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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft die Herstellung von hochfesten Aluminiumlegierungs-Folienprodukten.
Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung einer neuen
Aluminiumlegierungs-Folie unter Verwendung eines kontinuierlichen
Bandgießprozesses.
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Stand der
Technik
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Folien
mit dünner
Dicke werden generell durch Gießen
eines Gussblocks aus einer Aluminiumlegierung in einem Prozess hergestellt,
der als DC-Gießen
oder Gießen
mit direkter Abschreckung bekannt ist. Die Gussblöcke werden
generell auf eine hohe Temperatur erhitzt, auf eine Wiederwalz-Dicke
von zwischen 1 und 10 mm warmgewalzt und anschließend auf
eine „Folienstapel"-Dicke von typischerweise
0,2 bis 0,4 mm Dicke kaltgewalzt. Das Band wird während des
Kaltwalz-Prozesses oft einem Zwischenglühschritt unterzogen. Der „Folienstapel" kann Gegenstand
von weiteren Kaltwalz-Operationen sein, um eine abschließende Folie
mit einer Dicke von etwa 5 bis 150 μm zu erzeugen.
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Dabei
besteht ein Kostenvorteil bei der Verwendung des kontinuierlichen
Bandgießens
als Startpunkt bei der Herstellung derartiger Folien, da eine Homogenisierung
vor dem Warmwalzen nicht erforderlich ist und das Maß der Warmreduktion
zur Ausbildung von Wiederwalzdicken deutlich reduziert wird. Dort,
wo hohe Volumina beim kontinuierlichen Gießen erforderlich sind, ist
das Gießen über ein
Zwillingsband das bevorzugte Verfahren des kontinuierlichen Gießens. Kontinuierliche
Bandgießprozesse
bringen jedoch unterschiedliche Abkühlbedingungen während der
Erstarrung verglichen mit dem DC-Gießen auf und es gibt keinen Hochtemperatur-Homogenisierungsschritt
vor dem Warmwalzen. Infolgedessen führt dies dann, wenn kontinuierliche Bandgießprozesse
mit Legierungen verwendet werden, die normalerweise durch DC-Gießen und
Homogenisierung hergestellt werden, zur Bildung von unterschiedlichen
intermetallischen Phasen. Beim kontinuierlichen Bandgießen ist
die Abkühlrate
des Bands während
des Gießens
generell höher
(in einigen Fällen
sehr viel höher)
als die Abkühlrate
in großen
DC-Gussblöcken. Somit
führen
derartige beim kontinuierlichen Bandgießprozess bearbeitete Legierungen
auch zu einem Folienstapel, der eine höhere Übersättigung von Lösungselementen
aufweist, und der daher unerwünschte
Härtungs-
und Erweichungs-Eigenschaften aufweist, was zu Schwierigkeiten beim
Walzen des Folienstapels auf eine abschließende Dicke und bei der Steuerung
der Eigenschaften der so produzierten abschließenden Dicke führt.
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Dabei
besteht ein besonders starkes Interesse im Hinblick auf die Herstellung
von Produkten, die als „ultrahochfeste
Folien" bezeichnet
werden, d.h. eine Klasse von Folien, die eine Zugfestigkeit (UTS)
auf dem Niveau von 130 MPa oder höher aufweisen. Diese Festigkeit
ist deutlich höher
als die Festigkeit von üblichen AA1xxx-Legierungsfolien
(60-90 MPa) oder von Aluminiumfolien höherer Festigkeit des AA8021-Typs
(90 bis 120 MPa). In einem Verfahren zur Herstellung ultrahochfester
Folien werden AA8006-Legierungen auf einer Zwillingswalzen-Gießmaschine
vergossen und die walzgegossenen Materialien werden unter nachfolgenden, speziell
abgestimmten Prozessrouten bearbeitet. Eine Legierung des AA8006-Typs
hat eine nominale Zusammensetzung von weniger als 0,4 Gew.-% Silizium,
1,2 bis 2,0 Gew.-% Eisen und 0,3 bis 1,0 Gew.-% Mangan mit dem Rest
Aluminium und übliche
Verunreinigungen. Wenn die gleiche AA8006-Legierung auf einer Bandgießmaschine
vergossen wird, weist das daraus resultierende Band nicht das gleiche
Gefüge
wie das auf, das auf einer Zwillingswalzen-Gießmaschine
erzeugt wurde. Beispielsweise tritt ein starker Strangschalen-Verzug auf,
der eine große
Zahl von intermetallischen Größen und
Konzentrationen erzeugt, die die Gefüge-Steuerung negativ beeinflussen.
