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Rückbezug zu verwandten Anmeldungen
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der Provisorischen Patentanmeldung
Nr. 60/959.052 mit dem Titel „Funktional
abgestufte Pulver-Metall-Bauelement”, angemeldet am 11. Juli 2007,
welche hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit inkorporiert
ist.
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ERKLÄRUNG HINSICHTLICH DER FÖDERATIV GESPONSERTEN
FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf gesinterte und geschmiedete Pulver-Metall-(PM)Bauelemente. Insbesondere
bezieht sich diese Erfindung auf Bauelemente, die aus einer einzigen
Legierung hergestellt worden sind, die jedoch unterschiedliche Eigenschaften
in den unterschiedlichen Bestandteilen des Bauelements aufweisen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zahlreiche
Pulver-Metall-Bauelemente bestehen gänzlich aus einem einzigen Eisen-Werkstoff. Jedoch
haben viele Pulver-Metall-Bauelemente eine Anzahl von Bereichen,
von denen jeder unterschiedliche und mitunter widersprüchliche
Werkstoffanforderungen aufweist (z. B. Härte, Festigkeit, Bearbeitbarkeit
und dergleichen). Zur Erfüllung
all dieser unterschiedlichen Anforderungen mit einem einzigen Eisen-Werkstoff
bedeutet das häufig,
dass einige oder alle Bereiche beeinträchtigte Werkstoffeigenschaften
haben, damit alle Bereiche ihre spezielle Minimalanforderung erfüllen können.
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Ein
Beispiel eines Pulver-Metall-Bauelements mit verschiedenen Anforderungen
ist eine Automobilpleuelstange. Als eines der am meisten beanspruchten
Bauelemente in einem Verbrennungsmotor weist die Automobilpleuelstange
eine Anzahl von Bereichen auf, bei denen einige der Bereiche andere Anforderungen
als die anderen haben. Wie in 1 zu sehen
ist, umfasst eine Automobilpleuelstange 10, einen I-Profil-Bereich
(Zone A), einen Kolbenbolzen-Ende (Zone B) und ein Kurbelwellen-Ende
(Zone C).
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Im
I-Profil-Bereich ist es wünschenswert,
die niedrigst mögliche
Masse mit der höchstmöglichen Werkstoff-Festigkeit
zu haben. Diese Anforderungen sind unerlässlich, um die Wirtschaftlichkeit
zu verbessern und die beabsichtigte Funktion des Übertragens der
linearen Bewegung und der Drehbewegung zu erfüllen und beständig gegen
Knickung und Verstreckung zu sein.
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Einerseits
müssen
das Kolben-Bolzen-Ende und das Kurbelwellen-Ende in hohem Grade
bearbeitbar sein. Die Bohrung am Kolbenbolzen-Ende und die Bohrung
am Kurbelwellen-Ende sind jeweils bearbeitet, um eine enge Toleranz
zu erzielen, um Sitz und Funktion exakt sicherzustellen. Auf der
Seite der Bohrung des Kurbelwellen-Endes (Zone D) müssen Schrauben-Löcher gebohrt
werden, angepasst und angezapft an die Befestigungsnaben für Schrauben,
die das Ende der Pleuelstange festhalten, nachdem es von dem Rest
der Pleuelstange weggebrochen ist. In der Großserienproduktion ist es vom
großem
Vorteil, wenn diese Zonen ökonomisch
bearbeitbar sein können.
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Jedoch
resultiert eine Erhöhung
in der Festigkeit, die sich z. B. durch ein Wärmebehandlungsverfahren ergibt,
in einer Verringerung der Bearbeitbarkeit. Angesichts dieses Konflikts
sollte eine Ausgewogenheit zwischen Festigkeit und Bearbeitbarkeit
geschaffen werden. Eine Pleuelstange, die mit einem starken Schaft-Bereich
gefertigt worden ist, wird maschinell schwer bearbeitbar sein. Andererseits
kann eine Pleuelstange, die leicht bearbeitbar ist, im I-Profil-Bereich
empfindlicher gegen Bruch sein. Es ist schwierig, die richtige Ausgewogenheit
zwischen Festigkeit und Bearbeitbarkeit zu erzielen, wenn konventionelle
Herstellungsmethoden verwendet werden, die üblicherweise dazu führen, dass
mindestens eine der Zonen geringere als die idealen Werkstoffeigenschaften
aufweist.
