Spray-formed Copper Alloys – Process and Industrial Applications

Hilmar R. Müller et al.: Spray-formed Copper Alloys – Process and Industrial Applications
Spray-formed Copper Alloys – Process and
Industrial Applications
Hilmar R. Müller, Robert Zauter
Spray forming is a fairly new method of manufacturing
metal semi-finished products. In this process, a melt is converted into solid state by the intermediate step of atomization. At the same time a compact preform is produced. The
preform is a billet which is further processed in conventional forming processes. Spray forming is a process in between powder metallurgy and continuous casting. Its main
advantage is the ability to produce materials which cannot
be cast or can only be cast with strong segregation. Materi-
als produced successfully by spray forming are high-tin
bronzes, aluminium bronzes and high-strength CuMnNi
alloys. These materials and their industrial applications are
presented.
Keywords:
Spray forming – Copper alloys – Aluminium bronze –
High-strength – High-alloyed
Sprühkompaktierte Kupferlegierungen – Verfahren und industrielle Anwendungen
Sprühkompaktieren ist eine noch junge Methode zur Herstellung von metallischen Halbzeugen. Dabei wird eine
Schmelze über den Zwischenschritt Zerstäubung in den
festen Zustand überführt und gleichzeitig eine kompakte
Vorform erzeugt. Diese Vorform ist ein Bolzen, der mit
konventionellen Umformverfahren weiterverarbeitet
wird. Sprühkompaktieren wird zwischen Pulvermetallurgie und Strangguß eingeordnet. Die Stärken liegen besonders bei der Herstellung von Werkstoffen, die nicht oder
nur sehr schwierig zu gießen sind, da sie zu starken Seige-
rungen neigen. Werkstoffe aus den Gruppen der hochlegierten Zinnbronzen, Aluminiumbronzen und hochfesten
CuMnNi-Legierungen haben inzwischen Anwendungen
in der Industrie gefunden. Werkstoffe und Anwendungsbeispiele werden vorgestellt.
Schlüsselwörter:
Sprühkompaktieren – Kupferlegierungen – Aluminiumbronze – Hochfest – Hochlegiert
Alliages de cuivre obtenus par compactage au spray – procédé et applications industrielles
Aleaciones de cobre por proyección compactada – Elaboración y aplicaciones industriales
Paper presented on the occasion of the meeting of the GDMB Experts Committee on Copper, March, 26 to 28, 2003, in
Antwerp/Olen.
Compared with other forming processes, such as continuous casting, spray forming is a fairly new method of manufacturing semi-finished products. In this process, a metal
melt is converted into solid state by the intermediate step
of atomization. Already in the early fifties, some proposals
were published for atomizing metal, collecting it on a
substrate and solidifying it [1]. The current method of
spray forming is based on developments by Professor
SINGER, Wales/UK [2]. At the beginning of the seventies,
initial publications and patents came out. Efforts were
focussed on the production of strip directly from the melt
[3]. As a result of these activities at the University of
Swansea, the company Osprey Metals was founded dealing with the development and marketing of the spray
forming process. They give licenses to manufacturers of
plants and users in the steel, aluminium- and copper-alloy industry. The atomization in droplets and the subsequent fast cooling with rapid solidification opens up new
opportunities for the production of materials which, up
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to now, could not be produced or produced only with
strong segregation.
1
The spray-forming process
1.1
Classification of the process
The designation spray casting, which is also used, indicates
that the process can be associated neither with powder metallurgy nor with classical casting methods. While the casting
process deals with the production of semi-finished products
made of castable alloys and powder metallurgy with the production of semi-finished or finished products made of powders of special alloys, spray forming is a combination of both.
Main applications are the production of semis made of
•
•
•
•
materials not castable or castable only with difficulty
high-alloy materials
strongly segregating materials
composite materials (metal matrix composites).
641
Tadeusz J. Karwan et al.: A New Cu-Fe Alloy with High Iron Content
A New Cu-Fe Alloy with High Iron Content
.
