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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff aus einer Legierung, welcher bevorzugte mechanische Eigenschaften aufweist und dabei insbesondere durch additive Fertigung verarbeitet werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Bauteil, das aus einem derartigen Werkstoff geformt ist.
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Stand der Technik
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Legierungen für Bauteile mit guten mechanischen Eigenschaften sind weit verbreitet und oftmals erwünscht. Problematisch kann es sein, eine geeignete Legierung zu erhalten, die nicht nur die gewünschten mechanischen Eigenschaften aufweist, sondern die auch durch bevorzugte Verfahren prozessierbar ist, um so Bauteile zu erzeugen. Insbesondere kann es eine Herausforderung sein, einen Werkstoff beziehungsweise eine Legierung bereitzustellen, welche durch additive Fertigungsverfahren verarbeitet werden kann.
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Das Dokument
DE 10 2013 010 771 A1 , beispielsweise, beschreibt ein generatives Fertigungsverfahren. Um ein generatives Fertigungsverfahren erfolgreich im Dauerbetrieb durchführen zu können, offenbart dieses Dokument eine Schutzvorrichtung zur Verwendung in einem generativen Fertigungsverfahren. Bezüglich des zu verarbeitenden Materials offenbart dieses Dokument grundsätzlich Metallpulver oder Kunststoffpulver.
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Aus Stiff, light, strong and ductile: nano-structured High Modulus Steel, H. Springer et al., Nature, Scientific Reports, 7:2757, DOI:10.1038/s41598-017-02861-3 ist ferner ein Stahl bekannt, der gute mechanische und physikalische Eigenschaften aufweisen soll. Ein derartiger Stahl ist eine Legierung, die ein Fe-TiB2 - Kompositmaterial ist, wobei bei einem Anteil von 6,38 Gew.-% Titan und 2,4 Gew.-% Bor ein Anteil von 13 Vol.-% TiB2 in einer ferritischen Eisenmatrix vorgesehen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff, der zum Herstellen eines Bauteils mittels additiver Fertigung geeignet ist. Bei einem hier beschriebenen Werkstoff ist es vorgesehen, dass dieser eine Legierung aufweist, beispielsweise aus einer Legierung besteht. Die Legierung weist die folgenden Legierungsbestandteile in den folgenden Anteilen auf:
- - Kohlenstoff in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 2,0 Gew.-%;
- - Stickstoff in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 1,0 Gew.-%;
- - Chrom in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 20,0 Gew.-%;
- - Bor in einem Bereich von größer oder gleich 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich 5 Gew.-%,
- - gegebenenfalls Molybdän in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Nickel in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 20,0 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Mangan in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10,0 Gew.-%; bevorzugt in einem Bereich von größer oder gleich 0,25 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10,0 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Cobalt in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 20 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Aluminium in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 20 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Titan in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Vanadium in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Niob in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10 Gew.-%; wobei
der Rest durch Eisen und durch unvermeidliche Verunreinigungen gebildet ist.
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Die unvermeidlichen Verunreinigungen können etwa stahltypische Begleitelemente umfassen. Insbesondere können die unvermeidlichen Verunreinigungen somit von der Herstellung des Stahls herrühren und/oder in einem Anteil von kleiner oder gleich 5 Gew.-%, etwa von kleiner oder gleich 2 Gew.-% vorliegen. Die unvermeidlichen Verunreinigungen können etwa Sauerstoff, Schwefel, Phosphor, Silizium und/oder Kupfer umfassen.
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Ein vorstehend beschriebener Werkstoff erlaubt in überraschender Weise die Herstellung eines Bauteils mit guten mechanischen Eigenschaften und ist dabei sehr gut prozessierbar mittels additiver Fertigung.
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Insbesondere kann es durch die vorstehend beschriebene Legierung ermöglicht werden, dass der Werkstoff durch eine Fe-Basis Legierung, beziehungsweise durch eine Legierung mit Eisen als Basiswerkstoff, gebildet ist. Dabei wird es ferner möglich, die Legierung derart auszugestalten, dass diese im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Legierungen einen vergleichsweise hohen Borgehalt aufweist.
