DE2744106A1 - Ferritlegierung mit hoher festigkeit - Google Patents

Ferritlegierung mit hoher festigkeit

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DE2744106A1
DE2744106A1 DE19772744106 DE2744106A DE2744106A1 DE 2744106 A1 DE2744106 A1 DE 2744106A1 DE 19772744106 DE19772744106 DE 19772744106 DE 2744106 A DE2744106 A DE 2744106A DE 2744106 A1 DE2744106 A1 DE 2744106A1
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DE19772744106
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William Carl Hagel
Michael Karl Korenko
Frederick Augustus Smidt
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    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
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    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
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Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. 8000 MÜNCHEN 22 KARL H. WAGNER · GEWÜRZMÜHLSRASSE 5
POSTF,
ACH_246
2VU106
30. September 1977 77-R-28 39
United States Energy Research And Development Administration, Washington, D.C. 20545, V.St.A.
Ferritlegierung mit hoher Festigkeit
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ferritlegierung D53 mit hoher Festigkeit.
Die Legierung Fe-2,2 5Cr-1,OMo (ASTM A 387-D) wird bei vielen Anwendungsfällen benutzt. Die Verwendung dieses Materials ist jedoch wegen seiner geringen Festigkeit beschränkt. Zur Erhöhung der Festigkeit von Materialien der Ferrit-Klasse wurde historisch die Verwendung des 12 Gewichtsprozent-Bereichs an Chromgehalt betont. Die Verwendung von hohen Chromniveaus hat eine Erhöhung der Gesamtkosten des Materials zur Folge und eine erhöhte Abhängigkeit von kritischen Rohmaterialien.
Die Legierung der vorliegenden Erfindung soll die Verwendung von Chrom einschränken, und zwar durch Ausnutzung der die Festigkeit erhöhenden Effekte des Bors, wobei Zusammensetzungen vermieden werden sollen, die zur Ausfällung irgendeiner ungünstigen Phase führen würden. Die sich ergebende Legierung ist relativ wirtschaftlich und besitzt ein hohes kommerzielles Potential und zeigt auch hohe Festigkeitseigenschaften.
8098U/0819
Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Ferritlegierung vorzusehen, die hohe Festigkeitseigenschaften besitzt. Die Erfindung bezweckt ferner, eine neue Ferritlegierung anzugeben, die eine überlegene Festigkeit gegenüber der im Handel verfügbaren Legierung Fe-2,25Cr-1,OMo aufweist. Die Erfindung beabsichtigt ferner, eine Ferritlegierung mit hoher Festigkeit anzugeben, die für Dampfturbinen und Dampfgenerator-Rohr-Anwendungsfälle geeignet ist.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Erfindung sowie den Ansprüchen. Es sei bemerkt, daß Änderungen hinsichtlich der Einzelheiten und Zusammensetzung der Legierungskomponenten vorgenommen werden können, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
Die erfindungsgemäße Ferritlegierung ist insbesondere für Dampfturbinen-Rohr-Anwendungsfälle zweckmäßig und enthält von ungefähr 0,2 bis ungefähr 0,8 Gewichtsprozent Nickel, von ungefähr 2,5 bis ungefähr 3,6 Gewichtsprozent Chrom, von ungefähr 2,5 bis ungefähr 3,5 Gewichtsprozent Molybdän, von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Vanadium, von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Silicium, von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,6 Gewichtsprozent Mangan, von ungefähr 0,12 bis ungefähr 0,12 bis ungefähr 0,20 Gewichtsprozent Kohlenstoff, von ungefähr 0,02 bis ungefähr 0,1 Gewichtsprozent Bor, ein Maximum von ungefähr 0,05 Gewichtsprozent Stickstoff, ein Maximum von ungefähr 0,02 Gewichtsprozent Phosphor, ein Maximum von ungefähr 0,02 Gewichtsprozent Schwefel und den Rest Eisen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erhalt der erfindungsgemäßen Ferritlegierung;
Fig. 2 die Bruchbeanspruchungseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung, verglichen mit den Eigenschaften der Legierung Fe-2,25Cr-IMo.
