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Gegen den Bewuchs mit Meeresorganismen sicherer metallischer
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Werkstoff Die Erfindung betrifft einen metallischen Werkstoff, welcher
für den Bewuchs mit Meeresorganismen sicher bzw. beständig ist.
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Wenn ein Schiff, insbesondere an den Unterwasserflächen, durch den
Bewuchs mit Meeresorganismen an der Rumpf-AuBenhaut beeinflußt wird, verringert
sich insbesondere seine Geschwindigkeit unter Verschlechterung des Brennstoff-Nutzungsgrads.
Aus diesem Grund werden die Rumpfoberflächen von Schiffen üblicherweise mit bewuchshemmenden
Lacken beschichtet, die bewuchshemmende oder -verhindernde Stoffe, wie Kupferoxydul
und organische Verbindungen von Zinn, enthalten oder metallische Stoffe, wie Kupfer,
Kupronickel (Cu-Ni-Legierung), Zink und Silber verwenden, mit denen eine ausgezeichnete
Bewuchsfreiheit erreicht wird.
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Diese bewuchshemmenden Lacke und bewuchsfreien Metallwerkstoffe besitzen
jedoch wiederum ihnen eigene, nachstehend aufgeführte Nachteile.
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Bewuchshemmende Lacke: 1. Es bestehen Beschränkungen bezüglich der
Konzentrationen, in denen die Bewuchshemmstoffe (pollution-proofing agents) in den
Bewuchshemmlacken toleriert werden, so daß die aus dem Lack austretenden bzw. freigesetzten
Bewuchshemmstoffmengen im Laufe der Zeit abnehmen. Außerdem bestehen Grenzen für
die Dicke, mit welcher diese Bewuchshemmlacke auf die Rumpfbeplankung aufgebracht
werden können. Derartige
Lacke besitzen also eine kurze Betriebslebensdauer
oder Standzeit. Mit solchen Lacken beschichtete Schiffsrürnpfe müssen daher periodisch
von den anhaftenden Meeresorganismen befreit und/oder nachlackiert werden.
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2. Einige Bewuchshemmstoffe enthalten organische Zinnverbindungen,
die für den menschlichen Organismus sowie für Fisch und Schalentiere schädlich sind.
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3. Die aufgetragenen überzüge aus Bewuchshemmlacken besitzen ungenügende
Festigkeit und schwache Haftung, so daß sie leicht beschädigt werden und schnell
abplatzen.
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Bewuchsfreie Metallwerkstoffe: 1. Bewuchsfreie (pollution-free) metallische
Werkstoffe gewährleisten beim Auftragen auf Rumpfbeplankungen nicht immer eine zufriedenstellende
Beständigkeit gegenüber Bewuchs.
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2. Kupfer, Zink und Silber besitzen eine ungenügende Festigkeit und
Beständigkeit für Seewassereinwirkung, und sie zeigen insbesondere dann, wenn die
Schiffe turbulente Gewässer befahren, eine sehr ungenügende Korrosionsbeständigkeit.
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3. Kupronickel und Silber sind teuer.
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Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Ausschaltung der
verschiedenen, vorstehend geschilderten Nachteile durch Schaffung eines bewuchsfreien
und nicht wasservergiftenden (pollution-free) bzw. einen Bewuchs mit Meeresorganismen
nicht zulassenden metallischen Werkstoffs, der 1. eine ausgezeichnete und lang anhaltende
Bewuchshemmwirkung gewährleistet, 2. ausreichend große Festigkeit und Zähigkeit
besitzt, um für Bauteile von Schiffsrumpfbeplankungen und anderen Marinekonstruktionen
verwendet werden zu können und damit die Nachteile von
Lacken bzw.
Schutzanstrichen zu vermeiden, 3. weder den menschlichen Organismus noch Fische
oder Schalentiere gefährdet und auch keine Meereswasserverunreinigung hervorruft,
4. mit niedrigen Kosten zur Verfügung gestellt werden kann, 5. sich ausgezeichnet
gießen, warm und kalt verarbeiten und schweißen läßt und 6. eine ausgezeichnete
Beständigkeit gegen Seewasserangriff bietet.
