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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung einer UHC-Leichtbaustahl-Legierung,
wobei die Umformung der Herstellung von Kraftfahrzeug-Bauteilen
dient, die ein superplastisches Gefüge aufweisen soll.
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Legierungen,
die superplastische Eigenschaften aufweisen, d. h. ein sogenanntes
superplastisches Gefüge, bieten im Maschinenbau und der Kraftfahrzeugindustrie
ein hohes Potential, um Bauteile mit hohen Umformungsgraden herzustellen.
Superplastische Legierungen sind beispielsweise aus den
US-Patenten 39 51 697 ,
US 44 48 613 ,
US 45 33 390 ,
US 47 69 214 und
US 54 45 685 bekannt.
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Unter
Superplastizität von Metallen wird die Fähigkeit
verstanden, beim Aufbringen von sehr geringer Fließspannungen
ohne Einschnürung und praktisch keiner Kaltverfestigung
Umformgrade zu ertragen, die 10 bis 40%, teils sogar weit über
100% über den Umformgraden liegen, die bei normal plastischen
Werkstoffen erzielt werden können.
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Ein
wesentliches Merkmal des superplastischen Verhaltens von Werkstoffen
ist die starke Abhängigkeit der Fließspannung
von der Dehngeschwindigkeit, beziehungsweise Dehnrate ε'.
Die superplastische Verformung verläuft über zeitlich
gesteuerte Diffusionsprozesse, bei denen die sehr feinen und gleichmäßigen,
häufig auch rundlichen Kristallite des superplastischen
Gefüges aneinander vorbeigleiten und -rotieren. Die superplastischen
Eigenschaften sind daher sehr eng an das Vorliegen eines speziellen
Gefüges gekoppelt. Es ist folglich nur ein enges Prozessfenster
aus Temperatur und Umformgeschwindigkeit (Dehnrate ε')
gegeben, um die gewünschten Dehnwerte der superplastischen
Umformung zu erreichen. Für die superplastische Verformung
ist eine erhöhte Uniformtemperatur und eine sehr geringe
Umformgeschwindigkeit von etwa 10–2 bis
10–5 s–1 kennzeichnend.
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Aufgrund
ihrer hohen Belastbarkeit und des vergleichsweise geringen Gewichtes
sind Bauteile aus UHC-Leichtbaustahl sehr gut für den Kraftfahrzeugbau
geeignet. UHC-Leichtbaustahl wird beispielsweise für die
Fertigung von Fahrwerksbauteilen und Bauteilen im Antriebsstrang,
beipielsweise Getriebebauteilen, verwendet.
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Allerdings
spielt für die Massenfertigung von solchen Bauteilen die
Prozessgeschwindigkeit eine wesentliche Rolle, um die Kosten für
die Fertigung hoher Stückzahlen gering zu halten. Die Umformgeschwindigkeiten
der superplastischen Umformung sind für die ökonomische
Serienfertigung von Bauteilen in der Regel aber nicht hoch genug.
Allerdings kann eine Realisierung von akzeptablen Umformgeschwindigkeiten
bei erhöhten Temperaturen eine Zerstörung des
Gefüges und/oder eine Verzunderung oder Oxidation des Stahls
oder der Legierungen während des Umformprozesses zur Folge
haben.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es daher wünschenswert,
ein Verfahren zur Umformung von UHC-Leichtbaustahl-Legierungen und
somit für die Fertigung von Bauteilen aus UHC-Leichtbaustahl
bereitzustellen, das es ermöglicht, die Bauteile unter
Erhaltung des superplastischen Gefüges mit einer für
die Massenfertigung akzeptablen Prozessgeschwindigkeit herzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Umformung einer UHC-Leichtbaustahl-Legierung, die
gegenüber üblichem Stahl einen erhöhten
Kohlenstoffgehalt mit einem Anteil im Bereich von ca. 0,8 bis 2,1
Gew.-% aufweist, sieht zunächst das Erwärmen des
gegossenen und somit bei Raumtemperatur spröden Stahls
auf eine Temperatur vor, die in einem Bereich bis zu 200°C
oberhalb der Austenitisierungstemperatur (Acm),
also der Temperatur, bei der Austenitbildung einsetzt, liegt.
