DE1508989A1 - Mit einem Metallfutter versehenes Erzeugnis,insbesondere Ventil,Pumpe u.dgl. - Google Patents

Description

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22. Sept. 1 966Th P 5511

TiLine Corporation, P. O. Box 579» Richland, State of Washington USA

"Mit einem Metallfutter versehenes Erzeugnis, insbesondere Ventil, Pumpe und dergl. "

Priorität der US-Patentanmeldung Ser. No· 490 872 ν. 28.9.1965 wird beansprucht.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Erzeugnisses, insbesondere eines Ventiles, einer Pumpe, eines Fittings und dergl. mit einem Gusskörper aus Gussmetall, der ein metallisches Futter umgibt, welches einen den Gusskörper durchsetzenden Durchgang begrenzt und ein nach dem Verfahren Hergestelltes Erzeugnis.

Beim Befördern gewisser Arten von Flüssigkeiten oder Gasen ergeben sich häufig Korrosionsprobleme, welche für die in Berührung mit"der beförderten Flüssigkeit oder dem beförderten Gas kommenden Oberflächen eine besondere korrosionsfeste Zusammensetzung erfordern, wenn die Oberfläche für eine ausreichende Zeitspanne brauchbar bleiben soll. Werkstoffe, wie z. B. Titan und Zirkon haben wünschenswerte korrosionsfeste Eigenschaften und diese Werkstoffe werden deshalb bei der Herstellung gewisser Arten

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von : .r die Leitur.g von Flüssigkeiten oder Gasen verwendeten Armaturen bevorzugt gebraucht. Wegen der verhältnismässig hohen Kosten gewisser korrosionsfester Metalle hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Ventile und dergl. mit einem Metallfutter zu versehen, welches die gewünschten korroeions- . festen Eigenschaften hat, wobei ein Körper aus anderem Metall dieses Putter umgibt und die erforderliche Festigkeit aufweist.

Es sind schon verschiedene Verfahren für die Herstellung eines Erzeugnisses, z. B. ein nr.it einem Futter versehenes Ventil, vorgeschlagen worden. Ein weithin gebrauchtes Verfahren beruht auf dem Gieasen eines hohlen Körpers für dieses Erzeugnis, das Herstellen eines nehrstiickigen Futters für den Gusskörper, das Zusammenfügen der Futterstücke innerhalb des Gusskörpers durch deren Einsetzen in richtiger Lage innerhalb des gegossenen Körpers und anachliessendes Zusamienschweissen der Stücke zur Bildung eines einstückigen Futters. Dieses Verfahr«" erfordert natürlich geschickte Arbeiter und braucht beträchtliche Zeit für die Herstellung des Futters. Genaue Sitze Bind schwierig zu erreichen. Ermüdungserscheinungen und Xorrosionsschäden sind Üblich. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, dass das Putter zuerst hergestellt und als Kern bei der Herstellung eines darum gegossenen Gusskörpers gebraucht wird. Während dieses Verfahren für die Herstellung verschiedener Erzeugnisse geeignet sein kann, so ergeben sich doch Schwierigkeiten mit Metallen, wie Titan und Zirkon, wenn diese als Futterwerkstoffe verwendet werden sollen, und zwar wegen der Verunreinigung des Futters während des Giessverfahrens durch Legiern des Futtere mit dem Gussmetall und die Reaktion des Puttermetails mit solchen Werkstoffen wie Kohlenstoff und Sauerstoff bei während des Gieesene auftretenden Temperaturen, wodurch beim Putter Versprödung und andere Nachteile auftreten.

Ganz allgemein ist eine Aufgabe der vorliegende- Erfindung ein verbessertes Verfahren für die Herstellung von frzeugnis-^n, ζ. Β. Ventilen und dergl., die ein korrcsxonsfeetes ^u'-ter haben,

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welches Verfahren gekennzeichnet iet durch Gieseen eines Ketallkörpers υπ; ein Futter herurr., wobei das Futter zuerst als ein Stück hergestellt und in besonderer Weise auf seiner gesamten Kusseren Oberfläche behandelt wird, wodurch Legieren und Verunreinigen unter den bei der Durchführung des Gusses auftretenden Verfahrensteir.peraturen verhindert werden.