Tadeusz J. Karwan, Janusz Król, Stanislaw Księzarek
On the basis of the results obtained while studying the
new method of making Cu-Fe alloy, two technological options were developed. With both of them the Cu-Fe alloys
were produced containing 10 wt.%, 20 wt.% and 30 wt.%
Fe. These alloys show a specific tendency to segregate. The
progress of the solidification process was very carefully
observed in order to avoid differences in the chemical
composition within the cross section. Such differences, if
appearing, could exclude the new alloy to be applied as a
master alloy for manufacturing other alloys of a definite
chemical composition. Therefore, the Cu-Fe alloy was
melted in the induction furnace with increased frequency.
The ingots of the Cu-Fe alloys (CuFe10, CuFe20 and
CuFe30) that were produced using the two technological
options, have a homogeneous structure along their cross
sections. This fact is proof that the alloy melting process
parameters were properly determined and fixed. The presence of solid solutions of Cu(Fe) and Fe(Cu) were determined by X-ray phase analysis, scanning electron and light
microscopy methods.
Keywords:
Alloy – Copper – Iron – Structure – Vacuum furnace
Neue Cu-Fe-Legierung mit hohem Eisengehalt
Für die neue Methode zur Herstellung von Cu-Fe-Legierungen wurden zwei technologische Prozesse entwickelt.
Diese beiden Prozesse wurden zur Herstellung von CuFe-Legierungen mit Eisengehalten von 10 Gew.-%,
20 Gew.-% und 30 Gew.-% angewendet. Diese Legierungen zeigen eine große Tendenz zur Segregation. Der Ablauf des Erstarrungs-prozesses wurde genau beobachtet,
um Inhomogenitäten der chemischen Zusammensetzung
im Querschnitt der Gußbarren zu vermeiden. Solche Inhomogenitäten schließen die neue Legierung als Vorlegierung zur Herstellung von Legierungen anderer Zusammensetzung aus. Die Cu-Fe-Legierungen wurden im
Induktionsofen mit erhöhter Frequenz geschmolzen.
Durch Anwendung der beiden Technologien wurden aus
den Cu-Fe-Legierungen (Cu-Fe10, Cu-Fe20 und Cu-Fe30)
Barren gegossen. Alle weisen über den Querschnitt eine
homogene Struktur auf. Das ist der Nachweis für die Richtigkeit der Schmelzparameter zur Herstellung der Legierungen. Die Anwesenheit der Mischkristallphasen Cu(Fe)
und Fe(Cu) wurde mit Röntgenphasenanalyse, rasterelektronen- und lichtmikroskopischen Methoden bestimmt.
Schlüsselwörter:
Legierung – Kupfer – Eisen – Struktur – Vakuumofen
Un alliage nouveau Cu-Fe à haut contenu de fer
Una aleación Cu-Fe nueva de alto contenido de hierro
Cu-Fe alloy is a material, which is more and more extensively applied in industry. Firstly, it is utilized as a master
alloy to produce new copper alloys for very special purposes. This alloy shows a very specific equilibrium state [1],
thus, it is necessary to determine the proper parameters of
the melting process that depend on the chemical composition of the Cu-Fe system, and on the physical and chemical
properties of copper and iron (Figure 1).
Prior to commencing the alloy melting process, the equilibrium state of the Cu-Fe system was analyzed; within this
equilibrium state, characteristic areas with a limited solubility in the liquid and solid phases are present.
results received from thermodynamic computations [4].
The copper solubility in iron is particularly high at the high
temperatures, both in the δ-Fe (up to 6.7 at.%) [5] and in
the γ-Fe (up to 12 at.% Cu at 1410 °C) areas. However, in
the range of low temperatures, i.e. in the area of α-Fe, the
copper solubility significantly drops (to 1.88 at.% Cu at
the eutectoid temperature of 850 °C [6]). In the liquid
phase, the process of generating the miscibility gap depends on the content of impurities (C, Si) [7, 8], as well as
on other metal additives, for example Al, Ni, Pb or Sn that
produce no segregation if contained in small amounts (not
exceeding 1 at.%) [6].
