DE2705344A1 - Verfahren zur herstellung mechanischer teile, wie beispielsweise ventile fuer verbrennungsmotoren - Google Patents
Verfahren zur herstellung mechanischer teile, wie beispielsweise ventile fuer verbrennungsmotorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mechanischer Teile, die bei erhöhten Temperaturen in korrodierender
Umgebung arbeiten müssen, wie es beispielsweise bei Ventilen für Verbrennungsmotoren der Fall ist. Derartige
Ventile haben in üblicher Weise einen Kopf, der fest mit einer Stange verbunden ist und der mit einem Sitz zusammenarbeitet,
um die Schließung von Gaszufuhr-und Gasabfuhrleitungen
zu gewährleisten.
Wenn ein Motor mit Schweröl gespeist wird, sind bekanntlich die Verbrennungsprodukte mit verschiedenen Salzen belastet,
wie beispielsweise Vanadiumsalze von Natrium, komplexe Zusammensetzungen von Schwefel u.dgl. Diese verschiedenen
Niederschläge haben die Folge, daß sie die gute Dichtigkeit der Kontaktflächen der Sitze des Zylinderkopfes und
der Sitze der Ventile in Frage stellen. Darüber hinaus bewirken sie, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, eine
ihnen eigene Korrosion.
Die bislang unternommenen Versuche, beispielsweise derartige Ventile korrosionsbeständig zu machen, sind unwirksam
geblieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in allererster Linie ein Herstellungsverfahren aufzuzeigen, mit dem die
Korrosionserscheinungen bekämpft werden können und mit dem man ferner auch gegen die Feststoffniederschläge ankämpfen
kann, die sich einer Dichtigkeit der Kontaktflächen widersetzen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß das
Teil aus einer Legierung hergestellt wird, die nach ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion ausgewählt wird und
daß mindestens die mit einem Sitz od.dgl. in Kontakt kommende Zone dieses Teils einer Knetung unterworfen wird,
die zu einer Reduktion der Korngröße und zu einer Härtung der Struktur führt.
Dank dieser Ausgestaltung widersteht das Teil nicht nur der Korrosion, sondern besitzt auch eine deutlich erhöhte
Härte, so daß ein beispielsweise daraus hergestelltes Ventil auch bei Motoren eingesetzt werden kann, deren Verbrennungspordukte
Niederschläge bilden.
Die das Teil bildende Legierung wird unter denen ausgewählt, die Chrom und Nickel beinhalten, und zwar jeweils
mit einem Anteil von mindestens 25 %, vorzugsweise mehr als 30 %.
Diese Legierungen, die im Hinblick auf ihre geringe Härte als unbrauchbar zur Bildung von Ventilen für Schwerölmotoren
angesehen werden, können dank der Knetung doch hierzu benutzt werden und bringen eine gute Lösung des Korrosionsproblems bei erhöhter Temperatur.
Im Falle der Verwendung dieses Herstellungsverfahrens auf Teile, die mit einem Belag versehen sind, d.h. solchen,
die in ihrer Kontaktzone mit einein festen Sitz od.dgl. eine
Verstärkung aus einer Legierung haben, die von der den eigentlichen Körper bildenden Legierung abweicht, besteht
das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß das Teil und sein Belag aus Legierungen hergestellt werden, die mit
Bezug auf ihre Korrosionsbeständigkeit ausgewählt werden, der Belag auf dem Teil durch Fusion niedergelegt wird, wobei
vor oder nach dieser Niederlegung Wärmebehandlungen er-
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— a —
folgen und daß zumindest die an dem Belag geschützte Zone, d.h. die mit dem Sitz od.dgl. in Kontakt kommende Zone,
einer Knetung unterworfen wird, die zu einer Korngrößenreduktion und zu einer Härtung der Struktur dieser Zone
führt.
Dieses Verfahren bildet eine einfache und bequeme Lösung des Problems und benutzt Materialien, die, seien sie schon
bekannt oder noch nicht, additiv vereinigt werden, damit die chemische Zusammensetzung der Belagzone wirksam Korrosionen
widerstehen kann.
