WO2004079029A1 - Druckgussbauteil und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Druckgussbauteil und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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    • C22C21/08Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/047Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a die-cast component from an aluminum alloy with the following proportions in percent by weight
  • the invention further relates to a die-cast component produced with such an aluminum alloy.
  • the die-cast components In order to be able to produce die-cast aluminum components that are weldable and have a high ductility, it is known to subject the die-cast components to a heat treatment.
  • a heat treatment For the combination of a desired toughness on the one hand with an acceptable tensile strength and yield strength on the other hand the T6 heat treatment is used, which includes solution annealing with subsequent quenching and subsequent hot aging. This heat treatment causes in particular during the solution annealing and during the quenching process, a distortion of the components, so that they often have to be post-treated, especially if they are cast with thin walls.
  • EP 0 853 1 33 B1 discloses the method mentioned at the outset, which has been developed in order to achieve an alloy structure by using the specified aluminum alloy, by means of which heat treatment is avoided.
  • the advantage of the known alloy is thus seen in the fact that the components manufactured with it with the desired mechanical properties do not require any subsequent heat treatment.
  • Such an AIMg5Si2Mn alloy has a significantly increased tensile strength and a significantly increased yield strength as well as a significantly increased elongation at break compared to a conventional AlMg ⁇ Si alloy.
  • AISil OMg alloys are subjected to a T6 heat treatment with solution annealing, a controlled quenching and a subsequent hot aging process, taking into account the distortion that arises Disadvantages used.
  • the invention is based on the object of enabling a die-cast component which has improved mechanical properties and which can be produced without the need for post-treatments required due to distortion.
  • a method of the type mentioned at the outset is characterized in that the die-cast component according to Die casting is subjected to a heat treatment in the form of heat aging at a temperature T of 180 ° C ⁇ T _ ⁇ 320 ° C for at least half an hour.
  • die-cast components which are produced with the specified aluminum alloy specially designed for the elimination of heat treatment, can be considerably improved in their mechanical properties if the die-cast components are subjected to hot aging at a temperature above 180 ° C become.
  • Warm aging at relatively mild temperatures which are preferably between 220 and 280 ° C. and particularly preferably around 250 ° C., do not lead to the risk of the die-cast component warping.
  • yield strength (Rp 0.2 ) in particular can be significantly increased by hot aging.
  • the reduction in elongation at break associated therewith is comparatively low and can be accepted, since an elongation at break of> 8%, which is generally sufficient, is retained in any case.
  • the proportion of magnesium is between 5.0 and 6.0% by weight and the proportion of silicon is between 1.5 and 3.0% by weight. Traces of copper and zinc should not exceed 0.05% and 0.10% by weight.
  • the duration of hot aging is usually between half an hour and three hours and depends on the type of component, in particular on its thick-walled part.
  • the technological properties of a die-cast component produced according to the invention are explained in more detail below on the basis of comparative measurements shown in the drawing. Show it:
  • Figure 1 is a diagram showing the increase in the yield strength with increased
  • Figure 2 is a diagram for the dependence of the elongation at break in
  • FIG. 3 shows a diagram for the tensile strength and yield strength values for various alloys with and without heat treatment
  • FIG. 4 shows a diagram for elongation at break values for the alloys used in FIG. 3.
  • Chassis parts in particular for the automotive industry must have high strength properties combined with high plastic deformation properties, since they must not break in their crash behavior.
  • the alloys used for this purpose are AIMg5Si2Mn (hereinafter referred to as “590”) or AISM OMg (hereinafter referred to as “360”), the components of the latter alloy being subjected to a T6 heat treatment.
  • the material is then referred to below as “360 T6”.
  • the T6 heat treatment consisting of solution heat treatment, quenching and hot aging not only causes high costs, but also entails the risk of warpage of the parts. Even when casting itself Precautions must be taken to keep the gas content of the castings as low as possible.
  • FIG. 2 shows a drop in elongation at break A associated with hot aging, which characterizes the deformability.
  • a drop from the initial value of 13% to approx. 9% can be determined due to the above-mentioned hot aging.
  • FIG. 3 shows a comparison of the strength properties (tensile strength: rear values; proof stress: front values) of different aluminum alloys of types 226 (AISi9Cu3 (Fe)), 260 (AIS ⁇ 1 2 CuNiMg), 360, 360 T6, 590 (all comparison values) and 590 T5 (components according to the invention).
