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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Motorbauteil, welches zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung besteht, und die Verwendung dieser Legierung zur Herstellung eines Motorbauteils.
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Stand der Technik
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In der Automobilindustrie und anderen Industriezweigen, die sich hauptsächlich mit dem Verbrennungsmotor beschäftigen, besteht das Bedürfnis die Motoren möglichst leistungsfähig, effizient und verbrauchsarm zu gestalten. Ein wichtiger Baustein in der Motorentwicklung ist der Kolben. Kolben sollen bei immer höheren Verbrennungsdrucken und Verbrennungstemperaturen eingesetzt werden. Dies wird unter anderem mittels effizienteren und leistungsfähigeren Werkstoffen erreicht.
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Wesentlich für eine Kolbenlegierung im Verbrennungsmotor ist eine hohe Wärmefestigkeit bei gleichzeitiger Festigkeit und geringem Gewicht. Aufgrund der Forderung nach geringem Gewicht kommen hauptsächlich Aluminiumlegierungen in Frage. Da Aluminium einen geringen Schmelzpunkt und auch geringe Festigkeiten aufweist, spielen die Gefügemorphologie, die chemische Zusammensetzung und die Ausbildung von thermisch hochstabilen Phasen eine übergeordnete Rolle.
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Selbstverständlich müssen auch oxidische Defekte und Poren berücksichtigt werden und so klein wie möglich gehalten werden, da derartige Defekte und Poren die Lebensdauer des Kolbens negativ beeinflussen.
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Ein geeigneter Werkstoff muss sowohl in Bezug auf thermomechanische Ermüdungsfestigkeit (TMF), als auch in Bezug auf hochzyklische Schwingfestigkeit (HCF) optimiert werden. Um die TMF optimal zu gestalten, muss stets eine möglichst feine Mikrostruktur des Werkstoffs angestrebt werden. Eine feine Mikrostruktur reduziert die Gefahr des Entstehens von Mikroplastizität und von Mikrorissen an relativ großen Phasen (primären Silizium-Ausscheidungen und andere intermetallische Ausscheidungen) und reduziert damit auch die Gefahr von Rissinitiierung und von Rissausbreitung. Unter TMF-Beanspruchung treten an relativ großen primären Phasen, insbesondere an primären Siliziumausscheidungen Mikroplastizitäten oder Mikrorisse auf, welche die Lebensdauer des Kolbenwerkstoffs erheblich absenken können. Zur Erhöhung der Lebensdauer ist bekannt, diese primären Phasen möglichst klein zu halten.
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Beim zur Herstellung eines Kolbens verwendeten Schwerkraftkokillenguss gibt es eine Konzentrationsobergrenze, bis zu welcher Legierungselemente eingebracht werden können und bei deren Überschreitung die Gießbarkeit der Legierung verringert wird oder das Gießen unmöglich wird. Darüber hinaus kommt es bei zu hohen Konzentrationen von festigkeitssteigernden Elementen wie beispielsweise Nickel und Eisen zur Bildung großer plattenförmiger intermetallischen Phasen, welche die Ermüdungsfestigkeit drastisch absenken.
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Die
EP 0 924 310 B1 beschreibt eine Aluminium-Siliziumlegierung, die ihre Anwendung in der Herstellung von Kolben hat, insbesondere von Kolben in Brennkraftmaschinen hat. Die Aluminium-Siliziumlegierung hat folgende Zusammensetzung: 10,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium, 2,0 bis weniger als 4,0 Gew.-% Kupfer, 0,8 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,5 bis 2,0 Gew.-% Nickel, 0,3 bis 0,9 Gew.-% Kobalt, wenigstens 20 Gew.-ppm Phosphor und entweder 0,005 bis 0,2 Gew.-% Titan oder bis zu 0,2 Gew.-% Zirkonium und/oder bis zu 0,2 Gew.-% Vanadium und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
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Die
EP 2 920 334 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils unter Verwendung einer Aluminium-Silizium-Legierung. Diese Legierung weist folgende Zusammensetzung auf: 9 bis 10,5 Gew.-% Silizium, 3,7 bis 5,2 Gew.-% Kupfer, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 2 bis 3,5 Gew.-% Nickel, 0 bis weniger als 1 Gew.-% Kobalt, 0,1 bis 0, 7 Gew.-% Eisen, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Mangan, mehr als 0,1 bis weniger als 0,2 Gew.-% Zirkonium, mehr als 0,1 bis weniger als 0,2 Gew.-% Titan, 40 bis 80 Gew.-ppm Phosphor und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
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Die
