EP2481827A1 - Gussstahllegierung und Gussbauteil - Google Patents

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EP2481827A1
EP2481827A1 EP12151206A EP12151206A EP2481827A1 EP 2481827 A1 EP2481827 A1 EP 2481827A1 EP 12151206 A EP12151206 A EP 12151206A EP 12151206 A EP12151206 A EP 12151206A EP 2481827 A1 EP2481827 A1 EP 2481827A1
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cast steel
steel alloy
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Sylvia Hartmann
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J Eberspaecher GmbH and Co KG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/28—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with titanium or zirconium

Definitions

  • the present invention relates to a ferritic cast steel alloy, ie a cast steel alloy for producing castings with ferritic microstructure.
  • the present invention also relates to an exhaust-carrying cast component of an exhaust system for an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, which is made at least partially from such a cast steel alloy.
  • the individual components of the exhaust system are exposed to a comparatively high thermal load, so that usually only metallic materials, in particular steel alloys, are used to produce such components of an exhaust system.
  • These components are mainly gas-carrying pipes and housings for exhaust gas treatment equipment, such. Ex. Silencer, particle filter, catalysts.
  • Components of these components, such as Flanges, can be castings, preferably steel castings.
  • the hot combustion exhaust gases create an aggressive environment which, especially in combination with water or steam, leads to a comparatively high risk of corrosion for the components or cast components.
  • a particularly high risk of corrosion exists in an SCR plant, in which a comparatively aggressive reducing agent is used.
  • an aqueous urea solution is supplied to the exhaust stream, which urea reacts by hydrolysis to ammonia used in an SCR catalyst to reduce nitrogen oxides.
  • Such an ammonia-containing atmosphere is comparatively aggressive and increases the risk of corrosion for the components and cast components involved.
  • Corrosion-resistant steel alloys, ie stainless steel alloys are for example austenitic.
  • austenitic cast steel alloys in exhaust systems for producing cast parts, ie cast steel alloys with which castings with an austenitic structure can be produced.
  • Austenitic cast iron is comparatively expensive, due in particular to the nickel content of austenitic cast steel alloys.
  • ferritic cast steel alloys are all not resistant to intergranular corrosion. Such intercrystalline corrosion occurs, for example, at temperatures between 300 ° C and 700 ° C in conjunction with a corresponding aggressive environment.
  • the intercrystalline corrosion is attributed to sensitizing the known ferritic cast steel alloys in the stated temperature range (300 ° C. to 700 ° C.), so that chromium carbides are formed which precipitate on the grain boundaries and withdraw the chromium from the environment close to the grain boundary.
  • chromium is critical to alloy corrosion resistance in conventional ferritic cast steel alloys.
  • This sensitization takes place either in the operation of the exhaust system at the usual operating temperatures prevailing there, which are in the mentioned temperature window, or already during the welding of the individual cast components or components, if these are e.g. when cooling down after the welding process said temperature window.
  • Another consequence of the sensitization is the so-called grain disintegration, whereby the cohesion of the material in the structure is disturbed.
  • Ferritic cast steel alloys are significantly cheaper than austenitic cast steel alloys, so that there is a high interest in the production of exhaust systems for internal combustion engines, the cast components or components used - where possible - to produce from ferritic cast steel alloys in the context of mass production. However, this is not possible with the currently available ferritic cast steel alloys for the reasons mentioned in many cases.
  • the present invention is concerned with the problem of providing for a cast steel alloy an embodiment in which the risk of intergranular corrosion is reduced even at higher temperature load, for example when joining, in particular welding, and / or in the operation of an exhaust system to the castings produced therefrom occurs.
  • the invention is based on the general idea, a cast steel alloy that produces a ferritic microstructure and iron (Fe), carbon (C), chromium (Cr) and molybdenum (Mo), titanium (Ti) and niobium (Nb) add or to alloy.
  • the alloying of titanium and niobium stabilizes the cast steel alloy.
  • the specific stabilization of the cast steel alloy with titanium and niobium proposed according to the invention leads to the structure undergoing grain refining, so that smaller grain sizes occur and that the cast steel alloy has a comparatively high and durable resistance against intergranular corrosion also in the relevant critical temperature range of about 300 ° C to about 600 ° C or about 700 ° C.
  • the cast steel alloy is a ferritic cast steel alloy, which therefore leads to cast components with ferritic structure.
