DE4101630C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung aufschäumbarer Metallkörper und
deren Verwendung.
Aus der US-PS 30 87 807 ist ein Verfahren bekannt, nach dem die Herstellung eines
porösen Metallkörpers beliebiger Form möglich ist. Danach wird eine Mischung
aus einem Metallpulver und einem Treibmittelpulver mit einem Preßdruck von mindestens
80 MPa im ersten Schritt kalt kompaktiert. Durch anschließendes Strangpressen
wird sie um mindestens 87,5% umgeformt. Dieser hohe Umformgrad ist
notwendig, damit durch die Reibung der Teilchen aneinander während des Umformprozesses
die Oxidhäute zerstört und die Metallteilchen miteinander verbunden
werden. Der so hergestellte extrudierte Stab kann durch Erwärmung auf mindestens
die Schmelztemperatur des Metalles zu einem porösen Metallkörper aufgeschäumt
werden. Die Aufschäumung kann in verschiedenen Formen erfolgen.
Nachteilig
ist, daß dieses Verfahren aufgrund seines zweistufigen Kompaktierungsvorganges
sowie des erforderlichen sehr hohen Umformgrades aufwendig und auf durch
Strangpressen herstellbare Halbzeuge beschränkt ist. Bei dem in dieser US-PS offenbarten
Verfahren sind nur Treibmittel verwendbar, deren Zersetzungstemperatur
oberhalb der Kompaktierungstemperatur liegt, da sonst das Gas während des Aufheizvorganges
entweichen würde. Gerade aber sind Treibmittel, deren Zersetzungstemperatur
unterhalb der Kompaktierungstemperatur liegt, für viele Metallarten
geeignet und preisgünstig. Während des auf den Kompaktierungsvorgang
folgenden Vorganges des Aufschäumens entsteht ein poröser Metallkörper mit
offener Porösität, wobei die Poren offen oder miteinander verbunden sind. Der
Extrusionsvorgang nach dem in der US-PS beschriebenen Verfahren ist notwendig,
da die Verbindung der Metallteilchen duch die bei dem Extrusionsvorgang
auftretenden hohen Temperaturen und
durch Verschweißen der Teilchen miteinander entsteht. Da aus obengenannten
Gründen die für die Verbindung der Teichen notwendige Temperatur nicht beliebig
hoch angesetzt werden kann, muß mit sehr hohen Umformgraden gearbeitet werden,
damit eine möglichst gute und gasdichte Verbindung der Metallteilchen untereinander
entsteht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung aufschäumbarer
Metallkörper anzugeben, welches preisgünstig, einfach in der
Anwendung, ohne hohen umformtechnischen Aufwand durchführbar und
gleichzeitig für Treibmittel mit niedriger Zersetzungstemperatur anwendbar ist. Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verwendung der so hergestellten aufschäumbaren
Körper vorzuschlagen.
Diese Aufgabe ist durch die in den Ansprüchen 1 und 4 und in dem Verwendungsanspruch
angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte
Weiterbildungen dar.
Danach wird zunächst eine Mischung aus einem oder mehreren Metallpulvern und
einem oder mehreren gasabspaltenden Treibmittelpulvern hergestellt. Als Treibmittel
können Metallhydride, wie z. B. Titanhydrid, Karbonate, z. B. Calziumcarbonat,
Kaliumcarbonat, Natriumcarbonat, Natriumbicarbonat, Hydrate, z. B. Aluminiumsulfathydrat,
Alaun, Aluminiumhydoxid oder leicht verdampfende Stoffe, z. B.
Quecksilberverbindungen oder pulverisierte organische Substanzen eingesetzt
werden. Diese intensiv durchmischte Pulvermischung wird durch normales
oder isostatisches Heißpressen zu einem kompakten, gasdichten Körper verdichtet.