Eine damit verwandte allgemeine Aufgabe sieht die Herstellung verbesserter Erzeugnisse, z. B. Ventile, vor, welche entsprechend dem vorgesehenen Verfahren hergestellt sind.

Eine besondere Aufgabe der Erfindung liegt in einem Verfahren für die Herstellung von mit einer. Futter versehener Körper, z. B. Ventile, wobei zuerst ein Futter aus einem korrosionsfesten Werkstoff hergestellt wird und die von dem Gusswerkstoff zu begrenzenden Oberflächenteile des Futters so behandelt werden, dass sie eine Schicht aufweise.:, weiche zur Isolierung dient und einer Reaktion zwischen dem Metall des Futtera und dem Gussmetall einen wirksamen Widerstand entgegensetzt.

Bei einer bevorzugten Ausführungs:V.-:r. der Erfindung weist die zu wählende Schicht für das Futter einen schwer schmelzbares Oxyd auf, das über die Oberflächenabschnitte verteilt ist, gegen welche einen Körper bildendes Gussmetall gegossen wird. Das schwer schmelzbare Oxyd verbleibt an solchen Oberflächenteilen im festen Aggregatzustand und ohne Verschmelzung bei während der Herstellung des Gusskörpers auftretenden Temperaturen.

Ventile, Pumpengehäuse, Fittings usw. können wie vorgesehen mit Futter in ihren Körpern hergestellt werden, welche Futter kein Anzeichen einer Verhärtung oder Versprödung oder des Legierens mit dem Metall cer Gussteile der Körper zeigen. Die Körper werden natürlich durch ein Verfahren wesentlich einfacher hergestellt, bei dem ein Futter gebildet und zu Se^. enten zugeschnitten wird, welche d m als hohles Inneres des herzustellenden Körpers zu-

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sa;::r.engesetzt werden. Die Körper sind auch im allgemeinen gekennzeichnet durch einen sauberen und genauen Sitz des Putters innerhalb des Gussteiles.

Solche und andere Zwecke und Vorteile werden durch die Erfindung erreicht und diese wird nachstehend in Verbindung mit einem in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Teil eines Putters für ein Ventilgehäuse Vor dem Anformen eines Gusskörpera

Fig. 2 einen Teil des fertigen Gusegehäueee mit einem Futter entsprechend der Erfindung.

Das für ein Putter verwendete besondere Metall ist bestimmt durch dieJArt des gewünschten Korrosions- und Abnutzungswiderstandee. Dementsprechend und ud Futtermetalle besonders zu bezeichnen, gehören zu ihnen solche Metalle wie Titan, Zirkon, Tantal und Niob, sowohl als auch Legierungen dieser Werkstoffe. Z. B. eine Legierung aus Titan und Palladium, vö.che zwischen 0,1 und 2 $> Palladium enthält, wird in unterschiedlicher Anwendung viel gebraucht. Bezeichnend für eine andere Legierung ist eine Tantal-Wolfram-Legierung, welche bis zu 10 i° Wolfram enthält, das der Legierung Härte verleiht. Während diese Metalle die gewünschten korrosionsfesten Eigenschaften haben, neigen sie leicht dazu, sich bei erhöhter Temperatur mit solchen Elementen, wie z. B. Eisen, Nickel, Chrom und ähnlichen Metallen, zu verbinden, die gewöhnlich für das Giessen von Ventilen und ähnlicher Teile verwendet werden. Verunreinigungen ergeben sich auch, wenn solche Metalle bei höheren Temperaturen Elementen wie Kohlenstoff und Sauerstoff ausgesetzt werden, die in Gussmetallen, in der Atmosphäre und in dem Sand für die Herstellung von Gieseformen auftreten.

