DE102018122901A1 - Verfahren zur Herstellung ultrahochfester Stahlbleche und Stahlblech hierfür - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ultrahochfesten, warmgewalzten Baustahls, wobei ein Stahl erzeugt wird, dessen Kohlenstoffgehalt nicht größer als 0,2 % ist, wobei zur Vermeidung einer diffusiven Umwandlung des Austenits eine ausreichende Umwandlungsverzögerung durch die Zugabe von Mangan, Chrom und Bor erreicht wird und, wobei das Stahlmaterial in bekannter Weise vergossen wird und das vergossene Material zum Zwecke des Warmwalzens einer Temperaturerhöhung unterzogen wird, wobei das Band nach dem Walzprozess unmittelbar direkt gehärtet wird, wobei sich das Martensitgefüge aus dem verformten Austenit bildet und das so erzeugte Material anschließend mechanisch gerichtet wird um bewegliche Versetzungen bereitzustellen, wobei das Material anschließend zur Einstellung der gewünschten Streck- bzw. Dehngrenze unter gleichzeitiger Wahrung der nach dem Direkthärten vorhandenen Zugfestigkeits- Zähigkeits und Umformeigenschaften angelassen wird, wobei die Anlasstemperatur zwischen 100 und 200 ° C liegt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen ultrahochfester warmgewalzter Stahlbleche und ein warmgewalztes Stahlblech sowie Verwendung hiervon.
- Warmgewalzte Baustähle mit Mindest-Streckgrenzen über 960 MPa sind in einschlägigen Normenwerken nicht erfasst (EN 10025, EN 10049). Derzeit gibt es unter verschiedenen Markennamen Baustähle mit derart hohen Streckgrenzen zwar am Markt, jedoch ist die Herstellung aufwändig. Zur Erzielung der geforderten Festigkeiten sind hohe Legierungsgehalte an Kohlenstoff und/oder an anderen Elementen notwendig. Ein hoher Kohlenstoffgehalt und insbesondere Kohlenstoffgehalte über 0,22% verschlechtern die Schweißbarkeit solcher Stähle jedoch spürbar. Hohe Gehalte an umwandlungsverzögernden Elementen, wie Molybdän oder Nickel, sind teuer bzw. ressourcenverbrauchend, erhöhen die Zunderanfälligkeit oder führen zu hohen Walzkräften.
- Derartige Stähle werden üblicherweise warmgewalzt und mit einem nachfolgenden Härteschritt gehärtet. Ein solcher eigenständiger Härtungsprozess bedingt einen energieintensiven Wiedererwärmprozess. Außerdem sind aufgrund von Kornwachstum beim Wiedererwärmen und dem Fehlen von Kornfeinungsprozessen durch Rekristallisation des Austenitgefüges die erzielbaren minimalen Austenitkorngrößen begrenzt.
- Aus der
WO2017/016582 A1 - Aus der
WO2017/041862 A1 - Aus der
EP 22 67 177 B1 ist eine hochfeste Stahlplatte bekannt mit 0,18 bis 0,23 Masse-% Kohlenstoff, wobei der Schweiß- und Empfindlichkeitsindex PCM der Platte 0,36 Masse-% oder weniger betragen soll und der Ac3-Umwandlungspunkt gleich oder weniger als 830°C betragen soll. Die Mikrostruktur soll mehr als 90% Martensit enthalten und die Streckgrenze höher als 1300 MPa sein, wobei die Zugfestigkeit größer 1400 MPa, aber weniger als 1650 MPa sein soll. Bei diesen Blechen handelt es sich offenbar um Quartobleche, die einem klassischen Härteprozess unterworfen werden. - Aus der
WO2017/104995 A1 - Aus der
EP 2576848 B1 ist ein direkt gehärtetes Warmband mit gestrecktem PAG bekannt, das bei 200 bis 700°C anlassgeglüht wird. Die Streckgrenze soll hierbei größer 890 MPa liegen, wobei der Kohlenstoffgehalt mit 0,075 bis 0,12% relativ niedrig ist. - Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines ultrahochfesten, warmgewalzten Baustahls zu schaffen, mit dem kosten- und ressourceneffizient gearbeitet werden kann, eine hervorragende Schweißbarkeit sichergestellt wird und Blechdicken von 2 mm und darüber realisierbar sind.
- Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
- Die Aufgabe wird darüber hinaus auch mi einem Produktmit den Merkmalen des Anspruch 10 gelöst.
- Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
- Bei der Erfindung wird ein Stahlmaterial mit angepassten Legierungselementgehalten verwendet, welches nach dem Erschmelzen und Erhitzen zum Zwecke des Warmwalzens warmgewalzt und direktgehärtet wird.
- Anschließend wird das so erzielte gehärtete Material einem Richtprozess unterworfen und anschließend mit einer erfindungsgemäßen speziellen Anlassbehandlung angelassen.
- Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass zur Steigerung der Festigkeit beim Anlassen eine zuvor erfolgte plastische Verformung notwendig ist, so dass eine hohe Versetzungsdichte im Martensit erzeugt wird und ein entsprechendes Angebot an zwangsgelöstem Kohlenstoff im Gefüge bevorratet wird
- Erfindungsgemäß wird in einem Temperaturbereich von 120 bis 200° für 1 bis 30 Minuten, vorzugsweise bei 170°C für 5 Minuten angelassen. Hierdurch konnte überraschend erreicht werden, dass die Dehngrenze
Rp 02 ansteigt, ohne dass die ZugfestigkeitRm absinkt. Wird eine Obergrenze für die Anlassbehandlung von 200°C eingehalten, ergibt sich auch keine Zähigkeitsverminderung. Unterhalb von 100°C Anlasstemperatur ergibt sich in technisch relevanten Zeiträumen kein messbarer Effekt für die Streckgrenze und oberhalb von 200°C wurden Erweichungen festgestellt. - Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert, es zeigen dabei:
-
1 : den Einfluss der Anlasstemperatur auf mechanische Kernwerte; -
2 : den schematischen Prozessablauf im Stand der Technik; -
3 : den erfindungsgemäßen schematischen Prozessablauf. -
1 zeigt den Einfluss der Anlasstemperatur auf die Dehngrenze Rp02,die Zugfestigkeit Rm und die BruchdehnungA5 (Haltezeit: 5 Minuten). Der Ausgangszustand ist direktgehärtetes und gerichtetes Material. -
2 zeigt einen schematischer Prozessablauf bei der Herstellung vergüteter Bleche nach dem Stand der Technik. Nach dem Warmwalzen kühlt das Walzgut vergleichsweise langsam ab, sodass eine martensitische Umwandlung des Austenits nicht oder nur zu geringen Teilen erfolgt. Im nachfolgenden Härtungsprozess wird der Werkstoff austenitisiert und mit einer ausreichend hohen Kühlrate abgeschreckt um ein martenisitisches Gefüge zu erhalten. Optional kann nachfolgend ein Anlassschritt bei 500-650°C vorgenommen werden, zur Einstellung der angestrebten mechanischen Eigenschaften. - Bezüglich der chemischen Zusammensetzung wird insbesondere ein Stahl mit der folgenden Zusammensetzung verwendet (alle Angaben in M-%):
- C = 0,09 bis 0,20
- Si = 0,10 bis 0,50
- Mn = 1,0 bis 3,0
- P = max. 0,0150
- S = max. 0,0050
- AI = 0,015 bis 0,055
- Cr = 0, 2 bis 1,0
- Ni = max. 0,5
- Mo = max. 0,3
- V = max. 0,12
- Nb = max. 0,035
- B = 0,0008 bis 0,0040
- N = max. 0,0100
- Ti = 0,015 bis 0,030
- optional: Ca = 0,0010 bis 0,0040
- Rest Eisen und erschmelzungsbedingte, unvermeidliche Verunreinigungen.
