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Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Gusslegierung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Kupfer-Zink-Silicium-Legierung, bei welcher Bor und Eisen sowie optional Nickel zugegeben sind.
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Es ist bekannt, dass Formteile aus Kupferlegierungen als Gussteile hergestellt werden. Beispiele für solche Formteile sind Armaturen, Bögen, T-Stücke für medienführende Leitungssysteme, Komponenten für Pumpen und Ventile sowie Konstruktionsteile im Maschinen- und Anlagenbau und im Fahrzeugbau. Unter anderem werden hierfür siliciumhaltige Messinge als Werkstoff verwendet.
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Um die mechanische Stabilität des Formteils zu gewährleisten, ist ein Werkstoff erforderlich, der bereits im Gusszustand ein homogenes Gefüge aufweist. Inhomogenitäten im Gefüge müssen durch kostspielige Sicherheitszuschläge berücksichtigt werden oder sie können zum Versagen des Bauteils führen. Bei Knetwerkstoffen wird die Homogenität des Gefüges durch Umformung erzielt. Um ein homogenes Gefüge ohne Umformschritte zu erreichen, muss der Werkstoff bereits im Gusszustand ein feinkörniges Gefüge aufweisen. Nach dem Gießen wird das Formteil in viele Fällen durch Zerspanen, Schleifen oder Polieren, beispielsweise von Dichfflächen, nachbearbeitet. Hierfür muss der Werkstoff frei von Lunkern und Hartpartikeln sein. Ferner wirkt sich ein grobes dendritisches Gefüge negativ auf die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs aus.
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Bei der Herstellung von Gussteilen wird der Werkstoff üblicherweise zweimal aufgeschmolzen und abgegossen: Beim ersten Aufschmelzen wird die Legierungszusammensetzung grob eingestellt. Die Legierung wird zu Gussblöcken gegossen. Zur Herstellung der Gussteile werden die Gussblöcke eingeschmolzen und die Legierung zu Formteilen vergossen. Eine Änderung der Legierungszusammensetzung während dieses zweiten Aufschmelz- und Abgussvorgangs ist unerwünscht, aber aufgrund des Abbrands mancher Elemente, wie Zn, Zr oder P, unvermeidlich. Für die Qualität des Produkts ist der Gusszustand nach dem zweiten Abguss entscheidend.
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Es ist bekannt, dass bei Kupferlegierungen durch die Zugabe von bestimmten Elementen ein feinkörniges Gussgefüge eingestellt werden kann. In
EP 1 777 305 A1 wird vorgeschlagen, einer Kupfer-Zink-Silicium-Legierung 0,0005 bis 0,04% Zirkon zur Kornfeinung zuzugeben. Nachteilhaft an Zirkon ist jedoch sein Abbrand während des Schmelzens und Gießens. Bei der Herstellung von Gussteilen ist es folglich schwierig, den angestrebten Zirkongehalt im fertigen Bauteil sicher zu stellen.
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In
EP 1 817 438 B1 wird vorgeschlagen, einer Kupfer-Zink-Silicium-Legierung 0,05 bis 2 Gew.-% Mangan zuzugeben, um die Gefügestruktur zu verbessern. Ferner wird vorgeschlagen, der Legierung zusätzlich 0,01 bis 0,05 Gew.-% Zirkon als Kornfeinungsmittel zuzugeben. Dies steht im Einklang zu Untersuchungen, die zeigen, dass der Zusatz von Mangan ohne Zirkon keine Kornfeinung bewirkt.
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Bor als Kornfeinungsmittel für Kupferlegierungen zu verwenden, ist bekannt. So wird in
DE 10 2005 024 037 A1 vorgeschlagen, einer Kupfer-Zink-Silicium-Legierung 0,00001 bis 0,5% Bor zuzugeben. Der Nachweis der kornfeinenden Wirkung von geringen Mengen an Bor erfolgt anhand von Legierungen mit ungefähr 76% Kupfer, 21% Zink und 3% Silicium.
