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Als Funktionsflächen im Sinne der beanspruchten Erfindung werden nachfolgend die Flächen eines Bauteils bezeichnet, die während des Betriebs in Kontakt mit einer Gegenfläche stehen, wobei die Funktionsfläche und die Gegenfläche sich relativzueinander bewegen.
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Beispiele für solche Funktionsflächen sind die Zahnflanken einer Verzahnung. Die Gegenflächen sind in diesem Fall die Zahnflanken des mit der Verzahnung kämmenden Zahnrads oder Zahnstange.
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Ein weiteres Beispiel ist die Lauffläche einer Welle, die mit einem Wellendichtring zusammenwirkt. In diesem Fall ist die Dichtlippe des Wellendichtrings die Gegenfläche.
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Als drittes Beispiel dieser nicht abschließenden Aufzählung sei die (Linear-)Führung einer Maschine genannt. Sowohl bei Gleitführungen als auch bei Wälzführungen werden Funktionsflächen benötigt, die hinsichtlich Geometrie und Oberfläche hohen Anforderungen entsprechen. Funktionsflächen im Sinne der beanspruchten Erfindung werden in der Regel aus härtbaren Fe-Werkstoffen hergestellt, die zunächst durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide (zumeist Drehen oder Fräsen) bearbeitet und anschließend gehärtet werden. Anschließend wird der durch das Härten entstandene Verzug durch Schleifen, Superfinishen und/oder Läppen egalisiert und gleichzeitig die gewünschte Oberflächenrauigkeit der Funktionsflächen hergestellt.
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Im Folgenden werden exemplarisch und nicht darauf beschränkt anhand einer Verzahnung die Probleme des Standes der Technik bei der Herstellung von Funktionsflächen erläutert.
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Das Herstellen von Verzahnungen ist, vor allem wenn es sich um genaue und sehr belastbare Verzahnungen handelt, relativ teuer und erfordert viele Herstellungsschritte: In einen Rohling oder Halbzeug aus Stahl wird durch spanende Bearbeitung eine Verzahnung eingebracht. Diese Verzahnung kann zu einer Zahnstange, einem Kegelrad, einem Schneckenrad, eine Schnecke oder einem Stirnrad mit Außen- oder Innenverzahnung gehören. Nachdem auf diese Weise die gewünschte Zahnform der Verzahnung hergestellt wurde, wird das Werkstück üblicherweise gehärtet. Dabei verzieht sich das Werkstück, so dass es anschließend geschliffen und/oder geläppt werden muss, um die erforderliche Genauigkeit der Zahnflanken (= Funktionsfläche im Sinne der Erfindung) bzw. der Verzahnung zu erreichen. Außerdem sorgen das Schleifen und das Läppen für eine glatte Oberfläche der Verzahnung, was sich positiv auf Geräuschentwicklung, Wirkungsgrad und Lebensdauer auswirkt. Mit dieser Prozesskette lassen sich qualitativ sehr hochwertige Verzahnungen herstellen. Allerdings verursacht diese Prozesskette sehr hohe Herstellungskosten.
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Die
DE 101 47 205 C1 beschreibt ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus temperaturbeständigen Stählen. Dieses Verfahren umfasst in einem ersten Schritt das Härten der Werkstücke und in einem nachfolgenden zweiten Schritt das Nitrieren der Werkstücke. Durch das Härten verziehen sich die Werkstücke und müssen anschließen durch einen weiteren Bearbeitungsschritt, beispielsweise Schleifen, Superfinishen oder Läppen, endbearbeitet werden.