- Hierbei ist Kohlenstoff maßgeblich für die Werkstofffestigkeit in direktgehärtetem Zustand verantwortlich, wobei Gehalte größer 0,2%, hinsichtlich der Schweißeignung vermieden werden sollen. Eine ausreichende Umwandlungsverzögerung, d.h. die Vermeidung einer diffusiven Umwandlung des Austenits ist zur Erreichung eines martensitischen Gefüges notwendig. Dies wird im vorliegenden Fall durch die Elemente Mangan, Chrom und Bor erreicht. Eine Notwendigkeit für teurere Elemente, wie Nickel oder Molybdän, besteht nicht. Die Bildung von Bornitriden würde zu einer unzulässigen Verminderung des Gehalts an gelöstem Bor führend. Um dies zu vermeiden, wird Titan zum Binden des freien Stickstoffs zugefügt.
- Bei der Herstellung der Schmelze im Stahlwerk sind geeignete Maßnahmen zu treffen, um den Gehalt der Elemente Phosphor und Schwefel sehr niedrig zu halten. Dies ist notwendig, um die geforderten guten Zähigkeitseigenschaften sicherzustellen.
- In der hier beschriebenen Ausprägung ist die Zugabe von Niob als rekristallisationshemmendes Element nicht notwendig.
- Bei der erfindungsgemäßen Legierung ist von Vorteil, dass der vergleichsweise geringe Gehalt umwandlungsverzögernder Elemente den Umformwiderstand gegenüber klassischen härtbaren Legierungen nach dem Stand der Technik reduziert. Hierdurch kann die minimale Erzeugnisdicke verringert werden.
- Der erfindungsgemäße Direkthärtungsprozess (siehe
3 ) schließt unmittelbar an den Warmwalzprozess an, wobei sich das Martensitgefüge aus dem verformten Austenit bildet. Aufgrund des Verzichts auf rekristallisationsverzögernde Legierungselemente ist das Austenitgefüge überwiegend rekristallisiert, fein und nur wenig gestreckt. Dieses feinkörnige ehemalige Austenitgefüge liefert einen zusätzlichen Festigkeitsbeitrag zum Martensit. Um diffusive Umwandlungen zu unterbinden, wird eine hohe Kühlrate angestrebt. Die Kühlrate beträgt mindestens 10 K/s, besonders bevorzugt 30 bis 100 K/s. Bei Erreichen der Kühlstopptemperatur (üblicherweise Raumtemperatur) müssen mindestens 95% des Austenits in Martensit umgewandelt sein. - Anschließend wird das so erzeugte Material mechanisch gerichtet und danach angelassen. Mechanisches Richten ist notwendig, um in ausreichendem Maße bewegliche Versetzungen bereitzustellen, die beim nachfolgenden Anlassprozess durch Kohlenstoff fixiert werden. Deshalb soll der Volumensanteil des Materials, das im Richtprozess die Fließgrenze überschreitet und folglich plastisch verformt ist nicht kleiner sein als 70%. Im Falle von Bandmaterial kombiniert das erforderliche Richten die vorgenannten Vorteile mit dem Erfordernis, bei der Herstellung von Tafelblechen die vorhandene Coilkrümmung zu entfernen.
- Der Anlassprozess dient der Einstellung der gewünschten Streck- bzw. Dehngrenze unter gleichzeitiger Wahrung der nach dem Direkthärten vorhandenen, vorteilhaften Zugfestigkeits-Zähigkeits- und Umformeigenschaften. Es konnte festgestellt werden, dass Anlasstemperaturen unter 100°C keinen nennenswerten Effekt verursachen, während Anlasstemperaturen oberhalb von 200°C zu merkbaren Erweichungserscheinungen führen. Dem entsprechend sind Anlasstemperaturen zwischen 100 und 200°C erfindungsgemäß angestrebt.
