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Verwendung einer Nickel-Chrom-Legierung als Werkstoff für Gußstücke
mit hoher Zeitstandfestigkeit Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer
Nickel-Chrom-Legierung als Werkstoff für Gußstücke, die wie Stator- und Rotorschaufeln
von Gasturbinen bei einer Belastung von 11 kg/mm2 oberhalb 1000'C
eine hohe
Standzeit besitzen müssen.
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Aus der französischen Patentschrift 1281502 ist bereits eine
kriechfeste Nickel-Chrom-Legierung mit 8 bis 25 0/0 Chrom, 5 bis 15 0/0 Wolfram,
0 bis 10 0/0 Molybdän, 0 bis 5 0/0 Tautal, 1 bis 8 0/0 Aluminium, 1 bis 8 % Titan,
bis 0,5 % Kohlenstoff, 0 bis 35 0/0 Kobalt, 0,1 bis 5% Niob, 0,005 bis 0,5% Bor,
0 bis 1% Zirkonium sowie 0 bis 20 % Eisen, Rest Nickel bekannt. -Diese Legierung
findet als - Werkstoff zur pulvermetallurgischen Herstellung von Sinterteilen mit
hoher Zeitstandfestigkeit Verwendung.
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Eine weitere warmfeste Nickel-Chrom-Legierung ist aus der britischen
Patentschrift 853 103 bekannt und enthält 5 bis 300/0 Chrom, bis 100/0 Aluminium,
2 bis 10 % Wolfram, 3 bis 15 0/0 Molybdän bei einem Mindestgehalt an Wolfram und
Molybdän von 50/0, 0,1 bis 2,0% Bor, 0,05 bis 0,5% Kohlenstoff, 0,05 bis 2% Mangan,
0,05 bis 2% Silizium, 0 bis 30% Kobalt, 0 bis 20 % Eisen und bis 6 % Niob, Rest
mindestens 50111, Nickel. Diese bekannte Legierung kann auch noch bis 5 0/0 Titan,
bis 6 0/0 Tautal, bis 2 0/0 Beryllium, bis 5 % Kupfer und bis 5 % Vanadin enthalten.
Schließlich ist aus der britischen Patentschrift 917 818 noch eine oxydationsbeständige
Nickel-Chrom-Legierung mit 6 bis 170/O Chrom, 5 bis 200/0 Wolfram, 0,25 bis 3 0/0
Niob, 2 bis 8 0/0 Aluminium, 0,02 bis 0,30% Kohlenstoff, 0,001 bis 0,2% Bor und
/ oder 0,001- bis .0, 5 % Zirkonium, 2 bis 15 0/0 Kobalt; O bis 411/,Titan, 0 bis
3 % Molybdän, 0 bis 511(, Eisen, 0 bis 1% Silizium und 0 bis 20/0 Mangan bekannt,
deren Gehalte an Chrom, Niob, Kobalt, Wolfram, Aluminium und Titan in bestimmter
Weise aufeinander abgestellt sind.
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Die Erfindung beruht nun auf der Feststellung, daß die genaue Einstellung
des Chromgehaltes innerhalb sehr enger Gehaltsgrenzen von maßgebender Bedeutung
für die Zeitstandfestigkeit von Gußstücken bei Temperaturen über 1000'C ist. Erfindungsgemäß
wird daher für den eingangs erwähnten Zweck die Verwendung einer Nickel-Chrom-Legierung
mit 2 bis 10% Chrom, 5 bis 190/0 Wolfram, 0 bis 5% Molybdän, 0,5 bis 7% Tautal,
2 bis 8% Aluminium, 0 bis 40/0 Titan, 0,03 bis 0,5 % Kohlenstoff, 0 bis 15 % Kobalt,
0 bis 2,50/0 Niob, 0 bis 0,050/0 Bor, 0 bis 1,50/0 Zirkonium, Rest einschließlich
erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel vorgeschlagen, deren Gesamtgehalt
an Tautal und Wolfram mindestens 7% und zusammen mit dem doppelten Molybdängehalt
und zwei Drittel des Chromgehaltes 17,5 bis 25 0/0 oder bei mehr als 4 % Tautal
höchstens 24 % beträgt und deren Niobgehalt geringer als der Tantalgehalt ist.
