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Die
Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Elektrodenelemente für Plasmabrenner.
Ein solches Elektrodenelement ist besonders für das Plasmaschneiden, bei
dem als Plasmagas Sauerstoff Verwendung findet, geeignet.
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Solche
Elektroden sind beim Einsatz in Plasmabrennern thermisch und elektrisch
sehr hoch beansprucht, so dass sie nur begrenzte Lebensdauern erreichen
und ein kostenaufwändiger
Austausch der Elektroden in mehr oder weniger langen Zeitabständen erforderlich
ist.
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Insbesondere
die hohe thermische Belastung durch Temperaturen bis zu 50000 Kelvin
erfordern eine geeignete Konstruktion und eine geeignete Auswahl
der für
eine solche Elektrode verwendeten Materialien.
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So
werden bisher für
das Plasmaschneiden, unter Verwendung von Sauerstoff als Plasmagas, Elektroden,
die im Wesentlichen aus Hafnium bestehen, mit einer Schmelztemperatur
im Bereich von 2220°C
eingesetzt. Hafnium weist eine im Gegensatz zu vielen anderen elektrisch
leitenden Metallen niedrige Austrittsarbeit auf, so dass es für den Einsatz
besonders geeignet ist.
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In
der Regel werden solche stiftförmigen
Hafniumelektroden mit einer Kupferfassung eingesetzt und dabei die
hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit des Kupfers ausgenutzt.
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Bei
einer solchen Ausbildung muss jedoch die elektrische Stromkorrosion
(Elektromigration) und Diffusion, die den Übergangswiderstand zwischen
dem Hafnium und dem Kupfer dann vergrößert, klein gehalten werden.
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Insbesondere
beim Plasmaschneiden mit oxidierenden Gasen, wie dies der bereits
erwähnte Sauerstoff
ist, tritt beim Kupfer eine Oxidation auf, so dass die thermische
Leitfähigkeit
und der elektrische Übergangswiderstand
zwischen Kupfer und Hafnium negativ beeinflusst werden.
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Infolge
einer hohen Stromkorrosion und Oxidation ergibt sich eine erhöhte Leistungsumsetzung an
den Grenzen zwischen dem Hafnium und dem Kupfer, so dass die Prozesse
der Alterung beschleunigt fortschreiten.
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Durch
die verstärkte
Bildung von Kupferoxid auf dem Kupfermantel bei höheren Temperaturen
in unmittelbarer Nähe
des Hafniumkerns wird zusätzlich
die Austrittsarbeit des Kupfers verringert und es können demzufolge
auch aus dem Kupfer Elektronen emittiert werden. Dadurch kommt es
zu einem örtlichen
Aufschmelzen des Kupfers und demzufolge zur Unbrauchbarkeit einer
solchen Plasmaelektrode.
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Um
diesen Problemen entgegen zu wirken, wird nach dem Stand der Technik
Silber oder eine Silberlegierung eingesetzt. Silber weist ebenfalls
gute thermische und elektrische Leitfähigkeiten sowie eine höhere Austrittsarbeit
auf. Insbesondere ist die Oxidbildung bei Silber gegenüber Kupfer
bei höheren Temperaturen
geringer.
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Eine
entsprechende Lösung
ist in
EP 0 980 197
A2 beschrieben. Dabei soll ein Kupferhalter Verwendung
finden, in den in eine als Sackloch ausgebildete Aufnahme eine Silberhülse, die
aus einer ausgewählten
Silberlegierung besteht und einen in das Innere des Kupferhalters
weisenden geschlossenen Boden aufweist, eingepresst werden.
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In
diese Silberhülse
wird dann wieder eine stiftförmige
Elektrode aus Hafnium eingepresst.
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Ein
solcher Aufbau weist mehrere Nachteile auf. Dies betrifft zum einen
die aufwendige Herstellung, bei der die einzelnen Elemente gesondert
und teilweise durch zerspanende Bearbeitung gefertigt werden müssen. Die
drei einzelnen Teile müssen dann
zu einem Element zusammengefügt
werden, wobei hohe Anforderungen beim Fügen und dem Handling wegen
der relativ kleinformatigen Silberhülse und dem Hanfniumstift erfüllt werden
müssen.