Daher kann die abschließende
Glühung
nicht das gewünschte
Gefüge
erzeugen. Somit war es bisher nicht möglich, ultrahochfeste Folien
unter Verwendung einer Bandgießroute
zu erzeugen.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer hochfesten Aluminiumfolie unter
Verwendung des Zwillingswalzen-Gießens ist im japanischen Patent
JP 1034548 von Furukawa
Alum beschrieben. Dieser Prozess verwendete eine Aluminiumlegierung,
die 0,8 bis 2 Gew.-% Fe, 0,1 bis 1 Gew.-% Si, 0,01 bis 0,5 Gew.-%
Cu, 0,01 bis 0,5 Gew.-% Mg sowie 0,01 bis 1 Gew.-% Mn enthielt.
Ti und B waren ebenso auf Kornfeinungs-Niveaus enthalten. Die Legierung
wurde mittels Zwillingswalzen auf eine Dicke von 0,5 bis 3 mm vergossen
und zu einer Folie gewalzt. Eine Wärmebehandlung bei 200 bis 450°C war ebenso
enthalten.
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In
der japanischen Patentveröffentlichung
H3-153835 von Mitsubishi wird ein Rippenmaterial beschrieben, das
aus einer Aluminium-Eisen-Silizium-Mangan-Legierung hergestellt
wurde. Die Legierung wurde auf eine Dicke von 30 mm vergossen, warmgewalzt
und mit einer Zwischenglühung,
jedoch ohne abschließende
Glühung
kaltgewalzt.
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Das
US-Patent 5,380,379 von Alcoa beschreibt die Herstellung einer Folie
aus einer Aluminiumlegierung, die etwa 1,35 bis 1,6 Gew.-% Eisen,
etwa 0,3 bis 0,6 Gew.-% Mangan, etwa 0,1 bis 0,4 Gew.-% Kupfer, etwa
0,05 bis 0,1 Gew.-% Titan, etwa 0,01 bis 0,02 Gew.-% Bor, bis zu
etwa: 0,2 Gew.-% Silizium, 0,02 Gew.-% Chrom, 0,005 Gew.-% Magnesium
sowie 0,05 Gew.-% Zink unter Verwendung einer Zwillingswalzen-Gießmaschine
enthält.
Die Legierung wurde vergossen und anschließend bei einer Temperatur von
460 bis 500°C
vor dem Kaltwalzen wärmebehandelt.
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Ein
anderer Prozess zur Herstellung von Aluminiumfolie ist im japanischen
Patent
JP 62250144 von Showa
beschrieben. Hier wurde eine Aluminiumlegierung verwendet, die 0,7
bis 1,8 Gew.-% Fe, 0,2 bis 0,5 Gew.-% Si sowie 0,1 bis 1,5 Gew.-%
Mn enthielt. Die Prozedur beinhaltete das Vergießen mit direkter Abschreckung,
eine Homogenisierung sowie ein Warmwalzen vor dem Kaltwalzschritt.
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Im
US-Patent 4,671,985 von Swiss Aluminum wird eine Aluminiumfolie
beschrieben, die 0 bis 0,5 Gew.-% Si, 0,8 bis 1,5 Gew.-% Fe sowie
0 bis 0,5 Gew.-% Mn enthält.
Nach dem Bandguss wurde diese warmgewalzt, woran sich ein Kaltwalzen
ohne Zwischenglühung
anschloss.
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Die
WO 98 45492 beschreibt eine Aluminiumfolie, die aus einer Aluminiumlegierung
hergestellt wurde, die 0,2 bis 0,5 Gew.-% Si, 0,4 bis 0,8 Gew.-%
Fe, 0,1 bis 0,3 Gew.-% Cu sowie 0,05 bis 0,3 Gew.-% Mn enthielt. Die
Legierung wurde kontinuierlich vergossen, kaltgewalzt, bei einer
Temperatur von 250 bis 450°C
zwischengeglüht,
auf eine abschließende
Dicke kaltgewalzt und abschließend
bei etwa 330°C
geglüht.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, unter Verwendung eines
kontinuierlichen Bandgusses eine neue hochfeste Aluminiumfolie zu
erzeugen, die Eigenschaften aufweist, die äquivalent zu hochfester Folie sind,
welche durch Gießen
mit direkter Abschreckung (DC) oder unter Vergießen von AA8006 mit Zwillingswalze
erzeugt wurden.