Bei dem Kompaktierungsvorgang ist erfindungsgemäß von ausschlaggebender
Bedeutung, daß die Temperatur so hoch gewählt wird, daß die Verbindung zwischen
den einzelnen Metallpulverteilchen überwiegend durch Diffusion erfolgt,
unabhängig von der Ausgestaltung der Oxydhäute.
Weiterhin ist es wesentlich, daß der Druck so hoch gewählt wird, daß die Zersetzung
des Treibmittels verhindert wird und ein Körper entsteht, bei
dem die Metallteilchen sich in einer festen Verbindung untereinander befinden und
einen gasdichten Abschluß für die Gasteilchen des Treibmittels bilden. Die Treibmittelteilchen
werden also zwischen den miteinander verbundenen Metallteilchen "eingeschlossen",
so daß sie erst bei einem späteren Schritt des Aufschäumens Gas
freisetzen. Somit können auch Treibmittel eingesetzt werden, deren Zersetzungstemperatur
unterhalb der Kompaktierungstemperatur liegt. Durch die Anwendung
des hohen Druckes zersetzen sich diese Treibmittel nicht. Diese erfindungsgemäße
Maßnahme erlaubt den Einsatz von Treibmitteln, deren Auswahl nur nach
der Verträglichkeit mit dem Metallpulver bzw- nach
der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens gewählt werden können.
Durch die Wahl der Verfahrensparameter Temperatur und Druck
wird erreicht, daß ein Körper entsteht, welcher eine gasdichte Struktur aufweist.
Weiterhin wird dadurch, daß die Treibmittelteilchen zwischen den Metallteilchen "eingeschlossen"
bleiben, verhindert, daß vorzeitig Treibgas aus dem kompaktierten Körper entweicht.
Demnach sind die erforderlichen Treibmittelmengen gering. So reichen
Treibmittelanteile in der Größenordnung von wenigen Zehntel Gewichtsprozent
aus, weil der kompaktierte Körper vollständig verdichtet ist und das Treibgas nicht
entweichen kann. Als besonders günstig haben sich Treibmittelmengen von 0,2 bis
1% erwiesen. Es muß nur die Menge Treibmittel zugegeben werden, die zur Herstellung
einer Schaumstruktur notwendig ist. Weiterhin
ist es vorteilhaft, daß aufgrund der gewählten hohen Temperatur und der
Anwendung des hohen Druckes der Kompaktierungsvorgang in kurzer Zeit erfolgt.
Ein vorteilhaftes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß nach Beendigung
des Heißkompaktierungsvorganges sowohl die Wärmeeinwirkung als auch
die Druckeinwirkung gleichzeitig aufgehoben werden. Der noch heiße Metallkörper
behält seine Form, obwohl keine Druckeinwirkung mehr stattfindet. Das bedeutet,
daß die Metallteilchen einen solchen dichten Abschluß für die Treibmittelpulverteilchen
bilden, daß keine Expansion des Treibsmittels, auch bei erhöhter Temperatur
stattfindet. Der so hergestellte Metallkörper ist formstabil und behält seine Form
auch unter erhöhter Temperatur und ohne Druckeinwirkung.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung aufschäumbarer Metallkörper ist das Walzen
bei erhöhter Temperatur einer aus mindestens einem Metallpulver und mindestens
einem Treibmittelpulver bestehenden Pulvermischung. Dabei entsteht eine
Verbindung der Metall- und Treibmittelpulverteilchen im Walzspalt. Hierbei tritt für
den Fachmann überraschend die Diffusion zwischen den
Teilchen bereits bei niedrigeren Temperaturen, bei Aluminium im Temperaturbereich um etwa
400°C, in ausreichendem Maße auf. Diese Vorgänge treten insbesondere
in den Oberflächenschichten auf. Als besonders vorteilhaft bei Aluminium
hat sich der Temperaturbereich zwischen 350°C und 400°C erwiesen.
Durch Zwischenerwärmung des vorgewalzten Materials
nach den einzelnen Walzstichen wird das Entstehen
von Kantenrissen weitgehend vermieden.