WO 2015/173172 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils unter Verwendung einer Aluminium-Silizium-Legierung. Diese Legierung weist folgende Zusammensetzung auf: 7 bis 14,5 Gew.-% Silizium, mehr als 3,7 bis weniger als 10 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, mehr als 1,2 bis 4 Gew.-% Nickel, weniger als 1 Gew.-% Kobalt, 0,1 bis 0, 7 Gew.-% Eisen, 0,1 bis 0,7 Gew.-% Mangan, mehr als 0,1 bis weniger als 0,5 Gew.-% Zirkonium, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Titan, 0,004 bis 0,05 Gew.-% Phosphor und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
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Die
DE 44 04 420 C2 beschreibt eine Legierung, die insbesondere für Kolben und für Bauteile verwendet werden kann, welche mechanisch stark beansprucht sind und hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Die beschriebene Aluminiumlegierung umfasst: 8 bis 10,9 Gew.-% Silizium, 4,0 bis 5,9 Gew.-% Kupfer, 0,8 bis 2 Gew.-% Magnesium, 1,0 bis 3,0 Gew.-% Nickel, weniger als 0,5 Gew.-% Eisen, 0,2 bis 0,4 Gew.-% Mangan, sowie mindestens ein Element aus der Gruppe Antimon, Zirkonium, Titan, Strontium, Kobalt, Chrom, Vanadium, wobei mindestens eines dieser Elemente in einer Menge von mehr als 0,3 Gew.-% enthalten ist, und wobei die Summe dieser Elemente weniger als 0,8 Gew.-% beträgt, und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
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In der
DE 103 33 103 A1 wird ein Kolben beschrieben, gefertigt aus einer Aluminiumlegierung enthaltend 0,05 bis 0,3 Gew.-% Titan, 10 bis 21 Gew.-% Silicium, 2 bis 3,5 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 0,7 Gew.-% Eisen, 1 bis 3 Gew.-% Nickel, 0,001 bis 0,02 Gew.-% Phosphor und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
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Die
EP 0 924 311 A1 beschreibt eine Aluminium-Silizium-Legierung für die Fertigung von Kolben enthaltend 10,5 bis 13,5 Gew.-% Silizium, 2,0 bis 4,0 Gew.-% Kupfer, 0,5 bis 2,0 Gew.-% Nickel, 0,8 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,2 bis 0,6 Gew.-% Silber, 0,2 bis 0,6 Gew.-% Kobalt, mindestens 20 Gew.-ppm Phosphor und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen. Kobalt dient als Ersatz für Nickel und bildet hochtemperaturstabile intermetallische Phasen. Silber steigert die Ermüdungsfestigkeit im mittleren Temperaturbereich.
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Die
DE 10 2011 083 969 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, bei dem eine Aluminium-Silizium-Legierung eingesetzt wird, mit folgenden Legierungsbestandteilen: 6 bis 10 Gew.-% Silizium, 1,2 bis 2 Gew.-% Nickel, 8 bis 10 Gew.-% Kupfer, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Magnesium, 0,1 bis 0,7 Gew.-% Eisen, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Mangan, 0,2 bis 0,4 Gew.-% Zirkonium, 0,1 bis 0,3 Gew.-% Vanadium, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Titan, 40 bis 80 Gew.-ppm Phosphor und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
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Die
US 5,055,255 A beschreibt eine Aluminium-Silizium-Legierung, welche sich für die Fertigung von Kolben eignet, mit folgenden Legierungsbestandteilen: mindestens 9 Gew.-% Silizium, 3 bis 7 Gew.-% Nickel, 1,5 bis 6 Gew.-% Kupfer, und mindestens ein Element aus der Gruppe Magnesium, Mangan, Vanadium, Scandium, Eisen, Titan, Strontium, Zirkonium, Bor und Chrom, und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
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Darstellung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillenverfahren abgegossen wird, so dass ein höchstwarmfestes Motorbauteil im Schwerkraftkokillengussverfahren hergestellt werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist durch das Verfahren nach Anspruch 1 gegeben. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiteren Unteransprüchen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Aluminiumlegierung im Schwerkraftkokillengussverfahren abgegossen wird, wobei die Aluminiumlegierung aus den Legierungselementen
| Silizium | 8 bis 17 Gew.-%, |
| Kupfer | 2 bis 10 Gew.-%, |
| Nickel | 1 bis 6 Gew.-%, |
| Eisen | 0,1 bis 3,5 Gew.-%, |
| Magnesium | 0,1 bis 2 Gew.-%, |
| Mangan | 0,1 bis 4 Gew.-%, |
| Barium | bis 4 Gew.-%, |
| Titan | bis 0,5 Gew.-%, |
| Zirkonium | bis 0,4 Gew.-%, |
| Vanadium | bis 0,3 Gew.-%, |
| Phosphor | bis 0,05 Gew.-%, |
| Chrom | bis 0,3 Gew.-%, |
und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidenden Verunreinigungen besteht.