In einer bevorzugten Durchführungsform besteht das Verfahren
darin, daß das Teil vor der Beaufschlagung mit dem Belag aus einer Metallegierung hergestellt wird, die einen
hohen Gehalt an Chrom und einen sehr hohen Gehalt an Nickel hat, daß dann durch Fusion auf der Fläche, die mit dem
Belag versehen werden soll und die zuvor erwärmt wurde, eine Legierung niedergelegt wird, die Chrom, mit einem
hohen Anteil, Tungsten und/oder Molybdän im Beisein von verschiedenen Härtern und als Rest Kobalt oder Nickel be—
20 inhaltet, um als Folge der Übertragung der Bestandteile
zwischen dem Teil und dem Belag eine Zone zu erhalten, die im wesentlichen aus Chrom und Nickel mit Anteilen benachbart
von 30 %, Kobalt, Tungsten und/oder Molybdän und verschiedenen Härterelementen beinhaltet und dann das be—
legte Teil zu schmieden, um durch die Knetung, nach vorhergehenden oder nachfolgenden Wärmebehandlungen, die Strukturhärtung
des Belages und eine verstärkte Zone geringer Korngröße zu erhalten.
Um die Widerstandsfähigkeit des mechanischen Teils gegenüber Korrosion noch zu verbessern, ist gemäß einer weiteren bevor
zugten Form des Verfahrens vorgesehen, am Ende der Niederlegungsphase des Belages auf dem Teil und vor der Knetung,
die belegte Zone auf sehr hohe Temperaturen zu bringen, um
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durch die sich aus der Niederlegung ergebende Fusion eine hohe Homogenität der Struktur dieser Zone zu erreichen.
Zu dem gleichen Zweck folgt vorzugsweise der Knetung eine Alterung, der zumindest die Zone des Teils unterworfen wird,
die mit einem festen Sitz od.dgl. in Kontakt kommen muß. Vorzugsweise wird diese Alterung bei einer Temperatur
durchgeführt, die sehr gering über der Betriebstemperatur liegt, bei der das Teil später arbeiten muß.
Die Alterung bewirkt eine Stabilisierung der Struktur der mit dem Sitz in Berührung kommenden Zone und vermeidet somit,
daß im späteren Betriebszustand des Teils diese Struktur inneren Bewegungen unterworfen wird, die die Korrosion
begünstigen, wie dies normalerweise für austenitische Legierungen der Fall ist. Es wird somit eine hohe zeitliche
Dauerstabilität der Struktur erreicht.
Die Knetung kann kalt oder warm geschehen. Im letzteren Fall geschieht die Knetung vorzugsweise bei einer Temperatur,
die über der Betriebstemperatur des Teils liegt, aber unterhalb derjenigen Temperatur, bei der die Struktur der mit
dem Sitz in Kontakt kommenden Zone des Teils in Lösung geht.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die zur Verbesserung der Lebensdauer des mechanischen Teils eingesetzten Legierungen,
die im Hinblick auf ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber
der Korrosion ausgewählt wurden, es nach der Knetung, sei diese kalt oder warm durchgeführt, es auch ermöglichen,
zugleich die gewünschte Härte in der mit einem Sitz od.dgl.
in Kontakt kommenden Zone zu erreichen, damit diese Zone ohne Gefahr der Beschädigung ein Zerbrechen der bei der
Verbrennung entstehenden Feststoffabfalle ermöglicht.
Es ist hervorzuheben, daß, wenn die vorstehend genannte Zone durch einen Belag geschützt ist, die Auftragslegierung bei
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erhöhter Temperatur niedergelegt wird, und zwar in der Größenordnung von 3.0000C und mit einer ausreichend
großen Geschwindigkeit, um das Prinzip der Additivität der Bestandteile ausnutzen zu können, d.h. die Gemischbildung
und innige Fusion der Bestandaelemente der Grundlegierung
und der Auftragslegierung bei einer Temperatur zu begünstigen, die größer ist als diejenige, von der ab
einige der Bestandteile brennen.
