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Die Erfindung betrifft gesinterte Hartmetallkörper mit Wolframcarbid als Hartstoffphase und einem metallischen Binder, der Kobalt, Chrom und Kupfer enthält.
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Bei Hartmetallen für Zerspanungszwecke wird die Güte einer Hartmetallsorte ganz wesentlich durch ihre Hochtemperatureigenschaften bestimmt. Die Härte der Hartmetalle nimmt mit steigender Temperatur üblicherweise stark ab, gleichzeitig ändert sich das Verformungsverhalten von aus dem Hartmetall hergestellten Schneideinsätzen oder sonstigen Körpern ebenfalls drastisch.
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Die mechanischen Eigenschaften der gesinterten Hartmetalle werden außerdem durch die Art und Weise ihrer pulvermetallurgischen Herstellung beeinflusst. Ein beim Sintern der entsprechenden Grünlinge unvermeidliches Kornwachstum wirkt sich negativ auf die Biegebruchfestigkeit und/oder die Härte des gesinterten Hartmetalls aus. Deshalb werden dem Ausgangspulvergemisch bestimmte Carbide als Kornwachstumsinhibitoren zugemischt. Die am häufigsten verwendeten Kornwachstumsinhibitoren sind Tantal-, Chrom- und Vanadiumcarbid, wobei Tantalcarbid wegen der natürlichen Vergesellschaftung der Metalle Tantal und Niob, und aus Kostengründen, in der Regel als (Ta, Nb)C-Mischcarbid eingesetzt wird.
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Beim Sintern der Hartmetallpulver diffundieren sowohl Wolfram aus dem Wolframcarbid als auch die Metalle der Kornwachstumsinhibitoren in die Binderphase ein und lösen sich darin unter Bildung einer festen Lösung. Da die Löslichkeit dieser Metalle im Bindermetall bei höherer Temperatur größer ist als bei Raumtemperatur, kann die die überschüssige, bei Raumtemperatur nicht mehr lösliche Menge wieder aus der Binderphase ausgeschieden werden.
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Bei bestimmten Anwendungen wie dem Fräsen von Metallen und Metalllegierungen tritt eine ständige Unterbrechung des Schneidvorgangs auf, wobei das Schneidwerkzeug durch Erwärmen während des Schneidvorgangs und Abkühlung während der Unterbrechungsphase einem dauernden Wechsel von thermischer Ausdehnung und Kontraktion ausgesetzt ist. Diese Temperaturwechselbelastung erzeugt thermische Risse, die eine Ursache für den ungleichmäßigen Verschleiß des Schneidwerkzeugs darstellen können.
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Gesinterte Hartmetallkörper auf Basis von Wolframcarbid mit einer Kobalt-Chrom-Binderphase, beispielsweise WC-11,5%Co-0,5%Cr, zeigen bereits gute Hochtemperatureigenschaften und eine gute Temperaturschockbeständigkeit. Diese Hartmetalle werden deshalb bevorzugt als Schneidwerkzeuge für das Fräsen von Stahl oder Gusseisen eingesetzt.
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Die
DD 267 063 A1 beschreibt gesinterte Hartmetallkörper, die als Schneidplatten zum Zerspanen von Holz- und Kunststoffen verwendet werden. Der Anteil von Kobalt in diesen Schneidplatten beträgt etwa 4 bis 6 Gewichtsprozent. Zusätzlich sind 0,5 bis 1 Gew.-% Chrom und 0,5 bis 1,5 Gew.-% Kupfer enthalten, jeweils bezogen auf die Gesamtzusammensetzung der Sinterhartmetalllegierung. Der Kupferzusatz soll gegenüber einer Vergleichslegierung ohne Kupfer bei gleicher Härte eine höhere Biegebruchfestigkeit und eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit ergeben.
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Die äußerst niedrige magnetische Sättigung der bekannten kupferhaltigen Hartmetalle deutet jedoch auf das Vorliegen eines erheblichen Anteils an unterstöchiometrischen Sprödphasen in der Binderlegierung hin. Die in der
DD 267 063 A1 beschriebenen Schneidplatten eignen sich wegen der fehlenden Zähigkeit daher nicht zur spanenden Bearbeitung von Metallen und Metalllegierungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gesinterte Hartmetallsorten mit einem verbesserten Verschleißverhalten im Zerspanungstest bereitzustellen, die für Metallzerspanungen aller Art, insbesondere für das Fräsen von Metallen und Metalllegierungen, und zur Herstellung von Schneideinsätzen und anderen Schneidwerkzeugen verwendet werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen gesinterten Hartmetallkörper mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße gesinterte Hartmetallkörper umfasst Wolframcarbid als Hartstoff und einen metallischen Binder, der Kobalt (Co), Chrom (Cr) und Kupfer (Cu) enthält. Das Kobalt liegt in einem Anteil von 7,0 bis 14,0 Gew.-%, vorzugsweise von 9,0 bis 12,0 Gew.-%, in dem gesinterten Hartmetall vor. Der Kupferanteil beträgt von 0,05 bis 3,8 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 3,6 Gew.-%, und der Chromanteil beträgt von 0,2 bis 1,9 Gew.-%, vorzugsweise 0,4 bis 1,9 Gew.-%, insbesondere 0,8 bis 1,9 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des gesinterten Hartmetallkörpers.