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Vor allem bei höheren Si-Gehalten bilden sich große primäre Si-Ausscheidungen, die unter HCF-TMF-Belastung rissbegünstigend wirken. Der Anteil an Phosphor wirkt als Keimbildner für primäre Siliziumausscheidungen, welche fein und gleichmäßig verteilt ausgeschieden werden. Dadurch werden auch mit dem beanspruchten höheren Siliziumgehalt feine Phasen ausgebildet, welche der Rissinitiierung und dem Risswachstum unter HCF-TMF-Belastung entgegenwirken. Die Anteile an Kupfer, Nickel, Eisen, sowie an Titan, Zirkonium und Vanadium bewirken die Festigkeit steigernde und hochtemperaturstabile Ausscheidungen. Mit dem Eisen wird die Klebeneigung an der Gießkokille reduziert. Höhere Anteile an Kupfer verbessern die Wärmefestigkeit, während ein niederer Anteil die Wärmeleitfähigkeit verbessert und die Dichte der Legierung reduziert. Der Gehalt an Magnesium führt zur Bildung von sekundären, matrixhärtenden Phasen. Mit Chrom als zusätzlichem Element erhält man hochtemperaturstabile Phasen die sich bei Temperaturen um 200°C bilden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann Barium zugegeben werden, wodurch die Bildung von primären groben Siliziumphasen unterdrückt wird, so dass vermehrt feindisperse Siliziumphasen vorliegen, welche einerseits den Kerbeffekt von groben Siliziumphasen verhindern und andererseits den Anteil thermisch höchststabiler Phasen erhöhen. Durch die anwendungsoptimierte Auswahl des Barium-Silizium-Verhältnisses in der erfindungsgemäßen Legierung können somit Siliziumgehalte in einem weiten Bereich eingestellt werden, ohne dass sich vermehrt grobe Silizium-Primärausscheidungen ausbilden. Dadurch wird unter TMF-HCF-Belastung die Rissinitiierung und die Rissausbreitung reduziert und die Lebensdauer des daraus gefertigten Bauteils erhöht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Aluminiumlegierung aus den Legierungselementen
| Silizium | 8 bis 13 Gew.-%, |
| Kupfer | 3 bis 6 Gew.-%, |
| Nickel | 2 bis 6 Gew.-%, |
| Eisen | 0,7 bis 2 Gew.-%, |
| Magnesium | 0,2 bis 1 Gew.-%, |
| Mangan | 0,7 bis 2,5 Gew.-%, |
| Barium | bis 4 Gew.-%, |
| Titan | bis 0,3 Gew.-%, |
| Zirkonium | bis 0,3 Gew.-%, |
| Vanadium | bis 0,2Gew.-%, |
| Phosphor | 0,004 bis 0,05 Gew.-%, |
| Chrom | bis 0,3 Gew.-% |
und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen.
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Eisennickelphasen wie die in dieser bevorzugten Ausführungsform sind eine der hochtemperaturstabilsten Phasen. Problematisch ist, dass ab einem Eisengehalt von 0,5 Gew.-% und ab einem Nickelgehalt von größer 2,5 Gew.-% sich grobe, plattenförmige Ni-Fe-Si-Phasen ausbilden können. Durch die Zugabe von Mangan in den hier beanspruchten Mengen können diese Phasen, auch bei relativ hohem Eisengehalt morphologisch so umgewandelt werden, dass diese weniger kritisch als Rissstartpunkte wirken. Deshalb ist es auch möglich den Ni-Fe-haltigen Phasenanteil zu erhöhen, ohne die Ausbildung der plattenförmigen Phasen zu bewirken. Dies bringt den Vorteil, dass in dieser Ausführungsform höhere Nickel- und Eisen-Gehalte eingesetzt werden können, welche ein thermisch stabileres Primärphasen-Netzwerk, mit höherer Konnektivität, ausbilden. Man erhält damit höhere Festigkeit bei hohen Temperaturen von 300 bis 400°C.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Aluminiumlegierung aus den Legierungselementen
| Silizium | 8 bis 15 Gew.-%, |
| Kupfer | 3 bis 10 Gew.-%, |
| Nickel | 1,5 bis 5 Gew.-%, |
| Eisen | 0,7 bis 2 Gew.-%, |
| Magnesium | 0,2 bis 1 Gew.-%, |
| Mangan | 0,7 bis 2,5 Gew.-%, |
| Barium | bis 4 Gew.-%, |
| Titan | 0,03 bis 0,3 Gew.-%, |
| Zirkonium | 0,03 bis 0,3 Gew.-%, |
| Vanadium | bis 0,2 Gew.-%, |
| Phosphor | 0,004 bis 0,05 Gew.-%, |
| Chrom | bis 0,2 Gew.-%, |
und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen.
