DE2624976A1 - Verfahren zur herstellung von aluminium-leitern - Google Patents

Description

"Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Leitern"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Leitern aus AlMgSi-Legierungen in Form von Drähten und isolierten Kabel für die Haus-Installation, für Telefon und biegsame Kabel sowie Starkstromkabel.

Bei Isolierkabeln ging die Entwicklung von Starkstromkabeln mit großem und mittlerem Querschnitt auf handelsübliches Leitaluminium A5/L, 3/4-hart mit mindestens 0,5 "/<> Gesamtbegleitstoffe. Für blanke Starkstromkabel hoher mechanischer Festigkeit werden verschiedene technische Lösungen angewandt, in Frankreich z.B. Mischkabel Aluminium-Stahl oder allgemein homogene Kabel aus ALMELEC (oder AGS/L) einer Gefüge-gehärteten Aluminiumlegierung, enthaltend 0,30 bis 0,80 Fe, 0,30 bis 0,70 fi Si und 0,15 bis 0,35 1° Fe. Die Verseilung der Drähte findet im T8-Zustand statt (lösungsgeglüht, abgeschreckt, gezogen, warm ausgelagert). Andere Arbeitsweisen sind möglich, z.B. wird eine AlMg-Legierung "5005" (Aluminium Association) 4/4-harte Drähte ohne Wärmebehandlung verseilt.

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Man hat auch daran gedacht, auf anderen Gebieten Kupfer durch Aluminium oder Aluminium-Legierungen zu ersetzen, wie Drähte für Hausinstallationen, Drähte und Kabel für Telefon, Telegraph und dgl., Drähte für Spulen und Wicklungen, biegsame Drähte. Diese Anwendungen setzen eine elektrische Leitfähigkeit voraus, die ähnlich derjenigen ist von A5/L, bessere mechanische Eigenschaften als A5/L und eine gute (Draht-)Ziehbarkeit. Die verbesserten elektrischen Eigenschaften sind notwendig entweder schon wegen der Herstellung der Leiter oder seiner Anwendung. Insbesondere Kabel für Telecommunication enthalten isolierte Drähte mit kleinem Durchmesser, beispielsweise 0,5 oder 0,63 mm, die zweiter- oder viererverseilt sind. Die Herstellung solcher Drähte erfolgt beispielsweise durch Ziehen und gleichzeitig Isolieren mit großer Geschwindigkeit auf Ziehwerken und erfordert Leiter, die eine verbesserte Kombination Druckfestigkeit : Bruchdehnung aufweisen, bezogen auf die Werte, die üblicherweise mit A5/L erreicht werden. Gefordert wird weiterhin eine ausgezeichnete Ziehbarkeit bei großer Geschwindigkeit und eine sehr gute Homogenität der Endeigenschaften.

Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren, mit welchem derartige Eigenschaften mit der Legierung AGS/L erzielt werden.

In der ER-PS ti 053 838 wird ein Herstellungsverfahren von Drähten für Haus- und HausgeräteInstallationen aus AGS/L beschrieben, bei dem durch Gießen und Properzi-Walzen ein Walzdraht mit Durohmesser 7,5 bis 12 mm hergestellt und dieser einer Homogenisierungsbehandlung von mindestens 0,5 h bei einer Temperatur von 500 bis 580⁰C unterworfen und anschließend mit kaltem Wasser abgeschreckt, getrocknet und mehrere Male bis zum Enddurchmesser gezogen wird; abschließend wird noch ausgelagert zwischen 2 bis 4 ta. bei 25O⁰C und wenige Sekunden bei 55O⁰C.