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Mit der Erfindung ist es gelungen, gesinterte Hartmetalle mit guter Temperaturschockbeständigkeit bereitzustellen, die insbesondere für Anwendungen mit unterbrochenen Schneidvorgängen geeignet sind, wie beispielsweise dem Fräsen von Stahl, Gusseisen und anderen Metalllegierungen, insbesondere Titan und Titanlegierungen. Überraschenderweise wurde gefunden, dass der Kupferzusatz über einen weiten Bereich von Anwendungen zu einer wesentlich verbesserten Standzeit der Werkzeuge im Zerspanungstest führt. Es wird angenommen, dass der Kupferzusatz dem Auftreten von thermischen Rissen während des Schneidvorgangs entgegenwirkt, obwohl die erfindungsgemäßen Hartmetallkörper eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Vergleichszusammensetzungen ohne Kupferzusatz aufweisen. Die Härte der erfindungsgemäßen Hartmetallkörper wird durch den Kupferzusatz nicht nachteilig beeinflusst und kann beispielsweise durch Verwendung eines feinkörnigen Wolframcarbids so eingestellt werden, dass die Härte der bekannten chromhaltigen Hartmetalle erhalten wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die wahlweise und unabhängig voneinander kombiniert werden können.
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Zur Herstellung des Hartmetallkörpers, vorzugsweise in Form eines Schneideinsatzes, werden feinteilige pulverförmige Ausgangsstoffe, die WC als Hartstoff, Co und Cu als metallischen Binder und Verbindungen von Cr, insbesondere Cr3C2, und gegebenenfalls Verbindungen anderer Elemente wie Ti, Zr, Hf, Ta; Nb, V, und/oder Mo enthalten, in einer Kugelmühle oder einem Attritor, gegebenenfalls unter Zugabe von Kohlenstoff oder Wolfram und üblichen Mahl- und/oder Presshilfsmitteln, vermahlen, zu einem Grünling in gewünschter Form gepresst und anschließend gesintert sowie gegebenenfalls mit einer harten, verschleißfesten Beschichtung versehen.
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Die dem Ausgangspulvergemisch zuzugebende Menge an Kohlenstoff und/oder Wolfram ist dem Fachmann bekannt und geläufig. Die zuzugebenden Mengen sind so zu wählen, dass weder spröde η-Phase noch freier Kohlenstoff entsteht.
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Wegen des niedrigen Schmelzpunktes von Kupfer kann während des Sinterns der kupferhaltigen Ausgangspulvergemische ein Kupferverlust auftreten. Die erfindungsgemäßen gesinterten Hartmetalle können daher einen Kupfergradienten mit einem vom Kern des Hartmetallkörpers zur Außenhülle hin abnehmenden Kupfergehalt aufweisen.
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Der Hartstoff des erfindungsgemäßen Hartmetallkörpers besteht vorzugsweise aus Wolframcarbid, ausgenommen unvermeidbare Verunreinigungen.
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Die mittlere Korngröße des zur Herstellung des gesinterten Hartmetalls eingesetzten WC-Pulvers liegt bevorzugt im Bereich von etwa 0,1 bis 8,0 μm, vorzugsweise zwischen etwa 0,9 und 5,0 μm.
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Als Ersatz für das Wolframcarbid kann der Hartmetallkörper wenigstens einen weiteren Hartstoff in Anteilen von bis zu 5 Massen-%, vorzugsweise bis zu 3 Massen-%, und besonders bevorzugt von 0,4 bis 2,5 Massen-% enthalten, der ausgewählt ist aus den Carbiden, Nitriden, Carbonitriden, einschließlich ihrer Gemische und festen Lösungen, der Metalle Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Vanadium und Molybdän.
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Bevorzugte weitere Hartstoffe sind TaC, TaNbC und ZrNbC sowie TiC.
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hartmetallkörper können mit Vorteil auch solche handelsüblichen WC-Sorten verwendet werden, die bereits mit Chromcarbid (Cr3C2) dotiert sind.
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Im gesinterten Hartmetallkörper liegt der metallische Binder bevorzugt in einem Volumenanteil von 19,0 bis 23,0 Vol.-% vor.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der gesinterte Hartmetallkörper einen Kobaltanteil von 9,0 bis 12 Gew.-% auf.
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Der Kupferanteil im gesinterten Hartmetallkörper beträgt bei dieser Ausführungsform von 1,7% bis 24,5%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten Co, Cu und Cr des Binders.
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Der Chromanteil im gesinterten Hartmetall beträgt vorzugsweise von 6,0% bis 14,4%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten Co, Cu und Cr des Binders.