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Somit
besteht ein Bedarf für
ein verbessertes Bauelement, das unterschiedliche Eigenschaften
in derselben einheitlichen monolithischen Struktur aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren der Herstellung eines Eisen-monolithischen
Bauelements und ein Bauelement, das aus diesem Verfahren resultiert
zur Verfügung.
Bei spielsweise im Falle einer Pleuelstange liefert das Verfahren
eine Pleuelstange mit unterschiedlich gewünschten Eigenschaften in unterschiedlichen
Bereichen der Pleuelstange, obwohl der gleiche Werkstoff durchweg
in der gesamten Pleuelstange verwendet worden ist.
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Ein
Verfahren der Erfindung verwendet eine selektive schnelle Abkühlen eines
Bereichs des Bauelements, die erwünscht ist, um eine erhöhte Festigkeit
zu erhalten und ein selektiv kontrolliertes Abkühlen des Bereichs oder der
Bereiche, bei denen eine bessere Bearbeitbarkeit erwünscht ist.
Das kontrollierte Abkühlen
kann ein Abkühlen,
ein Wiedererwärmen
und ein Rückkühlen umfassen.
Im Ergebnis steht ein Bauelement mit lokal hoher Festigkeit in den schnell
gekühlten
Bereichen und lokal geänderte
metallurgischen Eigenschaften zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit
in den langsamer abgekühlten
Bereichen zur Verfügung.
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Im
Falle einer Pleuelstange wird das selektive schnelle Abkühlen in
der I-Profil-Zone
angewendet und das selektive kontrollierte Abkühlen in den Kolbenbolzen und
Kurbelwellen-Bereichen angewendet, die wieder erwärmt und
rückgekühlt werden können. Im
Ergebnis liegt eine Pleuelstange mit lokal hoher Festigkeit in der
I-Profil-Zone und besser bearbeitbaren Kolbenbolzen und Kurbelwellen-Enden vor,
bedingt durch die geänderten
metallurgischen Eigenschaften an jenen Enden im Vergleich zur I-Profil-Zone.
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Das
selektive schnelle Abkühlen
kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann Wärmeübertragung
unter Verwendung von Konvektions-Techniken wie direktionale Luftbürsten erfolgen
oder die Wärmeübertragung
kann durch Ableitung unter Verwendung eines entsprechenden Kühlkörpers an
einer geeigneten Stelle erfolgen. Die selektive Wiedererwärmung mit
kontrollierter Rückkühlung von
ausgewählten
lokalen Bereiche kann z. B. mit schneller lokaler Induktionserwärmung des ausgewählten Bereichs
zusammen mit dem kontrollierten lokalen Abkühlen ausgeführt werden, um die gewünschten
Eigenschaften zu erzielen. Das Erwärmen kann derart durchgeführt werden,
dass die erwärmte
Mikrostruktur vollständig
Austenit sein kann oder aus einer Mischung aus Austenit und Ferrit
bestehen kann. Die Erwärmung/kontrollierte
Abkühlung wird
derart durchgeführt,
dass die resultierenden ausgewählten
Bereiche signifikant veränderte
metallurgische Eigenschaften als jene des I-Profils aufweisen, insbesondere
eine geringere Härte,
geringere Festigkeit und eine andere Mikrostruktur. Insbesondere
können
das I-Profil und
die Übergangs-Zonen einer
Pleuelstange eine erhöhte
Kernhärte
und Festigkeit haben, indem ein höherer Anteil an feinem Perlit
erzeugt wird, welcher in einer typischen Anwendung bei 5–7% im Bolzenansatz-Bereich
und in der I-Profil-Zone höher
liegt. Gleichzeitig ist es wünschenswert,
den Verschraubungsbereich langsamer abzukühlen, um eine vorteilhaftere
Struktur für
die Bohrung und die Anzapfung durch Erhöhung des perlitischen Lamellen-Abstands
zu erhalten. Zusätzlich könnten der
Verschraubungsbereich und/oder die I-Profil-Zone abgekühlt werden,
um eine Phasenumwandlung vom Austenit zum Bainit oder Martensit oder
beide oder beide in Verbindung mit feinem Perlit zu erzeugen. Diese
sind härtere
und nur schwer zu bearbeitende Phasen.