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Der Druckschrift ,Kornfeinung von Kupferlegierungen' von F. Romankiewicz et al., Metall, 48. Jahrgang, Nr. 11/94, Seiten 865 bis 871 ist die Feststellung zu entnehmen, dass die Kornfeinung von Siliciummessing mit Borzusatz zwecklos ist. Diese Feststellung basiert auf Untersuchungen, die am Werkstoff CuZn16Si4 mit Borzusätzen von 0 bis 0,06 Gew.-% durchgeführt wurden.
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Der Fachmann erhält aus dem Stand der Technik nur unbefriedigende Hinweise, wie bei Kupfer-Zink-Silicium-Legierung ein feinkörniges Gussgefüge eingestellt werden kann. Zirkon ist aufgrund seines Abbrands nur sehr schwierig einsetzbar. Bor bewirkt eine Kornfeinung für Zinkgehalte von ungefähr 21 Gew.-%, nicht jedoch für Zinkgehalte von ungefähr 16 Gew.-%. Deshalb wäre ein Kornfeinungsmittel wünschenswert, das weitgehend unabhängig vom Zinkgehalt seine Wirkung entfaltet. Insbesondere soll es für Kupfergehalte größer 80 Gew.-% eine Kornfeinung bewirken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Kupfer-Gusslegierungen anzugeben. Insbesondere soll eine Kornfeinung des Gussgefüges weitgehend unabhängig vom Zink- beziehungsweise Kupfergehalt erreicht werden können. Mangels Alternativen sind Kornfeinungsmittel für Kupfergehalte größer 80 Gew.-% besonders erstrebenswert.
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Die Erfindung wird bezüglich einer Kupfer-Gusslegierung durch die Merkmale des Anspruchs 1, bezüglich der Verwendung von Bor und Eisen als Kornfeinungsmittel durch die Merkmale des Anspruchs 9 und bezüglich der Verwendung von Bor, Eisen und Nickel als Kornfeinungsmittel durch die Merkmale des Anspruchs 10 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Erfindung schließt eine Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung [in Gew.-%] ein:
Cu 70,0 bis 97,0%,
Si 2,0 bis 4,5%,
B 0,002 bis 0,03%,
Fe 0,01 bis 1,0%,
wahlweise noch bis 2,0% Sn,
wahlweise noch bis 0,4% Ni,
wahlweise noch bis 0,2% P,
wahlweise noch bis 0,25% Pb,
wahlweise jeweils noch bis zu 0,15% As oder Sb,
Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen. Dabei beträgt das Verhältnis aus Borgehalt und der Summe aus Eisen- und Nickelgehalt mindestens 0,025 und höchstens 0,12.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch die gleichzeitige Zugabe von Bor und Eisen zu einer siliciumhaltigen Kupfer-Zink-Legierung eine Kornfeinung des Gussgefüges eintritt, wenn Borgehalt und Eisengehalt in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Eisen kann dabei teilweise durch Nickel ersetzt werden. Das Verhältnis aus Borgehalt und der Summe aus Eisen- und Nickelgehalt beträgt mindestens 0,025 und höchstens 0,12. Die jeweiligen Elementgehalte sind dabei als Gewichtsanteile an der Gesamtlegierung definiert. Stehen Borgehalt und die Summe aus Eisen- und Nickelgehalt in der genannten Relation zu einander, können sich Eisenboride beziehungsweise Nickelboride oder Eisen-Nickel-Mischboride bilden. Diese Boride führen zur Ausbildung eines feinen Korns im Gussgefüge des Werkstoffs.
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Diese Erkenntnis ist um so überraschender, als der Fachmann dem Stand der Technik, insbesondere der
WO 91/02826 , entnimmt, dass bei Kupferlegierungen bereits geringe Mengen an Eisen den Kornfeinungseffekt von Bor vermindern, und dass Eisenanteile oberhalb einer vom Legierungssystem abhängigen Grenze den Kornfeinungseffekt von Bor im Fall kleiner Borgehalte weitgehend unterdrücken beziehungsweise im Fall größerer Borgehalte zur Bildung von unerwünschten Hartpartikeln führen. Solche Hartpartikel beeinflussen die Polierbarkeit des Werkstoffs negativ. In WO 91/02826 wird deshalb vorgeschlagen, die Bildung von Eisenboriden zu verhindern, indem man der Legierung ein weiteres Element zugibt, das schneller mit Bor reagiert als Eisen.