- Infolge des Anlassprozesses steigt der Quotient Rp02/Rm, das sogenannte Streckgrenzenverhältnis, gegenüber dem direktgehärteten und gerichteten Zustand überraschenderweise deutlich an und liegt im Intervall 0,87 bis 0,98 (Längszugproben).
- Als Stahlzusammensetzung ist erfindungsgemäß eine Zusammensetzung geeignet wie folgt, wobei alle Angaben in Masseprozent sind.
- C = 0,09 bis 0,20
- Si = 0,10 bis 0,50
- Mn = 1,0 bis 3,0
- P = max. 0,0150
- S = max. 0,0050
- AI = 0,015 bis 0,055
- Cr = 0, 2 bis 1,0
- Ni = max. 0,5
- Mo = max. 0,3
- V = max. 0,12
- Nb = max. 0,035
- B = 0,0008 bis 0,0040
- N = max. 0,0100
- Ti = 0,015 bis 0,030
- optional: Ca = 0,0010 bis 0,0040
- Rest Eisen und erschmelzungsbedingte, unvermeidliche Verunreinigungen.
- Insbesondere geeignet ist ein Stahl mit
- C = 0,16 bis 0,20
- Si = 0,10 bis 0,25
- Mn = 2,0 bis 2,4
- P = max. 0,0150
- S = max. 0,0015
- AI = 0,015 bis 0,055
- Cr = 0,2 bis 0,5
- Ni = max. 0,1
- Mo = max. 0,05
- V = max. 0,12
- Nb = max. 0,01
- Ti = 0,015 bis 0,030
- B = 0,0008 bis 0,0040
- N = max. 0,0080
- optional: Ca = 0,0010 bis 0,0040
- Rest Eisen und erschmelzungsbedingte unvermeidliche Verunreinigungen, wobei auch hier alle Prozentangaben so nicht anders angegeben in Masseprozent sind.
- Mit dem erfindungsgemäßen niedrigen Kohlenstoffgehalt kann in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Direkthärtung ein gewünschter Festigkeitsbereich von 1150 MPa bis 1500 MPa an Zugfestigkeit Rm abgedeckt werden. Dadurch dass Gehalte > 0,2 % vermieden werden, kann die Kaltrissanfälligkeit beim Schweißen unterbunden werden.
- Silizium ist ein wichtiges Element zum Desoxidieren des Stahls und führt zu Festigkeitssteigerungen. Siliziumgehalte > 0,1 Masse-% erleichtern die Erzielung niedriger Schwefelgehalte, erhöhen ab 0,25 Masse-% aber die Zunderanfälligkeit.
- Mangan ist ein wichtiges Element zur Umwandlungsverzögerung. In der erfindungsgemäßen Zusammensetzung sind andere umwandlungsverzögernde Elemente nicht oder nur in geringeren Gehalten zu legiert, weshalb bevorzugt ein Mangangehalt > 2 % legiert wird, um beim erfindungsgemäßen Direkthärten ein martensitisches Gefüge zu erreichen.
- Bei größeren Erzeugnisdicken und damit geringeren Kühlraten kann es erfindungsgemäß sinnvoll sein, den Mangangehalt auf bis zu 3 % anzuheben. Das in der erfindungsgemäßen Mischung vorhandene Aluminium ist ein wichtiges Element zum Desoxidieren, wird jedoch bei der vorliegenden Erfindung anders als im Stand der Technik nicht zum Abbinden des Stickstoffes verwendet, da hierfür Titan verwendet wird. Dementsprechend ist der Gehalt gewählt.
- Ein weiteres wichtiges Element zur Umwandlungsverzögerung ist Chrom, welches günstiger als Molybdän und Nickel ist, wobei höhere Chromgehalte eine Zunderanfälligkeit erhöhen, jedoch die Anlassbeständigkeit verbessern.
