EP2215287A1 - Korrosionsschutz für befestigungselemente von bauteilen aus hochlegierten stählen - Google Patents

Korrosionsschutz für befestigungselemente von bauteilen aus hochlegierten stählen

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EP2215287A1
EP2215287A1 EP08785495A EP08785495A EP2215287A1 EP 2215287 A1 EP2215287 A1 EP 2215287A1 EP 08785495 A EP08785495 A EP 08785495A EP 08785495 A EP08785495 A EP 08785495A EP 2215287 A1 EP2215287 A1 EP 2215287A1
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EP
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fastening arrangement
arrangement according
intermediate element
corrosion
fastening
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EP08785495A
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Arnd Bressel
Martin Schirmer
Daniel Krause
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Mercedes Benz Group AG
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Daimler AG
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    • C23F13/06Constructional parts, or assemblies of cathodic-protection apparatus
    • C23F13/08Electrodes specially adapted for inhibiting corrosion by cathodic protection; Manufacture thereof; Conducting electric current thereto
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16BDEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B33/00Features common to bolt and nut
    • F16B33/008Corrosion preventing means

Definitions

  • the fasteners made of steels are often provided with anti-corrosion coatings, such as Zn coatings or zinc flake coatings, but these are usually consumed relatively quickly or already damaged during assembly.
  • anti-corrosion coatings such as Zn coatings or zinc flake coatings
  • these are usually consumed relatively quickly or already damaged during assembly.
  • rust is formed by the fastening elements, which is optically disadvantageous in appearance. Even small amounts of rust can be due to the formation of streaks or flags over a large area on the surface (outside) of the Distribute the exhaust system and even burn in on the surface due to the effects of heat. Although a corrosion phenomenon of the fasteners occurs, the grate is perceived by the user rather than damage to the fixed steel component, or the exhaust. It is therefore an important need, the high-quality and glossy steel (chrome-glossy) appearance of the exhaust systems in operation, as undisturbed as possible.
  • the object of the invention is thus to provide a fastening arrangement for a weathering and heat exposure exposed component made of high-alloy steel, in particular for an exhaust pipe for combustion gases, which releases no disturbing, especially visually striking corrosion products.
  • a mounting arrangement for a component made of high-alloy steel, in particular exhaust pipe for combustion gases comprising the component, a metallic fastener that is at least superficially electrochemically base than the high-alloy steel and an intermediate element, wherein the intermediate element of a metallic and not rust-resistant material, which behaves electrochemically comparable or less noble than the fastener, with the features of claim 1.
  • the essence of the invention is based on the fact that by means of an intermediate element, which acts as a sacrificial anode with respect to the fastening means, or causes a cathodic corrosion protection for the fastening means, a rust formation within the fastening arrangement is prevented.
  • the intermediate element forms the most sub-standard system partner and works, as in direct conductive contact with the fastener as sacrificial material for the latter.
  • the metallic fastener is formed of a low alloy steel bearing a Zn-based anti-corrosion coating, particularly a zinc flake coating, or a lacquer coating.
  • the intermediate element is made of materials which, due to comparable electrochemical behavior, do not damage the corrosion protection coating due to contact corrosion (eg ZnNi) or have an electrochemically base material content, premature consumption of the material is considered
  • the intermediate element is an intermediate layer or separating layer of electrochemically comparable or base material, which is formed as a non-rusting material, for example, of Al and its alloys.
  • the group of electrochemically comparable materials includes, for example, ZnNi coatings which, even on Zn coatings of the bonding agents, do not form due to insufficient potential differences
  • the metallic fastening means is completely separated at least in the field of view of the fastening arrangement by the intermediate element of the component.
  • the intermediate element may be formed, for example, as a special component, sheet metal, plated support or washer.
  • the intermediate element conceptually also includes a coating which covers the base corrosion protection coating of the connecting element, for example a screw with zinc flake coating, at least partially in the support area against direct contact with the high-alloy steel.
  • the intermediate element must have at least the size of the contact surface, but may also have a projection, so that it protrudes beyond the lateral boundary of the fastening means.
  • a supernatant of the intermediate element is for example when using a tension band or screws advantageous.
  • the intermediate element forms voluminous corrosion products during its electrochemical corrosion.
  • the gap region is effectively protected against access of further corrosive media and the service life of the fastening element is significantly increased.
  • Another important property is the adhesion of the corrosion product of the intermediate element on the ground. This avoids that the corrosion product is washed out unimpeded by aqueous media and distributed over a large area.
  • a typical non-adherent corrosion product is iron oxide / iron hydroxide or rust.
  • the intermediate element is substantially free of Fe and its alloys.
  • the alloys or alloys based on them which form oxides / hydroxides adhering comparatively well on the surface include Al, Mg, Si, Zn and Sn.
  • Particularly suitable alloys for the intermediate element also form corrosion products which form solid water-insoluble crusts in the heat.
  • hydroxides are first formed by electrochemical corrosion, which are dehydrated in the heat at the surface of the exhaust system to hydroxide / oxide mixed compounds.
  • the hydroxides of Al, Mg, Si, Zn and Sn typically form gel-like hydroxide material which is converted to crusty oxide or a more or less hydrous oxide in the heat.
  • This material has the advantage of a certain mechanical stability, so that the gap is effectively filled and sealed. In addition, this material is only bad mobilisable by the action of water, so that flushing is prevented.
  • non-rusting material for the intermediate element that no rust-brown / red corrosion products are to be formed
  • material which forms only white or colorless reaction products. Due to the appearance of rather inconspicuous white corrosion products instead of the red rust occurring today, the component is visually not negatively and thus less customer-noticeable changed. In particular, unlike red rust, the user does not perceive a white corrosion product as damage to the high-quality exhaust pipe or the component made of high-alloy steel.
  • Particularly suitable materials of the intermediate element include aluminum alloy, in particular from the group of Al / Zn, Al / Mg, Al / Sn, or Al / Si alloys, and Zn / Ni alloys. These alloys have in addition to the shown corrosion and corrosion protection properties also good performance properties. In addition, it is also a soft and deformable material in comparison to steels of component and connecting means, so that the connecting means can be tightened very firmly or mounted firmly seated.
  • the mounting arrangement can find different uses. Exhaust systems of lighting systems, such as the fireplaces of domestic heating systems are just as suitable as exhaust systems of motor vehicles.
  • the mounting arrangement is designed as part of an exhaust pipe of motor vehicles with internal combustion engine, in particular when the exhaust pipe is mounted for the most part in the field of vision of a motor vehicle.