The copper-iron phase equilibrium state [1] was developed
on the basis of experimental data obtained and reported
by many investigators [2, 3]. It was also supported by the
The maximum solubility rate of iron in copper is lower (if
compared with the solubility rate of copper in iron), and at
the peritectic temperature (1096 °C), the amount is as high
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649
Bernd Friedrich et al.: Aluminium foam – Production, Properties and Recycling Possibilities
Aluminium foam – Production, Properties
and Recycling Possibilities
Bernd Friedrich, Katherina Jessen, Georg Rombach
Since some years aluminium foams become popular because of their properties high stiffness combined with a
very low density. Several applications such as have already
been found (e.g. for energy absorption in door panels or as
bumpers) and many more are currently investigated. –
Parallel to the growing demand for aluminium foams the
development of suitable recycling processes is required
due to economical and ecological reasons. In a cooperation project, funded by BMBF, a recycling concept has
been developed by IME Process Metallurgy and Metal
Recycling, RWTH Aachen and Hydro Aluminium Deutschland GmbH, R&D Bonn. Commercially available
foams are characterized regarding to their composition,
structure and the presence of foaming agents. The foam
scrap is molten under conventional salt using various
amounts and compositions, as well as different agitation
conditions. The results show that the high specific surface
area, related to increased aluminium oxide contents in
foam scraps does not have negative impact in respect to
the aluminium yield. But the regained material can be added to common recycling processes only in small amounts,
as special attention has to be paid to the hydrogen and
titanium content in the melt.
Keywords:
Aluminium foam – Production – Recycling – Purification
– Salt treatment
Aluminiumschaum – Produktion, Eigenschaften und Recyclingmöglichkeiten
Aufgrund der Eigenschaften von Aluminiumschaum, wie
z.B. eine hohe Festigkeit, verbunden mit einer sehr geringen Dichte, wächst seit einigen Jahren seine Verbreitung.
Verschiedene Anwendungen, z.B. als Füllmaterial in Stoßdämpfern oder Schalldämpfern, wurden bereits gefunden
und weitere werden in den nächsten Jahren folgen. – Parallel zur steigenden Nachfrage ist die Entwicklung geeigneter Recyclingkonzepte für Aluminiumschäume aus ökologischen und ökonomischen Gründen notwendig. In
einem Forschungsprojekt, das vom Bundesministerium für
Bildung und Forschung gefördert wird, wurde vom IME
Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling,
RWTH Aachen und der Hydro Aluminium Deutschland
GmbH, R&D Bonn, ein solches Recyclingkonzept entwikkelt. Kommerziell erhältliche Schäume werden bezüglich
ihrer Zusammensetzung, ihrer Struktur und der Gehalte
an Aufschäummitteln charakterisiert. Der Schaumschrott
wird in einem Salzschmelzprozeß behandelt. Parameter
sind hierbei die Salzzusammensetzung und -menge sowie
die Rührbedingungen. Die Ergebnisse zeigen, daß der erhöhte Aluminiumoxidgehalt in den Schäumen, der auf die
große spezifische Oberfläche zurückzuführen ist, keine
negativen Auswirkungen auf die Metallausbeute hat. Dennoch kann das gewonnene Material nur in geringen Mengen in den konventionellen Aluminiumrecyclingprozeß
eingebracht werden. Besondere Aufmerksamkeit muß
hier dem erhöhten Titangehalt im Aluminium gezollt werden.
Schlüsselwörter:
Aluminiumschaum – Produktion – Recycling – Metallreinigung – Salzbehandlung
Mousse d’aluminium – production, qualités et possibilités de recyclage
Espuma de aluminio – producción, características y posibilidades de reciclaje
The basis of this publication forms a lecture that was held at the OEA Congress, 18th March 2003 in Munich.
In aerospace as well as in the automotive industry light
materials are used in order to reduce weight and thereby
fuel consumption. These materials are often utilized in
form of light metals. But even as alloys they often have
insufficient mechanical properties like strength. This resulted in the development of new materials combining the
required properties with low density. A recent outcome of
materials research is aluminium foam that is stiff and ultra
light because of its porous structure. The use of foamed
656
aluminium has big advantage in large sandwich constructions and in the stiffening of hollow aluminium profiles or
sometimes even steel profiles. Other application possibilities are present in the automobile and construction industry and in aerospace industry.