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Durch den hohen Borgehalt werden mechanische Eigenschaften des Werkstoffs beziehungsweise eines aus diesem geformten Bauteils ermöglicht, die sich insbesondere durch einen verbesserten Verschleißwiderstand und eine verbesserte Festigkeit auszeichnen. Dies kann somit einer besonders hohen mechanischen Stabilität dienen, was eine hohe Langzeitstabilität ermöglichen kann.
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Letztere kann ferner dadurch weiter verbessert werden, dass es sich in überraschender Weise gezeigt hat, dass der Werkstoff beziehungsweise ein hieraus gefertigtes Bauteil eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit und Warmfestigkeit aufweist. Dies kann ferner eine besonders hohe Anwendungsbreite für den Werkstoff beziehungsweise für ein hieraus gefertigtes Bauteil ermöglichen.
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Insbesondere können die vorstehend beschriebenen oftmals insbesondere für Stahl erzielbaren Vorteile, wie insbesondere Verschleißbeständigkeit und Warmfestigkeit, durch homogen und fein verteilte Boride erreicht werden. Die Boride liegen aufgrund des Anteils an Bor als Legierungspartner vor. Diese Boridphasen können auch als Hartphase bezeichnet werden.
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Zusätzlich zu den vorstehend genannten besonders vorteilhaften mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs beziehungsweise eines hieraus gefertigten Bauteils kann der Werkstoff durch das Vorsehen der Legierung als Bestandteil in überraschender Weise eine vorteilhafte Prozessierung ermöglichen. In anderen Worten kann es ermöglicht werden, dass der Werkstoff in geeigneter Weise zu einem Bauteil geformt wird. Insbesondere kann eine Prozessierbarkeit mittels additiver Verfahren beziehungsweise mittels additiver Fertigung erfolgen. Beispielsweise kann es ermöglicht werden, dass eine Prozessierbarkeit mittels additiver Techniken bei moderaten Bedingungen erfolgen kann und ferner bereits eine endkonturentsprechende oder endkonturnahe Bauteilfertigung ermöglicht werden kann.
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Dies hat signifikante Vorteile vor dem Hintergrund des bekannten Stands der Technik. Zum einen können durch additive Fertigung auch komplexe Strukturen einfach geformt werden, so dass eine besonders breite Anwendbarkeit gegeben ist.
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Darüber hinaus hat im Vergleich zu einem additiven Verfahren beispielsweise die aus dem Stand der Technik bekannte pulvermetallurgische Stahlroute für hochkarbidhaltige Stähle den Nachteil einer Vergröberung von Karbiden als Hartphase. Schmelzmetallurgisch sind Stähle mit Karbiden als Hartphase nur bedingt prozessierbar, beispielsweise durch Entmischungen, Steigerungen oder Phasenvergröberungen. Weiterhin sind herkömmliche Stähle mit einem hohen Kohlenstoffgehalt, wie etwa von >0,4 Gew% aufgrund von Heißrissbildung nur schwierig mittels additiven Verfahren, wie etwa SLM (selektivem Laserschmelzen) verarbeitbar. Diese Nachteile aus dem Stand der Technik können durch den Kohlenstoffgehalt der Legierung des hier beschriebenen Werkstoffs gerade verhindert werden.
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Konventionelle Stähle mit hohem Borgehalt sind gleichfalls schmelzmetallurgisch schwer herstellbar und schwer zu Halbzeug verarbeitbar. Durch Verfahren der Pulverherstellung, z. B. durch Verdüsen kann ein Pulver mit feinen, gleichmäßig verteilten Boriden erzeugt und mittels generativer Verfahren prozessiert werden. Im Detail entstehen bei konventioneller schmelzmetallurgischer Herstellung derartiger Legierungen grobe spröde Boride, die sich lokal anreichern können und eine anschließende Halbzeugherstellung z. B. durch Walzen stark behindern. Bei dem Verdüsen werden zuerst aus der Schmelze feine Tröpfchen erzeugt, die erst bei der anschließenden raschen Erstarrung zu feinen, gleichmäßig verteilten Boriden führen und problemlos weiter verarbeitet werden können.
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Im Gegensatz zu den vorbeschriebenen herkömmlichen Stählen mit hohem Kohlenstoffanteil sind Stähle mit einem vergleichsweise hohen Boranteil zur Bildung von Hartphasen mit additiven Verfahren endkonturnah prozessierbar und führen aufgrund des geringen Schmelzvolumens und der extrem hohen Abkühlgeschwindigkeiten zu einer feinen, homogenen Verteilung von Boriden, was Bauteile mit homogenen Eigenschaften ermöglichen kann.