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V. der Vorbereitung des Gusskörpers eines Erzeugnisses wi: das Putter aus dem gewünschten korrosionsfesten Metall hergestellt. Z. B. könen zwei Hälften eines entsprechend geformten Putters aus einer Platte aus korrosionsfestem Metall durch Pressen hergestellt und diese beiden Hälften dann durch Schweiesen miteinander verbunden werden. In Fig. 1 sind solche Teile eines typischen Putters gezeigt, das aus mit 10 und 12 bezeichneten Futterteilen hergestellt ist, welche durch die Schweissnaht H miteinander verschwelest sind. Beirr Zueammenschweissen der Teile kann natürlich das übliche Wolfram-Schutzgas-Schweissverfahren angewandt werden. Bei einem solchen Schweissverfahren besteht die Elektrode aus Wolfram und der Schweissvorgangfindet unter Schutzgas statt. Andererseits ist auch das Elektronen-Strahl-Schweiesen geeignet.

Nachdem das Futter fertig ist, wird dessen Aussenseite behandelt, welche üblicherweise die von einem Gusskörper in eJinem ausgefütterten Erzeugnis umgebene Oberfläche ist, um darauf eine Schicht zu erzeugen, die eine schützende Schranke bildet, welche die Verschmutzung der Oberfläche des Putters verhindert. Diese in Fig. 2 mit 16 bezeichnete Schutzschicht weist bei dem bevorzugten AuefUhrungebeispiel der Erfindung ein schwer schmelzbares Oxyd auf, das als dünner Film über die äussere Oberfläche verteilt ist. Dieses Oxyd hat einen Schmelzpunkt, der weit oberhalb der Temperatur des geschmolzenen Metalles liegt, welches zum Glessen des Gusskörpers des Erzeugnisses benutzt wird. Z. B. wenn Eisen zum Herstellen des Gusskörpers gebraucht wird, so hat dieses einen Schmelzpunkt von ungefähr 1370° C und wird gewöhnlich in einem Giessverfahren mit einer Temperatur vergossen, welche um etwa 110° C höher als sein Schmelzpunkt liegt. In diesem Falle sollte das schwer schmelzbare Oxyd einen Schmelzpunkt haben, der über 1480° C liegt. Als Beiepiel für Oxyde dieser Art,'welche bei der Herstellung von Futter für Gusskörper aus Eisen, Stahl, rostfreies Stahl oder den üblichen Nickel-Legierungen brauchbar sind, gelten solche Oxyde wie Aluminium-

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'Oxyd, Magnesiumoxyd und Titanoxyd.

Entsprechend einer Ausbildungsforrr. der Erfindung kann das schwer schmelzbare Oxyd auf der Oberfläche des Putters durch Tauchen oder durch Flammspritzen aufgebracht werden. Das erstgenannte Verfahren beruht auf der Aufbringung eines dünnflüssigen Breis aus schwer schmelzbaren; Metalloxyd auf der Oberfläche des Futters und a nschliessender Entfernung der flüssigen Phase des Breies, z. B. Wasser. Zur Erzielung einer besseren Haftung der Schicht, die durch eines der beiden Verfahren auf der Oberfläche des Futters hergestellt ist, wird die Oberfläche zuerst aufgerauht.

Die Oberfläche kann mit Hilfe des üblichen Sandstrahlens aufgerauht werden. Die Aufrauhung braucht nicht sehr stark zu sein, und es wurde festgestellt, dass ein Aufrauhen bis zu einer Endrauhigkeit von 1,5 bis 2,5 My ein befriedigendes Ergebnis zeigt.

Zum Aufbringen einer Schicht aus schwer schmelzbares Oxyd durch Tauchen wird ein Brei aus fein verteiltem oder pulverisiertem Oxyd in einer Pl Us s i gke its phae e, z. B. V/asser, hergestellt, das Futter wird dann in den Brei eingetaucht und nach dem Ausheben des Futters bleibt eine Schicht aus Oxyd und Wasser daran haften. Wenn das Futter vcr dem Tauchen auf Temperaturen zwischen 38° C und 120° C angewärmt wird, so verdunstet das Wasser schnell nach dem Ausheben des Futtere aus dem Brei. Das Trocknen kann auch beschleunigt werden, in^dem das beschichtete Futter in einen Strom heiseer Luft gebracht wird. Nach dem Trocknen .der Oxydschicht und wenn eine grössere Dicke der Schicht gewünscht wird, kann das Futter in weiteren Schritten getaucht und getrocknet werden.