  • the cast steel alloy is designed nickel-free. This means that, apart from parasitic effects that may result from unavoidable impurities, the cast steel alloy does not contain nickel. As a result, the cast steel alloy presented here is particularly inexpensive compared to nickel-containing austenitic materials.
  • the proportion of chromium (Cr) in the alloy is in a range of from 17% by weight to 25% by weight inclusive.
  • the proportion of molybdenum (Mo) in the alloy is in a range of incl. 1 percent by weight up to and including 3 percent by weight.
  • the proportion of titanium (Ti) in the alloy is at most 1 percent by weight.
  • the proportion of niobium (Nb) in the alloy is at most 1 percent by weight.
  • the alloy contains a content of carbon (C) of at most 0.05% by weight and a content of chromium (Cr) of incl. 17% by weight up to and including 25% by weight and a content of molybdenum (Mo) incl. 1% by weight up to and including 3 weight percent and a titanium (Ti) content of max. 1 weight percent and a niobium (Nb) content of max. 1 weight percent.
  • C carbon
  • Cr chromium
  • Mo molybdenum
  • the alloy in this case contains not more than 1.00 percent by weight of silicon and not more than 1.00 percent by weight of manganese and not more than 0.040 percent by weight phosphorus and not more than 0.015 percent by weight sulfur and not more than 0.040 percent by weight nitrogen.
  • the present invention also relates to a cast component, in particular an exhaust-carrying cast component, an exhaust system for an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle.
  • the cast component may include a component, e.g. a connection flange, a component, e.g. a housing, form such an exhaust system.
  • said cast component is made entirely or at least partially from the cast steel alloy presented here. At least the region of the respective cast component exposed directly to the exhaust gas is expediently produced from the cast steel alloy presented here.
  • Cast components or components may be, for example, exhaust pipes or housings of exhaust treatment devices. Likewise, it may be the cast component to a flow guide element, such. Ex. A funnel, a pipe, a flange or the like act.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gussstahllegierung zum Herstellen von Gussteilen mit ferritischem Gefüge, wobei die Legierung Eisen (Fe), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) enthält. Eine erhöhte Beständigkeit gegenüber interkristalliner Korrosion ergibt sich, wenn die Legierung außerdem Titan (Ti) und Niob (Nb) enthält.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine ferritische Gussstahllegierung, also eine Gussstahllegierung zum Herstellen von Gussteilen mit ferritischem Gefüge. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein abgasführendes Gussbauteil einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, das zumindest bereichsweise aus einer derartigen Gussstahllegierung hergestellt ist.
  • Bei einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine sind die einzelnen Komponenten der Abgasanlage einer vergleichsweise hohen thermischen Belastung ausgesetzt, so dass in der Regel nur metallische Werkstoffe, insbesondere Stahllegierungen, verwendet werden, um derartige Komponenten einer Abgasanlage herzustellen. Diese Komponenten sind hauptsächlich gasführende Rohre sowie Gehäuse für Abgasbehandlungseinrichtungen, wie z. Bsp. Schalldämpfer, Partikelfilter, Katalysatoren. Bestandteile dieser Komponenten, wie z.B. Flansche, können Gussteile, vorzugsweise Stahlgussteile sein.
  • Darüber hinaus schaffen die heißen Verbrennungsabgase eine aggressive Umgebung, die insbesondere in Verbindung mit Wasser oder Wasserdampf zu einer vergleichsweise hohen Korrosionsgefahr für die Komponenten bzw. Gussbauteile führt. Eine besonders hohe Korrosionsgefahr besteht bei einer SCR-Anlage, bei welcher ein vergleichsweise aggressives Reduktionsmittel zum Einsatz kommt. Üblicherweise wird bei einer SCR-Anlage dem Abgasstrom eine wässrige Harnstofflösung zugeführt, wobei der Harnstoff durch Hydrolyse zu Ammoniak reagiert, das in einem SCR-Katalysator zur Reduktion von Stickoxiden verwendet wird. Eine derartige ammoniakhaltige Atmosphäre ist vergleichsweise aggressiv und erhöht für die beteiligten Komponenten und Gussbauteile die Korrosionsgefahr. Korrosionsbeständige Stahllegierungen, also Edelstahllegierungen, sind z.B. austenitisch. Dementsprechend ist es üblich, bei Abgasanlagen zum Herstellen von Gussteilen austenitische Gussstahllegierungen zu verwenden, also Gussstahllegierungen, mit denen sich Gussteile mit austenitischem Gefüge erzeugen lassen. Austenitgussstahl ist jedoch vergleichsweise teuer, was insbesondere auf den Nickelgehalt austenitischer Gussstahllegierungen zurückzuführen ist.