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Die
DE 10 2014 220 866 B3 der Anmelderin beansprucht ein Verfahren, mit dessen Hilfe Funktionsflächen kostengünstig und trotzdem mit sehr guten Gebrauchseigenschaften hergestellt werden können. Das Verfahren sieht vor, die Funktionsfläche durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide herzustellen und anschließend diese Funktionsfläche chemisch zu entgraten. In einem dritten Schritt wird die gewünschte Härte durch Nitrieren hergestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiter verbessertes Verfahren zur kostengünstigen, rationellen und prozesssicheren Herstellung von Funktionsflächen bereit zu stellen, wobei die Funktionsflächen hinsichtlich geometrischer Genauigkeit, Oberflächengüte und Belastbarkeit mit einer nach dem Stand der Technik hergestellten Funktionsfläche vergleichbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein Rohling oder ein Halbzeug aus Vergütungsstahl oder Einsatzstahl vergütet wird.
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Anschließend wird die gewünschte Funktionsfläche in den Rohling oder das Halbzeug durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, in der Regel Drehen oder Fräsen, eingebracht. Dabei wird die endgültige Geometrie der Funktionsfläche hergestellt.
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Um die Oberfläche dieser durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide hergestellten Verzahnungen zu verbessern, ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, die Funktionsfläche chemisch zu entgraten. Dieses chemische Entgraten wird zum Beispiel unter dem Handelsnamen „Cullygrat“ angeboten.
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Die beanspruchte Erfindung macht sich einen Effekt des chemischen Entgratens zunutze, der darin besteht, dass beim chemischen Entgraten bevorzugt die Spitzen der Rauigkeiten einer Werkstückoberfläche abgetragen werden. Unabhängig davon, ob die spanende Bearbeitung der Zahnflanken durch Fräsen oder Schleifen erfolgt, führt dies immer dazu, dass - mikroskopisch betrachtet - die Werkstückoberfläche spitze Erhebungen aufweist. Im Falle eines nach dem Härten geschliffenen Zahnrads sind diese Spitzen sehr hart und wirken somit abrasiv, wenn diese Zahnflanken mit einer Zahnstange oder einem anderen Zahnrad kämmen.
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Durch das erfindungsgemäße Entgraten werden die Spitzen der Werkstückoberfläche vor dem Härten abgerundet, so dass - mikroskopisch betrachtet - die Werkstückoberfläche ein wellenförmiges oder sinusförmiges Profil mit stumpfen Erhebungen und runden Tälern erhält. aufweist. Diese stumpfen Erhebungen wirken nicht abrasiv, wenn diese Zahnflanken mit einer Zahnstange oder einem anderen Zahnrad kämmen. Die Täler dieser Oberflächen haben ein gutes Ölhaltevermögen; sie wirken in der Art einer Schmierstofftasche. Es ergibt sich ein sehr leistungsfähiges tribologisches System bestehend aus erfindungsgemäß hergestellten Ritzel, einem Gegenstück (Zahnstange oder Zahnrad) und Schmierstoff (Öl oder Fett) bildet. Daraus resultieren geringer Verschleiß, geringe Reibung, gute Laufruhe und eine hohe Lebensdauer.
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Dies bedeutet, dass durch das chemische Entgraten die Rauigkeit von beispielsweise 12 µm auf weniger als 2,5 µm reduziert wird. Diese Rauigkeit ist in sehr vielen Anwendungsfällen ausreichend für die Funktionsflächen. Das chemische Entgraten ist ein sehr gut automatisierbarer und kostengünstiger Prozess, weil die zu entgratenden Werkstücke vollautomatisch durch eine Reihe von Bädern, die mit geeigneten Flüssigkeiten gefüllt sind, geschleust werden.
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Anschließend werden die derart geglätteten Funktionsflächen erfindungsgemäß durch Einsatzhärten oder Härten im Vakuum gehärtet. Dieses Härten (Einsatzhärten oder normales Härten im Vakuum) führt in Kombination mit dem vorgelagerten Vergüten zu einer sehr harten, verschleißfesten und verzugsarmen Oberfläche, die den an die Funktionsflächen im Betrieb gestellten Anforderungen auf Dauer gewachsen ist. Durch das Vergüten vor der spanenden Bearbeitung werden die Verzüge beim Härten so weit reduziert, dass ein anschließendes Schleifen und/oder Läppen nicht erforderlich ist.
