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Gegenstand der Erfindung ist eine Sondermessinglegierung. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein aus einer solchen Sondermessinglegierung hergestelltes Sondermessinglegierungsprodukt.
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Sondermessinglegierungen werden zum Herstellen verschiedenster Produkte eingesetzt. Ein typischer Anwendungsfall, für den Einsatz von Sondermessinglegierungsprodukten sind Lagerteile, Motor- und Getriebeteile, wie beispielsweise Synchronringe und dergleichen sowie Armaturen, vor allem für Trinkwasseranwendungen. Messinglegierungsprodukte werden auch für Elektro- und Kühltechnikanwendungen eingesetzt, beispielsweise zur Herstellung von Steckerschuhen Kontaktklemmen oder dergleichen. Bei Kühltechnikanwendungen wird die gute Wärmeleitfähigkeit von Messinglegierungsprodukten genutzt. Diese Messinglegierungen weisen auf Grund der bekannten guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer einen hohen Kupfergehalt auf und sind nur entsprechend niedrig legiert. Sondermessinglegierungen weisen eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit auf.
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Wenn eine Messinglegierung besonders gute elektrisch leitende Eigenschaften aufweisen soll, ist der Cu-Gehalt entsprechend hoch zu wählen. Die elektrische Leitfähigkeit eines solchen Produktes sinkt allerdings mit steigendem Zinkgehalt. Aus diesem Grunde werden für Sondermessinglegierungsprodukte, bei denen eine gute elektrische Leitfähigkeit im Vordergrund steht, solche Legierungen eingesetzt, die einen Zn-Gehalt von nicht mehr als 5 bis 10 Gew.-% ausweisen. Neben den Elementen Kupfer und Zink sind an dem Aufbau von Sondermessinglegierungen ein oder mehrere der folgenden Elemente beteiligt: Al, Sn, Si, Ni, Fe und/oder Pb. Jedes dieser Elemente hat unterschiedlichen Einfluss auf die Eigenschaften des aus der Legierung hergestellten Sondermessinglegierungsproduktes. Die Einflussnahme dieser Elemente betrifft die Gefügeausbildung ebenso wie die mechanischen Eigenschaften des Sondermessinglegierungsproduktes. Dabei ist festzustellen, dass ein und dasselbe Legierungselement in Abhängigkeit von seiner Beteiligung verantwortlich für unterschiedliche Eigenschaften nicht nur im Chemismus (beispielsweise Korrosion), sondern auch in Bezug auf die daraus hergestellten Sondermessinglegierungsprodukte (zum Beispiel Festigkeitseigenschaften) sein kann. Entsprechendes gilt für die Verarbeitbarkeit der Legierung. Auf Grund der Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen von Sondermessinglegierungsprodukten sind auch eine Vielzahl, sich bezüglich ihrer Legierungszusammensetzung unterscheidender Sondermessinglegierungen bekannt. Diese unterscheiden sich etwa in ihren Festigkeitswerten, ihrer Zerspanbarkeit, ihrer Oberflächenbearbeitbarkeit, ihrer Wärmeleitfähigkeit, ihres E-Moduls, ihrer Temperaturformbeständigkeit und dergleichen. In vielen Fällen sind die vorbekannten Sondermessinglegierungen bezüglich ihrer Zusammensetzung für ganz bestimmte Einsatzzwecke entwickelt worden.
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Eine Sondermessinglegierung, aus der Sondermessinglegierungsprodukte für Elektro- und/oder Kühltechnikanwendungen hergestellt werden sollen, müssen nicht nur eine hinreichende Wärmeleitfähigkeit und eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, sondern diese müssen zudem, um die gewünschten Produkte herstellen zu können, eine gute Ver- und Bearbeitbarkeit aufweisen, wie auch hinreichende Festigkeitswerte. In Bezug auf eine Verarbeitbarkeit der Legierung soll diese mit standardmäßigen Verarbeitungsschritten herstellbar sein, um die Kosten daraus hergestellter Sondermessinglegierungsprodukte nicht durch aufwendige und unter Umständen unübliche Prozessführungsschritte zu verteuern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Sondermessinglegierung vorzuschlagen, die diesen Anforderungen genügt.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Sondermessinglegierung bestehend aus
Cu: 58,5 bis 62 Gew.-%
Pb: 0,03 bis 0,18 Gew.-%
Fe: 0,3 bis 1,0 Gew.-%
Mn: 0,3 bis 1,2 Gew.-%
Ni: 0,25 bis 0,9 Gew.-%
Al: 0,6 bis 1,3 Gew.-%
Cr: 0,15 bis 0,5 Gew.-%
Sn: max. 0,1 Gew.-%
Si: max. 0,05 Gew.-%
Zn: Rest nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
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Wenn im Rahmen dieser Ausführungen von unvermeidbaren Verunreinigungen die Rede ist, sind hierunter Elemente zu verstehen, die an der Legierung einzeln mit nicht mehr als 0,025 Gew.-% und in der Summe mit maximal 0,3 Gew.-% beteiligt sind.