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Der Gesamtgehalt an Verunreinigungen sollte 3 0/0 nicht übersteigen
und höchstens 0,5% Eisen sowie höchstens je 0,3 % Silizium und Mangan umfassen,
Mit steigendem Chromgehalt erhöht sich die Zeitstandfestigkeit der Legierung bei
über 1000'C und erreicht bei 5 % Chrom ein Maximum, so daß der Chromgehalt vorzugsweise
bei 3 bis 7 0/0 liegt und 9 0/0 nicht übersteigt.
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Die Bedeutung des Chromgehaltes ergibt sich aus dem Diagramm der Zeichnung,
das sich auf eine Legierung bezieht, die neben Chrom noch 0,13 0/0 Kohlenstoff,
2% Molybdän, 11% Wolfram, 3% Tautal; 60/,Aluminium und 0,5 % Zirkonium, Rest Nickel
enthielt. Die unter einer Belastung von 11,02 kg/mm2 bei 1070'C ermittelten Zeitstandfestigkeiten
sind logarithmisch aufgetragen.
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Bei Chromgehalten unter 20/0 verringert sich die Oxydationsbeständigkeit
bei hohen Temperaturen in starkem Maße. Optimale Eigenschaften ergeben sich daher
bei einem Chromgehalt von 5 bis 7 0/0. Die Zeitstandfestigkeit wird außerdem maßgebend
vom Gesamtgehalt an Wolfram, Molybdän und Tautal beeinfiußt,
wobei
mit steigendem Chromgehalt die optimale Zeitstandfestigkeit abfällt und sich bei
einem Chromgehalt von 6 0/0 Bestwerte ergeben, wenn die Bedingung 2 (%Mo) + (%W)
+ (%Ta) = 15 bis 19 0/0 erfüllt ist. Außerhalb der Bedingung 2 (0/,Mo) + (%W) +
(0/aTa) + 2/3 (%Cr) = 17,5 bis 240/0 fällt die Zeitstandfestigkeit in starkem Maße
ab. Bei einem Tantalgehalt bis 40/0 kann die vorstehende Gleichung den Wert bis
25 0/0 annehmen. Vorzugsweise beträgt der Tantalgehalt jedoch 2 bis 60/, bei einem
optimalen Tantalgehalt von höchstens 5 0/0, einem Molybdängehalt bis 3 0/0 und einem
Wolframgehalt von mindestens 70/0. Bei einem Chromgehalt von 5 0/0 und mehr beträgt
der Höchstgehalt an Wolfram 16 0/0. In einer titanfreien Legierung ergibt ein Aluminiumgehalt
von 5,2 bis 7,10/0 eine optimale Zeitstandfestigkeit, während bei titanhaltigen
Legierungen vorzugsweise die Bedingung (0/0A1) + 0,7 (0/0Ti) = 5,2 bis 7,10/0 erfüllt
ist. Besonders günstige technologische Eigenschaften besitzt eine Legierung mit
0,10 bis 0,160/0 Kohlenstoff, 5,0 bis 7,00/0 Chrom, 1,7 bis 2,30/0 Molybdän, 10,5
bis l1,50/0 Wolfram, 2,6 bis 3,40/0 Tantal, 5,7 bis 6,8 0/0 Aluminium, 0,3 bis 1,0
0/0 Zirkonium und 0 bis 0,035 0/0 Bor, Rest Nickel und insbesondere mit 0,130/0
Kohlenstoff, 60/0 Chrom, 20/0 Molybdän, 110/0 Wolfram, 3 0/0 Tantal, 60/,Aluminium,
0,50/0 Zirkonium, Rest Nickel.
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Aus Tabelle I ergibt sich die Zeitstandfestigkeit der vorstehenden
Legierung 3 im Vergleich zu einer übereinstimmenden Legierung A, deren Tantalgehalt
jedoch durch einen gleichen Atomgewichtsanteil (1,5 Gewichtsprozent) Niob ersetzt
ist.