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Anschließend
wird ein Heißumformen unter stetigem Abkühlen
des Stahls auf eine Temperatur, die in einem Bereich bis zu 200°C
unterhalb einer A1-Temperatur liegt, ausgeführt,
wobei die A1-Temperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur
(Acm) liegt. Die „A1-Temperatur” kennt
der Fachmann aus dem entsprechenden Eisen-Kohlenstoffdiagramm. Diese
Schritte dienen zur Herstellung eines optimalen superplastischen
Gefüges im Stahl.
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Auf
das Heißumformen folgt ein isothermes Warmumformen des
Stahlteils bei einer Temperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur
(Acm), wobei während der Umformung über
das Stahlteil im Mittel eine gleichbleibende Temperatur herrscht.
Die Bruchdehnungswerte des Halbzeugs, das zunächst entsteht,
werden so erhöht.
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Auf
den Schritt des isothermen Warmumformens kann direkt ein isothermes
Umformen erfolgen, wobei dies bei einer Temperatur in einem Bereich
von 50°C unterhalb von A1 bis zu
200°C oberhalb der Austenitisierungstemperatur (Acm) erfolgt. So entsteht ein Bauteil, das
dann auf eine Temperatur unterhalb von A1 abgekühlt
wird. Es wird vorteilhaft ein Bauteil mit einer gegenüber
dem Halbzeug erhöhten Festigkeit gebildet.
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Vor
dem gerade beschriebenen Schritt des isothermen Umformens oder direkt
danach wird erfindungsgemäß nun ein weiterer Verfahrensschritt
eingefügt: Dieser Schritt des Temperns umfasst ein Erwärmen
des Stahls auf eine Temperatur, die in einem Bereich von bis zu
100°C unterhalb von A1 bis zu der Austenitisierungstemperatur
(Acm) liegt.
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Durch
das Tempern werden die Bruchdehnungseigenschaften des Halbzeugs
beziehungsweise des Bauteils, abhängig davon, zu welchem
Prozesszeitpunkt getempert wird, beeinflusst. Um besonders bruchfeste
Bauteile zu generieren, kann das Tempern auch vor dem Schritt des
isothermen Umformens und zusätzlich noch danach durchgeführt werden.
Vorzugsweise erfolgt der Verfahrensschritt des Temperns mit einem
Zeitbedarf von weniger als 3 Stunden Dauer. Jedoch ist die Dauer
des Temperns auf den jeweiligen Einzelfall des entsprechenden Bauteils
anzupassen, um die gewünschten Werkstoffeigenschaften einzustellen.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
des Verfahrens umfasst das isotherme Warmumformen, das in Schritt
2) ausgeführt wird, ein Umformen bei einer Temperatur zwischen
A1 und der Austenitisierungstemperatur (Acm) und ein Abkühlen auf eine Temperatur
unterhalb von A1, wobei das Abkühlen
auf die Temperatur unterhalb A1 mit einer
vorbestimmten Abkühlrate erfolgen kann. Um die superplastischen
Eigenschaften des Stahls zu erhalten, wird das isotherme Warmumformen
bei einer Temperatur im Bereich zwischen A1 und
Acm durchgeführt.
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Es
ist aber auch möglich, das isotherme Warmumformen direkt
bei einer Temperatur unterhalb von A1 durchzuführen,
wobei dieser Prozess dann höhere Umformkräfte
erfordert.
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Ist
ein langsames Abkühlen des Bauteils auf eine Temperatur
unterhalb von A1 in diesem Schritt 2) gewünscht,
so erfolgt dies mit einer Abkühlrate von weniger als 20°C/min.
Alternativ ist jedoch auch ein vorzugsweise kontrolliertes Abkühlen
mit einer erheblich größeren Abkühlrate
möglich, beispielsweise mittels Abschrecken im Luftstrom
oder in flüssigen Medien, wie z. B. Wasser oder Öl.