  • AISi9Cu3 Fe
  • 260 AIS ⁇ 1 2 CuNiMg
  • 360, 360 T6, 590 all comparison values
  • 590 T5 components according to the invention
  • the higher Rp 0 2 values achieved according to the invention enable the use of the 590 T5 material even for parts subject to higher loads, for example as part of a welded construction with a kneading material.
  • the die-cast components are advantageously welded to metal sheets before the T5 treatment.
  • Weld seams are usually weak points.
  • the weld metal usually consists of a mixture of cast alloy and wrought material. The properties correspond to those of the cast material. Hot aging improves the strength of the weld metal.
  • the recrystallization threshold is influenced by alloy additives, in particular by the content of dissolved or finely dispersed Mn, Fe, Zr or Cr, by an annealing time and by the degree of cold deformation which lowers the recrystallization threshold.
  • the aim of recrystallization is to form a fine-grained structure.
  • the sheet should not have too little cold deformation (> 30 to 50%) and should be heated to the recrystallization temperature as quickly as possible.
  • the critical temperature is approximately 250 ° C. This corresponds to the optimal hot aging temperature in the process according to the invention.
  • the choice of the hot aging temperature is of crucial importance.
  • the use of die-cast components as part of lightweight constructions is improved and, in many cases, made possible by the achievement of higher yield strengths with simultaneously high expansions and improved weld seam quality.
  • Die cast components manufactured according to the invention can have a tensile strength Rm of> 300 MPa, an elastic limit Rp J> 175 MPa and an elongation at break> 8% when using a hot aging temperature of 250 ° C. If the yield strength is over 200 MPa, an elongation at break between 8 and 10% can be set. At a somewhat lower yield strength _> _ 180 MPa, the elongation at break can be between 10 and 12%.

Abstract

Die mechanischen Festigkeitseigenschaften eines Druckgussbauteils aus einer Aluminiumlegierung mit folgenden Anteilen in Gewichtsprozenten, Magnesium 3,0 - 6,0, Silizium 1,4 - 3,5, Mangan 0,5 - 2,0, Eisen max. 0,15, Titan max. 0,2, Rest Aluminium und sonstige Komponenten mit einem Gesamtanteil von max. 0,2, lassen sich dadurch deutlich verbessern, dass das Druckgussbauteil nach dem Druckgießen einer Wärmbehandlung in Form einer Warmauslagerung bei einer Temperatur T mit 180° C ≤ T ≤ 320° C über eine Dauer von mindestens einer halben Stunde unterworfen wird.

Description

Druckgussbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgussbauteils aus einer Aluminiumlegierung mit folgenden Anteilen in Gewichtsprozenten
Magnesium 3,0 - 6,0 Silizium 1 ,4 - 3,5 Mangan 0,5 - 2,0 Eisen max. 0, 1 5 Titan max. 0,2 Rest Aluminium und sonstige Komponenten mit einem Gesamtanteil von max. 0,2
Die Erfindung betrifft ferner ein mit einer derartigen Aluminiumlegierung hergestelltes Druckgussbauteil.
Es ist bekannt, dass die Qualität von Druckgussbauteilen einerseits von der Maschineneinstellung und den Verfahrensparametern des Druckgießvorganges abhängt, andererseits aber auch von der verwendeten Aluminiumlegierung, die an die mechanischen Anforderungen an die Druckgussbauteile angepasst sein muss.
Um Aluminium-Druckgussbauteile herstellen zu können, die schweißbar sind und eine hohe Duktilität aufweisen, ist es bekannt, die Druckgussbauteile einer Wärmebehandlung zu unterwerfen. Für die Kombination einer gewünschten Zähigkeit einerseits mit einer annehmbaren Zugfestigkeit und Dehngrenze andererseits wird die T6-Wärmebehandlung angewendet, die eine Lösungsglühung mit nachfolgendem Abschrecken und einer anschließende Warmauslagerung beinhaltet. Diese Wärmebehandlung verursacht insbesondere während des Lösungsglühens und beim Abschreckprozess einen Verzug der Bauteile, sodass diese, insbesondere wenn sie dünnwandig gegossen werden, häufig nachbehandelt werden müssen.
Durch EP 0 853 1 33 B1 ist das eingangs erwähnte Verfahren bekannt, das entwickelt worden ist, um durch die Verwendung der angegebenen Aluminiumlegierung ein Legierungsgefüge zu erzielen, durch das eine Wärmebehandlung vermieden wird. Der Vorteil der bekannten Legierung wird somit darin gesehen, dass die mit ihr hergestellten Bauteile mit gewünschten mechanischen Eigenschaften keiner anschließenden Wärmebehandlung bedürfen.
