PL195525B1

PL195525B1 - Stop żelaza z niklem odporny na pełzanie i o niskiej rozszerzalności cieplnej oraz zastosowanie stopu żelaza z niklem

Info

Publication number: PL195525B1
Application number: PL00357823A
Authority: PL
Inventors: Bodo Gehrmann; Burkhard Erpenbeck
Original assignee: Thyssenkrupp Vdm Gmbh
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2007-09-28
Also published as: EP1212474A1; ES2203503T3; ATE246266T1; JP3805675B2; CN1173063C; CN1420941A; HK1049188A1; EP1212474B1; DE19944578A1; TWI229135B; KR20020032594A; DE19944578C2; WO2001021848A1; DE50003135D1; PL357823A1; AU6569900A; HK1049188B; KR100502818B1; JP2004500482A

Abstract

1. Stop zelaza z niklem odporny na pelzanie i o niskiej rozszerzalnosci cieplnej, znamienny tym, ze zawiera (w % masowych) oprócz 0,08 do 0,12% C, maksymalnie 1% Mn i maksymalnie 1% Si, i ma zawartosc Mo od 0,4 do 0,8% i/lub zawartosc Cr od 0,1 do 0,3%, maksymalnie 1,0% Nb a takze zawartosc Ni od 35,0 do 38,0% oraz korzystnie pomiedzy 0,5 do 7% Co, reszte stanowi zelazo i za- nieczyszczenia uwarunkowane wytwarzaniem, przy czym stop ma w zakresie temperatur od 20 do 100°C wspólczynnik rozszerzalnosci cieplnej < 6,0 x 10 -6 /K. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest stop żelaza z niklem odporny na pełzanie i o niskiej rozszerzalności cieplnej oraz zastosowanie stopu żelaza z niklem.

Znane jest, że stopy podstawowe z żelazem z około 36% zawartością niklu mają niskie współczynniki rozszerzalności cieplnej w zakresie temperatur między 20 a 100°C. Stopy te stosuje się zatem już od kilku dziesięcioleci tam, gdzie również przy zmianach temperatury wymagane jest zachowanie stałej długości, jak na przykład w przypadku przyrządów precyzyjnych, zegarów albo bimetali. Wraz z rozwojem kolorowych telewizorów i monitorów komputerowych w kierunku wyższej rozdzielczości, ostrości kolorów i natężenia kontrastu, również w niekorzystnych warunkach świetlnych a zwłaszcza ze względu na trendy idące w kierunku coraz to bardziej płaskich i coraz większych ekranów obrazowych, stosuje się znacznie więcej materiałów z żelaza i niklu do masek.

Techniczne stopy żelaza z niklem zawierające około 36% niklu, mają w zakresie temperatur od 20 do 100°C, jakie panują w tradycyjnych lampach ekranów obrazowych, w stanie wyżarzania zmiękczającego termiczny współczynnik rozszerzalności cieplnej między 1,2 a 1,8 x 10^-6/K, jak opisano w Stahl-Eisen-Werkstoffblatt (SEW-385, wydanie 1991). Zwłaszcza do masek cieniowych stosuje się również bardziej zaawansowane materiały z około 36% niklu, osiągające w zakresie temperatur od 20 do 100°C niższe współczynniki rozszerzalności cieplnej między 0,6 a 1,2 x 10^-6/K.

Do masek cieniowych rozpiętych w ramach wymagany jest materiał o niskiej rozszerzalności mający polepszoną odporność na pełzanie względem dotychczas stosowanego stopu. Maski cieniowe i elementy ramowe do masek cieniowych, poddaje się w temperaturach do około 580°C tak zwanemu wyżarzaniu zaczerniającemu. Wytwarza się przy tym ciemną warstwę tlenku żelaza, za pomocą której otrzymuje się lepszą wizualną jakość obrazu.

Stosowany dotychczas stop podstawowy z żelazem z około 36% niklu, osiąga granicę pełzania A80 wynoszącą około 2,6% w następujących warunkach kontrolnych: 1 godzina w 580°C przy obciążeniu 138 MPa.

