AT399244B - Röntgenröhrenanodentarget und röntgenröhre mit einem solchen target - Google Patents
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Description
AT 399 244 B
Die Erfindung bezieht sich auf Röntgenröhrenanodentargets sowie mit solchen Targets ausgestattete Röntgenröhrenanoden, und insbesondere auf eine Metallegierung für die Herstellung eines hitzebeständigen Metallanodentargets.
Es besteht ein ständiger Bedarf für Hochtemperaturiegierungen zur Herstellung von Röntgenröhrenanodentargets. Dies hat zur Entwicklung einer Reihe von Zusammensetzungen auf Molybdänbasis geführt. Die am meisten verbreiteten Legierungen waren und sind noch immer Molybdän-Titan-Zirkonium-Kohlenstoff-Legierungen (TZM und TZC).
Die US-Patente 4 004 174; 4 165 982; 4 657 735 und 4 780 902 beschreiben durchwegs Legierungen auf Molybdänbasis. Im US-Patent 4 004 174 wird Molybdän mit Titan und/oder Zirkonium kombiniert, um eine Röntgenröhrentargetstruktur zu bilden. In den übrigen Patenten wird Molybdän mit Hafnium und Kohlenstoff kombiniert, wobei Zirkonium auch in den Patenten 4 165 982 und 4 780 902 beschrieben wird.
In der Literatur des Standes der Technik sind lösungsausgeschiedene Legierungen wie Mo-W, Mo-V, Mo-Nb usw. bekannt, aber sie haben entweder keine ausreichende Hochtemperaturfestigkeit oder bereiten Schwierigkeiten bei der Herstellung.
Seit einigen Jahren werden Legierungen auf Moiybdänbasis entwickelt, bei welchen Hafnium und Zirkonium als Legierungselemente verwendet werden. Aus der AT-PS 384-323 ist eine Legierung für ein Röntgenröhrenanodentarget bekannt, die 0,15 bis 1,2 Masse-% Hafnium, 0,4 bis 0,7 Masse-% Zirkonium, 0,05 bis 0,15 Masse-% Kohlenstoff und als Rest Molybdän enthält. Alle diese Zusammensetzungen wurden als karbidverstärkte Legierungen angesehen und untereinander an Hand des Metall-Kohlenstoff-Verhältnis-ses unterschieden. Es gab auch einige Versuche, theoretische Erklärungen für solche Legierungszusammensetzungen zu entwickeln, aber es ist immer noch nicht klar, was die beste Kombination ist. Dies hängt zweifellos von der Anwendung dieser Legierungen ab, ihrer Verarbeitungsgeschichte, der thermomechanischen Behandlung usw.
Historisch waren lichtbogengegossene, extrudierte Molybdänlegierungen die ersten, und sind immer noch sehr bedeutende Produkte. Während der Herstellung unterliegen diese Legierungen beträchtlichen Mengen an Heißarbeit. Es findet eine hohe Verformung (typisch 50-95 %) während der Herstellung dieser Legierungen unter Anwendung von Gesenkschmieden, Schmieden, Extrudieren usw. statt.
Bei der bimetallischen Röntgenröhrentargetfertigung mittels Pulvermetallurgie, wobei das Ausmaß an Warmumformung durch die Fließfähigkeit der Wolfram- oder Wolfram-Rhenium-Schicht begrenzt ist, liegt die Schmiedereduktion im Bereich von 10-40 %, was typischerweise der kritische Verformungsgrad für Legierungen mit einer hohen Konzentration dem Legierungselemente ist. Das ist der Grund, weshalb im Handel erhältliche karbidverstärkte Legierungen nicht zufriedenstellend arbeiten oder auf Grund der schlechten Bearbeitbarkeit beim Schmieden geringe Verfahrensausbeuten haben.
Daher wird hier eine neue Reihe von Legierungen entwikkelt, wobei eine Hybridstruktur von Vorteil sein kann. Bei der Entwicklung dieser Gruppe von Legierungen besteht das Ziel und die Theorie darin, eine Karbidverstärkung und eine Lösungsverstärkung in einer Legierung zu kombinieren, welche Hochtemperatureigenschaften mit guten Fertigungseigenschaften bieten kann.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Röntgenröhrenanodentarget mit Hochtemperatureigenschaften und guten Fertigungseigenschaften zu schaffen.