Vfenn das schwer schmelzbare Oxyd mit Hilfe des Flammspritzens

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aufgebracht wird, so dient hierzu eine Spritzpistole und e9 wird ein Strahl aus einem Azetylen--Luft-Gemisch erzeugt, der das Oxyd in der Gasnischung verteilt enthält. Für das Flammspritzen von schwer schmelzbarer. Oxyden wird kein Wasser gebraucht, da das Verfahren trocken durchgeführt wird. Das schwer schmelzbare Oxyd liegt in Form eines feinen Pulvere vor, welches während des Aufspritzens von dec; Gasgeniech aufgenommen und aus der Pistole ausgeschleudert wird. Das Gasgemisch wird beim Verlassen der Pistole entzündet, und das Oxyd wird zu dem Teil gefördert, welcher unter Verschmelzung des Oxyds von der Gasflamme getroffen wird. Beim 3erühren der zu bespritzenden Oberfläche haftet das verschmolzene Oxyd an der Oberfläche und" auf diese wird eine Cxydschicht aufgebaut.

Ausgefutterte Ventile und andere Erzeugnisse entsprechend der Erfindung brauchen in den meisten Fällen Futter, die eine Wanddicke von 0,4- bie 6 mm haben. Bei der Verwendung dünner Futter ist natürlich keine so grosse Abnutzung des Futters möglich. Da die :'·'.;r die Futter benutzten korrosionsfesten Metalle teurer sind ale die für die Gusskörper verwendeten, die Futter umgebenden Metalle, so steigen die Kosten eines Erzeugnisses mit einer Vergröeserung der Wanddicke des Futters.

Die entsprechend der Erfindung gebrauchten Oxydschichten haben in den meisten Fällen, wenn wie vorstehend aufgebracht, eine Dicke von etwa 0,07 bis 0,5 mm. Schichten innerhalb dieses Dickenbereiches sind bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung durchaus ausreichend und deshalb umfasst der angegebene Bereich die gemäss der Erfindung bevorzugten Schichtdicken.

SchutζüberzUge können auf der Aussenseite eines Futters auch durch Oxydation des Metalls erzeugt werden, aus dem das Futter besteht.Z. B. kann bei einem überzug aus Titan dieser während einer Zeit von etwa 5 bis 10 Sekunden in Luft mit Temperaturen

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zwir.cl.en 420 und 650° C erhitzt werden und nach einer aolchen Erhitzung in kühler Luft schnell in ein paar Minuten abgekühlt wer: in, um eine Titan-Oxydechicht auf dem butter herzustellen, welcne eine Dicke von etwa 0,005 mn aufweiet. Wegen der verhältnismässig dünnen Schichten dieser Art müssen die Putter verhältnismässig dicke Wände haben, welche Dicken ab 1, 5 mm aufweisen, da eine dicke Wand des Futters die rasche Abkühlung des Gussmetalles fördert, wenn dieses um das Futter herumgegossen wird, indem die den Gussmetall benachbarten Bereiche Wärme aufnehmen. Bei schneller Abkühlung ist ein eo dünner Oxydfilm wie angegeben wirksam, um eine Legierung des Futters mit dem Gussmetall zu verhindern.

In anderer Weise kann unter Verwendung eines Autoklaven auf dem Futter eine Cxydschicht aus dessen Metall hergestellt werden. Z. B. kann Zirkon in einen Autoklaven gebracht und mit in diesen Autoklaven unter Druck eingeführtem heiseen Dampf oder einem anderen Wärmeträger kann eine Oxydschicht hergestellt werden.

