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Beschreibung Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungen Vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungen, insbesondere
ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung aus Anteilen von Schrottaiuminium
mit üblichen Verunreinigungen.
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Es wird oftmals in der Industrie gefordert, dass ein Aluminiumdraht
oder irgend ein anderes Schmiedealuminiumprodukt eine besondere Leitfähigkeit habe,
die über einundsechzig Prozent (61 %) der International Annealed Copper Standard
(IACS) beträgt. Die besondere prozentuale Leitfähigkeit, die'erwUnscht wird, wird
allgemein dadurch erzielt, dass man im wesentlichen reines Aluminium für den Draht
oder für das Produkt verwendet,
um die grösste verfügbare Leitfähigkeit
zu erzielen, obwohl diese oft grösser als die erwünschte Leitfähigkeit ist.
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Wie zu erwarten ist, ist im wesentlichen reines Aluminium viel teurer
als Schrottaluminium mit üblichen Verunreinigungen. Im wesentlichen reines Aluminium
hat ausserdem eine verminderte Zugfestigkeit, prozentuale Dehnung und Formbarkeit
gegenüber verschiedenen Schrottaluminiumlegierungen. Wenn man Schrottaluminiumlegierung
derart verschmelzen könnte, um eine Aluminiumlegierung zu schaffen, die man zu einem
speziellen Produkt verarbeiten könnte, das im wesentlichen dieselbe Leitfähigkeit
als die erwünschte aufweist, würden grosse Kosten- und andere Vorteile erzielt werden,
wobei das Endprodukt sehr wahrscheinlich bessereEigenschaften gegenüber einem aus
im wesentlichen reinem Aluminium hergestellten Produkt aufweisen würde.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu
schaffen, nach dem Stücke von Schrottaluminiumlegierung gemischt werden, um eine
Legierungsschmelze herzustellen, die man nachher in ein Produkt verarbeitet, das
die erwünschte Leitfähigkeit aufweist.
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Erfindungsgemäss hat man herausgefunden, dass es möglich ist, eine
Schrottaluminiumlegierung in eine eraninschte Aluminiumlegierung durch die Aufrechterhaltung
geeigneter Verhältnisse zwischen den Elementen in der Aluminiumlegierungsschmelze
zu verwandeln. Bisher war es üblich, eine Aluminium-Gusslegierung
in
einer im wesentlichen reinen Form herzustellen, damit die elektrische Leitfähigkeit
der Schmiedeprodukte, die aus dem Gußstück geformt wurden, so gross wie möglich
war. Oftmals ist es nicht nötig, die Leitfähigkeit optimal zu machen; da eine Leitfähigkeit,
die unter dem Maximalwert liegt, die Erfordernisse praktisch erfüllt. Mit der Hilfs
des erfindungsgemässen Verfahrens ist es möglich, eine vorgeschriebene elektrische
Leitfähigkeit innerhalb angemessener Grenzen durch die Verwendung von Schrottaluininiumlegierung
zu erhalten. Um eine Guss-Aluminiumlegierung zu erhalten, die die Eigenschaften
aufweist, die zur anschliessenden Verarbeitung von Gussmetall zu einem Schmiede-A1uminiureprodukt
mit einer besonderen prozentualen Leitfähigkeit erforderlich sind, ist es nötig,
die Elemente im Schmiedemetall streng zu regeln, damit das richtige Verhältnis aufrechterhalten
wird. Dieses Verhältnis wird erhalten durch Verschmelzen des geschmolzenen Metalls,
aus dem das verfestigte aluminiumlegierungs-Gussmetall hergestellt wird.
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Durch genaue Regelung der legierenden Elemente ist es auch möglich,
die physikalischen Eigenschaften des Schmiede-Endproduktes in den Bereichen mit
Annahme der Leitfähigkeit zu verbessern. Daher können die Giessbarkeit, die Bruchfestigkeit,
Die Formbarkeit und ähnliche Eigenschaften verbessert werden.