Ein weiteres Ziel ist eine Röntgenröhrenanode, die erhöhte Festigkeit hat.
Noch ein weiteres Ziel ist es, eine Röntgenröhrenanode der vorgenannten Art zu schaffen, bei welcher die Verwerfung zwischen dem Anodenkörper und der Brennspur herabgesetzt ist.
Die Erfindung schafft ein Röntgenröhrenanodentarget, das aus einem Molybdänlegierungssubstrat besteht, welches eine Brennspur trägt, typischerweise aus einer Legierung auf Wolframbasis. Die Molybdänlegierung enthält Hafnium, Zirkonium und Kohlenstoff.
Erfindungsgemäß liegen Tantal, Hafnium, Zirkonium und Kohlenstoff in einem Gesamtgehalt im Bereich von 0,5 bis 2,5 Masse-% und Molybdän in einem Gehalt im Bereich von 99,5 bis 97,5 Masse-% vor.
Nach einem anderen bevorzugten Aspekt ist Tantal im Bereich von 0,20 bis 0,75 % vorhanden, Hafnium im Bereich von 0,15 bis 0,75 %, Zirkonium im Bereich von 0,15 bis 0,50 % und Kohlenstoff im Bereich von 0,0220 bis 0,3580 %, wobei der Rest auf 100 % Molybdän ist. Alle hier angegebenen Prozentsätze sind Masseprozente.
Gemäß einer bevorzugten Form würde die Metallegierung 0,20 bis 0,40 % Tantal, 0,20 bis 0,40 % Hafnium, 0,20 bis 0,40 % Zirkonium, 0,04 bis 0,07 % Kohlenstoff und als Rest Molybdän enthalten.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform würde die Metallegierung 0,20 % Tantal, 0,15 % Hafnium, 0,15 % Zirkonium und 0,0760 % Kohlenstoff enthalten, wobei der Rest Molybdän ist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Röntgenröhrenanode vorgeschlagen, die ein Graphitsubstrat aufweist, auf dem ein erfindungsgemäßes Target befestigt ist. 2
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigeschlossene Zeichnung besser ersichtlich werden.
Fig. 1 ist eine typische Drehanodenröntgenröhre, im Querschnitt gezeigt, bei weicher die Anode gemäß der Erfindung verwendet wird; Fig. 2 ist ein Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Röntgenröhrenanodentar-5 gets; und Fig. 3 ist ein Querschnitt einer alternativen Ausführungsform der Röntgenröhrenanode.
In Fig. 1 ist eine beispielhafte Röntgenröhre allgemein mit 10 bezeichnet und weist eine Glashülle 11 auf, in deren eines Ende ein Kathodenträger 12 eingeschweißt ist. Eine Kathodenstruktur 13 mit einem elektronenemittierenden Draht 14 und einem Fokussierbecher 15 ist am Träger 12 befestigt. Es sind zwei Leiter 16 vorgesehen, um dem Glühdraht Heizstrom zuzuführen, und ein weiterer Leiter 17, um die Kathode το auf Masse oder negativem Potential gegenüber dem Target der Röhre zu halten.
Das Target, auf dem der Elektronenstrahl von der Kathode 13 auftrifft, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, ist allgemein mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet. Das Target 18 bildet den einen Gegenstand dieser Erfindung. Es besteht aus einem hitzebeständigen Metall, welches Tantal, Hafnium, Zirkonium und Kohlenstoff in kleinerer Menge und Molybdän in größerer Menge enthält, wie hier nun ausführlicher 75 beschrieben wird. Eine Oberflächenschicht, auf welcher der Elektronenstrahl auftrifft, während das Target rotiert, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, ist mit 19 bezeichnet und inv-Querschnitt in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Die Oberflächenschicht 19 besteht aus gut bekannten Gründen üblicherweise aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung und bildet die Brennspur.
Die Rückseite 20 des Targets 18 in diesem Beispiel kann mit einer thermisch hoch emittierenden 20 Beschichtung bedeckt sein, wie in dem US-Patent 4 953 190 beschrieben ist. ln Fig. 1 ist das Target 18 auf einer Welle 23 befestigt, die sich von einem Rotor 24 weg erstreckt. Der Rotor ist in einem inneren Lagerträger 25 gelagert, welcher seinerseits von einem Eisenring 26 getragen wird, der in das Ende der Glasröhrenhülie eingeschweißt ist. Die Statorspulen zum Antrieb des Rotors 24, z.B. ein Induktionsmotor, wurden in der Zeichnung weggelassen. Hochspannung wird an die Anodenstruktur 25 und das Target 18 über eine nicht gezeigte Speiseleitung angelegt, die mit einem Stecker 27 verbunden ist.