Eine derartige AIMg5Si2Mn-Legierung weist gegenüber einer herkömmlichen Legierung AlMgδSi eine deutlich erhöhte Zugfestigkeit und eine deutlich erhöhte Dehngrenze sowie eine deutlich erhöhte Bruchdehnung auf.
Für eine weitere Verbesserung der Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig hohem plastischen Formänderungsvermögen, also gutem Crashverhalten, von an Kraftfahrzeugen eingesetzten Aluminium-Druckgussbauteilen, werden AISil OMg-Legierungen mit einer T6-Wärmebehandlung mit Lösungsglühen, einer kontrollierten Abschreckung und einer anschließenden Warmauslagerung unter Inkaufnahme der durch Verzugserscheinungen entstehenden Nachteile verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in seinen mechanischen Eigenschaften verbessertes Druckgussbauteil zu ermöglichen, das ohne die Notwendigkeit von durch Verzugserscheinungen erforderliche Nachbehandlungen herstellbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgussbauteil nach dem Druckgießen einer Wärmebehandlung in Form einer Warmauslagerung bei einer Temperatur T von 180° C < T _< 320° C über eine Dauer von mindestens einer halben Stunde unterworfen wird.
In überraschender Weise ist gefunden worden, dass Druckgussbauteile, die mit der angegebenen, speziell für den Entfall einer Wärmebehandlung ausgebildeten Aluminiumlegierung hergestellt werden, in ihren mechanischen Eigenschaften erheblich verbessert werden können, wenn die Druckgussbauteile einer Warmauslagerung bei einer Temperatur oberhalb von 1 80° C unterworfen werden. Die Warmauslagerung bei relativ milden Temperaturen, die vorzugsweise zwischen 220 und 280° C und besonders bevorzugt bei etwa 250° C liegen, führen nicht zu dem Risiko eines Verzugs des Druckgussbauteils. Umfangreiche Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass insbesondere die Dehngrenze (Rp0,2) durch die Warmauslagerung erheblich erhöht werden kann. Die damit verbundene Absenkung der Bruchdehnung ist vergleichsweise gering und kann in Kauf genommen werden, da in jedem Fall eine für den Regelfall ausreichende Bruchdehnung von > 8 % erhalten bleibt.
Bei einer bevorzugten Legierung beträgt der Anteil des Magnesiums zwischen 5,0 und 6,0 Gew. % und der Anteil des Siliziums zwischen 1 ,5 und 3,0 Gew. % . In Spuren vorhandene Anteile von Kupfer und Zink sollten 0,05 Gew. % bzw. 0, 10 Gew.% nicht überschreiten.
Die Dauer der Warmauslagerung liegt üblicherweise zwischen einer halben Stunde und drei Stunden und hängt von der Art des Bauteils, insbesondere von dessen Dickwandigkeit, ab. Die technologischen Eigenschaften eines erfindungsgemäß hergestellten Druckgussbauteils werden im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Vergleichsmessungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Diagramm das die Erhöhung der Dehngrenze mit erhöhten
Warmauslagerungstemperaturen zeigt,
Figur 2 ein Diagramm für die Abhängigkeit der Bruchdehnungswerte in
Abhängigkeit von der Warmauslagerungstemperatur
Figur 3 ein Diagramm für die Zugfestigkeits- und Dehngrenzenwerte für verschiedene Legierungen mit und ohne Wärmebehandlung
Figur 4 ein Diagramm für Bruchdehnungswerte für die in Figur 3 herangezogenen Legierungen.
Insbesondere Fahrwerkteile für die Automobilindustrie müssen hohe Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig hohem plastischen Formänderungs- vermögen aufweisen, da sie im Crashverhalten nicht brechen dürfen.
Die für diese Zwecke eingesetzten Legierungen sind AIMg5Si2Mn (im Folgenden als „590" bezeichnet) oder AISM OMg (im Folgenden als „360" bezeichnet), wobei die Bauteile der letztgenannten Legierung einer T6- Wärmebehandlung unterworfen werden. Das Material wird dann im Folgenden als „360 T6" bezeichnet.
Die sich aus Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern zusammensetzende T6-Wärmebehandlung verursacht nicht nur hohe Kosten, sondern birgt auch das Risiko des Verzugs der Teile. Auch beim Gießen selbst müssen Vorkehrungen getroffen werden, um den Gasgehalt der Gussteile möglichst gering zu halten.