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In den genannten Bereichen der Anteile von Co, Cr und Cu lassen sich Sinterhartmetalle mit einer optimalen Kombination von Härte und Zähigkeit sowie Biegebruchfestigkeit für das Zerspanen von metallischen Werkstoffen mit unterbrochenen Schneidvorgängen herstellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt der Kupferanteil im gesinterten Hartmetallkörper unter der Löslichkeitsgrenze von Cu bei Raumtemperatur im 3-Phasensystem Co-Cu-Cr.
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Der Sinterhartmetallkörper weist vorzugsweise einen Kupferanteil im Hartmetallkörper von 0,2 bis 0,8 Gew.-% auf.
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Bezogen auf das Gesamtgewicht des metallischen Binders liegt der Kupferanteil vorzugsweise im Bereich von 1,7 bis 6,1%.
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Schneidwerkzeuge aus diesen Hartmetallen werden bevorzugt für das Zerspanen von Titan und Titanlegierungen verwendet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der gesinterte Hartmetallkörper einen metallischen Binder mit einem Kupferanteil auf, der über der Löslichkeitsgrenze von Cu im 3-Phasensystem Co-Cu-Cr liegt.
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Bevorzugt liegt der Kupferanteil im gesinterten Hartmetallkörper im Bereich von 1,2 bis 3,6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Hartmetallkörpers.
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Vorzugsweise beträgt der Kupferanteil von 8,4 bis 24,5%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten Co, Cu und Cr des Binders.
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Die Hartmetallsorten mit hohem Kupferanteil eignen sich insbesondere für das Fräsen von Gusseisen und Stahl, und bevorzugt für Anwendungen ohne Kühlmittel.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des gesinterten Hartmetallkörpers liegt der Chromanteil im Hartmetallkörper unter der Löslichkeitsgrenze von Cr im 3-Phasensystem Co-Cu-Cr.
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Der Chromanteil liegt bei dieser Ausführungsform vorzugsweise im Bereich von 0,4 bis 0,8 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Hartmetallkörpers.
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Bevorzugt beträgt der Chromanteil von 6,0 bis 8,0%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten Co, Cu und Cr des Binders.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt der Cr-Anteil im gesinterten Hartmetallkörper über der Löslichkeitsgrenze von Cr im 3-Phasensystem Co-Cu-Cr.
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Vorzugsweise liegt der Chromanteil des Hartmetallkörpers bei dieser Ausführungsform im Bereich von 1,4 bis 1,9 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Hartmetallkörpers.
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Bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten Co, Cu und Cr des metallischen Binders beträgt der Chromanteil vorzugsweise von 9,7 bis 14,4 Gew.-%.
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Soweit die Anteile von Chrom und/oder Kupfer über der jeweiligen Löslichkeitsgrenze liegen, ist davon auszugehen, dass der metallische Binder neben der Co-Cu-Cr-Mischkristallphase eine Zweit- oder Drittphase aus dem jeweils überschüssigen Metall aufweist.
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Der erfindungsgemäße gesinterte Hartmetallkörper wird vorzugsweise als Schneidwerkzeug verwendet und weist wenigstens eine Schneidkante auf, die am Zusammentreffen einer Freifläche mit einer Spanfläche gebildet ist. Das Schneidwerkzeug kann in Form eines Bohrers, Bits, Drehmeißels, Fräsers oder eines Teils dieser Werkzeuge, in Form eines Schneideinsatzes oder einer Wendeschneidplatte vorliegen.
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Bevorzugt ist der gesinterte Hartmetallkörper mit wenigstens einer auf den Körper aufgebrachten verschleißfesten Beschichtung versehen.
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Die verschleißfeste Beschichtung kann eine oder mehrere Schichten umfassen und durch physikalische oder chemische Dampfabscheidung (CVD oder PVD) auf den Körper aufgebracht sein. Üblicherweise bestehen die Schichten, unabhängig voneinander, aus Carbiden, Carbonitriden, Carboxynitriden oder Nitriden von Metallen der Gruppen 4, 5 und 6 des Periodensystems, insbesondere TiC, TiN und/oder TiCN, sowie Aluminiumoxid, TiAl und TiAlN.
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Bevorzugt umfasst die verschleißfeste Beschichtung wenigstens eine im CVD-Verfahren aufgebrachte Beschichtung aus TiCN und eine auf der TiCN-Schicht aufgebrachte Aluminiumoxidschicht. Weiter bevorzugt sind Beschichtungen mit einer PVD-Schicht aus TiAlN.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den nachfolgenden Beispielen angegeben, die jedoch nicht einschränkend verstanden werden sollen.
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In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
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1 eine graphische Darstellung der Wärmeleitfähigkeit zwischen 20 und 600°C eines erfindungsgemäßen Hartmetalls im Vergleich zu einer bekannten chromhaltigen Hartmetallsorte;
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2 eine graphische Darstellung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Temperatur einer erfindungsgemäßen Hartmetalls im Vergleich zu einer bekannten chromhaltigen Hartmetallsorte; und
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3 ein Gehaltsdreieck von erfindungsgemäßen Hartmetallen mit Angabe der Löslichkeitsgrenzen von Cr und Cu bei Raumtemperatur im Dreiphasensystem Co-Cu-Cr.