Man erhält so eine Bruchfestigkeit von 15 bis 18 hbar , eine

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Bruchdehnung von 8 "bis 14- $ und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 2,86 bis 2,90 yU. Sl .cm. Diese Eigenschaften sind durchaus zufriedenstellend, aber das Verfahren bietet den Nachteil, daß eine Horaogenisierungsbehandlung erforderlich ist, die im großtechnischen Maßstab etwa 8 h dauert. Dieser Arbeitsgang wird nämlich in einem Ofen mit Zwanggasführung und einer Anzahl von Drahtbunden roit einem Gewicht von etwa 1 t durchgeführt und muß - wenn auch nur 0,5 h - über die gesamte Drahtlänge in jedem Bund erfolgen. Außerdem braucht das Trocknen nach dem Abschrecken mit Wasser im Ofen bei 12O⁰C mehrere Stunden. Dieses Verfahren ist also langwierig und kostspielig.

Aus der ER-PS 2 179 515 ist ein vereinfachtes Verfahren bekannt, mit welchem die gleichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften durch Ziehen des Walzdrahtes im Rohzustand erreicht werden, d.h. unmittelbar so wie er von der Properzi-Walzstraße kommt; dieses Verfahren bietet den Vorteil, daß das Drahtziehen vereinfacht wird durch eine Verringerung der Bruchfestigkeit des Walzdrahtes, die von 20 bis 23 hbar auf 15Jhbar für den rohen Walzdraht (nach dem Walzen) abfällt. Aus diesem Grunde kann der Draht auf den für A5/1 vorgesehenen Ziehwerken gezogen werden. Vorteilhafterweise nutzt man das Kneten aus, das sich beim Properzi-Verfahren ergibt, wenn dieses Walzen bis herunter auf Durchmesser von beispielsweise 7»5 mm vorgenommen wird.

Bei der großtechnischen Herstellung jedoch hat sich gezeigt, daß die Gleichmäßigkeit der Endeigenschaften von Drähten nach der S¹R-PS 2 179 515unzureichend war und zu stark von den Bedingungen beim Gießen und beim Weitererarbeiten .des Properzi-Walzdrahtes aus AGS/L abhingen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich dieser Hauptnachteil ausschalten.

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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß man in einer ersten Stufe -vollständig die Ungleichmäßigkeit der Eigenschaften auf der Stufe des Walzdrahtes ausschaltet; hierzu wird kontinuierlich ein Walzdraht aus Legierung AG-S/L (0,30 bis 0,80 #, Torzugsweise 0,30 bis 0,60 io Mg; 0,30 bis 0,70 j£, vorzugsweise 0,30 bis 0,60 #; 0,15 bis 0,35 %_f Torzugsweise 0,15 bis 0,25 % Je) hergestellt, z.B. auf einer kontinuierlichen Properzi-Maschine. Anschließend, d.h. beim Austritt aus dem Walzwerk,wird schnell auf unter 150⁰C abgekühlt, sodaß es zu einer beträchtlichen Ausscheidung von MgpSi aus einer übersättigten festen Lösung kommt.

I ι

Die Schmelze, die mit etwa 70O⁰C aufgegeben wird, erstarrt beim Austritt aus dem Gießrad in Form eines im wesentlichen trapezoiden Bandes und hat kurze Zeit nachher beim Eintritt in das walzwerk (etwa 1 min zwischen Rad und Walzwerk) eine temperatur von 400 bis 500⁰C. Diese Temperatur liegt wesentlich unter der, bei der die sich verfestigende feste Lösung bei ausreichend langsamem Abkühlen Magnesium und Silicium ausscheidet. Das Walzen des im wesentlichen trapezoiden

Bandes (S^ 2240 mm ) bis zum Walzdraht (Durchmesser 9,5 mm oder 7»5 mm) erfolgt schnell, nämlich in der Größenordnung von 1 min. Die Temperatur des Walzdrahtes beim Austritt aus dem Walzwerk liegt zwischen 250 und 350⁰C je nach Gieß- und Walzbedingungen, ^m Walzwerk finden gleichzeitig mehrere Punktionen statt, nämlich: Formgebung, Kneten und dynamische Erholung , die sich aus der Deformation bei hoher Temperatur und Abschrecken ausgehend von einem mehr oder weniger vollkommenen Zustand der festen Lösung ergibt und im wesentlichen abhängt von der Temperatur des Bandes beim Eintritt in das Walzwerk. Ein schnelles Abkühlen (z.B. nach der FR-Anm. 74 058 78) verhindert eine merkliche Ausscheidung im Inneren des aufgewickelten Walzdrahtes. Eine solche Ausscheidung gibt sich durch eine beträchtliche Ungleichmässigkeit der mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Drahtringe von etwa 1 t unter Berücksichtigung der unterschiedlichen