8098U/0819
γ 106
Die erfindungsgemäße Legierung kann unter Verwendung der Flußfolge gemäß der Zeichnung hergestellt werden. Die Legierungselemente können hinzugefügt werden, um eine Legierungszusammensetzung vorzusehen, die einen allgemeinen Bereich wie folgt aufweist: Von ungefähr 0,2 bis ungefähr 0,8 Gewichtsprozent Nickel, von ungefähr 2,5 bis ungefähr 3,6 Gewichtsprozent Chrom, von ungefähr 2,5 bis ungefähr 3,5 Gewichtsprozent Molybdän, von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Vanadium, von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Silicium, von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,6 Gewichtsprozent Mangan, von ungefähr 0,12 tis ungefähr 0,20 Gewichtsprozent Kohlenstoff, von ungefähr 0,02 bis ungefähr 0,1 Gewichtsprozent Bor, ein Maximum von ungefähr 0,05 Gewichtsprozent Stickstoff, ein Maximum von ungefähr 0,02 Gewichtsprozent Phosphor, ein Maximum von ungefähr 0,02 Gewichtsprozent Schwefel und dem Rest Eisen. Obwohl ein Maximalwert von 0,02 bzw. 0,05 Gewichtsprozent für Schwefel und Phosphor sowie Stickstoff angegeben wurde, so sollte doch die Konzentration dieser Elemente vorzugsweise so niedrig wie möglich gehalten werden, und es ist zweckmäßig, diese Elemente überhaupt nicht in der Legierungszusammensetzung vorhanden zu haben.
Die Legierungselemente können in irgendeinen geeigneten Ofen, wie beispielsweise einen Induktionsofen, eingegeben werden und in Luft geschmolzen werden, wobei die Oberfläche der Schmelze durch eine Schicht aus Argon oder einem anderen inerten Gas geschützt ist. Alternativ kann es zweckmäßig sein, die Legierungszusammensetzung in einer inerten Atmosphäre zu schmelzen, um - wie in der Technik bekannt - einen Schutz gegenüber Stickstof f absorption vorzusehen. Die Legierungselemente können als Eisenlegierungen hinzugefügt werden, mit der Ausnahme, daß es zweckmäßig sein kann, reine Zusätze von Kohlenstoffaluminium und elektrolytischem Eisen zu verwenden. Aluminium wird als ein Dioxydationsmittel hinzugefügt, aber bildet keinen Teil des Endprodukts.
Nach dem Schmelzen wurde die Schmelze in einen geeigneten Barren gegossen, um beispielsweise zylindrische Barren mit Abmessungen
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27AA106
von 90 nun Durchmesser und 320 mm Länge zu bilden. Der Guß wurde sodann einem zweistündigen Weichen oder einem Lösungsanlassen ausgesetzt, und zwar bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 1125 C bis ungefähr 1225°C und im allgemeinen bei ungefähr 1175 C. Der lösungsangelassene Gußbarren wurde sodann in einem geeigneten Temperaturbereich, wie beispielsweise zwischen 1125°C und ungefähr 1225°C und im allgemeinen bei ungefähr 1175 C, druckgeschmiedet, und zwar in eine Blechstange mit geeigneten Abmessungen, wie beispielsweise 25 mm Dicke, 150 mm Breite und 685 mm Länge. Für Testzwecke wurde die Blechstange sodann sandgestrahlt oder in anderer Weise gesäubert, um die Oberflächenoxydation zu entfernen, worauf dann des Blech in Abschnitte von 150 mm Länge zum Zwecke des Heißwalzer.s zerteilt wurde. Dieser Heißwalzvorgang sieht anfangs eine Breitwalzung auf 205 mm Breite vor, und zwar gefolgt von einem Geradauswalzvorgang auf eine Stärke von 2 mm. 13 mm breite Streifen wurden sodann entfernt und bei ungefähr 1100°C bis ungefähr 1200°c und im allgemeinen bei ungefähr 1150°c lösungsangelassen, und zwar von ungefähr 0,5 bis 2 Stunden oder wie beispielsweise bei ungefähr einer halben Stunde, und zwar in einer schützenden Wasserstoffatmosphäre, vor der Luftkühlung. Die Wasserstoffatmosphäre wurde vorgesehen, um einen Oxydationswiderstand vorzusehen.
Die lösungsangelassenen Streifen wurden sodann luftgekühlt und darauffolgend kaltbearbeitet, und zwar auf eine 20%-ige Reduktion von der 2 mm-Dicke auf eine 1,5 mm-Dicke. Diese Reduktion wurde erreicht durch wiederholtes zyklisches Hindurchführen des Materials durch die Lösungsanlassung, die Lüftkühlung und die Kaltbearbeitungsschritte, wie dies in der Zeichnung durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, und zwar solange, bis die gewünschte Dicke erreicht wurde. Nach der abschließenden Kaltbearbeitung wurden die Streifen einer Alterungsbehandlung bei einer Temperatur von ungefähr 7000C bis ungefähr 760 C und im allgemeinen von ungefähr 73O°C ausgesetzt, und zwar für eine Zeitdauer von ungefähr 0,5 bis ungefähr 2 Stunden. Nach der Alterungsbehandlung wurden die Streifen auf Umgebungstemperatur luftgekühlt.