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Wahlweise kann die Legierung Zinn enthalten. Zinn verbessert die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs. Bei Zinngehalten größer 2,0 Gew.-% kann es aufgrund des Zusammenwirkens aller Legierungsbestandteile zu unerwünschten Zinnentmischungen kommen.
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Wahlweise kann die Legierung Phosphor enthalten. In kleinen Mengen dient Phosphor der Desoxidation der Schmelze. Ferner kann er die Ausbildung des anfänglichen Gussgefüges und die Korrosionseigenschaften günstig beeinflussen. Phosphor erhöht das Fließvermögen der Schmelze und vermindert die Anfälligkeit des Werkstoffs gegen Spannungsrisskorrosion.
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Blei macht die Legierungen leichter zerspanbar. Um den gesetzlichen Vorschriften für den Einsatz von Kupferlegierungen in Trinkwasseranwendungen zu genügen, wird der Bleigehalt der erfindungsgemäßen Legierung auf maximal 0,25 Gew.-% eingeschränkt. Bevorzugt kann der Bleigehalt der Legierung höchstens 0,1 Gew.-% betragen.
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Wahlweise kann die Legierung in geringen Mengen Antimon und/oder Arsen enthalten. Diese beiden Elemente verringern die Neigung des Werkstoffs zur Entzinkung.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann das Verhältnis aus Borgehalt und der Summe aus Eisen- und Nickelgehalt mindestens 0,05 und höchstens 0,075 betragen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass sich bei Wahl der Legierungszusammensetzung gemäß dieser Spezifikation bereits nach dem ersten Abguss ein feinkörniges Gefüge einstellt. Auch nach dem zweiten Abguss ist das Gefüge immer feinkörnig. Diese vorteilhafte Auswahl der Legierungszusammensetzung gewährleistet also besonders zuverlässig die Ausbildung eines feinkörnigen Gussgefüges und aus der Feinkörnigkeit der Gussblöcke lässt sich bereits eine Aussage über die Qualität der Formteile ableiten. Diese bevorzugte Auswahl des Borgehalts und der Summe aus Eisen- und Nickelgehalt stellt stöchiometrisch besonders günstige Bedingungen für die Ausbildung von Boriden dar.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Borgehalt mindestens 0,005 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 0,01 Gew.-% und höchstens 0,025 Gew.-% betragen. Bei Borgehalten von mindestens 0,005 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,01 Gew.-%, können sich in Verbindung mit Eisen und gegebenenfalls Nickel Boride besonders rasch ausbilden. Bei einem Borgehalt größer als 0,025 Gew.-% kann es zur Bildung von unerwünschten großen Boriden kommen.
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Vorteilhafterweise kann der Eisengehalt mindestens 0,1 Gew.-% und höchstens 0,5 Gew.-% betragen. Diese bevorzugte Auswahl des Eisengehalts stellt stöchiometrisch besonders günstige Bedingungen für die Ausbildung von Boriden in geeigneter Häufigkeit und Größe dar. Insbesondere bei Kombination dieses bevorzugten Eisengehalts mit einem Borgehalt, der nicht weniger als 0,01 Gew.-% und nicht mehr als 0,025 Gew.-% beträgt, stellt sich bereits beim ersten Abguss der Legierung ein feinkörniges Gefüge ein.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Nickelgehalt höchstens 0,3 Gew.-% betragen. Hinsichtlich der Bildung der Boride kann Nickel das Eisen zumindest teilweise ersetzen. In besonders bevorzugter Ausgestaltung kann die Summe aus Eisen- und Nickelgehalt mindestens 0,1 Gew.-% und höchstens 0,5 Gew.-% betragen. Ferner kann es vorteilhaft sein, den Eisengehalt der Legierung größer als den Nickelgehalt zu wählen. Durch den Eisenanteil wird die Bildung von Boriden initiiert und somit der Kornfeinungseffekt eingeleitet.