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Für die Herstellung der erfindungsgemäßen gesinterten Hartmetalle wurden bei allen nachfolgenden Beispielen die pulverförmigen Rohstoffe Co, Cu, und Cr3C2, und zum Rest WC sowie wahlweise W und/oder C, in einem Attritor oder einer Kugelmühle nass vermahlen und anschließend getrocknet. Aus den vermahlenen und getrockneten Pulvergemischen wurden dann Grünlinge von Werkzeugen der jeweils angegebenen Geometrie gepresst. Die Grünlinge wurden anschließend unter Argon bis zum Erreichen der maximalen Dichte bei Temperaturen zwischen 1400 und etwa 1450°C gesintert.
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Nach dem Abkühlen der gesinterten Hartmetallformkörper auf Raumtemperatur wurden die Hochtemperatureigenschaften der erhaltenen Sinterhartmetalle mit Hilfe üblicher Zerspanungstests bestimmt.
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Außerdem wurde die Dichte nach ISO 3369, die Vickers-Härte (HV50) nach ISO 3878, die Koerzitivkraft (Hc) nach ISO 3326, die magnetische Sättigung (MS), die Palmqvist-Zähigkeit (K1c) nach ISO 28079 und die Biegebruchfestigkeit (TRS) nach ISO 3327 Typ B von erfindungsgemäßen und von einigen bekannten Hartmetallsorten bestimmt und miteinander verglichen. Die Messung der magnetischen Sättigung erfolgte auf einem Sigmameter D-5001 der Fa. Setaram.
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In der folgenden Tabelle 1 ist die an den gesinterten Hartmetallen mittels Röntgenfluoreszenzanalyse ermittelte Zusammensetzung des Binderanteils sowie die mittlere Korngröße des im Ausgangspulvergemisch eingesetzten Wolframcarbids der untersuchten Hartmetallsorten angegeben. Die Angabe „mass500” bezeichnet ein hochkarburiertes Wolframcarbid der Fa. H. C. Starck mit einer Korngröße von etwa 4,7 bis 5,8 μm. Tabelle 1
Gemisch Nr. | WC
[μm] | Gew.-% | Vol-% | Anteil am Binder
[Gew.-%] |
| | Co | Cu | Cr | Binder | Co | Cu | Cr |
V-1 | 5,0 + 2,5 (50/50) | 11,5 | | 0,43 | 19,65 | 96,4 | 0,0 | 3,6 |
V-2 | 5,0 + 2,5 (50/50) | 10,74 | | 0,92 | 19,46 | 92,1 | 0,0 | 7,9 |
| | | | | | | | |
E-1 | 5,0 + 2,5 (50/50) | 10,5 | 1 | 0,43 | 19,64 | 88,0 | 8,4 | 3,6 |
E-2 | 5,0 + 2,5 (50/50) | 9,5 | 2 | 0,43 | 19,64 | 79,6 | 16,8 | 3,6 |
E-3 | 5,0 + 2,5 (50/50) | 10,45 | 1,15 | 1,0 | 21,01 | 83,0 | 9,1 | 7,9 |
E-4 | 5,0 + 2,5 (50/50) | 10,4 | 0,5 | 0,9 | 19,44 | 87,9 | 4,3 | 7,8 |
E-5 | 2,5 | 10,2 | 0,4 | 0,9 | 18,99 | 88,2 | 3,8 | 8,0 |
E-6 | Mass500 | 10,2 | 0,5 | 0,9 | 19,16 | 87,8 | 4,2 | 8,0 |
E-7 | mass500 | 10,9 | 0,2 | 0,9 | 19,7 | 90,8 | 1,7 | 7,5 |
E-8 | mass500 | 10,9 | 0,4 | 0,9 | 20 | 89,3 | 3,3 | 7,4 |
E-9 | mass500 | 10,7 | 0,7 | 0,9 | 20,1 | 87,0 | 5,7 | 7,3 |
E-10 | 5,0 + 2,5 (50/50) | 10,3 | 1,2 | 0,8 | 20,1 | 83,7 | 9,8 | 6,5 |
E-11 | 2,5 + 0,9 (75/25) | 9,9 | 2,6 | 0,8 | 21,6 | 74,4 | 19,5 | 6,0 |
E-12 | mass500 | 10,6 | 0,7 | 1,4 | 20,2 | 83,5 | 5,5 | 11,0 |
E-13 | 2,5 | 9,7 | 2,4 | 1,3 | 21,3 | 72,4 | 17,9 | 9,7 |
E-14 | mass500 | 10,5 | 0,8 | 1,9 | 20,4 | 79,5 | 6,1 | 14,4 |
E-15 | 2,5 + 0,9 (75/25) | 9,4 | 3,6 | 1,7 | 22,5 | 63,9 | 24,5 | 11,6 |
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Die Hartmetallsorten E-1 bis E-15 sind erfindungsgemäß, während die Sorten V-1 und V-2 bekannte oder nicht erfindungsgemäße Hartmetallsorten darstellen.