It can be expected that the demand for such materials will
grow also in other sectors as soon as the production and
processing costs can be reduced. Parallel to the growing
demand the development of suitable recycling concepts is
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Reinhard Knappik et al.: Beschaffenheitsprognose von Flutungswasser aus Sicht der Datenakquisition
Beschaffenheitsprognose von Flutungswasser
aus Sicht der Datenakquisition
Reinhard Knappik, Kersti Fleischer
Zur Abschätzung der entstehenden Gefährdung für
Mensch und Umwelt durch eine Grubenflutung sowie zu
deren Minimierung, z.B. durch Maßnahmen zur Wasserreinigung, werden Modelle benötigt, mit denen der Zustand des Flutungswassers (FW) erfaßt und wesentliche
chemisch-physikalische Zustandsänderungen hinreichend
prognostiziert werden können. Für die Entwicklung solcher Modelle sowie für deren Datenbasis werden Resultate z.B. aus Untersuchungen vor Ort, im Labor und oft aus
großskaligen Feldversuchen benötigt. In diesem Beitrag
wird auf die Datenakquisition durch Vor-Ort- und Labor-
untersuchungen zur Charakterisierung des chemischen
Systems eingegangen sowie am Beispiel der Ermittlung
der Partikelgrößenverteilung von Festphasen im FW vor
Ort und der partiellen Charakterisierung von organischen
Bestandteilen durch Bestimmung der Humin- und Fulvosäuregehalte im Labor erhaltene Ergebnisse diskutiert.
Schlüsselwörter:
Grubenflutung – Filtration – Vor-Ort-Messungen – Radionuklide – Huminstoffe
Water Quality Prediction from a Data Acquisition Perspective
For the assessment of the resulting risk for men and environment caused by mine flooding, as well as for minimizing the risk, for instance by water treatment, models are
necessary for recording the state of flooding water and
forecasting adequately essential changes of the chemical
and physical state. To develop such models and to acquire
input data results from on-site experiments, in laboratory,
and from large-scale field tests are required. This paper
concerns with data acquisition by on-site investigations
and in the laboratory for the description of the chemical
system. Especially the investigation of particle size distribution in the flooding water at the face in mine and the
partial characterization of organic components by analysing the contents of humic and fulvic acids in the laboratory
are discussed.
Keywords:
Pit flooding – Filtration – On site measurements – Radionuclides – Humic substances
Le pronostic de la qualité de l’eau – sous l’angle de l’acquisition de données
Pronóstico de la composición desde el punto de vista de la adquisición de datos
Zur Entwicklung und Verifizierung von Modellen zur Erfassung und Prognose der Wasserbeschaffenheit in gefluteten Grubengebäuden ist es notwendig, die wesentlichen
Transportvorgänge und chemisch/biologischen Reaktionsabläufe zu erkennen und notwendige Parameter zu bestimmen. Dazu werden Ergebnisse verschiedener Fachrichtungen wie z.B. Physik, Chemie, Hydrologie und Geologie benötigt, die in ihrer Gesamtheit verarbeitet werden
müssen. Als Datenquellen werden neben betriebsinternen
und anderweitig zugänglichen Dokumenten Resultate aus
gezielten Untersuchungen (vor Ort, im Labor und von
großskaligen Feldversuchen) genutzt. Bei der Durchführung solcher Untersuchungen sind bestehende Randbedingungen (z.B. finanzielle Mittel, verfügbare Untersuchungszeit, technische Möglichkeiten vor Ort) rechtzeitig
und gebührend zu beachten sowie günstige Kompromisse
zu finden. Sich zuerst auf das Unikale jeder Grubenflutung zu konzentrieren ist von Vorteil.
ERZMETALL 56 (2003) Nr. 11
Zur Charakterisierung des chemischen Systems werden
in der Regel die Parameter Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, pH-Wert, Redoxpotential und Sauerstoffgehalt für Zulauf- und Flutungswässer vor Ort erfaßt.
Spezielle elektrochemische Untersuchungen von Flutungswässern (FW) ergaben, daß für die beiden letztgenannten Parameter bei geringen Sauerstoffgehalten und
intermediärem bis reduzierendem Milieu die im Feld erhaltenen Meßdaten aufgrund potentiell größerer Fehlerbehaftung stets kritisch zu hinterfragen sind. So ist es beispielsweise möglich, daß das gemessene Mischpotential
den wahren Redoxzustand des chemischen Systems nicht
richtig wiedergibt oder die Dauer der Einstellzeit des
Redoxpotentials unterschätzt wird. Als Vor-Ort-Messung sind bei entsprechendem Stoffsystem weiterhin die
Bestimmung des Gehaltes von Fe(II)/Fe(ges) sowie die
Erfassung des Kohlensäure-Gleichgewichtes empfehlenswert.
