EP0322397B1 - High speed steel prepared by powder metallurgy, wear-resistant part prepared thereby and process for its manufacture - Google Patents
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- EP0322397B1 EP0322397B1 EP88890293A EP88890293A EP0322397B1 EP 0322397 B1 EP0322397 B1 EP 0322397B1 EP 88890293 A EP88890293 A EP 88890293A EP 88890293 A EP88890293 A EP 88890293A EP 0322397 B1 EP0322397 B1 EP 0322397B1
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Definitions
- a wearing part manufactured by powder metallurgy, in particular a tool, consisting of a high-speed steel with the proven composition according to the invention is provided.
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Description
Die Erfindung betrifft einen pulvermetallurgisch hergestellten Schnellarbeitsstahl für Verschleißteile, insbesondere Werkzeuge, enthaltend C, Cr, Nb, V, W und/oder Mo, gegebenenfalls Co und/oder Mn und/oder Si und/oder als, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, z.B. P, S, O.The invention relates to a powder-metallurgically produced high-speed steel for wearing parts, in particular tools, containing C, Cr, Nb, V, W and / or Mo, optionally Co and / or Mn and / or Si and / or as, the rest iron and unavoidable impurities, e.g. P, S, O.
Derartige Schnellarbeitsstähle werden u.a. zur Herstellung von Werkzeugen für die spanende Bearbeitung von Werkstücken, z.B. Fräser, Bohrer, Reibahlen, aber auch für Werkzeuge für die spanlose Formgebung wie z.B. Ziehdüsen, Fließpreßstempel usw. eingesetzt.Such high-speed steels are used, among other things. for the production of tools for the machining of workpieces, e.g. Milling cutters, drills, reamers, but also for tools for non-cutting shaping such as Drawing nozzles, extrusion dies etc. used.
Bei der schmelzmetallurgischen Herstellung von mit Niob legierten Schnellarbeitsstählen treten sehr große Niobkarbide vom TYp MC auf, die über 100 µm Korngröße aufweisen können und die Zähigkeit und Schneidhaltigkeit von aus diesen Schnellarbeitsstählen gefertigten Verschleißteilen beeinträchtigen. Da Niob ferner nur eine sehr geringe Löslichkeit in der Legierungsgrundmasse besitzt, besitzen nur mit Niob legierte Schnellarbeitsstähle in der Regel kein ausgeprägtes Sekundärhärteverhalten.Very large niobium carbides from TYp MC occur in the melt metallurgical production of niobium alloyed high-speed steels, which can have a grain size of over 100 µm and impair the toughness and cutting edge durability of wear parts made from these high-speed steels. Since niobium also has only a very low solubility in the base alloy, only high-speed steels alloyed with niobium generally have no pronounced secondary hardness behavior.
Das Legierungselement Vanadium bildet ebenfalls Karbide vom Typ MC, welche jedoch eine geringere thermische Stabilität als Niobkarbide besitzen. Aus diesem Grund kommt es bei der Verwendung von hohen Härte-bzw. Austenitisierungstemperaturen, wie sie insbesondere bei der Herstellung von Zerspanungswerkzeugen notwendig sind, um die erforderlichen Gebrauchseigenschaften, nämlich Härte, zu erreichen, zu einer Vergröberung des Austenitkorns und der ausgeschiedenen Karbide mit einer Verminderung der Zähigkeit.The alloying element vanadium likewise forms carbides of the type MC, which, however, have a lower thermal stability than niobium carbides. For this reason, when using high hardness or Austenitizing temperatures, as are necessary in particular in the production of cutting tools, in order to achieve the required performance properties, namely hardness, to coarsen the austenite grain and the carbides precipitated with a reduction in toughness.
