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Hintergrund der Erfindung
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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Materialien und Verfahren,
welche für
lotplattierte Blechprodukte und insbesondere auf Aluminiumlegierungen
eingesetzt werden, welche ihre Festigkeit bei hohen Temperaturen
beibehalten, wie bei solchen, die für Automobil-, Fahrzeug- oder
industriellen Wärmetauschern notwendig
sind und insbesondere in Ladeluftkühlers, so wie Verfahren zu
ihrer Herstellung und Verwendung.
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Beschreibung der verwandten
Technik
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Die
Verbesserung der Festigkeit von plattiertem Aluminiumlotblech bei
Zimmertemperatur oder hohen Temperaturen ist für die Verkleinerung der Komponenten
zur Gewichteinsparung und die höheren
Betriebstemperaturen in verschiedenen Wärmetauscheranwendungen wünschenswert.
Plattiertes Aluminiumlotblech enthält typischerweise eine Kernlegierung
aus der 3xxx Serie und ein bei niedriger Temperatur schmelzendes, plattiertes
Kotblech aus der 4xxx Serie. 3xxx und 4xxx sind von The Aluminium
Association vorgegebene Bezeichnungen. Da Aluminiumlegierungen aus
der 3xxx Serie allgemein nicht wärmebehandelt
werden können, ist
die Festigung durch solide Lösungen
die Hauptquelle der Verbesserung der Festigkeit im gelöteten Werkstoffzustand.
Jedoch ist Härtung
durch Niederschlag bis zu einem gewissen Grade möglich unter der Bedingung,
dass in der Kernlegierung Magnesium enthalten ist. Aushärtung bei
Lotblechen auf 3005 Basis wurde in früheren Schriften demonstriert.
(Siehe beispielsweise N. D. A. Kooij, J. A. H. Söntgerath, A Bürger, K.
Vieregge, A. Haszler, „New
High Strength Alloys for Brazing with Long Life Corrosion Properties", VTMS Conf. Proc., Indianapolis,
IN 971882 (1997); N. D. A. Kooij, J. A. H. Söntgerath, A Bürger, K.
Vieregge, A. Haszler, „The Development
of Two High Strength Aluminium Brazing Sheet Alloys with Long Life
Corrosion Properties",
Alumitech Conf. Proc., Atlanta, Ga. (1997) SS 185–190; Patentanmeldung
WO99/55925 von Hoogovens Aluminium Walzprodukte „Aluminium alloy for use in
a brazed assembly";
und H. Scott Goodrich und G. S. Murphy, „Age hardening effects in
3xxx series brazing sheet core alloys". VTMS 4 Conf. Proc., I Mech E 1999,
London, S. 483.
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Ein
Aushärtungsmechanismus
umfasst (i) die Diffusion von Silikon von dem plattierten Lotblech
in die Kernlegierung (ii), die Verhaltung von Silikon und Magnesium
in der Lösung
während
der Abkühlung
vom Lotzyklus und (iii) daraufhin der Niederschlag von Mg2Si während
des späteren
Fahrzeugschritts oder der Aushärtungsbehandlung
nach dem Löten.
Jedoch können
Legierungen der 3xxx Serie allgemein nicht wärmebehandelt werden und der
Hauptmechanismus zur Verfestigung ist eben durch Verfestigung mit
solider Lösung. Es
ist berichtet worden, dass das Aushärten von Materialien, welche
Mg in dem Kernmaterial enthalten, wie beispielsweise 3005, möglich ist.
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In
einer voröffentlichen
Studie, Goodrich et al., „Age
hardening effects in 3xxx series brazing sheet core alloys", VTMS 4 Conf. Proc.
Imech E 1999, London, S. 483, wurde die Vergütungsreaktion verschiedener Lotbleche
durch bei Zimmertemperatur durchgeführten Dehnungsprüfungen unmittelbar
nach dem Löten
und nach Vergütung über verschieden
Zeiträume
hinaus bei 104°C,
150°C, 175°C und 200°C überprüft. Da die
tatsächlichen
Betriebstemperaturen des Wärmetauschers
allgemein höher
als Zimmertemperatur sind, sind die Materialeigenschaften bei hohen
Temperaturen von einem Entwicklungsstandpunkt aus von Interesse.
