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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetall-
Legierungsprodukts, insbesondere einer Magnesiumlegierung, die Aluminium als
Legierungskomponente enthält.
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Leichtmetalllegierungen, die Aluminium oder Magnesium als Matrix enthalten, insbesondere
Magnesiumlegierungen, die Aluminium als Legierungskomponente enthalten, haben kürzlich
ein spezielles Interesse als Materialien auf sich gezogen, die ein geringes Gewicht aufweisen
und durch eine plastische Verformung, wie z. B. Schmieden, eine vorbestimmte mechanische
Festigkeit sicherstellen können. Da diese Leichtmetalllegierungen jedoch eine gute
thermische Schwindung aufweisen, sinkt die Fluidität so lange, bis die Gießtemperatur beim
drucklosen Gießen angehoben wird. Demgemäß wird kein perfekter (weniger Hohlräume) Guß
erhalten. Wenn jedoch die Gießtemperatur hoch ist, dann wird die Abkühlungsrate geringer,
was zu einer groben Materialstruktur, einer schlechten Formbarkeit und einer geringen
Verformungsrate führt. Daher muss das Verformungsverfahren wiederholt werden, um einen
Formkörper mit einer erforderlichen Gestalt zu erhalten. Andererseits kann durch einen
Druckguss eine feine Struktur erhalten werden.
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Da jedoch ein geschmolzenes Metall unter Druck in einem Sprühzustand in ein
Formwerkzeug gespritzt wird, sind in dem Gussstück viele feine Hohlräume enthalten, wodurch
Gasdefekte verursacht werden, und daher können gute geschmiedete Materialien nicht erhalten
werden.
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Zur Verbesserung der Schmiedbarkeit der Leichtmetall-Legierung, die Aluminium und
Magnesium als Matrix enthält, muss ein Gussmaterial mit einer feinen Struktur mit einem von
dem Druckgussverfahren verschiedenen Verfahren erzeugt werden. Als Ergebnis intensiver
Studien der Erfinder der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass dann, wenn die
Leichtmetall-Legierung spritzgegossen wird, während das Feststoffphasenverhältnis oder die
Feststoffphasenkorngröße unter Verwendung eines Halbschmelze-Spritzgussverfahrens
eingestellt wird, ein Material mit guter Formbarkeit erhalten werden kann und dass ein
gewünschter Formkörper durch ein einmaliges Schmieden des spritzgegossenen Materials
erhalten werden kann.
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Die EP 0 575 796 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer thixotropen
Magnesiumlegierung durch Zugeben eines Kornverfeinerungsmittels kombiniert mit einer gesteuerten
schnellen Verfestigung mit anschließendem Erhitzen des Zweiphasenbereichs.
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Die EP 0 701 002 A1 beschreibt ein Verfahren zur halbfesten Verarbeitung von Magnesium-
oder Aluminiumlegierungen, sowie ein Verfahren zum Gießen von Legierungsbarren, die für
dieses Halbfest-Verarbeitungsverfahren geeignet sind. Ferner beschreibt die EP 0 701 002
A1 ein Verfahren, bei dem ein Barren mit feinen gleichgerichteten Kristallen, die durch ein
verbessertes Gießverfahren hergestellt worden sind, auf einen Halbfest-Temperaturbereich
erhitzt und anschließend unter Druck geformt wird, während er seine weichgeglühte Struktur
beibehält.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Spritzgießen
eines Materials mit hervorragender plastischer Verformbarkeit und zum Erzeugen eines
geschmiedeten Gegenstands mittels eines einstufigen Schmiedens bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen eines Leichtmetall-Legierungsprodukts
bereitgestellt, umfassend das Herstellen einer halbgeschmolzenen Leichtmetall-Legierung,
das Unterwerfen der halbgeschmolzenen Leichtmetall-Legierung einem Spritzgießen und
weiter das Unterwerfen der gegossenen Leichtmetall-Legierung einer plastischen
Verformung, wobei die halbgeschmolzene Leichtmetall-Legierung aus einer Feststoffphase und
einer Flüssigphase mit einem Feststoffphasenverhältnis von nicht mehr als 20% hergestellt
wird, wobei eine begrenzende Stauchungsrate nicht weniger als 70% beträgt.