Das Material 590 erreicht im Gusszustand Dehngrenzen von ca. 180 MPa bei einer Bruchdehnung von ca. 1 3 % . Für hochbeanspruchte Teile werden höhere Festigkeitswerte benötigt, die mit dieser Legierung bisher nicht erreichbar waren, jedoch durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung in Form einer Warmauslagerung (T5-Wärmebehandlung) erreicht werden.
Figur 1 verdeutlicht die Erhöhung der 0,2 %-Dehngrenze (Rp0,2) in Abhängigkeit von der Warmauslagerungstemperatur. Im Gusszustand beträgt demgemäß die Dehngrenze ca. 165 MPa. Die Warmauslagerung bei 1 80° C lässt diesen Wert auf ca. 1 75 MPa ansteigen. Bei einer Warmauslagerungstemperatur T von 210° C erreicht die Dehngrenze knapp 1 80 MPa. Eine sprunghafte Erhöhung ist bei der bevorzugten Warmauslagerungstemperatur T = 250° C festzustellen, bei der die Dehngrenze auf über 210 MPa ansteigt.
Figur 2 zeigt einen mit der Warmauslagerung verbundenen Abfall der Bruchdehnung A, die die Verformungsfähigkeit charakterisiert. Durch die genannte Warmauslagerung ist ein Abfall von dem Ausgangswert 13 % auf ca. 9 % festzustellen.
Ein Einfluss durch die Warmauslagerung auf die Zugfestigkeit (Rm) ist . nicht festzustellen.
Figur 3 zeigt einen Vergleich der Festigkeitseigenschaften (Zugfestigkeit: hintere Werte; Dehngrenze: vordere Werte) von unterschiedlichen Aluminiumlegierungen der Typen 226 (AISi9Cu3 (Fe)), 260 (AISΪ1 2 CuNiMg), 360, 360 T6, 590 (alles Vergleichswerte) und 590 T5 (erfindungsgemäße Bauteile). Daraus wird deutlich, dass die Festigkeitseigenschaften des erfindungsgemäßen Materials 590 T5 die Festigkeitseigenschaften des bisher als optimal angesehenen Materials 360 T6 deutlich übertreffen, obwohl die das Risiko eines Verzuges bildende scharfe Wärmebehandlung T6 vermieden wird. Auch hinsichtlich der Verformungsfähigkeit ist das Material 590 T5 dem Material 360 T6 immer noch deutlich überlegen.
Da bei dem Material 590 die mechanisch-technologischen Eigenschaften mit zunehmender Wandstärke stark abnehmen, konnten brauchbare dickwandige Teile aus diesem Material bisher nicht gegossen werden. Durch die erfindungsgemäße angeschlossene T5-Wärmebehandlung kann die 0,2 %- Dehngrenze (Rp0,2) soweit gesteigert werden, dass diese Teile nicht mehr aus dem Material 360 T6 produziert werden müssen.
Die erfindungsgemäß erzielten höheren Rp0 2-Werte ermöglichen den Einsatz des Materials 590 T5 auch für höher beanspruchte Teile, z.B. als Bestandteil einer Schweißkonstruktion mit einem Knetwerkstoff.
Das Verschweißen der Druckgussbauteile mit Blechen erfolgt zweckmäßigerweise vor der T5-Behandlung. Schweißnähte stellen normalerweise Schwachstellen dar. Das Schweißgut besteht üblicherweise aus einer Mischung aus Gusslegierung und Knetwerkstoff. Die Eigenschaften entsprechen denen des Guss Werkstoffs. Durch die Warmauslagerung wird eine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften des Schweißguts erzielt.
Knetlegierungen neigen bei höheren Temperaturen zur Rekristallisation, d.h. aus einem verformten Gefüge entstehen Kristallkörner anderer Größe und Form. Beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Rekristallisationsschwelle, ändern sich die mechanischen Eigenschaften sehr schnell. Im ungünstigsten Fall entsteht eine Grobkornbildung und eine Abnahme der Festig eits werte. Die Rekristallisationsschwelle wird durch Legierungszusätze, insbesondere durch den Gehalt an gelöstem oder feindispers ausgeschiedenem Mn, Fe, Zr oder Cr, durch eine Glühzeit und durch den Kaltverformungsgrad, der die Rekristallisationsschwelle absenkt, beeinflusst.
Ziel der Rekristallisation ist die Bildung eines feinkörnigen Gefüges. Demzufolge sollte das Blech eine nicht zu geringe Kaltverformung ( > 30 bis 50 %) aufweisen und möglichst rasch auf die Rekristallisationstemperatur aufgeheizt werden.