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Die erfindungsgemässe Aluminiiimlegierung enthält hauptsächlich Aluminium
und veränderliche Gewichtsprozentsätze
von einigen oder allen der
legierenden Elemente wie Eisen, Kupfer, Silizium, Titan, Bor, Vanadium, Chrom, Mangan,
Gallium, Zink und Magnesium. Diese Elemente sind üblicherweise in Aluminium und
aluminiumlegierten Metallen enthalten und dienen dazu, die physikalischen Eigenschaften
des Metalls in veränderlichen Stufen in Abhängigkeit von ihrer Konzentration und
ihrem Verhältnis zueinander zu verändern.
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Die meisten Schrottaluminium-Legierungen, die für das Verschmelzen
zu einem geschmolzenen Metall -verfügbar sind, enthalten eine bedeutende Anzahl
und Menge der oben erwähnten Elemente und die meisten (üblicherweise im wesentlichen
rein angesehenen) Gussblöcke, die für diesen Zweck verfügbar sind, enthalten nur
geringfügige Mengen einiger Elemente. Deshalb hat man Gussblöcke bisher fast ausschliesslich
beim Verschmelzen von geschmolzenem Metall verwendet, um eine Aluminiumlegierung
herzustellen, obwohl Schrottmetalle im allgemeinen billiger als Gussb]öcke sind.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer
Aluminiumlegierung, die ausschliesslich zu einem elektrisch leitfähigen Schmiedeprodukt
verarbeitet werden kann, das sich dadurch unterscheidet, dass man eie reine Aluminiumschmelze
in einem ersten Ofen und eine Schrottaluminiumschmelze in einem zweiten Ofen herstellt,
die Schmelzen von sowohl dem ersten as auch dem zweiten Ofen in einen dritten Ofen
beschickt,
um eine dritte Schmelze zu erzeugen, die Legierungsbestandteile
aufweist, die innerhalb einer vorgeschriebenen Formel fallen, und die dritte Schmelze
flüssig macht. Dieses Verfahren ermöglicht die Verwendung von relativ billigen Schrottmaterialien,
um ein nützliches Material zu erzeugen, das zu elektrisch leitfähigen Schmiedeprodukten
verformt werden kann.
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Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine erste,
Schrottaluminium enthaltende Schmelze in einem ersten Ofen hergestellt. In einem
zweiten Ofen wird eine zweite, relativ reines Aluminium (wie man es von einem Gussblock
erhält) enthaltende Schmelze herge-stellt. Eine dritte Schmelze in einem dritten
Ofen wird dann dadurch erhalten, dass man den dritten Ofen von dem ersten und dem
zweiten Ofen derart beschickt, dass die Gewichtsprozentsätze der legierenden Elemente
in der dritten Schmelze unter die folgende Formel fallen: 8(% Cu) + 8(,§ Fe) + 20(5=
Si) + 90(% Ti) + 90(% V) + 90(tó Cr) + 90(% Mn) + 2(5 Ga) + 2(% Zn) + 25(% Mg) =y-x
(7257,5990-T)/4,536 wobei x die ausgewählte erwünschte leitfähigkeit, y eine der
zwei Konstanten, die von dem x-Wert abhängen, und T die Zugfestigkeit ist, die im
Scmiede-Endprodukt durch Verarbeitung desselben zu erzielen ist. Die zwei Konstanten
für y sind 64,9, wenn x 61,9 bis 52,5 % IACS ist, und 65,2, wenn x 61,0 bis 61,89
c/> IACS ist. Daher ist die Formel für die legierenden Elemente in der Endschmelze
eine der folgenden, je nachdem, welche
Leitfähigkeit für das End-Schmiedeprodukt
erwünscht wird: (1) 8(% Cu+ % Fe) + 20(% Si) + 90(% Ti + % V + % Cr + % Mn) + 2(v
Ga + Zn) + 25(% Mg) = 64,9-(eine zwischen 61,9 und 62,5 liegende gewählte Ziffer)
+ (7257+5990-T)/4,536 (2) 8(% Cu + % Fe) + 20(% Si) + 90(%Ti+$V + $Cr+$Mn) + 2(%
Ga + % Zn) + 25(% Mg) = 65,2-(eine zwischen 61,0 und 61,89 liegende erhält Ziffer)+
(7257 5990-T) Nach dem Beschicken von Schmelzen aus Ofen Nummer 1 und Ofen Nummer