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Diese Legierung vereint in besonderer Weise nicht nur die für Sondermessinglegierungsprodukte für Elektro- und/oder Kühltechnikanwendungen notwendigen Werkstoffparameter (etwa elektrische und thermische Leitfähigkeit, gewisse Kriech- und Relaxationsfestigkeit, geringe thermische Ausdehnung), sondern lässt sich zudem sehr gut Strangpressen, ist gut kaltziehbar und weist eine gute Zerspanbarkeit auf. Was für Elektroanwendungen eines aus dieser Legierung hergestellten Sondermessinglegierungsproduktes von Interesse ist, ist seine besonders gute galvanische Beschichtbarkeit. In einigen Anwendungsfällen sind derartige Produkte mit einer elektrisch besonders gut leitenden Metallschicht beschichtet. Diese wird typischerweise galvanisch aufgetragen. Dieses erfordert nicht nur eine gewisse Leitfähigkeit des Sondermessinglegierungsproduktes, sondern vor allem auch, dass ein darauf aufgebrachter galvanischer Auftrag daran dauerhaft und über die Oberfläche gleichmäßig haftet. Begründet ist dieses insbesondere in dem sich bei dieser Sondermessinglegierung einstellenden gleichmäßigen feinkörnigen Gefüge mit nur wenigen, kleinen, darin eingelagerten Siliziden. Dieses ist bei aus dieser Legierung hergestellten Produkten der Fall. Eine Beschichtung des Sondermessinglegierungsproduktes kann auch einem Verschleißschutz dienen. Ferner können Beschichtungen eingesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften des Messinglegierungsproduktes an der Oberfläche zu verbessern, wie beispielsweise eine bessere Lötbarkeit, beispielsweise zum Anbringen von Kontakten, eine Wärmeisolierung zum Wärmeschutz des Sondermessinglegierungsproduktes oder auch als Haftvermittlungsschicht für eine weitere Beschichtung.
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Zudem ist das E-Modul hinreichend hoch, damit aus dieser Messinglegierung auch Produkte mit federnden Eigenschaften, wie beispielsweise Steckerschuhe hergestellt werden können. Mit einem E-Modul 90 oder mehr, auch in dem Bereich von 100 bis 120 liegt dieses in dem Größenbereich der E-Module, die aus Kupfer-Zink-Zweistofflegierungen bekannt sind, wie diese typischerweise für Elektroanwendungen, bei denen mitunter auch um aufzubringende Federkraft geht, eingesetzt werden. Zudem liegt die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit deutlich oberhalb derjenigen Werte, wie diese für Kupfer-Zink-Mehrstofflegierungen (Sondermessinglegierung) bekannt sind. Mit dieser Sondermessinglegierung lassen sich Sondermessinglegierungsprodukte herstellen, die eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 9 bis 15 MS/m und eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 90 bis 100 W/(m·K) aufweisen. Damit werden elektrische Leitfähigkeitswerte und Wärmeleitfähigkeitswerte erzielt, die im allgemeinen höher als bei anderen Sondermessinglegierungen sind und die für viele Anwendungen hinreichend sind. Dieses wird bei Sondermessinglegierungsprodukten, die aus dieser Legierung hergestellt sind, mit Festigkeitswerten kombiniert, wie diese ansonsten nur von speziell für diese Zwecke ausgelegten Sondermessinglegierungen bekannt sind.