Tabelle 1 |
Zeitstandfestigkeit |
Legierung 3 |
Belastung (kg/mm2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 45,6 15,75 14,19 11,02 11,02 4,73 |
Temperatur ('C) ........................ 815 950 1020
1050 1070 1150 |
Standzeit (Stunden)...................... 275 1120 170* 191
bis 204 85 90 |
Zeitbruchdehnung (0/0) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 7,8 9,6 n. b. n. b./11,9 n. b. n. b. |
Legierung A |
Belastung (kg/mm2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 45,6 15,75 14,19 11,02 11,02 4,73 |
Temperatur ('C) ........................ 815 950 1020
1050 1070 1150 |
Standzeit (Stunden)...................... 129 699 99 129 45
44 |
Zeitbruchdehnung (0/0)................... 2,8 15,6 6,5 5,8
n. b. n. b. |
*) Geschätzt. |
Der Einfluß wechselnder Gehalte an Wolfram, Molybdän und Tantal auf die Zeitstandfestigkeit
ergibt sich aus Tabelle II für eine Reihe von Legierungen, die alle 6 0/0 Chrom,
6 0/0 Aluminium, 0,13 0/0 Kohlenstoff und 0,50/0 Zirkonium, Rest Nickel enthielten.
Diese Legierungen liegen, mit Ausnahme der durch einen Stern markierten, im Bereich
der Erfindung. Man erkennt, daß sich schlechtere Eigenschaften ergeben, wenn die
Gehalte an Wolfram, Molybdän und Tantal außerhalb der erfindungsgemäßen Grenzen
liegen oder die Bedingung 2 (0/,Mo) -I- (%W) + (%Ta) + 2/3 (%Cr) = 17,5 bis 240/0
nicht erfüllt ist.
Tabelle 1I |
Zeitstandfestigkeit |
Mo W Ta 29/o Mo + 0/0 W 14,19 kg/mm$ bei 1020°C 11,02 kg/mm'
bei 1070°C |
Legierung + % Ta + 2/3 % Cr Zeitbruch- Zeitbruch- |
Standzeit dehnung i Standzeit dehnung |
0/0 0/0 °% (Stunden) (0/0) (Stunden) |
(0/0) |
1 * 2 11 0 19 65 13,0 - - |
2 2 11 2 21 142 10,9 74 8,6 |
3 2 11 3 22 - - 85 n. b. |
4 2 11 4 23 145 6,2 74 n. b. |
5* 2 11 6 25 27 5,8 - - |
Fußnote am Schluß der Tabelle |
Tabelle 1I (Fortsetzung) |
Zeitstandfestigkeit |
Ta 14,19 kg/mm2 bei 10201 C 11,02 kg/mm2 bei 1070° C |
Legierung Mo W 9°/° Mo 2 /o W Zeitbruch- ' 1 Ze1tbrUCh- |
+ /o Ta + a o/o Cr Standzeit Standzeit |
dehnung dehnung |
% °/o o/o (Stunden) (°/o) I (Stunden) i (o/o) |
22* 2 3 6 17 - - 16 n. b. |
23* 2 7 2 17 57 ; 20 - - |
6 2 7 4 19 87 10,3 1 52 I 13,8 |
7 2 9 4 21 128 n.b. j - - |
4 2 11 4 23 145 6,2 74 n.b. |
5* 2 11 6 25 27 5,8 - - |
8 2 13 3 24 131 I 4,4 59 5,1 |
11,02 kg/mm2 bei 1050° C |
20* 4 3 2 17 21 I 17,2 - - |
9 4 5 6 23 91 4,3 151 5,4 |
10 * 4 5 8 25 44 j n. b. 76 4,6 |
11* 4 5 10 27 7 n.b. - - |
21* 4 7 6 25 31 n. b. 1 71 3,0 |
11,02 kg/mm2 bei 1070' C |
12 4 7 4 23 113 6,1 59 9,4 |
13* 0 11 1 16 - - 28 9,8 |
46 0 11 3 18 - - 74 n. b. |
14 0 11 4 19 123 9,9 97 8,6 |
15 0 13 4 21 165 5,8 91 5,6 |
16 0 14 4 22 162 5,6 1 82 3,8 |
17 0 15 4 23 119 7,4 11 59 1 4,9 |
18 0 14 2 22 147 6,9 78 8,6 |
19 0 14 1 19 123 I 13,7 i 38 I 11,4 |
# Gehören nicht zur Erfindung. |
Bei Legierungen mit mindestens 5 °/° Chrom steigern Niobgehalte bis zum halben Tantalgehalt
die Zeitstandfestigkeit; bei höheren Niobgehalten geht die Standzeit jedoch zurück.
