Aleación de hierro-níquel resistente a la fluencia y de baja dilatación, que contiene (en % en masa) además de 0, 08 a 0, 12% C, máx. 1% Mn y máx. 1% Si, un contenido en Mo de 0, 4 a 0, 8% y/o un contenido en Cr de 0, 1 a 0, 3%, máx. 1, 0% Nb, así como un contenido en Ni de 35 a 38% así como, dado el caso, entre 0, 5 y 7% de cobalto, restos de hierro e impurezas de fabricación, presentando la aleación un coeficiente de dilatación térmica < 6, 0 x 10- 6/K en el intervalo de temperatura de 20 a 100ºC.

Description

Aleación de hierro-níquel de baja dilatación térmica con propiedades mecánicas particulares.

La invención se refiere a una aleación de hierro-níquel de baja dilatación térmica con propiedades mecánicas particulares.

Es sabido que las aleaciones basadas en hierro tienen coeficientes de dilatación térmica bajos con aproximadamente 36% de níquel en un intervalo de temperatura entre 20 y 100ºC. Por eso, estas aleaciones se aplican desde hace algunas décadas allí donde se exigen, también, longitudes constantes en los cambios de temperaturas como en instrumentos de precisión, relojes o bimetales. Con el desarrollo de los televisores en color y los monitores de ordenador hacia una resolución más alta, la fidelidad de los colores y el grado de contraste, también, en condiciones de luz inadecuadas y, en particular, con la tendencia a pantallas más planas y mayores, los materiales de hierro-níquel se aplican cada vez más en máscaras de sombras.

Las aleaciones técnicas de hierro-níquel con aproximadamente 36% de níquel tienen en un intervalo de temperatura entre 20 a 100ºC, como predominan en los tubos de imagen convencionales, un coeficiente de dilatación térmica entre 1,2 y 1,8 x 10^{-6}/K en estado con recocido blando, como se describe en el boletín de material de hierro-níquel (SEW-385, edición 1991). Para las máscaras de sombras, en particular, también se usan materiales perfeccionados con aproximadamente 36% de níquel que alcanzan bajos coeficientes de dilatación térmica entre 0,6 y 1,2 x 10^{-6}/K en un intervalo de temperatura de 20 a 100ºC.

Para máscaras de sombras pretensadas en bastidores se requiere un material de baja dilatación con una resistencia a la fluencia mejorada en comparación con las aleaciones usadas hasta ahora. Las máscaras de sombras y las piezas del bastidor para las máscaras de sombras se someten a un denominado recocido negro a temperaturas de hasta aproximadamente 580ºC. Con esto, se produce una capa de óxido de hierro oscura, con la que se consigue una calidad de imagen visual mejorada.

La aleación basada en hierro usada hasta ahora con aproximadamente 36% de níquel consigue una resistencia a la fluencia A_{80} de aproximadamente 2,6% en las siguientes condiciones de ensayo: 1 hora a 580ºC con una carga de 138 MPa.

La pretensión de las máscaras de sombras en sentido vertical se produce con las piezas de bastidor verticales. Las aleaciones de hierro-níquel con aproximadamente 41% de níquel se usaban hasta ahora como materiales, conociéndose estas aleaciones como materiales, por ejemplo, para uniones vidrio-metal o conductores soporte. Las propiedades tecnológicas son las siguientes: la resistencia a la fluencia A_{80} asciende a aproximadamente 0,5%, medida con las mismas condiciones de ensayo que antes para la aleación con contenido en níquel de 36%, es decir, 1 hora a 580ºC con una carga de 138 MPa. Las piezas del bastidor verticales de esta aleación, según un coeficiente de dilatación térmica de aproximadamente 4,8 x 10^{-6}/K en un intervalo de temperatura de 20 a 100ºC, se dilatan con mayor fuerza que la máscara de sombras que se realiza de una aleación de hierro-níquel con aproximadamente 36% de níquel.