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Diese Aufgabe wird bei einem gegen den Bewuchs mit Meeresorganismen
sicheren bzw. beständigen metallischen Werkstoff, bestehend aus einer Legierung
mit 5 - 30 Gew.-% Mn, mindestens einem Element, wie Sn in einer Menge von bis zu
5 Gew.-%, Al in einer Menge von bis zu 8,5 Gew.-%, Zn in einer Menge von bis zu
7 Gew.-%, Fe in einer Menge von bis zu 2,5 Gew.-% und Ni in einer Menge von bis
zu 2,5 Gew.-%, sowie im Rest (auf 100 Gew.-%) cu mit den normalen, unvermeidlichen
Verunreinigungen, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß er ein metallographisches
0 - (flächenzentriertes Gitter) -Einphasengefüge besitzt.
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Bei dem vorstehend umrissenen Werkstoff gemäß der Erfindung ist Mn
das wichtigste Element für die Verhinderung oder Hemmung eines Bewuchses mit Meeresorganismen.
Wenn der Mn-Gehalt unter 5 Ge.- liegt, ist die bewuchshemmende Wirkung von Mn auf
die Legierung nicht genügend ausgeprägt. Bei einem Mn-Gehalt von mehr als 50 Gew.-%
kann der Legierung durch die Wärmebehandlung nicht ohne weiteres das α-Einphasengefüge
(kubisch-flächenzentriert7 verliehen werden. Speziell bei erhöhten Gehalten an Sn,
Al und Zn wird es um so schwieriger, bei einem Mn-Gehalt von mehr als 30 Gew.-%
der Legierung ein cc -Einphasengefüge zu erteilen. Es ist darauf hinzuweisen, daß
der erfindungsgemäße metallische Werkstoff eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber
einem Bewuchs bzw. einer Wasservergiftung (pollution) bietet, wenn die Legierung
das α-Einphasengefüge besitzt, während sich diese Beständigkeit merklich verschlechtert,
wenn in der Legierung gleichzeitig eine ß-(raumzentrierte kubische Gitter)-Phase
oder eine X-Mn-(kubische Gitter)-Phase vorhanden ist
Zusätzlich
zu Mn enthält der Werkstoff mindestens ein Element wie Sn, Al, Zn, Fe und/oder Ni.
Sn ist bezüglich der Verhinderung oder Hemmung (curbing) des Bewuchses mit Meeresorganismen
wirksam. Bei einem Sn-Gehalt von mehr als 5 Gew.-% treten jedoch eine Entweichung
(eduction) einer B-Phase und eine Verschlechterung der Bewuchshemmwirkung auf. Al
ist höchst wirksam bezüglich der Verbesserung der Gießeigenschaften, der Festigkeit
und der Wasserbeständigkeit der Legierung. Bei einem Al-Gehalt von mehr als 8,5
Gew.-% treten in der Legierung heterogene Phasen, wie eine B-Phase und Cu3Mn2Al,
auf, während die Bewuchsbeständigkeit stark abnimmt und sich außerdem die Warm-
und Kaltverformbarkeit sowie die Schweißbarkeit der Legierung erheblich verschlechtern.
Zn vermag die Festigkeit und die Gießeigenschaften der Legierung zu verbessern.