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In Tabelle 2 sind die jeweils gemessenen physikalischen bzw. mechanischen Eigenschaften der untersuchten Hartmetallsorten angegeben. Tabelle 2
Gemisch Nr. | Dichte
g/cm3 | MS
0,1 × μTm3/kg | Hc
Oe | Härte
HV50 | K1C
MPa m–1/2 | TRS
N/mm2 |
V-1 | 14,33 | 199 | 138 | 1308 | 13,84 | 3332 ± 102 |
V-2 | 14,27 | 157 | 173 | 1440 | 12,10 | k. A. |
E-1 | k. A. | 187 | 170 | 1354 | 12,35 | 3639 ± 108 |
E-2 | k. A. | 171 | 176 | 1371 | 11,81 | 3335 ± 158 |
E-3 | k. A. | 171 | 170 | 1384 | 12,32 | 3268 ± 115 |
E-4 | 14,27 | 147 | 187 | 1385 | 12,01 | k. A. |
E-5 | 14,26 | 150 | 192 | 1419 | 11,68 | k. A. |
E-6 | 14,29 | 143 | 167 | 1338 | 12,72 | k. A. |
E-7 | 14,22 | 158 | 153 | 1400 | 14,40 | k. A. |
E-8 | 14,20 | 156 | 157 | 1376 | 14,57 | k. A. |
E-9 | 14,13 | 152 | 161 | 1345 | 13,79 | k. A. |
E-10 | 14,19 | 145 | 181 | 1360 | 12,84 | k. A. |
E-11 | 14,10 | 135 | 200 | 1395 | 11,75 | k. A. |
E-12 | 14,03 | 147 | 179 | 1388 | 12,38 | k. A. |
E-13 | 14,04 | 123 | 199 | 1378 | 12,07 | k. A. |
E-14 | 13,99 | 144 | 182 | 1397 | 12,16 | k. A. |
E-15 | 13,86 | 118 | 197 | 1350 | 11,54 | k. A. |
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Beispiel 1
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Aus den Hartmetallsorten V-1, E-1, E-2 und E-3 wurden Schneideinsätze für einen Planfräser der Geometrie SEKN1203AFTN durch Drucksintern bei Temperaturen zwischen 1400°C und 1435°C und einer Haltezeit von 5 bis 60 Minuten hergestellt. Das als Ausgangsmaterial eingesetzte Wolframcarbid war ein Pulvergemisch mit mittleren Korngrößen von 5,0 μm (50%) und 2,5 μm (50%). Die Bestimmung der Korngröße kann in bekannter Weise mit einem Fisher Subsieve Sizer FSSS nach ASTM B 330 erfolgen.
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Die Schneideinsätze wurden im PVD-Verfahren mit einer etwa 3,5 μm dicken Beschichtung aus TiAlN versehen.
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Die aus den oben beschriebenen Hartmetallsorten hergestellten Schneideinsätze wurden einem Zerspanungstest unter Verwendung eines Planfräsers mit einem Werkzeughalter vom Typ 4.00605R551 unterworfen, der einen Durchmesser von 63 mm bei einer Schittbreite von 50 mm und einen Anstellwinkel von 45° hatte. Der Fräser wurde im Gleichlauf betrieben. Jeder Werkzeughalter wurde mit je einem der zu untersuchenden Schneideinsätze bestückt. Der Zerspanungstest wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Material des zu zerspanenden Werkstücks: Stahl 1.1730 (C45)
Schnittgeschwindigkeit: 350 m/min
Vorschub: 0,2 mm/U
Schnitttiefe (DOC): 2,0 mm
Kühlmittel: Nasskühlung
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Die bis zum Erreichen einer maximalen Verschleißmarkenbreite auf der Freifläche von 0,4 mm erhaltene Schnittlänge ist in der folgenden Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3
Hartmetallsorte | Verschleiß der Freiflache nach Schnittlänge [m]
(Mittelwert aus zwei Durchgängen) | Veränderung der Standzeit |
V-1 | 2,0 | 100% |
E-1 | 2,0 | 100% |
E-2 | 2,6 | 130% |
E-3 | 3,0 | 150% |
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Die Ergebnisse zeigen, dass die kupferhaltigen Hartmetallsorten eine mindestens gleichbleibende (E-1) oder sogar verbesserte Zerspanungsleistung (E-2 und E-3) im Vergleich zu der handelsüblichen chromhaltigen Hartmetallsorte (V-1) ergeben. Aus dem Vergleich der Hartmetalle E-1 und E-2 ist zu sehen, dass die Werkzeugstandzeit bei gleichem Chromanteil mit steigendem Kupferanteil verbessert wird. Eine Steigerung des Chromanteils bei niedrigerem Kupferanteil führt ebenfalls zu einer Verbesserung der Werkzeugstandzeit.