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Nicht unwesentlich bei dem aus dieser Sondermessinglegierung hergestellten Sondermessinglegierungsprodukt ist, vor allem bei Elektro-Anwendungen, die gute Lötbarkeit desselben.
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Die vorteilhaften Eigenschaften des aus dieser Legierung hergestellten Sondermessinglegierungsproduktes wird der besonderen Zusammensetzung der Legierung mit den jeweils beanspruchten Elementmengen zugeschrieben. Der Chemismus sorgt dafür, dass sich ein (α + β)-Mischgefüge ausbildet, in dem zur weiteren Festigkeitssteigerung Mischsilizide mit einem Anteil von 0,5 bis 1,5% eingelagert sind. Die Homogenität des Mikrogefüges, bedingt durch das feine Korn trägt Sorge dafür, dass die gewünschten Eigenschaften im Sondermessinglegierungsprodukt keine Vorzugsrichtung aufweisen, auch wenn diese stranggepresst sind. In diesem Zusammenhang ist der Einsatz des Elementes Cr hervorzuheben, welches Element ansonsten in Sondermessinglegierungen eher selten eingesetzt wird. Dieses Element ist für die Einstellung der Feinkörnigkeit des Gefüges verantwortlich.
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Ein aus dieser Legierung hergestelltes Sondermessinglegierungsprodukt weist eine Zerspanbarkeit mit einem Index 60 und mehr auf, ist mithin als sehr gut zerspanbar anzusprechen.
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Die Festigkeitswerte des aus dieser Legierung hergestellten Sondermessinglegierungsproduktes können durch Kaltziehen gesteigert werden. Diese Legierung weist eine gute Kaltziehbarkeit auf, so dass auch über diesen Bearbeitungsschritt die Festigkeitswerte eines aus dieser Legierung hergestellten Sondermessinglegierungsproduktes eingestellt werden können bzw. erfüllt werden können, wenn die ohne einen Kaltziehschritt bereits vorhandenen guten Festigkeitswerte für eine bestimmte Anwendung nicht ausreichen sollten.
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Insofern war es überraschend, mit einer Sondermessinglegierung mit den darin enthaltenen Elementen: Cu, Pb, Fe, Mn, Ni, Al und Cr als Legierungsbestandteile ein Messinglegierungsprodukt bereitstellen zu können, welches die ansonsten für völlig unterschiedliche Messinglegierungen vorhandenen Eigenschaften, wie beispielsweise elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit – einerseits – und Festigkeit sowie gute Ver- und Bearbeitbarkeit – andererseits – in sich vereint. Um eine vergleichbare Bearbeitbarkeit, beispielsweise durch spanende Bearbeitung wie beim Gegenstand der beanspruchten Legierung zu erzielen, würde man zunächst vermuten, dass diese einen deutlich höheren Pb- und Sn-Gehalt aufweisen müsste. Vor diesem Hintergrund war es daher überraschend, die besonders gute Zerspanbarkeit eines aus dieser Legierung hergestellten Sondermessinglegierungsproduktes trotz des nur sehr geringen Pb-Gehaltes festzustellen. Nicht vorhersehbar war ebenfalls, dass das in den unvermeidbaren Verunreinigungen enthaltene Si ausreicht, um sehr feinkörnige Silizide in den genannten Anteilen, vor allem mit Anteilen zwischen 0,5 und 1,0% auszubilden. Die maßgeblichen Silizidbildner sind die Elemente Mn, Ni und Fe, die Sorge dafür tragen, dass das durch die Verunreinigungen eingetragene Si vollständig in die Silizidbildung eingeht und kein freies Si in der Matrix zurückbleibt. Auch dieses begründet die hervorragende galvanische Beschichtbarkeit eines aus dieser Legierung hergestellten Sondermessinglegierungsproduktes.
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Sn kann an der Legierung mit bis zu 0,1 Gew.-% beteiligt sein. Wenn eine besonders gute Zerspanbarkeit gewünscht wird, wird man die Legierung mit einem gewissen Sn-Anteil ausstatten.
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Auf Grund des nur geringen Pb-Gehaltes dieser Sondermessinglegierung kann diese als Pb-frei im Sinne der Elektrorichtlinie oder auch der Altautorichtlinie angesprochen werden.
