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Einrichtung zum Härtern von Werkstücken
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Härten von
Werkstücken in einem Rärtebecken mit einer in das Härtebecken absenkbaren Vorrichtung
zum Tragen der Werkstücke.
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Die für die Härtung von großdimensionierten Werkstücken aus Stahl
verwendeten Härtemedien (Wasser, öl, Salzlösungen oder Emulsionen) werden - wenn
keine anderen Umstände wie z.B. Verzug, Kühlung o ä. zu berücksichtigen sind - ausgewählt
mit Rücksicht auf die Härtecharakteristik bzw. die obere kritische Abkühlungsgeschwindigkeit
der betreffenden Stahl qualitäten. Der Siedepunkt dieser Flüssigkeiten liegt unterhalb
der Härtetemperatur des Werkstücks. Dies hat zur Folge, daß im Verlauf der Abkühlung
zunächst die Dampfmantelphase, dann die Eichphase und schließlich die Konvektionsphase
durchlaufen werden, was beim Betreiben von Großraumhärtebecken zu besonderen technischen
und wirtschaftlichen Problemen führt.
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Die Dampfmantelphase, während der nur eine geringe Wärmeabfuhr durch
Leitung oder Strahlung erfolgt, ist unerwünscht. Sie kann zu Härte fehlern, Weichfleckigkeit
und Ausschuß führen. - Für die Härtung besonders wichtig ist die Eichphase, in der
die Wärmeabfuhr sehr groß ist und die Abkühlungsgeschwindigkeit mindestens den Wert
der oberen kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit erreichen-soll. In der Xonvektionsphase
wird die
Wärmeabfuhr wieder langsamer. Sie erfolgt durch gonvektion
und Leitung.
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Wegen der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften (spezifische
Wärme, Wärmeleitfähigkeit, Verdampfungswärme, Siedebeginn, Viskosität) ist die Abschreckwirkung
von Wasser größer als die von öl. Jedoch ist die nachteilige Wirkung des Dampfmantels
bei Wasser ebenfalls größer als bei öl, weil wie Beständigkeit des Dampfmantels
zunimmt bei Annäherung an den Siedepunkt und der Siedepunkt von Wasser näher an
der Härtebadtemperatur liegt als der von öl. Eine Erhöhung der Wasserbadtemperatur,
wie sie beim Härten i.a. auftritt, vergröRert diesen Nachteil noch. Außerdem ist
die Wärmeleitfähigkeit des Wasserdampfes geringer als die des öldampfmantels. Deshalb
ist die Temperatur des Wassers möglichst niedrig zu halten.
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Weil die Temperatur des Olbades weit unter dem Siedepunkt liegt, hat
eine Erhöhung der Badtemperatur hier praktisch keinen Einfluß auf die Dauer der
Dampfmantelphase. Die durch Temperaturanhebung bedingte Verringerung des Wärmegefälles
vom Stahl zum öl wird mehr als ausgeglichen durch die Erniedrigung der Viskosität
des öles, wodurch die Wärmeabfuhr durch Konvektion verbessert wird, und durch die
Erhöhung der spezifischen Wärme, weshalb eine Temperaturerhöhung des Olbades auf
z.B. 50 - 700C angestrebt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, das Härten in großen Härtebecken auch
für große Werkstücke wirtschaftlich zu betreiben und reproduzierbare Ergebnisse
dabei zu erhalten.
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Diese Aufgabe wird dadurch.gelöst, daß das Härtemittel in einem geschlossenen
Kreislauf geführt ist, der einen
oder mehrere Dusenstocke mit auf
die Werkstücke gerichteten Düsen am Boden des Härtebeckens, einen Überlauf am Härtebecken,
eine Umwälzpumpe und einen Wärmetauscher umfaßt, der auf der anderen Seite an einen
geschlossenen Kreislauf für einen Wärmeträger angeschlossen ist.
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Hierbei können Temperaturfühler im Härtemittelkreise lauf angeordnet
sein, über die die Durchflußmenge und/ oder die Temperatur des Wärmeträgers im Wärmetauscher
regelbar ist. Auch kann ein Temperaturfühler in Wärme trägerkreislauf angeordnet
sein, über den die Temperatur des Wärmeträgers regelbar ist.