Die nachfolgend erläuterten Durchführungsbeispiele zeigen das erfindungsgemäße Verfahren in allen Einzelheiten auf.
In allen Durchführungsbeispielen hatten die mechanischen Teile, die hergestellt wurden, die Form eines Ventilkopfes
mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Höhe von 23 mm. Der Sitz bildete einen Winkel von 45 bezüglich der oberen
ebenen Fläche des Ventils und war an einem Endstück befestigt, das einen Durchmesser von 10 mm und eine Länge von 9 mm
hatte. Der Sitz hatte eine Kehlung von 5 mm mit einem Durchmesser im Kehlungsgrund von 30 mm.
20 Es wurden zwei Reihen von Probestücken hergestellt, und
zwar in einer Metallegierung A, die widerstandsfähig gegen
Korrosion war und im wesentlichen 62 % Nickel und 30 % Chrom, in der Größenordnung von 0,05 % Kohlenstoff und
Spuren von verschiedenen anderen Metallen und sonstigen Zusätzen beinhaltete. Diese Legierung entspricht derjenigen,
wie sie von der Firma Societe Francaise AUBERT ET DUVAL
unter dem Namen "NIMONIC 80 EA3" in den Verkehr gebracht wird. Die beiden Probestücke wurden auf folgende Weise
hergestellt:
30 Probestück I : Ein Rohling wurde bei 1.0500C, ausgehend
von einem zylindrischen Stück der Legierung geschmiedet.
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Dieser Rohling wurde einer End-Schmiedebearbeitung bei 700 C unterworfen, um die gewünschte Knetung der Struktur
zu gewährleisten.
Probestück II: Dieses Probestück wurde genauso hergestellt wie das Probestück I. Es wurde aber nach der Knetung einer
Alterung bei 7000C während einer Zeitdauer von 16 Stunden
unterworfen.
Es wurden sechs verschiedene Reihen von Probestücken mit den Nummern 1 bis 6 hergestellt, die alle die gleichen Formen
und Abmessungen hatten wie die Probestücke im vorhergehenden Beispiel. Der Grundkörper sämtlicher Probestücke
wurde aus der metallischen Legierung A gemäß Beispiel 1 hergestellt.
Der Belag bei allen Probestücken wurde aus einer metallischen Legierung B hergestellt, die korrosionsbeständig war und
folgende Bestandteile hatte: 51 % Kobalt, 32 % Chrom, 14 % Tungsten, 1 % Kohlenstoff und 2 % Nobium. Diese Legierung
wird von der Firma Societe Francaise AUBERT ET DUVAL unter
20 der Bezeichnung "ALLACRITE 52 T" vertrieben.
Bei allen Probestücken dieses Beispiels geschah die Niederlegung des Belages in der Kehlung durch Lichtbogenfusion
unter neutraler Atmosphäre bei einer Temperatur in der Größenordnung von 3.0000C. Die Niederlegung geschah bei
einer Vorerwärmung des Teils auf eine Temperatur in der Größenordnung von 500 C.
In allen Fällen hat die chemische Analyse der Belagzone, die durch die Übertragung der Bestandteile der beiden Legierungen
erhalten wurde, gezeigt, daß sie sich zusammensetzte aus 31 % Nickel, 31 % Chrom, 26 % Kobalt, 7 % Tungsten,
1 % Nobium, 0,5 % Kohlenstoff sowie Spuren anderer Metalle oder Verunreinigungen.
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Die verschiednen Probestücke unterscheiden sich somit lediglich durch ihre Fabrikationsphasen:
Probestück 1: Ein Rohling wurde durch Schmieden bei 1.0500C aus einem zylindrischen Stück der Legierung A hergestellt.
Der Rohling wurde einer Malbfertig-Schmiedung bei
1.050 C unterzogen und wurde dann nach Abkühlung zur Herstellung der Kehlung bearbeitet. Danach wurde eine einzige
Schicht der Legierung B in der Kehlung in einem einzigen Arbeitsgang und manuell niedergelegt. Nach langsamer Abkühlung
wurde diese Niederlegung einer zweiten Fusion im Sinne einer Homogenisierung bei erhöhter Temperatur in der
■ Größenordnung von 3.000 C unterzogen. Das soweit fertiggestellte Teil wurde im Sinne seiner Knetung einer End-Schmiedung
bei 700 C unterzogen.