Dies trifft besonders auf Ladeluftkühler zu, welche in turbogeladenen
Motoren und in Dieselmotoren zur Abkühlung der von dem Turbolader
vor der Einspritzung in die Zylinderkammer komprimierten, eingelassenen
Luft verwendet werden. Dies wird mittels eines Luft-zu-Luft Wärmetauschers
durchgeführt
(in der Automobil- und Nutzfahrzeugindustrie als Inter-Kühler oder
Ladeluftkühler
bekannt). Die gekühlte
und komprimierte Luft führt zu
einer maximalen Leistung durch Turboladung, welche die Abgasniveaus
vermindert und die Treibstoffleistungen erhöht. Ladeluftkühler sind
extremen Temperaturschwankungen und -erhöhungen während des Betriebes ausgesetzt
und als solches, hat sich ihre Konstruktion vom metallurgischen
Gesichtspunkt her als schwierig erwiesen. Standard Legierung aus
der 3xxx Serie wie z. B. 3003 Legierungen sind in der Vergangenheit
in manchen Wärmetauscheranwendungen
eingesetzt worden, da sie einfach als Bleche, Rippen oder Rohre
ausgebildet werden können.
Sie weisen jedoch eine relativ niedrige Festigkeit auf und können allgemein
nicht in hohen Temperaturen ausgesetzten Anwendungen verwendet werden.
Verschiedene Aluminiumlegierungen sind zur Konstruktion von Ladeluftkühlern, einschließlich 3003,
benutzt worden, aber die Legierungen der 3xxx Serie sind, obwohl
sie gelötet
werden können,
allgemein zu weich um angemessen bearbeitet zu werden oder um bei
hohen Temperaturen die geforderten mechanischen Eigenschaften aufzuweisen,
um zur Verwendung in Anwendungen wie z. B. Ladeluftkühlern akzeptabel
zu sein. Ferner müssen
die Materialien nach langfristiger Aussetzung zu Temperaturen von über ca.
177°C ausreichende
Festigkeit aufweisen können.
Viele Fahrzeughersteller sind zu Kupfer und Messing übergegangen
zur Entwicklung von Materialien, welche in der Fertigung von Ladeluftkühlers nützlich sind,
da diese Materialien bei für
einen Ladeluftkühler
notwendigen Temperaturen betriebsfähig sind (d. h. bis zu maximalen
Temperaturen von ca. 250°–300°C). Jedoch
sind Kupfer und Messing wesentlich schwerer und teurer als Aluminium
und erhöhen
deswegen aufgrund ihrer zusätzlichen
Gewichte die Betriebskosten. Von daher wäre es wünschenswert, über eine
Aluminiumlegierung zu verfügen,
welche für
die Verwendung unter den bei Ladeluftkühler geforderten Bedingungen,
ohne Kupfer- bzw.
Messinglegierung, geeignet sind. Da die Verwendung von turbogeladenen
Motoren sowohl in der Automobil- als auch in der Nutzfahrzeugindustrie
zunimmt, hat es bei Aluminiumlieferanten eine anwachsende Nachfrage
gegeben, ein Material zu bekommen, das eine gute Formbarkeit und
ausreichende Festigkeit über
das gesamte, zum Betrieb eines Ladeluftkühlers benötigte Temperaturprofil hinaus
aufweist.
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Ein
Beispiel von zusätzlicher
Verfestigung bei erhöhten
Temperaturen in Legierungen für
Ladeluftkühler
wurde in US Patentschrift Nr. 5,857,266, „Heat exchanger having aluminium
alloy parts exhibiting high strength at elevated temperatures" berichtet.
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WO
94/22633 veröffentlicht
eine Lotlegierung mit einer Zusammensetzung in Gewicht % von 0,7–1,5 Mn;
0,5–1,0
Cu; nicht mehr als 0,4 Fe; nicht mehr als 0,15 Si; bis zu 0,8 Mg;
bis zu 0,3 V und/oder Cr; bis zu 0,1 Ti; andere zu einem Gehalt
von je 0,05, 0,15 insgesamt; Aluminium zum Ausgleich.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß dieser
und anderer Gegenstände
bietet die vorliegende Erfindung Lotblechmaterialien aus Aluminium,
welche eine Erhöhung
der Streckgrenze aufweisen, nachdem die Materialien für längere Zeiträume hohen
Temperaturen ausgesetzt worden sind (d. h. Temperaturen von 100–250°C oder 260°C für bis zu 2500
Stunden), welche größer als
erwartet ist. Solche Erhöhungen
der Streckgrenze der erfindungsgemäßen Lotblechmaterialien können dadurch
erzeugt werden, dass die Aluminiumlegierung nach dem Löten einer
Aushärtungsbehandlung
unterzogen wird. Die Erhöhung
der Streckgrenze der Kernmaterialien wird unerwartet zurückbehalten,
sogar nachdem die Materialien für
einen längeren
Zeitraum hohen Temperaturen ausgesetzt worden sind oder wenn die
Materialien sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind, welches bei
Wärmetauscherbauteilen,
insbesondere bei Ladeluftkühlern
der Fall wäre.
