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Die
Erfindung betrifft eine verbesserte Aluminiumlegierung und insbesondere
eine Aluminiumlegierung, die gezielt eingestellte Mengen definierter
Verbindungen enthält
und durch die Kombination hoher Strangpressfähigkeit und hoher Korrosionsbeständigkeit
gekennzeichnet ist.
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In
der Automobilindustrie werden Aluminiumlegierungen bei einer Reihe
verschiedener Anwendungen, insbesondere für Röhrenmaterial verwendet auf
Grund der Strangpressfähigkeit
der Legierungen in Verbindung mit ihrer relativ hohen Festigkeit
und ihrem geringen Gewicht.
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Besonders
nützlich
sind Aluminiumlegierungen für
die Verwendung in Wärmeaustauschern
oder Klimaanlagekühlern.
Bei dieser Anwendung muss die Legierung eine hohe Festigkeit, eine
ausreichende Korrosionsbeständigkeit
und eine gute Strangpressfähigkeit
aufweisen.
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Eine
typische, bei dieser Anwendung verwendete Legierung ist die AA 3102.
Typischerweise enthält diese
Legierung ca. 0,43 Gew.-% Fe, 0,12 Gew.-% Si und 0,25 Gew.-% Mn.
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In
WO 97/46726 wird eine Aluminiumlegierung beschrieben, die bis zu
0,03 Gew.-% Kupfer, 0,05–0,12 Gew.-%
Silicium, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan, 0,03 bis 0,30 Gew.-% Titan,
0,06 bis 1,0 Gew.-% Zink, weniger als 0,01 Gew.-% Magnesium, bis
zu 0,50 Gew.-% Eisen, weniger als 0,01 Gew.-% Nickel und bis zu
0,50 Gew.-% Chrom enthält.
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In
WO 97/46726 wird beansprucht, dass Cr keine positive Wirkung auf
die Korrosionsbeständigkeit ausübt. Es ist
auch zu beachten, dass im gleichen Patent das untere Manganniveau
0,1 Gew.-% beträgt.
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WO
91/14794 gemäß können eine
Reihe von Elementen, einschließlich
Zn, Zr, Ni, V und Cr, als normale Verunreinigungen vorliegen, wobei
die Höchstmenge
pro Element 0,05 Gewichtsprozent beträgt. In der Tabelle auf Seite
5 ist ein Beispiel aufgeführt,
dementsprechend die Gesamtmenge an Verunreinigungen 0,041 Gew.-%
beträgt
und Zr in einer Menge von nur 0,001 Gew.-% vorliegt. Eine Erhöhung der
Gesamtmenge an Verunreinigungen auf 0,15 Gew.-% würde zum
Vorliegen von maximal 0,0036585 Gew.-% Zr führen. Anscheinend können manche
Verunreinigungen, wie beispielsweise Zn und Cr – jedoch nicht alle zusammen – in örtlich begrenzten
Mengen von bis zu 0,05 Gew.-% vorliegen.
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US-A-4,749,627
gemäß kann Mn
als Verunreinigung in einer Menge von bis zu 0,03 Gew.-% vorliegen.
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Die
diesem Dokument entsprechende Legierung soll als Rippenware dienen
und es erfolgen keine Angaben bezüglich ihrer Strangpressfähigkeit.
Aus Tabelle 6 (vergleiche Nr. 10, 11 und 19) wird klar, dass die Korrosionsbeständigkeit
auf der in der Legierung vorliegenden hohen Menge Zn beruht und
nicht auf dem ausgeglichenen Vorliegen verschiedener Elemente, wie
durch die erfindungsgemäßen Legierungen
A–E veranschaulicht
wird.