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Es
ist ein weiteres Ziel, eine hochfeste Legierung über eine kontinuierliche Gießroute zu
erzeugen, die in der Lage ist, hochvoluminöse Produktionsraten bereitzustellen.
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Offenbarung
der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wurde das Problem der Herstellung
einer hochfesten Aluminiumlegierungsfolie unter Verwendung einer kontinuierlichen
Bandgießmaschine
durch das Verfahren gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Somit
ist die verwendete Legierung eine solche, die 1,2 bis 1,7 Gew.-%
Fe, 0,4 bis 0,8 Gew.-% Si sowie 0,07 bis 0,20 Gew.-% Mn mit dem
Rest Aluminium und unvermeidliche Verunreinigungen enthält. Die
oben angegebene Legierung wird anschließend auf einer kontinuierlichen
Bandgießmaschine
auf eine Banddicke von weniger als 25 mm, vorzugsweise 5 bis 25
mm vergossen und anschließend
auf eine Zwischenglühdicke kaltgewalzt.
Die Zwischenglühung
wird bei einer Temperatur im Bereich von 280 bis 350°C durchgeführt, was von
einem Kaltwalzen auf eine abschließende Dicke sowie einer abschließenden Glühung gefolgt
wird.
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Die
Zwischenglühung
wird typischerweise über
2 bis 8 Stunden fortgesetzt und die abschließende Glühung wird bei einer Temperatur
von 250 bis 300°C über 1 bis
6 Stunden bevorzugt. Das kontinuierliche Bandgießen wird vorzugsweise auf einer
Bandgießmaschine
ausgeführt
und die Zwischendicke beträgt
typischerweise 0,5 bis 3,0 mm.
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In
der oben angegebenen Legierung wurde verglichen mit einer traditionellen
AA8006-Legierung der Siliziumgehalt angehoben und der Mangangehalt
abgesenkt. Dies löste
lokale nicht gleichmäßige Abkühlungsprobleme,
die bei einer AA8006-Legierung
zu verzeichnen sind, und ein stabil erholtes Gefüge wurde durch einen sorgfältig ausgewählten Zwischenglüh-Temperaturbereich
erzielt. Die Korngröße des stabil
erholten Gefüges
ist typischerweise im Bereich von 1 bis 7 μm.
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Fe
in der Legierung ist ein Verfestigungselement, das während des
Gießens
intermetallische Partikel (welche typischerweise während des
Walzen in kleinere Partikel aufbrechen) sowie Ausscheidungen während der
nachfolgenden Wärmebehandlungen
(typischerweise feine Partikel mit einer Größe von 0,1 μm oder weniger) während des
Prozesses ausbildet. Diese Partikel stabilisieren die Unterkörner im
abschließenden
Glühprozess.
Wenn Fe mit weniger als 1,2 Gew.-% vorliegt, ist der Effekt des
Fe nicht zur Herstellung von starken Folien ausreichend, und wenn
der Fe-Gehalt 1,7 Gew.-% übersteigt,
besteht die Gefahr der Ausbildung großer intermetallischer Primärpartikel
während
des Gießens,
die für
das Walzens und die Qualität
des Folienprodukts schädlich
sind.
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Si
in der Legierung verbessert die Vergießbarkeit im Gießschritt
und die Gleichmäßigkeit
des Gießgefüges. Es
beschleunigt ebenso die Ausscheidung von verteilten, gelösten Elementen
während
des Glühschritts.
Wenn der Si-Gehalt geringer als 0,4 Gew.-% ist, wird das Gießen erschwert
und das Gießgefüge wird ungleichmäßiger. Wenn
der Si-Gehalt größer als
0,8 Gew.-% ist, wird die Rekristallisierungstemperatur abgesenkt
und der Temperaturbereich für
die abschließende
Glühung
wird zu eng.