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Ferner
ist auch gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Lotblechmaterial geboten mit einem Kern aus der 3xxx
Serien Legierung, einer Zusammensetzung (Gewicht %) Si < 0,2%, Fe < 0,2%, Cu: 0,3%–0,7%, Mn: 1,3%–1,7%, Mg:
0,4%–0,8%,
Ti < 0,10% und
mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Cr (0,05%–0,20%),
Sc (0,05%–0,20%),
V (0,05%–0,20%),
Zr (0,05%–0,20%),
Hf (0,05%–0,20%)
Ni (0,20%–1%), Aluminium
als Ausgleich und unvermeidbare Unreinheiten, wobei das erfindungsgemäße Lotblech
einer ausreichenden Behandlung unterzogen wird, um eine Erhöhung der
Festigkeit über
eine weite Temperaturspanne beizubehalten.
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Der
Gegenstand der Erfindung wird durch die angefügten Patentansprüche definiert.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine Graphik, welche die Ergebnisse von Beispiel 2 darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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Der
Begriff „maximale
Aushärtung" bezieht sich auf
eine Behandlung, in welcher eine Lotlegierung einem Lotzyklus unterzogen
wird und dann bei verschiedenen Temperaturen und Zeitdauern ausgehärtet wird, um
ihre „maximale
Aushärtung" zu bestimmen, d.
h. die Kombination von Dauer und Temperatur, bei welchen die höchste Festigkeit
festgestellt wird. Zum Beispiel können die Dehneigenschaften
eines besonderen Materials bei seiner Abkühlung im gelöteten Zustand
und nach Aushärtung über verschiedene
Zeitdauern, bis zu 2500 Stunden zum Beispiel, bei verschiedenen
Temperaturen wie z. B. 104°C,
175°C, 225°C und 250°C ausgewertet
werden. Jegliche Dauern und Temperaturen für die Aushärtung können benutzt werden, um die
maximale Aushärtung
für ein
besonderes Material zu bestimmen, die Aufgezählten sind lediglich Beispiele.
Das Prüfstück konnte
dann auf Zimmertemperatur abgekühlt
werden, bevor Strecktests durchgeführt wurden. Ein Prüfstück von jeder
Aushärtungstemperatur
konnte bei Zimmertemperatur Strecktests unterzogen werden, wobei
ein anderes Prüfstück von jeder
Aushärtungstemperatur
wieder erhitzt werden kann und bei seiner respektiven erhöhten Aushärtungstemperatur
streckgetestet werden. Das Ausmaß der beibehaltenen Aushärtung bei verschiedenen
Betriebstemperaturen kann dann ausgewertet werden.
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Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden,
dass eine erfindungsgemäße maximal
ausgehärtete
Legierung eine Streckgrenze bei 175° aufweist, die bei derselben
Temperatur etwa 20% höher
ist als die Streckgrenze des gelöteten
Werkstoffzustands. In dieser Hinsicht wird zur Vorbereitung von
Lotblechmaterialien eine Kernlegierung mit einem Prozentsatz von
Mg (d. h. allgemein mindestens 0,4–0,7) mit silikonhaltigem plattierten
Material gelötet.
Während
des Lotzyklus bildet sich ein Mg2Si Niederschlag
dadurch, dass das Si von dem plattierten Material zu dem Mg aus
dem Kern überwandert.
Die Bildung dieser Niederschläge
beeinträchtigt
die Festigkeit des Materials im gelöteten Werkstoffzustand und
somit seine Anwendbarkeit bei hohen Temperaturen, da die Niederschläge bei der
Verwendung verschmolzen werden, wenn sie solch extremen Temperaturen
ausgesetzt werden, welche ein Ladeluftkühler erfährt (d. h. über 177° für einen Zeitraum von 10–2500 Stunden,
insbesondere von 50–100
Stunden oder gar bei Temperaturen von bis zu 250°C, 260°C oder 300°C).
