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 x 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 x 10-6/K erreichen.

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.

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.

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 x 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.

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.

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.

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 y (Ni3Ti/Ni3AI) Phase erhöht die Streckgrenze und Festigkeit.

Allerdings können zu hohe Summengehalte der Elemente Titan und Aluminium die Wärmeausdehnungskoeffizienten zu sehr erhöhen.

Durch die DE-C 29 40 532 ist eine aushärtbare Nickel-Eisen-Gußlegierung mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten < 5 x 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.

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.

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 x 10-6/K aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Legierungen sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.

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.

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.

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.

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.

Der Erfindungsgegenstand ist bevorzugt einsetzbar für folgende Gegenstände : -passive Komponenten von Thermobimetallen -Komponenten in der Laser-Technologie -Leadframes -Metall-Glasanschmelzungen -Rahmenteile von Bildschirm-oder Monitorschattenmasken -Bauteile von Elektronenkanonen, insbesondere in Fernsehröhren -Komponenten zur Herstellung, Lagerung und Transport von verflüssigten Gasen 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 erfindungsgemäß Legierung E1 im Vergleich zu den Eigenschaften der Legierungen T1 und T2, die dem Stand der Technik entsprechen, in der Tabelle 1 aufgeführt.

Legierung E1 E2 T1 T2 Warmzugversuch bei 580°C Dehngrenze Rpo, oos (N/mm2) 369 261 189 Rpo, 2 (N/mm2) 574 206 322 312 Zugfestigkeit Rm (N/mm2) 613 566 381 411 Bruchdehnung A80 (%) 4,3 18 6,4 7,5 Kriechfestigkeit (Belastung 138 N/mm2) A80 (580°C/1h) (%) 0,17 0.06 2,61 0,54 Koerzitivfeldstärke Hc (580°C/15min) (A/m) 433 424 405 Hc (580°C/1 h) (A/m) 327 154 170 Wärmeausdehnungskoeffizienten (von 20°C bis zur Prüftemperatur T in 10-6/K) T (°C) 50 4,78 4,11 0,63 4,98 100 4,81 3,99 1,26 4,88 150 4,83 3,95 1,76 4,62 200 4,95 4,04 2,45 4,49 250 5,09 4,28 3,69 4,42 300 5, 74 5,15 5,47 4,52 350 6,94 6,38 7,01 5,18 400 8,01 7,49 8,28 6,31 450 8,92 9,43 9,34 7,28 500 9,60 9,22 10,23 8,14 550 10,30 9,89 10,98 8,91 600 11,09 10,47 11,61 9,69 Tabelle 1 : Mechanische Eigenschaften Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung bei 580°C, bestimmt im Warmzugversuch, als auch die Kriechfestigkeit bei 1h 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.

Im Fall der Legierung E2 wurden vor der Prüfung die Testkörper weichgelüht und ausgehärtet (Belastung 200 MPa bei Prüfung der Kriechfestigkeit).

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.

Die Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20 bis 100°C genügen mit etwa 4,8 x 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 Abbildung 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.

Abbildung 1 : Temperaturabhängige Ausdehnungskoeffizienten der erfindungs- gemäßen Legierungen E1 und E2 und die der Legierungen T1 und T2, die dem Stand der Technik entsprechen.

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.

Element E1 E2 T1 T2 (Masse-%) C 0, 002 0,020 0,003 0,007 S 0, 0014 0,0006 0,0002 0,0030 N 0, 001 0,001 0,0025 0,002 Cr 0, 01 0,06 0,03 0,03 Ni 42, 95 42,2 36,15 40,80 Mn 0, 01 0,12 0,24 0,55 Si 0, 01 0,16 0,06 0,17 Mo 0,05 0,01 Ti <0, 01 1,85 <0,01 0,005 Nb 0,52 0,01 <0,01 Cu 0, 02 0,05 0,04 Fe Rest Rest 63,3 58,30 P 0, 002 0,009 0,002 0,003 Al 1,88 0, 13 0,007 0,002 Mg 0, 0002 0,002 <0,001 Pb <0,001 0,001 0,001 Ca 0,0007 Zr <0,01 <0,01 Co 0, 01 0,02 0,04 0,04 O 0, 001 0,002 0,002 0,002 Tabelle 2 : Beispielhafte chemische Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Legierungen E1 und E2 im Vergleich zu beispielhafte Zusammensetzungen von Legierungen T1 und T2, die dem Stand der Technik entsprechen.

In der folgenden Tabelle sind die Grenzwerte der chemischen Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Legierung E1 beschrieben.

Element E1 (Masse-%) minimal maximal C 0,2 S 0,005 Cr 0,2 Ni 39,0 45,0 Mn 0,3 Si 0,3 Mo 0,1 Ti 0,1 Nb 0,01 Cu 0,1 Fe R100,0 P 0,005 Al 3,0 Mg 0,005 Zr 0,10 Co 0,3 0 0,001 Tabelle 3 : Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung der erfindungs- gemäßen Legierung E1.

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 % AI und 0,2-1,0 % Nb sowie Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen gemäß der Tabelle 4.

In der folgenden Tabelle sind die Grenzwerte der chemischen Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Legierung E2 beschrieben.

Element E2 (Masse-%) minimal maximal C 0,2 S 0,005 Cr 0,2 Ni 39,0 45,0 Mn 0,3 Si 0,3 Mo 0,3 AI 0,05 0,3 Nb 0,2 1, 0 Cu 0, 3 Fe R100,0 P 0,01 Ti 0,5 2,5 Mg 0,005 Zr 0,10 Co 0,5 O 0,003 Tabelle 4 : Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung der erfindungs- gemäßen Legierung E2.

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 Aso < 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.