Los materiales de nuevo desarrollo para las piezas del bastidor horizontal deben presentar las mismas propiedades bajas de dilatación térmica que la aleación de hierro-níquel usada hasta ahora para las máscaras de sombras, que contiene, además de hierro y aproximadamente 36% de níquel, esencialmente, sólo impurezas de fabricación en escasa cantidad.

Al igual que para las máscaras de sombras, se requieren asimismo materiales para las piezas del bastidor que presenten una resistencia a la fluencia mejorada a temperaturas de hasta 580ºC en comparación con las aleaciones usadas hasta ahora. El tamaño y el gradiente de temperatura del coeficiente de dilatación deben corresponderse aproximadamente con aquellos de los materiales usados hasta ahora.

Además, es sabido que adiciones apropiadas en aleaciones de hierro-níquel pueden aumentar la dureza. En relación con esto se aplican, por ejemplo, molibdeno y cromo en combinación con carbono. Con esto, se aumenta el límite elástico de estricción y la resistencia mecánica.

No obstante, adiciones demasiado altas de los elementos molibdeno, cromo y carbono pueden aumentar demasiado los coeficientes de dilatación térmica.

Como material de alambre para líneas de transmisión se ha conocido una aleación de hierro-níquel que contiene aproximadamente 38% Ni, 2% Mo, 0,8% Cr y 0,25% C así como impurezas de fabricación y restos de hierro. En un estado recocido por disolución, esta aleación presenta un coeficiente de dilatación térmica de aproximadamente 4 x 10^{-6}/K entre 20 y 100ºC. La resistencia a la tracción puede alcanzar valores mayores que 1000N/mm^{2} en un estado endurecido.

El documento JP-A-10060528 describe una aleación Invar que presenta la siguiente composición: \leq 0,1% C, 0,35% Si, \leq 1,0% Mn, 0,015% P, \leq 0,005% S, \leq 0,3% Cr, 35-37% Ni, 0-0,5% V, 0,01% Al, 0-1% Nb, 0-0,005% B, \leq 0,005% N, restos de hierro e impurezas de fabricación.

En el documento JP-A-10017997 se describe otra aleación Invar que contiene (en % en masa) la siguiente composición: 0,015%-0,10% C, \leq 0,35% Si, \leq 1,0% Mn, \leq 0,015% P, \leq 0,0010% S, 0,3% Cr, 35-37% Ni, 0-0,5% Mo, 0-0,05% V, \leq 0,01% Al, 0,015- < 1,0% Nb, \leq 0,003% Ti, \leq 0,005% N, en la que S se ajusta a \leq 0,002% y Ti a 0,05-0,2%. Además, se pueden introducir 0,0005-0,005% B. Restos de hierro e impurezas de fabricación.

El documento JP-61183443 se refiere a una aleación con coeficientes de dilatación térmica bajos, que contiene los siguientes elementos de aleación: 25-50% Ni, \leq 0,30% C, \leq 2,0% Si + Mn, \leq 10% de uno o de varios de los elementos Al, Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, y Hf, restos de hierro e impurezas de fabricación. Esta aleación se debe aplicar, entre otras cosas, a piezas de tubos electrónicos, instrumentos de medida o similares.

Finalmente, el documento DE-A-3642205 describe un material de máscaras de sombras que se compone en % en peso, esencialmente, de \leq 0,10% C, \leq 0,30% Si, \leq 0,30% Al, 0,1- 1,0% Mn, 34-38% Ni, de uno o más elementos adicionales de Ti, Zr, B, Mo, Nb, N, P, Cu, V, Mg, Co y W en contenidos de 0,01-1,0%, restos de hierro e impurezas inevitables.

El objetivo del objeto de la invención es el desarrollo de una aleación de hierro-níquel resistente a la fluencia y de baja dilatación, de modo que ya no posea las desventajas citadas en el estado de la técnica, cuya fabricación sea económica y que se pueda aplicar para una multitud de campos de aplicación técnicos.