Außerdem
muss das mechanische Einpressen der Silberhülse und des Hafniumstiftes
sehr sorgfältig durchgeführt werden.
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Trotzdem
kann lediglich ein lokal begrenzter Kontakt zwischen Kupfer, Silber
und Hafnium erreicht werden, so dass sich insbesondere diese punktförmigen Berührungen
negativ in Bezug auf die bereits erwähnte Stromkorrosion auswirken
und selbstverständlich
auch die Wärmeleitfähigkeit
entsprechend negativ beeinflusst wird.
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Dementsprechend
wird mit einer solchen Lösung
die gegenüber
bis dahin bekannten für
Plasmabrenner genutzten Elektroden geringfügig erhöhte Lebensdauer durch deutlich
höhere
Herstellungskosten weitestgehend kompensiert.
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Aus
DE 690 22 377 T2 ist
eine Elektrode für Plasmabrenner
mit verlängerter
Lebensdauer bekannt. Diese ist im Wesentlichen hohl ausgebildet und
ein Bereich einer inneren Oberfläche
eines an sich hohlen Mantelteiles ist mit einem so genannten Lichtbogenbildungsteil
aus einem anderen elektrisch leitenden Metall gebildet, das eine
längere
Haltbarkeit gegenüber
der Lichtbogenbildung, als das erste leitende Metall, aus dem der
Mantel gebildet ist, aufweist. In einer Alternative ist dort auch
beschrieben, dass dieses Lichtbogenbildungsteil mit einem begrenzten
Oberflächengebiet
durch heißisostatisches Pressen
hergestellt werden kann.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung ein geeignetes Herstellungsverfahren
für Elektroden
für Plasmabrenner
vorzuschlagen, bei dem die Herstellungskosten bei gleichzeitiger
Erhöhung
der Lebensdauer reduziert werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung gemäß Anspruch 1, gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit
den in den untergeordneten Ansprüchen
bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Das
erfindungsgemäß hergestellte
Elektrodenelement für
die in Rede stehenden Plasmabrenner weist mindestens einen Kern
aus einem Metall oder einer Metall-Legierung mit kleinerer Austrittsarbeit
als ein Metall oder eine Metalllegierung, aus dem/der ein den mindestens
einen Kern einfassendes Mantelteil gebildet ist, wobei der eine
bzw. auch mehrere Kern(e) die eigentliche als Katode geschaltete
Elektrode bilden.
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Zwischen
den unterschiedlichen Materialien, also der Kernoberfläche und
dem Mantelteil ist in einer erfinderischen Alternative eine in gradierter
Form ausgebildete Grenzschicht vorhanden, die aus Mischkristallen
der jeweiligen Metalle bzw. Metall-Legierungen gebildet ist.
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In
einer zweiten Alternative für
ein erfindungsgemäß hergestelltes
Elektrodenelement ist eine Zwischenschicht zwischen der Kernoberfläche und
dem Mantelteilmaterial aus einem weiteren Metall oder einer Metall-Legierung
mit größerer Austrittsarbeit,
als der des Kernmaterials ausgebildet, wo bei die Zwischenschicht
in Richtung Kern und Mantelteil jeweils einen gradierten Übergang
in Form von entsprechend ausgebildeten Grenzschichten bildet.
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Als
besonders geeignetes Material für
den Kern kann Hafnium bzw. eine Hafniumlegierung eingesetzt werden,
wobei der Anteil von Legierungskomponenten relativ klein gehalten
werden sollte.
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Neben
dem Hafnium bzw. dessen Legierungen können aber auch Wolfram, Zirkonium
oder Tantal bzw. Legierungen dieser Elemente als Kernmaterialien
eingesetzt werden.
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Ein
bevorzugtes Material für
das Mantelteil ist Kupfer bzw. eine Kupferlegierung.
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Die
Zwischenschicht kann wiederum aus Silber oder einer Silberlegierung
ausgebildet werden.