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Beispiel 2
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Weitere, aus den Hartmetallsorten V-1, E-1, E-2 und E-3 gemäß Beispiel 1 hergestellte Schneideinsätze der Geometrie SEKN12O3AFTN wurden einem Zerspanungstest an einem Stahl 1.8159 unterworfen. Für den Zerspanungstest wurde der in Beispiel 1 beschriebene Planfräser im Gleichlaufverfahren verwendet.
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Die Testbedingungen sind in der folgenden Tabelle 4a angegeben: Tabelle 4a
Material | Stahl 1.8159 (51 CrV4) |
Schnittgeschwindigkeit | 200 mm/min | Schnitttiefe | 2,0 mm |
Vorschub | 0,2 mm/U | Schnittbreite | 50 mm |
Kühlmittel | Ja | Bahnlänge | 0,4 m |
Verschleißkriterien | Maximalverschleiß > 0,4 mm |
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Die bis zum Erreichen der maximalen Verschleißmarkenbreite an der der Freifläche von 0,4 mm erhaltene Schnittlänge ist in der folgenden Tabelle 4b angegeben. Tabelle 4b
Hartmetallsorte | Schnittlänge [m]
(Mittelwert aus zwei Durchgängen) | Veränderung der Standzeit |
V-1 | 1,28 | 100% |
E-1 | 1,1 | 86% |
E-2 | 0,96 | 75% |
E-3 | 2 | 156% |
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Die Ergebnisse der Zerspanungstests zeigen ebenfalls, dass durch den Zusatz von Kupfer zu chromhaltigen Wolframcarbid-Hartmetallen die Schneidleistung der gesinterten Hartmetalle unter anspruchsvollen Bedingungen mit hoher Temperaturwechselbelastung deutlich verbessert werden kann oder zumindest die Schneidleistung handelsüblicher Hartmetalle erreicht wird.
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Auch die physikalischen Eigenschaften der chrom- und kupferhaltigen Hartmetalle E-1, E-2 und E-3, wie Härte (HV50), Bruchzähigkeit (K1c) und Biegebruchfestigkeit (TRS) sind vergleichbar mit den Eigenschaften der handelsüblichen Sorte V-1.
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Aus kupferhaltigen Pulvergemischen ohne Chromzusatz hergestellte Hartmetalle scheinen dagegen in den untersuchten Anwendungen keine Vorteile zu ergeben.
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Beispiel 3
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Aus den Hartmetallsorten V-1 und V-2 sowie E-4, E-5 und E-6 wurden Schneideinsätze für einen Planfräser mit der Geometrie SEKN1203AFTN hergestellt und mit einer etwa 3,5 μm dicken verschleißfesten PVD-Beschichtung aus TiAlN versehen. Ein Schneideinsatz mit der für die Legierung V-1 angegebenen Zusammensetzung ist von der Kennametal Inc., Latrobe, PA, USA, unter dem Handelsnamen KC725M erhältlich.
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Die Herstellung der Hartmetallsorten erfolgte durch Sintern der entsprechend zusammengesetzten Pulvergemische bei Temperaturen von zwischen 1400 und 1435°C unter Argon und Haltezeiten von 5 bis 30 Minuten. Bevorzugt lag die Sintertemperatur bei etwa 1420°C. Unter diesen Bedingungen trat während des Sinterns ein Kupferverlust auf, der bei der Formulierung der Ausgangspulvergemische durch eine etwas höhere Kupferzugabe berücksichtigt werden kann. Die so hergestellten erfindungsgemäßen Hartmetallsorten hatten einen Kupfergradient mit einem vom Kern des Hartmetallkörpers in Richtung auf die Außenhülle hin abnehmenden Kupferanteil.
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Die auf diese Weise erhaltenen Schneideinsätze wurden in dem in den vorhergehenden Beispielen beschriebenen Planfräser an verschiedenen Werkstücken unter den in der folgenden Tabelle 5a angegebenen Bedingungen getestet. Für jeden Schneideinsatz wurde die bis zum Erreichen einer maximalen Verschleißmarkenbreite an der Freifläche von 0,25 mm erhaltene Schnittlänge gemessen und in Bezug zu der mit dem Schneideinsatz aus der Legierung V-1 erhaltenen Schnittlänge gesetzt. Die prozentualen Änderungen der Werkzeugstandzeiten sind in Tabelle 5b angegeben. Tabelle 5a
Material | 50CrV4 | 50CrV4 | C45 | C45 | GGG60 | GGG60 |
Schnittgeschwindigkeit [m/min] | 200 | 300 | 300 | 300 | 180 | 280 |
Vorschub [mm/U] | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,3 | 0,2 |
Kühlmittel | Ja | Nein | Ja | Nein | Ja | Ja |
Tabelle 5b
Hartmetall | Veränderung der Standzeit |
V-1 | 100% | 100% | 100% | 100% | 100% | 100% |
V-2 | 73 | 77 | 70 | 117 | 113 | 125 |
E-4 | 61 | 240 | 70 | 161 | 138 | 150 |
E-5 | 105 | 200 | 110 | 100 | 138 | 150 |
E-6 | 80 | 159 | 50 | 144 | 100 | 150 |
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Ein Vergleich der in Tabelle 2 angegebenen physikalischen Eigenschaften der Hartmetalle V-2 und E-4 zeigt, dass ein Kupferzusatz bei gleichbleibendem Chromanteil die Härte des Hartmetalls geringfügig herabsetzt. Im Durchschnitt ergeben sich für das kupferhaltige Hartmetall E-4 leicht verbesserte Ergebnisse im Zerspanungstest. Durch ergänzende Versuche konnte gezeigt werden, dass eine weitere Erhöhung des Kupferanteils um etwa 1 Gew.-% eine Abnahme der Härte (HV50) um etwa 140 Punkte bewirkt.