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Vorteilhafterweise kann der Kupfergehalt der Legierung mehr als 80 Gew.-%, bevorzugt mindestens 81 Gew.-% betragen. Kupfergehalte größer 80 Gew.-% machen die Legierung besonders korrosionsbeständig und damit geeignet für den Einsatz in fluidführenden Leitungssystemen, wie beispielsweise Trinkwasserleitungen. Der Siliciumgehalt beträgt bei diesem Kupfergehalt typischerweise mindestens 3 Gew.-% und höchstens 4 Gew.-%. Der Zinkgehalt liegt dann unter 16 Gew.-%, und beträgt bevorzugt mindestens 8 Gew.-% und höchstens 15 Gew.-%.
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Die Erfindung umfasst ferner die Verwendung von Bor und Eisen in Kombination als Kornfeinungsmittel in Kupfer-Zink-Silicium-Legierungen. Erfindungsgemäß beträgt das Verhältnis aus Borgehalt der Legierung [in Gew.-%] und Eisengehalt der Legierung [in Gew.-%] mindestens 0,025 und höchstens 0,12. Die Kupfer-Zink-Silicium-Legierung kann dabei folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweisen:
Cu 70,0 bis 97,0%,
Si 2,0 bis 4,5%,
B 0,002 bis 0,03%,
Fe 0,01 bis 1,0%,
wahlweise noch bis 2,0% Sn,
wahlweise noch bis 0,2% P,
wahlweise noch bis 0,25% Pb,
wahlweise jeweils noch bis zu 0,15% As oder Sb,
Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
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Durch die Zugabe von Bor und Eisen im oben genannten Verhältnis der Gehalte kann bei einer Kupfer-Zink-Silicium-Legierung eine Kornfeinung des Gussgefüges eintreten. Bevorzugt beträgt der Borgehalt dabei mindestens 0,005 Gew.-% und höchstens 0,025 Gew.-%. Bevorzugt beträgt der Eisengehalt dabei mindestens 0,1 Gew.-% und höchstens 0,5 Gew.-%.
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Der Aspekt der erfindungsgemäßen Verwendung von Bor und Eisen zur Kornfeinung von Kupfer-Zink-Silicium-Legierungen schließt alle vorstehend beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen siliciumhaltigen Kupfer-Zink-Legierung ein.
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Die Erfindung umfasst ferner die Verwendung von Bor, Eisen und Nickel in Kombination als Kornfeinungsmittel in Kupfer-Zink-Silicium-Legierungen. Erfindungsgemäß beträgt das Verhältnis aus Borgehalt der Legierung [in Gew.-%] und der Summe aus Eisen- und Nickelgehalt der Legierung [in Gew.-%] mindestens 0,025 und höchstens 0,12. Die Kupfer-Zink-Silicium-Legierung kann dabei folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweisen:
Cu 70,0 bis 97,0%,
Si 2,0 bis 4,5%,
B 0,002 bis 0,03%,
Fe 0,01 bis 1,0%,
Ni 0,01 bis 0,4%
wahlweise noch bis 2,0% Sn,
wahlweise noch bis 0,2% P,
wahlweise noch bis 0,25% Pb,
wahlweise jeweils noch bis zu 0,15% As oder Sb,
Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
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Durch die Zugabe von Bor, Eisen und Nickel im oben genannten Verhältnis der Gehalte kann bei einer Kupfer-Zink-Silicium-Legierung eine Kornfeinung des Gussgefüges eintreten. Bevorzugt beträgt der Borgehalt dabei mindestens 0,005 Gew.-% und höchstens 0,025 Gew.-%. Bevorzugt beträgt der Eisengehalt dabei mindestens 0,1 Gew.-% und höchstens 0,5 Gew.-%. Bevorzugt beträgt der Nickelgehalt dabei mindestens 0,05 Gew.-% und höchstens 0,3 Gew.-%.
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Der Aspekt der erfindungsgemäßen Verwendung von Bor, Eisen und Nickel zur Kornfeinung von Kupfer-Zink-Silicium-Legierungen schließt alle vorstehend beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen siliciumhaltigen Kupfer-Zink-Legierung ein.