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Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Legierung folgende Zusammensetzung auf:
Cu: 59 bis 61 Gew.-%
Pb: 0,03 bis 0,14 Gew.-%
Fe: 0,3 bis 1,0 Gew.-%
Mn: 0,4 bis 1,0 Gew.-%
Ni: 0,3 bis 0,8 Gew.-%
Al: 0,7 bis 1,2 Gew.-%
Cr: 0,15 bis 0,4 Gew.-%
Sn: max. 0,1 Gew.-%
Si: max. 0,05 Gew.-%
Zn: Rest nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Legierung folgende Bestandteile auf:
Cu: 60 bis 60,5 Gew.-%
Pb: 0,09 bis 0,13 Gew.-%
Fe: 0,45 bis 0,65 Gew.-%
Mn: 0,65 bis 0,9 Gew.-%
Ni: 0,4 bis 0,6 Gew.-%
Al: 0,85 bis 1,05 Gew.-%
Cr: 0,2 bis 0,3 Gew.-%
Sn: max. 0,1 Gew.-%
Si: max. 0,05 Gew.-%
Zn: Rest nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
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Die aus der erfindungsgemäßen Sondermessinglegierung hergestellten Sondermessinglegierungsprodukte lassen sich auch mechanisch sehr gut polieren ebenso wie elektrolytisch. Die Oberfläche kann tauchverzinkt werden.
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Das aus dieser Legierung hergestellte Sondermessinglegierungsprodukt weist nicht nur eine gute Kaltumformbarkeit, sondern auch eine sehr gute Warmumformbarkeit auf. Bei gewünschter Warmumformung kann die Warmumformungstemperatur zwischen 625 und 750°C liegen.
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Ein Weichglühen des Sondermessinglegierungsproduktes wird man bei 500 bis 600°C und ein Entspannungsglühen bei 350 bis 450°C durchführen.
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Diese Legierung eignet sich somit zum Herstellen von Sondermessinglegierungsprodukten unterschiedlichster Anwendungen, wozu auch Elektro- und Kühltechnikanwendungen zählen.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1a bis 1e: Festigkeitskurven von stranggepressten Proben, stranggepresst mit unterschiedlicher Blocktemperatur,
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2: Mikrogefügebilder aus einer stranggepressten Probe, entnommen aus dem Bereich der Pressmitte in Längsrichtung zur Strangpressrichtung,
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3: Mikrogefügebilder aus einer stranggepressten Probe, entnommen aus dem Bereich der Pressmitte in Querrichtung zur Strangpressrichtung,
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4: Mikrogefügebilder aus einer stranggepressten Probe, entnommen vom Pressende in Längsrichtung der Strangpressrichtung und
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5: Mikrogefügebilder aus einer stranggepressten Probe, entnommen vom Pressende in Querrichtung zur Strangpressrichtung.
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Eine Legierung der Zusammensetzung (Angaben in Gew.-%): 60,3 Cu; 0,11 Pb; 0,5 Fe; 0,8 Mn; 0,5 Mi; 0,9 Al und 0,24 Cr, Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen wurde durch Strangpressen zu Rechteckprofilen mit den Kantengrößen 30 × 8 mm gepresst. Insgesamt wurden drei Profile bei jeweils unterschiedlicher Blocktemperatur gepresst, um den Einfluss der Blocktemperatur auf die Festigkeitsparameter zu untersuchen. Das Strangpressen wurde in Luft durchgeführt. Gepresst wurde ein Strang von etwa 20 Meter. Das Strangpressprodukt unterlag somit nach dem Pressen keiner beschleunigten Abkühlung.
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Nach dem Strangpressen weist das Gefüge unabhängig von der Blocktemperatur ein (α + β)-Mischgefüge auf mit einem Anteil der α-Phase von 30 bis 40%. In dem Gefüge sind mit einem Gehalt von etwa 0,5 bis 1% Silizide kleiner Korngröße (Korngröße etwa 5 bis 10 μm) eingelagert.