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Abkühlgeschwindigkeit außen und innen zu erkennen und zeigt sich dann analog auch in den Eigenschaften.

Beim e-rfj.ndungsgemäßen Verfahren liegt die Temperatur des Bandes Austritt aus dem Gießrad und Eintritt in das Walzwerk zwischen 400 und 520⁰G, bevorzugt wird 400 bis 45O⁰O.

Mach der Erfindung wird in einer zweiten Stufe der Walzdraht einer Wärmebehandlung zur Ausscheidung der intermetallische Verbindung Mg₂Si unterzogen, ausgehend vom Zustand der partiellen festen Lösung, die durch kontinuierliches Gießen, Walzen und Abkühlen erhalten worden ist₍ und zwar werden die Drahtbunde 1 h bis zu 12 h bei 220 bis 28O⁰C gehalten, wodurch die Mg₂Si-AuSscheidung verdoppelt wird gegenüber dem Sekundäreffekt der Enthärtung infolge Erholung .. Der Haupteffekt der Wärmebehandlung ist die Heterogenisierung der partiellen festen Lösung aus dem Walzen und unmittelbar anschließendem Abschrecken des Walzdrahtes. Diese Heterogenisierung trägt

tung
zur Enthär- (Weichmachen) des Walzdrahtes bei und vor allen Dingen zur Verringerung des Kalthärtens beim Ziehen. Mit anderen Worten wird die Geschwindigkeit, mit welcher die Druckfestigkeit des Ziehdrahtes als Funktion der Querschnittsverminderung erhöht wird, verringert. Der Kraftbedarf beim Ziehen wird somit stark verringert und die Ziehbarkeit ist wesentlich verbessert.

Außerdem führt diese Behandlung der Heterogenisierung zur Bildung einer Legierung, die verbesserte Eigenschaften hat infolge der Anwesenheit von reversiblen Dispersoiden aufgrund der feinen Verteilung von ausgeschiedenem Mg₂Si.

Eine solche Wärmebehandlung, vorgenommen am Walzdraht, führt nicht zu einer nachteiligen Rekristallisation für das Drahtziehen und das abschließende Tempern auf ein Verhältnis Bruchfestigkeit : Bruchdehnung, das hochwertige Drähte gewährleistet.

Eine solche Wärmebehandlung stört nicht die hervorragende

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Gleichmäßigkeit der Eigenschaften von 1 t - Bunden aufgrund des kontinuierlichen Abkühlens nach dem Walzwerk.

Nach der Erfindung -wird in einer dritten Stufe in der Kälte gezogen, worauf gegebenenfalls in an sich bekannter Weise getempert wird, vorzugsweise im statischen Ofen chargenweise bei 220 bis 280⁰C in 1 bis 9 h. I¹Ur bestimmte Anwendungen, die keine elektrische Leitfähigkeit über 58,5 % von IACS (£<2,95 iU.Sl.om) (im Pail von biegsamen Kabeln) notv/endig machen, kann die abschließende Wärniebehandlung nach dem Drahtziehen vorteilhafterweise kontinuierlich vorgenommen werden, beispielsweise durch Joule'sehe Wärme oder durch induktive Erwärmung. ' ^l

Die erfindungsgemäß hergestellten Drähte sind gekennzeichnet durch Bruchdehnungen im Rohzustand nach dem Drahtziehen, die deutlich über den Werten für A5/L-Legierungen 3/4-hart liegen, in Verbindung mit einer erheblich verbesserten mechanischen Festigkeit (Bruchfestigkeit von 20 bis 30 kg/mm2 je nach Durchmesser).