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Es
besteht ein ständiger
Bedarf für
Aluminiumlegierungen, die eine Kombination ausgezeichneter Strangpressfähigkeit
und überlegener
Korrosionsbeständigkeit
aufweisen. Eine ausgezeichnete Strangpressfähigkeit ist zum Minimieren
der Herstellungskosten in der Strangpresseanlage, einschließlich eines
niedrigeren Strangpressdrucks und einer höheren Strangpressgeschwindigkeit
erforderlich.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Aluminiumlegierungszusammensetzung
bereitzustellen, die eine überlegene
Korrosionsbeständigkeit
und eine verbesserte Strangpressfähigkeit aufweist, während die Festigkeit
der zur Zeit im Handel erhältlichen
Aluminiumlegierungen beibehalten wird. Aus diesem Grund enthält die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung
gezielt eingestellte Mengen Eisen, Silicium, Mangan, Zirconium,
Chrom und Zink.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Legierung
auf der Basis von Aluminium bereitzustellen, die für die Verwendung
in Röhrenmaterial
oder stranggepresstem Material für
Wärmeaustauscher
geeignet ist.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Legierung auf der Basis von Aluminium bereitzustellen, die zur Verwendung
als Rippenware für
Wärmeaustauscher
oder Folienverpackungsanwendungen geeignet ist, die einer Korrosion,
beispielsweise in Meerwasser, unterliegen,.
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Diese
Aufgaben und Vorteile werden durch eine in den Ansprüchen angegebene
Legierung auf der Basis von Aluminium erzielt.
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Bevorzugt
liegt der Eisengehalt der erfindungsgemäßen Legierung zwischen 0,06
und 0,15 Gew.-%. Auf diese Weise sind die Korrosionsbeständigkeit
und die Strangpressfähigkeit
optimal, denn beide charakteristischen Eigenschaften sind bei einem
hohen Eisengehalt wesentlich reduziert.
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Um
die Korrosionsbeständigkeit
zu optimieren, liegt der Zirconiumgehalt bevorzugt zwischen 0,10
und 0,18 Gew.-%. In diesem Bereich wird die Strangpressfähigkeit
der Legierung durch irgendeine Änderung
der Menge an Zirconium praktisch nicht beeinflusst.
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Bevorzugt
liegt der Chromgehalt ebenfalls zwischen 0,10 und 0,18 Gew.-%. Eine
Erhöhung
des Chromgehalts führt
zu einer erhöhten
Korrosionsbeständigkeit.
Innerhalb dieses Bereichs ist die Strangpressfähigkeit etwas reduziert, jedoch
liegt sie immer noch innerhalb eines annehmbaren Bereichs.
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Zink
wirkt sich selbst in geringen Konzentrationen negativ auf die Anodisierungseigenschaften
von AA 6000-Legierungen aus. Angesichts dieser verunreinigenden
Wirkung von Zink sollte das Niveau an Zn niedrig gehalten werden,
um die Legierung leichter wiederverwertbar zu machen und Kosten
in der Gießerei
einzusparen. Sonst hat Zink eine positive Wirkung auf die Korrosionsbeständigkeit
in einer Konzentration von bis zu mindestens 0,70 Gew.-%, aus den
oben aufgeführten
Gründen
liegt die Menge an Zink jedoch bevorzugt zwischen 0,10 und 0,18
Gew.-%.
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Obwohl
Kupfer in einer Menge von bis zu 0,70 Gew.-% vorliegen kann, wird
es vorgezogen, dass der Kupfergehalt unter 0,01 Gew.-% liegt, um
die bestmögliche
Strangpressfähigkeit
zu erreichen. Unter gewissen Umständen kann es notwendig sein,
der Legierung Kupfer zum Regulieren des Korrosionspotentials zuzugeben,
wodurch das Produkt weniger elektronegativ wird, um den Angriff
durch galvanische Korrosion auf das Produkt zu vermeiden. Es hat
sich erwiesen, dass Kupfer das Korrosionspotential um ca. 100 mV
pro % zugesetztes Kupfer erhöht,
dabei jedoch gleichzeitig die Strangpressfähigkeit wesentlich reduziert.
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Das
Aluminiumprodukt kann durch Strangpressen hergestellt werden.
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Auf
das Gießen
hin wird die Legierung normalerweise durch eine Hitzebehandlung
bei erhöhten
Temperaturen, z. B. 550–610°C, 3–10 Stunden
homogenisiert. Es hat sich erwiesen, dass die Strangpressfähigkeit durch
eine derartige Hitzebehandlung etwas verbessert werden kann, die
Korrosionsbeständigkeit
jedoch negativ beeinflusst wird.