Zur Festigkeitssteigerung der Metallkörper sieht die Erfindung die Zugabe von Verstärkungskomponenten
in Form von Fasern oder Partikeln aus geeigneten Materialien,
wie z. B. Keramik, vor. Diese werden den Ausgangspulvern
beigemischt. Dazu sollten insbesondere die Ausgangsmaterialien und die Aufschäumparameter
so gewählt werden, daß eine gute Benetzung der Verstärkungskomponenten
durch die Metallmatrix gewährleistet ist. Es ist vorteilhaft, wenn die
Fasern bzw. Partikel beschichtet sind (z. B. mit Nickel). Dies gewährleistet, daß die
Kräfte aus der Metallmatrix in die Partikel/Faser eingeleitet werden.
Gemäß einer Ausführungsform sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, daß
sofern eine Ausrichtung der Verstärkung entlang einer Vorzugsrichtung vorliegen
soll, diese durch Umformung des aufschäumbaren Körpers bewirkt wird.
Diese Umformung kann z. B. durch Strangpressen oder Walzen erfolgen.
In vorteilhafter Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß zwei oder mehrere
Treibmittel mit unterschiedlichen Zersetzungstemperaturen dem Metallpulver zugemischt
werden. Wird ein aus dieser Pulvermischung hergestellter aufschäumbarer
Körper erhitzt, so zersetzt sich zunächst das Treibmittel mit der niedrigeren
Temperatur und bewirkt ein Aufschäumen. Wird die Temperatur weiter erhöht, zersetzt
sich das Treibmittel mit der nächsthöheren Zersetzungstemperatur und bewirkt
ein weiteres Aufschäumen. Das Aufschäumen erfolgt in zwei oder mehreren
Stufen. Solche stufenweise expandierenden aufschäumbaren Metallkörper finden
eine besondere Anwendung z. B. im Brandschutz. Vorteilhaft liegt
die Aufheiztemperatur im Temperaturbereich des Schmelzpunktes des verwendeten
Metalles bzw. oberhalb oder im Solidus-Liquidus-Intervall der
Legierung.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es
nun möglich ist, Körper herzustellen, welche über ihren Querschnitt eine sich kontinuierlich
oder diskontinuierlich verändernde Dichte aufweisen, sogenannte gradierte
Werkstoffe. Dabei wird eine Zunahme der Dichte zum Rand des aufschäumbaren
Körpers hin bevorzugt, da hier die primäre Beanspruchung erfolgt. Weiterhin
bietet ein aufschäumbarer Körper mit einer massiven Deckschicht oder einer
Deckschicht höheren Dichte Vorteile hinsichtlich des Fügens und des Verbindens
mit artgleichen oder artfremden Werkstoffen. Wird der Vorgang des Heißkompaktierens
in einer Form durchgeführt, wobei die Pulvermischung ganz oder teilweise
durch ein treibmittelfreies Metall oder Metallpulver umgeben ist, so bilden die
treibmittelfreien Metallschichten jeweils eine feste, wenig poröse Außenschicht bzw.
Bodenschicht oder Deckschicht, zwischen denen sich eine Schicht befindet, welche
nach einem Aufschäumvorgang eine hochporöse Metallschaumschicht bildet.
Durch das Herstellen des aufschäumbaren Metallkörpers derart, daß der Pulvermischung
ein treibmittelfreies Metallstück vorgelagert ist und die Pulvermischung
stranggepreßt wird, entsteht ein aufschäumbarer Körper, den
das Massivmaterial in
Form einer äußeren Schicht umschließt.