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Der Wärmeträgerkreislauf kann über steuerbare Ventile mit einer Quelle
für aufgeheizte Wärmeträger verbunden sein.
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Insbesondere bei Verwendung von Wasser als Härtemittel ist es zweckmäßig,
wenn zwei Kreisläufe für das Härtemittel vorgesehen sind, die verschiedene Düsenstöcke
umfassen, wobei die beiden Kreisläufe miteinander koppelbar sind, indem ein Kreislauf
dann dazu dienen kann5 die Temperatur des Härtemittels niedrig zu halten, während
der andere Kreislauf dazu dient, eine große Umwälzung des Härtemittels vorzunehmen,
da zum Erreichen der Wärmebilanz lediglich eine geringe Umwälzung notwendig ist,
so daß dementsprechend die Kühleinrichtung klein dimensioniert -werden kann. Die
Kopplung zwischen diesen beiden Härtemittelkreisläufen kann über Magnetventile vorgenommen
werden, die durch einen Temperaturfühler steuerbar sind, der in einem Vortatsbehälter
für Härtemittel angeordnet ist.
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Um eine möglichst gute Bmspülung der Werkstücke zu erreichen, können
die Austritte der Düsen der Düsen stöcke ober- und unterhalb der zu härtenden Werkstücke
angeordnet und auch schräg zum Behandlungsgut angestellt sein. Ferner können zum
Unterstützen des möglichst frühen Zusammenbruchs der Dampfmantelphase im Härtebecken
Umwälzer angeordnet sein, die auch mit der Vorrichtung zum Tragen der Werkstücke
in das Härtebecken absenkbar sein können. Auch kann das Härtebecken innen an seinen
Längsseiten Leitbleche aufweisen, die mit Durchtrittsöffnungen für Umwälzer versehen
sind, die sich unterhalb der zu behandelnden Werkstücke befinden, so daß die Umwälzer
für einen Kreislauf des Härtemitteis im Härtebecken selbst um die Leitbleche herum
sorgen. Zusätzlich ist es möglich, daß die absenkbare Vorrichtung zum Tragen der
Werkstücke reversierbar im Härtebecken beweglich ist.
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Als absenkbare Vorrichtung zum Tragen der Werkstücke kommt insbesondere
ein Rollgang in Frage, mit dem langgestreckte rotationssymmetrische Werkstücke wie
Stangen und Rohre befördert werden.
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Durch eine derartige Einrichtung wird erreicht, daß bei Verwendung
von Wasser als Härtemittel die Badtemperatur so niedrig wie möglich gehalten werden
kann, während die Dampfmantel-phase zugunsten der Kochphase unterdrückt bzw. zeitlich
möglichst weitgehend begrenzt werden kann. Auch bei der Verwendung von öl oder dergleichen
als Härtemittel ergibt sich eine intensive Wärmeabftihr durch Konvektion, wobei
gleichzeitig die spezifische Wärme des öls erhöht werden kann.
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Mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung können Härtebecken mit einer
Länge von beispielsweise über 10m
und einem Fassungsvermogen von
über 50.000] wirtschaftlich unter Erzielung reproduzierbarer Härteergebnisse betrieben
werden1 da das Härtemittel über die gesamte Länge dcr Becken eingedüst und durch
die Bewegung des Härtemittels im Becken eine gleichmäßige Härtung auch langgestreckter
Werkstücke erzielt werden kann. Aufgrund des vorgesehenen Hertemitteikreislaufes
wird das Härtemittel mit konstanter Temperatur und Geschwindigkeit sn allen Düsen
der Düsenstöcke am Boden des Härtebeckens eingebracht, wobei außerdem die Kapazität
des Werksw&ssernetzes bei Verwendung von Wasser als Härtemittel nicht durch
die erforderlichen großen Härtemittelmengen beeinträchtigt wird.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Härtebecken gemäß der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt.
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Fig. 2 ist in senkrechter Querschnitt durch das Härtebecken von Fig.
1.
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Fig. 3 zeigt einen Kreislaufs bei dem vorzugsweise Öl als Härtemittel
verwehdbar ist.
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Fig. 3a und 3b zeigen zwei weitere Ausführungsformen des Rärtebeckens
im Querschnitt.
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Fig. 4 zeigt einen Kreislauf, bei dem vorzugsweise Wasser als Härtemittel
verwendbar ist.