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Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass eine gute Formbarkeit durch Einstellen des
Feststoffphasenverhältnisses auf nicht mehr als 20% erhalten wird, wobei eine begrenzende
Stauchungsrate nicht weniger als 70% beträgt (vgl. Fig. 1). Es wurde auch gefunden, dass
dann, wenn das Spritzgießen bei einer Temperatur gerade über dem Schmelzpunkt der
Matrix durchgeführt wird, es nicht nur in dem halbgeschmolzenen Zustand, sondern auch in dem
vollständig geschmolzenen Zustand möglich ist, verglichen mit dem Fall eines Druckgusses
ein Material mit hervorragender Formbarkeit zu erhalten.
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Der Grund dafür, warum das Feststoffphasenverhältnis auf nicht mehr als 20% eingestellt
wird, wird nachstehend erläutert.
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Je niedriger das Feststoffphasenverhältnis wird, desto kleiner ist die durchschnittliche
Feststoffphasenkorngröße im halbgeschmolzenen Zustand. Ferner wird die Formbarkeit des
Spritzgussmaterials umso größer, je kleiner die durchschnittliche Feststoffphasenkorngröße
wird. Es wurde gefunden, dass die durchschnittliche Feststoffphasenkomgröße
vorzugsweise nicht mehr als 300 um beträgt und dass die begrenzende Stauchungsrate schnell
abgesenkt wird, wenn sie 300 um übersteigt (vgl. Fig. 2).
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Der Grund dafür, warum der vorstehend genannte Spritzgussgegenstand im Fall des
Spritzgießens mit einem Feststoffphasenverhältnis von nicht mehr als 20% eine gute Formbarkeit
aufweist, ist nicht klar. Es wird jedoch folgender Grund angenommen. Durch Spritzgießen im
halbgeschmolzenen Zustand wird der Flüssigphasenabschnitt in eine feine Struktur
umgewandelt und die Formbarkeit zum Zeitpunkt des Schmiedens ist gut, während der
Feststoffphasenabschnitt zu einem Beibehalten der Form neigt. Wenn demgemäß das Verhältnis des
Feststoffphasenabschnitts zu groß ist oder wenn die Korngröße zu hoch ist, dann findet eine
unregelmäßige Verteilung der Formbarkeit statt und die Formbarkeit als Ganzes wird
abgesenkt.
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Da die plastische Verformbarkeit, d. h. die Schmiedbarkeit des Materials, das
erfindungsgemäß geformt werden soll, verbessert wird, kann das Schmieden bei einer Temperatur von
nicht mehr als 400ºC durchgeführt werden. Folglich wird die Festigkeit verbessert. Da ein
netzförmiges Produkt lediglich durch ein einzelnes Schmieden erzeugt werden kann, ist
zusätzlich zum Spritzgießen eine Mehrzahl von Schmiedewerkzeugen und ein Bearbeiten nicht
erforderlich, was zu dem Vorteil einer hervorragenden ökonomischen Effizienz führt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise auf Leichtmetall-Legierungen
angewandt, die Magnesium als Matrix und 4 bis 9 Gew.-% Aluminium als Legierungskomponente
enthalten. Wenn die Menge kleiner als 4 Gew.-% ist, ergibt sich keine Erhöhung der
mechanischen Festigkeit. Andererseits wird dann, wenn die Menge größer als 9 Gew.-% ist, die
Formbarkeit (begrenzende Stauchungsrate) drastisch verringert (vgl. Fig. 3).
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Das in der vorliegenden Erfindung erhaltene Leichtmetall-Legierungsprodukt wird als
Wärmebehandlung vorzugsweise einer T6-Wärmebehandlung (die aus einer
Lösungsbehandlung und einer künstlichen Alterungs-Härtungs-Behandlung besteht) unterworfen. Als Folge
davon wird die Restspannung zum Zeitpunkt des Schmiedens beseitigt und es findet im
Laufe der Zeit keine Änderung der Gestalt des Produkts statt. Ferner wird dem Produkt eine
hervorragende Duktilität verliehen.