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Tabelle I veranschaulicht die chemischen Zusammensetzungen der vier Legierungen, die durch das oben beschriebene Verfahren, einschließlich Kaltbearbeitung, Schmieden, Alterung, usw., hergestellt wurden. Aus Gründen der Beschreibung wurden den Legierungen willkürlich die Bezeichnungen D51, D53, D54 und D55 zugeteilt.
Der allgemeine Bereich der erfindungsgemäßen Legierung wurden oben angegeben; ein bevorzugter Bereich ist der folgende: Von ungefähr 0,2 bis ungefähr 0,7 Gewichtsprozent Nickel, von ungefähr 2,8 bis ungefähr 3,3 Gewichtsprozent Chrom, von ungefähr 2,6 bis ungefähr 3,5 Gewichtsprozent Molybdän, von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,3 Gewichtsprozent Vanadium, von ungefähr 0,2 bis ungefähr 0,4 Gewichtsprozent Silicium, von ungefähr 0,2 bis ungefähr 0,6 Gewichtsprozent Mangan, von ungefähr 0,13 bis ungefähr 0,20 Gewichtsprozent Kohlenstoff, von ungefähr 0,03 bis ungefähr 0,05 Gewichtsprozent Bor und der Rest Eisen. Insbesondere ist eine bevorzugte Zusammensetzung die folgende: Ungefähr 0,6 Gewichtsprozent Nickel, ungefähr 3,1 Gewichtsprozent Chrom, ungefähr 3,0 Gewichtsprozent Molybdän, ungefähr 0,25 Gewichtsprozent Vanadium, ungefähr 0,3 Gewichtsprozent Silicium, ungefähr 0,4 Gewichtsprozent Mangan, ungefähr 0,16 Gewichtsprozent Kohlenstoff, ungefähr 0,35 Gewichtsprozent Bor und der Rest Eisen. Die bevorzugten Bereiche stellen sicher, daß optimale Mengen an Borid- und Carbid-Festigkeitsphasen vorhanden sind.
Die erfindungsgemäße Legierung, illustriert durch die Zusammensetzungslegierung D53 in Tabelle I1 verwendete die Zufügung von Bor in den angegebenen Bereichen, und zwar zusammen mit den anderen Legierungsbestandteilen» um eine festere Ferritlegierung zu ergeben, welche überlegene mechanische Eigenschaften gegenüber vergleichbaren kommerziellen Legierungen besitzt. Die Röntgenstrahlen-Analyse der extrahierten Phasen zeigte, daß die M..B -Phase der primäre Ferritlegierungsverfestiger ist. Es hat sich herausgestellt, daß die Lösungsbehandlung bei 950 bis 1050°C für 0,5 Stunden mit einer Luftkühlung, gefolgt von einer Alterung bei 675 bis 725°C für 1 Stunde mit Luftkühlung, die Ausscheidung der Verfestigungsphase optimiert.
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106
Tabelle II gibt bei Raumtemperatur die Festigkeitseigenschaften der Ferritlegierungen an. Die Legierung D53 ist das stärkste Material dieser Legierungen und zeigt noch immer einen annehmbar hohen Ziehfähigkeitspegel. Der Primärunterschied zwischen Legierung D5 3 und Legierungen D54 und D55 besteht in der Borhinzufügung bei der ersteren, wodurch das Verstärkungs- oder Verfestigungspotential der Borhinzufügung zu dieser 3Mo-3Cr-Legierungsklasse veranschaulicht wird.
Die Langzeitphasenstabilitat dieser Materialien wurde durch Alterung getestet, und zwar bei 474°C über 500 Stunden hinweg, gefolgt von einer Zugbeanspruchungsprüfung. Materialien dieser Klasse zeigen häufig Versprödungen bei dieser Temperatur. Wie Tabelle III zeigt, behielt die Legierung D53 ihre Festigkeitsund Ziehfähigkeits-Niveaus, und zwar selbst nach einem längeren Aussetzen gegenüber dieser Temperatur. Dies zeigt, daß keine schädlichen Phasen vorhanden sind, welche die mechanischen Eigenschaften dieser Legierung während ihres Dienstes verschlechtern könnten.