  • Es existieren jedoch auch ferritische Gussstahllegierungen. Diese sind jedoch allesamt nicht beständig gegen interkristalline Korrosion. Zu einer derartigen interkristallinen Korrosion kommt es bspw. bei Temperaturen zwischen 300°C und 700°C in Verbindung mit einer entsprechenden aggressiven Umgebung. Die interkristalline Korrosion wird darauf zurückgeführt, dass sich im genannten Temperaturbereich (300°C bis 700°C) die bekannten ferritischen Gussstahllegierungen sensibilisieren, so dass sich Chromkarbide bilden, die sich auf den Korngrenzen ausscheiden und der korngrenznahen Umgebung das Chrom entziehen. Chrom ist jedoch bei herkömmlichen ferritischen Gussstahllegierungen entscheidend für die Korrosionsbeständigkeit der Legierung. Diese Sensibilisierung erfolgt entweder im Betrieb der Abgasanlage bei den dort herrschenden üblichen Betriebstemperaturen, die im genannten Temperaturfenster liegen, oder bereits beim Verschweißen der einzelnen Gussbauteile oder Komponenten, wenn diese z.B. beim Abkühlen nach dem Schweißvorgang besagtes Temperaturfenster durchlaufen. Eine weitere Folge der Sensibilisierung ist der sogenannte Kornzerfall, wodurch der Zusammenhalt des Werkstoffs im Gefüge gestört ist.
  • Ein weiterer Nachteil bekannter ferritischer Gussstahllegierungen ist die Ausbildung von vergleichsweise großen Körnern im Gefüge, was sich ebenfalls negativ auf die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion auswirkt. Außerdem ergeben sich dadurch Festigkeitsnachteile.
  • Ferritische Gussstahllegierungen sind deutlich preiswerter als austenitische Gussstahllegierungen, so dass ein hohes Interesse daran besteht, im Rahmen der Großserienfertigung, insbesondere bei der Herstellung von Abgasanlagen für Brennkraftmaschinen, die verwendeten Gussbauteile bzw. Komponenten - soweit möglich - aus ferritischen Gussstahllegierungen herzustellen. Dies ist mit den derzeit verfügbaren ferritischen Gussstahllegierungen jedoch aus den genannten Gründen in vielen Fällen nicht möglich.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Gussstahllegierung eine Ausführungsform anzugeben, bei welcher die Gefahr interkristalliner Korrosion auch bei höherer Temperaturbelastung reduziert ist, die beispielsweise beim Fügen, insbesondere beim Schweißen, und/oder im Betrieb einer Abgasanlage an den daraus hergestellten Gussteilen auftritt.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einer Gussstahllegierung, die ein ferritisches Gefüge erzeugt und Eisen (Fe), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) enthält, Titan (Ti) und Niob (Nb) hinzuzufügen bzw. hinzu zu legieren. Durch das Zulegieren von Titan und Niob wird die Gussstahllegierung stabilisiert. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene gezielte Stabilisierung der Gussstahllegierung mit Titan und Niob führt dazu, dass das Gefüge eine Kornfeinung erfährt, so dass also kleinere Korngrößen auftreten und dass die Gussstahllegierung eine vergleichsweise hohe und dauerhafte Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion auch im relevanten kritischen Temperaturbereich von ca. 300°C bis ca. 600°C oder ca. 700°C besitzt. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Gussstahllegierung auch durch die üblichen Schweißprozesse nicht sensibilisiert wird und insbesondere auch nicht in den üblichen, bei Abgasanlagen zu erwartenden Temperaturen (300°C bis 600°C oder 700°C) sensibilisiert wird. Somit wird eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit auch gegenüber interkristalliner Korrosion erreicht. Gleichzeitig bleibt die Gussstahllegierung im Vergleich zu einem austenitischen Werkstoff preisweist.
  • Bei der Gussstahllegierung handelt es sich um eine ferritische Gussstahllegierung, die also zu Gussbauteilen mit ferritischem Gefüge führt.
  • Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Gussstahllegierung nickelfrei gestaltet. Das bedeutet, dass die Gussstahllegierung abgesehen von parasitären Effekten, die sich durch unvermeidliche Verunreinigungen ergeben können, keinen Nickel enthält. Hierdurch wird die hier vorgestellte Gussstahllegierung im Vergleich zu nickelhaltigem Austenitwerkstoffen besonders preiswert.
  • Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Anteil an Kohlenstoff (C) in der Legierung maximal bei 0,05 Gewichtsprozent liegt.
  • Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn der Anteil an Chrom (Cr) in der Legierung in einem Bereich von einschließlich 17 Gewichtsprozent bis einschl. 25 Gewichtsprozent liegt.
  • Zusätzlich oder alternativ ist es zweckmäßig, wenn der Anteil an Molybdän (Mo) in der Legierung in einem Bereich von einschl. 1 Gewichtsprozent bis einschl. 3 Gewichtsprozent liegt.
  • Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn der Anteil an Titan (Ti) in der Legierung maximal 1 Gewichtsprozent beträgt.
  • Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn der Anteil an Niob (Nb) in der Legierung maximal 1 Gewichtsprozent beträgt.
  • Besonders vorteilhaft ist dabei eine kumulierte Realisierung der vorstehenden vorteilhaften Ausführungsformen. In diesem Fall enthält die Legierung einen Anteil an Kohlenstoff (C) von maximal 0,05 Gewichtsprozent und einen Anteil an Chrom (Cr) von einschl. 17 Gewichtsprozent bis einschl. 25 Gewichtsprozent und einen Anteil an Molybdän (Mo) von einschl. 1 Gewichtsprozent bis einschl. 3 Gewichtsprozent und einen Anteil an Titan (Ti) von max. 1 Gewichtsprozent und einen Anteil an Niob (Nb) von max. 1 Gewichtsprozent.
  • Ferner hat sich als besonders vorteilhaft für die interkristalline Korrosionsbeständigkeit herausgestellt, wenn die Gewichtsanteile von Kohlenstoff, Titan und Niob so aufeinander abgestimmt sind, dass der Anteil an Kohlenstoff in Gewichtsprozent geteilt durch die Summe aus dem Produkt von 0,25 mit dem Anteil an Titan in Gewichtsprozent und dem Produkt aus 0,14 mit dem Anteil an Niob in Gewichtsprozent größer ist als 3. Mit anderen Worten, für die Realisierung dieser speziellen Ausführungsform ist folgende Formel oder Beziehung einzuhalten: % C / 0 , 25 ⁢ x % Ti + 0 , 14 ⁢ x % N > 3.
    Figure imgb0001
  • Innerhalb dieser Beziehung oder Gleichung repräsentiert "%" den Begriff "Gewichtsprozent".
  • Neben Eisen, Kohlenstoff, Chrom, Molybdän, Titan und Niob kann die hier vorgestellte Gussstahl-Legierung außerdem folgende Elemente enthalten, wobei beliebige Kombinationen realisierbar sind:
    • Silizium (Si), insbesondere mit einem Anteil von maximal 1,00 Gewichtsprozent, und/oder
    • Mangan (Mn), insbesondere mit einem Anteil von maximal 1,00 Gewichtsprozent,
    • Phosphor (B), insbesondere mit einem Anteil von maximal 0,040 Gewichtsprozent,
    • Schwefel (S), insbesondere mit einem Anteil von maximal 0,015 Gewichtsprozent, und/oder
    • Stickstoff (N), insbesondere mit einem Anteil von maximal 0,040 Gewichtsprozent.
  • Auch hier ist eine kumulierte Realisierung der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen denkbar, so dass die Legierung in diesem Fall maximal 1,00 Gewichtsprozent Silizium und maximal 1,00 Gewichtsprozent Mangan und maximal 0,040 Gewichtsprozent Phosphor und maximal 0,015 Gewichtsprozent Schwefel und maximal 0,040 Gewichtsprozent Stickstoff enthält.
  • Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besitzt die hier vorgestellte Gussstahllegierung somit folgende Zusammensetzung:
    • Kohlenstoff (C) mit einem Anteil von maximal 0,05 Gew.-%,
    • Silizium (Si) mit einem Anteil von maximal 1,00 Gew.-%,
    • Mangan (Mn) mit einem Anteil von maximal 1,00 Gew.-%,
    • Phosphor mit einem Anteil von maximal 0,040 Gew.-%,
    • Schwefel mit einem Anteil von maximal 0,015 Gew.-%,
    • Stickstoff (N) mit einem Anteil von maximal 0,040 Gew.-%,
    • Chrom (Cr) mit einem Anteil von einschl. 17 Gew.-% bis einschl. 25 Gew.-%,
    • Molybdän (Mo) mit einem Anteil von einschl. 1 Gew.-% bis einschl. 3 Gew.-%,
    • Niob (Nb) mit einem Anteil von mindestens 0,001 Gew.-% bis maximal 1 Gew.-%,
    • Titan (Ti) mit einem Anteil von mindestens 0,001 Gew.-% bis maximal 1 Gew.-%,
    • Eisen (Fe) für den Rest bis 100 Gew.-%,
    • wobei Gew.-% für Gewichtsprozent steht.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Gussbauteil, insbesondere ein abgasführendes Gussbauteil, einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Dabei kann das Gussbauteil einen Bestandteil, z.B. einen Anschlussflansch, einer Komponente, z.B. eines Gehäuses, einer solchen Abgasanlage bilden. Dabei ist besagtes Gussbauteil vollständig oder zumindest teilweise aus der hier vorgestellten Gussstahllegierung hergestellt. Zumindest der direkt dem Abgas ausgesetzte Bereich des jeweiligen Gussbauteils ist zweckmäßig aus der hier vorgestellten Gussstahllegierung hergestellt.
  • Gussbauteile bzw. Komponenten können bspw. Abgasrohre oder Gehäuse von Abgasbehandlungseinrichtungen sein. Ebenso kann es sich beim Gussbauteil um ein Strömungsführungselement, wie z. Bsp. ein Trichter, ein Rohr, ein Flansch oder dergleichen handeln.

Claims (9)

  1. Ferritische Gussstahllegierung, wobei die Legierung Eisen (Fe), Kohlenstoff (C), Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) enthält, wobei die Legierung außerdem Titan (Ti) und Niob (Ni) enthält.
  2. Gussstahllegierung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Legierung abgesehen von parasitären Effekten nickelfrei ist.
  3. Gussstahllegierung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Legierung enthält:
    einen Anteil an Kohlenstoff (C) von maximal 0,05 Gewichtsprozent,
    einen Anteil an Chrom (Cr) von einschließlich 17 Gewichtsprozent bis einschließlich 25 Gewichtsprozent,
    einen Anteil an Molybdän (Mo) von einschließlich 1 Gewichtsprozent bis einschließlich 3 Gewichtsprozent,
    einen Anteil von Titan (Ti) von maximal 1 Gewichtsprozent und
    einen Anteil von Niob (Nb) von maximal 1 Gewichtsprozent.
  4. Gussstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Legierung enthält:
    einen Anteil an Kohlenstoff (C) von maximal 0,05 Gewichtsprozent, und/oder einen Anteil an Chrom (Cr) von einschließlich 17 Gewichtsprozent bis einschließlich 25 Gewichtsprozent, und/oder
    einen Anteil an Molybdän (Mo) von einschließlich 1 Gewichtsprozent bis einschließlich 3 Gewichtsprozent, und/oder
    einen Anteil von Titan (Ti) von maximal 1 Gewichtsprozent,
    und/oder einen Anteil von Niob (Nb) von maximal 1 Gewichtsprozent.
  5. Gussstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Gewichtsanteile von Kohlenstoff (C), Titan (Ti) und Niob (Nb) so aufeinander abgestimmt sind, dass gilt: %C/(0,25x%Ti+0,14x%Nb)>3, wobei % für Gewichtsprozent steht.
  6. Gussstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Legierung außerdem enthält:
    Silizium (Si), insbesondere mit einem Anteil von maximal 1,00 Gewichtsprozent,
    und/oder
    Mangan (Mn), insbesondere mit einem Anteil von maximal 1,00 Gewichtsprozent,
    und/oder
    Phosphor (P), insbesondere mit einem Anteil von maximal 0,040 Gewichtsprozent, und/oder
    Schwefel (S), insbesondere mit einem Anteil von maximal 0,015 Gewichtsprozent, und/oder
    Stickstoff (N), insbesondere mit einem Anteil von maximal 0,040 Gewichtsprozent.
  7. Gussstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Legierung außerdem enthält:
    einen Anteil an Silizium (Si) von maximal 1,00 Gewichtsprozent,
    einen Anteil an Mangan (Mn) von 1,00 Gewichtsprozent,
    einen Anteil an Phosphor (P) von maximal 0,040 Gewichtsprozent,
    einen Anteil von Schwefel von maximal 0,015 Gewichtsprozent,
    einen Anteil an Stickstoff (N) von 0,040 Gewichtsprozent.
  8. Gussbauteil einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, hergestellt aus einer Gussstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Komponente einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Bestandteil, der als Gussbauteil ausgestaltet ist, das aus einer Gussstahllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.
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