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Verbundwerkstoff aus Aluminiumlegierungen mit hoher Korrosionsbeständigkeit
gegen heißes Wasser Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundwerkstoff aus Aluminiumlegierungen
mit hoher Korrosionsbeständigkeit gegen heißes Wasser, insbesondere zur Herstellung
von Heißwasserbehältern für Gebrauch im Haus und in der Industrie, bestehend aus
einer Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierung als Grundwerkstoff und einer Aluminium-Zink-Legierung
als Plattierwerkstofl: Zum Aufbewahren und Fortleiten von Wasser sind aus Aluminium
und seinen Legierungen gefertigte Behälter bzw. Rohre im allgemeinen zwar bei gewöhnlichen
Temperaturen brauchbar, jedoch erheblich korrosionsanfälliger über 60°C bei Einwirkung
von heißem Wasser auf die Oberfläche der bisher benutzten Werkstoffe; wenn nämlich
in einer im wesentlichen aus Aluminium bestehenden Legierung ein höheres Elektrodenpotential
gegenüber dem umgebenden Metall vorliegt, dann fließt in Gegenwart eines Elektrolyten,
z. B. Wasser, ein Strom von der anodischen Komponente zum Bereich mit geringerem
Potential oder dem kathodischen Bereich. Heißes Wasser mit einer über 60°C liegenden
Temperatur scheint die Potentialdifferenz zwischen Partikeln und Grundmasse zu vergrößern.
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So schützte man unter anderem einen aus einer Aluminiunflegierung
bestehenden Bauteil durch Belegen mit einem dünnen Plattierwerkstoff aus einer unterschiedlichen,
sich gegenüber dem Grundwerkstoff anodisch verhaltenden Aluminiumlegierung mit höherem
Elektrodenpotential. Bei Berührung mit einem korrodierenden Medium wird ein solcher
Plattierwerkstoff des Gegenstandes bevorzugt angegriffen und allmählich aufgezehrt,
wobei im wesentlichen ein Korrodieren des kathodischen Konstruktions- oder Grundstoffteiles
verhindert wird. Ein derartiges elektrolytisches Schützen erweist sich besonders
vorteilhaft für Kanten einer Platte oder dort, wo der Plattierwerkstoff im Gebrauch
durchlöchert und damit der metallische Grund- oder Kernwerkstoff bloßgelegt wird.
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Erfahrungsgemäß weisen jedoch Plattierwerkstofllegierungen bei Benutzung
von heißem Wasser nicht dasselbe brauchbare Verhalten wie bei Raumtemperatur auf.
Der metallische Grund- oder Mutterwerkstoff wird tief in den durchlöcherten Stellen
des Plattierwerkstoffes ohne Verhinderung seitlicher Ausweitungen der Löcher korrodiert.
Ein derartiges Anfressen oder Durchlöchern des Grundwerkstoffteiles eines Rohres
oder einet Behälterwand für heißes Wasser ist selbstverständlich unerwünscht, da
dieser Vorgang in Sonderfällen Ursache für die Verschlechterung der Festigkeit und
schließlich das Auftreten von Lochfraß ist. Dies wird allgemein darauf zurückgeführt,
daß die Legierung cles Grundwerkstoffes in heißem Wasser am Anodischwerden nicht
durch den Plattierwerkstoff gehindert wird.
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Gute Schweißbarkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit und gleichzeitig
mittelmäßige Festigkeit wiesen unter anderem Legierungen mit 1 bis 1,5 °/o Magnesiumsilicid
(MgZSi) mit oder ohne Zusatz von 0,3 °/o Kupfer und 0,25 °/o Chrom auf. Bleche oder
Platten aus diesen Legierungen schützte man bei schwerwiegenden Korrosionsbedingungen
durch Plattieren mit einer Aluminium-Zink-Legierung mit insgesamt etwa 0,5 bis 0,7
°/o üblicher Verunreinigungen, wie z. B. Silicium, Eisen, Kupfer und Mangan. Aus
solchen Verbundwerkstoffen gefertigte Behälter und Rohre eigneten sich zwar an vielen
geographischen Standorten zum Handhaben von heißem Wasser für Industrie- und Hausgebrauch,
wiesen jedoch erfahrungsgemäß an anderen Orten wiederum nicht ausreichende Lebensdauer
auf. Kurz gesagt: ein Plattierwerkstoff aus einer derartigen Aluminium-Zink-Legierung
bot unter verschärften Bedingungen nicht den erforderlichen Schutz gegen das Auftreten
von Lochfraß an Grundwerkstoffen aus einer Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierung.
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Ziel der Erfindung ist ein Verbundwerkstoff aus Aluminiumlegierungen
mit hoher Korrosionsbeständigkeit gegen heißes Wasser, insbesondere zur Herstellung
von Wänden für Heißwasserbehälter für industriellen
und Hausgebrauch,
bestehend aus einer Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierung als Grundwerkstoff und
einer Aluminium-Zink-Legierung als Plattierwerkstoff, bei dem ein Einfressen in
den Grundwerkstoff auch unter verschärften Bedingungen vermieden wird.