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Bei einer Verzahnung sind dies hohe Flächenpressung und kleine Relativbewegungen zwischen den miteinander kämmenden Zahnflanken, ...).
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Bei einer bewegten Dichtung mit einem Wellendichtring, muss die Lauffläche des Wellendichtrings (= Funktionsfläche) ausreichend verschleißbeständig und so glatt/spitzenfrei sein, dass der Verschleiß der Dichtlippe des Dichtrings minimiert wird.
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Außerdem darf die Lauffläche keine Drehriefen mehr aufweisen, die wegen ihrer durch den Vorschub des Drehmeißels verursachten wendelartigen Geometrie dazu neigen eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Öl, an der Dichtlippe des Dichtrings vorbei zu fördern. Dieser Effekt ist unerwünscht und tritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf.
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Auch bei einer Gleit- oder Wälzführung soll die Führungsfläche möglichst glatt sein, um eine gute Führung mit hohem Traganteil und geringem Verschleiß zu gewährleisten.
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Wenn die Funktionsfläche die Nocken einer Nockenwelle sind, können diese durch Unrunddrehen oder durch Fräsen herstellt werden, was eine erhebliche Einsparung an Bearbeitungszeit mit sich bringt.
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Im Falle von pneumatischen oder hydraulischen Linear-Aktuatoren (umgangssprachlich auch als Arbeitszylinder bezeichnet) kann das superfinishen der Kolbenstange entfallen.
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„Einsatzhärten“ ist ein mehrstufiger thermochemischer Vorgang, der die Prozessschritte „Aufkohlen“, „Abschrecken“ und „Anlassen“ umfasst.
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Der Begriff „Einsatzhärten im Vakuum“ wird im Zusammenhang mit der Erfindung dahingehend verstanden, dass das „Aufkohlen“ im Vakuum erfolgt. Dabei wird zu verschiedenen Zeitpunkten ein kohlenstoffhaltiges Gas in den Vakuumofen eingedüst. Einsatzhärten im Vakuum mit Gasaufkohlung ist ein an sich bekanntes Verfahren. Daher wird auf eine detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit der Erfindung verzichtet.
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Die Aufkohlungstemperatur liegt üblicherweise in einem Bereich von 880°C bis 950°C und wird so gewählt, dass sie oberhalb der Temperatur Ac3 liegt, bei der die Umwandlung des Ferrits in Austenit beendet ist. Die Temperatur Ac3 hängt vom Kohlenstoffgehalt ab und ist in Werkstoffdatenblättern angegeben. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Rohlinge oder Halbzeuge aus Einsatzstahl, zum Beispiel 16 Mn CR 5, oder im Fall des normalen Härtens Vergütungsstahl bestehen.
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Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung (Vergüten, spanend Bearbeiten und abschließendes Einsatzhärten oder normales Härten), stellt sich nur ein sehr kleiner Verzug der Werkstücke ein. Dies bedeutet, dass die in ihrer Geometrie bereits durch das Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide fertiggestellten Funktionsflächen nach dem erfindungsgemäßen Härten im Vakuum nicht mehr durch Schleifen, Honen und/oder Läppen (nach-)bearbeitet werden müssen.
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Im Ergebnis steht dadurch eine sehr leistungsfähige Funktionsfläche zur Verfügung, die in wenigen und sehr gut automatisierbaren, prozesssicheren und kostengünstigen Bearbeitungsschritten hergestellt wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich, verglichen mit der konventionellen Herstellung von gehärteten und geschliffenen Funktionsflächen, erhebliche Kosten vermeiden, die Produktivität wird gesteigert und die Prozessdauer wird verkürzt.
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Dies führt insgesamt zu erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen, ohne dass die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Funktionsflächen in ihren Gebrauchseigenschaften einer konventionell hergestellten Funktionsfläche nachsteht.