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Das
Aluminiumprodukt wird durch eine einzige Hitzebehandlung der Aluminiumlegierung
auf das Vorerhitzen zum Gießen
hin direkt vor dem Strangpressen hergestellt.
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Ein
derartiges Vorerhitzen erfolgt bei niedrigeren Temperaturen als
der Homogenisierungsschritt und dauert nur einige Minuten, so dass
die charakteristischen Eigenschaften der Legierung bezüglich der
Strangpressfähigkeit
und Korrosionsbeständigkeit
kaum beeinflusst werden.
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Im
Bestreben, die mit der erfindungsgemäßen Legierung auf der Basis
von Aluminium verbundenen Verbesserungen im Vergleich mit dem Stand
der Technik zu beweisen, wurden Eigenschaften, die mit den mechanischen
Eigenschaften, der Korrosionsbeständigkeit und der Strangpressfähigkeit
in Zusammenhang stehen, untersucht.
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Die
folgende Beschreibung enthält
Einzelheiten der zum Untersuchen der Eigenschaften verwendeten Techniken
und eine Diskussion der Ergebnisse der Untersuchung.
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Es
wurden eine Anzahl erfindungsgemäßer Legierungen
zubereitet, welche Legierungen in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt sind,
nämlich
die Legierungen A–E.
In Tabelle 1 ist die Zusammensetzung dieser Legierungen in Gew.-%
angegeben unter Berücksichtigung
der Tatsache, dass jede dieser Legierungen bis zu 0,02 Gew.-% zufälliger Verunreinigungen
enthalten kann. In Tabelle 1 ist auch die Zusammensetzung der herkömmlichen
3102-Legierung aufgezeigt.
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Alle
diese Legierungen sind auf herkömmliche
Weise zubereitet worden. Vor dem Strangpressen der Puppe auf die
Zubereitung der Legierung hin erfolgte ein Vorerhitzen auf Temperaturen
zwischen 960 und 490°C.
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Tabelle
1: Chemische Zusammensetzung der verschiedenen Legierungen
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Um
die durch die erfindungsgemäßen Legierungen
erzielten Verbesserungen zu beurteilen, wurden eine Reihe von Prüfungen durchgeführt, und
die Ergebnisse derselben sind in Tabelle 2 aufgezeigt.
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Tabelle
2: Eigenschaften der in Tabelle 1 aufgeführten Legierungen
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Für die Untersuchung
der Eigenschaften dieser Legierungen wurde ein Satz Puppen gegossen
und ihre Zusammensetzung durch Elektronenspektroskopie bestimmt.
Zu dieser Analyse wurde von einem von BAIRD VACUUM hergestellten
Instrument Gebrauch gemacht und die angewendeten Standars wurden
von Pechiney geliefert.
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Die
Strangpressfähigkeit
hängt mit
dem Matritzendruck und dem als maximalen Druck angegebenen maximalen
Strangpressdruck zusammen. Diese Parameter werden durch auf der
Presse montierte Druckumwandler aufgezeichnet, die ein direktes
Ablesen dieser Werte ermöglichen.
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Zum
Bestimmen der Korrosionsbeständigkeit
dieser Legierungen wird vom sogenannten SWAAT-Test Gebrauch gemacht.
Die Prüfprobe
bestand aus einer stranggepressten Röhre mit einer Wanddicke von
0,4 mm. Diese Prüfung
wurde der ASTM-Norm G85-85, Anhang A3 entsprechend mit abwechselnden
30 Minuten langen Sprüh-
und 90 Minuten langen Einweichperioden bei einer Luftfeuchte von
98 durchgeführt.
Der Elektrolyt besteht aus künstlichem,
mit Essigsäure
auf einen pH-Wert von 2,8 bis 3,0 angesäuertem Meerwasser mit einer
der ASTM-Norm D1141 entsprechenden Zusammensetzung. Die Temperatur
wird bei 49°C
gehalten. Diese Prüfung
wurde in einer Liebisch KTS-2000 Salzsprühkammer durchgeführt.