Die Erfindung wird in den folgenden Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Dieses Beispiel soll die Unzulänglichkeiten der bekannten Verfahren zeigen hinsichtlich der Ungleichmässigkeiten der Eigenschaften des Walzdrahtes aus Legierung AG-S/L, Durchmesser 9,5 ram, enthaltend 0,29 "/» Pe, 0,60 fo Si und 0,59 % Mg, Dieser Walzdraht wurde auf einen Durchmesser von 2,3 mm gezogen und in bekannter Weise behandelt (I¹R-PS 2 179 515), wobei der Walzdraht nach dem Properzi-Verfahren erhalten worden ist, jedoch ohne kontinuierlichem Abkühlen und ohne Wärmebehandlung.

tabelle; 609850/0806

Wärmebehandlung des Walzdrahtes

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Lage der Proben in den 1t-Walzdrahtringen

außen

mitte

innen

β-*

	keine	28,	4	3,	0	3,	111
3	h 2400C	18,	4	6,	7	2,	896
3	h 26O0C	16,	5	9,	0	2,	894

22,3 1,0 2,937 23,0 4,0 2,-950 12,7 15,0 2,856 15,4 5,2 2,879 11,2 25,4 2,859 14,0 12,9 2,88;

in kg/mm^£

D % auf 200 mm, ,?/uJX,cm

Man stellt die Abweichungen der wichtigen Eigenschaften durch deren Ungleichmäßigkeit innerhalb der Walzdraht ringe fest, infolge eines Selbst-Glühvorgangs in der Mitte der Ringe. Die entsprechenden Werte des Walzdrahts sind in folgender Tabelle zusammengestellt.

Lage der Proben im Walzdrahtring (0 9,5 mm)

kg/mm*

D 200

JP

uJl .cm

außen mitte innen

15,	7	6,	VJl	3,	061
12,	O	16,	7	2,	906
13,	3	13,	5	2,	920

Beispiel 2

Es wurde.eine Legierung AGS/L, enthaltend 0,2Q£ Fe, 0,45 % Si und 0,51 % Mg mit üblichen Begleitern von Leitaluminium, hergestellt und nach dem Properzi-Verfahren ein Walzdraht hergestellt. Temperatur des Rohlings bei Verlassen des Rades 450⁰C und bei Eintritt in die Walze 440⁰C, Temperatur des Walzöls 65°C, kontinuierliche Abkühlung, des Walzdrahts am Ausgang des Walzwerks, Temperatur des abgekühlten Drahts 70°C. Der Walzdraht mit einem Durchmesser von

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9,5 mm wurde auf 1 t-Ringe aufgewickelt, deren mechanische und elektrische Eigenschaften im folgenden zusammengestellt

kg/mm D 200 % j ,u Jt.cm

frisch hergestellt 17,6 12,5

nach 7 Tagen Kaltauslagern 19,6 12,8 3,326

Man stellt eine merkliche Härtung durch das Auslagern fest»

Der Walzdrahtring wurde im Anschluß daran einer Ausscheidungshärtung unterworfen und/zwar 8 h bei 230⁰C mit anschließendem Abkühlen in ruhender Luft. Nach dieser Wärmebehandlung betrug die Bruchfestigkeit 18 kg/mm , die Dehnung 10 % und der Widerstand 2,94 /USi .cm.Nach einem Ziehen auf einer großtechnischen Anlage auf unterschiedliche Durchmesser wurden folgende Eigenschaften ermittelt.

(J^ D 200 /

0 mm kff/mm % /uJt .cm , ^/

5,35 21,4 7,0 2,924

4,16 23,0 6,6 2,934

3,64 24,2 5,8 2,943

2,70 24,8 5,6 2,948

Man sieht, daß die Bruchdehnung trotz der Kaltumformung hoch bleibt.

