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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Normalisieren von untereutektoiden Stählen, sowie ein Bauteil aus normalisiertem untereutektoidem Stahl.
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Stand der Technik
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Die mechanischen Eigenschaften von Stählen können durch Normalisierung verbessert werden. Dabei werden durch Wärmebehandlungen Phasenumwandlungen durchlaufen, wodurch sich eine Kornfeinung ergibt.
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Beispielsweise sind Wärmebehandlungen zur Verbesserung der Güte von Schweißnähten aus der
DD 158407 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Normalisieren von untereutektoiden Stählen, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- a) Glühen von zumindest einem Bauteil aus einem untereutektoiden Stahl bei einer Austenitisierungstemperatur,
- b) Glühen des Bauteils bei einer Kornneubildungstemperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur,
- c) Gegebenenfalls Glühen des Bauteils bei der Austenitisierungstemperatur,
- d) Abkühlen des Bauteils,
wobei das Glühen bei der Austenitisierungstemperatur und das Glühen bei der Kornneubildungstemperatur durch induktives Heizen erreicht wird, wobei bevorzugt die Verfahrensschritte b) und c) alternierend wiederholt werden.
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Im Gegensatz zu bekannten Normalisierungsmethoden, die auch zur Behandlung von untereutektoiden Stählen verwendet werden können, kann durch das vorgeschlagene Verfahren eine bessere Kornfeinung erreicht werden. Durch die Temperaturführung mittels induktiven Heizens kann erreicht werden, dass die Temperaturen der Verfahrensschritte besonders rasch erreicht werden. Dadurch kann erreicht werden, dass vorzeitige Keimbildung und Keimwachstum vor Erreichen der erwünschten Temperatur unterdrückt wird und schnell eine hohe und homogene Keimbildungsrate erreicht wird. Somit kann erreicht werden, dass sich besonders viele kleine Körner bilden, wodurch sich eine hohe Kornfeinung und daraus resultierende verbesserte mechanische Eigenschaften ergeben.
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Ferner kann im Gegensatz zu bekannten Verfahren durch die induktive Verfahrensführung eine genauere Temperaturkontrolle erreicht werden. Dadurch wird es möglich im Gegensatz zu bekannten Verfahren das Normalisieren vom Austenit auch über ein Austenit-Ferrit-Gefüge statt über ein Ferrit-Zementit- bzw. Perlit-Gefüge zu realisieren.
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Es wird somit ein Verfahren zum Normalisieren von untereutektoiden Stählen vorgesch lagen.
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Unter Normalisieren ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Kornfeinung durch Phasenumwandlungen zu verstehen.
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Unter untereutektoiden Stählen sind im Sinne der vorliegenden Erfindung Werkstoffe zu verstehen, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elementes, und deren Kohlenstoffgehalt kleiner 0,8 Gew.-% ist.
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Unter der Austenitisierungstemperatur ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Temperatur in einem Bereich zu verstehen, in dem der untereutektoide Stahl Austenit als thermodynamisch stabile Phase aufweist bzw. ausbildet.
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Unter Austenit ist im Sinne der vorliegenden Erfindung die kubisch flächenzentrierte Modifikation von Stahl zu verstehen.
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Unter der Kornneubildungstemperatur ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Temperatur in einem Bereich zu verstehen, in dem der untereutektoide Stahl Austenit und eine zweite Phase als thermodynamisch stabile Phase aufweist, insbesondere Ferrit.
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Unter Ferrit ist im Sinne der vorliegenden Erfindung die kubisch raumzentrierte Modifikation von Stahl zu verstehen.
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Unter induktivem Heizen ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Heizen durch Induzieren von Wirbelströmen in dem zu heizenden Material zu verstehen. Das induktive Heizen kann dabei beispielsweise durch mit Wechselstrom durchflossenen Spulen (Induktor) erfolgen, wodurch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, das in dem zu heizenden Material die Wirbelströme erzeugt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:
- a) Glühen von zumindest einem Bauteil aus einem untereutektoiden Stahl bei einer Austenitisierungstemperatur,
- b) Glühen des Bauteils bei einer Kornneubildungstemperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur,
- c) Gegebenenfalls Glühen des Bauteils bei der Austenitisierungstemperatur,
- d) Abkühlen des Bauteils,
wobei das Glühen bei der Austenitisierungstemperatur und das Glühen bei der Kornneubildungstemperatur durch induktives Heizen erreicht wird, wobei bevorzugt die Verfahrensschritte b) und c) alternierend wiederholt werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Kornfeinung von untereutektoiden Stählen erreicht werden. Dadurch kann die mechanische Festigkeit, beispielsweise die Schwingfestigkeit und/oder das Sprödbruchverhalten, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, verbessert werden.