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Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff aus den genannten Aluminiumlegierungen
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Plattierwerkstoff im wesentlichen aus einer
Aluminiumlegierung mit 0,5 bis 60/0 Zink und nicht mehr als 0,15010 Verunreinigungen
besteht.
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Bei diesem Aufbau verhindert der Plattierwerkstoff jegliche Umkehrung
des relativen Elektrodenpotentials des Grundwerkstoffes in heißem Wasser. Dies wurde
bei den bisher bekannten Verbundwerkstoffen nicht erreicht. Aus dem erfindungsgemäßen
Verbundwerkstoff gefertigte Bauteile sind sogar hervorragend korrosionsbeständig
gegen Wasser, das sauer ist und das außerdem Schwermetallsalze enthält, die erfahrungsgemäß
bei höheren Temperaturen im Bereich von etwa 49 bis 93'C an einer aluminiumhaltigen
Metalloberfläche abgelagert werden.
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Der Grundwerkstoff besteht erfindungsgemäß aus einer Aluminiumlegierung
mit 0,4 bis 1,501, Magnesium und 0,4 bis 1,5010 Silicium, vorzugsweise
in einem solchen Anteilverhältnis, daß alles Magnesium an das Silicium unter Entstehung
von Magnesiumsilicid gebunden ist. Außerdem kann der Grundwerkstoff noch 0,1 bis
0,5 °/o Kupfer und/oder 0,1 bis 0,5 °/o Chrom enthalten. Vorteilhaft für die Komfeinung
ist außerdem ein Zusatz von Titan, und/oder Molybdän, und/oder Zirkon und/oder Mangan
zu je 0,05 bis 0,25°/o und /oder 0,001 bis 0,10°/a Bor, insgesamt jedoch nicht mehr
als 0,250/,. Der Eisengehalt soll 0,70/, nicht überschreiten. Alle übrigen Verunreinigungen
dürfen nur in Mengen unter 0,15 °/o zugegen sein.
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Zur Erzielung höchster Festigkeit und Härte der vorgenannten Legierung
wird der Artikel aus dem Verbundwerkstoff einem Lösungsglühen, Abschrecken und einer
anschließenden künstlichen Alterung (Aushärtung) unterworfen, d. h. einer Wärmebehandlung
zwischen etwa 504 und 565,6°C bis zum Lösen der löslichen Legierungsbestandteile
im Grundwerkstoff: Je nach der Metallmenge, der Legierungszusammensetzung und den
für das Erhitzen benutzten Mitteln sind hierfür gewöhnlich wenige Minuten bis mehrere
Stunden erforderlich. Das Abschrecken erfolgt zweckdienlich durch Eintauchen in
ein flüssiges Medium, wie Wasser, durch Besprühen mit diesem oder zuweilen auch
mit Gebläseluft. Daran schließt sich ein erneutes 1- bis 24stündiges Erhitzen auf
eine Temperatur zwischen etwa 149 und 246°C an. Zur Erzielung einer unter dem Höchstwert
liegenden Festigkeit kann von dem Altern abgesehen werden, und es kann auch das
anfängliche Lösungsglühen entfallen unter der Voraussetzung, daß der Verbundwerkstoff
vor dem Warmverarbeiten bei genügend hoher Temperatur vorerhitzt und aus dieser
abgeschreckt wurde, wobei ein wesentlicher Anteil der gelösten Bestandteile in Lösung
bleibt. Für Höchstfestigkeit muß aber der abgeschreckte Verbundwerkstoff künstlich
gealtert werden.
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Der auf dem Grundwerkstoff aufgebrachte Plattierwerkstoff soll aber
aus einer Aluminium-Zink-Legierung hoher Reinheit bestehen und enthält 0,5 bis 6
°/o, vorzugsweise 1,5 bis 3 % Zink. Von den Verunreinigungen soll Eisen 0,08 °/o,
Silicium 0,02 % bei maximal 0,010/, je Mangan, Nickel und Chrom und 0,02
% Titan nicht überschreiten. Die Höchstgrenze für alle Verunreinigungen ist
jedenfalls 0,15°/o.
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Der Plattierwerkstoff muß an den Grundwerkstoff metallurgisch angelagert
werden, z. B. in bekannter Weise unter Hitze und Druck durch Walzen, Pressen, Schmieden
oder Strangpressen. Für die meisten Zwecke soll der Plattierwerkstoff eine etwa
2 bis 20 °/oige, vorzugsweise 5 bis 10 °/oige Dicke von der Gesamtdicke oder dem
Querschnitt des Verbundwerkstoffes haben. Zum Fertigen von Rohren, Behältern oder
Gefäßen für heißes Wasser ist gewöhnlich eine Dicke von 0,635 bis 6,35 mm erwünscht.