Wird ein gemäß der Ausführungsform nach den Ansprüchen 9 und 10 hergestellte
Körper zur Herstellung eines porösen Metallkörpers verwendet, so umgibt nach
dem Aufschäumen eine wenig poröse äußere Schicht einen Kern aus hochporösem
geschäumten Metall. Eine weitere Verwendung des aufschäumbaren Körpers
ist die Herstellung von Metallschäumen mit fester Außenschicht. Der aufschäumbare
Körper wird dabei zunächst durch geeignete Verfahren zu einem zylindrischen
Stab umgeformt, dieser in ein zylindrisches Rohr eingeführt und anschließend
aufgeschäumt. Dieses Verfahren läßt sich auch auf andere Hohlprofile
und Formteile übertragen. Weiterhin ist es möglich, einen Integralschaumkörper
dadurch herzustellen, daß die Expansion des aufschäumbaren Körpers durch feste
Wandungen behindert wird. Sobald die Oberfläche eines zunächst frei expandierenden
Schaumes die Wandungen berührt, werden die oberflächennahen Poren
durch den inneren Druck des von innen nachschäumenden Materials flachgedrückt
und so der zunächst äußere Rand des Formteiles wieder verdichtet.
Die Dicke dieses äußeren Randes, welche eine gegenüber dem Werkstück
inneren erhöhte Dichte besitzt, kann gesteuert werden über die Zeitdauer in welcher
nach dem Kontakt mit den Wandungen das Material von innen nachschäumen
kann, bevor das Formteil schließlich abgekühlt wird.
Schließlich sind Verfahren möglich, bei denen die
Oberfläche des erfindungsgemäßen aufschäumbaren Körpers oder des expandierenden
Schaumes durch Kühlung daran gehindert wird, so stark wie in den nichtgekühlten
Bereichen aufzuschäumen. Dabei kann die Kühlung durch geeignete
Kühlmedien oder durch Kontakt mit kalten Materialien bewirkt werden. Die Kühlung
kann auf die gesamte Oberfläche oder auch nur auf Teilbereiche einwirken.
Integralschaumartige Metallkörper lassen sich durch Bekleben eines Metallschaumes
mit artgleichen oder artfremden Werkstoffen herstellen. Neben dem Kleben
sind auch andere Fügeverfahren und Befestigungsverfahren (Löten, Schweißen,
Anschrauben) anwendbar. Schließlich kann ein Metallschaum auch mit Metallschmelzen
oder anderen, zunächst flüssigen und dann erstarrenden oder erhärtenden
Materialien umgossen werden.
In den nachfolgenden Beispielen wird der Verlauf der erfindungsgemäßen Verfahren
dargestellt.
Eine Pulvermischung der Zusammensetzung AlMg1 mit 0,2 Gewichtsprozent Titanhydrid
wurde in eine Heißpreßvorrichtung gefüllt und unter einem Druck von 60
MPa auf eine Temperatur von 500°C erwärmt. Nach einer Haltezeit von 30 Minuten
wurde die Probe entlastet, ausgebaut und abgekühlt. Das Aufschläumen erfolgte
durch Erwärmung der Probe in einem auf 800°C vorgeheizten Laborofen. Die
Dichte des entstandenen Aluminiumschaumes lag bei ca. 0,55 g/cm³.
Eine Pulvermischung der Zusammensetzung AlMg2 mit 0,2 Gewichtsprozent Titanhydrid
wurde in der Heißpreßvorrichtung unter einem Druck von 100 MPa und
einer Temperatur von 550°C kompaktiert und nach einer Haltezeit von 20 Minuten
entlastet und ausgebaut. Das anschließende Aufschäumen der Probe erfolgte
durch Erwärmung der Probe in einem auf 800°C vorgeheizten Laborofen und
führte zu einem Schaum der Dichte 0,6 g/cm³.
Eine Pulvermischung aus Reinaluminiumpulver und 1,5 Gewichtsprozent Natriumbicarbonat
(NaHCO₃) wurde in eine Heißpreßvorrichtung gefüllt und unter einem
Druck von 150 MPa auf eine Temperatur von 500°C erwärmt. Nach einer Haltezeit
von 20 Minuten wurde die Probe ausgebaut und in einem auf 850°C vorgeheizten
Ofen aufgeschäumt. Die Dichte des entstandenen Aluminiumschaums lag bei 1,3
g/cm³.