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Durch ein kontinuierliches Gießen kann ein Spritzgussmaterial mit hervorragender
Formbarkeit bereitgestellt werden. Da das Spritzgussmaterial ein Barren mit einer Rohform ist, kann
ein Endprodukt erfindungsgemäß mittels eines einstufigen Schmiedens erhalten werden und
die Anzahl der Schmiedestufen kann verringert werden. Es wird eine perfekte Struktur mit
weniger Hohlräumen erhalten und daher kann die Ausbeute verbessert werden.
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Die vorstehende Aufgabe und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden durch die nachstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher, wobei in den
Zeichnungen entsprechende Teile mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet werden, und
wobei
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Fig. 1 ein Graph ist, der eine Beziehung zwischen dem Feststoffphasenverhältnis und der
Formbarkeit beim Spritzgießen einer Magnesiumlegierung zeigt;
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Fig. 2 ein Graph ist, der eine Beziehung zwischen der Feststoffphasenkorngröße und der
Formbarkeit beim Halbschmelze-Spritzgießen einer Magnesiumlegierung zeigt;
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Fig. 3 ein Graph ist, der eine Beziehung zwischen dem Aluminiumgehalt und der Formbarkeit
beim Halbschmelze-Spritzgießen einer Magnesiumlegierung zeigt;
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Fig. 4A bis Fig. 4 G ein Fließdiagramm ist, das die Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeigt;
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Fig. 5A bis Fig. 5C ein Fließdiagramm ist, das die Stufen der Messung einer begrenzenden
Stauchungsrate zeigt;
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Fig. 6 eine Mikrographie ist, die eine Struktur des halbgeschmolzenen Spritzgussmaterials
zeigt (Feststoffphasenverhältnis: 4%);
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Fig. 7 eine Mikrographie ist, die eine Struktur des halbgeschmolzenen Spritzgussmaterials
zeigt (Feststoffphasenverhältnis: 25%);
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Fig. 8 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Zugdehnung und der T6-
Wärmebehandlung zeigt;
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Fig. 9 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Zugfestigkeit eines T6-Materials und der
Durchführung oder Abwesenheit eines Schmiedens zeigt;
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Fig. 10 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Dehnung eines T6-Materials und der
Durchführung oder Abwesenheit eines Schmiedens zeigt;
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Nachstehend wird die Ausführung der Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Magnesiumlegierungen A, B mit der nachstehenden Zusammensetzung wurden unter
Verwendung eines Halbschmelze-Spritzgussgeräts (Modell: JLM-450E, hergestellt von Nippon
Seiko-Sho Co.), das in den Fig. 4A bis 4G gezeigt ist, unter den folgenden Bedingungen
spritzgegossen. In der Figur bezeichnet 1 einen Zylinder, der in seinem Inneren mit eine
Schnecke 2, an seinem hinteren Ende mit einem Hochgeschwindigkeits-Spritzmechanismus
3 und an seinem vorderen Ende mit einem Werkzeug 4 ausgestattet ist. Heizeinrichtungen 5
sind in einem vorbestimmten Abstand um den Zylinder 1 angeordnet, um dadurch das mittels
eines Trichters 6, der am Einlass des Zylinders 1 bereitgestellt ist, einzubringende Material
zu erhitzen und zu schmelzen.
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Als erstes werden Rohspäne, die durch Schneiden eines Blocks in Stücke mit einer
Längsachse von etwa 5 mm erhalten werden, in einen Trichter eingebracht. Die Späne werden
unter Verwendung einer Zuführungseinrichtung bei jedem Spritzvorgang in den Zylinder
eingeführt und in einem Dosierschritt vorwärts bewegt, wenn sich die Schnecke drehend
rückwärts bewegt. Der Zylinder ist in acht Zonen unterteilt und temperaturgesteuert und die
Späne werden nach und nach während des Förderns erhitzt, so dass sie im vorderen Abschnitt
den halbgeschmolzenen Zustand erreichen. An einem Düsenabschnitt als Spitze wird die
Temperatur zur Bildung eines verfestigten Pfropfens abgesenkt, wodurch ein Austreten von
geschmolzenem Metall verhindert wird. Ar-Gas wird durch den Zylinder und den Trichter
geleitet, um eine Oxidation zu verhindern. Die Schnecke bewegt sich mit hoher
Geschwindigkeit vorwärts, um das Werkzeug mit dem geschmolzenen Metall zu füllen, das mit hoher
Geschwindigkeit vorwärts bewegt worden ist, und das geschmolzene Metall verfestigt sich
schnell unter Bildung eines Formkörpers, der dann entfernt wird.