Der Niobgehalt übersteigt daher vorzugsweise drei Viertel des Tantalgehaltes nicht.
Dies ergibt sich aus den Tabellen III und IV, die sich auf Legierungen mit denselben
Gehalten an Kohlenstoff, Chrom, Aluminium und Zirkonium beziehen, wie sie in der
Tabelle Il angegeben sind.
Tabelle III |
Zeitstandfestigkeit |
Legierung Mo W Ta Nb 2°/° Mo + 0% W 11,02 kg/mma #eitbr0ch- |
-- °/° Ta+ /s /° Cr Standzeit |
dehnung |
°@o °@o °% (Stunden) (°/o) |
i |
15 0 13 4 0 21 91 5,6 |
24 0 13 4 1,0 21 146 6,2 |
147 4,8 |
2 2 11 2 0 21 74 8,6 |
25 2 11 2 1,0 21 104 6,2 |
3 2 11 3 0 22 85 n. b. |
26 2 11 3 0,5 22 87 8,9 |
27 2 11 3 1,0 22 100 7,2 |
4 2 11 4 0 23 74 n. b. |
28 2 11 4 0,5 23 76 4,7 |
29 2 11 4 1,0 23 82 5,1 |
12 4 7 4 0 23 59 9,4 |
30 4 7 4 0,5 23 80 8,0 |
31 4 7 4 1,0 23 85 5,3 |
Tabelle IV |
Zeitstandfestigkeit |
Legierung Mo W Ta Nb 2% Mo + o/Q W 11,02 kg/mms bei tbruch- |
-- % Ta-- /s io Cr Standzeit |
dehneng |
°/o % °/o % (Stunden) I (e/0) |
46 0 11 3 0 18 74 n. b. |
47 0 11 3 1 18 109 16,2 |
48 0 11 3 1,5 18 78 10,1 |
49 0 11 3 2,0 18 65 6,4 |
50 0 11 3 2,5 18 29 7,6 |
14 0 11 4 0 19 75,88 n. b./12,0 |
51 0 11 4 0,5 19 90 n.b. |
52 0 11 4 1,5 19 113 7,4 |
53 0 11 4 2,0 19 90 5, 1 |
54 0 11 4 2,5 19 66 8,0 |
Sämtliche Legierungen der Tabellen III und IV fallen unter die Erfindung, jedoch
liegt der Niobgehalt der Legierung 50 über drei Vierteln des Tantalgehaltes. Eine
bevorzugte Legierung besteht aus 0,10 bis
0,160/, Kohlenstoff, 5,0 bis 7,0"/,
Chrom, 12,5 bis 13,5"/, Wolfram, 3,6 bis 4,40/, Tantal, 0,7 bis 1,30/, Niob, 5,7
bis 6,8"/() Aluminium, 0,3 bis 1,00/0 Zirkonium, 0 bis 0,035 °/° Bor, Rest Nickel.
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Kobaltgehalte bis
15010 besitzen wenig Einfluß auf das Zeitstandverhalten.
Das ergibt sich aus den Daten der Tabelle V für Legierungen, die unter anderem 6
°/o Chrom, 6
% Aluminium, 0,13 °/o Kohlenstoff und 0,5 °/a Zirkonium, Rest
Nickel enthalten.
Tabelle V |
Zeitstandfestigkeit |
14,19 kg/mm' |
11,02 kg/mm' |
Legierung Mo W Ta Co Nb 2 % Mo+ °/u W bei 1020°C bei
1070'C |
' -I- °/o Ta+2/s °/o Cr Zeitbruch' I Zeitbruch- |
Standzeit dehnung Standzeit dehneng |
°% °/° °/o ( °/o °% (Stunden) |
(°%) (Stunden) (°/°) |
3 2 11 3 0 0 22 - - 85 n. b. |
56 2 11 3 5 0 22 - - 85 18,9 |
57 2 11 3 10 0 22 - - 99 8,2 |
58 2 11 3 15 0 22 - - 70 9,1 |
59* 2 11 3 20 0 22 - - 36 n.b.@ |
12 4 7 4 0 0 23 113 6,1 59 9,4 |
32 4 5 4 10 0 21 96 - 45 - |
33 4 7 4 10 0 23 99 I 7,0 - - |
11,02 kg/mme |
bei 1050°C |
34 4 7 4 10 0,5 23 138 8,1 177 8,7 |
35 4 7 4 10 1,0 23 - - 124 n. b. |
36 4 7 4 10 1,5 23 125 6,8 - - |
* Gehört nicht zur Erfindung. |
Den Einfluß einer Änderung des Aluminiumgehaltes zeigt Tabelle VI für Legierungen
mit 0,13°/° Kohlenstoff, 6 °/o Chrom, 0,5 °/o Zirkonium, Rest Nickel.