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Die
erfindungsgemäß bei einem
Elektrodenelement vorhandenen Grenzschichten, die jeweils gradierte Übergänge der
unterschiedlichen Materialien bilden, sind bei den aus dem Stand
der Technik bekannten Lösungen,
wie z. B. bei der in
EP
0 980 197 A2 beschriebenen nicht vorhanden, da dies konstruktiv
und herstellungsbedingt nicht möglich
ist.
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Überraschenderweise
hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäßen Elektrodenelemente einfach
und kostengünstig
durch ein Formgebungs- und Fügeverfahren
bei Ausnutzung von Druckkräften
(Presskräften)
hergestellt werden können,
wobei die entsprechenden Grenzschichten mit den gradierten Übergängen ohne
zusätzliche
technologische Verfahrensschritte ausgebildet werden können. Die
Herstellung erfolgt dabei durch Strangpressen.
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So
ist die Ausbildung von Mischkristallen in einer Grenzschicht zwischen
den bezeichneten Kern- und Mantelteilmaterialien (z. B. Cu und Hf) nicht
ohne weiteres zu erwarten gewesen, da die Differenz zwischen den
jeweiligen Schmelztemperaturen der beiden hierfür eingesetzten Metalle erheblich ist
und bei ca. 1000°K
liegt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung können bei
Verzicht einer Zwischenschicht gemäß einer Alternative eines erfindungsgemäßen Elektrodenelementes
Mischkristalle aus Kupfer und Hafnium gebildet werden, so dass ein
gradierter Übergang,
insbesondere für
die elektrische- und die thermische Leitfähigkeit nicht nur punktuell,
sondern über
die gesamte zu verfügende
Fläche
erreicht werden kann.
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Als
Vorprodukte für
den einen oder auch mehrere Kern(e), das Mantelteil und/oder eine
Zwischenschicht können
entsprechende stab-, draht- oder hülsenförmige Elemente aus den jeweiligen
Metallen bzw. Metall-Legierungen
eingesetzt werden, die dann mittels Strangpressen zu einem erfindungsgemäßen Elektroden denelement
verformt werden.
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Es
besteht aber auch die Möglichkeit,
für diese
Elemente das jeweilige Metall bzw. die Metall-Legierung in Pulverform
einzusetzen. Insbesondere für die
Ausbildung der Zwischenschicht ist die Verwendung von pulverförmigen,
beispielsweise Silber besonders günstig. So kann der Zwischenraum
zwischen einem hülsenförmigen Kupferteil
und mindestens einem den Kern bildenden stab- bzw. drahtförmigen Element
mit einem Silberpulver befüllt
werden und sich die entsprechende Zwischenschicht mit einem jeweiligen
gradierten Übergang
in Richtung Kernoberfläche
und in Richtung Mantelteil infolge der beim Strangpressen wirkenden
Druckkräfte
ausbilden. In den Grenzschichten wird ein durch die einzelnen Körner des
Pulverausgangsmaterials erreichbare Mischzone aus den jeweiligen
beiden Metallen bzw. Metall-Legierungen ausgebildet, die über die gesamte
zur Verfügung
stehende Fläche
homogen ist.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, für Kern
und Mantelteil ebenfalls entsprechende Pulver einzusetzen. Die verwendeten
Ausgangspulver können
dann mittels eines Pressverfahrens, bevorzugt durch kaltisostatisches
Pressen jeweils einzeln bzw. sukzessive nacheinander zu Vorprodukten,
die für eine
für das
nachfolgende Strangpressverfahren eine ausreichende Festigkeit gewährleisten,
hergestellt und nachfolgend durch Strangpressen ein erfindungsgemäßes Elektrodenelement
ausgebildet werden.
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Für den einen
oder auch mehrere Kern(e) können
als Vorprodukt stabförmige
einen kreisförmigen
Querschnitt aufweisende Elemente eingesetzt werden.
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Es
besteht aber auch die Möglichkeit,
solche Elemente mit kreisförmigen
Querschnitten einzusetzen, die im Inneren hohl und demzufolge hülsenförmig ausgebildet
sind. Dieser Hohlraum kann dann wiederum mit einem Pulver eines
Metalls bzw. einer Metall-Legierung, das/die eine höhere Austrittsarbeit als
das Kernmaterial aufweist, vor dem Strangpressen befüllt werden.