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Das
isotherme Umformen, das auf das Heißumformen folgt, (Schritt
4)) wird zur Erhaltung des Gefüges in einem Temperaturbereich
von 50°C unterhalb von A1 bis zu
200°C oberhalb von Acm durchgeführt.
Anschließend wird das Stahlteil auf eine Temperatur unterhalb
von A1 abgekühlt. Dies kann unkontrolliert
erfolgen oder auch in einem kontrollierten Prozess mit einer Abkühlrate
von weniger als 20°C/min oder wie bereits zuvor dargelegt
alternativ auch mit einer erheblich größeren Abkühlrate.
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Um
die Eigenschaften des Werkstoffs, insbesondere seine Bruchdehnung
und seine Festigkeit, positiv zu beeinflussen, wird das Tempern,
mit „Schritt 3)” bezeichnet, bei einer Temperatur
im Bereich von 100°C unterhalb der A1-Temperatur
bis zu der Austenitisierungstemperatur (Acm)
durchgeführt.
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Anschließend
wird das Stahlteil wieder auf eine Temperatur unterhalb von A1 abgekühlt, wobei das Abkühlen
auch hier kontrolliert oder unkontrolliert ablaufen kann. Das kontrollierte
Abkühlen erfolgt mit einer Abkühlrate von weniger
als 20°C/min oder alternativ auch mit einer erheblich größeren
Abkühlrate.
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Insgesamt
beeinflussen die einzelnen Schritte des Verfahrens die Werkstoffkennwerte
positiv, indem sie im Endergebnis die Bruchdehnungseigenschaften
verbessern und die Festigkeitswerte der Stahlbauteile erhöhen.
Der Schritt des Temperns kann dabei zu einer Erhöhung der
Bruchdehnungseigenschaften und einer temporären Verringerung
der Festigkeitswerte des Werkstoffs führen, was für
eine weitere Umformung von Vorteil ist. Der Schritt des isothermen
Umformens, Schritt 4), setzt die Bruchdehnung wieder hinab und erhöht
die Festigkeit des Bauteils.
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Es
ist daher möglich, je nachdem ob das Verfahren mit Schritt
4), dem isothermen Umformen, oder mit einem Tempern endet, die Eigenschaften des
UHC-Leichtmetall-Bauteils gezielt festzulegen. Schließt
das erfindungsgemäße Verfahren mit Schritt 4),
dem isothermen Umformen ab, so weist das Bauteil eine verringerte
Bruchdehnung gegenüber einer hohen Festigkeit auf. Ein
Temperschritt als letzter Verfahrensschritt erhöht die
Bruchdehnung des Bauteils und setzt die Festigkeit herab.
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Diese
und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung
unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
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Der
Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung
der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des
Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Ge genständen,
die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können
mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
Erfindung.
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Dabei
zeigt:
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1 schematisch
den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 ein
Korrelationsdiagramm der Festigkeit gegenüber der Bruchdehnung.
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1 zeigt
in einem Diagramm schematisch die Schritte des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst
in den Schritten 1), 2) und 3) die Herstellung eines Halbzeugs aus UHC-Leichtbaustahl,
welches ein superplastisches Gefüge aufweist.
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Der
UHC-Leichtbaustahl wird zunächst durch ein Gussverfahren
hergestellt, so dass das Ausgangsmaterial des erfindungsgemäßen
Verfahrens Gussstahl ist. Allerdings weisen gegossene Stähle
bei Raumtemperatur eine sehr geringe Duktilität auf und
sind so als Werkstoffe für den Fahrzeugbau nicht geeignet.
Daher ist es zunächst notwendig, die schmelzmetallurgisch
bedingte Bildung eines kontinuierlichen, spröden Gefüges
in ein superplatisches Gefüge zu überführen.
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Der
Kernpunkt beim Einstellen der Gefüge, die superplastische
Eigenschaften aufweisen (d. h. superplastische Gefüge),
liegt dabei in der thermomechanischen Behandlung, die nach der schmelzmetallurgischen
Herstellung bei den richtigen Temperaturen und Bedingungen durchzuführen
ist. Das Prinzip besteht darin, nach einer vollständigen
Austenitisierung die Karbidausscheidung in Form eines ungünstigen
kontinuierlichen Karbidnetzwerks durch Einbringung von mechanischer
Arbeit (Schmieden, Walzen usw.) während der Abkühlung
zu unterdrücken, beziehungsweise das Netzwerk zu zerstören. So
werden Karbide sphäroidisiert.