Tabelle VI |
Zeitstandfestigkeit |
Legierung Mo W Ta Al 20/,) Mo + 0/, W 11,02 kg/mm2 beiitbr0ch- |
-E- /o Ta-f- /2 /o Cr Standzeit |
dehnung |
°/o °/o °/o °/o (Stunden) (°/o) |
60 -2 -11- - 3 5,25 22 38 14,0 |
61 2 - 11 3 5,75 22 73 7,8 |
3 2 11 3 6,0 22 85 n. b. |
62 2 -- 11 3 6,25 22 84 16,4 |
63 2 11 3 6,5 22 8 5 8,0 |
64 2 11-- -- 3 6,75 22 74 j 11,0 |
65 2 11 3 7,0 22 54 8,8 |
66 2 11 3 7,25 22 23 8,0 |
Der Aluminiumgehalt der Legierung 66 liegt über dem bevorzugten Höchstwert. Geringere
Aluminiumgehalte ergeben höhere Schmelzpunkte, so daß sich Legierungen mit 5 bis
3,59/0 oder 2% Aluminium besonders für Teile eignen, die einen hohen Schmelzpunkt
erfordern, aber weniger stark mechanisch beansprucht werden als Rotorschaufeln,
wie z. B. Statorschaufeln. Im Bereich von 2 bis 8% Aluminium ist die Zeitstandfestigkeit
besser als bei Legierungen, deren Tantalgehalt ganz durch einen atomgewichtsgleichen
Niobgehalt ersetzt ist.
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Titanhaltige Legierungen weisen die größte Zeitstandfestigkeit auf,
wenn die Bedingung (°/oAl) -I- 0,7 (°/oTi) = 5,2 bis 7,10/0 erfüllt ist. Das zeigen
die Werte der Tabelle VII, die sich auf eine Legierung mit 0,13 0/0 C, 6 % Cr, 2
0/0 Mo, 110/° W, 3 0/0 Ta, 0,5 % Zr, Rest Nickel beziehen.
Tabelle VII |
Zeitständfestigkeit |
11,02 kg/mm2 |
Legie- Al Ti bei 1070° C |
#g o/° A1-E-0,7 °/° Ti I Zeit- |
Stand- bruch- |
zeit dehnung |
°% °% (Stunden) i (°/°) |
37 5 0 5,0 41 n. b. |
38 5 1 5,7 100 . 9,3 |
39 5 2 6,4 68 n. b. |
40 5 3,5 7,45 12 2,8 |
41 4,5 2 5,9 97 n.b. |
55 4,5 4 7,3 26 2,5 |
Vanadin verschlechtert die Zeitstandfestigkeit und Oxydationsbeständigkeit, weswegen
die vorgeschlagene Legierung vanadinfrei ist. Der Einfluß des Vanadins ergibt sich
aus den Werten der Tabelle VIII, die sich auf Legierungen mit 0,13% C, 60/0 Cr,
20/0 Mo, 110/0 W, 6 % Al, 0,5 °/o Zr, Rest Nickel beziehen.