Nachdem das einstückige Futter mit einer darauf haftenden, schwer schmelzbaren Oxydschicht hergestellt ist, wodurch Legieren und Verschmutzen verhütet werden, wird der in Fig. 2 mit 18 bezeichnete Körper des Erzeugnisses hergestellt, indem er unmittelbar um das Futter herungegossen wir-d, wobei dieses Futter als Kern dient. Der Giessvorgang kann in der üblichen Weise ausgeführt werden, indem geschmolzenes Metall in eine Form und um das Futter herumgegossen wird, welches Futter das Innere des zu giessenden Teiles bildet. Nach dem Giessen und nach dem Entfernen des Teiles aus der Form, ist ein gefütterter Teil mit einem festen Sitz zwischen dem Futter und dem es umgebenden Gusskörper unter Ausschluss von Verschmutzungen fertig. Die Schicht verhindert ein Haften zwischen dem Gueewerketoff und dem Futter.

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Das folgende Beispiel dient zur Verdeutlichung der Her-εteilung eines Erzeugnisses entsprechend dem vorgesehenen Verfahren:

Ein Putter aus 0,6 mm dicken Titanblech wurde für das Gehäuse eines einzölligen Membranventiles hergestellt. Dieses Blech wurde zur Bildung von zwei Hälften des Putters unter einer Temperatur, von 316° C in Luft heiss gepresst. Diese Hälften wurden dann unter Verwendung eines Wolfram-Lichtbogens in einer Argonkammer zur bildung eines einstlickigen Futtere zusammenge-8 anweiset.

Das Putter wurde dann zur Herstellung einer 0,002 mm starken RaMgkeit auf der äusseren Oberfläche des Putters sandgeblasen. Auf das aufgerauhte Putter wurde dann eine 0,25 ffim dicke Aluminiuicoxydschicht durch Flammspritzen aufgebracht.

Das mit einer Schicht aus schwer schmelzbarem Oxyd versehene Futter wurde dann in eine aus grünem Sand hergestellte Form gebracht und als Kern für die Herstellung eines Körpers aus Gusseisen gebraucht, da_s um das Futter in einer Wanddicke von 9,5 mm herumgegossen wurde. Das Gusseisen wurde vor dem Giessen auf eine Temperatur von etwa 110° C über seinem Schmelzpunkt erhitzt. Nach dem Giessen des geschmolzenen Metallee in die Form und um den Kern oder das Futter herum, kühlte der Guss während der Dauer von 10 Minuten ab und wurde dann der Sandform entnommen. Dann kühlte der Guss an der Luft auf Raumtemperatur ab.

Die vor und nach dem Giessen des Eisenkörpers getroffenen Massnahmen dienten der Beibehaltung der Härte des Futters und die Versuche zeigten, dass die Härte im wesentlichen ungeändert blieb. Das Fehlen eines Häfteabfalles zeigt, dass keine Verunreinigung durch Sauerstoff aufgetreten war, obgleich das Giessen in Luft vorgenommen wurde. Das Ventil wurde geteilt, um festzustellen, ob irgendwelches Legieren des Futters mit dem Eisen stattgefunden hatte. Es wurde keine unmittelbare Berührung von Metall mit Metall festgestellt. - 10 -

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Be wurden dann metallographische Muster hergestellt und durch Polieren eines ausgeschnittenen Teiles und ^xtzen des polierten Bereiches wurden diese dann unter dem Mikroskop untersucht. In dem durch das Alur.iniuiroxyd begrenzten Bereich war keine Verunreinigung durch Eisen oder Kohlenstoff in dem Putter festzustellen.

Mit Hilfe ähnlicher Verfahren wurden Ventile hergestellt, welche Putter aus Tantal, Zirkon, libb und Legierungen vorwiesen Metallen mit Schichten aus den verschiedenen vorstehend aufgeführten Oxyden aufweisen.