2, um eine geeignete Schmelze in Ofen Nummer 3 zu erzielen, kann man die Nummer
3 Schmelze in herkömmlicher Weise flüssig machen, damit sie bereit ist zum Giessen
in eine Giessform, zum Beispiel die zwischen einer kreisförmigen Nut am Umfang eines
sich drehenden Rades-und einer neben der Radnut an und unter dem Giessniveau des
geschmolzenen Metalls befindlichen Band begrenzte Form ist. Dem Fachmann wird es
sofort klar sein, dass es möglich ist, vorliegende Erfindung unter Verwendung von
verschiedenen Ofenbeschickungsverfahren auszuführen, und zwar zum Beispiel dadurch,
dass man die Öfen Nummer 1 und 2 weglässt und Ofen Nummer 3 direkt mit den angemessen
angepassten Mengen an Schrott- und Reinalumium einfach beschlckt. Hat man Ofen Nummer
3 auf diese Weise zunächst beschickt, wodurch die Öfen 1
und 2 sich
erübrigen, könnte man ihn nachträglich, wenn nötig, vor dem Giessen mit entweder
reinem Aluminium, Schrottaluminium oder noch einem Rein-Schrottgemisch beschicken,
wenn die in den obigen Formeln angegebenen Verhältnisse aufrechterhalten werden
sollen.
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Bei der Auswahl einer erwünschten prozentualen Leitfähigkeit zwischen
61,0 und 62,5 (die zweckmässigen Grenzen für elektrische Leitfähigkeit bei Aluminium
und Aluminiumlegierungsprodukten) und einer erwünschten Zugfestigkeit für das Endprodukt
erhält man ein einziges Produkt, eine einzige Ziffer für den rechten Teil der Formel.
Die Konzentration der verschiedenen Elemente lässt sich nun innerhalb der Formel
variieren, um eine Ziffer für den linken Teil der Formel zu erhalten, die der vorher
festgestellten Ziffer für den rechten Teil der Formel gleich oder wesentlich gleich
ist. Nach einer kurzen Durchsicht der ganzen Formel soll es ersichtlich werden,
dass die Konzentrationen der verschiedenen Elemente und die Verhältnisse der einzelnen
Elemente zueinander in vielen verschiedenen Verhältnissen variiert werden können,
um verschiedene Legierungen herzustellen, wobei es noch möglich ist, eine Endschmelze
vor dem Giessen zu halten, die die erwünschte elektrische Leitfähigkeit bei der
erwüischten Zugfestigkeit aufweisen wird.
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Man hat herausgefunden, dass der Aluminiumgehalt in der rJndschmelze
wenigstens 99,45 Gewichtsprozent betragen soll,
wobei die restlichen
0,55 Gewichtsprozent oder weniger legierende Elemente sein sollen. Natürlich ist
der Aluminiumprozentsatz sehr oft viel höher, wodurch der Gesamtprozentsatz der
legierenden Elemente viel kleiner wird. Auch bei diesen sehr kleinen Legierungselement-Prozentsätzen
werden die endgültigen physikalischen Eigenschaften eines Schmiedeproduktes, das
aus der Schmelze verfestigt wird, beträchtlich beeinträchtigt, und zwar wenn kein
angemessenes Verhältnis zwischen allen legierenden Elementen aufrechterhalten wird.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele erläutert:
Beispiel I Eine Aluminium-Gusslegierung wird so hergestellt, dass Schmiedeprodu;te,
die daraus erzeugt werden, eine Leitfähigkeit von 62,3 % IACS aufweisen werden,
wenn das Schmiedepredukt eine Zugfestigkeit von 1,120 kg/cm² aufweist. Eine erste
schmelze wird in einem ersten Ofen und eine zweite Schmelze wird in einem zweiten
Ofen hergestellt. 1.360 kg von der ersten Schmelze und 7.260 kg aus der zweiten
Schmelze werden einem dritten Ofen zugegeben, um eine dritte Schmelze (Gewicht 8.620)
zu erzeugen. Die Bestandteile der Schmelzen sind derart, dass die folgenden Beträge
an einzelnen Elementen zusammengezählt werden, um die dritte Schmelze zu ergeben:
3.