Die Hochtemperatur-Zugfestigkeitseigenschaften dieser Legierungen sind in Tabelle IV angegeben. Die 0,2% versetzte Streckgrenze und die schließliche Zugfestigkeit der Legierung D53 ist bei sämtlichen Temperaturen überlegen. Die Tatsache, daß dieser Unterschied bei diesen höheren Temperaturen deutlicher ist als bei Raumtemperatur, ist insoferne von Bedeutung, da die am erfolgversprechendsten Anwendungsfälle für dieses Material in einer Verwendung im Hochtemperaturbereich liegen, und zwar bei Rohren für Dampfturbinen und Generatoren.
Die Tabelle V verifiziert das Hochtemperatur-Festigkeitspotential der Legierung D53 noch weiter, über den gesamten Temperaturbereich von 510 bis 7O5°C hinweg ist dieses Material wesentlich härter als die anderen Kandidaten. Somit führt die einzigartige Kombination von Cr, Mo, V, C und B der Legierung D53 zu einem erhöhten Festigkeitsniveau.
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Schließlich veranschaulichen die in Tabelle VI angegebenen 65O°C-Beanspruchungs-Bruchdaten die Überlegenheit der Legie-
1 ο
rung D53 gegenüber Legierung D55. Der vergleichbare 650 C,
100 Stunden-Beanspruchungs-Bruchwert für Fe-2,25Cr-IMo ist annähernd 14 - 1/1000 engl. Pfund pro Quadratzoll (ksi), was die Überlegenheit dieser Legierung über ihr im Handel verfügbares Gegenstück deutlich macht. Ein 20%-iger Anstieg der Beanspruchungs-Bruchfestigkeit der Legierung D53 gegenüber Fe-2,2 5Cr-1Mo ist äquivalent zu einem wesentlich größeren Anstieg der Bruchzeit bei einer gegebenen Beanspruchung. Fig. 2 veranschaulicht diese Unterschiede in der üblichen ingenieurmäßigen Darstellung von Beanspruchung zu Bruch, abhängig vom Larson Miller-Parameter.
Die Erfindung sieht somit eine neue Legierungszusammensetzung vor, welche eine überlegene Festigkeit gegenüber anderen Ferritmaterialien zeigt und insbesondere für Dampfgeneratorrohr-Anwendungsfälle geeignet ist.
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Legierung C ,06 Mn
D51 O ,16 4,2
D53 O ,03 0,44
D54 O ,14 0,50
D55 O 0,51
O CD OO
TABELLE I Element, Gewichtsprozent, Rest Eisen
S_i CrNiMoNbV-N P S Andere
1,36 17,68 - 1,06 - 0,19 0,065 0,016 0,0025 -
0,32 3,16 0,59 3,02 - 0,23 0,023 0,005 0,005 O,O35B
0,17 3,17 3,26 3,03 0,097 - 0,018 0,005 0,003
0,12 3,11 3,27 2,98 0,097 - 0,022 0,006 0,004
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TABELLE II
Raumtemperatur - Zugeigenschaften
Legierung 0,2% versetzte
Streckgrenze
(ksi)
Zugfestig-
keit(ksi)
Dehnung(%) Flächen
reduktion
(%)
D51 95.2
87.1
110.7
103.4
11.7
11.5
34.4
31.0
D53 101.2
105.6
119.9
124.8
10.0
9.7
44.4
29.9
D54 83.9
82.5
96.5
95.9
16.2
16.0
47.2
49.8
D55 100.7
99.2
120.8
120.9
11.7
11.5
38.6
42.1
TABELLE
III
Raumtemperatur - Zugfestigkeitseigenschaften nach 500 Stunden bei 474°C
Legierung 0,2% versetzte
Streckgrenze
(ksi)
Zugfestig
keit (ksi)
Dehnung(%) Flächen
reduktion
(%)
D51 109.8
104.9
122.9
119.5
9.5
13.0
16.0
27.5
D53 97.1
100.7
116.0
117.5
8.5
8.0
45.0
43.5
054 90.9
91.3
97.8
98.7
15.0
15.5
53.0
56.0
055 102.6
102.8
109.9
110.9
11.5
10.5
33.5
34.0
809814/0819
TABELLE IV Hochtemperatur-Zugbeanspruchungseigenschaften
on Legierung 0,2% versetzte Zugfestigkeit Dehnung Flächen
O 5500C: D51 Streckgrenze (ksi) (%) reduktion
CO D53 (ksi) 56.6 18.5 (%)
CO D54 51.9 79.4 11.5 51.0
*- D55 69.6 61.7 14.5 49.0
6000C: D51 55.0 62.6 12.0 50.5
cj
OO
D53 52.5 41.2 23.5 46.5
D54 38.1 65.5 15.0 66.0
CO D55 54.0 51.2 18.5 32.5
43.4 49.5 22.0 57.0
I 6500C: D51 41.7 55.5
O D53 27.9 30.5
I D54 24.5 48.5 21.0 82.5
D55 35.4 32.8 30.5 64.5
23.2 35.6 30.5 70.0
28.4 66.5
Sämtliche Legierungen wurden gemäß Tabelle II behandelt
TABELLE V Wärmehärte (HV 10)a bei der angegebenen Temperatur (0C)
Legierung 510 540 565 595 620 650 675
D51 160 140 115 98 84 76 62 53
D53 202 187 170 152 130 112 83 73
054 166 154 137 118 102 84 64 50
D55 174 159 121 101 86 72 61
° a
<° HV 10 = Vickers-Härtetest, 10 Kilogramm-Last
TABELLE VI
Kriech- und Hochbeanspruchungs-Eigenschaften bei 65O°C
Angewandte Minimale Kriech- Flächen- 100 Stunden
Beanspruchung rate Zeit bis Dehnung reduktion Bruchfestig-
Legierung (ksi) (%/hj zum Bruch (h) (%) (%) keit (ksi)
CO
O
CO
I OO
CN .ρ-
I
O
OO
D53 17 1.6 54.3 33.0 42.5.