Das vorgeschlagene Verfahren ist für die Herstellung aller Arten von Erzeugnissen geeignet, die in Berührung Kit Flüssigkeiten oder Gasen koameη. Das Verfahren ist natürlich besonders brauchbar, wenn solche Erzeugnisse unregelnässig geformte InnenwHnde haben, welche das Einsetzen eines einstückigen Putters erschweren. Das Verfahren macht den Gebrauch von Werkstoffen als Futter möglich, welche bis jetzt noch nicht benutzt werden konnten.

Obwohl nur einige Ausfuhrungebeispiele der Erfindung beschrieben worden sind, ist es klar, dass verschiedene änderungen möglich sind. Ee sollen alle für einen Fachmann mögliche Änderungen und innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche liegende Ausführungsfornen der Erfindung geschützt sein*

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Claims (6)

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1. Verfahren zum Herstellen eines Erzeugnisses, insbesondere eines Ventiles,einer Pumpe und dergl. mit einem Gusekörper aus Gussmetall, der ein metallisches Futter umgibt, welches einen den Gusskörper durchsetzenden Durchgang begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass für das Futter ein Futtertcetall mit im wesentlichen höherem Schmelzpunkt als das Gussmetall gewählt wird, dass das Futter aus diesem Ketall hergestellt wird, dass eine Giesstemperatur für das Gussmetall verwendet wird, welche hoch genug ist, um das Gussmetall zu schmelzen, welche aber unterhalb des Schmelzpunktes des Metalles des Futtere liegt, so dass die körperliche Unversehrtheit des Futtere während des Giessverfahrens aufrechterhalten bleibt, wodurch das Futter als Kern zum Formen des Innern des Guaekörpers dient, dass vor dem Giessen des Gusskörpers die Oberfläche des Futters, welche dem Gusskörper gegenüberliegt und zum Formen des Innern des Gusskörpers dient, durch einen Schichtwerkstoff bedeckt wird, dessen Schmelzpunkt höher als die auftretende Giesstemperatur liegt und dass eine solche Schicht eine chemische Verunreinigung des Futters verhindert, welches sonst bei Temperaturen unterhalb dea Schmelzpunktes des Futters gefördertwird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Futter herzustellende Schicht eine Oxydschicht ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxydschicht durch Verteilen eines feinpulvrigen Oxyds auf der Oberfläche des Futters hergestellt wird.

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4. Vt-γ fahrt η r.a:¹·. Λ ι, sr ruck Γ, :-.t:urch ρ e ir ι; η η ί'. eic '. r. t. '.. , iass d_,e Cx; :nchicht ir.it der Oberfläche des Futters verschmelze;·, wird.

5» Verfahret; r:noh einer, der Ycr:.er_f"ehenden Ansprüche, dadurch f. e k e η η ζ e i c h :: e t , düse das Futter aus einer. Metall herfr stellt vird, das auf» der MeIaIl-(jruppe xitan, r.irkcn, tantal, "'i ob ur. i Le(-ierun,:en davcr. besteht und aase das Guas-.eta"! haupt-s'ichlich r-isen oder - eine Lis.e!ile_{"ierunc ist.

6. Verfahren nacli oine-r der vcrht?rfekenaiir. Ai.sprüche, dadurch fe k e r. η ζ e 1 c V. r. e t , dase der t'berzup ein Cxy.d aufv.'eist, das aus de" aus Aiun".ini.u:::cxyd, Mapneaiu oxydy Q'itancxyd ceentei:ci;ie:: Ur:: ρο v;r.:^: auf= .^v: üahun^en üsvc a u .s g e w ü h 11 v.·; r d .

7· Mit einen. Xetallfuttor veret-1 - :^-s 1^·;>·^_{τ,: s . herfrectel ] t nach eine;:; der vcrhergeV.ti.dvr. .'.;:?;jrüclc , f-aduich- f e kennzeichnet , dass ei'n eit; rutter (12) 1-1 üic-Körper auf seiher ie:r. ihr. ur.^'ebenaen Gleitkörper (1G) Ic-nac barten Seite eine Schicht [H] aus eine;;- rchwer ecY.xr.el.zbaren Oxvd aufweist.