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Kupfernickelphasen wie in dieser bevorzugten Ausführungsform zeichnen sich ebenfalls durch hohe Temperaturstabilität aus und können in habhaften Mengen zusätzlich in das Gefüge eingebracht werden. Durch die Zugabe höherer Anteile an Nickel und Kupfer in die Legierung, kann der Anteil an hochwarmfesten Phasen erhöht werden. Um ein - für die Anwendung - vorteilhaftes Verhältnis von Eisen-Nickel- und Kupfer-Nickel-Phasen zu erhalten, sowie die bekannte Mikroporosität bei hohen Kupfergehalten deutlich zu reduzieren ist daher eine Ausführungsform mit einem Verhältnis von Kupfer: Nickel von 1, 25 : 1 bis 2,5 zu bevorzugen. Mit Chrom als zusätzlichem Element erhält man - wie schon erwähnt - hochtemperaturstabile Phasen, die sich feindispers im mittleren Temperaturbereich bilden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Aluminiumlegierung aus den Legierungselementen
| Silizium | 11 bis 13 Gew.-%, |
| Kupfer | 4 bis 7 Gew.-%, |
| Nickel | 1 bis 3 Gew.-%, |
| Eisen | 0,15 bis 1 Gew.-%, |
| Magnesium | 0,2 bis 1 Gew.-%, |
| Mangan | ≥ 0,1 Gew.-%, |
| Barium | bis 1 Gew.-%, |
| Titan | 0,03 bis 0,3 Gew.-%, |
| Zirkonium | 0,03 bis 0,3 Gew.-%, |
| Vanadium | bis 0,2 Gew.-%, |
| Phosphor | 0,004 bis 0,05 Gew.-%, |
| Chrom | bis 0,2 Gew.-%, |
und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen. Die Verminderung der Elemente Eisen und Nickel bei gleichzeitigem erhöhtem Kupfergehalt und einem Siliziumgehalt im Bereich des eutektischen Punktes führt zu einer bevorzugten Ausscheidung und Anordnung der intermetallischen Phasen innerhalb des Grundgefüges der Kolbenlegierung, wodurch die - für Kolbenlegierungen wichtigen physikalischen Eigenschaften Dichte und Wärmeleitfähigkeit - im positiven Sinne beeinflusst werden, ohne die benötigten Festigkeiten des Kolbenmaterials zu reduzieren.
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Bevorzugt wird auch eine Aluminiumlegierung aus den Legierungselementen
| Silizium | 10 bis 15 Gew.-%, |
| Kupfer | 5,2 bis 9 Gew.-%, |
| Nickel | 1,5 bis 4 Gew.-%, |
| Eisen | 0,2 bis 1,5 Gew.-%, |
| Magnesium | 0,2 bis 1 Gew.-%, |
| Mangan | 0,2 bis 1,5 Gew.-%, |
| Barium | bis 4 Gew.-%, |
| Titan | 0,03 bis 0,3 Gew.-%, |
| Zirkonium | 0,03 bis 0,3 Gew.-%, |
| Vanadium | bis 0,2 Gew.-%, |
| Phosphor | 0,004 bis 0,05 Gew.-%, |
| Chrom | bis 0,2 Gew.-%, |
und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen.