Eine Pulvermischung aus Reinaluminiumpulver und 2 Gewichtsprozent Aluminiumhydroxid
wurde in die Heißpreßvorrichtung gefüllt und unter einem Druck von 150
MPa auf eine Temperatur von 500°C erwärmt. Nach einer Haltezeit von 25 Minuten
wurde die Probe ausgebaut und in einem auf 850°C vorgeheizten Ofen aufgeschäumt.
Die Dichte des entstandenen Aluminiumschaums betrug 0,8 g/cm³.
Ein Bronzepulver der Zusammensetzung 60% Cu und 40% Sn wurde mit 1 Gewichtsprozent
Titanhydridpulver vermischt und diese Pulvermischung bei einer
Temperatur von 500°C und einem Druck von 100 MPa 30 Minuten lang kompaktiert.
Anschließend wurde die kompaktierte Probe in einem auf 800°C vorgeheizten
Ofen erwärmt und dadurch aufgeschäumt. Der resultierende Bronzeschaum hatte
eine Dichte von etwa 1,4 g/cm³.
Eine Mischung aus 70 Gewichtsprozent Kupferpulver und 30 Gewichtsprozent
Aluminiumpulver wurde mit 1 Gewichtsprozent Titanhydrid und diese
Pulvermischung bei einer Temperatur von 500°C und einem Druck von 100 MPa 20
Minuten lang kompaktiert. Anschließend wurde die kompaktierte Probe in einem
auf 950°C vorgeheizten Ofen erwärmt und dadurch aufgeschäumt. Die Dichte dieser
geschäumten Kupferlegierung lag unter 1 g/cm³.
Eine Pulvermischung aus Aluminiumpulver und 0,4 Gewichtsprozent Titanhydridpulver
wurde auf eine Temperatur von 350°C erwärmt. Anschließend wurde diese
erwärmte Pulvermischung in 3 Stichen gesalzt.
Als Ergebnis lag ein Blech vor, welches an ruhender Luft abgekühlt wurde. Aus
diesem Blech wurden Abschnitte der Abmessung 100 m × 100 mm herausgetrennt,
wobei die rißbehafteten Randbereiche entfernt wurden. Das Aufschäumen dieser
Abschnitte erfolgte frei in einem auf 850°C vorgewärmten Ofen und führte zu Dichtewerten
von ca. 0,8 g/cm³. In einer Abwandlung des Verfahrens wurde nach dem
ersten Stich eine Zwischenwärmung für 15 Minuten bei 400°C durchgeführt. Durch
diese Zwischenwärmung konnte das Auftreten der Kantenrisse weitgehend
vermieden werden.
Versuche zur Herstellung von Nickelschaum haben bereits zu ersten
brauchbaren Ergebnissen geführt.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Fig. 1
und 2 dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 das Herstellen eines aufschäumbaren Integralmetallkörpers in einer
Form,
Fig. 2 das Herstellungsverfahren eines aufschäumbaren Integralmetallkörpers
durch Strangpressen.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird in eine Heißpreßvorrichtung 1 eine Schicht 2 aus
treibmittelfreiem Metallpulver eingefüllt, anschließend eine Schicht aus treibmittelhaltigem
Metallpulver 3 und schließlich wiederum eine Schicht 2′ aus treibmittelfreiem
Metallpulver. Nach Durchführung des erfindungsgemäßen Kompaktierungsverfahrens
wird ein Preßling 4 erhalten, welcher gegebenenfalls zu einem weiteren
Körper 5 umgeformt werden kann. Dieser Körper kann anschließend auch zu einem
Körper 6 aufgeschäumt werden. Dabei bilden die treibmittelfreien Metallschichten
jeweils eine feste, wenig poröse Bodenschicht 7 bzw. Deckschicht 8,
zwischen denen sich eine hochporöse Metallschaumschicht 9 befindet.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Integralschäumen ist in Fig. 2 dargestellt.