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Cr,
Zr, Sc, V und Hf sind dispersoide Formungselemente, welche zusammen
mit dem Aluminium und Silikon während
der Homogenisierung typischerweise zur Bildung von kleinen Partikeln
niederschlagen (d. h. von 0,05 bis 0,5 μ Durchmesser). Die Bildung von
solchen Niederschlägen
ist in der Technik wohlbekannt. Es sei bemerkt, dass die dispersoiden
Niederschläge
während
der Homogenisierung gebildet wurden und dass sie üblicherweise
wesentlich kleiner sind als die eutektischen, durch Guss gebildeten
Bestandteile, welche 0,5–10 μ groß sind,
da sie typischerweise die letzten Partikel sind, die fest werden.
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In
der Legierung der vorliegenden Erfindung sind die Mg und Mn Gehalte
in einem gewissen Maße erhöht hinsichtlich
derer, die in 3003 Legierungen mit hohem Kupfergehalt verwendet
werden (d. h. 3003 Legierung, welche einen erhöhten Cu Gehalt aufweist). Mg
ist zu einer Menge von 0,4–0,8%
enthalten und Mn zu einer Menge von 1,3–1,7%. In einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine Menge von Ni in der Legierung
enthalten. Während
Ni typischerweise in Lotblechmaterial enthalten ist, wie bei 3003, ist
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Ni zu einer Menge von 0,2–1%, vorzugsweise zwischen
0,3 und 0,65% enthalten und angemessener Weise um die 0,5% für einige
Ausführungsformen. Während Ni
allgemein nicht als ein Dispersoid bildendes Element bekannt ist,
hat sich unerwarteter Weise herausgestellt, dass sein Einzug in
den erfindungsgemäßen Materialien
die Dehnfestigkeit Eigenschaften von Lotblechmaterialien erhöht.
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Wenn
Sc ein Dispersoid bildendes, in der Legierung enthaltenes Element
und nicht ein natürlich
auftretendes Spurenelement ist, ist Sc zu einer Menge von 0,05–0,2%, vorzugsweise
von 0,08–0,15%
vorhanden.
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Wenn
V ein Dispersoid bildendes, in der Legierung enthaltenes Element
und nicht ein natürlich
auftretendes Spurenelement ist, ist V zu einer Menge von 0,05–0,2%, vorzugsweise
von 0,08–0,15%
vorhanden.
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Wenn
Zr ein Dispersoid bildendes, in der Legierung enthaltenes Element
und nicht ein natürlich
auftretendes Spurenelement ist, ist Zr zu einer Menge von 0,05–0,2%, vorzugsweise
von 0,08–0,15%
vorhanden.
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Wenn
Hf ein Dispersoid bildendes, in der Legierung enthaltenes Element
und nicht ein natürlich
auftretendes Spurenelement ist, ist Hf zu einer Menge von 0,05–0,2%, vorzugsweise
von 0,08–0,15%
vorhanden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
sind mindestens zwei Dispersoid bildende Elemente in dem Lotblechkernmaterial
enthalten. In dieser Hinsicht wird angenommen, dass der Einzug von
mindestens zwei Dispersoid bildenden Elementen eine synergistische
Wirkung verschafft, was die Erhöhung
der Dehnfestigkeit (Streckfestigkeit) betrifft. In einer anderen
Ausführungsform
ist Ni zusammen mit dem Dispersoid bildenden Element enthalten,
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Zusammensetzung eines Materials gemäß der vorliegenden Erfindung:
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Das
Material kann beispielsweise H24 Vergütung unterzogen werden, was
in der Industrie wohlbekannt ist.
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Alle
hiernach ausgedrückten
Gewichte sind Gewicht-Prozente,
mit Bezug auf das Gesamtgewicht der Legierung.
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Die
folgenden Beispiele sind aufgeführt,
um die Erfindung besser zu illustrieren. Diese Beispiele sind keineswegs
für die
Erfindung begrenzend.
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Beispiel 1
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Ein
Material mit der folgenden Zusammensetzung:
ist gegossen
worden, mit 4045 Lotlegierung plattiert, zu einer Dicke von 2,8
mm warmgewalzt, 2 Stunden lang bei 371°C ausgeglüht und bis 0,305 kaltgewalzt.