Probestück 2: Es wurde in genau der gleichen Weise hergestellt wie das Probestück 1, wurde aber nach der Knetung
noch einer Alterung bei 7000C während 16 Stunden unterzogen.
Probestück 3: Der Schmiedung des Rohlings bei 1.050 C aus einem zylindrischen Stück der Legierung A folgte unmittelbar
eine End-Schmiedung bei 1.0500C. Die Kehlung wurde hergestellt
und die Legierung B wurde in der Kehlung in der gleichen Weise niedergelegt wie beim Probestück 1. Es folgte
eine langsame Abkühlung. Mit anderen Worten wurde dieses Probestück weder einer Homogenisierung noch einer Knetung
25 seiner Belagzone unterworfen.
Probestück 4: Dieses Probestück wurde genauso hergestellt wie das Probestück 3, wurde aber abschließend noch einer
Alterung bei 700 C während 16 Stunden unterzogen.
aus einem zylindrischen Stück der Legierung A sowie einer Halbfertig-Schmiedung bei 1.0500C und nach Bearbeitung de
Kehlung wurde eine einzige Schicht der Legierung B in der
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Kehlung niedergelegt, und zwar in einem Arbeitsgang von Hand. Unmittelbar danach und ohne besondere Homogenisierung
des Niederschlages wurde der Rohling einer End-Schmiedung bei 700 C unterworfen, um seine Knetung zu gewährleisten.
Probestück 6: Das Probestück 6 wurde genauso hergestellt wie das Probestück 5, es wurde aber dann abschließend noch
einer Alterung bei 7000C während 16 Stunden unterworfen.
Nach der Herstellung sind die verschiedenen Probestücke einer Grobbearbeitung des Sitzbereiches unterzogen worden.
Es ist darauf zu verweisen, daß mit diesen speziellen Probestücken
die Untersuchung darauf ausgelegt wurde, das Problem für ein Ventil zu lösen, das bei einer Betriebstemperatur
von 6500C arbeitet. Aus diesem Grund sind die Arbeitsvorgänge
der Knetung und der Alterung bei einer Temperatur von 7000C durchgeführt worden, die somit um 500C über der
Betriebstemperatur liegt.
Es versteht sich, daß für andere Betriebstemperaturen des Ventils die Temperaturen bei den Bearbeitungsvorgängen des
Knetens und des Al terns entsprechend anzupassen sind.
Die Probestücke der beiden Beispiele wurden Korrosionsversuchen unterworfen, in deren Verlauf sie in einem Behälter
angeordnet wurden, der ein pulverförmiges Gemisch aus Natriumsulfat und Metavanadiumsalzen von Natrium enthielt,
und zwar in einem Molverhältnis von 14 % und 86 %. Der das von dem eutektischen Gemisch bedeckte Probestück beinhaltende
Behälter wurde in einen Ofen gestellt und für eine Zeit von 2 Stunden auf eine konstante Temperatur von 6500C entsprechend
der späteren Betriebstemperatur gebracht. Alle Proben waren vollständig widerstandsfähig gegenüber dem
synthetischen korrosiven Medium während der Versuchszeit, und es wurde demzufolge eine weitere Versuchsreihe in einem
noch korrosiveren Medium gestartet. Zu diesem Zweck wurde das anfängliche Gemisch durch Pentoxid von reinem Vanadium
ersetzt.
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Bei den gleichen Versuchsbedingungen wie vorstehend, sowohl
bezüglich Dauer wie auch Temperatur, unterlagen die verschiedenen Probestücke keiner sichtbaren Korrosion. Die
Versuche wurden daher fortgesetzt, indem die Temperatur im Ofen schrittweise um 50 C erhöht wurde. Um zu einem
Selektivversuch zu gelangen, mußte die Temperatur auf 9000C
gebracht werden.