Die Werte obiger Tabelle für 0 2,7 mm sind Mittelwert aus dem

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1 t-Walzdrahtring, wobei die Probeentnahme aus 14 Ringen des Ziehdrahtes erfolgte.

Folgende Jabelle gestattet einen guten "überblick über die hervorragende Gleichmäßigkeit der Eigenschaften.

°²

-· 0,2^ kg/mm^

kg/mm

D 200

/U JX .

cm

minimal	22	5TF	,7	24,2	4,9	2	,942
maximal	24	,0	25,5	6,4	2	,952
mittel	23	,3	24,8	5,6	2	,948
Abweichung s-	0,	42	0,43	0,42	0	,003

Die 14 Drahtproben mit einem 0 von 2,7 mm wurden nun abschließend 3 h bei 250⁰C gehalten. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften sowie deren Schwankungen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

0,2

D 200 Wechsel-Biegen

	ρ kg/mm	kg/mm	%	I	,4	r : 10 mm	/Uü l>. cm
minimal	15,3	17,1	6	,7	15	2,887
maximal	16,1	17,7	8	,8	18	2,894
mittel	15,6	17,3	7	71	-	2,890
Abweichung	>' 0,23	0,19	0,		0,002

Auch liier zeigt sich wieder die hervorragende Gleichmäßigkeit der Eigenschaften.

Beispiel 3

Es wurde eine Legierung AGS/L, enthaltend 0,23 % Fe, 0,55 % Si, 0,59 % Mg mit üblichen Begleitelementen von Leitaluminium her-

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- ίο -

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gestellt und nach dem Properzi-Verfahren ein Walzdraht gebildet; Temperatur des Rohlings am Ausgang des Rades 460⁰C und am Eintritt in das Walzwerk 450°C; Temperatur des Walzöls 68⁰C; Temperatur des kontinuierlich abgekühlten Drahts 70 C₀ Dieser Walzdraht mit einem Durchmesser von 9,5 mm wurde zu 1 t-Ringen aufgewickelt und verschiedenen Wärmebehandlungen zur Ausscheidungshärtung unterworfen.

^- D 200 f Wärmebehandlung kg/mm % /uJT .cm

keine 20,9 10,7 3,318

8 h 200⁰C 8 h 240°C 8 h 260⁰C 8 h 280⁰C

Es konnte festgestellt werden, daß eine Wärmebehandlung von h bei 200°C zu einem geringfügigen Härten durch Auslagern führt. Die Wärmebehandlungen bei 240 bzw. 260°C führen jedoch zu einer Enthärtung im'folge eines "Überauslagerüs". Bei 280 ⁰C beginnt bereits die Rekristallisation.

Der Walzdraht, entsprechend den 5 Wärmebehandlungsstufen obiger Tabelle, wurde nun auf 3 mm 0 gezogen und dann geglüht.

21,3	7,3	2,989
17,1	9,5	2,928
15,1	10,4	2,903
13,5	13,0	2,892

Draht mit <r~' σ° D 200 Wechselbie- P

2 2 gung s\)

Wärmebehandlung kg/mm kg/mm % r: TO mm /\iSl, cm

keiner 32,0 33,3 4,8 3 3,399

h - 200⁰C 29,1 30,2 4,0 7 3,007

h 240⁰C 21,9 23,0 5,0 8 2,944

h 260⁰C 20,5 21,7 5,0 10 2,927

8h 280⁰C 19,7 21,1 3,5 11 2,915

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Man stellt die Einwirkung der Wärmebehandlung von 240 bis 26O⁰C auf die Art der Erhärtung durch Kaltverformung und anschließend die Ziehbarkeit des Drahtes fest.

Obige Ziehdrähte mit einem 0 von 3 mm nach den genannten Wärmebehandlungen des Walzdrahts -wurden nun unterschiedlich ■weich geglüht, wodurch man Kurven für die Abhängigkeit der Dehnung als Funktion der Festigkeit (D 200 = f^) und die Anzahl der Wechselbiegungen als Funktion der Festigkeit auf stellen kann. Wird für die Festigkeiten= 16 kg/mm angewandt, so ergeben sich für die Dehnung und die Anzahl der Wechselbiegungen folgende Werte.