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Anschließend wurden Proben vom Pressanfang A, der Pressmitte M und dem Pressende E entnommen und bezüglich ihrer Festigkeitseigenschaften untersucht. Das Ergebnis ist in nachstehenden Tabellen wiedergegeben: Zugfestigkeit R
m [N/mm
2]
| 750°C | 720°C | 700°C |
| A | M | E | A | M | E | A | M | E |
| 501 | 538 | 553 | 500 | 536 | 547 | 518 | 534 | 550 |
| 504 | 544 | 555 | 509 | 538 | 554 | 518 | 541 | 550 |
| 503 | 541 | 554 | 505 | 537 | 551 | 518 | 538 | 550 |
0,2% Dehngrenze R
p0,2 [N/mm
2]
| 750°C | 720°C | 700°C |
| A | M | E | A | M | E | A | M | E |
| 185 | 250 | 283 | 182 | 235 | 268 | 208 | 246 | 272 |
| 186 | 252 | 285 | 190 | 236 | 271 | 208 | 246 | 273 |
| 186 | 251 | 284 | 186 | 236 | 270 | 208 | 246 | 273 |
Bruchdehnung A
5 [%]
| 750°C | 720°C | 700°C |
| A | M | E | A | M | E | A | M | E |
| 36,9 | 28 | 33,9 | 36 | 34 | 35,2 | 35,4 | 33,7 | 34 |
| 37 | 33,3 | 34,2 | 36,9 | 34,5 | 34,6 | 35,4 | 34,6 | 34,7 |
| 37 | 30,65 | 34,05 | 36,5 | 34,25 | 34,9 | 35,4 | 34,15 | 34,35 |
Härte HB 2,5/62,5
| 750°C | 720°C | 700°C |
| A | M | E | A | M | E | A | M | E |
| 110 | 120 | 129 | 110 | 117 | 127 | 110 | 120 | 127 |
Streckgrenzenverhältnis SV [%]
| 750°C | 720°C | 700°C |
| A | M | E | A | M | E | A | M | E |
| 36,9 | 46,4 | 51,3 | 36,9 | 43,9 | 49,0 | 40,2 | 45,8 | 49,5 |
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Beim Strangpressen ist es nicht ungewöhnlich, dass Festigkeiten und Härte vom Pressanfang zum Pressende hin etwas ansteigen. Interessant ist bei den durchgeführten Untersuchungen des Strangpressens mit unterschiedlichen Blocktemperaturen, dass die Änderung der Festigkeitswerte vom Pressanfang zum Pressende hin mit Ausnahme der Bruchdehnung bei unterschiedlichen Blocktemperaturen quasi gleich sind. Dieses gewährleistet eine hohe Reproduzierbarkeit von aus der Legierung durch Strangpressen hergestellten Sondermessinglegierungsprodukten bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften. Im Rahmen des üblichen sowie darüber hinaus in einem gewissen Maße schwankende Blocktemperaturen haben somit auf die Festigkeitseigenschaften des Sondermessinglegierungsproduktes keinen nennenswerten Einfluss.
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Die vorstehenden Werte sind zum leichteren Verständnis der Ergebnisse in der Figurenfolge 1a bis 1e grafisch dargestellt.
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Die Dichte der Proben beträgt 8,3 g/cm3. Die elektrische Leitfähigkeit wurde bei diesen Proben mit 9 bis 9,2 MS/m gemessen. Die Wärmeleitfähigkeit liegt bei etwa 100 W/(m·K).
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2 zeigt in zwei unterschiedlichen Vergrößerungen Mikrobilder des mit 720°C Blocktemperatur gepressten Profils, entnommen der Pressmitte in Längsrichtung. 3 zeigt dieselbe Probe in Querrichtung. Bei diesen Proben ist die homogene Korngröße des Gefüges augenfällig ebenso wie die Verteilung der β-Phase (auf Grund der Ätzung mit Fe(III)-Chlorit: dunkel) und der mit einem etwas geringeren Anteil vorhandenen α-Phase. Eingesprengt finden sich in dem Gefüge Silizide wieder.
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4 und 5 zeigen Mikrobilder desselben Profils aus dem Pressende. Die Mikrobilder der 2 bis 5 machen deutlich, dass sich das Gefüge von Pressmitte zum Pressende hin nicht signifikant ändert, was positiv bezüglich der weiteren Ver- und Bearbeitbarkeit ist. Somit ist über den größten Teil des stranggepressten Sondermessinglegierungsproduktes ein einheitliches Gefüge vorhanden.
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Insgesamt wird eine Strangpressblocktemperatur zwischen 700 und 750°C bevorzugt.