Je nach dem endgültigen Gebrauch kann der Plattierwerkstoff entweder auf nur einer
oder auf beiden Seiten des Grundwerkstoffes angebracht werden.
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Der Verbundwerkstoff weist in Form eines Bogens oder eines Bleches
eine kennzeichnende Zugfestigkeit von 2,310 kg/cm2, eine Streckgrenze von 1330 kg/cm2
und eine Dehnung von 22 °/o nach dem Lösungsglühen und Abschrecken auf. Durch anschließendes
Alterungshärten kann die Festigkeitbis auf 2940 kg/cm2 und die Streckgrenze auf
2950 kg/cm2 erhöht werden, wobei die Dehnung auf 12 % absinkt.
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F i g. 1 gibt die Verwendung des Verbundwerkstoffes für Herstellung
eines Heißwasserbehälters wieder. Die Abschlußwände oder -kappen 16 und 18 des zylindrischen,
vertikalen Wandabschnittes 10 sind an dem Kopf- bzw. Bodenteil des zylindrischen
Gehäuses angeschweißt oderanderweitigdamitverbunden.
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Das Zuführungsrohr 24 für kaltes Wasser ist in einer Armatur
22 aufgehängt, die in eine geeignete Öffnung oder Paßstück in der Kappe 16 eingeschraubt
ist, während ein kürzeres Rohr 20 als Auslaß für heißes Wasser vorgesehen
ist, der ebenfalls mit dem Deckel verschraubt oder anderweitig mit ihm verbunden
ist. Der Doppel-(Duplex-)Charakter der zylindrischen Wand und von den Kopf- und
Bodenabschlußkappen ist vergrößert aus F i g. 2, die entlang der Linie II-II von
F i g. 1 genommen ist, zu erkennen. Der Grundwerkstoff 12, bestehend aus einer Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierung,
ist auf der Innenoberfläche mit einer Aluminium-Zink-Legierung 14 hoher Reinheit
plattiert.
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Der Wirkungsgrad einer derartigen hochreinen Plattierung beim Schützen
des darunterliegenden Metalls wird in den folgenden Beispielen mit einem Plattierwerkstoff
geringer Reinheit verglichen.
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Heißwasserbehälter der gewöhnlich für den Hausgebrauch benutzten Größe
wurden aus einer 3,962mm dicken Verbundwerkstoffplatte hergestellt, wobei der Grundwerkstoff
90 °/o und der Plattierwerkstoff 10 °/o von der Gesamtdicke ausmachten. Der Grundwerkstoff
bestand aus einer handelsgängigen Legierung mit einer nominellen Zusammensetzung
von
10/0
Magnesium, 0,60/0 Silicium,
0,250/, Kupfer, 0,250/, Chrom,
Rest Aluminium und Verunreinigungen. In einem Falle (A) bestand der Plattierwerkstoff
aus Aluminium, 10/, Zink und insgesamt 0,360/0 Verunreinigungen, wie Eisen, Silicium,
Kupfer usw., und im amderen Falle (B) aus Aluminium, 2,5
% Zink und insgesamt
nur 0,10 °/o Verunreinigungen. Die Behälter waren mit den üblichen gasbefeuerten
Heißwassererhitzern ausgerüstet. Ein Behälterpaar mit den Plattierungen A und B
wurde in den Bereich mit einer Zuführung von saurem Wasser (pH = 4,0) und ein anderes
Paar in einem Bereich einer Zuleitung von neutralem Wasser (PH = 6,8) eingebaut.
Die Prüfung
mit dem sauren Wasser erstreckte sich auf 4 Monate,
diejenige mit dem neutralen Wasser auf 61/2 Monate. Am Ende der Zeitperioden wurden
die Behälter auseinandergenommen, untersucht und Beschaffenheit und Tiefe jeglicher
Löcher notiert. Es ergab sich folgendes:
| Korrosion von Heißwassertanks |
| Maximale Plattier- Grund- |
| Tiefe werkstof- werkstot |
| Tank Wasserart der Löcher dicke dringung |
| mm mm mm |
| A sauer 1,626 0,432 1,194 |
| B sauer 0,457 0,406 0,051 |
| A neutral 1,448 0,457 0,991 |
| B neutral 0,483 0,457 0,025 |
Man erkennt, daß dort, wo die Löcher sich zum Grundwerkstoff ausdehnten, dieser
im Falle der A-Plattierung beträchtlich, im Falle der B-Plattierung praktisch nicht
durchdrungen wurde. Weiterhin wurde beobachtet, daß der Durchmesser der Löcher größer
im Falle der Plattierung mit einer Aluminiumlegierung hoher Reinheit war.