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In
Schritt 1) wird der Stahl daher zunächst auf eine Temperatur
in einem Bereich der Austenitisierungstemperatur (Acm)
bis 200°C oberhalb dieser Austenitisierungstemperatur (Acm) erwärmt. Anschließend
wird der Stahl bei Temperaturen im Bereich von A1 bis
zu 200°C unterhalb von A1 unter
stetigem Abkühlen umgeformt.
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Das
Abkühlen während der Umformung auf Temperaturen
deutlich unterhalb von A1 erfolgt mit einer
Abkühlrate, die mindestens einer Abkühlung durch
Umgebungsluft ent spricht. Auch ein Abschrecken kann hier zweckmäßig
sein. Die Heißumformung wird mit einem Umformgrad im Bereich
von φ = 1,2 bis 2 durchgeführt. Der Umformgrad φ gibt
dabei immer das Verhältnis der charakteristischen Abmessung
des Stahlteils unmittelbar vor und unmittelbar nach dem entsprechenden
Umformschritt an.
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Auf
den Schritt des Heißumformens folgt eine Warmumformung
bei Temperaturen unterhalb der Austenitisierungstemperatur (Acm). Bei diesem Schritt ist zu beachten,
dass zu hohe Temperaturen und zu lange Verweilzeiten oberhalb von
A1 zu einer Schädigung des Gefüges
führen können. Daher wird der Prozess in einem
Temperaturbereich von A1 bis maximal der
Austenitisierungstemperatur (Acm) durchgeführt,
wobei ein anschließendes Abkühlen des Stahls auf
Temperaturen unterhalb von A1 erfolgt.
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Die
Abkühlrate liegt hier bevorzugt unterhalb von 20°C/min,
bis eine Temperatur unterhalb von A1 erreicht
ist. Der Prozessschritt 2) wird isotherm durchgeführt.
Dies bedeutet, dass während der Umformung über
das Stahlteil im Mittel eine gleich bleibende Temperatur herrscht,
die sich nur um wenige °C ändert.
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In
einer Alternative zu der beschriebenen Warmumformung bei Temperaturen
oberhalb von A1, ist es ebenso möglich,
den Stahl in einem unteren Temperaturbereich umzuformen. Die Warmumformung,
hier Schritt 2c), erfolgt bei dieser Alternative in einem Temperaturbereich
von 100°C unterhalb der A1-Temperatur
bis zu A1.
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Aufgrund
der gewählten Temperaturen bleibt die unerwünschte
Diffusion der Kohlenstoffatome in die austenitische Kristallstruktur
aus, das Gefüge wird somit nicht geschädigt, allerdings
müssen hier höhere Umformkräfte aufgebracht
werden als bei der Alternative der Warmumformung.
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Während
dieser Schritte 1) und 2) haben sich die Werkstoffeigenschaften
des Stahl dahingehend verändert, dass seine Bruchdehnung
zugenommen hat, wobei die Festigkeit ungefähr gleich geblieben ist.
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Aus
diesem so erhaltenen Halbzeug lässt sich direkt in einem
Schritt 4) durch isothermes Umformen in einem Temperaturbereich
von 50°C unterhalb von A1 bis zu
200°C oberhalb der Austenitisierungstemperatur km ein Bauteil
formen. Nach dem Umformen wird das Bauteil auf eine Temperatur unterhalb
von A1 abgekühlt, wobei dieses
Abkühlen unkontrolliert erfolgen kann, es ist aber auch
möglich, das Bauteil in einem in einem kontrollierten Prozess mit
Abkühlraten unterhalb von 20°C/min langsam abzukühlen.