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Um
die Entwicklung des Korrosionsverhaltens zu untersuchen, wurden
Proben der verschiedenen Materialien jeden dritten Tag aus der Kammer
herausgenommen. Die Materialien wurden dann in Wasser gespült und daraufhin
bei einem angewandten Druck von 10 bar auf Lecks geprüft. Wurde
beispielsweise gefunden, dass eine Probe nach 35 Tagen durchlöchert war,
so wurden Vergleichsproben in die Kammer eingegeben und vor der
ersten Untersuchung 35 Tage dort belassen, um die Ergebnisse zu
bestätigen.
In der SWAAT-Spalte ist die Anzahl der Tage vor der Durchlöcherung
angegeben.
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Die
Prüfung,
wie sie oben beschrieben ist, kommt allgemein in der Automobilindustrie
zur Anwendung, wo mehr als 20 Tage als akzeptable Leistung gelten.
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Die
Prüfung
mechanischer Eigenschaften wurde mit einem Universal-Prüfinstrument
von Zweck (Modul 167500) der Europäischen Norm entsprechend durchgeführt. Bei
der Prüfung
wurde das E-Modul während des
gesamten Tests auf 70.000 N/mm2 eingestellt.
Die Prüfgeschwindigkeit
war konstant und es wurden 10 N/mm2 pro
Sekunde bis Up 0,2 erreicht, während
die Prüfgeschwindigkeit
von Up 0,2 bis zum Bruch 40% Lo/min. betrug, wobei Lo die anfängliche
Länge der
Messvorrichtung ist.
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Die
Ergebnisse in Tabelle 2 zeigen, dass sowohl die mechanischen Eigenschaften,
die Strangpressfähigkeit
als Matritzendruck und maximaler Druck ausgedrückt, als auch die Korrosionsbeständigkeit
von der Legierung abhängen.
Erstens ist die Korrosionsbeständigkeit
der Legierungen A–E
derjenigen der Legierung 3102 überlegen.
Die Strangpressfähigkeit
ist im Allgemeinen mit derjenigen der Legierung 3102 vergleichbar und
dasselbe trifft auch auf die mechanischen Eigenschaften zu. Beim
Analysieren der SWAAT-Daten der Legierungen C, D und E ist zu, ersehen,
dass die besten Kombinationen auftreten, wenn sowohl Cr, Zr als
auch Zn vorliegen (Legierung C).
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Die
Legierung E, die kein Cr enthält,
und die Legierung A, die kein Zn enthält, führen zu Ergebnissen, die viel
besser sind als die akzeptable Grenze von 20 Tagen. Jedoch ist die
Korrosionsbeständigkeit
wesentlich niedriger als bei den Legierungen B, C und D. Das zeigt
deutlich, dass sowohl Cr als auch Zn in einer Legierung langer Nutzungsdauer
vorliegen sollten, um die Korrosionsbeständigkeit zu optimieren. Außerdem zeigt
ein Vergleich der mit der Legierung C und der Legierung D erzielten
Ergebnisse, wie wichtig Zr ist. Durch Erhöhen des Zr-Gehalts wird das
Korrosionsverhalten auf signifikante Weise verbessert.
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Es
ist daher hervorzuheben, dass das Optimum und insbesondere die Korrosionsbeständigkeit
durch die richtige Kombination der Elemente Cr, Zr, Mn und Zn erzielt
werden.
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Die
Strangpressfähigkeit
wird durch geringe Zusätze
der verschiedenen Legierungselemente beeinflusst. Es lässt sich
erkennen, dass durch Einarbeiten von Cr und Zr der Matrizendruck
und der maximale Druck steigen (d. h. die Strangpressfähigkeit
wird reduziert). Zink andererseits wirkt sich nicht auf die Strangpressfähigkeit
auf signifikante Weise aus, was als solches schon allgemein bekannt
ist.