Es ist bekannt, daß Drehanoden-Röntgenröhren üblicherweise in einem Gehäuse (nicht gezeigt) eingeschlossen werden, das voneinander beabstandete Wände hat, zwischen welchen Öl zirkuliert, um die Wärme abzuführen, welche vom rotierenden Target 18 abgestrahlt wird. Die Gesamttemperatur des Targets kann während des Betriebs der Röhre 1350°C erreichen und der Großteil dieser Wärme muß über so Strahlung durch das Vakuum in der Röhrenhülle 11 zu dem Öl im Röhrengehäuse dissipiert werden, welches durch einen (nicht gezeigten) Wärmetauscher geleitet werden kann. Es ist allgemein üblich, den Rotor 24 mit einem texturierten Material, wie Titandioxyd, zu beschichten, um die Wärmeabstrahlungsfähig-keit zu erhöhen und dadurch zu verhindern, daß die den Rotor abstützenden Lager überhitzt werden.
Das Target 18 ist eine entscheidende Komponente in der Röntgenröhre 10. Dementsprechend ist es 35 wesentlich, daß es Hochtemperaturbetriebseigenschaften bei gleichzeitig guten Fertigungseigenschaften aufweist. Dies bedeutet auch eine Reduktion der Verwerfung zwischen dem Grundkörperteil 30 und der Brennspur 19.
Fig. 3 zeigt als Modifikation das Anodentarget 18, wie es in Kombination mit dem üblichen, zusätzlichen Graphitsubstrat 34 verwendet wird, um eine Röntgenröhrenanode zu bilden. Es ist mit dem Bezugszeichen 40 18' bezeichnet. Es ist an dem Graphitsubstrat 34 mit Hilfe einer Hartlotschicht 36 befestigt. Das Target 18' und das Graphitsubstrat 34 sind über die Bohrung 38 auf die drehbare Welle 23 aufgezogen. Das Target 18' ist mit der üblichen Brennspur 19 versehen.
Die folgenden Beispiele werden 2ur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung angeführt und sollten nicht als Einschränkung der Erfindung auf die exakten Inhaltsstoffe, Verhältnisse, Temperaturen oder 45 anderen angegebenen Bedingungen ausgeiegt werden. In den folgenden Beispielen sind alle Prozentsätze Massenprozente. BEISPIEL 1 so Das Target 18 wird durch Vermischen von 99,424 % Molybdänpulver mit 0,20 % Tantal, 0,15 % Hafnium, 0,15 % Zirkonium in Hybridpulverform und 0,0760 % Kohlenstoff hergestellt. Bevorzugt wird zunächst eine Grundmischung unter Verwendung von 10 % Moiybdänpulver angesetzt. Diese Grundmischung wird in einer Kugelmühle gemahlen und anschließend wird der Rest des Molybdäns zugemischt. Zylinder mit 7,62 cm Durchmesser und 2,54 cm Höhe sowie tatsächliche Targets mit einem Durchmesser 55 von 12,7 cm oder 16,51 cm und einer Wolfram-10 % Rhenium-Brennspur wurden in der üblichen Weise bei einem Druck von etwa 310 x 106 Pa gepreßt. Die resultierenden Teile wurden bei 2100-2300 * C und einer Haltezeit von 5 Stunden gesintert. Die Teile wurden in Wasserstoff bei einer Temperatur von 1500‘C vorerhitzt und anschließend wurden die Zylinder bzw. Targets geschmiedet. Als letzter Schritt ist ein 3
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Spannungsfreimachen der Zylinder oder Targets und/oder ihr Durchleiten durch eine Wärmebehandlungs-Stufe vorgesehen.
Die folgende Tabelle 1 zeigt zusätzliche Beispiele unter Anwendung variierender Materialmengen und der im Beispiel I angegebenen Verfahren.