Bei einem Zn-Gehalt von mehr als 7 Gew.-% tritt in der Legierung allerdings eine
B-Phase auf, während sie gleichzeitig ihre Bewuchsbeständigkeit (resistance to the
pollution) und zudem ihre Zähigkeit verliert. Fe verbessert die Korrosionsbeständigkeit
und die Festigkeit der Legierung. Wenn der Fe-Gehalt jedoch 2,5 Gew.-% übersteigt,
leidet die Legierung an einer Entweichung von Fremdverbindungen, wie Fe und Fe-Al,
einer Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit sowie einer erheblichen Beeinträchtigung
der Bewuchshemmwirkung und der Warm- und Kaltverformbarkeit. Ni vermag ebenfalls
die Korrosionsbeständigkeit und die Festigkeit der Legierung zu verbessern. Bei
einem Ni-Gehalt von mehr als 2,5 Gew.-% zeigt die Legierung jedoch eine Entweichung
von Ni-Al-Verbindung und anderen Verbindungen in Form einer K-Phase sowie einen
Verlust der Bewuchshemmwirkung.
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Da diese Legierungselemente jeweils einzigartige Beiträge leisten
und weiterhin Cu als Matrix verwendet wird, besitzt die Legierung eine ausgezeichnete
Beständigkeit gegenüber Seewasser, während sie niedrigere Kosten als Kupronickel
und Silber bedingt. Insbesondere bezüglich der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit
und der Bewuchsbeständigkeit der Legierung stellt die Beschränkung der Legierung
auf
das X-Einphasengefüge einen großen Beitrag dar. Die erfindungsgemäß der Legierung
zuzusetzenden Legierungskomponenten enthalten keine schädlichen organischen Zinnverbindungen.
Die Konzentrationen der Ionen von Cu, Mn und anderen Legierungskomponenten, die
aus der Legierung entweichen können, liegen wesentlich unter den jeweiligen offiziellen
Toleranzwerten. Der metallische Werkstoff gemäß der Erfindung ist also für den menschlichen
Organismus sowie für Fisch und Schalentiere völlig unschädlich.
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Wenn die Legierungskomponenten innerhalb der jeweiligen, oben angegebenen
Bereiche liegen, nimmt der erfindungsgemäße Werkstoff ohne jede zusätzliche Behandlung
nach dem Gießen oder Formen spontan einOG-Einphasengefüge an. Selbst wenn der metallische
Werkstoff dieses spezielle Gefüge nach dem Gießen oder Formen nicht erreichen sollte,
kann ihm dieses Gefüge durch Erwärmung auf eine Temperatur von 550-850°C und anschließende
plötzliche Abkühlung verliehen werden.
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Obgleich einem metallischen Werkstoff, der die Legierungskomponenten
bzw. -bestandteile in von den für den erfindungsgemäßen Werkstoff angegebenen Bereichen
abweichenden Mengen enthält, ein X -Einphasengefüge durch spezielle Wärmebehandlung
verliehen werden kann, wird sein metallographisches Gefüge durch die anschließende
thermische Hysterese beeinträchtigt, so daß der Werkstoff das g-Einphasengefüge
nur äußerst schwierig stabil beizubehalten vermag.
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Wie erwähnt, sind die angegebenen Variationsbereiche für die Legierungskomponentenmengen
und die Erzielung eines d-Einphasengefüges in der Legierung für den metallischen
Werkstoff gemäß der Erfindung unabdingbar. Untersuchungen bezüglich der Bedingungen
für den Bewuchs mit Meeresorganismen sowie der Beziehung zwischen diesem Bewuchs
und dem metallographischen Gefüge von Legierungen haben gezeigt, daß dann, wenn
der metallische Werkstoff seine hervorragende Bewuchsbeständigkeit gewährleisten
soll, die Erfüllung des Erfordernisses, daß die
Legierungsbestandteile
in den innerhalb der jeweils angegebenen Bereiche liegenden Mengen vorhanden sein
müssen, (allein) kaum genügt; vielmehr müssen gleichzeitig dieses Erfordernis und
das weitere Erfordernis, daß die Legierung das X -Einphasengefüge annimmt, unbedingt
erfüllt sein Der metallische Werkstoff gemäß der Erfindung bietet somit die folgenden
Vorteile: 1. Aufgrund des -Einphasengefüges der Legierung bietet er eine zufriedenstellende
(ample) Beständigkeit gegenüber Bewuchs und Korrosion und er verursacht keine Wasservergiftung,
2. Wegen der Verwendung von Cu als Legierungsmatrix ist der metallische Werkstoff
für einen Bewuchs und für Seewasserangriff beständig, während er im Vergleich beispielsweise
zu Silber kostengünstig ist.