661
Ashour Owais et al.: Packed Bed Electrolysis for Production of Copper Powder
Packed Bed Electrolysis for Production
of Copper Powder
Ashour Owais, Bernd Friedrich
The electrolytic refining of pre-processed electronic scrap
using the packed-bed electrolysis technology in both
bench and semi-pilot scales for production of copper powder were concerned in this paper. The process applied the
actual industrial conditions as close as possible to the conventional electrolytic refining of copper anode plates employing a titanium basket to support and supply the applied current to anode particulates. The results obtained
showed that the produced copper powder has a quality of
about 98 % Cu with about 1.5 % Sn as a main alloying
element, with cathodic current efficiency of about 80 %
and specific power demand from 0.4 to 0.5 kWh/kg.
Keywords:
Packed bed electrolysis – Electronic scrap – Electrolytic
copper powder
Granulatelektrolyse für die Herstellung von Kupferpulver
Ziel dieser Arbeit ist die elektrolytische Raffination von
Elektronikschrott durch eine Granulatelektrolyse in einer
Labor- und Halb-Pilot-Maßstab-Elektrolysezelle unter
den gleichen Bedingungen wie in einer konventionellen
Kupferraffinationselektrolyse. Als Anode wurde ein aus
Titan gefertigter Korb benutzt, der die Granalien enthält
und der Stromzuführung dient. Es wurde Kupferpulver
mit einer Reinheit (im Mittelwert) von 98 % Cu und
~ 1,5 % Sn bei einer kathodischen Stromdichte von 80 %
und einem spezifischen Energiebedarf von 0,4 bis
0,5 kWh/kg produziert.
Schlüsselwörter:
Fest-Bett-Elektrolyse – Elektronikschrott – Elektrolytisches Kupferpulver
Electrolyse de granulés pour la production de cuivre en poudre
Packed bed electrolysis para la producción de polvo de cobre
Copper powder has many industrial applications especially in the fields of abrasive wheels, agriculture, aerospace,
automotive, building and construction, chemicals, coatings,
coins, medals, medallions, electrical and electronics, joining, lubricants, machining, office equipments etc.
In general powder metallurgy has some basic advantages
which can be summarized as follows:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
metal powders are high purity materials
close dimensional tolerances can be maintained
high volume process with excellent reproducibility
quality control is inherent in the process
low labour input
machining is eliminated or reduced
scrap losses are eliminated or reduced
segregation is avoided
controllable porosity and density can be precisely controlled
• combines immiscible metals
• complex shapes can be produced.
Granular copper powder can be produced by a number of
methods, the most important being atomization, electrolyERZMETALL 56 (2003) Nr. 11
sis, hydrometallurgy and solid state reduction. Each method yields a powder having certain inherent characteristics.
Electrolytic copper powder is produced by following principles used in electroplating with the conditions changed
to produce a loose powdery deposit rather than a smooth
adherently solid layer. The formation of powder deposits
that adhere loosely to the cathode is favoured by low copper ion concentration in the electrolyte, high acid concentration and high cathode current density. The starting material is pure cathode copper. Properties of the powder
depend on a number of variables including the concentration of sulfuric acid and copper sulfate, type and quantity
of the addition agent, temperature of the electrolyte and
the current density. After deposition, the powder is washed
to remove all traces of the electrolyte, annealed in a reducing atmosphere, fed to high velocity impact mills to break
up clusters, screened, classified and blended to the desired
particle size distribution. The properties are influenced
also by the temperature used in reducing the powder. The
typical properties of the produced copper powder from
different methods are shown in Table 1 and indicate that a
range of powders with different apparent densities and
high green strengths is obtained. [1]
666
Georg Unland: Die Technische Universität Bergakademie Freiberg
Die Technische Universität Bergakademie
Freiberg – Gestern, heute und in Zukunft
Bericht von Georg Unland