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Es gibt verschiedene am Markt angebotene Verfahren zum chemischen Entgraten. Das unter dem Namen „Cullygrat“ angebotene Verfahren zum chemischen Entgraten hat sich im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als sehr gut geeignet erwiesen. Grundsätzlich sind alle chemischen Behandlungen geeignet, die die Rauigkeit der durch spanende Bearbeitung hergestellten Verzahnungen an der Oberfläche verringern. Dabei sind elektro-chemische Verfahren zumeist nicht ganz so gut geeignet, da die Abtragwirkung von der Stärke des elektrischen Feldes abhängt und die Feldstärke nicht überall gleich ist.
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Beim erfindungsgemäßen Härten im Vakuum erfolgt das Abschrecken bevorzugt mit unter Druck stehendem Gas; besonders bevorzugt, Stickstoff mit einem Druck von mehr als 10 bar, bevorzugt mit mehr als 15 bar und besonders bevorzugt mit 18 bar oder mehr. Drücke oberhalb von 20 bar sind zumeist nicht erforderlich.
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Das Herstellen der Verzahnung mit geometrisch bestimmter Schneide kann durch Wälzfräsen, Formfräsen oder Wälzstoßen oder andere spanabhebende Bearbeitungen erfolgen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Zahnräder (Stirnräder, Kegelräder, Schneckenräder, Schnecken und/oder Zahnstangen) herstellen.
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Es können aber auch Wellen mit Laufflächen für einen Wellendichtring, Gleit- oder Wälzführungen oder Nockenwellen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1: ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 2: Varianten der erfindungsgemäßen Temperaturführungen beim Einsatzhärten.
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In der 1 wird ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
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In einem ersten Schritt 99 wird ein Rohling oder eine Halbzeug aus Einsatzstahl (z. B. 16 Mn CR5) oder einem Vergütungsstahl (z. B. 42 Cr Mo 4) vergütet. D. h. das Material wird bei etwa 820° geglüht, abgeschreckt und anschließend bei etwa 650°C angelassen. Dadurch ergibt sich ein sehr feinkörniges und über den gesamten Querschnitt sehr geleichmäßiges Gefüge. Es ist möglich, Halbzeuge aus bereits vergütetem Einsatzstahl beim Stahlhandel zu bestellen.
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In einem zweiten Schritt 101 wird aus einem vergüteten Rohling eine oder mehrere Funktionsflächen durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide hergestellt. Alle anderen Bearbeitungen, wie zum Beispiel das Einbringen einer oder mehrerer Befestigungsbohrung, das Schneiden von Gewinden oder die Herstellung anderer Flächen, wie zum Beispiel Nuten, Absätze, ..., erfolgen auch in diesem Stadium der Bearbeitung; d. h. vor den Entgraten und dem Härten im Vakuum.
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Anschließend wird in einem dritten Schritt 103 das hinsichtlich seiner Funktionsflächen in seiner Geometrie vollständig fertig bearbeitete Werkstück chemisch entgratet. Dieses Entgraten führt dazu, dass die eventuell durch die spanende Bearbeitung vorhandenen Grate entfernt werden. Als erfindungsgemäßer „Zusatzeffekt“ werden durch das chemische Entgraten auch die Oberflächen, insbesondere der Funktionsflächen (Verzahnung, Laufläche einer Dichtung, Linearführung, Nocken einer Nockenwelle, ...) geglättet und verrundet, so dass sich die tribologischen Eigenschaften der Funktionsflächen verbessern.
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Es hat sich bei Versuchen herausgestellt, dass sich durch das chemische Entgraten die Rauigkeit auf weniger als 25% des durch die spanende Bearbeitung erzielten Rauigkeitswerts reduzieren lässt. Diese durch das chemische Entgraten reduzierten Rauigkeitswerte sind meist ausreichend.