Die Resultate dieses Versuches sind in der Tabelle zusammengestellt,
wobei für jedes Probestück seine Herstellungsweise und seine kalt gemessene Härte nach der Herstellung
angegeben sind.
Die Tabelle zeigt, daß die Probestücke I und II des Beispiels 1 perfekt dem korrosiven Milieu widerstanden haben und daß
sie eine geringere Härte haben als die Probestücke des Beispiels 2.
Die Tabelle zeigt auch, daß die Probestücke des Beispiels 2, d.h. die Probestücke mit dem Belag, umso besser der Korrosion
widerstehen, wie ihre belegte Zone einer Strukturhomogenisierung unterworfen wurde und in dem Maße, wie sie geknetet wurden.
Die Versuche haben demgegenüber nicht die Bedeutung der Alterung zeigen können, da insoweit die Zeitdauer zu kurz war.
In der Tat zeigt sich aber die Alterung wünschenswert, um die Struktur zu stabilisieren und um im Laufe der Zeit im
Betriebszustand der Teile einerseits zu vermeiden, daß die Struktur entweder die Quelle von Bewegungen ist, die die
Zwischenkornkorrosion favorisieren und daß andererseits die Teile Durchmesserdimensionen unterworfen werden, die ein
schlechtes Schließen auf dem Sitz womöglich sogar eine lokale Zerstörung des Ventils hervorrufen können.
Die Tabelle zeigt ferner, daß die Knetung bei den Probestücken des Beispiels 1 und die Homogenisierung und die
Knetung der Belagzone bei den Probestücken des Beispiels 2
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es ermöglichen, eine sehr zufriedenstellende Kalthärte zu
erreichen, die in jedem Fall deutlich über derjenigen von 300 Hv liegt, die man üblicherweise bei den bisherigen Herstellungsverfahren
erreicht, die die beiden erfindungsgemäßen Phasen der Herstellung trotz Verwendung immerhin vergleichbarer
Legierungen nicht erreichen.
Es ergibt sich somit, daß das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
es ermöglicht, mechanische Teile zu schaffen, beispielsweise Ventile, deren Widerstandsfähigkeit in der Zeitdauer,
sowohl vom strukturellen Gesichtspunkt wie auch vom chemischen und mechanischen Gesichtspunkt, sehr viel über
derjenigen liegt, die beispielsweise die auf die bislang übliche Weise hergestellten Ventile haben. Hierdurch läßt
sich die Dauer zwischen zwei Betriebskontrollen wesentlich steigern, so daß sich die Wartungsintervalle und damit die
Wartungskosten derartiger Motore erheblich reduzieren lassen.
Besonders wichtig ist dieser Vorteil beispielsweise bei Schiffsmotoren, da damit die Zeit für die Schiffsstillegung
erheblich reduziert wird und damit die Rentabilität der Schiffe gesteigert werden kann und die Transportkosten verringert werden können.
Es versteht sich, daß mit dem Herstellungsverfahren nicht
nur Ventile, wie vorstehend beschrieben, sondern auch andere mechanische Teile hergestellt werden können, die unter entsprechenden Betriebsbedingungen in korrosivem Milieu arbei
ten müssen, wie beispielsweise Drosselklappen, Hähne, Blendklappen u.dgl.
Es versteht sich ferner, daß die in den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen aufgezeigten Legierungen A und B auch
durch jede andere Legierung ersetzt werden können, die korrosionsbeständig sind, und zwar insbesondere wieder durch Legierungen, deren Gehalt an Nickel und Chrom jeweils minde
stens einen Wert von 25 %, vorzugsweise mehr als 30
%
beträgt.