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Nach dem Öffnen des Werkzeugs wird das spritzgegossene Rohmaterial W1 entfernt (Fig.
4B), zwischen ein oberes Schmiedewerkzeug und ein unteres Schmiedewerkzeug eingesetzt
(Fig. 4C bis 4D) und geschmiedet (Fig. 4E). Nach dem Öffnen des Werkzeugs wird ein
geschmiedeter Gegenstand W2 entfernt (Fig. 4F). Dieser geschmiedete Gegenstand W2 (Fig.
4G) wird feinbearbeitet und dann einer T6-Behandlung unterworfen. In der vorliegenden
Erfindung variiert eine geeignete T6-Behandlung abhängig von der Materialzusammensetzung.
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Sie besteht jedoch im Allgemeinen aus einer Lösungsbehandlung (bei 380ºC für 10 bis 24
Stunden) und einer Alterungs-Härtungsbehandlung (bei 170ºC für 4 bis 16 Stunden).
Tabelle 1
Zusammensetzung der Magnesiumlegierung (Einheit: Gew.-%)
Tabelle 2
Spritzgießbedingungen
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Spritzdruck 80 MPa
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Spritzgeschwindigkeit 2 m/s
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Werkzeugtemperatur 180ºC
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Die Magnesiumlegierung wurde zu Pulvern vermahlen, die in den Trichter eingeführt werden.
Das Feststoffphasenverhältnis (Feststoffphase/Flüssigphase) in dem Zylinder wird durch die
Heiztemperatur in dem Zylinder eingestellt und das Feststoffphasenverhältnis vor dem
Spritzen wird innerhalb des Bereichs von 25 bis 0% eingestellt und das Spritzgießen wird
durchgeführt. Wenn das Feststoffphasenverhältnis 20% übersteigt, dann ist es wahrscheinlich,
dass Mikrohohlräume zunehmen (vgl. dazu die Mikrographie von Fig. 6
(Feststoffphasenverhältnis: 4%) mit der von Fig. 7 (Feststoffphasenverhältnis: 25%); Anmerkung: Fig. 6 und Fig.
7 betreffen Beispiel 6). Daher wird angenommen, dass die Formbarkeit negativ beeinflusst
wird. Andererseits wird die Legierung A in den vollständig geschmolzenen Zustand
(Feststoffphasenverhältnis: 0%) überführt und der Druckguss wird durchgeführt.
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Gemäß den Fig. 5A bis 5C wurden aus den spritzgegossenen Gegenständen und
druckgegossenen Gegenständen mit verschiedenen Feststoffphasenverhältnissen Prüfkörper mit
einem Durchmesser von 15 cm und einer Höhe von 30 cm hergestellt (Fig. 5A), zwischen ein
oberes und ein unteres Presswerkzeug eingesetzt (Fig. 5B), auf eine Prüftemperatur von
350ºC erhitzt und dann gestaucht, während die Testtemperatur aufrechterhalten wurde, bis
auf der Oberfläche Risse auftraten. Unter der Annahme, dass der Abstand zwischen dem
oberen und dem unteren Werkzeug H2 beträgt, kann die begrenzende Stauchungsrate mit
der folgenden Gleichung berechnet werden:
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Begrenzende Stauchungsrate = (H1 - H2)/H&sub1; · 100 (%) (I)
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Die Ergebnisse sind in Fig. 1 gezeigt. Bezüglich der Materialeigenschaften nach dem
Spritzgießen hat der Abschnitt, welcher der flüssigen Phase entspricht, eine feine Struktur und
zeigt eine gute plastische Verformbarkeit. Mit der Zunahme des
Feststoffphasenverhältnisses wird die Formbarkeit nach und nach abgesenkt. Wenn das Flüssigphasenverhältnis 20%
übersteigt, dann wird die Absenkrate stark erhöht. Verglichen mit der Formbarkeit des
druckgegossenen Materials war die Formbarkeit des spritzgegossene Materials selbst im Fall des
vollständig geschmolzenen Zustands (Feststoffphasenverhältnis: 0%) überlegen. Der Grund
dafür wird darin vermutet, dass das druckgegossene Material viele Mikroporen enthält.