Bei einer AIMg3-Knetlegierung, wie sie typischerweise im Automobilbau zum Einsatz kommt, beträgt die kritische Temperatur ca. 250° C. Dies entspricht der optimalen Warmauslagerungstemperatur bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Um eine Grobkornbildung mit Abnahme der Festig keits werte des Knetwerkstoffes zu vermeiden und gleichzeitig jedoch eine möglichst hohe Steigerung der 0,2 %-Dehngrenze des Druckgussteils sowie des Schweißguts zu erreichen, ist die Wahl der Warmauslagerungstemperatur von entscheidender Bedeutung. Durch die Erzielung höherer Dehngrenzen bei gleichzeitig hohen Dehnungen sowie verbesserter Schweißnahtqualität wird der Einsatz von Druckgussbauteilen als Bestandteil von Leichtbaukonstruktionen verbessert und in vielen Fällen erst ermöglicht.
Höhere Warmauslagerungstemperaturen, die über 250° C liegen, sind in Einzelfällen nicht ausgeschlossen, insbesondere bei der Verwendung anderer Knetlegierungen oder für bestimmte Anwendungsfälle. Erfindungsgemäß hergestellte Druckgussbauteile können bei der Verwendung einer Warmauslagerungstemperatur von 250° C eine Zugfestigkeit Rm von > 300 MPa, eine Dehngrenze Rp J> 175 MPa und eine Bruchdehnung > 8 % aufweisen. Wenn die Dehngrenze über 200 MPa liegt, lässt sich eine Bruchdehnung zwischen 8 und 10 % einstellen. Bei einer etwas niedrigeren Dehngrenze _>_ 180 MPa kann die Bruchdehnung zwischen 10 und 12 % liegen.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines Druckgussbauteils aus einer Aluminiumlegierung mit folgenden Anteilen in Gewichtsprozenten
Magnesium 3,0 - 6,0
Silizium 1 ,4 - 3,5
Mangan 0,5 - 2,0
Eisen max. 0, 1 5
Titan max. 0,2 Rest Aluminium und sonstige Komponenten mit einem Gesamtanteil von max. 0,2
dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgussbauteil nach dem Druckgießen einer Wärmebehandlung in Form einer Warmauslagerung bei einer Temperatur T mit 1 80° C <_ T <_ 320° C über eine Dauer von mindestens einer halben Stunde unterworfen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Magnesiums zwischen 5,0 und 6,0 Gew.% gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Siliziums zwischen 1 ,5 und 3,0 Gew. % liegend gewählt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass maximale Anteile von Kupfer mit 0,05 Gew.% und von Zink mit
0, 1 0 Gew. % gewählt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmauslagerung bei einer Temperatur T zwischen 220 und 280° C, vorzugsweise bei etwa 250° C, vorgenommen wird.
5 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmauslagerung über eine Dauer zwischen einer halben Stunde und drei Stunden vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, 10 dass das Druckgussbauteil nach dem Druckgießen mit Knetwerkstoff verschweißt und anschließend der Warmauslagerung unterworfen wird.
8. Druckgussbauteil aus einer Aluminiumlegierung mit folgenden Anteilen in Gewichtsprozenten
L 5
Magnesium 3,0 - 6,0 Silizium 1 ,4 - 3,5 Mangan 0,5 - 2,0 Eisen max. 0, 1 5 20 Titan max. 0,2 Rest Aluminium und sonstige Komponenten mit einem Gesamtanteil von max. 0,2
herstellbar nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 25 gekennzeichnet durch eine Zugfestigkeit (Rm) von > 300 MPa, eine
Dehngrenze (Rp0,2) __ 180 MPa und einer Bruchdehnung > 8 %.
9. Druckgussbauteil nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Dehngrenze >_ 200 MPa bei einer Bruchdehnung zwischen 8 % und
10. Druckgussbauteil nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Dehngrenze > 180 MPa bei einer Bruchdehnung zwischen 10 % und 1 2
% .
1 1 . Druckgussbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch einen Anteil des Magnesiums zwischen 5,0 und 6,0 Gew.% .
1 2. Druckgussbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , gekennzeichnet durch einen Anteil des Siliziums zwischen 2,0 und 2,5 Gew. % .
13. Druckgussbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 1 2, gekennzeichnet durch maximale Anteile von Kupfer mit 0,05 Gew.% und von Zink mit 0, 10 Gew. %.
14. Druckgussbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Knetwerkstoff verschweißt aufgebaut ist, der zusammen mit der Aluminiumlegierung durch Warmauslagerung verfestigt ist.
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