- Vanadium ist erfindungsgemäß nicht zwingend notwendig, kann jedoch zugesetzt werden um die Anlassbeständigkeit in Bereichen lokaler Wärmeeinwirkung zu heben, wobei Gehalte > 0,12 % die Zähigkeit verschlechtern und vermieden werden sollen.
- Der angegebene Gehalt an Niob ist ebenfalls nicht zwingend notwendig, jedoch kann es zur zusätzlichen Kornfeinerung eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Direkthärten ist jedoch mit Gehalten > 0,035 Masse-% nicht zuverlässig, da die Härtbarkeit vermindert wird.
- Das in dem erfindungsgemäßen Stahl vorhandene Titan bindet den Stickstoff zu Titannitrid und verhindert damit die Bildung von Bornitrid, welches die Härtbarkeit stark reduzieren würde.
- Das vorhandene Bor ist ein wichtiges Element zur Umwandlungsverzögerung.
- Gegebenenfalls kann Calcium zugesetzt werden, um eine Sulfidformbeeinflussung durchzuführen, wodurch stark gestreckte Mangansulfide effektiv verhindert werden. In diesem Fall soll der Ca-Gehalt nicht geringer sein als 0,0010, da sonst keine ausreichende Sulfidformbeeinflussung gewährleistet ist. Weiters soll der Ca-Gehalt 0,0040 nicht überschreiten, um eine Herabsetzung der Zähigkeit zu vermeiden.
- Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass durch die spezielle Auswahl der Stahlzusammensetzung einerseits und andererseits durch die Direkthärtung mit einem nachfolgenden mechanischen Richtprozess und einer entsprechenden Anlassbehandlung im Bereich zwischen 100 und 200°C sehr zuverlässig höherfeste Baustähle erreicht werden, welche gut schweißbar sind.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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Claims (14)
- Verfahren zur Herstellung eines ultrahochfesten, warmgewalzten Baustahls, wobei ein Stahl erzeugt wird, dessen Kohlenstoffgehalt nicht größer als 0,2 % ist, wobei zur Vermeidung einer diffusiven Umwandlung des Austenits eine ausreichende Umwandlungsverzögerung durch die Zugabe von Mangan, Chrom und Bor erreicht wird, wobei das Stahlmaterial in bekannter Weise vergossen wird und das vergossene Material zum Zwecke des Warmwalzens einer Temperaturerhöhung unterzogen wird, wobei das Band nach dem Walzprozess unmittelbar direkt gehärtet wird, wobei sich das Martensitgefüge aus dem verformten Austenit bildet und das so erzeugte Material anschließend mechanisch gerichtet wird um bewegliche Versetzungen bereitzustellen, wobei das Material anschließend zur Einstellung der gewünschten Streck- bzw. Dehngrenze unter gleichzeitiger Wahrung der nach dem Direkthärten vorhandenen Zugfestigkeits-, Zähigkeits- und Umformeigenschaften angelassen wird, wobei die Anlasstemperatur zwischen 100 und 200 ° C liegt.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in einem Temperaturbereich von 120 bis 200 ° C für 1 bis 30 Minuten und insbesondere bei 170 ° C für 5 Minuten angelassen wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahl mit der folgenden Zusammensetzung verwendet wird, wobei alle Angaben in Masseprozent sind: C = 0,09 bis 0,20 Si = 0,10 bis 0,50 Mn = 1,0 bis 3,0 P = max. 0,0150 S = max. 0,0050 AI = 0,015 bis 0,055 Cr = 0, 2 bis 1,0 Ni = max. 0,5 Mo = max. 0,3 V = max. 0,12 Nb = max. 0,035 B = 0,0008 bis 0,0040 N = max. 0,0100 Ti = 0,015 bis 0,030 optional: Ca = 0,0010 bis 0,0040 Rest Eisen und erschmelzungsbedingte, unvermeidliche Verunreinigungen. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahl mit der folgenden Zusammensetzung verwendet wird, wobei alle Angaben in Masseprozent sind: C = 0,16 bis 0,20 Si = 0,10 bis 0,25 Mn = 2,0 bis 2,4 P = max. 0,0150 S = max. 0,0015 AI = 0,015 bis 0,055 Cr = 0,2 bis 0,5 Ni = max. 0,1 Mo = max. 0,05 V = max. 0,12 Nb = max. 0,01 Ti = 0,015 bis 0,030 B = 0,0008 bis 0,0040 N = max. 0,0080 optional: Ca = 0,0010 bis 0,0040 Rest Eisen und erschmelzungsbedingte, unvermeidliche Verunreinigungen.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass zur Vermeidung von der Bildung von Bornitriden Titan zum Binden des freien Stickstoffs zugefügt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass zur Vermeidung einer diffusiven Umwandlung des Austenits zur Erreichung eines martensitischen Gefüges eine ausreichende Umwandlungsverzögerung eingestellt wird durch die Elemente Mangan, Chrom und Bor.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass der Direkthärtungsprozess so durchgeführt wird, dass mit einer hohen Kühlrate von mindestens 5 K/sek bevorzugt mit 30 K/sek bis 100 K/sek gekühlt wird, sodass beim Erreichen der Kühlstopptemperatur mindestens 95 % des Austenits in Martensit umgewandelt sind.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass das mechanische Richten so durchgeführt wird, dass zur Bereitstellung eines ausreichenden Maßes an beweglichen Versetzungen der Volumenanteil des Materials, welches in Richtprozess die Fließgrenze überschreitet und plastisch verformt ist nicht unter 70 Vol- % liegt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass das Anlassen so durchgeführt wird, dass der Quotient Rp02/Rm, dass sogenannte Streckengrenzverhältnis zwischen 0,87 bis 0,98 gemessen an Längszugsproben beträgt.
- Stahlblech, welches ein warmgewalztes Stahlblech ist, wobei das Stahlblech, eine chemische Zusammensetzung, in Masseprozent umfasst, C = 0,09 bis 0,20 Si = 0,10 bis 0,50 Mn = 1,0 bis 3,0 P = max. 0,0150 S = max. 0,0050 Al = 0,015 bis 0,055 Cr = 0, 2 bis 1,0 Ni = max. 0,5 Mo = max. 0,3 V = max. 0,12 Nb = max. 0,035 B = 0,0008 bis 0,0040 N = max. 0,0100 Ti = 0,015 bis 0,030 optional: Ca = 0,0010 bis 0,0040 Rest Eisen und erschmelzungsbedingte, unvermeidliche Verunreinigungen.
- Stahlblech nach einem der
Ansprüche 10 , umfassend, C = 0,16 bis 0,20 Si = 0,10 bis 0,25 Mn = 2,0 bis 2,4 P = max. 0,0150 S = max. 0,0015 AI = 0,015 bis 0,055 Cr = 0,2 bis 0,5 Ni = max. 0,1 Mo = max. 0,05 V = max. 0,12 Nb = max. 0,01 Ti = 0,015 bis 0,030 B = 0,0008 bis 0,0040 N = max. 0,0080 optional: Ca = 0,0010 bis 0,0040 Rest Eisen und erschmelzungsbedingte, unvermeidliche Verunreinigungen. - Stahlblech nach einem der
Ansprüche 10 oder11 , wobei das warmgewalzte Stahlblech ein Gefüge aufweist welches zu mehr als 95% bevorzugt mehr als 99% Martensit, Rest Bainit und/oder Ferrit besteht. - Stahlblech nach einem der
Ansprüche 10 bis12 , wobei der Quotient Rp02/Rm, das sogenannte Streckengrenzverhältnis zwischen 0,87 bis 0,98 beträgt. - Verwendung des Stahlbleches nach einem der
Ansprüche 10 bis13 , hergestellt nach einem der Verfahrensansprüche 1 bis9 , wobei das Stahlblech als Material für Teleskoparme für Kräne oder als Material für Ausleger für Betonpumpen verwendet wird.
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