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Die Beziehung zwischen der Feststoffphasenkomgröße und der Formbarkeit bezüglich der
Legierung A wurde studiert. Als Ergebnis wurde gefunden, dass sich dann, wenn die
Feststoffphasenkorngröße 300 um übersteigt, die Verformung des Abschnitts, welcher der
Flüssigphase entspricht, unregelmäßig verteilt und dass eine schnelle Verschlechterung der
Formbarkeit stattfindet. Diese Feststoffphasenkorngröße steht in einer Beziehung zu dem
Feststoffphasenverhältnis und die Feststoffphasenkorngröße neigt mit steigendem
Feststoffphasenverhältnis zur Zunahme. Die Feststoffphasenkorngröße wird unter Verwendung eines
Bildanalysegeräts gemessen.
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Als nächstes wurde die Beziehung zwischen dem Aluminiumgehalt in der
Spritzgussmateriallegierung und der Formbarkeit bezüglich der Magnesiumlegierungen mit den folgenden
Zusammensetzungen (Beispiele 1 bis 6) im Fall eines Feststoffphasenverhältnisses von 6%
bzw. 15% untersucht. Als Ergebnis wurde gefunden, dass im Fall des
Feststoffphasenverhältnisses von 6% die durchschnittliche Feststoffphasenkorngröße etwa 40 um betrug und
die Formbarkeit besser ist. Wenn der Aluminiumgehalt 8,5% übersteigt, dann ist die
begrenzende Stauchungsrate kleiner als 70% und die Formbarkeit verschlechtert sich. Die
Ergebnisse sind in Fig. 3 gezeigt.
Tabelle 3 Chemische Zusammensetzung (Gew.-%)
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Als nächstes werden die Ergebnisse bezüglich des Effekts der T6-Behandlung in den
Fig. 8 bis 10 gezeigt.
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Die Festigkeit und Duktilität werden durch die Durchführung der T6-Behandlung nach dem
Schmieden im Vergleich zu dem Fall, bei dem der spritzgegossene Gegenstand, so wie er
ist, geschmiedet wird, beträchtlich erhöht.
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Wie vorstehend beschrieben wurden verschiedene Effekte der Magnesiumlegierungen
bestätigt. Die Beziehung zwischen dem Feststoffphasenverhältnis und der Formbarkeit ist ein
Phänomen, das für die durch das Halbschmelze-Spritzgussverfahren spritzgegossene
Leichtmetalllegierung typisch ist und daher kann das beschriebene Verfahren allgemein auf
Leichtmetalllegierungen angewandt werden, die Magnesium und Aluminium enthalten.
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Wie vorstehend beschrieben kann erfindungsgemäß durch ein einstufiges Formen ein roher
Formkörper mit guter Formbarkeit erhalten und ein fertiggestellter geschmiedeter
Gegenstand hergestellt werden, da die Formbarkeit des aus einer Leichtmetalllegierung
hergestellten Spritzgussmaterials verbessert werden kann. Demgemäß kann die Anzahl der
Schmiedeschritte verglichen mit dem Fall vermindert werden, bei dem ein herkömmliches
kontinuierlich gegossenes Material geschmiedet wird. Da ferner im Vergleich zu einem
Druckgussmaterial weniger Hohlräume vorliegen, kann ein Schmieden durchgeführt werden.
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Ferner werden im Vergleich zum Schmieden des spritzgegossenen Gegenstands, so wie er
ist, die Festigkeit und Duktilität durch die Durchführung einer T6-Behandlung nach dem
Schmieden beträchtlich verbessert.