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In Fig. 1 ist ein Rollenherddurchlaufofen 1 mit se Austrittsende dargestellt,
der mit einem Rollgang 2 ausgerüstet ist, auf dem das wärmezubehandelnde Gut (nicht
dargestellt), etwa Stabstahl, Rohre oder dg].
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kontinuierlich auf einen Abschreckrollgang 5 befördert wird, der Rollen
6 aufweist, die über ein Getriebe 4 angetrieben werden, wobei der Abschreckrollgang
5 an das Getriebe für den Rollgang 2 des Ofens 1, beispielsweise ein PIV-Getriebe,
angekuppelt werden kann. Der Rollgang 5 ist in einer Rahinenkonstruktion 7 angeordnet,
die auch das Getriebe 4 für den Ro]lgang 5 trägt.
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Ferner ist das Endstück des Rollgangs 2 von dem PIV-Antrieb abkuppelbar,
wobei dieses Endstück in seiner Lage derart bemessen ist, daß eine Lage aus zu behandelnden
Werkstücken 47 gerade auf ihm Platz hat. Die Abkupplung geschieht beispielsweise
elektromagnetisch Das Endstück des Rollgangs 2 wird nach Erfolgter Abkupplung mit
einen besonderen nicht dargestellterj Motor angetrieben, so daß das auf diesem Teil
des Rollgangs liegende Material mit hoher Geschwindigkeit auf den mit gleicher Geschwindigkeit
durch den Motor 4 angetriebenen Rollgang 5 befördert und mit diesem hydraulisch
in ein unter dem Rollgang befindliches Härtebecken 21 abgesenkt wird. Zu diesem
Zweck sind Hubzylinder 22 vorgeschen, die die Rahmenkonstruktion 7 absenkbar tragen.
Nachdem das zu behandelnde Material ins Härtebecken abgesenkt wurde, wird die vorher
geöffnete Ofenauslauftür wieder geschlossen und das Endstück des Rollgangs 2 erneut
an das PIV-Getriebe angekuppelt.
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An der Trennstelle zwischen dem als SchneLlantriebstei1 ausgebildeten
Endteil und dem übrigen Teil d(s Rollgang 2 kann eine Lichtschranke angebracht sein,
rçittel3 de festgestellt wird, wann eine Materiallage vollkommen
auf
dem Schnellantriebsteil liegt, wodurch dann über ein entsprechendes Relais oder
dgl. zunächst die Ofenauslauftür hochgefahren und dann der Schnellantriebsteil des
Rollgangs 2 und der Rollgang 5 in Bewegung gesetzt werden, wonach dann, wenn die
zu behandelnden Werkstücke 47 auf dem Rollgang 5 liegen, dieser ins Härtebecken
21 abgesenkt wird. Mittels eines Zeitrelain kann die Zeitdauer des Eintauchens genau
begrenzt wer den. Sobald das Material eingetaucht ist, wird über einen Endschalter
oder dgl. die Ofentür wieder geschlossen und der Schnellantriebsteil des Rol.lgangs
2 wieder an den PIV-Antrieb angekuppelt.
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Anstelle einer Lichtschranke kann auch eine Kontaktrolle oder dgl.
oder aber eine gekühlte Fernsehkameras deren Bild elektronisch ausgewertet wird,
verwendet werden.
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Während des Härtens, das sich in wesentlich kürzerer Zeit als der
Durchlauf der Werkstücke 47 durch den Ofen 1 abspielt, wandert die nächste Lage
von Werkstücken mit der am PiV-Antrieb eingestellten Geschwindigkeit langsam auf
den inzwischen wieder angekuppelten Schnellantniebsteil des Rollgangs 2 zu, wonach
der Vorgang von neuem beginnt, sobald sich die Werkstücke vollkommen auf dem Schnellantriebsteil
befinden. Auf diese Weise läßt sich der Härtevorgang kontinuierlich unter Verwendung
eines Härtebeckens gestalten.
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An der Rahmenkonstruktion 7 können Umwälzer 10 angeordnet sein, die
mit der Rahmenkonstruktion 7 in das Härtebecken absenkbar iind über einen Endschalter
bein oder unmittelbar nach dem Absenken der Rahmenkonstruktion 7 in Gang setzbar
sind, um das Ifärtemittel im Hartebecke 21 zusätzlich umzuwälzen.