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30 Aufgrund der Verstärkung infolge der Einarbeitung von Al, Zn, Fe
usw kann der metallische Werkstoff für (tragende) Bauteile verwendet werden, welche
eine Kupronickel vergleichbare Festigkeit besitzen. Die Verwendung dieses Werkstoffs
bietet eine Lösung für die verschiedenen, mit Lacken oder Schutzanstrichen verbundenen
Probleme, wie begrenzte Bewuchshemmwirkung, mangelhafte Haftfähigkeit und Empfindlichkeit
für Beschädigung und Abblättern.
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4. Infolge der Einverleibung einer zweckmäßigen Menge an Al besitzt
die Legierung eine hervorragende Eignung für das Gießen oder Formen (casting), Warm-
und Kaltverformen sowie Schweißen.
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5. Da die Legierungsbestandteile keine schädlichen Substanzen, wie
organische Zinnverbindungen, enthalten, ist der metallische Werkstoff für den menschlichen
Organismus, für Fisch und Schalentiere unschädlich.
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Der metallische Werkstoff gemäß der Erfindung eignet sich daher hervorragend
für Bauteile, wie Teile der Schiffsrumpfbeplankung im Bereich der Tiefgangmarkierungen
(draft marks).
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Im folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im
einzelnen erläutert.
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Beispiel Die folgende Tabelle veranschaulicht die Bewuchshemmeigenschaften
und die mechanischen Eigenschaften von metallischen Werkstoffen, welche den Erfordernissen
gemäß der Erfindung genügen, sowie von metallischen Vergleichswerkstoffen, welche
diesen Erfordernissen nicht genügen.
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Als Vergleichswerkstoffe wurden Kupfer (Symbol C) und Kupronickel
(Symbol CN - Legierung aus 90 % Cu und 10F Ni) in handelsüblicher Güte verwendet.
Die Herstellung der anderen metallischen Vergleichswerkstoffe sowie der erfindungsgemäßen
metallischen Werkstoffe erfolgte jeweils (invariably) - soweit nicht anders angegeben
- durch Schmelzen der betreffenden Legierungen in einem 50 kg-Hochfrequenzschmelzofen,
Vergießen der Schmelze in Metallkokillen, Warmschmieden und anschließendes vierstündiges
Erwärmen auf 6000C mit anschließender Abkühlung an der Luft.
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Als Prüflinge wurden Bleche von 90 mm Länge, 70 mm Breite und 3 mm
Dicke hergestellt. Zur Untersuchung der Bewuchshemmwirkung wurden diese Bleche in
einer Tiefe von 1 m unter der Wasseroberfläche in einem bestimmten Hafen an einem
Floß aufgehängt und drei Monate lang vom Winter bis zum Frühjahr (Februar bis April)
im Wasser belassen.
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Von allen zur Verhinderung eines Bewuchses mit Meeresorganismen eingesetzten
metallischen Werkstoffen wie dem erfindungsgemäßen Werkstoff, wird selbstverständlich
erwartet, daß sie die folgenden allgemeinen Erfordernisse erfüllen:
1.
Beständigkeit gegen Bewuchs.
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2. Beständigkeit oder Widerstandsfähigkeit gegen Seewasserangriff.
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3. Ausreichende Festigkeit.
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4. Ausreichende Zähigkeit.
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5. Eignung für Warm- und Kaltverformung bzw. -bearbeitung.
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6. Schweißbarkeit.
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7. Wirtschaftlichkeit.
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Während die Erfordernisse 1, 2 und 7 am wesentlichsten sind, wird
der Werkstoff für die Verwendung bei (tragenden) Bauteilen oder Maschinenteilen
unbrauchbar, wenn er eines der anderen Erfordernisse 3 bis 6 nicht erfülle.