Tabelle 1
Beispiel % Tantal % Hafnium % Zirkonium % Kohlenstoff % Molybdän’ 2 0,20 0,15 0,15 0,0440 Rest 3 0,25 0,25 0,25 0,1040 Rest 4 0,25 0,25 0,25 0,0730 Rest 5 0,25 0,25 0,25 0,0400 Rest 6 0,25 0,25 0,25 0,0220 Rest 7 0,25 0,25 0,25 0,0140 Rest 8 0,50 0,50 0,25 0,1720- Rest 9 0,50 0,50 0,25 0,1215 Rest 10 0,50 0,50 0,50 0,2700 Rest 11 0,50 0,50 0,50 0,1480 Rest 12 0,75 0,75 0,50 0,3580 Rest 13 0,75 0,75 0,50 0,2015 Rest * um auf 100 % zu ergänzen 25 Die Gehalte der Metallegierungsbestandteile wurden unter Anwendung eines Gleichstrom-Plasmaverfahrens für die Metalle und eines Analysators von der Firma Leco für den Kohlenstoff bestimmt. Die für den Kohlenstoff angegebenen Mengen sind tatsächliche Zahlen, wogegen der Fehler bei der Bestimmung der Mengen der Metallegierungselemente 5 % nicht überstieg.
Die folgende Tabelle veranschaulicht das Testen der Umformfestigkeit der beim vorhergehenden 30 Beispiel erzeugten Targetprodukte. In Tabelle 2 betrug die Testtemperatur 1400 "C, wogegen sie in Tabelle 3 1 700 * C war. Die Umformfestigkeit wurde in tausend Pfund pro Quadratzoll (Kpsi) gemessen und in MPa konvertiert.
Tabelle 2
Beispiel Umformfestigkeit (MPa) 1-2 310,3 3-7 296,5 8-9 289,6 10-11 296,5 12-13 317,2
Die Testergebnisse der in Tabelle 2 angegebenen Produkte wurden mit einem Standardtargetmaterial von General Electric verglichen, welches aus TZM besteht, das eine Umformfestigkeit von 103,4 MPA hatte.
Tabelle 3
Beispiel Umformfestigkeit (MPa) 1-2 137,9 3-7 96,53 8-9 117,2 10-11 96,53 12-13 117,2 4 55
Claims (5)
- AT 399 244 B Die Testergebniss8 der in Tabelle 3 angegebenen Produkte wurden ebenfalls mit einem Standard-TZM-Targetmaterial von General Electric verglichen, welches eine Umformfestigkeit von 55,16 MPa hatte. Wie bei der Herstellung von Röntgenröhrentargets der erfindungsgemäßen Art erkannt wird, wird Kohlenstoff verwendet, um unerwünschten Sauerstoff zu kontrollieren. Obwohl ein minimaler Gehalt an Kohlenstoff wegen seines festigkeitsreduzierenden Effektes erwünscht ist, wurde gefunden, daß ein Gehalt von 0,0140 % Kohlenstoff in Beispiel 7 in einigen Anwendungsfällen zu gering ist, weil der Sauerstoffgehalt zu hoch ist. Weitere im Zusammenhang mit der Zusammensetzung dieser Erfindung durch-geführte Tests zeigen, daß ein restlicher Kohlenstoffgehalt von etwa 0,0400 % aus Gründen der Festigkeit erwünscht ist. Aus den hier vorgestellten Testdaten ist ersichtlich, daß eine bis zu dreifache Zunahme der Umformfestigkeit für eine Röntgenröhrenanode im Vergleich zu einer Standardeinheit unter bestimmten Temperaturbedingungen erreicht werden kann. Diese Zunahme der Festigkeit ist der Hinzufügung von Tantal zuzuschreiben, welches vor dieser Erfindung im Zusammenhang mit den anderen angeführten Metallen nie angewandt worden ist. Die Testdaten zeigen auch ziemlich unerwartet, daß die Formeln der Beispiele 1 und 2 mit den geringen Gehalten an Tantal, Hafnium und Zirkonium sich ebensogut verhielten wie die Formeln der Beispiele 12-13 mit den größeren Gehalten an diesen Materialien. Offensichtlich sind aus wirtschaftlicher Sicht die Formeln der Beispiele 1 und 2 vorzuziehen. Die Formulierungen dieser Erfindung können verwendet werden, um ein Anodentarget 18 herzustellen, das eigenständig, wie in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellt, oder in Kombination mit einem Graphitsubstrat, wie in Fig. 3 gezeigt, verwendet werden kann. Patentansprüche 1. Röntgenröhrenanodentarget aus einem Molybdänlegierungssubstrat mit. einer Brennspur darauf, wobei die Molybdänlegierung Hafnium, Zirkonium und Kohlenstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal, Hafnium, Zirkonium und Kohlenstoff in einem Gesamtgehalt im Bereich von 0,5 bis 2,5 Masse-% und Molybdän in einem Gehalt im Bereich von 99,5 bis 97,5 Masse-% enthält.