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Erfindungsgemäß wird zunächst ein Bauteil aus untereutektoidem Stahl bei einer Austenitisierungstemperatur geglüht.
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Durch das Glühen bei der Austenitisierungstemperatur wandelt sich das Bauteil aus untereutektoidem Stahl im Wesentlichen in Austenit um. Die Temperatur wird dabei durch induktives Heizen erreicht, weswegen die Temperatur vorteilhafterweise sehr schnell erreicht werden kann und besonders homogen im Bauteil erreicht werden kann.
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Anschließend wird das Bauteil aus untereutektoidem Stahl erfindungsgemäß bei einer Kornneubildungstemperatur geglüht.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass sich im Bauteil Ferritkörner bilden. Durch die Ausbildung der Ferritkörner wird insgesamt eine Kornfeinung erreicht, die sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils auswirken kann. Durch das induktive Heizen kann dabei vorteilhafterweise eine genaue Einstellung der Kornneubildungstemperatur erreicht werden. Ferner kann durch das induktive Heizen erreicht werden, dass die Kornneubildungstemperatur besonders rasch erreicht werden kann. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass eine frühzeitige Kornbildung, bevor die gewünschte Temperatur erreicht ist, unterdrückt werden kann, insbesondere kinetisch. Somit kann erreicht werden, dass bei Erreichen der Kornneubildungstemperatur die Keimbildungsrate besonders hoch ist, wodurch eine besonders hohe Anzahl an Keimen gebildet werden kann. Dadurch kann insgesamt die Korngröße besonders klein sein und das Gefüge besonders homogen.
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Anschließend kann das Bauteil aus untereutektoidem Stahl gegebenenfalls wieder bei der Austenitisierungstemperatur geglüht werden.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass sich die im Bauteil ausgebildeten Ferritkörner wieder in Austenit umwandeln. Dabei erhält der Austenit eine feinere Kornstruktur, indem die Korngrenzen der zuvor gebildeten Ferritkörner als Austenitkörner im Wesentlichen erhalten bleiben.
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Anwendungsbedingt kann bevorzugt sein, dass nach Verfahrensschritt b) direkt Verfahrensschritt d) folgt. Somit kann anwendungsbedingt bevorzugt sein, dass nach dem Glühen bei der Kornneubildungstemperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur kein Glühen bei der Austenitisierungstemperatur erfolgt.
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Bevorzugt kann jedoch vorgesehen sein, dass nach Verfahrensschritt b) Verfahrensschritt c) folgt. Dadurch kann erreicht werden, dass das Bauteil insgesamt als Austenit vorliegt und ein besonders homogenes Gefüge erreicht wird.
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In Verfahrensschritt d) wird das Bauteil dann abgekühlt.
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Unter einem Abkühlen des Bauteils wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Reduzieren der Temperatur, insbesondere auf Raumtemperatur verstanden. Dadurch kann die Wärmebehandlung beendet werden.
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Im Ergebnis kann durch das vorbeschriebene Verfahren vorteilhafterweise erreicht werden, dass der untereutektoide Stahl eine besonders feine Kornstruktur aufweist. Dadurch kann das Bauteil besonders gute mechanische Eigenschaften aufweisen.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Verfahrensschritte b) und c) alternierend wiederholt werden. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Verfahrensschritte b) und c) zumindest zwei Mal, insbesondere zumindest zehn Mal, durchgeführt werden.