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Auch kann der Härterollgang 5 reversierbar beweglich sein, damit die
Werkstücke im Härtebecken relativ zum Eärtemitte] hin- und herbewegbar sind, um
auch auf diese Weise eine bessere Wärmeabfuhr von den Werkstücke ken zu gewährleisten.
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Zur eigentlichen Bewegung des Härtebades zur Erzielung einer optimalen
Wärmeabfubr durch Konvektion befinden sich am Boden über die gesamte Länge des Härtebeckens
21 Düsenstöcke 23 n:it Düsen 24, deren Austrittsöfnungen, wie aus Fig. 1 ersichtlich,
schräg gegen das zu behandelnde Gut angestellt sind. Zusätzlich können die Düsen
24, wie aus Fig. 3a ersichtlich, zur Umspü].ung des Behandlungsgutes über- und unterhalb
des zu behandelnden Gutes angeordnet oder wie aus Fig. 3a ersichtlich seitlich gerichtet
sein.
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Gemäß Fig. 3 sind in einem geschlossenen Ölkreislauf die Dusenstöcke
23 des Härtebeckens 21 mit einem Ölkühler 30 verbunden, der über einen Filter 31
und eine Pumpe 32 mit einem Vorratsbehälter 33 verbunden ist. Die Pumpe 32 pumpt
öl aus dem Vorratsbehälter 33 über den Filter 31 in den ölkühler 30 und von dort
zu den Düsenstöcken 23 im Härtebecken 21. Das Härtebecken 21 ist längs seines oberen
Randes mit einem Überlauf 34 versehen, in den das zur Härtung verwendete öl fließt,
von wo es über einen Rücklauf 35 in den Vorratsbehälter 33 zurückgeführt wird. Die
Kühlung des Ols im Ölkühler 30 erfolgt mittels Wasser, das durch einc Pumpe 36 unter
Entnahme aus einem Wasserbehälter 37 dem Ölkühler 30 zugeführt wird, wobei der Wasserbehälter
37 von einem Kühler 38 gespeist wird, in dem das aus dem ölkühler 30 kommende erwärmte
Wasser abgekühlt wird. Zusätzlich ist der Wasserbehälter 37 mit einer Frischwasserzufuhr
39 verbunden. Zur Steuerung der
Temperatur des Kühlwassers zum
Erzielen einer kon stanten Öltemperatur von z.B. 600C können die Wasserzuführ- bzw.
AbführGei.tongen des ölkühlers 30 wahlweise mit einer Heißwasserzuleitung 40 bzw.
41 über Magnetventile 42,43 verbunden sein, wobei die Ventile mittels eines nicht
dargestellten Temperaturfühlers steuerbar sind. Da das Behandlungsgut selbst Wärme
an das öl abgibt, beschränkt sich die Heißwasserzufuhr im wesentlichen auf die Änfahrperiode.
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Gemäß lag. Db kann das Härtebecken 21 innen an seiner Längsseite Leitbleche
45 aufweisen, die mit Durchtrittaöffnungen für Umwälzer 46 versehen sind, die sich
unterhalb der zu behandelnden Werkstücke 47 befinden, so daß das Härtemittel im
llartebecken 21 zwischen den Werkstücken 47 hindurch nach oben und dann über die
Leitbleche 45 hinweg und hinter diesen nach unten bis zu den öffnungen mit den Umwälzern
46 strömt und von diesen erneut in das innere des ilärtebeckens 21, in dem sich
die zu behandelnden Werkstücke 47 befinden, hineingedrückt wird. Durch die gleichzeitig
seitlich gerichteten Düsen 24 unterhalb der Werkstücke 47 und des Rollgangs 5 ergibt
sich eine starke Verwirbelung des Härtemittels und damit eine gute Wärmeabfuhr durch
Konvektion.
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Die Einrichtung von Fig. 3 ist zwar vorzugsweise für öl als Härtemittel
geeignet, jedoch kann auch Wasser als Ilärtemittel verwendet werden.