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Anschließend wird die Funktionsfläche in einem vierten Verfahrensschritt 105 durch das erfindungsgemäße Härten im Vakuum in ihrer Oberflächenhärte auf die gewünschten Werte gebracht. Die erfindungsgemäße Verfahrensführung führt dazu, dass die Werkstücke nach dem Härten nur einen sehr geringen Verzug aufweisen und keine Nachbearbeitung erforderlich ist.
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Weil die Rauigkeit der Funktionsfläche durch das chemische Entgraten klein genug ist und das Härten wenn überhaupt nur einen sehr geringen Verzug verursacht, muss das Werkstück nach dem Härten nicht mehr geschliffen oder geläppt werden. Am Ende des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens steht zum Beispiel eine Verzahnung zur Verfügung, die hinsichtlich Belastbarkeit, Lebensdauer und Wirkungsgrad einer konventionellen Verzahnung mit gehärteten Zähnen, die nach dem Härten geschliffen und/oder geläppt wurden, in nichts nachsteht. Entsprechendes gilt für die anderen Funktionsflächen.
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Es kann nicht immer ausgeschlossen werden, dass eine Flächen (zum Beispiel Bohrungen. Lagersitze oder ähnliches geschliffen oder durch Hartdrehen bearbeitet werden.
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In der 2 sind verschiedene Abkühlkurven beim Einsatzhärten im Vakuum dargestellt. Auf der X-Achse ist die Zeit t dargestellt, während auf der Y-Achse die Temperatur dargestellt ist. In den Figuren gibt es zwei Temperaturgrenzen, nämlich eine obere Temperatur-Grenze Ac3-Kern und eine untere Temperatur-Grenze Ac3-Rand.
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Die Temperatur-Grenze Ac3 beschreibt -wie bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert, die Temperatur bei der die Umwandlung des Ferrits in Austenit vollständig sttattfindet.
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Das Einsatzhärten lässt sich in drei Phasen einteilen. Das Aufkohlen 111, das Abschrecken 113 und das Anlassen 115. Bei allen drei dargestellten alternativen Temperaturführungen in den 2a, b und c findet das Aufkohlen bei einer Temperatur statt, die größer ist als die Temperatur Ac3, so dass der Kohlenstoff aus dem kohlenstoffhaltigen Gas optimal in die Oberfläche des Werkstücks diffundieren kann. Die Haltedauer beim Aufkohlen muss selbstverständlich in Abhängigkeit von der Aufkohlungstiefe bestimmt werden.
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Bei der ersten Variante gemäß 2a erfolgt das Abschrecken 113 unmittelbar nach dem Ende des Aufkohlens. In einem gewissen zeitlichen Abstand zum Abschrecken erfolgt ein Anlassen 115, um Spannungen abzubauen und die gewünschte Härte an den Funktionsflächen einzustellen.
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In einer alternativen Ausgestaltung gemäß 2b wird nach dem Ende des Aufkohlens die Temperatur des Werkstücks leicht abgesenkt und zwar so weit, bis die gewünschte Abschrecktemperatur erreicht ist. Anschließend erfolgt in gleicher Weise das Abschrecken 113 bzw. das Anlassen 115.
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Bei der Ausgestaltung gemäß der 2c schließt sich an das Aufkohlen 111 eine isotherme Gefügeumwandlung 117 an, die bei einer Temperatur unterhalb der Abschrecktemperatur stattfindet. Danach wird das Werkstück aufgeheizt, bis es die Abschrecktemperatur erreicht hat. Anschließend finden das Abschrecken und das Anlassen statt.
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Das Gasaufkohlen bei niedrigem Druck hat unter anderem den Vorteil, dass die chemisch entgratete Oberfläche des Werkstücks bei Einsatzhärten erhalten bleibt. Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, das Abschrecken mit Gas, insbesondere mit Stickstoff, der unter hohem Druck steht, durchzuführen. Der Verzug der Werkstücke wird dadurch minimiert und andererseits bleibt die Oberfläche makellos.