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Zur
Ausbildung der die eigentlichen Elektroden bildenden Kerne können aber
auch Elemente, deren Querschnitte kreuz- oder sternförmig sind,
eingesetzt werden. Ein solches Element kann dann drei oder auch
mehrere Stege, die jeweils in gleichen Winkelabständen zueinander
ausgerichtet sind, auf weisen und es ist dadurch eine Vergrößerung der
jeweiligen Übergangsflächen mit
den damit verbundenen niedrigen elektrischen und thermischen Übergangswiderständen zwischen
Kern und Mantelteil bzw. Zwischenschicht erreichbar.
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Ein
Kern kann aber auch aus mehreren drahtförmigen miteinander verdrillten
Elementen gebildet sein, ähnlich
wie bei elektrischen Leitungen häufig
verwendete Litzen. Ein so durch Verdrillung von drahtförmigen Elementen
gebildeter Kern vergrößert ebenfalls
die Berührungsfläche und
gleichzeitig den vorteilhaften Gradierungseffekt.
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Sollen
bei einem erfindungsgemäßen Elektrodenelement
mehrere Kerne vorhanden sein, so ist es vorteilhaft diese diskret
und äquidistant
zueinander anzuordnen, wobei sie jeweils in das Mantelteilmaterial,
gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Zwischenschicht eingebettet
sind.
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Vor
dem Strangpressen soll eine Vorwärmung
auf eine Temperatur von mindestens 400°C durchgeführt werden, um insbesondere
die Beanspruchung des Strangpresswerkzeuges zu reduzieren. Eine
solche Vorwärmung
wirkt sich aber auch günstig
auf die Mischkristallbildung bzw. Diffusionsvorgänge aus, die so mit großer Sicherheit
bei den gleichzeitig wirkenden relativ hohen Druckkräften während des
Strangpressens erfolgen kann. Ein erfindungsgemäßes Elektrodenelement weist
durch den innigeren Verbund mit den gradierten Übergängen der verschiedenen Metalle
bzw. Metall-Legierungen der einzelnen Elemente niedrige thermische
und elektrische Übergangswiderstände auf,
so dass dem Problem der Stromkorrosion entgegen gewirkt und die
Lebensdauer deutlich erhöht
werden kann. Demzufolge sind nicht nur die Herstellungskosten für die Elektrodenelemente
an sich, sondern auch die Betriebskosten eines entsprechend ausgestatteten Plasmabrenners
beim Endnutzer deutlich reduziert.
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Auch
die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Elektrodenelemente, bei denen Zwischenschichten aus
Silber bzw. Silberlegierungen eingesetzt werden, können kostengünstiger
hergestellt werden, da solche Zwischenschichten mit deutlich geringerer
Schichtdicke ausgebildet werden können, so dass der kostenintensive
Silbereinsatz entsprechend verringert werden kann.
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Wie
bereits angedeutet, kann ein hülsenförmiges Kupferelement
für die
Ausbildung eines Mantelteiles Verwendung finden. Dabei kann mindestens ein
stabförmiges
Element aus beispielsweise Hafnium über die gesamte Länge der
Kupferhülse
reichend, in deren Inneres eingeführt werden. Dabei kann eine
solche Kupferhülse
einen Außendurchmesser
von beispielsweise 12 mm und der freie Querschnitt im Inneren einer
solchen Kupferhülse
einen Durchmesser von 1,5 mm aufweisen. Nach einer entsprechenden
Vorwärmung
wird dann durch Strangpressen ein Profil für erfindungsgemäße Elektrodenelemente
hergestellt, das lediglich noch auf Länge geschnitten werden muss
und weitere Füge- und Montageprozesse
nicht mehr erforderlich sind. Ein so erhaltenes Elektrodenelement
muss dann nur noch in einen entsprechenden Plasmabrenner eingesetzt
werden, wobei ein solcher Plasmabrenner auch so ausgebildet werden
kann, dass ein gewisser, im Inneren eines Plasmabrenners angeordneter
Teil eines solchen Elektrodenelementes von einem Kühlmedium
zum Abführen
von Wärme
unmittelbar umströmt
werden kann.