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Derartige hochborhaltige Stähle, insbesondere auf Eisen basierende Legierungen, wie diese vorstehend beschrieben sind, mit Boriden als Hartphase sind im Stand der Technik nicht bekannt. Diese sind wie vorstehend beschrieben für additive Verfahren sehr gut geeignet.
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Je nach gewählter Zusammensetzung kann der fertig prozessierte Werkstoff in Kombination des hohen Borgehalts mit den anderen Legierungselementen unterschiedliche Werkstoffstrukturen aufweisen. Dadurch werden werkstofftechnische Möglichkeiten geboten, die mit anderen Verfahren und Werkstoffen nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand darstellbar sind. Beispielsweise ist dadurch eine nicht magnetisierbare austenitische Matrix mit hohem Hartstoffanteil (Boride) möglich, wodurch der Werkstoff hochfest und verschleißbeständig wird. Eine weitere Möglichkeit ist die Kombination von überwiegend martensitischer Matrix und Boriden, die zu einer extrem hohen Verschleißbeständigkeit führt.
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Besonders bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass der Werkstoff eine Legierung aufweist, die die folgenden Legierungsbestandteile in den folgenden Anteilen aufweist:
- - Kohlenstoff in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,3 Gew.-%;
- - Stickstoff in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,3 Gew.-%;
- - Chrom in einem Bereich von größer oder gleich 13 Gew.-% bis kleiner oder gleich 20 Gew.-%;
- - Bor in einem Bereich von größer oder gleich 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich 2 Gew.-%;
- - Molybdän in einem Bereich von größer oder gleich 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 3 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Nickel in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 20,0 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Mangan in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10,0 Gew.-%; bevorzugt in einem Bereich von größer als 0,25 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10,0 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Cobalt in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 20 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Aluminium in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 20 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Titan in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Vanadium in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10 Gew.-%;
- - gegebenenfalls Niob in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 10 Gew.-%; wobei
der Rest durch Eisen und durch unvermeidliche Verunreinigungen gebildet ist.
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Insbesondere können die unvermeidlichen Verunreinigungen wiederum von der Herstellung des Stahls herrühren und/oder in einem Anteil von kleiner oder gleich 5 Gew.-%, etwa von kleiner oder gleich 2 Gew.-% vorliegen. Die unvermeidlichen Verunreinigungen können etwa Sauerstoff, Schwefel, Phosphor, Silizium und/oder Kupfer umfassen.
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In dieser Ausgestaltung können die vorstehend beschriebenen Vorteile besonders effektiv ermöglicht werden.
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Beispielsweise kann der Werkstoff eine Legierung aufweisen, die die folgenden Legierungsbestandteile in den folgenden Anteilen aufweist:
- - Kohlenstoff in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,3 Gew.-%;
- - Stickstoff in einem Bereich von größer als 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich 0,3 Gew.-%;
- - Chrom in einem Bereich von größer oder gleich 13 Gew.-% bis kleiner oder gleich 20 Gew.-%;
- - Bor in einem Bereich von größer oder gleich 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich 2 Gew.-%;
- - Molybdän in einem Bereich von größer oder gleich 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 3 Gew.-%; wobei
der Rest durch Eisen und durch unvermeidliche Verunreinigungen gebildet ist.
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Insbesondere können die unvermeidlichen Verunreinigungen wiederum von der Herstellung des Stahls herrühren und/oder in einem Anteil von kleiner oder gleich 5 Gew.-%, etwa von kleiner oder gleich 2 Gew.-% vorliegen. Die unvermeidlichen Verunreinigungen können etwa Sauerstoff, Schwefel, Phosphor, Silizium, Cobalt, Nickel, Aluminium und/oder Kupfer umfassen.