Rozpięcie masek cieniowych w kierunku pionowym następuje za pomocą pionowych elementów ramowych. Jako materiał stosuje się dotychczas stopy żelaza z niklem, z około 41% niklu, przy czym stopy te są znane jako materiały do na przykład obtopień szkła z metalem albo do ramek wyprowadzeniowych (Leadframes). Technologiczne właściwości są następujące: granica pełzania A80 wynosi około 0,5%, mierzona w jednakowych warunkach kontrolnych jak uprzednio dla stopu zawierającego 36% niklu, to znaczy 1 godzina w 580°C przy obciążeniu 138 MPa. Pionowe elementy ramowe z tego stopu, rozszerzają się zgodnie ze współczynnikiem rozszerzalności cieplnej wynoszącym około 4,8 x10^-6/K, w zakresie temperatur od 20 do 100°C, bardziej niż maska cieniowa wytworzona ze stopu żelaza z niklem zawierającego około 36% niklu.

Nowe materiały do poziomych elementów ramowych powinny mieć jednakowe niskie właściwości rozszerzalności cieplnej, jak stop żelaza z nikłem dotychczas stosowany do masek cieniowych, który oprócz żelaza i około 36% niklu zawiera zasadniczo tylko domieszki uwarunkowane wytwarzaniem, w niewielkiej ilości.

Tak samo jak do masek cieniowych również do elementów ramowych wymagane są materiały, które wykazują polepszoną odporność na pełzanie w temperaturach do 580°C w porównaniu z dotychczas stosowanymi stopami. Wielkość i zależny od temperatury przebieg współczynnika rozszerzalności powinny niemal odpowiadać tym, jakie występują w przypadku dotychczas stosowanych materiałów.

Ponadto znane jest, że odpowiednie dodatki do stopu żelaza z niklem mogą podwyższać twardość. Stosuje się przy tym na przykład molibden i chrom w kombinacji z węglem. Podwyższa się przy tym granica plastyczności i wytrzymałość.

Oczywiście zbyt wysokie sumaryczne zawartości pierwiastków molibdenu, chromu i węgla mogą zbytnio podwyższyć współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Jako materiał w postaci drutu do przewodów dalekosiężnych znany jest stop żelaza z niklem, zawierający około 38 Ni, 2% Mo, 0,8% Cr i 0,25% C oraz domieszki uwarunkowane wytwarzaniem i jako resztę żelazo. W stanie wyżarzania rozpuszczającego, stop ten ma współczynnik rozszerzalności cieplnej w temperaturze między 20 a 100°C wynoszący około 4 x 10^-6/K. Wytrzymałość na rozciąganie może w utwardzonym stanie osiągnąć wartości powyżej 1000 N/mm².

Z opisu JP-A 10060528 znany jest stop inwarowy, mający następujący skład < 0,1% C, 0,35% Si, < 1,0% Mn, 0,015% P, < 0,005% S, < 0,3% Cr, 35 - 37% Ni, 0 - 0,5% V, 0,01% Al, 0 - 1% Nb, 0 -0,005% B,<0,005% N, resztę stanowi Fe oraz zanieczyszczenia uwarunkowane wytwarzaniem.

PL 195 525 B1

W opisie JP-A 10037997 opisany jest kolejny stop inwarowy, zawierający (w % masowych) następujący skład: 0,015 - 0,10% C, < 0,35% Si, < 1,0% Mn, < 0,015% P, < 0,0010% S, 0,3% Cr, 35 - 37% Ni, 0 - 0,5% Mo, 0 - 0,05% V, < 0,01% Al, 0,15 - < 1,0% Nb, < 0,003% Ti, < 0,005% N, przy czym S nastawiona jest na < 0,002% a Ti na 0,05 - 0,2%. Ponadto można dodać jako składnik stopowy 0,0005 -0,005% B. Resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia uwarunkowane wytwarzaniem.

Opis JP-61183443 dotyczy stopu o niewielkim termicznym współczynniku rozszerzalności, zawierającego następujące pierwiastki stopowe: 25 - 50% Ni, < 0,30% C, < 2,0% Si + Mn, < 10% jednego lub kilku z pierwiastków Al, Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr i Hf, resztę stanowi Fe oraz zanieczyszczenia uwarunkowane wytwarzaniem. Ten stop powinien być między innymi stosowany na części lamp elektronowych, przyrządów pomiarowych lub tym podobnych.

W końcu, opis DE-A 3642205 ujawnia materiał na maski cieniowe, który zasadniczo składa się w % wag. z < 0,10% C, < 0,30% Si, < 0,30% Al, 0,1 -1,0% Mn, 34 - 38% Ni, jednego lub kilku dodatkowych pierwiastków: Ti, Zr, B, Mo, Nb, N, P, Cu, V, Mg, Co i W o zawartościach od 0,01 -1,0%, resztę stanowi Fe i nieuniknione zanieczyszczenia.