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Die Erfindung wird anhand der in Tabelle 1 aufgeführten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Tabelle 1 zeigt von 18 Versuchslegierungen die Zusammensetzung in Gew.-%. In der vorletzten Spalte der Tabelle ist das Verhältnis aus Borgehalt und der Summe aus Eisen- und Nickelgehalt angegeben. Die Legierungen wurden erschmolzen und abgegossen. Die einzelnen Abgüsse wurden wieder eingeschmolzen und ein zweites Mal abgegossen. Die Proben wurden metallographisch charakterisiert. In der letzten Spalte der Tabelle ist angegeben, ob das Gefüge nach dem zweiten Abguss grobkörnig oder feinkörnig war.
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Proben 1 bis 3 enthalten kein Bor. Das Gussgefüge ist immer grobkörnig. Probe 4 und Probe 11 enthalten geringe Mengen an Bor. Auch hier ist das Gefüge grobkörnig.
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Proben 5 bis 10 enthalten sowohl Bor (0,01 bis 0,02 Gew.-%) als auch Eisen (0,1 bis 0,3 Gew.-%). Probe 8 enthält zusätzlich 0,4 Gew.-% Zinn. Für die Proben 5 bis 10 ist nach dem zweiten Abguss immer ein feinkörniges Gussgefüge zu beobachten. Der Quotient aus Borgehalt und Eisengehalt liegt bei diesen Proben zwischen 0,03 und 0,11. Die Zugabe von Zinn hat keinen Einfluss auf die Bildung des feinkörnigen Gussgefüges.
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Bei den Proben 12 bis 17 ist ein Teil des Eisens durch Nickel ersetzt. Der Borgehalt variiert von 0,005 bis 0,013 Gew.-%. Der Eisengehalt liegt zwischen 0,1 und 0,2 Gew.-%, der Nickelgehalt zwischen 0,08 und 0,18 Gew.-%. Ferner variiert der Zinngehalt von 0,1 bis 0,2 Gew.-%. Mit Ausnahme von Probe 13 zeigen alle Proben nach dem zweiten Abguss ein feinkörniges Gefüge. Bei diesen Proben liegt der Quotient aus Borgehalt und der Summe aus Eisen- und Nickelgehalt zwischen 0,025 und 0,06. Bei Probe 13 liegt dieser Quotient bei 0,016. Die Probe 13 enthält in der Summe zu viel Eisen und Nickel bezogen auf den Borgehalt von 0,006 Gew.-%. Der Zinngehalt hat keinen Einfluss auf die Bildung des feinen Gussgefüges.
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Es ist hervorzuheben, dass die Proben 5, 7, 8 und 15 im Unterschied zu den anderen Proben bereits nach dem ersten Abguss ein feinkörniges Gefüge aufweisen. Diese Proben sind dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus Borgehalt und der Summe aus Eisen- und Nickelgehalt zwischen 0,05 und 0,065 liegt. Wählt man die Legierungszusammensetzung so, dass der genannte Quotient genau in diesem Fenster liegt, dann ist die Bildung von Eisenboriden beziehungsweise Nickelboriden oder Eisen-Nickel-Mischboriden besonders begünstigt. Eisenboride mit der stöchiometrischen Formel Fe3B würden genau diesem Gewichtsverhältnis aus Bor und Eisen entsprechen.
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Anhand von Probe 18 wurde in Form einer Stichprobe der Einfluss von Mangan auf das Gussgefüge untersucht. Probe 18 enthält kein Bor, dafür ungefähr 0,08 Gew.-% Mangan. Die manganhaltige Probe zeigt immer ein grobkörniges Gussgefüge.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1777305 A1 [0005]
- EP 1817438 B1 [0006]
- DE 102005024037 A1 [0007]
- WO 91/02826 [0014]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Druckschrift ,Kornfeinung von Kupferlegierungen' von F. Romankiewicz et al., Metall, 48. Jahrgang, Nr. 11/94, Seiten 865 bis 871 [0008]