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Abstract

Befestigungsanordnung für ein Bauteil aus hochlegiertem Stahl, insbesondere Abgasleitung für Verbrennungsgase, umfassend das Bauteil, ein metallisches Befestigungsmittel, das zumindest oberflächlich elektrochemisch unedler ist als der hochlegierte Stahl und ein Zwischenelement aus einem metallischen und nicht-rostenden Werkstoff, der elektrochemisch vergleichbar oder unedler ist als das Befestigungsmittel.

Description

Korrosionsschutz für Befestigungselemente von Bauteilen aus hochlegierten Stählen
Die Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung für ein Bauteil aus hochlegiertem Stahl, insbesondere eine Abgasleitung oder ein Auspuffsrohr für die Verbrennungsgase von mit Verbrennungsmotoren betriebenen Kraftfahrzeugen, umfassend das Bauteil, ein metallisches Befestigungsmittel, das zumindest oberflächlich elektrochemisch unedler ist als der hochlegierte Stahl und ein Zwischenelement gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1.
Heutige Abgasanlagen für Kraftfahrzeuge bestehen größtenteils aus Stahlblechen bzw. Stahlrohren. Werden Auspuffanlagen, insbesondere die Endschalldämpfer oder Endrohre in den Sichtbereich von Fahrzeugen gelegt, so werden hohe Anforderungen an deren optische Erscheinung gestellt. Sowohl aus funktionellen wie auch aus optischen Gründen werden derartige Abgasanlagen häufig aus hochlegierten ferritischen oder austenitischen Edelstahlen hergestellt.
Für freiliegende bzw. im Sichtbereich von Fahrzeugen angeordnete Bauteile der Auspuffanläge sind unter anderem hochlegierte Cr- und CrNi-Stähle besonders geeignet, da diese ihre hochwertige und stahlglänzende Anmutung im Außenbereich unter Betriebsbedingungen nur wenig einbüßen.
Während die hochlegierten Stähle somit eine befriedigende Korrosionsstabilität für den Außenbereich aufweisen, ist dies für die Befestigungselemente, die für wieder lösbare Verbindungen eingesetzt werden, in der Regel nicht der Fall. Zu den typischen Befestigungselementen, welche die Abgasleitung bzw. die Auspuffanläge mit der Karosserie eines Kraftfahrzeugs verbinden, zählen Schraubverbindungen zu Trägern sowie Muffen, Schellen oder Bänder, die aus niedriglegierten bzw. einfachen Stählen gebildet sind. Befestigungselemente aus Kunststoff oder Gummi sind für den unmittelbaren Kontakt zu den heißen Bereichen der Abgasanlage nicht geeignet und kommen daher nur zum Einsatz, wenn konstruktiv über Zwischenelemente ein geeigneter Abstand bzw. thermische Isolation gewährleistet wird.
Unter den Betriebsbedingungen einer Auspuffanläge, insbesondere einer Abgasanlage von Kraftfahrzeugen, führen die Wechselbelastung aus wässrigen korrosiven Medien durch Bewitterung und die Hitzeeinwirkung durch die heißen Abgase bei ungeschützten oder unedlen Metallen zu korrosivem Angriff und im Falle von einfachen Stählen zur Rostbildung.
Die Befestigungselemente aus Stählen sind zwar häufig mit Korrosionsschutzbeschichtungen versehen, beispielsweise Zn- Beschichtungen oder Zinklamellenbeschichtungen, diese werden in der Regel jedoch relativ schnell aufgezehrt oder bei der Montage bereits beschädigt. Außerdem kann sich im direkten Kontakt mit dem elektrochemisch edleren Stahl der Auspuffanläge, beispielsweise bei Schraubverbindungen, ein Lokalelement ausbilden, das die Korrosion der unedleren Befestigungselemente unterstützt. Bei der Verwendung üblicher Befestigungselemente, deren Korrosionsschutz durch Überzüge aus elektrochemisch unedleren Werkstoffen gewährleistet wird, kommt es durch Ausbildung von Kontaktkorrosionselementen mit dem elektrochemisch edleren hochlegierten Stahl zur starken Korrosion der Befestigungs- und Verbindungselemente, die bisher nur durch erheblich teurere hochwertigere Elemente ersetzt werden konnten.