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Es
ist zu erkennen, dass die mechanischen Eigenschaften, als Bruchfestigkeit
und Elastizitätsgrenze ausgedrückt, durch
Zusetzen von Cr signifikant verbessert werden. In diesem Falle entsprechen
die neuen Legierungen den Eigenschaften der Legierung 3102.
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Die
Korrosionsprüfung
wurde an Proben durchgeführt,
die an verschiedenen Stellen der Rohrschlange entnommen worden waren.
Etwa 10 Proben wurden dem Anfang der Rohrschlange (dem vorderen
Ende der Puppe) entnommen, 10 Proben vom mittleren Teil der Rohrschlange
(dem mittleren Teil der Puppe) und 10 Proben vom Ende der Rohrschlange
(Ende der Puppe). Jede Probe war ca. 50 cm lang. Die Ergebnisse
waren sehr einheitlich, was bedeutet, dass bei den angewendeten
Strangpressparametern keine mit der Strangpressgeschwindigkeit und
dem Materialfluss während
des Strangpressens einer Puppe verbundenen Auswirkungen auf die
Korrosionsbeständigkeit
auftraten.
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Zusätzliche
Arbeiten sind ausgeführt
worden, um die Wirkung der verschiedenen Legierungselemente zu beurteilen,
die auch in den beiliegenden 1–6 veranschaulicht
sind, bei denen
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1 den
Einfluss des Fe-Gehalts auf die charakteristischen Eigenschaften
der erfindungsgemäßen Legierung,
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2 den
Einfluss des Mn-Gehalts auf die charakteristischen Eigenschaften
der erfindungsgemäßen Legierung,
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3 den
Einfluss des Zr-Gehalts auf die charakteristischen Eigenschaften
der erfindungsgemäßen Legierung,
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4 den
Einfluss des Cr-Gehalts auf die charakteristischen Eigenschaften
der erfindungsgemäßen Legierung,
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5 den
Einfluss des Zn-Gehalts auf die charakteristischen Eigenschaften
der erfindungsgemäßen Legierung,
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6 den
Einfluss des Cn-Gehalts auf die charakteristischen Eigenschaften
der erfindungsgemäßen Legierung
zeigt.
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In
den 1–5 stellt
die x-Achse den Gehalt an Legierungsmittel, in Gew.-% ausgedrückt, dar, während die
y-Achse eine relative Darstellung der verschiedenen Eigenschaften
ist, wobei die viereckigen Punkte dazu dienen, die Bruchfestigkeit
in MPa darzustellen, die schwarzen dreieckigen Punkte dazu dienen, die
Strangpressfähigkeit,
in Kilotonnen ausgedrückt,
unter Zuhilfenahme des Matritzendrucks als repräsentatives Maß darzustellen,
und die weißen
dreieckigen Punkte dazu dienen, die Ergebnisse der SWAAT-Prüfung, in
Tagen ausgedrückt,
darzustellen.
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Wie
in 1 gezeigt, wird die Korrosionsbeständigkeit
bei höheren
Fe-Gehalten auf signifikante Weise reduziert (während der Si-Gehalt auf demselben
Niveau von 0,08 Gew.-% gehalten wird). Diese Wirkung erfolgt insbesondere
bei Fe-Gehalten
im Bereich von 0,2–0,3
Gew.-%. Gleichzeitig ist die Strangpressfähigkeit bei höheren Fe-Gehalten
signifikant reduziert. Es ist zu beachten, dass eine Reduzierung
der Strangpressfähigkeit
um 2–3%
(als 2–3%ige
Erhöhung
des Bruchs durch Druck ausgedrückt)
eine inakzeptable Erhöhung bei
einer Strangpressanlage darstellt. In anderer Hinsicht führt eine
Erhöhung
des Fe-Gehalts zu
einer Erhöhung
der Bruchfestigkeit.
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Wie
aus 2 klar wird, hat bei einem Gehalt von weniger
als 0,30 Gew.-% eine Änderung
des Mn-Gehalts praktisch keine Wirkung auf die Korrosionsbeständigkeit
(wenn Fe und Si unverändert
bei 0,15 bzw. 0,08 Gew.-% gehalten werden). Eine Erhöhung des
Mn-Gehalts führt
zu einer Reduzierung der Strangpressfähigkeit und leicht zu einer
inakzeptablen Strangpressfähigkeit.