Zadaniem wynalazku jest opracowanie stopu żelaza z niklem, odpornego na pełzanie i o niskiej rozszerzalności, niemającego wad występujących w stanie techniki, taniego w wytwarzaniu i nadającego się do zastosowania w wielu technicznych dziedzinach zastosowania.

Stop żelaza z niklem odporny na pełzanie i o niskiej rozszerzalności cieplnej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera (w % masowych) oprócz 0,08 do 0,12% C, maksymalnie 1% Mn i maksymalnie 1% Si, i ma zawartość Mo od 0,4 do 0,8% i/lub zawartość Cr od 0,1 do 0,3%, maksymalnie 1,0% Nb oraz zawartość Ni od 35,0 do 38,0% oraz korzystnie pomiędzy 0,5 do7% Co, resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia uwarunkowane wytwarzaniem, przy czym stop ma w zakresie temperatur od 20 do 100°C współczynnik rozszerzalności cieplnej < 6,0 x 10^-6/K.

Zastosowanie stopu żelaza z niklem do elementów ramowych masek cieniowych oraz do masek cieniowych ekranów obrazowych i monitorów.

Zastosowanie stopu żelaza z niklem do pasywnych składników termobimetali.

Zastosowanie stopu żelaza z niklem do składników do wytwarzania, składowania i transportu skroplonych gazów.

Zastosowanie stopu żelaza z niklem do składników w technologii laserowej.

Zastosowanie stopu żelaza z niklem do ramek wyprowadzeniowych.

Zastosowanie stopu żelaza z niklem do elementów konstrukcyjnych wyrzutni elektronowych, zwłaszcza do lamp telewizyjnych.

Wymagane technologiczne właściwości dla zastosowania jako materiał, zwłaszcza do pionowych elementów ramowych masek cieniowych, mogą być uzyskane za pomocą stopu żelaza z niklem według wynalazku, przy czym skład pod względem zawartości Ni, Mo, Cr i C można dobrać tak, że otrzymuje się żądane współczynniki rozszerzalności cieplnej i właściwości mechaniczne.

Przedmiot wynalazku nadaje się korzystnie do stosowania nie tylko do elementów ramowych i masek cieniowych do ekranów obrazowych i monitorów, lecz również do następujących przedmiotów: pasywnych składników termobimetali, składników w technologii laserowej, ramek wyprowadzeniowych (Leadframes), elementów konstrukcyjnych wyrzutni elektronowych, zwłaszcza w lampach telewizyjnych, składników do wytwarzania, składowania i transportu skroplonych gazów.

Poniżej porównany zostanie stop według wynalazku (pod względem jego mechanicznych właściwości) ze stopami znanymi ze stanu techniki.

Korzystny skład E4 stopu według wynalazku do zastosowania jako materiał do pionowej ramy na przykład monitora,zawiera oprócz zawartości (w % masowych) 35 do 38% Ni, 0,4 do 0,8% Mo, 0,1 do 0,3% Cr a ponadto 0,08 do 0,12% C oraz maksymalnie 1% Mn, maksymalnie 1% Si, maksymalnie 1% Nb i zwyczajowe domieszki, uwarunkowane wytwarzaniem, w jedynie bardzo niewielkiej ilości. Współczynnik rozszerzalności cieplnej, mający w temperaturach 20 a 100°C niską wartość około 1,8 x 10^-6/K, jest niemal porównywalny ze współczynnikiem rozszerzalności dotychczas stosowanego stopu żelaza z niklem T2 ze stanu techniki. Za pomocą stopu E4 według wynalazku, również otrzymuje się niezbędne do zastosowania polepszenie mechanicznych właściwości, zwłaszcza na tyle, że odporność na pełzanie, mierzona na podstawie walcowanej na zimno próbki o grubości 1,4 mm, występuje jako rozszerzalność A80 przy 580°C, i przy jednogodzinnym większym obciążeniu wynoszącym 200 MPa, o wartości około 0,03%. Stop E4 według wynalazku charakteryzuje się również doskonałą podatnością do obróbki i nie wymaga żadnych dodatkowych operacji w trakcie produkcji. To znaczy, do uzyskania szczególnie dobrych mechanicznych właściwości nie jest konieczne żadne dodatkowe utwar4

PL 195 525B1 dzanie przez obróbkę cieplną. Rama może być wygięta bezpośrednio z walcowanego na zimno stanu. Występują w tym stanie uprzednio opisane mechaniczne właściwości. Ma on ponadto odpowiadającą potrzebom długotrwałą stabilność swych właściwości termicznych.