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Probestücke II 1
CD CjO OO CO CO
Herstellung Rohling-Schmiedung bei 10500C
Halbfertig-Schmiedung bei 10500C
Fertig-Schmiedung bei 10500C
Abkühlung
Kehlungsbearbeitung Niederschlag Legierung B langsame Abkühlung
Homogenisierung
Fertig-Schmiedung bei 7000C (Knetung)
Alterung bei 7000C
O | O | X | X | O | O | X | X | r |
O | O | O | O | X | O | O | O | x -P |
O | O | X | X | X | X | O | O | |
O | O | X | X | X | X | X | X | |
O | O | X | X | X | X | X | X | |
O | O | X | X | X | X | O | O | |
O | O | X | X | O | O | O | O | |
χ | X | X | X | O | O | X | X | |
O | X | O | X | O | X | O |
mittlere Härte in Hv,
kalt gemessen im Sitzbereich
480
525
560
320
345
2 Stunden in reiiem Vanadiumpentoxid bei 900 C
ohne | ohne | ohne | ohne |
Korro | Korro | Korro | Kor ro |
sion | sion | sion | sion |
510
570
sehr sehr mitt- mittstarke starke lere lere
Korro- Korro- Korro- Korrosion sion sion sion
Korro- Korro- Korro- Korrosion sion sion sion
(D D rt-
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung mechanischer Teile, wie Ventile für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet,
daß das Teil aus einer Legierung hergestellt wird, die nach einer hohen Korrosionsbeständigkeit
ausgewählt wird und daß mindestens die Zone des Teils, die mit einem Sitz, einem Gegenlager u.dgl. in Berührung
kommt, einer Knetung derart unterworfen wird, daß eine Korngrößenreduktion und eine Härtung der Struktur erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Teil bildende Legierung unter denen gewählt wird,
die Chrom und Nickel enthalten, jeweils mit einem Anteil von mindestens 25 %, vorzugsweise mehr als 30 %.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall der Anwendung des Herstellungsverfahrens auf mit
einem Belag versehene mechanische Teile es darin besteht, daß das Teil und sein Belag aus Legierungen hergestellt
werden, die im Hinblick auf ihre hohe Korrosionsbeständigkeit ausgewählt werden, daß der Belag durch Fusion auf
dem Teil niedergelegt wird, wobei vor oder nach der Niederlegung Wärmebehandlungen erfolgen,und daß zumindest
die durch den Belag geschützte Zone, d.h. die mit einem Sitz oder einem Gegenlager in Berührung kommende Zone,
einer Knetung derart unterworfen wird, daß eine Korngrößenverkleinerung und eine Härtung der Struktur dieser
Zone erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil vor der Niederlegung des Belages aus einer Me-
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tallegierung hergestellt wird, die einen hohen Gehalt an Chrom und einen sehr hohen Gehalt an Nickel hat,
daß auf der mit dem Belag zu versehenden Fläche, die zuvor erwärmt wurde, durch Fusion eine Verbindung niedergelegt
wird, die Chrom enthält, in hohem Anteil, ferner Tungsten und/oder Molybdän in Anwesenheit von
verschiedenen Härtern und als Rest Kobalt oder Nickel, um somit infolge der Übertragung der Bestandteile zwischen
dem Teil und seinem Belag eine Zone zu bilden, die im wesentlichen aus Chrom und Nickel in Anteilsverhältnissen
in der Größenordnung von 30 % beinhaltet, ferner Kobalt, Tungsten und/oder Molybdän sowie verschiedene
Restelemente,und daß dann das auf diese Weise mit dem Belag versehene Teil geschmiedet wird, um durch die
Knetung, der thermische Behandlungen vorhergehen oder nachfolgen, die Strukturhärtung des Belages zu erreichen
und ferner eine verstärkte Zone geringer Korngröße zu erhalten.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß am Ende der Phase der Niederlegung des Belages auf dem Teil und vor der Phase der Knetung die
mit dem Belag versehene Zone auf eine sehr hohe Temperatur gebracht wird, um die Homogenisierung der Struktur dieser
Zone zu erreichen.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Knetung eine
Alterung anschließt, die zumindest die mit einem Sitz oder einem Gegenlager in Berührung kommende Zone erfaßt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Alterung bei einer Temperatur geringfügig über der
Betriebstemperatur des Teils durchgeführt wird.
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8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Knetung bei einer Temperatur
oberhalb der Betriebstemperatur, aber einer Temperatur unterhalb derjenigen geschieht, bei der die Struktur der
behandelten Zone in Lösung geht·
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