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Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass der Werkstoff in als Pulver vorliegt. Wenn der Werkstoff in einer Pulverform beziehungsweise als Pulver vorliegt, kann der Werkstoff besonders bevorzugt für ein additives Verfahren geeignet sein. Bezüglich des Pulvers, als welches der Werkstoff vorliegt, kann es besonders bevorzugt sein, dass dieses eine Partikelgröße d50 aufweist, die in einem Bereich vorliegt von größer oder gleich 10µm bis kleiner oder gleich 50µm. Die Pulvergröße kann dabei in an sich bekannter Weise bestimmbar sein durch Laserdiffraktometrie. Die Pulverpartikel können ferner sphärisch sein und/oder durch Gasverdüsung hergestellt.
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Somit kann der Werkstoff insbesondere in Pulverform und dabei bevorzugt in der vorbeschriebenen Partikelgröße für ein additives Verfahren, wie etwa selektives Laserschmelzen oder ein Elektronenstahlschmelzen (EBM), geeignet sein und dabei unmittelbar verwendet werden. Weitere Aufbereitungsschritte können so entfallen.
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Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass das Bor in der Legierung als Borid vorliegt. Dadurch kann insbesondere eine weitere Verschleißbeständigkeit ermöglicht werden, was die mechanische Stabilität dieses Stahls weiter verbessern kann.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Werkstoffs wird auf die Beschreibung des Bauteils, des Verfahrens und der Verwendung verwiesen, und umgekehrt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Verwendung eines Werkstoffs, wie dieser vorstehend beschrieben ist, zum Herstellen eines Bauteils mittels additiver Fertigung.
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Durch die Verwendung eines vorbeschriebenen Werkstoffs kann eine additive Fertigung problemlos möglich sein und gut auch bei moderaten Bedingungen handhabbar sein. Dies erlaubt das Ausbilden einer Vielzahl verschiedener Ausgestaltungen und dadurch eine besonders große Anwendungsbreite.
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Es kann ferner ein Bauteil erzeugt werden, das besonders gute mechanische Eigenschaften aufweist, wie insbesondere eine verbesserte Verschleißbeständigkeit und eine hohe Warmfestigkeit.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der Verwendung wird auf die Beschreibung des Werkstoffs, des Bauteils und des Verfahrens verwiesen und umgekehrt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Bauteil, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es zumindest teilweise aus einem Werkstoff ausgebildet ist, wie dieser vorstehend im Detail beschrieben ist. Beispielsweise kann das Bauteil aus dem zuvor beschriebenen Werkstoff bestehen.
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Ein derartiges Bauteil kann dadurch gekennzeichnet sein, dass es besonders gute mechanische Eigenschaften aufweist, wie insbesondere eine verbesserte Verschleißbeständigkeit und eine hohe Warmfestigkeit. Dies kann eine hohe Langzeitstabilität bei einer hohen Anwendungsbreite ermöglichen. Nicht beschränkende Beispiele umfassen etwa Bauteile für die Kraftstoff-Direkteinspritzung, wie etwa für die Benzin-Direkteinspritzung.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Bauteils wird auf die Beschreibung des Werkstoffs, der Verwendung und des Verfahrens verwiesen und umgekehrt.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, aufweisend die Verfahrensschritte
- a) Bereitstellen eines Werkstoffs, wie dieser vorstehend beschrieben ist; und
- b) Formen des Bauteils, wobei
Verfahrensschritt b) mittels additiver Fertigung erfolgt.
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Insbesondere durch das vorstehend beschriebene Verfahren lassen sich Bauteile formen, die besonders gute mechanische Eigenschaften aufweisen, wie insbesondere eine erhöhte Verschleißbeständigkeit und eine hohe Warmfestigkeit. Dies kann die Anwendbarkeit eines derartigen additiven Verfahrens unter Verwendung des oben beschriebenen Werkstoffs besonders groß gestalten.
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Darüber hinaus lassen sich durch die Verwendung der additiven Fertigung weitere signifikante Vorteile erzielen, wie dies vorstehend beschrieben ist.
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Mit Bezug auf den Verfahrensschritt a) und damit dem Bereitstellen eines Werkstoffs, wie dieser vorstehend beschrieben ist, so kann dieser auf herkömmliche Weise wie für Legierungen bekannt ausgestaltet werden.
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Beispielsweise wird auf die vorstehende Beschreibung betreffend das Pulververdüsen verwiesen.