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Die durch den Kupferzusatz verursachte Abnahme der Härte kann teilweise durch einen höheren Chromanteil oder durch Verwendung eines feinkörnigen Wolframcarbids ausgeglichen werden. Die gesinterten Hartmetalle V-1 und E-6 zeigen daher eine im Wesentlichen gleiche Härte bei gleichem Bindervolumen.
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Das kupferhaltige Hartmetall E-6 weist eine deutlich verbesserte Leistung im Zerspanungstest unter den in der obigen Tabelle 5 angegebenen Bedingungen auf. Das gleiche Ergebnis zeigt ein Vergleich der gesinterten Hartmetalle V-2 und E-5.
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Die gesinterten Hartmetalle V-1 und E-4 wurden mit Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit bei 20 bis 400°C und den Wärmeausdehnungskoeffizienten untersucht. Die so erhaltenen Ergebnisse sind in den 1 und 2 zusammengestellt.
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Überraschenderweise wurde gefunden, dass das gesinterte Hartmetall E-4 eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die aus dem Stand der Technik bekannte Legierung V-1. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Hartmetalls E-4 ist dagegen nur unwesentlich niedriger als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Vergleichslegierung.
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Beispiel 4
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Aus den Hartmetallsorten V-1 sowie E-7 bis E-15 wurden Schneideinsätze für einen Planfräser mit der Geometrie SEKN1203AFTN gemäß dem in Beispiel 3 angegebenen Verfahren hergestellt und mit einer etwa 3,5 μm dicken PVD-Beschichtung aus TiAlN versehen. Die mittlere Korngröße des Wolframcarbids im Rohmaterial wurde so gewählt, dass gesinterte Hartmetalle mit im Wesentlichen gleicher Härte wie die Vergleichszusammensetzung erhalten wurden.
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Der mittels Röntgenfluoreszenzanalyse ermittelte Kupferanteil im gesinterten Hartmetall variierte von 0,2 bis 3,6 Gew.-%, und der Chromanteil lag im Bereich von 0,8 bis 1,9 Gewichtsprozent.
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Der Kobaltanteil wurde so eingestellt, dass die Vergleichszusammensetzung V-1 und die erfindungsgemäßen Hartmetalle ein im Wesentlichen gleiches Bindervolumen hatten. In den untersuchten Pulvergemischen lag der Kobaltanteil im Bereich von etwa 9,4 bis 11,0 Gew.-%.
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Ein Gehaltsdreieck mit den Anteilen von Co, Cu und Cr im gesinterten Hartmetall ist in 3 gezeigt. Daraus ist zu entnehmen, dass in den Hartmetallen E-12, E-13, E-14 und E-15 der Chromanteil über der Löslichkeitsgrenze von Chrom bei Raumtemperatur im Dreiphasensystem Co-Cr-Cu liegt. In den Hartmetallen E-10, E-11, E-13 und E-15 liegt der Kupferanteil über der Löslichkeitsgrenze von Kupfer bei Raumtemperatur im Dreiphasensystem Co-Cr-Cu.
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Die aus den gesinterten Hartmetallen hergestellten Schneideinsätze wurden in einem im Gleichlaufverfahren betriebenen Planfräser an verschiedenen Werkstücken unter den in den folgenden Tabellen 6 bis 8 angegebenen Bedingungen getestet. Tabelle 6
Material: | TiAlV4 |
Schnittgeschwindigkeit: | 65 m/min | Schnitttiefe: | 1,5 mm |
Vorschub: | 0,14 mm/U | Schnittbreite: | 50 mm |
Kühlmittel: | Ja | Bahnlänge: | 0,2 m = 4,2 min |
Verschleißkriterien: | Maximaler Verschleiß > 0,25 mm |
Tabelle 7
Material: | GGG60 (Kugelgraphitgusseisen) |
Schnittgeschwindigkeit: | 180 m/min | Schnitttiefe: | 2,0 mm |
Vorschub: | 0,2 mm/U | Schnittbreite: | 50 mm |
Kühlmittel: | Ja | Bahnlänge: | 0,4 m = 2,2 min |
Verschleißkriterien: | Maximaler Verschleiß > 0,25 mm |
Tabelle 8
Material: | 50CrV4 (Stahl Nr. 1.8159) |
Schnittgeschwindigkeit: | 280 m/min | Schnitttiefe: | 2,0 mm |
Ab 10 m Schnittlänge: | 300 m/min |
Vorschub: | 0,2 mm/U | Schnittbreite: | 50 mm |
Kühlmittel: | Nein | Bahnlänge: | 0,4 m = 1,5 min |
Verschleißkriterien: | Maximaler Verschleiß > 0,25 mm |
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Für jeden Schneideinsatz wurde die bis zum Erreichen der maximalen Verschleißmarkenbreite an der Freifläche erhaltene Schnittlänge gemessen und in Bezug zu der mit dem Schneideinsatz aus der Hartmetallsorte V-1 erhaltenen Schnittlänge gesetzt.