Właściwości mechaniczne, określone w próbie ciągnienia na gorąco bez obciążenia i z obciążeniem przy temperaturze kontrolnej 580°C, jak również magnetyczne koercyjne natężenie pola oraz współczynniki rozszerzalności cieplnej przedstawione są w tabeli 1 dla stopu E4 według wynalazków, w porównaniu do właściwości stopów T1 i T2, odpowiadających stanowi techniki.

Tabel a 1

Stop	E4	T1	T2
Próba ciągnienia na gorąco w 580°C
Fizyczna granica plastyczności
^Rp0,005	(N/mm²)		189	261
^Rp0,01	(N/mm²)	347
^Rp0,2	(N/mm²)	438	312	322
Wytrzymałość na rozciąganie
Rm	(N/mm²)	451	411	381
Wydłużenie przy zerwaniu
A80	(%)	4,40	7,5	6,4
Granica pełzania/obciążenie	200 N/mm²	138 N/mm²
A80 (580°C/1h)	(%)	0,03	0,54	2,61
Współczynniki rozszerzalności cieplnej (od 20°C do temperatury kontrolnej T w 10^-6/K)
T(°C)
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

Mechaniczne właściwości: fizyczna granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie przy zerwaniu w 580°C, określone w próbie ciągnienia na gorąco, jak również granica pełzania w 1h w 580°C przy obciążeniu 138 MPa, względnie 200 MPa, i współczynniki rozszerzalności cieplnej stopu E4 według wynalazku, w po-równaniu do stopów T1 i T2, odpowiadających stanowi techniki. Próbki wykonano z taśmy walcowanej na zimno do grubości 1,4 mm.

PL 195 525 B1

Przykładowe chemiczne składy stopu E4 według wynalazku, w porównaniu do składów stopów T1i T2 odpowiadających stanowi techniki przedstawione są w tabeli 2.

T a b e l a 2

Pierwiastek (% masowy)	E4	T1	T2
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	reszta	reszta	reszta
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

Przykładowe chemiczne składy stopu E4 według wynalazku, w porównaniu do przykładowych składów stopów T1i T2, odpowiadających stanowi techniki.

Do określonych zakresów stosowania, korzystne może być dodanie do stopu według wynalazku kobaltu w określonych wstępnie ilościach (w % masowych). Korzystne dodatki kobaltu (w % masowych) wynoszą przy tym między 0,5 a 7%, przy czym zawartość niklu należy nastawić w odpowiedni sposób.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Stop żelaza z niklem odporny na pełzanie i o niskiej rozszerzalności cieplnej, znamienny tym, że zawiera (w % masowych) oprócz 0,08 do 0,12% C, maksymalnie 1% Mn i maksymalnie 1% Si, i ma zawartość Mo od 0,4 do 0,8% i/lub zawartość Cr od 0,1 do 0,3%, maksymalnie 1,0% Nba także zawartość Ni od 35,0 do 38,0% oraz korzystnie pomiędzy 0,5 do 7% Co, resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia uwarunkowane wytwarzaniem, przy czym stop ma w zakresie temperatur od 20 do 100°C współczynnik rozszerzalności cieplnej < 6,0 x 10^-6/K.

PL 195 525B1
2. Zastosowanie stopu żelaza z niklem określonego w zastrz. 1 do elementów ramowych masek cieniowych oraz do masek cieniowych ekranów obrazowych i monitorów.
3. Zastosowanie stopu żelaza z niklem określonego w zastrz. 1 do pasywnych składników termobimetali.
4. Zastosowanie stopu żelaza z niklem określonego w zastrz. 1 do składników do wytwarzania, składowania i transportu skroplonych gazów.
5. Zastosowanie stopu żelaza z niklem określonego w zastrz. 1do składników w technologii laserowej.
6. Zastosowanie stopu żelaza z niklem określonego w zastrz.1 do ramek wyprowadzeniowych.
7. Zastosowanie stopu żelaza z niklem określonego w zastrz. 1 do elementów konstrukcyjnych wyrzutni elektronowych, zwłaszcza do lamp telewizyjnych.