- 2. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal im Bereich von 0,20 bis 0,75 Masse-%, Hafnium im Bereich von 0,15 bis 0,75 Masse-%, Zirkonium im Bereich von 0,15 bis 0,50 Masse-% und Kohlenstoff im Bereich von 0,0220 bis 0,3580 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 Masse-% Molybdän ist.
- 3. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß.die Molybdänlegierung Tantal im Bereich von 0,20-0,40 Masse-%, Hafnium im Bereich von 0,20-0,40 Masse-%, Zirkonium im Bereich von 0,20-0,40 Masse.-% und Kohlenstoff im Bereich von 0,04-0,07 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 Masse-% Molybdän ist.
- 4. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal in einem Gehalt von 0,20 Masse-%, Hafnium in einem Gehalt von 0,15 Masse-%, Zirkonium in einem Gehalt von 0,15 Masse-% und Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,0760 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 Masse-% Molybdän ist, 5. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal in einem Gehalt von 0,20 Masse-%, Hafnium in einem Gehalt von 0,15 Masse-%, Zirkonium in einem Gehalt von 0,15 Masse-% und Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,0440 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 Masse-% Molybdän ist. 6. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal in einem Gehalt von 0,25 Masse-%, Hafnium in einem Gehalt von 0,25 Masse-%, Zirkonium in einem Gehalt von 0,25 Masse-% und Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,1040 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 % Molybdän ist. 7. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal in einem Gehalt von 0,25 Masse-%, Hafnium in einem Gehalt von 0,25 Masse-%, Zirkonium in einem Gehalt von 0,25 Masse-% und Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,0730 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 Masse-% Molybdän ist.
- 5 AT 399 244 B 8. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal in einem Gehalt von 0,25 Masse-%, Hafnium in einem Gehalt von 0,25 Masse-%, Zirkonium in einem Gehalt von 0,25 Masse-% und Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,0400 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 Masse-% Molybdän ist. 9. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal in einem Gehalt von 0,25 Masse-%, Hafnium in einem Gehalt von 0,25 Masse-%, Zirkonium in einem Gehalt von 0,25 Masse-% und Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,0220 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 Masse-% Molybdän ist. 10. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal in einem Gehalt von 0,50 Masse-%, Hafnium in einem Gehalt von 0,50 Masse-%, Zirkonium in einem Gehalt von 0,25 Masse-% und Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,1720 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 Masse-% Molybdän ist. 11. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal in einem Gehalt von 0,50 Masse-%, Hafnium in einem Gehalt von 0,50 Masse-%, Zirkonium in einem Gehalt von 0,25 Masse-% und Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,1215 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 Masse-% Molybdän ist. 12. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal in einem Gehalt von 0,50 Masse-%, Hafnium in einem Gehalt von 0,50 Masse-%, Zirkonium in einem Gehalt von 0,50 Masse-% und Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,2700 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 Masse-% Molybdän ist. 13. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal in einem Gehalt von 0,50 Masse-%, Hafnium in einem Gehalt von 0,50 Masse-%, Zirkonium in einem Gehalt von 0,50 Masse-% und Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,1480 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 Masse-% Molybdän ist. 14. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal in einem Gehalt von 0,75 Masse-% Hafnium in einem Gehalt von 0,75 Masse-%, Zirkonium in einem Gehalt von 0,50 Masse-% und Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,3580 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 Masse-% Molybdän ist. 15. Röntgenröhrenanodentarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung Tantal in einem Gehalt von 0,75 Masse-%, Hafnium in einem Gehalt von 0,75 Masse-%, Zirkonium in einem Gehalt von 0,50 Masse-% und Kohlenstoff in einem Gehalt von 0,2015 Masse-% enthält, wobei der verbleibende Rest auf 100 Masse-% Molybdän ist. 16. Röntgenröhrenanode, die ein Graphitsubstrat aufweist, auf dem ein Target befestigt ist, gekennzeichnet durch ein Röntgenröhrenanodentarget nach einem der Ansprüche 1 bis 15. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 6
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