Este objetivo se consigue con una aleación de hierro-níquel resistente a la fluencia y de baja dilatación que (en % en masa) contiene además de 0,08 a 0,12% C, máx. 1% Mn y máx. 1% Si un contenido de Mo de 0,4 a 0,8% y/o un contenido de Cr de 0,1 a 0,3%, máx. 1% Nb así como un contenido de Ni 35 a 38%, así como, dado el caso, entre 0,5 y 7% de cobalto, restos de hierro e impurezas de fabricación, presentando la aleación un coeficiente de dilatación térmica de < 6,0 x 10^{-6}/K en un intervalo de temperatura de 20 a 100ºC.

Las propiedades tecnológicas necesarias para la aplicación como material, en particular, para piezas verticales del bastidor de máscaras de sombras se pueden ajustar con la aleación de hierro-níquel conforme a la invención, en la que la composición respecto a los contenidos de Ni, Mo, Cr y C se puede seleccionar de tal forma que se presentan los coeficientes de dilatación térmica deseados y las propiedades mecánicas.

El objeto de la invención, además de piezas del bastidor y máscaras de sombras para pantallas y monitores, es aplicable, también, preferiblemente, para los siguientes objetos:

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Componentes pasivos de bimetales térmicos

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Componentes en la tecnología láser

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Conductores soporte

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Elementos de cañones electrónicos, en particular, en tubos de imagen

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Componentes para la fabricación, almacenamiento y transporte de gases licuados

A continuación, se describe la aleación conforme a la invención, respecto a sus propiedades mecánicas, comparada con aleaciones según el estado de la técnica.

La composición E4 de las aleaciones conforme a la invención para la aplicación como material para bastidores verticales, por ejemplo, de un monitor, contiene además los contenidos (en % en masa) de 35 a 38% Ni, 0,4 a 0,8% Mo, 0,1 a 0,3% Cr y 0,08 a 0,12% C, así como máx. 1% Mn, máx. 1% Si, máx. 1% Nb e impurezas habituales de fabricación en cantidades muy escasas. El coeficiente de dilatación térmica entre 20 y 100ºC con el valor bajo de aproximadamente 1,8 x 10^{-6}/K se puede casi comparar con el coeficiente de dilatación de la aleación de hierro-níquel usada hasta ahora según el estado de la técnica. La mejora necesaria de las propiedades mecánicas para la aplicación se consigue, también, con la aleación E4 conforme a la invención, en particular, en el sentido de que la resistencia a la fluencia, medida en una muestra con un espesor de 1,4 mm laminada en frío como dilatación A_{80} a 580ºC y con una carga superior a una hora de 200 Mpa, resulta en un valor de aproximadamente 0,03%. La aleación E4 conforme a la invención destaca, también, por una mecanización excelente y no requiere ninguna etapa de procedimiento adicional. Es decir, para el ajuste de las propiedades mecánicas, particularmente buenas, no se requiere ningún otro tratamiento térmico de temple. El bastidor se puede curvar directamente en estado laminado en frío. Las propiedades mecánicas, como las anteriormente descritas, se dan en este estado. Además, muestra una estabilidad de larga duración correspondiente a los requisitos de sus propiedades térmicas.

Las propiedades mecánicas, que se determinaron en el ensayo de estirado en caliente, sin y con carga, con una temperatura de ensayo de 580ºC, como también la intensidad del campo coercitivo magnético así como los coeficientes de dilatación térmica, se describen para la aleación E4 conforme a la invención, en comparación con las propiedades de las aleaciones T1 y T2, que corresponden al estado de la técnica, en la tabla 1.