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Mn
ist in der Legierung erforderlich, um den Erholungsprozess und somit
die Korngröße der Folie
nach der abschließenden
Glühung
zu steuern. Wenn Mn mit weniger als 0,07 Gew.-% vorliegt, ist der
Effekt des Elements unzureichend und ein stabil erholtes Gefüge kann
nicht erreicht werden. Wenn der Mn-Gehalt 0,20 Gew.-% übersteigt,
wird die Duktilität
des Materials nach der abschließenden
Glühung
zu niedrig.
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Obwohl
das kontinuierlich vergossene Band eine Dicke wie gegossen von bis
zu 25 mm haben kann und auf eine Dicke von 1 bis 5 mm vor dem Kaltwalzen
auf Zwischendicke, bei der eine Zwischenglühung eintritt, warmgewalzt
werden kann, wird gemäß einer
bevorzugten Prozedur ein Band auf eine Dicke von nicht mehr als
10 mm, am meisten bevorzugt von 5 bis 10 mm kontinuierlich vergossen.
Ein Band dieser Dicke erfordert keine Warmwalzung vor dem Kaltwalzen.
Das Band wird während
des Kaltwalzens vorzugsweise zu einer Dicke von 0,5 bis 0,8 mm gebracht.
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Es
wird bevorzugt, dass das Band in einer Bandgießmaschine kontinuierlich vergossen
wird. Bandgießen
ist eine Form des kontinuierlichen Bandgusses, die zwischen sich
bewegenden, flexiblen und abkühlten Bändern ausgeführt wird.
Obwohl die Bänder
eine Kraft auf das Band aufbringen können, um eine adäquate Abkühlung zu
gewährleisten,
ist die Kraft vorzugsweise nicht ausreichend, um das Band während seiner
Erstarrung zu komprimieren. Typischerweise werden auf einer Bandgießmaschine
Bänder
mit weniger als 25 mm Dicke und vorzugsweise größer als 5 mm Dicke vergossen.
Die Abkühlrate
für die
Gießlegierungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt generell zwischen etwa 20 und 300°C/Sec.
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Das
kontinuierlich vergossene Band muss nicht vor jedem nachfolgenden
Walzschritt homogenisiert werden, da es den Effekt der Absenkung
der UTS, die im abschließenden
Folienmaterial erreichbar ist, aufweist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Graph, der die Festigkeit und die Dehnung bei speziellen Glühtemperaturen
für eine
Legierung gemäß der Erfindung
zueinander in Beziehung setzt;
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2 zeigt
Transmissions-Elektronen-Gefügeaufnahmen
von Folien, die aus Legierungen gemäß der Erfindung mit variablen
Zwischenglühtemperaturen
und einer abschließenden
Glühtemperatur
von 300°C
hergestellt wurden;
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3 zeigt
Transmissions-Elektronen-Gefügeaufnahmen
von Folien, die aus unterschiedlichen Legierungen gemäß der Erfindung
mit einer Zwischenglühtemperatur
von 300°C
und einer abschließenden
Glühtemperatur
von 300°C
hergestellt wurden; und
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4 zeigt
Transmissions-Elektronen-Gefügeaufnahmen
von Folien, die aus einer Legierung gemäß der Erfindung mit einer Zwischenglühtemperatur
von 300°C
und einer variablen abschließenden
Glühtemperatur
hergestellt wurden.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Beispiel 1
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Eine
Reihe von Tests wurde auf einer Labor-Bandgießmaschine durchgeführt. Die
dabei verwendeten Legierungen sind unten in Tabelle 1 gezeigt: Tabelle
1
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Die
Bänder
im Zustand wie vergossen hatten nominal eine Dicke von 7,3 mm und
waren sämtlich Gussstücke, die
frei von Strangschalen-Verzug waren. Das Gießen wurde auf einer Gießmaschine
mit Zwillingsbändern
ausgeführt,
wobei Wärmeströme im Bereich
von 1,5 bis 3,8 MW/m2 vorlagen. Dies stimmt
mit einer durchschnittlichen Abkühlrate
durch das gegossene Band hindurch von zwischen 150 und 420°C/Sec. überein.