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Durch das mehrfach alternierende Wiederholen kann eine besonders feine Körnung des Bauteils erreicht werden. Dadurch, dass das Glühen durch induktives Heizen erreicht wird, können die Verfahrensschritte b) und c) dabei vorteilhafterweise besonders schnell hintereinander durchgeführt werden. Somit kann erreicht werden, dass für eine gegebene Verfahrenszeit die Verfahrensschritte besonders oft alterniert werden können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt d) zeitlich unmittelbar auf einen Verfahrensschritt c) folgt. In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt d) zeitlich unmittelbar auf einen Verfahrensschritt b) folgt. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass das alternierende Wiederholen der Verfahrensschritte b) und c) entweder mit Verfahrensschritt b) oder mit Verfahrensschritt c) endet.
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Dadurch kann vorteilhafterweise weiter Einfluss auf das Gefüge des Bauteils genommen werden.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Verfahrensschritte chronologisch von a) bis d) nacheinander durchgeführt werden.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Austenitisierungstemperatur eine Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 800°C bis kleiner oder gleich 1100 °C ist.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass eine vollständige Umwandung in Austenit besonders gut erreicht werden kann.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Kornneubildungstemperatur eine Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 723°C bis kleiner oder gleich 911°C ist.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass eine besonders vorteilhafte Keimbildungsrate im Bauteil vorherrscht. Zudem kann dadurch verhindert werden, dass unerwünschter Perlit oder Zementit entsteht.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Kornneubildungstemperatur in einem Bereich von größer oder gleich 10°C bis kleiner oder gleich 188°C kleiner ist als die Austenitisierungstemperatur.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass der Abstand zwischen den Temperaturen groß genug ist, um eine rasche Keimbildung und eine rasche Umwandlung in Austenit zu erreichen. Ferner kann dadurch erreicht werden, dass der Abstand zwischen den Temperaturen klein genug ist, um durch das induktive Heizen sehr schnell von einer Temperatur zur anderen Temperatur zu gelangen.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass zumindest einer, vorzugsweise zumindest zwei, besonders bevorzugt drei, von Verfahrensschritten a), b) und c) für eine Dauer in einem Bereich von größer oder gleich 1 s bis kleiner oder gleich 1 min durchgeführt wird.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die Verfahrensschritte nicht übermäßig lange durchgeführt werden, jedoch ausreichend lange um den gewünschten Effekt mit hoher Effizienz zu erreichen.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt a) für eine Dauer in einem Bereich von größer oder gleich 1 s bis kleiner oder gleich 1 min durchgeführt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass das Bauteil vorteilhafterweise nach Verfahrensschritt a) im Wesentlichen vollständig als Austenit vorliegt.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt b) für eine Dauer in einem Bereich von größer oder gleich 1 s bis kleiner oder gleich 1 min durchgeführt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass sich vorteilhafterweise viele Ferritkörner bilden, diese jedoch vorteilhafterweise nicht besonders groß werden, bevor Verfahrensschritt b) beendet ist.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass Verfahrensschritt c) für eine Dauer in einem Bereich von größer oder gleich 1 s bis kleiner oder gleich 1 min durchgeführt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass sich vorteilhafterweise im Wesentlichen alle Ferritkörner wieder in Austenitkörner umwandeln.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Abkühlen des Bauteils ein langsames Abkühlen des Bauteils umfasst, bevorzugt auf Raumtemperatur. Unter einem langsamen Abkühlen wird im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Verringerung der Temperatur verstanden von kleiner oder gleich 20°C/min, insbesondere bis größer oder gleich 1°C/min, besonders bevorzugt von kleiner oder gleich 5°C/min.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das Bauteil besonders gute Kaltverformungseigenschaften aufweist.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass das Abkühlen des Bauteils ein Abschrecken des Bauteils umfasst, bevorzugt auf Raumtemperatur, vorzugsweise bei einem Abschreckdruck in einem Bereich von größer oder gleich 1 bar bis kleiner oder gleich 40 bar, insbesondere mit einem Abschreckmedium ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Argon, Helium und Mischungen davon.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das Bauteil härtesteigernde martensitische Ausscheidungen bildet, wobei vorteilhafterweise die Kornstruktur des Bauteils erhalten bleibt.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Abkühlen des Bauteils nach dem Abschrecken des Bauteils ein Tiefkühlen des Bauteils umfasst bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich -273°C bis kleiner oder gleich -70°C, bevorzugt für eine Dauer in einem Bereich von größer oder gleich 30 min bis kleiner oder gleich 60 min.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass der Restaustenitanteil des Bauteils reduziert wird. Somit kann durch das vorbeschriebene Tiefkühlen erreicht werden, dass das Bauteil zum größten Teil als Martensit vorliegt.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Verfahren nach dem Abkühlen ein Anlassen des Bauteils umfasst, vorzugsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 150°C bis kleiner oder gleich 600°C.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass Spannungen im Bauteil gelöst werden, ohne die Gefügezusammensetzung des Bauteils weiter zu verändern.