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Unter Berücksichtigung dieser Tatsache werden im folgenden die Vergleichswerkstoffe
und die erfindungsgemäßen Werkstoffe miteinander verglichen.
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Unabhängig von zufriedenstellender Festigkeit und Schmiedbarkeit bzw.
Formbarkeit zeigte der Vergleichswerkstoff F-1 infolge des Bewuchses mit Meeresorganismen
eine mangelhafte Bewuchsbeständigkeit sowie das Auftreten von Korrosion. Darüber
hinaus besaß er eine mangelhafte Verarbeitbarkeit infolge eines übermäßigen Fe-Gehalts.
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Der Vergleichswerkstoff F-2 besaß ungenügende Festigkeit. Bewuchsbeständigkeit,
Korrosionsbeständigkeit und insbesondere Schmiedbarkeit bzw. Formbarkeit. Außerdem
besaß er wegen eines zusätzlich hohen Fe-Gehalts eine schlechte Verarbeitbarkeit.
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Die Vergleichswerkstoffe F-3 und F-4 besaßen, unabhängig von ausgezeichneter
Festigkeit, mangelhafte Schmied- bzw. Formbarkeit sowie mangelhafte Bewuchs- und
Korrosionsbeständigkeit.
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Aufgrund eines übermäßig großen Al-Gehalts zeigten sie Mängel in den
für Bauteile unabdingbaren Eigenschaften bezüglich Verarbeitbarkeit (workability)
und Schweißbarkeit.
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Obgleich der Vergleichswerkstoff AlBC zufriedenstellende Festigkeit
und Schmied- bzw. Formbarkeit besaß, war seine Bewuchsbeständigkeit mangelhaft.
Aufgrund eines zu großen Fe- und Al-Gehalts besaß er zudem schlechte Verarbeitbarkeit
und Schweißbarkeit.
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Der Vergleichswerkstoff C besaß ungenügende Bewuchsbeständigkeit und
zeigte sehr mangelhafte Festigkeit und Schweißbarkeit.
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Trotz zufriedenstellender Festigkeit und Schmied- bzw. Formbarkeit
war der Vergleichswerkstoff CN bezüglich der Bewuchsbeständigkeit unzufriedenstellend.
Außerdem war er mit einem hohen Kostenfaktor behaftet.
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Im Gegensatz dazu besaßen die den Erfordernissen gemäß der Erfindung
genügenden metallischen Werkstoffe eine Kupronickel vergleichbare Festigkeit, ausgezeichnete
Bewuchsbeständigkeit oder -hemmwirkung sowie zufriedenstellende Korrosionsfestigkeit,
Verarbeitbarkeit, Schweißbarkeit und Wirtschaftlichkeit.
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Eine Prüfung der in der Tabelle angegebenen metallographischen Gefüge
und der Bedingungen für den Bewuchs mit Meeresorganismen zeigt deutlich, daß eine
eindeutige Beziehung zwischen dem -Einphasengefüge und der Beständigkeit gegenüber
Bewuchs besteht.
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Der metallische Werkstoff gemäß der Erfindung läßt sich für folgende
Zwecke einsetzen: 1. Beplankungsplatten für Schiffsrümpfe, 2. blbohreinrichtungen,
3 ozeanische Lager- oder Vorratstanks, 4. "schwimmende" Hotels, 5. Landebrücken,
Bojen, Schwimmbaken und Leuchtfeuer, 6. Seewasser-Ansaugröhren und -Siebe, 7. Bestandteile
von bewuchshemmenden Lacken oder Schutzanstrichen, 8. Seewasserpumpen und -motoren
sowie Unterwasserpumpen und -ventile, 9. mit Seewasser arbeitende Wärmetauscher,
10. allgemein für Verwendung unter Seewassereinfluß vorgesehene Ketten, Seile, Uhrenanlagen
und sonstige Werkstoffe sowie 11. verschiedene Geräte für Marineversorgung (marine
nurseries), Außenbordgeräte von Schiffen, Fischereigeräte, Eisenschienen, usw.