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Das
Stahl-Halbzeug oder das Stahl-Bauteil kann nach einer thermomechanischen
Behandlung auch abgeschreckt werden. Eventuell entstehende thermomechanische
Spannungen aufgrund dieser schnellen oder hohen Abkühlraten
sind generell ohne Bedeutung, wenn als nachfolgender Umformprozess ein
Warmumformen in einem Temperaturbereich, der das superplastische
Gefüge erhält, durchgeführt wird.
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Um
die Bruchdehnungseigenschaften des Halbzeugs zu erhöhen,
kann das nach Schritt 2 erhaltene Halbzeug in einem nachfolgenden
Schritt 3) getempert werden. Das Tempern umfasst eine Erwärmung
des Halbzeugs auf eine Temperatur in einem Bereich von 100°C
unterhalb von A1 bis zur Austenitisierungstemperatur
(Acm). Auch hier kann das Abkühlen
des getemperten Halbzeugs schnell, beispielsweise durch Abschrecken,
erfolgen, was einer Abkühlungsrate von über 20°C/min
entspricht.
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Es
ist aber auch möglich, das Halbzeug kontrolliert abzukühlen,
wobei die Abkühlungsrate in diesem Fall unterhalb von 20°C/min
liegt. Wie bereits oben erläutert, kann es bei einem schnellen
Abkühlen zu thermomechanischen Spannungen innerhalb des
Werkstücks kommen, die dann allerdings ohne Bedeutung sind,
wenn nachfolgend ein weiterer Verfahrensschritt des Warmumformens
vorgesehen ist. Andernfalls ist einem kontrollierten Abkühlen
mit Abkühlraten < 20°C/min
der Vorzug zu geben.
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Das
aus Schritt 3) hervorgehende Halbzeug kann auch durch einen Schritt
4), einem isothermen Umformen in einem Temperaturbereich von A1 – 50°C bis Acm +
50°C weiter zu einem Bauteil umgeformt werden. Nach dem
Umformprozess kann das erhaltene Bauteil wiederum schnell auf eine
Temperatur unterhalb von A1 abgekühlt
werden.
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Es
kann aber auch ein langsames Abkühlen oder ein kontrolliertes
Abkühlen mit einer Abkühlrate, die unter 20°C/min
liegt, erwünscht sein.
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Das
aus diesem Schritt hervorgehende Bauteil weist, wie auch aus 2 zu
ersehen ist, eine gegenüber dem Halbzeug erhöhte
Festigkeit auf.
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Um
auch noch die Bruchdehnung des erhaltenen Bauteils zu erhöhen,
kann auf Schritt 4) noch ein Schritt 3'), ein weiteres Tempern,
nachfolgen. Das Tempern umfasst eine Erwärmung des Bauteils
auf eine Temperatur im Bereich von A1 – 100°C
bis zur Austenitisierungstemperatur (Acm).
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Wie 2 verdeutlicht,
kann durch die gezielte Auswahl und Kombination der einzelnen Verfahrensschritte
ein Halbzeug, beziehungsweise ein Bauteil aus UHC-Leichtbaustahl
mit vorbestimmten Werkstoffkennwerten bzw. Werkstoffeigenschaften hergestellt
werden. Dieses Diagramm zeigt, dass die Schritte 1) und 2) des erfindungsgemäßen
Verfahrens die Bruchdehnung des Stahlteils (Halbzeugs) bei nahezu
gleichbleibender Festigkeit erhöhen.
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Das
Umformen des Halbzeugs zur Bauteilherstellung in Schritt 4) erhöht
die Festigkeit, wobei die Bruchdehnungseigenschaften nahezu konstant bleiben.
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Durch
die Schritte des Temperns, hier Schritt 3) oder Schritt 3'), ist
es möglich, gegebenenfalls während der Umformprozesse
zerstörtes superplastisches Gefüge wieder herzustellen
und generell das Gefüge zu homogenisieren. Dies erhöht
die Duktilität des Bauteils, was sich in einer Zunahme
der Bruchdehnung in 2 zeigt. Insgesamt lassen sich
so Bauteile schaffen, die eine hohe Festigkeit und eine hohe Duktilität
aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 3951697 [0002]
- - US 4448613 [0002]
- - US 4533390 [0002]
- - US 4769214 [0002]
- - US 5445685 [0002]