In der Folge bildet sich durch die Befestigungselemente Rost, der optisch nachteilig in Erscheinung tritt. Bereits geringe Rostmengen können sich durch Bildung von Schlieren oder Fahnen großflächig auf der Oberfläche (Außenseite) der Auspuffanlage verteilen und sich durch Hitzeeinwirkung sogar noch auf der Oberfläche einbrennen. Obwohl eine Korrosionserscheinung der Befestigungselemente auftritt, wird der Rostbelag durch den Anwender eher als Schädigung des befestigten Stahlbauteils, bzw. des Auspuffs empfunden. Es ist somit ein wichtiges Bedürfnis, die hochwertige und stahlglänzende (Chrom-Glänzende) Anmutung der Auspuffanläge im Betrieb, möglichst ungestört zu erhalten.
Aufgabe der Erfindung ist somit die Bereitstellung einer Befestigungsanordnung für ein der Bewitterung und Hitzeeinwirkung ausgesetztes Bauteil aus hochlegiertem Stahl, insbesondere für eine Abgasleitung für Verbrennungsgase, welche keine störenden, insbesondere optisch auffälligen Korrosionsprodukte freisetzt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Befestigungsanordnung für ein Bauteil aus hochlegiertem Stahl, insbesondere Abgasleitung für Verbrennungsgase, umfassend das Bauteil, ein metallisches Befestigungsmittel, das zumindest oberflächlich elektrochemisch unedler ist als der hochlegierte Stahl und ein Zwischenelement, wobei das Zwischenelement aus einem metallischen und nicht-rostenden Werkstoff besteht, der sich elektrochemisch vergleichbar oder unedler als das Befestigungsmittel verhält, mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das Wesen der Erfindung beruht darauf, dass mittels eines Zwischenelements, das hinsichtlich der Befestigungsmittel als Opferanode wirkt, beziehungsweise für das Befestigungsmittel einen kathodischen Korrosionsschutz bewirkt, eine Rostbildung innerhalb der Befestigungsanordnung unterbunden wird. Im elektrochemischen System aus edlem Stahlbauteil, unedlem metallischen Befestigungsmittel und Zwischenelement bildet das Zwischenelement den unedelsten Systempartner und wirkt, da in unmittelbarem leitendem Kontakt mit dem Befestigungsmittel als Opfermaterial für letzteres.
Dies trifft auch auf Befestigungsmittel mit eigener Korrosionsschutzbeschichtung zu, insofern derartige Korrosionsschutzbeschichtungen nur zeitlich begrenzte Wirkung zeigen. Typischerweise wird das metallische Befestigungsmittel aus einem niedrig legierten Stahl gebildet, welcher eine Korrosionsschutzbeschichtung auf Zn- Basis, insbesondere eine Zinklamellenbeschichtung trägt, oder eine Lackbeschichtung trägt. Bei Ausführung des Zwischenelements aus Werkstoffen, die durch vergleichbares elektrochemisches Verhalten nicht zu einer Beschädigung der Korrosionsschutzbeschichtung durch Kontaktkorrosion führen (z. B. ZnNi) oder elektrochemisch unedleres Werkstoffhalten aufweisen, wird eine vorzeitige Zehrung der
Korrosionsschutzbeschichtung des Befestigungselements wirksam verhindert .
Als weiterer günstiger Effekt tritt auch ein kathodischer Korrosionsschutz des edlen Stahls, insbesondere des CrNi- Stahls, hinzu. Dies ist im Bereich der Befestigung vorteilhaft, da gerade hier Spaltkorrosion vermehrt auftreten kann .
Das Zwischenelement ist eine Zwischenlage bzw. Trennschicht aus elektrochemisch vergleichbarem oder unedlerem Werkstoff, der als nicht-rostender Werkstoff beispielsweise aus Al- und seinen Legierungen ausgebildet ist. Zur Gruppe der elektrochemisch vergleichbaren Werkstoffe fallen beispielsweise ZnNi-Beschichtungen, die auch auf Zn- Beschichtungen der Verbindungsmittel aufgrund zu geringer Potentialdifferenzen nicht zur Bildung von
Kontaktkorrosionselementen führen können. Hinsichtlich seiner Geometrie und Anordnung ist wesentlich, dass eine größtmögliche stoffliche Trennung zwischen dem Befestigungsmittel und dem Bauteil gewährleistet wird. Eine vollständige Trennung ist insofern nicht erforderlich, als Rostbildung nicht im Sichtbereich stattfinden kann, bzw. der Austritt von Rost in den Sichtbereich nicht stattfinden kann. Bevorzugt ist das metallische Befestigungsmittel zumindest im Sichtbereich der Befestigungsanordnung vollständig durch das Zwischenelement von dem Bauteil getrennt wird.