Hier wird die Öffnung 10 eines Strangpreßwerkzeuges 11 zunächst durch
eine Scheibe aus massivem Metall 12 abgedeckt. Anschließend wird der
Preßraum des Werkzeuges mit treibmittelhaltigem Metallpulver 13 gefüllt und die
Pulvermischung unter einen Druck von etwa 60 MPa gesetzt. Durch Aufheizen des
Werkzeuges mitsamt der Pulvermischung 13 wird die letztere verdichtet. Danach
wird der Preßdruck so weit erhöht, daß der zentrale Bereich der Metallplatte
12, welche die Öffnung 10 des Werkzeuges verschweißt, durch diese Öffnung 10
hindurchfließt und diese so freigibt. Im weiteren Verlauf des Preßvorganges wird
das aufschäumbare Halbzeug 14 gemeinsam mit dem Massivmaterial 12 durch die
Öffnung 10 gepreßt, wobei das Massivmaterial 12 den aufschäumbaren Körper in
Form einer äußeren Schicht 13 umschließt. Nach dem Aufschäumen dieses Verbundkörpers
umgibt eine wenig poröse Schicht einen Kern aus hochporösem geschäumten Metall.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung aufschäumbarer Metallkörper, bei dem eine Mischung
aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden
Treibmittelpulver hergestellt und zu einem Halbzeug heißkompaktiert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Heißkompaktierung bei einer Temperatur,
bei der die Verbindung der Metallpulverteilchen überwiegend durch
Diffusion erfolgt, und bei einem Druck stattfindet, der hoch genug ist, um die Zersetzung
des Treibmittels zu verhindern derart, daß die Metallteilchen sich in einer festen
Verbindung untereinander befinden und einen gasdichten Abschluß für die
Gasteilchen des Treibmittels darstellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur
beim Heißkompaktieren oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels
liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung
des Heißkompaktierens die Wärme- und Druckeinwirkung
gleichzeitig aufgehoben werden und die vollständige Abkühlung
des metallischen Körpers ohne Druckeinwirkung erfolgt.
4. Verfahren zur Herstellung aufschäumbarer Metallkörper, bei dem eine Mischung
aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden
Treibmittelpulver hergestellt wird, gekennzeichnet durch das Walzen dieser Mischung
bei erhöhter Temperatur und bei einem Druck, der hoch genug ist, um
die Zersetzung des Treibmittels zu verhindern derart, daß die Metallteilchen sich
in einer festen Verbindung untereinander befinden und einen gasdichten Abschluß
für die Gasteilchen des Treibmittels darstellen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Walztemperatur
bei den Materialien Aluminium und Titanhydrid 350°C bis 400°C beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Pulvermischung Verstärkungskomponenten, insbesondere hochfeste Fasern
auf keramischer Basis oder Keramikpartikel, beigemischt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schritt des
Heißkompaktierens sich ein Verfahrensschritt anschließt, bei dem die
Verstärkungskomponenten in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet werden.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Treibmittelpulver mit
unterschiedlichen Zersetzungstemperaturen verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißkompaktieren
in einer Form erfolgt, wobei die Pulvermischung ganz oder teilweise
durch ein treibmittelfreies Metall oder Metallpulver umgeben ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißkompaktieren
durch Strangpressen erfolgt, wobei der Pulvermischung ein
treibmittelfreies Metallstück vorgelagert ist.
11. Verwendung des im Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen
Ansprüche hergestellten metallischen Körpers zur Herstellung eines
porösen Metallkörpers durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der
Zersetzungstemperatur des Treibmittels und anschließendes Abkühlen des so
aufgeschäumten Körpers.
12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheiztemperatur
im Temperaturbereich des Schmelzpunktes des verwendeten Metalles
bzw. im Solidus-Liquidus-Intervall der verwendeten Legierung liegt.
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