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TABLA 1

Aleación	E4	T1	T2
Ensayo de estirado
en caliente a 580ºC
Límite elástico
R_{p0,005} \hskip1.4cm (N/mm^{2})		189	261
R_{p0,01} \hskip1.5cm (N/mm^{2})	347
R_{p0,2} \hskip1.6cm (N/mm^{2})	438	312	322
Resistencia a la tracción
R_{m} \hskip1.8cm (N/mm^{2})	451	411	381
Alargamiento de rotura
A_{80} \hskip1.8cm (%)	4,40	7,5	6,4
Resistencia a la
fluencia/Carga	200N/mm^{2}	200N/mm^{2}	138N/mm^{2}
A_{80} (580ºC/1h) \hskip0.2cm (%)	0,03	0,54	2,61
Coeficiente de dilatación térmica (de 20ºC a una temperatura de ensayo de T en 10^{-6}/K)
T(ºC)
100	1,8	4,88	1,26
200	2,6	4,49	2,45
300	5,3	4,52	5,47
400	8,2	6,31	8,28
500	10,2	8,14	10,23
600	11,6	9,69	11,61

Propiedades mecánicas, límite elástico, resistencia a la tracción, alargamiento de rotura a 580ºC, determinado en el ensayo de estirado en caliente, como también la resistencia a la fluencia en 1h a 580ºC y con una carga de 138 Mpa o 200 Mpa, y el coeficiente de la dilatación térmica de la aleación E4 conforme a la invención comparada con las aleaciones T1 y T2, que corresponden al estado de la técnica. Los cuerpos de ensayo se realizaron a partir de una cinta laminada en frío de 1,4 mm.

Las composiciones químicas, que sirven de ejemplo, de la aleación E4 conforme a la invención comparadas con las composiciones de las aleaciones T1 y T2, que corresponden al estado de la técnica, se describen en la tabla 2.

TABLA 2

Elemento	E4	T1	T2
(% en masa)
C	0,109	0,007	0,003
S	0,0008	0,003	0,0002
N	0,001	0,002	0,0025
Cr	0,20	0,03	0,03
Ni	36,40	40,80	36,15
Mn	0,14	0,55	0,24
Si	0,10	0,17	0,06
Mo	0,62	0,01	0,05
Ti	0,01	0,005	<0,01
Nb	0,05	<0,01	0,01
Cu	0,01	0,04	0,05
Fe	restos	restos	restos
P	0,002	0,003	0,002
Al	0,001	0,002	0,007
Mg	<0,001	<0,001	0,002
Co	0,01	0,04	0,04
O	0,0055	0,002	0,002

La composición química, que sirve de ejemplo, de la aleación E4 comparada con las composiciones de las aleaciones T1 y T2, que corresponden al estado de la técnica.

Para campos de aplicación determinados puede ser recomendable introducir cobalto en contenidos predeterminados (en % en masa) a la aleación conforme a la invención. Las adiciones de cobalto (en % en masa) están entre 0,5 y 7%, en las que el contenido de níquel se debe ajustar de manera correspondiente.

Claims (7)

1. Aleación de hierro-níquel resistente a la fluencia y de baja dilatación, que contiene (en % en masa) además de 0,08 a 0,12% C, máx. 1% Mn y máx. 1% Si, un contenido en Mo de 0,4 a 0,8% y/o un contenido en Cr de 0,1 a 0,3%, máx. 1,0% Nb, así como un contenido en Ni de 35 a 38% así como, dado el caso, entre 0,5 y 7% de cobalto, restos de hierro e impurezas de fabricación, presentando la aleación un coeficiente de dilatación térmica < 6,0 x 10^{-6}/K en el intervalo de temperatura de 20 a 100ºC.

2. Uso de la aleación de hierro-níquel según la reivindicación 1 para piezas del bastidor de máscaras de sombras así como para máscaras de sombras de pantallas y monitores.

3. Uso de la aleación de hierro-níquel según la reivindicación 1 para componentes pasivos de bimetales térmicos.

4. Uso de la aleación de hierro-níquel según la reivindicación 1 para componentes para la fabricación, almacenamiento y transporte de gases licuados.

5. Uso de la aleación de hierro-níquel según la reivindicación 1 para componentes de la tecnología láser.

6. Uso de la aleación de hierro-níquel según la reivindicación 1 para conductores soporte.

7. Uso de la aleación de hierro-níquel según la reivindicación 1 para elementos de cañones electrónicos, en particular, en tubos de imagen.