Das Zwischenelement kann beispielsweise als spezielles Bauteil, Blech, plattierte Auflage oder Unterlegscheibe ausgebildet sein. Ebenso ist durch das Zwischenelement begrifflich auch eine Beschichtung umfasst, die den unedlen Korrosionsschutzüberzug des Verbindungselements, beispielsweise eine Schraube mit Zinklamellenbeschichtung, zumindest partiell im Tragbereich vor direktem Kontakt mit dem hochlegierten Stahl abdeckt. Als Zwischenelement ist sowohl die Anwendung als vollflächige Lage mit geringer Schichtdicke als auch die Verwendung einzelner lokaler Abstandshalter im Tragbereich mit größerer Schichtdicke möglich.
Das Zwischenelement muss dabei zumindest die Größe der Kontaktfläche aufweisen, kann aber auch einen Überstand aufweisen, so dass es über die seitliche Begrenzung des Befestigungsmittels hinausragt. Ein Überstand des Zwischenelements ist beispielsweise bei Anwendung eines Spannbandes oder bei Schrauben von Vorteil.
In bevorzugter Ausgestaltung bildet das Zwischenelement bei seiner elektrochemischen Korrosion voluminöse Korrosionsprodukte aus. Durch Ausbildung voluminöser Korrosionsprodukte des Zwischenelements bzw. der Zwischenlage wird der Spaltbereich wirksam vor Zutritt weiterer korrosiver Medien geschützt und die Lebensdauer des Befestigungselements signifikant erhöht.
Als weitere wichtige Eigenschaft ist die Haftfähigkeit des Korrosionsproduktes des Zwischenelements auf dem Untergrund. Hierdurch wird vermieden, dass das Korrosionsprodukt ungehindert durch wässrige Medien ausgewaschen und großflächig verteilt wird. Ein typisches nicht-haftendes Korrosionsprodukt stellt Eisenoxid/Eisenhydroxid oder Rost dar. Insofern ist das Zwischenelement im Wesentlichen frei von Fe und seinen Legierungen. Zu den Elementen bzw. auf ihnen basierende Legierungen die vergleichsweise gut auf der Oberfläche haftende Oxide/Hydroxide bilden zählen dagegen Al, Mg, Si, Zn und Sn.
Besonders geeignete Legierungen für das Zwischenelement bilden zudem Korrosionsprodukte aus, die in der Hitze feste wasserunlösliche Krusten bilden. In der Regel werden durch elektrochemische Korrosion zunächst Hydroxide gebildet, welche in der Hitze an der Oberfläche der Abgasanlage dehydratisiert zu Hydroxid/Oxid-Mischverbindungen umgesetzt werden. Die Hydroxide von Al, Mg, Si, Zn und Sn bilden typischweise gelartiges Hydroxid-Material aus, das in der Hitze zu krustigem Oxid bzw. einem mehr oder weniger wasserhaltigen Oxid umgesetzt wird. Dieses Material hat den Vorteil einer gewissen mechanischen Stabilität, so dass der Spalt wirksam gefüllt und verschlossen wird. Zudem ist dieses Material durch Wassereinwirkung nur noch schlecht mobilisierbar, so dass ein Ausschwemmen verhindert wird.
Während durch die Verwendung von nicht-rostendem Material für das Zwischenelement klar gestellt ist, dass keine rostbraunen/roten Korrosionsprodukte gebildet werden sollen, ist es besonders vorteilhaft Material zu verwenden, das lediglich weiße oder farblose Reaktionsprodukte bildet. Durch Auftreten eher unauffälliger weißer Korrosionsprodukte anstelle des heute auftretenden Rotrosts wird das Bauteil optisch nicht negativ und somit weniger kundenauffällig verändert. Insbesondere wird ein weißes Korrosionsprodukt im Gegensatz zu Rotrost vom Anwender nicht als Beschädigung des hochwertigen Auspuffrohres bzw. des Bauteils aus hochlegiertem Stahl empfunden. Zu den besonders geeigneten Materialien des Zwischenelements zählen Aluminiumlegierung, insbesondere aus der Gruppe der Al/Zn-, AI/Mg-, Al/Sn-, oder Al/Si-Legierungen, sowie Zn/Ni- Legierungen. Diese Legierungen weisen neben den aufgezeigten Korrosions- und Korrosionsschutzeigenschaften auch gute Gebrauchseigenschaften auf. Zudem handelt es sich auch um ein im Vergleich zu Stählen von Bauteil und Verbindungsmittel weiches und deformierbares Material, so dass die Verbindungsmittel sehr fest angezogen beziehungsweise fest sitzend montiert werden können.
Die Befestigungsanordnung kann unterschiedlichen Einsatz finden. Abgasanlagen von Befeuerungsanlagen, wie bspw. die Kamine von Hausbefeuerungsanlagen sind dabei ebenso geeignet wie Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen.
Bevorzugt ist die Befestigungsanordnung als Teil eines Auspuffrohrs von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor ausgebildet, insbesondere wenn das Auspuffrohr zum überwiegenden Teil im Sichtbereich eines Kraftfahrzeugs angebracht ist.