19 0.33 48.3 39.0 44.0
20 -(a) 56.7 -
23 0.30 10.1 36.0 46.5
25 - 16.3 -
38 - 0.5 -
42 - 0.033 _
53 - 0.016 - -
D55 10 0.25 86.2 34.0 30.0
12.5 - 116.1 -
13.5 0.75 24 34.0 28.0
15 - 34 -
18 5.5 3.5 33.5 47.0
23 - 2.4 -
27.3 17.0 0.3 39.5 63.5
32 _ 0.16 _
42 0.033 _
17.0 t
11.0 ± 1
(a) Leere Stellen zeigen an, daß die Eigenschaft nicht gemessen wurde.

Claims (5)

Patentansprüche
1. Ferritlegierung mit hoher Festigkeit, gekennzeichnet durch von ungefähr 0,2 bis ungefähr 0,8 Gewichtsprozent Nickel, von ungefähr 2,5 bis ungefähr 3,6 Gewichtsprozent Chrom, von ungefähr 2,5 bis ungefähr 3,5 Gewichtsprozent Molybdän, von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Vanadium, von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Silicium, von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,6 Gewichtsprozent Mangan, von ungefähr 0,12 bis ungefähr 0,20 Gewichtsprozent Kohlenstoff, von ungefähr 0,02 bis ungefähr 0,1 Gewichtsprozent Bor, ein Maximum von ungefähr 0,05 Gewichtsprozent Stickstoff, ein Maximum von ungefähr 0,02 Gewichtsprozent Schwefel, ein Maximum von ungefähr 0,02 Gewichtsprozent Phosphor, wobei der Rest Eisen ist.
2. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch von ungefähr 0,2 bis ungefähr 0,7 Gewichtsprozent Nickel,von ungefähr 2,8 bis ungefähr 3,3 Gewichtsprozent Chrom, von ungefähr 2,6 bis ungefähr 3,5 Gewichtsprozent Molybdän, von ungefähr 0,01 bis ungefähr 0,3 Gewichtsprozent Vanadium, von ungefähr 0,2 bis ungefähr 0,4 Gewichtsprozent Silicium, von ungefähr 0,2 bis ungefähr 0,6 Gewichtsprozent Mangan, von ungefähr 0,13 bis ungefähr 0,20 Gewichtsprozent Kohlenstoff, von ungefähr 0,03 bis ungefähr 0,05 Gewichtsprozent Bor und der Rest Eisen.
3. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ungefähr 0,6 Gewichtsprozent Nickel, ungefähr 3,1 Gewichtsprozent Chrom, ungefähr 3,0 Gewichtsprozent Molybdän, ungefähr 0,25 Gewichtsprozent Vanadium, ungefähr 0,3 Gewichtsprozent Silicium, ungefähr 0,4 Gewichtsprozent Mangan, ungefähr 0,16 Gewichtsprozent Kohlenstoff, ungefähr 0,035 Gewichtsprozent Bor und
dem Rest Eisen.
4. Legierung nach Anspruch 1 mit einer 100 Stunden-Bruchbeanspruchungsfestigkeit bei 650 C von ungefähr 17 ksi.
schließliche Zugfestigkeit bei 65O°C von ungefähr 48,5 ksi.
5. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine
gkeit bei 65O°C λ
8098U/0819
ORIGINAL INSPECTED
DE19772744106 1976-09-30 1977-09-30 Ferritlegierung mit hoher festigkeit Withdrawn DE2744106A1 (de)

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