Schmelze 1. Schmelze 2. Schmelze 3. Schmelze Gew. -% der Element (kg) (kg) (kg)
Elemente Al 1357,8606 7,240,3925 8,598,2532 99,76654 B 0,2041 0,7037 0,9078 ,01053
Cu 0,0680 0,6805 0,7486 ,00869 Fe 1,7690 9,3955 11,1646 ,12954 Si 0,7212 4,3534
5,0747 ,05888 Ti -- 0,0180 0,0180 ,00021 V -- 0,0180 0,Q180 ,00021 Cr -- 0,0725
0,0725 ,00084 Mn 0,0408 0,0830 0,1238 ,00144 Ga 0,1088 0,5470 0,6559 ,00761 Zn --
1,2623 1,2623 ,01465 Mg 0,0272 0,0725 00997 ,00116 1,360,7997 kg 7,257,5990kg 8,618,3991
kg 100,00000 Das Verhältnis zwischen den Elementen in der dritten Schmelze ist wie
durch Formel (1) definiert, was durch Einfügung der Element-Gewichtsprozentsätze
in die Formel, wenn x 62,3 ist, y 64,9 und T 1.120 ist, bewiesen wird. Dann wird
die Formel: 8(,00869 + 12954) + 20(,05888) + 90(,00021+,00021 +,00084 + ,00144)
+ 2(,00761 + ,01465) + 25(,00116) = 64,9 - 62,3 + (7.257,5990 - 1.120,000); 4.536
8(,13823) + 20(,05888) + 90(,00270) + 2(,02226) + 25(,00116) = 2,6 + 0; 1,10584
+ 1,17760 + ,24300 + ,04452 + ,02900 = 2,6; 2,59996 = 2,6.
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Die Ziffer 2,59996 kommt der Ziffer 2,6 so nahe, dass man die beiden
als gleich betrach-ten kann.
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Beispiel II Beispiel I wird wiederholt, mit der Ausnahme, dass eine
andere Aluminiumlegierung zur Herstellung der zweiten Schmelze verwendet wird. Die
Bestandteile der Schmelzen sind derart, dass die folgenden Beträge von einzelnen
Elementen zusammengezählt werden, um die dritte Schmelze zu erzielen: 3.Schmalze
1. Schmelze 2. Schmelze 3. Schmelze Gew.- % der Element (kg) (kg) (kg) Elemente
Al 1.357,8606 7.240,3761 8.598,2367 99,76603 B 0,2041 0,7790 0,9831 ,01141 Cu 0,0680
0,8788 0,9468 ,01099 Fe 1,7690 9,6360 11,4051 ,13233 Si 0,7212 3,6653 4,3865 ,05090
Ti -- 0,0344 0,0344 ,00040 V -- 0,0344 0,0344 ,00040 Cr -- 0,0725 0,0725 ,00084
Mn 0,0408 0,1024 0,1432 ,00166 Ga 0,1088 0,6203 0,7292 ,00846 Zn -- 1,0975 1,0975
,01273 Mg 0,00272 0,03026 0,03299 ,0030 1.360,7997 kg 7.257,5993 kg 8.618,3993-kg
100,00000 Durch Einfügung der obigen Ziffern in die Formel, wobei x 62,3 ist, y
64,9 ist und T 1.120 ist, erhält man folgendes: 8(,01099 + ,13233) + 20(,005090)
+ 90(,0040 + ,00040 + ,00084 + ,00166) + 2(,00846 + ,01273) + 25(,00383) = 64,9
- 62,3 -t (7.257,5990 - 1.120,000); 4.536
8(,14332) + 20(,05090)
+ 90(,00330) + 2(,02119) + 25(,00383 = 2,6 + 0; 1,14646 + 1,01800 + ,29700 + ,04625
+ ,09575 = 2,6; 2,60356 = 226.