Anders als die meisten Universitäten entwickelte sich die
TU Bergakademie Freiberg in einem besonderen Spannungsfeld zwischen Innovation, Interdisziplinarität und
Internationalität. Von frühester Zeit an bis heute bestehen enge Beziehungen zum Freiberger Bergbau und zum
Sächsischen Oberbergamt. Wie sich diese Verbindungen
durchdringen, gegenseitig voranbringen und letztlich zum
Wohl der Stadt und ihrer Universität gestalteten, wird im
folgenden Beitrag dargestellt. In neun vom Autor analysierten und gegliederten Etappen wird der Bogen von der
Vergangenheit über die Gegenwart bis in die Zukunft gespannt und punktuell werden 800 Jahre Geschichte lebendig. Mit dem Ziel, Theorie und Praxis zu verbinden, Lehre
und Forschung gleichgewichtig zu sehen sowie angewandte und Grundlagenforschung zu betreiben und dabei allen
talentierten jungen Menschen unabhängig von Ge-
schlecht, Alter, Herkunft oder Vermögen eine ausgezeichnete Ausbildung und Bildung zu bieten sowie Ideen und
Lösungsmöglichkeiten bei der nachhaltigen Nutzung der
stofflichen und energetischen Ressourcen zu entwickeln,
schließt sich der Kreis zu den Anfängen, wo die montanistische Wissensvermittlung über persönliche und individuelle Weitergabe durch erfahrene Berg- und Hüttenleute erfolgte. Grundlage dieses Beitrages bildet der Festvortrag, der anläßlich des Jubiläums „300 Jahre Stipendienkasse“ am 15. November 2002 zur Akademischen Feier
gehalten wurde.
Schlüsselwörter:
Technische Universität Bergakademie Freiberg – Geschichte – Zukunft – Strategie
The Technical University Bergakademie Freiberg: Past, Present and Future
The development of the TU Bergakademie Freiberg, unlike that of most other universities, has been characterized
by a particularly innovative, interdisciplinary and internationalist approach. Since its earliest days the university has
enjoyed close links with the local mining industry and with
the Saxon Mining Authority. This paper shows how these
links operate to their mutual advantage, and so contribute
to the well-being of the town and its university. Eight centuries of history come to life as the author identifies and
analyses nine stages of evolution from the past to the
present and on to the future. The university aims to combine theory and practice, to give equal emphasis to teaching and research and to pursue both applied and basic science. In this way, it offers a first rate education to all able
young people, regardless of their sex, age, origin or financial means, while also developing ideas and applications
for the sustainable use of our resources of materials and
energy. And so the wheel has come full circle: back to the
beginning, when experienced miners and metal workers
handed on their knowledge through personal and individual contacts. The paper is based on the speech given on 15th
November 2002 to mark the three hundredth anniversary
of the “Stipendienkasse” or Mining Scholarship Fund.
Keywords:
Technische Universität Bergakademie Freiberg – History
– Future – Strategy
L’université technique Bergakademie Freiberg: le passé, le présent et l’avenir
La universidad técnica Bergakademie Freiberg: ayer, hoy y en el futuro
Die Stadt Freiberg ist über 800 Jahre alt und entwickelte
sich aufgrund der hier entdeckten reichen Silbervorkommen. Noch heute kann man bei einem Spaziergang durch
den mittelalterlichen Stadtkern oder in der Umgebung
Freibergs viele Zeugen des Bergbaus entdecken: Halden,
Kunstgräben, Mundlöcher, Huthäuser, Bergwerke.
In diesem Umfeld entstand und entwickelte sich die Technische Universität Bergakademie Freiberg – anders als
andere Universitäten. Sie entwickelte sich in einem Spannungsfeld von Innovation, Interdisziplinarität und Inter676
nationalität. Seit ihrem Beginn bis heute bestehen auch
enge Beziehungen zum Freiberger Bergbau und zum
Sächsischen Oberbergamt. Im folgenden sollen diese
Aspekte aufgezeigt werden. Dabei wird der Bogen von
der Vergangenheit über die Gegenwart bis in die Zukunft
gespannt und die Entwicklung zur Technischen Universität Bergakademie Freiberg in neun Perioden gegliedert.
Diese Einteilung richtet sich nach bedeutenden politischen, hochschulpolitischen bzw. wirtschaftlichen Ereignissen bzw. Umbrüchen. Unterschiedliche geschichtliche
ERZMETALL 56 (2003) Nr. 11