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Anstelle
eines stabförmigen
Hafniumelementes können
aber auch mehrere, bevorzugt miteinander verdrillte Hafniumdrähte in eine
solche Kupferhülse
eingeführt
werden, wobei Kupferhülseninnendurchmesser
und die größte Ausdehnung
eines solchen Kernvorelementes so dimensioniert sein sollten, dass
ein mit einem Silberpulver bzw. einer Silberpulverlegierung befüllbaren
Zwischenraum verbleibt.
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Ein
solches eine Zwischenschicht bildendes Silberpulver sollte möglichst
auch eingesetzt werden, wenn ein Kern mit einer nicht rotationssymmetrischen
Querschnittsform oder ein hülsenförmiger Kern
ausgebildet werden sollen.
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Es
besteht aber auch die Möglichkeit,
beispielsweise ein stabförmigen
Element aus Hafnium an seiner äußeren Oberfläche in Richtung
zum Mantelteilmaterial mit einer im Wesentlichen aus Silberpulver
gebildeten Schicht zu versehen. Ein solches Pulver kann beispielsweise
in Form einer Suspension aufgebracht und beispielsweise durch ein
Pressverfahren auf der Oberfläche
des stabförmigen
Hafniumelementes verfestigt oder einer Sinterung unterzogen werden.
Im letztgenannten Fall kann dann in der das Silberpulver enthaltenden
Suspension auch ein organischer Binder enthalten sein, der thermisch beim
Sintern ausgetrieben werden kann.
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Ein
mit einer solchen Silberschicht versehenes stabförmiges Element kann dann wieder
in ein hülsenförmiges Kupferelement
eingeführt
und ein erfindungsgemäßes Elektrodenelement
durch Strangpressen hergestellt werden.
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Das
erfindungsgemäße Elektrodenelement kann
aber auch dahingehend weitergebildet werden, indem durch Ausbildung
einer entsprechenden Kontur, wobei bevorzugt ein Außengewinde
gewählt
werden kann, dieses mit einem hülsenförmigen Element verbinden
zu können.
Ein solches hülsenförmiges Element,
das bevorzugt aus Kupfer besteht, kann dann mehrfach wieder verwendet
werden und es ist so lediglich ein Austausch des entsprechend kleiner dimensionierten
Elektrodenelementes in mehr oder weniger großen Abständen erforderlich. Dabei wird das
Elektrodenelement mit dem an seiner äußeren Mantelfläche ausgebildeten
Gewinde, als eine Konturform einfach in ein hülsenförmiges Element herein- bzw.
herausgeschraubt.
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Da,
wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erwähnt, eine
hohe thermische Belastung auftritt und eine intensive Kühlung erforderlich ist,
kann das erfindungsgemäße Element
auch so ausgebildet und hergestellt werden, dass innerhalb des Mantelteiles
ein einseitig offener Hohlraum ausgebildet worden ist. Dieser Hohlraum
kann mit dem Füllsystem
eines Plas mabrenners in Verbindung gesetzt werden, so dass das Kühlmedium,
bevorzugt Wasser für
die Wärmeabfuhr
unmittelbar in diesen Hohlraum gelangen kann.
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Vorteilhaft
kann die Ausbildung eines solchen Hohlraumes durch ein Rückwärtsfließpressen ausgebildet
werden. Mit diesem Verfahren kann ebenfalls eine zerspanende Bearbeitung
vermieden werden. Das Rückwärtsfließpressen
ist ein nachfolgender Verarbeitungsschritt an einem Elektrodenelement,
dessen Herstellung vorab beschrieben worden ist. Dabei wird ein
Elektrodenelement, als Vorprodukt hergestellt, das in seiner Länge kürzer als
das fertige Elektrodenelement mit dem Hohlraum und in seinem äußeren Durchmesser
größer als
dieses gehalten ist. Beim Rückwärtsfließpressen
wird ein Werkzeug mit einem die Form und Größe des jeweiligen Hohlraumes
vorgebenden Dornes verwendet und wegen der deutlich höheren Fließfähigkeit
nahezu ausschließlich
das Kupfermantelteil verformt wird.