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Die Ziffer 2,60356 kommt der Ziffer 2,6 so nahe, dass man die beiden
als gleich betrachten kann.
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Beispiel III Eine Aluminium-Gusslegierung wird so hergestellt, dass
daraus erzeugte Schmiedeprodukte ene Leitfähigkeit- von 61,3 % aufweisen werden,
wenn das Schmiedepredukt t eine Zugfestigkeit von 1.120 kg/cm² aufweist. Eine erste
Schmelze wird in einem ersten Ofen, und eine zweite Schmelze wird in einem zweiten
Ofen vorbereitet. 1.360 kg von der ersten Schmelze und 7,260 kg von der zweiten
Schmelze werden einem dritten Ofen zugegeben, um eine dritte Schmelze (Gewicht 8,620
kg) zu erzeugen. Die Bestandteile der Schmelzen sind derart, dass die folgenden
Beträge von einzelnen Elementen zusammengezählt werden, um die dritte Schmelze zu
erzielen:
3. Schmelze 1. Schmelze 2. Schmelze 3. Schmelze Gew.
-% der Element (kg) (kg) (kR) Elemente Al 1.357,8606 7.229,0798 8.586,9390 99,63496
B 0,2041 0,6561 0,9026 ,01000 Cu 0,0680 2,0387 2,1067 ,02445 Fe 1,7690 19,3909 21,1599
,24552 Si 0,7212 4,4498 5,1710 ,o6000 Ti -- 0,0724 0,0724 ,00084 V -- 0,0724 0,0724
,00084 Cr -- 0,0724 0,0724 ,00084 Mn 0,0408 0,01877 0,2285 ,00265 Ca 0,1088 0,7518
0,8607 ,00999 Zn -- 0,7249 0,7249 ,00841 Mg 0,0272 0,1021 0,1294 ,00150 1,360,7997
kg 7.257,5990 kg 8.618,4399 kg 100,00000 Durch Einfügung der obigen Ziffern in die
Formel, wobei x 61,3 ist, y 65,2 ist und T 1.120 ist, erhält man folgendes: 8(,Ö2445
+ ,24552) + 20(,06000) + 90(,00084 + ,00084 + ,00084 + ,00265) + 2(,00999+,00841)
+25(,00150) = 65,2 -61,3 + (7,257,5990- 1,120,000); 4,536 8(,26997)+20(,06000) +
90(,00517) + 2(,01840) + 25(,00150) -3,9 + 0; 2,15976 + 1,20000 + ,46530 + ,03680
+,03750 = 3,9; 3,89936 = 3,9.
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Beispiel IV Beispiel III wird wiederholt, mit der Ausnahme, dass eine
andere Aluminiumlegierung bei der Herstellung der zweiten
Schmelze
verwendet wird. Die Bestandteile der Schmelzen sind derart, dass die folgenden Beträge
von einzelnen Elementen zusammengezählt werden, um die dritte Schmelze zu erzielen:
3. Schmelze 1. Schmelze 2. Schmelze 3. Schmelze Gew. - % der Element (kg) (kg) (kg)
Elemente Al 1,357,8606 7.229,2121 8.587,0727 99,63652 B 0,2041 0,6577 0,8618 ,01000
Cu 0,0680 2,0490 2,1171 ,02457 Fe 1,7690 19,1524 20,9214 ,24275 Si 0?7212 4,4497
5,1709 ,06000 Ti -- 0,0724 0,0724 ,00084 V -- 0,0724 0,0724 ,00084 Cr -- 0,0724
0,0724 ,00084 Mn 0,0408 0,1730 0,2138 ,00248 Ca 0,1088 0,7377 0,8465 ,00982 Zn --
0,7195 0,7195 ,00835 Mg 0,0272 0,2307 0,2580 ,00299 1.360,7997 kg 7.257,5990 kg
8,618,2989 kg 100,00000 Durch Einfügung der obigen Ziffern in die Formel, wobei
x 61,3 ist, y 65,2 ist und T 1.120 ist, erhält man folgendes: 8(,02457 + ,24275)
+ 20(,06000) + 90(,00084 + ,00084 + ,00Q84 + ,00248) + 2(,00982 + ,00835) + 25(,00299)
= 65,2 T 61,3 + (7,257,599 - 1,120,000); 4.536 8(,26732) + 20(,06000) + 90(,00500)
+ 2 (,01917) + 25(,00299) 3,9 + 0; 2; 13856 + 1,20000 +, 45000 + 03634 + ,07475
= 3,9 ; 3.89965 = 3.9.