Draht mit ,

Wärmebehandlung D 200 % Anzahl der Wechselbiegungen

keiner 8 15

8 h 200⁰C 7,5 18

8 h 240⁰C 8 18

8 h 260⁰C 8 18

8 h 280⁰C 4,5 18

Aus dieser Gegenüberstellung ergibt sich, daß man bei Drähten nach einer Wärmebehandlung von 8 h bei 240 bzw. 260⁰C und anschließendem Weichglühen . den besten Kompromiß der mechanischen Eigenschaften erreichen kann.

Beispiel 4

Ein Draht, 2,7 mm 0 unbehandelt nach dem Ziehen, erhalten im Sinne des Beispiels 2, wurde auf 2 mm heruntergezogen und dann verschiedenen abschließenden Wärmebehandlungen zwischen 220 und 360°C während 30 min bis 9 h unterworfen mit dem Ziel, die Vorteilhaftigkeit der abschließenden Wärmebehandlung zu xm~

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-^Ί2-

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ι
tersuchen. Der Begriff "Vorteilhaftigkeit" bezeichnet hier die maximale Variationsbreite der Arbeitsbedingungen in industriellem Maßstab zur Erreichung der angestrebten Endeigenschaften.

Aus den Beziehungen der Dehnung (D 200 %) in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur und der Festigkeit <?° in kg/mm in

sich, Abhängigkeit von Zeit und Temperatur ergibt . daß die Dehnung zwischen 4 und 10 % und die Festigkeit zwischen 15 und 25 kg/mm liegen kann und die möglichen Wärmebehandlungen z.B. 5h zwischen 220 und 260 oder 1 h zwischen 230 und 280⁰C sind. Dies ist eine sehr bedeutende Vorteilhaftigkeit und ergibt eine leichte Reproduzierbarkeit,unter industriellen Arbeitsbedingungen.

Beispiel 5

Ein nach Beispiel 2 gezogener Draht, 0 2,7 mm_fwurde auf 0,5 mm heruntergezogen und verschiedenen abschließenden Wärmebehandlungen unterworfen. Man stellte folgende mechanische und elektrische Eigenschaften fest.

Wärmebehandlung

keine

250⁰C
260⁰C

30,4 14,6 12,8

ON/

kg/mm'¹

32,2 16,4 14,9

D 200

3,0
6,0
7,0

uJl .cm

3,016 2,871 2,868

Beispiel 6

Ein aus Beispiel 5 erhaltener Draht 0,5 mm 0. wurde durch elektrische Widerstandsheizung kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 600 m/min angelassen. Es ergaben sich folgende mechanische: . und elektrische Eigenschaften für zwei Einstellungs bedingungen.

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Tabelle:

- 13 -

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D 200 f

1 17,4 8,0 3,14

2 16,7 12,5 3,17

Einstellungsbedingungen kg/mm % ,u JL .cm

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Patentansprüche

Claims (2)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Leitern . aus AlMgSi-Legierungen, die 0,30 bis 0,60 % Mg, 0,30 bis 0,70 % Si, 0,15 bis 0,35 % Fe sowie die üblichen Begleiter in Leitaluminium enthalten, aus einem kontinuierlich gegossenen und bei 400 bis 520⁰C gewalzten Walzdraht mit Durchmesser 7,5 bis 9,5 mm, dadurch gekennzeichnet, daß man den Walzdraht nach der Walzstraße auf unter 150⁰C abschreckt und ihn 1 h bis zu 12 h zur Ausscheidung von Mg₂Si bei 220 bis 280⁰C hält, in der Kälte fertig zieht und dann gegebenenfalls bei 220 bis 280⁰C während 1 bis 9 h enthärtet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man kontinuierlich enthärtet.

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