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Besonders bevorzugt wird eine Aluminiumlegierung aus den Legierungselementen
| Silizium | 11 bis 14 Gew.-%, |
| Kupfer | 5,2 bis 8 Gew.-%, |
| Nickel | 2 bis 4 Gew.-%, |
| Eisen | 0,2 bis 1,5 Gew.-%, |
| Magnesium | 0,2 bis 1 Gew.-%, |
| Mangan | 0,2 bis 1,3 Gew.-%, |
| Barium | bis 1 Gew.-%, |
| Titan | 0,05 bis 0,2 Gew.-%, |
| Zirkonium | 0,05 bis 0,2 Gew.-% |
| Vanadium | bis 0,2 Gew.-%, |
| Phosphor | 0,004 bis 0,05 Gew.-% |
| Chrom | bis 0,2 Gew.-%, |
und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen.
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Ein erfindungsgemäßes Motorbauteil besteht zumindest teilweise aus einer der obengenannten Aluminiumlegierungen. Ein weiterer unabhängiger Aspekt der Erfindung liegt in der Verwendung der obengenannten Aluminiumlegierungen für die Herstellung eines Motorbauteils, insbesondere eines Kolbens eines Verbrennungsmotors. Insbesondere wird die Aluminiumlegierung dabei im Schwerkraftkokillengussverfahren verarbeitet.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Beispiele Beispiel 1:
| Silizium | 14 bis 17 Gew.-%, |
| Kupfer | 3 bis 5 Gew.-%, |
| Nickel | 2 bis 4 Gew.-%, |
| Eisen | 0,8 bis 1,5 Gew.-%, |
| Magnesium | 0,5 bis 1 Gew.-%, |
| Mangan | 1 bis 2 Gew.-%, |
| Barium | bis 2,5 Gew.-%, |
| Titan | 0,03 bis 0,3 Gew.-%, |
| Zirkonium | 0,03 bis 0,3 Gew.-% |
| Vanadium | 0,03 bis 0,2 Gew.-%, |
| Phosphor | 0,004 bis 0,05 Gew.-% |
| Chrom | bis 0,2 Gew.-% |
Beispiel 2:
| Silizium | 9 bis 12 Gew.-%, |
| Kupfer | 3 bis 5 Gew.-%, |
| Nickel | 2,5 bis 4 Gew.-%, |
| Eisen | 0,8 bis 2 Gew.-%, |
| Magnesium | 0,4 bis 1 Gew.-%, |
| Mangan | 0,8 bis 2,3 Gew.-%, |
| Barium | bis 1 Gew.-%, |
| Titan | 0,03 bis 0,3 Gew.-%, |
| Zirkonium | 0,03 bis 0,3 Gew.-% |
| Vanadium | bis 0,2 Gew.-%, |
| Phosphor | 0,004 bis 0,05 Gew.-% |
| Chrom | bis 0,2 Gew.-% |
Beispiel 3:
| Silizium | 11 bis 13 Gew.-%, |
| Kupfer | 5,5 bis 8 Gew.-%, |
| Nickel | 2 bis 4 Gew.-%, |
| Eisen | 0,3 bis 1,2 Gew.-%, |
| Magnesium | 0,2 bis 1 Gew.-%, |
| Mangan | 0,3 bis 1,2 Gew.-%, |
| Barium | bis 1 Gew.-%, |
| Titan | 0,03 bis 0,3 Gew.-%, |
| Zirkonium | 0,03 bis 0,3 Gew.-% |
| Vanadium | bis 0,2 Gew.-%, |
| Phosphor | 0,004 bis 0,05 Gew.-% |
| Chrom | bis 0,2 Gew.-% |
Beispiel 4:
| Silizium | 11 bis 13 Gew.-%, |
| Kupfer | 4 bis 7 Gew.-%, |
| Nickel | 1 bis 3 Gew.-%, |
| Eisen | 0,15 bis 1 Gew.-%, |
| Magnesium | 0,2 bis 1 Gew.-%, |
| Mangan | ≥ 0,1 Gew.-%, |
| Barium | bis 1 Gew.-%, |
| Titan | 0,03 bis 0,3 Gew.-%, |
| Zirkonium | 0,03 bis 0,3 Gew.-%, |
| Vanadium | bis 0,2 Gew.-%, |
| Phosphor | 0,004 bis 0,05 Gew.-%, |
| Chrom | bis 0,2 Gew.-%, |
und als Rest Aluminium und nicht zu vermeidende Verunreinigungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0924310 B1 [0007]
- EP 2920334 B1 [0008]
- WO 2015/173172 A1 [0009]
- DE 4404420 C2 [0010]
- DE 10333103 A1 [0011]
- EP 0924311 A1 [0012]
- DE 102011083969 [0013]
- US 5055255 A [0014]