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Beispielsweise kann der Werkstoff, der aus der Legierung bestehen kann, in Form eines Pulvers bereitgestellt werden. Dabei kann das Pulver etwa eine Partikelgröße D50 in einem Bereich von größer oder gleich 10µm bis kleiner oder gleich 50µm aufweisen. Dies kann für den Verfahrensschritt b) von besonderem Vorteil sein, da sich dieser insbesondere mit einem derartigen Pulver vorteilhaft ausführen lässt.
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Gemäß diesem Verfahrensschritt b) erfolgt das Formen des Bauteils, wobei Verfahrensschritt b) mittels additiver Fertigung erfolgt. Als spezifische additive Fertigung kann beispielsweise selektives Laserschmelzen (SLM) oder Elektronenstahlschmelzen (EBM) verwendet werden, wobei das additive Verfahren jedoch nicht hierauf beschränkt ist.
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Nach der generativen Fertigung kann eine zusätzliche Wärmebehandlung erfolgen, wie etwa ein Härten etwa mit einem Tiefkühlen und einem Anlassen.
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Es kann somit ein Härten des geformten Werkstoffs und dabei insbesondere des erzeugten Bauteils erfolgen. Beispielsweise kann das Härten eine Temperaturbehandlung umfassen und ein Tiefkühlen und/oder Anlassen. Somit kann es insbesondere vorgesehen sein, dass das Härten beziehungsweise dass Verfahrensschritt d) die folgenden Schritte umfasst: Erhitzen des Bauteils, Abschrecken des Bauteils und Anlassen des Bauteils.
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Beispielsweise kann ein erster Schritt des Härtens nämlich ein Erhitzen des Bauteils durch eine Temperaturbehandlung erfolgen, etwa indem der Werkstoff einer Temperaturbehandlung in einem Bereich von größer oder gleich 700°C bis kleiner oder gleich 1300°C beispielsweise von größer oder gleich 900°C bis kleiner oder gleich 1150°C für einen geeigneten Zeitraum von beispielsweise wenigstens 15 Minuten unterworfen wird. Geeignete Atmosphären umfassen hier beispielsweise Vakuum, Argon oder Stickstoff, In diesem Schritt erfolgt ein Austenitisieren des Werkstoffs beziehungsweise seines Gefüges.
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Das Abschrecken kann insbesondere erfolgen, wenn die Temperatur, beispielsweise bei einem zuvor durchgeführten Austenitisieren beziehungsweise einem zuvor durchgeführten Erhitzen, in einem Bereich von größer oder gleich 900°C bis kleiner oder gleich 1300°C liegt. Beispielhaft kann das zuvor verwendete Medium aufweisend oder bestehend aus Stickstoff, Argon und Helium zum Abschrecken verwendet werden. Der Abschreckdruck kann beispielsweise in einem Bereich zwischen größer oder gleich lbar bis kleiner oder gleich 40bar liegen. Bezüglich der bei dem Abschrecken zu wählenden Temperatur, so kann diese etwa in einem Bereich von größer oder gleich -273°C bis kleiner oder gleich +70°C liegen.
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Bei dem Abschrecken kann sich Martensit ausbilden, so dass der Werkstoff des Bauteils wie vorstehend beschrieben zumindest zu großen Teilen eine Struktur aufweist, die aus einer martensitischen Matrix mit eingelagerten Boriden besteht.
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Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass das Verfahren nach dem Abschrecken und vor dem Anlassen mit einer Temperatur von kleiner oder gleich -50°C behandelt wird, wobei diese Temperatur kälter sein sollte als die beim Abschrecken verwendete Temperatur. Dieser Schritt kann als Tiefkühlen beschrieben werden. Das Tiefkühlen führt zu einer Reduzierung des Restaustenitgehalts und damit auch zu einer Steigerung der Härte und Maßbeständigkeit.
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Nach dem Abschrecken beziehungsweise Tiefkühlen kann das Verfahren weiterhin ein Anlassen des Werkstoffs und insbesondere des Bauteils umfassen. Hierzu kann insbesondere das Bauteil erhitzt werden. Beispielhafte Temperaturbereiche für das Anlassen etwa in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 150°C bis kleiner oder gleich 600 °C.
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Nach dem Anlassen kann das Bauteil fertig gestellt sein.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Verfahrens wird auf die Beschreibung des Werkstoffs, des Bauteils und der Verwendung verwiesen und umgekehrt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013010771 A1 [0003]