Es ist versucht worden, Schnellarbeitsstähle mit Niob zu legieren, wobei höhere Niob-Gehalte, insbesondere solche über 1,5%, zur Bildung grober Niobkarbide führten, wodurch die Zähigkeitseigenschaften der werkzeuge nach teilig beeinflußt wurden und es zum Ausbrechen von Schneidkantenteilen bei der praktischen Verwendung kam. Aus der JP-PA 144456/1983 ist ein pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstelung von Schnellarbeitsstahl bekannt geworden, wobei eine Nb- Konzentration im Stahl auf 0,1 bis 1,5 Gew.-% beschränkt ist und hohe Wolfram-und/oder Molybdängehalte verbesserte Härtewerte nach der Wärmebehandlung erbringen sollen.Attempts have been made to alloy high-speed steels with niobium, with higher niobium contents, in particular those above 1.5%, leading to the formation of coarse niobium carbides, which reduces the toughness properties of the tools were partially influenced and cutting edge parts broke out in practical use. JP-PA 144456/1983 has disclosed a powder metallurgical process for producing high-speed steel, an Nb concentration in the steel being limited to 0.1 to 1.5% by weight and high tungsten and / or molybdenum contents improving hardness values should provide after the heat treatment.
Ziel der Erfindung ist es, Schnellarbeitsstähle zu erstellen, die neben ausreichender hoher Verschleißbeständigkeit und Härte auch eine große thermische Stabilität besitzen. Ferner sollen die Stähle eine gleichmäßig feine Karbidverteilung aufweisen, um entsprechende Zähigkeitseigenschaften vor allem an feinen Schneidkanten zu erhalten.Ferner sollen Härtewerte bis 70 HRC erreichbar sein.The aim of the invention is to produce high-speed steels which, in addition to having sufficient wear resistance and hardness, also have great thermal stability. In addition, the steels should have a uniformly fine carbide distribution in order to obtain appropriate toughness properties, especially on fine cutting edges, and hardness values of up to 70 HRC should also be possible.
Dieses Ziel wird bei einem pulvermetallurgisch hergestellten Schnellarbeitsstahl der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß der Stahl einen Nb-Gehalt von 2 Gew.-% bis 15 Gew.-%, vorzugsweise von 3 Gew.-% bis 10 Gew.-%, insbesondere von mehr als 4 Gew.-% bis 10 Gew.-%, und einen Vanadiumgehalt von 1 bis 4 Gew.-%, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 Gew.-%, aufweist, daß der Stahl 10 bis 30 Vol.-% vorzugsweise 10 bis 22 Vol.-%, Metallkarbide enthält und daß die untere Grenze des C-Gehaltes durch die Formel
und die obere Grenze des C-Gehaltes durch die Formel
gegeben ist.This goal is achieved in a powder-metallurgically produced high-speed steel of the type mentioned at the outset in that the steel has an Nb content of from 2% by weight to 15% by weight, preferably from 3% by weight to 10% by weight, in particular of more than 4% by weight to 10% by weight, and a vanadium content of 1 to 4% by weight, preferably 1.5 to 2.5% by weight, that the steel has 10 to 30 vol. -% preferably 10 to 22 vol .-%, contains metal carbides and that the lower limit of the C content by the formula
and the upper limit of the C content by the formula
given is.
Ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Verschleißteilen, insbesondere Werkzeugen, aus Schnellarbeitsstählen mit der erwährten erfindungsgemäßen Zusammensetzung wobei die Legierungsbestandteile geschmolzen und um 100-600°C, vorzugsweise etwa 300°C, überhitzt werden, und die derart überhitzte Schmelze pulververdüst insbesondere gasverdüst, wird, worauf das Pulver im Zuge einer Konsolidierung unter Temperatur-und gegebenenfalls Druckbeaufschlagung, insbesondere in einem Sintervorgang, zu einem Formkörper geformt wird, welcher Formkörper gegebenenfalls nach einem Glühen und/oder Warmschmieden einem Weichglühvorgang unterzogen und durch spanende oder spanlose Bearbeitung zum Verschleißteil geformt wird, worauf der Verschleißteil über seine Austenitisierungstemperatur erwärmt bzw. einer Schnellstahlhartung unterzogen wird, von welcher Temperatur der Verschleißteil abgekühlt, insbesondere abgeschreckt, und zumindest zwei Anlaß-bzw. Sekundärhärtungsvorgängen unterzogen wird.A process for the powder metallurgical production of Wear parts, in particular tools, made from high-speed steels with the proven composition according to the invention, the alloy components being melted and overheated by 100-600 ° C., preferably about 300 ° C., and the melt overheated in this way is atomized, particularly gas, by atomizing the powder, in the course of which Consolidation under the application of temperature and optionally pressure, in particular in a sintering process, is formed into a shaped body, which shaped body is optionally subjected to a soft annealing process after annealing and / or hot forging and is shaped into a wearing part by machining or non-cutting processing, whereupon the wearing part heats up above its austenitizing temperature or is subjected to high-speed steel hardening, from which temperature the wearing part is cooled, in particular quenched, and at least two tempering or. Secondary hardening is subjected.
Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn der Härtungs-bzw. Austenitisierungsvorgang bei einer Temperatur erfolgt, die um 50-100°C höher liegt als bei einem Schnellarbeitsstahl, der niobfrei ist bzw. einen Niobgehalt von weniger als 2 bis 4 Gew.-% aufweist und gleichen Karbidgehalt nach Durchführung des Weichglühens besitzt und welche je nach Zusammensetzung zwischen 1100 und 1260°C eingestellt wird.According to the invention, it is advantageous if the curing or. Austenitization takes place at a temperature which is 50-100 ° C higher than that of a high-speed steel that is niobium-free or has a niobium content of less than 2 to 4% by weight and has the same carbide content after soft annealing and which depending on Composition between 1100 and 1260 ° C is set.
Durch den angegebenen Niobgehalt und Vanadiumgehalt sowie die Menge der auf Grund der Einregelung des Kohlenstoffgehaltes im Stahl ausgebildeten Metallkarbide, wird ein Schnellarbeitsstahl erstellt, welcher die gewünschten vorteilhaften Eigenschaften besitzt. Dadurch, daß die überhitzte Schmelze der Legierungsbestandteile pulververdüst wird, erhält man ein Pulver, in dem die sich beim Erstarren ausbildenden Niobkarbide in feinstverteilter Form vorliegen. Diese feinstverteilten Niobkarbide behindern das Kornwachstum bei den erfindungsgemäß vorgesehenen hohen Austenitisierungstemperaturen.The indicated niobium content and vanadium content as well as the amount of metal carbides formed in the steel due to the regulation of the carbon content create a high-speed steel which has the desired advantageous properties. Because the superheated melt of the alloy components is powder atomized, a powder is obtained in which the niobium carbides which form during solidification are in finely divided form. These very finely divided niobium carbides hinder the grain growth at the high austenitizing temperatures provided according to the invention.
Erfindungsgemäß ist ein pulvermetallurgisch hergestellter Verschleißteil, insbesondere ein Werkzeug, bestehend aus einem Schnellarbeitsstahl mit der erwährten erfindungsgemäßen Zusammensetzung vorgesehen.According to the invention, a wearing part manufactured by powder metallurgy, in particular a tool, consisting of a high-speed steel with the proven composition according to the invention is provided.
Die in den Formeln für Cmin und Cmax angegebenen Kohlenstoffwerte ergeben sich auf Grund der Wechselwirkung der karbidbildenden Elemente im Schnellarbeitsstahl, wodurch die Metallkarbide unterschiedliche Kohlenstoffkonzentrationen aufweisen können. Die Faktoren in den Formeln ergeben sich daraus, daß NbC 0,10 bis 0,15% Kohlenstoff und VC 0,20 bis 0,24% Kohlenstoff binden kann. Die Summanden 0,45 bzw. 1,0 in den Formeln berücksichtigen den Kohlenstoffgehalt zur Bildung der Grundhärte der Matrix und der Nb-und V-freien Karbide. Die MIN-und MAX- Werte werden schließlich durch die Gehalte von Cr, Mo, W bestimmt.The carbon values given in the formulas for C min and C max result from the interaction of the carbide-forming elements in high-speed steel, which means that the metal carbides can have different carbon concentrations. The factors in the formulas result from the fact that NbC can bind 0.10 to 0.15% carbon and VC 0.20 to 0.24% carbon. The summands 0.45 and 1.0 in the formulas take into account the carbon content to form the basic hardness of the matrix and the Nb and V-free carbides. The MIN and MAX values are finally determined by the Cr, Mo, W contents.