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Der
Werkstoff des Bauteils kann jeder Eisen-Werkstoff (PM) sein. In
einer Anwendung wurden Pleuelstangen aus einem 2% Kupfer enthaltenden
11C60 PM Werkstoff gefertigt. Von einer Ausgangstemperatur von 1700°F (die Temperatur
beim Schmieden), wurden der Schaft, der Kurbelübergang und die Bolzen-Übergangsbereiche
mit einer Geschwindigkeit abgekühlt,
um eine Temperatur von 1240°F
oder weniger in 30 Sekunden zu erzielen. Danach wurde die Abkühlgeschwindigkeit
beibehalten, um eine Temperatur von 1200°F oder weniger nach 50 Sekunden
(gemessen vom gleichen Anfangspunkt wie die ursprünglichen
30 Sekunden) zu erzielen. Im Verschraubungsbereich und in Bereichen
der Bohrungen wurde die Abkühlgeschwindigkeit
gesteuert, um eine Temperatur von 1250°F oder höher nach minimal 180 Sekunden
zu erzielen. Es sollte verständlich
sein, dass die Zeiten und die Temperaturen für das Wärmebehandlungsverfahren in
jeder der Zonen für
unterschiedliche Legierungen unterschiedlich sein können und
die Pleuelstangen unterschiedliche resultierende Eigenschaften aufweisen.
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Die
vorhergehenden und weiteren Gegenstände und Vorteile der Erfindung
werden in der folgenden Beschreibung ausführlich aufgezeigt. In der Beschreibung
wird Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, die eine
bevorzugte Ausbildung der Erfindung zeigen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Pleuelstange, die unterschiedliche
Bereiche der Pleuelstange zeigt;
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2 ist
eine Draufsicht einer Pleuelstange, die drei unterschiedliche Bereiche
oder Abschnitte aufweist;
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3 ist
ein Diagramm der Zeit über
der Temperatur zur Darstellung der Abkühlung an unterschiedlichen
Stellen der Pleuelstange in einem speziellen Pleuelstangen-Werkstoff;
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4A ist
eine schematische Ansicht einer Pleuelstange im Querschnitt mit
vorgewärmten
Massen, die in die Bohrungen eingesetzt sind;
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4B ist
eine Ansicht von der Oberseite eines der Enden der Pleuelstange
und der Massen, die in 4A dargestellt werden und zeigt
Isolierung durch die erhitzten Masse;
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5A ist
eine Draufsicht eines Transportsystems für das kontrollierte Abkühlen einer
Serie von Pleuelstangen;
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5B ist
eine schematische Seitenansicht des Transportsystems von 5A;
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6A ist
eine Ansicht ähnliche 5A,
jedoch wird eine andere Station für das Wiederaufwärmen der
Enden der Pleuelstangen gezeigt; und
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6B ist
eine Seitenansicht des Abschnitts des Transportsystems, das in 6A gezeigt
wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 und 2 zeigen
ein Bauelement, insbesondere eine Pleuelstange 10, die
eine Kolbenbolzen-End-Zone B, eine Kurbelwellen-End-Zone C und eine
I-Profil-Zone A zwischen den zwei End-Zonen B und C aufweist. Eine
Linie 12 trennt die I-Profil-Zone A von der Kolbenbolzen-End-Zone
B und eine Linie 14 trennt die Kurbelwellen-End-Zone C
von der I-Profil-Zone A. Die Kurbelwellen-End-Zone C umfasst zwei
Verschraubungsbereiche D. Die Linien 16 und 18 grenzen
die zwei Verschraubungsbereiche D vom Rest der Kurbelwellen-End-Zone
C der Pleuelstange 10 ab. Die Kurbelwellen-End-Zone C umfasst
eine Kurbelwellen-Bohrung E und die Kolbenbolzen-End-Zone B umfasst
eine Bohrung F. Wie oben angeführt
sind die Bohrungen E und F und die Verschraubungsbereiche D bearbeitet
worden, nachdem die Pleuelstange 10 geschmiedet worden
ist. Die Pleuelstange 10 wird nachträglich behandelt, wie unten
beschrieben.