Claims

Patentansprüche
1. Befestigungsanordnung für ein Bauteil aus hochlegiertem Stahl, insbesondere Abgasleitung für Verbrennungsgase, umfassend das Bauteil, ein metallisches Befestigungsmittel, das zumindest oberflächlich elektrochemisch unedler ist als der hochlegierte Stahl und ein Zwischenelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement aus einem metallischen und nichtrostenden Werkstoff besteht, der elektrochemisch vergleichbar oder unedler ist als das Befestigungsmittel
2. Befestigungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement bei elektrochemischer Korrosion voluminöse Korrosionsprodukte bildet.
3. Befestigungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement bei elektrochemischer Korrosion auf dem Grundmaterial des Zwischenelements haftende Korrosionsprodukte bildet.
4. Befestigungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsprodukte weiß oder farblos sind.
5. Befestigungsanordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsprodukte in der Hitze feste wasserunlösliche Krusten bilden.
6. Befestigungsanordnung nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer ZnNi-Legierung gebildet ist.
7. Befestigungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die AI-Legierung ausgewählt ist aus der Gruppe der Al/Zn- , Al/Sn-, oder Al/Si-Legierungen.
8. Befestigungsanordnung nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Befestigungsmittel aus einem niedrig legierten Stahl aufgebaut ist.
9. Befestigungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel eine Korrosionsschutzbeschichtung auf Zn-Basis, insbesondere eine Zinklamellenbeschichtung trägt .
10. Befestigungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement aus einer ZnNi-Legierung gebildet ist.
11. Befestigungsanordnung nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Befestigungsmittel zumindest im Sichtbereich der Befestigungsanordnung vollständig durch das Zwischenelement von dem Bauteil getrennt wird.
12. Befestigungsanordnung nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Bauteil das Auspuffrohr von Kraftfahrzeugen mit
Verbrennungsmotor ist.
13. Befestigungsanordnung nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auspuffrohr zum überwiegenden Teil im Sichtbereich eines Kraftfahrzeugs angebracht ist.
14. Befestigungsanordnung nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsanordnung einer Wechselbelastung aus wässrigen korrosiven Medien und Hitzeeinwirkung ausgesetzt ist.
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