Erfindungsgemäß wird bei der Herstellung des pulvermetallurgischen Schnellarbeitsstahls folgendermaßen vorgegangen:According to the invention, the production of the powder metallurgical high-speed steel is carried out as follows:
Die einzelnen Legierungsbestandteile werden gemeinsam erschmolzen und die Schmelze wird um etwa 100 bis 600°C, vorzugsweise 300°C, überhitzt, wodurch die Legierungsbestandteile Niob und Kohlenstoff in der Schmelze verteilt werden. Nach einem Halten auf dieser Temperatur für mindestens 20 bis 30 sec. wird die Schmelze unter Schutzgas zu einem Pulver verdüst. (Prinzipiell ist auch eine Wasserverdüsung möglich). Auf Grund der raschen Abkühlung scheiden sich kleine gut verteilte Niobkarbide ab. Aus diesen Pulvern werden sodann unter Anwendung von Temperatur und gegebenenfalls Druck Formkörper hergestellt. Dazu werden die Pulver in Stahlbehälter aus legiertem oder unlegiertem Stahl gefüllt, gasdicht verschlossen und unter Anwendung von Druck und Temperatur z.B. durch Hipen, Strangpressen oder Schmieden konsolidiert. Bei der Konsolidierung ist darauf zu achten, daß die Temperatur so gewählt wird, daß keine flüssigen Phasen auftreten. Die Temperaturen beim Konsolidieren betragen etwa 1.050 bis 1.100°C, bei einem Druck von 1000 bar oder falls drucklos gearbeitet wird, etwa 1.200 bis 1.250°C. Die Konsolideirung kann von einem Glühen gefolgt sein.The individual alloy components are melted together and the melt is overheated by approximately 100 to 600 ° C., preferably 300 ° C., as a result of which the alloy components niobium and carbon are distributed in the melt. After holding at this temperature for at least 20 to 30 seconds, the melt is atomized into a powder under protective gas. (In principle, water atomization is also possible). Due to the rapid cooling, small, well-distributed niobium carbides separate out. Shaped bodies are then produced from these powders using temperature and optionally pressure. For this purpose, the powders are filled into steel containers made of alloyed or unalloyed steel, sealed gas-tight and consolidated using pressure and temperature, for example by means of hipping, extrusion or forging. When consolidating, ensure that the temperature is selected so that no liquid phases occur. Consolidation temperatures are about 1,050 to 1,100 ° C, at a pressure of 1000 bar or if working without pressure, about 1,200 to 1,250 ° C. The consolidation can be followed by a glow.
In einer nachfolgenden Warmformgebung, z.B. einem Warmschmieden bei 1.150°C, kann die Festigkeit z.B. die Biegefestigkeit des Formkörpers gesteigert werden. Der allenfalls durchgeführten Warmformgebung folgt ein Weichglühen bei einer Temperatur von etwa 700 bis 850°C, vorzugsweise 800°C. Das weichgeglühte Werkstück wird sodann zu dem gewünschten Verschleißteil bzw. Werkzeug durch eine spanende oder nichtspanende Bearbeitung umgeformt. Nach Herstellung des Werkzeugkörpers wird das Werkstück gehärtet und zwar bei einer Austenitisierungstemperatur von bis zu 1.350°C. Während dieses Härtevorganges hemmt das Niobkarbid ein Kornwachstum und das nicht gelöste Vanadiumkarbid trägt vor dem Abschrecken in Luft, Wasser oder Öl zur Ausbildung eines sehr feinen Kornes bei. Die erfindungsgemäß vorgesehene höhere Austenitisierungstemperatur ermöglicht, daß bei dieser Temperatur eine größere Menge der vorhandenen Karbide zerfällt bzw. in Lösung geht, sodaß beim darauffolgenden Abkühlen ein feines und hartes Korngefüge in der Matrix erreicht wird. Nach dem Abschrecken erfolgt ein erstes Anlassen bei einer Temperatur von etwa 500 bis 600°C, bei dem eine Ausscheidung von feinen Metallkarbiden (z.B. Vanadiummischkarbid vom Typ MC) erfolgt. Im Zuge des zweiten oder eines weiteren Anlassens können die Härteeigenschaften des Werkstückes noch weiter erhöht werden.In a subsequent hot forming, e.g. hot forging at 1,150 ° C, the strength can e.g. the bending strength of the molded body can be increased. The hot shaping which is carried out if necessary is followed by soft annealing at a temperature of about 700 to 850 ° C., preferably 800 ° C. The annealed workpiece is then formed into the desired wear part or tool by machining or non-machining. After the production of the tool body, the workpiece is hardened and at an austenitizing temperature of up to 1,350 ° C. During this hardening process, the niobium carbide inhibits grain growth and the undissolved vanadium carbide contributes to the formation of a very fine grain before quenching in air, water or oil. The higher austenitization temperature provided according to the invention enables a larger amount of the carbides present to disintegrate or to dissolve at this temperature, so that a fine and hard grain structure is achieved in the matrix during the subsequent cooling. After quenching, a first tempering takes place at a temperature of about 500 to 600 ° C, at which fine metal carbides (e.g. vanadium mixed carbide of the type MC) are precipitated. In the course of the second or a further tempering, the hardness properties of the workpiece can be increased even further.