Die übrigen
mechanischen Eigenschaften werden bei einer Erhöhung des Mn-Gehalts besser.
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Werden
Fe, Si und Mn bei einem gleichbleibenden Niveau von 0, 15 bzw. 0,08
Gew.-% gehalten, so führt
eine Erhöhung
des Zr-Gehalts von 0,07 auf 0,15 Gew.-% zu einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit, wie
in 3 gezeigt. Gleichzeitig wird die Strangpressfähigkeit
nur leicht reduziert, während
die Bruchfestigkeit erhöht
wird.
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Die
Auswirkung von Änderungen
im Cr-Gehalt von 0,08 auf 0,12 Gew.-%, während Fe, Si und Mn auf dem
gleichen Niveau wie in 4 gehalten werden, besteht darin,
dass die Korrosionsbeständigkeit
erhöht, die
Strangpressfähigkeit, etwas
reduziert und die mechanischen Eigenschaften etwas erhöht werden.
Dies ist in 4 veranschaulicht.
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Der
Einfluss von Zn, während
Fe, Si und Mn auf demselben Niveau von 0,15, 0,08 bzw. 0,08 Gew.-% gehalten
werden, ist in 5 veranschaulicht. In dieser
Figur lag Titan (Ti) ebenfalls, und zwar in einem gleichbleibenden
Niveau von 0,15 Gew.-%, vor. (Es wird angenommen, dass Titan und
Zirconium die Korrosionsbeständigkeit
auf die gleiche Weise beeinflussen, wie durch die in der obigen
Tabelle 2 vorgelegten Ergebnisse bestätigt wird).
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Die
Auswirkung von Zn bezüglich
der Strangpressfähigkeit
und der mechanischen Eigenschaften ist praktisch gleich null, die
Korrosionsbeständigkeit
erhöht
sich jedoch mit dem Zn-Gehalt.
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Die
Verwendung von Cu steht zur Wahl und hängt von der eigentlichen Verwendung
der Legierung ab. In 6 wird eine grafische Darstellung
gezeigt, die den Einfluss des Cu-Gehalts auf die Strangpressfähigkeit und
das Korrosionspotential veranschaulicht. Die X-Achse zeigt die Menge
Cu in Gew.-%, während
die linke Y-Achse den Strangpressdruck, in kN ausgedrückt, und
die rechte Y-Achse das Korrosionspotential, in mV ausgedrückt, ASTM
G69 entsprechend darstellt. Die obere Kurve in der grafischen Darstellung
zeigt die Entwicklung des Korrosionspotentials, während die
untere Kurve die Entwicklung des Strangpressdrucks darstellt.
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Aus
dieser grafischen Darstellung wird klar, dass ein abnehmender Cu-Gehalt
zu einer Erhöhung
der Strangpressfähigkeit
führt,
während
eine Erhöhung
des Cu-Gehalts um
1 Gew.-% zu einem um 100 mV weniger negativen Korrosionspotential
führt.
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Normalerweise
wäre es
eventuell vorzuziehen, eine Legierung mit der geringst möglichen
Menge Kupfer zu verwenden, da Kupfer einen negativen Einfluss auf
die inhärente
Korrosionsbeständigkeit
der nackten Röhre
ausübt
und die Strangpressfähigkeit
im negativen Sinn stark beeinflusst.
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In
Situationen, in denen das stranggepresste Produkte, wie beispielsweise
eine Wärmeaustauscherröhre, an
ein anderes Produkt, wie beispielsweise einen Rohrabzweiger mit
einer kein Zink enthaltenden Plattierung angeschlossen werden müssen, ist
es durch Cu-Zusätze
möglich,
das Korrosionspotential des stranggepressten Produkts so zu modifizieren,
dass die Röhre
weniger edel (weniger negativ) als das Rohrabzweigermaterial wird.
Dadurch werden jegliche Angriffe auf die Röhre durch galvanische Korrosion
in Schach gehalten.