| Mechanische |
| Chemische Zusamensetzung (Gew.-%) Metallographi- Bewuchs mit
Meeresorganis- Eigenschaften Ber- |
| Symbol sches Gefüge men (nach dreimonatigem Zugfestig- Bruch-
mer- |
| Mn Sn Al Zn Fe Ni Cu (600°C x 4 Std., Eintauchen) keit dehnung
kungen |
| Luftabkühlung) (kg/mm²) (%) |
| AF-1 9,71 0,10 3,05 1,25 0,51 0,60 Rest α-Einphase Kein
Bewuchs, grünes 45,2 40,4 |
| Korrosionsprodukt |
| AF-2 28,16 - 0,98 0,78 0,22 0,34 Rest α-Einphase Kein
Bewuchs, grünbraunes 40,7 42,6 |
| Korrosionsprodukt |
| AF-3 19,68 0,47 1,25 - 0,10 0,42 Rest α-Einphase Kein
Bewuchs, grünes 43,5 36,8 |
| Korrosionsprodukt mit |
| hellbrauner Färbung |
| AF-4 6,11 1,30 6,60 1,60 0,72 1,65 Rest α-Einphase Kein
Bewuchs, hellgrünes 55,6 39,2 |
| Korrosionsprodukt |
| AF-5 9,53 0,23 3,08 - 1,40 0,11 Rest α-Einphase Kein
Bewuchs, grünes 48,1 39,0 |
| Korrosionsprodukt |
| AF-6 9,80 - - - 0,43 0,53 Rest α-Einphase Kein Bewuchs,
grünes 42,0 50,4 |
| Korrosionsprodukt |
| AF-7 9,92 - 2,02 - 1,92 - Rest α-Einphase Kein Bewuchs,
grünes 41,1 48,2 |
| Korrosionsprodukt |
| AF-8 9,53 - 3,08 6,02 0,50 0,57 Rest α-Einphase Kein
Bewuchs, grünes 43,3 37,0 |
| Korrosionsprodukt |
| AF-9 8,43 4,60 - - - - Rest α-Einphase Kein Bewuchs,
grünes 33,9 28,6 |
| Korrosionsprodukt |
| AF-10 12,31 0,30 0,50 - 0,53 0,62 Rest α-Einphase Kein
Bewuchs, grünes 39,2 46,4 |
| Korrosionsprodukt |
| F-1 9,08 - 6,25 4,06 4,37 1,07 Rest α+k Bewuchs, rotbraunes
43,8 39,2 |
| Korrosionsprodukt |
| F-2 15,98 5,48 7,50 5,50 2,78 2,93 Rest α+ß+k Bewuchs,
schwarzes 34,6 15,8 Guß |
| Korrosionsprodukt produkt |
| F-3 23,46 1,62 11,07 - 1,06 4,34 Rest α+k+cu3Mn2Al Bewuchs,
schwarzes 70,8 28,0 Guß |
| (langsam abge- Korrosionsprodukt produkt |
| kühlt |
| F-4 12,22 7,82 8,80 0,02 0,60 5,28 Rest α+k-ß Bewuchs
schwarze und 50,3 32,4 Guß- |
| braune Korrosionsprodukte produkt |
| AlBC 1,73 - 8,32 - 2,91 1,26 Rest α + k Bewuchs mit schwarz-
59,8 41,0 handels- |
| grünem Schleim üblich |
| C - - - - - - >99,9 α-Einphase Bewuchs mit schwarz-
24,4 48,2 handels- |
| grünem Schleim üblich |
| CN 0,76 - - - 1,64 9,65 Rest α-Einphase Bewuchs mit schwarz-
35,5 39,0 handels- |
| grünem Schleim üblich |