Die höhere Austenitisierungstemperatur kann eingesetzt werden, ohne daß zähigkeitsvermindernde Erscheinungen bzw. Kornvergröberungen, Aufschmelzungen und andere nachteilige Vorgänge auftreten. Da Chrom die Ausscheidung von Karbiden beeinflußt, wird der Gehalt an Chrom auf einen Bereich 2 bis 5 Gew.-% beschränkt. Allenfalls vorhandenes Kobalt soll in einem Bereich von 0-10 Gew.-% liegen.The higher austenitizing temperature can be used without the occurrence of toughness-reducing phenomena or grain coarsening, melting and other disadvantageous processes. Because chrome is the excretion Influenced by carbides, the chromium content is limited to a range of 2 to 5% by weight. Any cobalt present should be in the range of 0-10% by weight.
Bei den erfindungsgemäß hergestellten Stählen bzw. Werkstücken haben die Metallkarbide eine Größe von weniger als 6 µm. Durch eine Erhöhung der Schmelzentemperatur bzw. der Erstarrungsgeschwindigkeit im Zuge der Herstellung der Metallpulver kann eine weitere Verringerung der Korngröße der Metallkarbide erreicht werden.In the steels or workpieces produced according to the invention, the metal carbides have a size of less than 6 μm. A further reduction in the grain size of the metal carbides can be achieved by increasing the melt temperature or the rate of solidification in the course of the production of the metal powder.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of examples.
Eine Schnellarbeitsstahllegierung der Zusammensetzung C = 1,81 Gew.-%, Si = 0,3 Gew.-%, Mn = 0,2 Gew.%, P = 0,02 Gew.-%, S = 0,02 Gew.-%, Cr = 4,3 Gew.-%, Mo = 3,7 Gew.-%, V = 1,5 Gew.-%, W = 6,1 Gew.-% und Nb = 6,3 Gew.-%, Rest Verunreinigungen und Eisen (Werkstückanalyse) wurde in einem Induktionsofen erschmolzen und zu einem Vorblock gegossen. Der Vorblock wurde geschmolzen und die Schmelze um 300°C überhitzt und im Stickstoffstrom verdüst. Das verdüste Pulver wurde in eine Kapsel aus Baustahl St52 eingefüllt, gerüttelt, auf 10⁻³ Torr evakuiert und gasdicht verschweißt. Die Pulverkonsolidierung wurde bei 1.150°C und einem Druck von 1.070 bar durchgeführt. Nach Ausbildung eines Fräsers wurde eine Härtung bzw. Austenitisierung bei einer Temperatur von 1.290°C durchgeführt, ohne daß eine Kornvergröberung oder Aufschmelzungen an den Korngrenzen auftraten. Durch diese um etwa 50°C über der herkömmlichen Härtungstemperatur liegende Austenitisierungstemperatur konnten höhere Gehalte an Karbiden bzw. Kohlenstoff in der matrix gelöst werden und somit in den Anslaßvorgängen die Härte und Verschleißbeständigkeit verbessert werden.A high-speed steel alloy with the composition C = 1.81% by weight, Si = 0.3% by weight, Mn = 0.2% by weight, P = 0.02% by weight, S = 0.02% by weight. %, Cr = 4.3% by weight, Mo = 3.7% by weight, V = 1.5% by weight, W = 6.1% by weight and Nb = 6.3% by weight. %, Remainder of impurities and iron (workpiece analysis) were melted in an induction furnace and cast into a billet. The bloom was melted and the melt overheated by 300 ° C and atomized in a stream of nitrogen. The atomized powder was filled into a capsule made of structural steel St52, shaken, evacuated to 10⁻³ Torr and welded gas-tight. The powder consolidation was carried out at 1,150 ° C and a pressure of 1,070 bar. After the formation of a milling cutter, hardening or austenitizing was carried out at a temperature of 1,290 ° C. without coarsening of the grain or melting at the grain boundaries. This austenitizing temperature, which is about 50 ° C above the conventional hardening temperature, enabled higher carbide or carbon contents to be dissolved in the matrix and thus the hardness and wear resistance to be improved in the tempering processes.