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Ein
typisches Verfahren zur Herstellung der Pleuelstange unter Verwendung
von Pulver-Metall würde
zuerst die Pulver-Metall-Legierung in Gestalt der Pleuelstange verdichten,
dann das verdichtete Bauteil sintern und es schmieden und selektiv
schnell kühlen
und/oder kontrolliert Bereiche in ihm mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
kühlen, wie
unten im Detail beschrieben, das Bauteil entgraten, um den Formgrat
zu entfernen, eine selektive Wiedererwärmung vornehmen, erforderlichenfalls
in Verbindung mit einer kontrollierten Rückkühlung von Bereichen des Bauelements,
Kugelstrahlen des Bauteils, Flächenschleifen
den Bauteils, Markieren der Bauteils, Herausarbeitung rauer Bohrungen
im Bauteil, Bearbeitung der Schrauben-Löcher in den Verschraubungsbereichen
D, Aufbrechen des Lagerdeckelabschnitts am Ende C, Installieren
der Schrauben, Flächenschleifen
des Bauteils und abschließendes
Bohren der Kurbelwellenendbohrungen und falls erforderlich der Kolbenbolzen-End-Bohrungen.
Einige dieser Schritte können
weggelassen werden oder weitere Verfahrensschritte können einbegriffen
sein oder erforderlichenfalls kann die Legierung modifiziert werden.
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Bezug
nehmend auf die 3, wird ein Zeit-Temperatur-Diagramm
für das
Abkühlen
verschiedener Bereiche innerhalb einer Pleuelstange gezeigt, die
aus einer einfachen Pulver-Metall-Legierung des Werkstoffs 11C60
mit 2% Kupfer-Zusatz hergestellt wurde. Vornehmlich die I-Profil-Zone
A, repräsentiert
durch die unteren drei Linien des Diagramms in 3,
kühlt schneller
als die End-Zonen B und C ab, repräsentiert durch die vier oberen
Linien in 3. Erwähnt sei, dass die Achse in 3 in Grad
Rankine angegeben ist, welche durch Subtrahieren von ungefähr 460 Grad
von der Rankine Temperatur in Grad Fahrenheit umgewandelt werden kann.
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Das
schnelle Abkühlen
in der I-Profil-Zone A wirkt sich in einer höheren Härte und in einer höheren Festigkeit
aber in einer geringeren Bearbeitbarkeit aus. Die langsamere Abkühlung der
Enden B und C führt
zu einer geringeren Härte
und Festigkeit, jedoch zu einer besseren Bearbeitbarkeit. Die I-Profil-Zone A,
die die angegebenen Bereiche der Übergangs-Zonen umfasst, ist
vorzugsweise schneller gekühlt,
um feines Perlit, Bainit, Martensit oder Mischungen davon zu erzeugen.
Es sei angemerkt, dass die Zeit- und Temperatur-Parameter, die für das selektive
Abschrecken notwendig sind, um Martensit zu bilden, von der verwendeten
Legierung abhängen.
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Für 11C60
mit 2% Kupfer-Zusatz bewirkt diese schnelle Abkühlung ein Abfallen der Temperatur auf
1240°F (1700
R) oder darunter nach ungefähr
30 Sekunden. Diese Temperatur (bei oder etwas unterhalb der Martensit-Umwandlungstemperatur)
wird für weitere
20 Sekunden beibehalten (insgesamt 50 Sekunden vom Null-Zeitpunkt
an). 11C60 umfasst Eisen, 1.8–2.2
Gew.-% Kupfer, 0.3–0.5
Gew.-% Mangan-Sulfid, 0.10–0.25
Gew.-% Mangan und Kohlenstoff (als Graphit ungefähr 0.60 Gew.-%).
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Für die Enden
wird das Abkühlen
kontrolliert, derart dass die Temperatur oberhalb der Martensit-Übergangstemperatur
des Materials für
eine ausreichende Zeitspanne gehalten wird, um die Ausbildung des
Martensits an den Enden zu unterbinden. Im Falle des Werkstoffs
11C60 bedeutet das, dass die Enden auf einer Temperatur von über 1250°F (1710 R)
für minimal
180 Sekunden gehalten werden. Indem man die Enden auf dieser Temperatur
hält, hat der
Kohlenstoff genügend
Zeit zu diffundieren, um die Ausbildung des Martensits während des
Abkühlens
zu vermeiden.
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Bezug
nehmend auf 4A und 4B wird
ein Weg zur Erreichung einer unterschiedlichen Kühlung der Bereiche der Pleuelstange 10 gezeigt.