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Proben
sämtlicher
Bänder
wie vergossen wurden entnommen, geschnitten, poliert und in einer
Schwefelsäurelösung anodisiert.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Legierungen mit den Nummern 1,
2, 3, 4 sowie 6 strukturell homogen waren, dass jedoch die Legierung
5 eine nichthomogene Gießstruktur
aufwies (während der
Erstarrung wurden von einem Ort zum anderen unterschiedliche intermetallische
Partikel ausgebildet). Diese Legierung wurde daher nicht weiter
bearbeitet.
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Um
die Effekte der Zwischenglühung
und der Legierungszusammensetzung auf die Ergebnisse einer Teilglühung der
Materialien im abschließenden
Glühschritt
zu untersuchen und insbesondere um zu beobachten, ob die Materialien
im Temperaturbereich von 250 bis 300°C ein stabiles Erholungsregime
durchführten, wurden
sämtliche
gegossenen Bänder
(mit Ausnahme von Gussnummer 5) bearbeitet und wie folgt auf Zug getestet:
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Ein
typisches Beispiel der Testergebnisse für Gussnummer 2 ist in
1 angegeben.
Diese zeigt Kurven einer Antwort auf eine teilweise Glühung der
Legierung, die bei vier unterschiedlichen Temperaturen zwischengeglüht wurde.
Es kann gesehen werden, dass die Antwort auf Teilglühung sehr
von der verwendeten Zwischenglühpraxis
abhängt.
Wenn die Zwischenglühtemperatur
niedriger als 250°C
oder höher
als 350°C war,
führte
das Material nicht ein stabiles Erholungsregime aus, d.h. dass die
Zugeigenschaften sich im Erholungs-Temperaturbereich schnell veränderten.
Auf der anderen Seite führte
dann, wenn das Material bei 300°C zwischengeglüht wurde,
ein recht stabiles Erholungsregime in dem abschließenden Glühschritt
aus, d.h. dass die UTS-Werte im Bereich von 250 bis 300°C sich nicht
schnell veränderten.
Die Zugeigenschaften für
eine Vielzahl von Legierungen nach der abschließenden Glühung bei 250 bis 300°C sind im
Folgenden in Tabelle 2 gezeigt: Tabelle
2
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Der
in Tabelle 2 gezeigte UTS-Abfall ist die Absenkung der Festigkeit,
die dann eintritt, wenn die abschließende Glühtemperatur von 250 auf 300°C angehoben
wird. Dies ist ein Indiz für
die Stabilität
der Festigkeit während
der abschließenden
Glühung
im Temperaturbereich. Eine hochfeste Folie mit guter Qualität erfordert
nicht nur eine hohe Festigkeit in der Form des abschließenden Produkts,
sondern ebenso eine gute Duktilität sowie eine gute Festigkeitsstabilität im abschließenden Glühtemperaturbereich.
Typischerweise sollte die Festigkeit nach der abschließenden Glühung höher als
130 MPa sein, die Duktilität
höher als
13% Zugdehnung und der UTS-Abfall geringer als 25 MPa über einen
Temperaturbereich von 50°C
betragen.
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Die
Daten aus Tabelle 2 zeigen, dass Gussnummer 1 (eine Legierung ohne
Mangan) nicht die Kriterien für
Folieneigenschaften mit guter Qualität unter jeder Prozessbedingung
zeigt, da die Festigkeit zu niedrig ist und das Material nicht das
stabile Wiedererholungsregime in der abschließenden Glühstufe besitzt, dass Gussnummer
2 (Fe, Si und Mn innerhalb des Erfindungsbereichs) eine Folie mit
guter Qualität
ergibt, wenn das Material bei etwa 300°C geglüht wird, dass Gussnummer 3
(Fe nur leicht unterhalb des Minimums) nahezu die Kriterien erfüllt, wenn
das Material bei 300°C
zwischengeglüht
wird, dass Gussnummer 4 die Kriterien bei Zwischenglühungen sowohl
von 300 als auch 250°C
erfüllt,
und dass Gussnummer 6 (niedriger Fe-Gehalt) hauptsächlich aufgrund
der niedrigen Duktilität
keine Folie mit guter Qualität
erzeugt.
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Somit
zeigen die Beispiele aus Tabelle 2, dass eine hochfeste Folie mit
guter Qualität
mit der Legierungszusammensetzung und der Zwischenglühpraxis
gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugt werden kann.