Tabelle VIII |
Zeitstandfestigkeit |
14,19 kg/mm? 11,02 kg/mm2 |
Legie- V Ta bei 1020°C bei 1070°C |
rung Zeit- Zeit- |
Standzeit ä unStandzeit hng j dehnung |
°/° o/° (Stunden) I (°/o) (Stunden) (°/°) |
2 0 2 142 10,9 74 8,6 |
42* 1,5 2 127 6,6 44 |
7,7 |
43* 2,5 2 107 6,0 31 5,8 |
4 0 4 145 6,2 - - |
44* 1,5 4 86 6,2 - - |
45* 2,5 4 90 7,8 - - |
* Nicht zur Erfindung gehörende Legierungen. |
Der Kohlenstoffgehalt beträgt vorzugsweise mindestens
0,05010; eine Veränderung
im Bereich von 0,05 bis 0,3 0/0 hat wenig Wirkung auf die Zeitstandfestigkeit. Zirkonium
und Bor verbessern die Zeitstandfestigkeit, so daß der Zirkoniumgehalt vorzugsweise
0,1 bis 1,00/0 beträgt und bei Anwesenheit von Bor die Bedingung (%Zr) -I- 10 (0/.B)
= 0;2 bis 1,2% erfüllt ist. Bei Borgehalten über 0,0350/0 fällt die Zeitstandfestigkeit
wieder ab. Der Einfluß des Zirkoniums und Bors ergibt sich aus Tabelle IX, die sich
auf Legierungen mit 0,13 % C, 6 0% Cr, 2 °/o Mo, 11% W, 3 0/0 Ta, 6 0/0 Al, Rest
Nickel bezieht.
Tabelle IX |
Zeitstandfestigkeit |
Zr B 7,87 kg/MM2 bei 1050°C 9,45 kg/mm2 bei 1050°C 14;19
kg/mm2 bei 1050°C |
Legierung Zeitbruch- I Zeitbruch- I Zeitbruch- |
Standzeit dehnung Standzeit dehnung Standzeit dehnung |
°/o % (Stunden) |
(°/°) (Stunden) [ (°/o) (Stunden) (°%) |
3 0,5 0 627 10,6 - - 52 9,4 |
85 0,5 0,02 983 13,1 - - 70 n. b. |
86 0,12 0,02 - - 280 7,7 - - |
87 0,12 0,05 - - 183 n. b. _ - |
88* 0,12 0,10 - - 142 n. b. - - |
* Gehört nicht zur Erfindung. |
Tabelle X veranschaulicht die Bedeutung der Bedingung 2 (0/,Mo)
-f- (°/oW) -f- (°/oTa) -f- 2/a (0/,Cr) =17,5 bis 24% und des Höchstgehaltes für
Wolfram von 19 °/o. Die Versuche wurden an Legierungen mit 0,13
% C, 6 °/o
Al, 3
% Cr, 10
% Co, 0,5
% Zr, Rest Nickel durchgeführt.
Tabelle X |
Zeitstandfestigkeit |
Legierung W Ta Nb 2 % Mo-[- °/a W 11,02 kg/mm$ bei 1100° C |
-f- Ta+'/s "/o Cr Standzeit Zeitbruchdehnung |
% °% °% (stunden) (°/o) |
67 16 1 0 19 23 16,1 |
68 16 1 1 19 35 |
13,2 |
69 16 2 0 20 62 19,8 |
70 16 2 1 20 53 14,6 |
71 16 2 2 20 55 8,6 |
72 16 3 0 21 71 11,5 |
73 16 3 1 21 50 18 |
74 16 3 2 21 48 12,6 |
75 16 4 0 22 58 n. b. |
76 16 4 1 22 56 8,6 |
77 16 4 2 22 42 15 |
78 18 1 0 22 48 n. b. |
79 18 1 1 21 54 n. b. |
80 18 4 0 24 56 n. b. |
81* 20 1 0 23 0,2 19,6 |
82* 20 2 0 24 1,4 10,6 |
83* 20 3 0 25 4,9 4,3 |
84* 20 4 0 26 7 8,5 |
# Fallen nicht unter die Erfindung. |
Die vorgeschlagenen Legierungen werden vorzugsweise im Vakuum erschmolzen und/oder
einer Vakuumfeinungsbehandlung unterworfen oder bei der Herstellung kleiner Gußstücke
unter Vakuum vergossen. Die Ergebnisse der Zeitstandversuche wurden an Probestücken
gewonnen, die aus im Vakuum vergossenen Gußstücken hergestellt waren.
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Die vorgeschlagene Legierung kann bereits im Gußzustand Verwendung
finden; sie kann gegebenenfalls bei 850 und 1250°C homogenisiert und gegen einen
Schwefelangriff mit einem Schutzüberzug, beispielsweise aus Aluminium. versehen
werden.