Es ist nach einer Unterziehung von H24 Vergütung durch zweistündiger Ausglühung bei
262°C (vor
dem Löten),
nach dem Löten
(gelöteter
Werkstoffzustand), und nach der Unterziehung einer maximalen Aushärtung nach
dem Löten
charakterisiert: die Dehneigenschaften wurden bei verschiedenen
Temperaturen ausgewertet, im gelöteten
Werkstoffzustand, im Vergleich zu dem maximal ausgehärteten Werkstoffzustand.
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Die
Dehneigenschaften (Streckgrenze, Bruchgrenze und % Ausdehnung) im
Werkstoffzustand vor dem Löten
wird untenstehend berichtet:
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Die
Dehneigenschaften (Streckgrenze, Bruchgrenze, und % Ausdehnung)
im gelöteten
Werkstoffzustand bei verschiedenen Temperaturen werden untenstehend
berichtet:
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Die
untenstehende Tabelle fasst die Ergebnisse im gelöteten Werkstoffzustand
zusammen:
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Die
Dehneigenschaften (Streckgrenze, Bruchgrenze und % Ausdehnung) in
dem maximal ausgehärteten
Werkstoffzustand bei verschiedenen Temperaturen werden untenstehend
berichtet:
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Die
untenstehende Tabelle fasst die Ergebnisse im maximal ausgehärteten Werkstoffzustand
zusammen:
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Diese
Ergebnisse zeigen ein gutes Niveau von Dehnfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung
in dem gelöteten
Werkstoffzustand. Alle getesteten Prüfstücke sind bei 175°C über 90 MPa
und über
88 MPa bei 225°C.
Diese Grade von Dehnfestigkeit werden unerwarteter Weise in dem
maximal ausgehärteten
Werkstoffzustand bei 175°C
auf über
110 MPa erhöht
und bleiben bei dem maximal ausgehärteten Werkstoffzustand bei 250°C über 100
MPa. Dies ist bei Ladeluftkühler-Anwendungen
von besonderem Interesse.
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Beispiel 2
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Dauerfestigkeitteste
mit einachsiger konstanten Amplitude bei verschiedenen Temperaturen
wurden mit Material aus Beispiel 1 gemäß dem ASTM-E-466-82 Standard
durchgeführt.
Eine Ladung mit konstanter Amplitude wurde mit R = 0,1 und einer
Testfrequenz von 10 Hz angebracht. Der Spannungsbereich reichte
von 13,5 bis 25 ksi (125 bis 172 MPa). Die Maße des Prüfstücks waren 0,5'' (12,7 mm) Breite 2'' (50
mm), mit einheitlicher Stärke.
9 Prüfstücke wurden
bei Zimmertemperatur geprüft
(RT), 6 Prüfstücke wurden
bei 302°F (150°C) geprüft, 5 Prüfstücke wurden
bei 392°F
(200°C)
geprüft,
5 Prüfstücke wurden
bei 437°F
(225°C)
geprüft
und 4 Prüfstücke wurden
bei 482°F
(250°C)
geprüft.
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Dementsprechende
Ergebnisse sind in 1 aufgezeichnet und zeigen,
dass die Dauerleistung der erfindungsgemäßen Legierung bei hohen Temperaturen
vergleichbar mit ihrer Dauerleistung bei Zimmertemperatur ist. Es
gibt keinen bedeutenden Verlust an Dauerfestigkeit bei hohen Temperaturen,
was bei Ladeluftkühlern,
deren typische Betriebstemperatur bei etwa 177°C liegt, von besonderen Interesse
ist.
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Beispiel 3
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Material
aus Beispiel 1 wurde SWRAT-getestet, gemäß ASTM G85 in zwei Werkstoffzuständen:
- 1. gelötet
- 2. nach Durchführung
einer maximalen Aushärtung
(gelötet – maximal
ausgehärtet)
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Sechs
Prüfstücke wurden
in jedem Werkstoffzustand geprüft.
Die Daten werden untenstehend berichtet:
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Die
Schlussfolgerung aus dem SWRAT Test ist, dass das erfindungsgemäße Material
der typischen, für
ein solches Material erforderlichen Leistung entspricht und sie
gar übertrifft,
und zeigt eine ähnliche
Leistung wie das Material, welches nicht der Aushärtung unterzogen
worden ist. (Alles über
etwa 800 Stunden wird von der Industrie als mehr als erforderlich
betrachtet: die typische Forderung überschreitet nicht 800 Stunden).