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Gemäß Fig. 4 besitzt das Härtebecken 21 zwei Düsenstöcke 23, die jweils
rechteckig angeordnet sind, wobei sich ein Düsenstock innerijalb des anderen am
Boden des Härtebeckens 21 befindet. Die beiden Düsenstöcke sind an unterschiedliche
Wasserkreisläufe angeschlossen. Der innere Düsenstock 23 wird von einer Pumpe 32
mit Wasser
beaufschlagt, das einem Vorratsbehälter 50 entnommen
wird. Dem Vorratsbehälter 50 wird Wasser aus dem über den Rücklauf 35 mit dem Elärtebecken
21 verbundenen Sammelbecken 33 über eine Pumpe 51 zugeführt. Dieser Kreislauf dient
vor allem zur starken Umwälzung des Härtemittels im Härtebecken 21 mit großer Umwälzleistung
weshalb sehr starke Pumpen 32 und 51 vorgesehen sind.
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Der zweite Kreislauf, der den zweiten Düsenstock 23 im Härtebecken
21 beinhaltet, dient zun Halten der Temperatur des Härtemittels z B. auf 5°C und
führt von dem Düsenstock 23 über den Rücklauf 35 zum Sammelbecken 33 und von dort
über eine Pumpe 52 zu einem Wärnietauscher 53, der seinerseits über ein Magnetventil
54 mit dem Düsenstock 23 verbunden ist. Der Wärmetauscher 53 ist als Verdampfer
ausgebildet und mit einem Verflüssiger 54 und einem Kompressor 55 in einem Kältemittelkreislauf
geschaltet, im dem das vorher komprimierte Kältemittel in dem Verflüssiger 54 kondensiert
wird, um fiir die Kühlung des Härtemittels wieder zur Verfügung zu stehen, wobei
der Verflüssiger 54 mit einem sekundären Kühlwasserkreislauf mit Kühler 56, Sammelbehälter
57 und Pumpe 58 verbunden int. Der Kühlwasserkreislauf, der den Wärmetauscher 53
aufweist, -ind lediglich zum Halten der Temperatur des Kühlmittels dient, benötigt
keine große Wasserumwälzung, wodurch sich nur eine geringe Dimensionierung der Kühleinrichtung,
bestehend aus dem Wärmetauscher 53 und den angeschlossenen Ereieläufen ergibt. Während
das unter Hüttenflur befindliche Sammelbecken 33 nur ein solches Volumen ZU haben
braucht das erforderlich ist, um das über den Rand des Härtebeckens 21 übertretende
Wasser aufzunehmen, besitzt der vorzugsweise als Ilochbehälter ausgebildete Vorratsbehälter
50 ein möglichst großes Volumen, das auf die Durchsatzleistung des Härteofens und
vor allen Dingen auf die Wasserumwälzleistung ausgerichtet sein muß, die benötigt
wird. Hierdurch wird die Möglichkeit
gegeben, daß nach Erzielen
der vorgesehenen Temperatur im Härtebecken der Kaitwasserkreislauf über entsprechendc
Magnetventile 54,59, die durch einen im Härtebecken 21 befindlichen Temperaturfühler
betätigt werden, mit dem Vorratsbehälter 50 verbunden werden, wodurch ein grober
Vorrat an gekühltem Wasser für eine große Umwälzleistung im Härte becken bereitgestellt
wird. Da der Flüssigkeitsspiegel des Vorratsbehälters 50 im allgemeinen über dem
des Härtebeckens 21 liegt, werden die verbindenden Rohrleitungen an einer beliebigen
Stelle bis in Höhe d Oberkante des Vorratsbehälters 50 geführt, damit dieser etwa
beim Versagen einer RückschlagAppe einer Pumpe oder dgl. nicht leergesaugt werden
kann und eine unerwünschte Überflutung auftritt.
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An der höchsten Stelle der Rohrleitung wird dabei ein Entlüftungs-/Belüftungsventil
60 installiert.
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Die Einrichtung von Fig. 4 läßt sich auch für Ö als Härtemittel verwenden.
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Erfindungsgemäß ergibt sich eine sehr starke Umwälzung des Härtemittels
und damit eine giinstige Wärmeabfuhr durch Konvektion, während die Dampfmantelphase
im wesentlichen unterdrückt wird. Selbst bei Werkstoffen mit geringer Härtbarkeit
ergeben sich auch bei Großraumbecken optimale und reproduzierbare Härteergebnisse,
wobei zudem das Arbeiten mit Salzlösungen oder Emulsionen möglich und die Belastung
des Werkswassernetzes gering ist.
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- Ansprüche -