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Mit der Erfindung wird ferner ein Bauteil aus untereutektoidem Stahl vorgeschlagen, wobei das Bauteil nach dem vorbeschriebenen Verfahren normalisiert wurde.
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Ein derartiges Bauteil weist die Vorteile auf, dass das Bauteil eine besonders feine Kornstruktur aufweist. Dadurch können die Bauteile eine verbesserte mechanische Festigkeit, beispielsweise eine verbesserte Schwingfestigkeit und ein verbessertes Sprödbruchverhalten bei niedrigen Temperaturen aufweisen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und Bauteils werden durch die Figuren veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es zeigt:
- 1 Ein schematisches Zeitdiagramm zum Normalisieren eines Bauteils aus untereutektoidem Stahl;
- 2a, 2b und 2c Die schematische Zusammensetzung des Bauteils nach den Verfahrensschritten a), b) und c).
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1 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der Temperatur des erfindungsgemäßen Verfahrens. In 2a, 2b und 2c ist schematisch die Zusammensetzung des Bauteils nach den entsprechenden Verfahrensschritten gezeigt.
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In einem ersten Verfahrensschritt a wird das Bauteil 1 aus dem untereutektoiden Stahl auf eine Austenitisierungstemperatur 2 von beispielsweise 1000°C gebracht. Der untereutektoide Stahl weist beispielsweise einen Kohlenstoffgehalt von 0,6 Gew.-% auf. Die Austenitisierungstemperatur 2 wird dabei durch Induktion von Wirbelströmen im Bauteil 1 erreicht. Nachdem das Bauteil 1 beispielsweise für 20 Sekunden bei der Austenitisierungstemperatur 2 gehalten wurde liegt das Bauteil 1 im Wesentlichen als Austenit 3 vor (2a).
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Anschließend wird das Bauteil 1 in Verfahrensschritt b rasch auf die Kornneubildungstemperatur 4 von beispielsweise 730°C abgekühlt, wobei die Temperatur ebenfalls durch Induktion von Wirbelströmen im Bauteil 1 erreicht wird. Das Bauteil 1 wird beispielsweise für 10 Sekunden bei der Kornneubildungstemperatur 4 gehalten, wobei sich eine Vielzahl von Ferritkörnern 5 in dem Bauteil 1 ausbilden (2b).
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Dann wird das Bauteil 1 in Verfahrensschritt c wieder rasch auf die Austenitisierungstemperatur 2 durch induktives Heizen erhitzt und beispielsweise 10 Sekunden bei der Temperatur gehalten, wobei sich die Ferritkörner 5 in Körner aus Austenit 3 umwandeln (2c). Die Kornstruktur des Bauteils 1 bleibt dabei erhalten.
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Verfahrensschritte b und c werden beispielsweise insgesamt 2 Mal wiederholt. Dabei findet eine weitere Kornfeinung statt.
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Darauffolgend wird das Bauteil in Verfahrensschritt d abgekühlt. Das Abkühlen d umfasst dabei zunächst ein Abschrecken 6 auf Raumtemperatur und ein anschließendes Tiefkühlen 7 auf eine Tiefkühltemperatur 8 von beispielweise - 90°C.
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Zuletzt erfolgt ein Anlassen e bei einer Anlasstemperatur 9 von beispielsweise 400°C.
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Das resultierende Bauteil weist im Gegensatz zu Bauteilen, die auf bekannte Weise normalisiert werden, eine besonders feine Kornstruktur auf und somit besonders gute mechanische Eigenschaften.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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