Die Härtemessung ergab 68,8 HRC. Im Zerspanungsversuch zeigten die erfindungsgemäß hergestellten Fräser, verglichen mit Fräsern der Legierung S6-5-2-5, eine Leistungserhöhung um etwa 30 bis 50% bei der Zerspanung von St52 und von Vergütungsstahl vom Typ X38CrMoV51.The hardness measurement was 68.8 HRC. In the machining test, the milling cutters produced according to the invention showed an increase in performance of about 30 to 50% in the cutting of St52 and tempering steel of the type X38CrMoV51, compared to milling cutters of the alloy S6-5-2-5.
Es wurde ein Schnellarbeitsstahl der Zusammensetzung C = 2,49 Gew.-%, Si = 0,35 Gew.-%, Mn = 0,20 Gew.-%, P = 0,025 Gew.-%, S = 0,005 Gew.-%, Cr = 4,7 Gew.-%, Mo = 4,01 Gew.-%, V = 2,3 Gew.-%, W = 1,82 Gew.-% und Niob = 9,89 Gew.-%, Rest Verunreinigungen und Eisen erschmolzen und zu einem Block gegossen. Der Block wurde bei einer die Liquidustemperatur um 350°C übersteigenden Temperatur gasverdüst. Aus dem Pulver wurde in einem Sintervorgang ein Schabrad gefertigt, wie es zur Feinbearbeitung von Zahnrädern in der Automobilindustrie eingesetzt wird. Bei einer Austenitisierungstemperatur von 1.300°C erfolgte die Härtung, die von einem zweifachen Anlassen bei 580°C gefolgt wurde. Nach dem zweifachen Anlassen erfolgte eine Fertigbearbeitung des Schabrades durch Schleifen. Die Härtemessung im Arbeitsbereich des Werkzeuges erbrachte einen Wert von 69,5 HRC.A high-speed steel of the composition C = 2.49% by weight, Si = 0.35% by weight, Mn = 0.20% by weight, P = 0.025% by weight, S = 0.005% by weight %, Cr = 4.7% by weight, Mo = 4.01% by weight, V = 2.3% by weight, W = 1.82% by weight and niobium = 9.89% by weight %, Remainder of impurities and iron melted and poured into a block. The block was gas atomized at a temperature exceeding the liquidus temperature by 350 ° C. The powder was used in a sintering process to produce a shaving wheel, such as is used for the fine machining of gear wheels in the automotive industry. The hardening took place at an austenitizing temperature of 1,300 ° C, which was followed by a double tempering at 580 ° C. After starting twice, the shaving wheel was finished by grinding. The hardness measurement in the working area of the tool gave a value of 69.5 HRC.
Verglichen mit einem aus pulvermetallurgisch hergestellten Schnellarbeitsstahl S6-5-3-8 (ASP 30) konnte eine Leistungssteigerung um 40 bis 50% bei der Herstellung von außenverzahnten Kegelrädern erzielt werden.Compared to a high-speed steel S6-5-3-8 (ASP 30) made from powder metallurgy, an increase in output of 40 to 50% was achieved in the production of externally toothed bevel gears.
Claims (11)
and the upper limit of the C content being given by the formula
8. Process according to Claim 6 or 7, characterised in that the soft annealing temperature is set to 700 to 850°C, preferably about 800°C.
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