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Die Ergebnisse der Zerspanungstests sind in der folgenden Tabelle 9 angegeben. Tabelle 9
| Veränderung der Standzeit |
Material/Hartmetallsorte | TiAl6V4 | GGG60 | 50CrV4 | Mittelwert |
V-1 | 100% | 100% | 100% | 100% |
E-7 | 127% | 75% | 75% | 92% |
E-8 | 127% | 110% | 104% | 114% |
E-9 | 100% | 90% | 50% | 80% |
E-10 | 105% | 120% | 196% | 140% |
E-11 | 85% | 165% | 311% | 187% |
E-12 | 48% | 135% | 75% | 86% |
E-13 | 79% | 215% | 357% | 217% |
E-14 | 66% | 120% | 282% | 156% |
E-15 | 36% | 110% | 282% | 143% |
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Die Ergebnisse der Zerspanungstests an Ti6Al4V zeigen, dass die erfindungsgemäßen Hartmetallsorten E-7, E-8, E9 und E-10 mit einem Kupferanteil unter der Löslichkeitsgrenze von Kupfer bei Raumtemperatur im Dreiphasensystem Co-Cu-Cr, insbesondere bei einem Kupferanteil von 0,2 bis etwa 1,2 Gew.-% im Hartmetall, eine vergleichbare oder bessere Schneidleistung als die Vergleichszusammensetzung V-1, ohne Kupfer, ergeben.
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Mit steigendem Kupferanteil ist eine Abnahme der Palmqvist-Zähigkeit (K1c) zu beobachten
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Wenn die Anteile von Chrom und/oder Kupfer über der jeweiligen Löslichkeitsgrenze liegen, konnte dagegen keine verbesserte Schneidleistung an Ti6Al4V unter den getesteten Bedingungen erhalten werden.
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Beim Schneiden von Kugelgraphitgusseisen GGG60 zeigen nahezu alle kupferhaltigen Hartmetallsorten eine Verbesserung gegenüber der Vergleichszusammensetzung V-1. Die besten Ergebnisse werden mit Schneidwerkzeugen aus Hartmetallen erzielt, die einen hohen Kupferanteil von etwa 0,7 bis 3,6 Gew.-% (E-10 bis E-15), vorzugsweise 1,2 bis etwa 2,6 Gew.-% (E-10, E-11 und E-13) aufweisen.
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Die beste Temperaturwechselbeständigkeit wird von Hartmetallsorten mit einem Kupferanteil von etwa 2,4 bis 2,6 Gew.-% im gesinterten Hartmetall erreicht, selbst wenn der Chromgehalt relativ niedrig ist und im Bereich von etwa 0,8 bis 1,3 Gew.-% liegt (E-11 und E-13).
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Bei niedrigeren Kupferanteilen von etwa 0,7 bis 1,0 Gew.-% kann die Schneidleistung an Gusseisen durch einen höheren Chromanteil von 1,4 bis 1,9 Gew.-% verbessert werden (E-12 und E-14).
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Auch die Zerspanungstests an Stahl zeigen, dass nahezu alle untersuchten kupferhaltigen Hartmetallsorten eine vergleichbare oder bessere Schneidleistung ergeben als die aus der Vergleichszusammensetzung V-1 hergestellten gesinterten Hartmetalle. Insbesondere die Hartmetallsorten mit einem Kupfergehalt ab etwa 0,8 Gew.-%, insbesondere 0,8 bis 3,6 Gew.-% (E-10, E-11, E-13, E-14, E-15), besonders bevorzugt 2,4 bis 3,6 Gew.-% Kupfer (E-11, E-13 und E-15), ergeben unter den getesteten Bedingungen eine deutlich verbesserte Werkzeugstandzeit.
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Die Temperaturschockbeständigkeit scheint bei gleichbleibendem Chromgehalt mit dem Kupferanteil im Hartmetall zu steigen. Die besten Ergebnisse werden daher mit Hartmetallsorten erreicht, die einen Kupfergehalt von 2,4 bis 3,6 Gew.-% aufweisen. Der Chromanteil in diesen Hartmetallsorten lag bei etwa 0,8 bis 1,9 Gew.-% (E-11, E-13 und E-15).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 267063 A1 [0007, 0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 3369 [0053]
- ISO 3878 [0053]
- ISO 3326 [0053]
- ISO 28079 [0053]
- ISO 3327 Typ B [0053]
- ASTM B 330 [0057]