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Die verhältnismässige Freiheit der durch das erfindungsgemässe Verfahren
vorgesehenen Auswahl der Schmelzen, die zur Herstellung der dritten Schmelze verwendet
werden, ermöglicht die Verwendung von relativ billigem Schrottgut und erlaubt auch
die Schaffung mannigfaltiger Legierungen mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften.
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Im einzelnen wird weniger als 0,05 Prozent Kupfer der dritten Schmelze
in jedem der vier Legierungsbeispiele zugegeben. Daher weisen alle vier Legierungen
gute Gussbarkeit als geschmolzene Metalle und gute Verarbeitbarkeit als Aluminium-Gusslegierutlgen
auf. Man hat auch festgestellt, dass bei der Herstellung einer Aluminiumlegierungs-Schmelze,
wie sie hier beschrieben wird, das Verhältnis des Gewichtsprozentsatzes von Eisen
von 2 : 1 bis zu 6 : 1 zum Gewichtsprozentsatz von Silizium varieren kann. Jedem
Fachmann ist daraus ersichtlich, dass dieser das Eisen und Silizium betreffende
Bereich eine wirksame Steuerung der Giessbarkeit der Aluminiumlegierung zulässt.
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Zu bemerken ist auch, dass das erfindungsgemässo Verfahren eine Aluminiumlegierungs-Schmelze
liefert, wobei der Bor-Gewichtsprozentsatz 0,003 % überschreiten darf. Die gute
Gussbarkeit der Schmelze wird daher weiter gewährleistet, wobei der Silizium-Gewichtsprozentsatz
unabhängig von dem Eisen-Gewichtsprozentsatz sein kann. Jeder Fachmann wird erkennen,
dass Freiheit des Verhäl-tnisses zwischen dem Eisen-Siliziiim--Verhältnis und dem
Gewichtsprozentsatz
an Silizium in der Schmelze eine gute Zugfestigkeit der Aluminiumlegierungs-Schmelze
und zwar gleichzeitig mit einer Gussbarkeit als geschmolzenes Metall sichert.
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Zur Erläuterung soll hinzugefügt werden, dass im wesentlichen reines
Aluminium normalerweise die folgenden maximalen Konzentrationen an Verunreinigungen
aufweist: Ti V Mg Si B Ga Cu ,003 ,003 ,003 ,05 ,02 ,015 ,01 Fe Ni Cr Ma ,10 ,003
,003 ,005 Es ist klar, dass die Zugfestigkeit für elektrisch leitfähige Alumiumleigerunsprodukte
normalerweise 840 bis 1,900 kg/cm² beträgt.
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Die Ausdrücke "Schmiedeprodukt", "Schmiedealumiumprodukt" oder "Schmiede-Aluminuiumegierungsprodukt"
betreffen, wenn sie irgendwo in-dieser Beschreibung verwendet werden, ein Produkt,
das man mechanischer Bearbeitung durch Verfahren wie Walzen, Strangpressen, Schmieden
und dergleichen unterworfen hat.
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Solche Produlrte umfassen flache und runde Drähte mit verschiedenen
Abmessungen und Blechwalzgut.
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Obwohl diese Erfindung insbesondere bezüglich ihrer bevorzugten Ausführungsformen
näher beschrieben worden ist, ist klar, dass Abweichungen und Änderungen sich innerhalb
des Grundgedankens und des Rahmens der Erfindung, wie sie oben beschrieben und in
den beigefügten Ansprüchen beansprucht ist, sich durchführen lassen.
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Patentanstrüche