In diesem Beispiel sind vorgewärmte
Massen 20 und 22 innerhalb und in gegenseitigem
Kontakt mit den Bohrungen in den Enden der Pleuelstange angeordnet, um
die Enden über
der Martensit-Umwandlungstemperatur
für die
erforderliche Zeitdauer zu halten, während eine schnelle Abkühlung der
I-Profil-Zone A erfolgt. Im Falle des Werkstoffs 11C60 halten die
vorgewärmten
Massen 20 und 22 die Enden auf oder oberhalb von
1250°F (1710
R) für
mindestens 180 Sekunden vom Null-Zeitpunkt an, während das I-Profil schnell
auf unter 1240°F
(1700 R) innerhalb von 30 Sekunden abgekühlt wird und auf unterhalb
von 1200°F
(1660 R) nach 50 Sekunden vom Null-Zeitpunkt an, beispielsweise
durch Lagerung in einer kühlenden
Atmosphäre.
Wie in 4B gezeigt wird, kann die Isolierung 24 kann
erforderlichenfalls zwischen den Bohrungen der Pleuelstange und
der Masse 20 vorgesehen sein, um die Masse 20 von
der Bohrung selektiv zu isolieren, um die Wärmezufuhr zu den Enden der
Pleuelstange 10 zu steuern.
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Alternativ
kann die Verwendung erhitzter Massen an den Enden möglicherweise
nicht erforderlich sein, wenn ein ausreichender Unterschied der Kühlung zwischen
den Enden und dem I-Profil mit dem Transportsystem gewährleistet
werden kann, das in 5A und 5B gezeigt
wird. In diesem System werden Pleuelstangen 10 entlang
eines Transportsystem 30 ausgerichtet und durchlaufen eine
Luft-Kühlmesser-Vorrichtung 32,
wobei Kühlluft oder
ein anderes Kühlmedium
nur auf die I-Profil-Zone A gerichtet ist, während die End-Zonen B und C
in der umgebenden Atmosphäre
ohne eine beschleunigte Kühlung
verbleiben. Alternative und Bezug nehmend auf 6A und 6B,
können
Induktionsheizgeräte 38 und 40 verwendet
werden, die nur über die
Enden B und C reichen. Die Kühlvorrichtung 32 kann
simultan mit den Induktionsheizgeräten 38 und 40 verwendet
werden. Zusätzlich
können
Induktionsheizgeräte 38 und 40 verwendet
werden, um die Enden B und C wieder aufzuwärmen, nachdem die Pleuelstangen
vollständig
auf die Umgebung abgekühlt
worden sind, auf eine Ausgangstemperatur von 1700°F (2160 R)
oder höher
und danach die Kühlung der
Enden gesteuert wird, um das Abkühlen
nach mindestens 180 Sekunden auf 1250°F (1710 R) oder höher zu bewirken.
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Der
Werkstoff für
die Pleuelstangen 10 kann jeder beliebige geeignete Werkstoff
sein, der auf Wärmebehandlung
anspricht. Beispielsweise kann für
Pleuelstangen aus Pulver-Metall ein 1% bis 3% Kupfer enthaltender
Pulver-Metall-Werkstoff 11C60 verwendet werden.
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Eine
bevorzugte Ausführung
der Erfindung ist ausführlich
beschrieben worden. Zahlreiche Modifikationen und Variationen zur
bevorzugten Ausführung,
die beschrieben worden ist, sind für den Fachmanns offensichtlich.
Folglich sollte die Erfindung nicht auf die beschrieben Ausführungsform
begrenzt werden.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft ein Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung
des Bauelements, wobei das Bauelement einen Eisen-Pulver-Metall-Werkstoff enthält, welcher
in dem gesamten Bauelement monolithisch ist, wobei das Bauelement
zumindest zwei Bereiche aufweist, einer der Bereiche bearbeitet
ist und der andere Bereich nicht bearbeitet ist, wobei der bearbeitete
Bereich langsamer abgekühlt
ist als der nicht bearbeitete Bereich, so dass der nicht bearbeitete
Bereich einen höheren
Gehalt an Feingefüge aufweist,
ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus einem oder mehreren von feinem Perlit,
Bainit und Martensit, als der bearbeitete Bereich.