Wolfgang Bleck. Elvira Moeller. Handbuch. Stahl. Auswahl, Verarbeitung, Anwendung HANSER

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1 Elvira Moeller Handbuch Stahl Auswahl, Verarbeitung, Anwendung HANSER

2 eine Inhalt Vorwort V Autorenverzeichnis XXIII Stahl Werkstoffgruppe mit Zukunft XXIX TEIL A Der Werkstoff Stahl 1 Definition und Systematik von Stählen Systematik der Stähle Einteilung der Stähle nach Hauptgüteklassen Unlegierte Stähle Nichtrostende Stähle Andere legierte Stähle Bezeichnungssystem für Stähle Bezeichnung nach Verwendungszweck sowie mechanischen und physikalischen Eigenschaften Bezeichnung nach der chemischen Zusammensetzung Bezeichnung der Stähle mit Werkstoffnummern 9 2 Informationsquellen zu Stahl 13 Uwe Diekmann 2.1 Einleitung Aufbau unternehmensinterner Informationsquellen Der Werkstoff Stahl im Vergleich konzeptionelle Werkstoffauswahl Werkstoffdatenbanken StahlDatSX Stahlschlüssel StahlWissen NaviMAT Weitere Faktendatenbanken mit Bezug zu Stahl Simulationssysteme für die Berechnung von Werkstoffeigenschaften Bibliotheken, Literaturdaten, Wissensbasen und Nachschlagewerke Selbststudium und Weiterbildung 32 VII

3 Inhalt 3 Eigenschaften von Stählen Thermische Eigenschaften Volumen und Längenänderung von Eisen Volumen und Längenänderung von Stählen Wärmeleitfähigkeit des Eisens Elastische Eigenschaften Elastizitätsmodul und Schubmodul Anelastizität Magnetische und elektrische Eigenschaften Magnetische Eigenschaften von Eisen Magnetische Eigenschaften von Stählen Elektrische Eigenschaften von Eisen Elektrische Eigenschaften von Stählen Legierungen des Eisens Legierungsbildung Zustandsschaubilder von FeLegierungen Zustandsschaubild EisenKohlenstoff Ausscheidungen Wirkung der Legierungselemente Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften Wirkung auf technologische Eigenschaften Einfluss einzelner Legierungselemente auf die Eigenschaften von Stählen Häufige Legierungselemente Spurenelemente im Stahl Zusammenfassung 74 4 Herstellung und Lieferformen von Stahl 77 Hannah Schwich, Serosh Englneer, Ulrich Prahl 4.1 Erzeugung von Stahl Primärmetallurgie Hochofen und Konverterroute Rohstahlerzeugung durch Direktreduktion Elektrolichtbogenofenroute Sekundärmetallurgie Reinigung des Stahls durch Umschmelzen ElektroschlackeUmschmelzverfahren (ESU) LichtbogenVakuumUmschmelzverfahren (LBVU) Vergießen von Stahl zu Halbzeug Gießen in Strang und Block Gießen in Formen Herstellung von Halbzeug Definition Herstellen von Flacherzeugnissen Warmwalzen von Blechen und Bändern Kaltwalzen von Blechen Herstellen von Langerzeugnissen Warmgewalzter und warmgezogener Stabstahl und Draht (Walzdraht) Kaltgewalzter und kaltgezogener Stabstahl und Draht 94 VIII

4 Inhalt Herstellen von Rohren Herstellen von Schmiedeteilen Ringwalzen Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Halbzeug Ultraschallverfahren (USVerfahren) Durchstrahlungs oder Röntgenstrahlprüfung Elektromagnetische Prüfung Penetrationsverfahren Fazit Verarbeitung von Stählen Umformen und Schneiden von Blechbauteilen 105 Wolfram Volk, Christoph Hartmann, Maria Hiller, Daniel Opritescu, Annika Weinschenk, Martin Feistle, Michael Krinninger 51.1 Blechumformung Bauteilspektrum und Prozesskette Auslegung des Fertigungsprozesses Verfahren der Blechumformung Bewertungskriterien und Fehler in der Blechumformung Schneiden von Blechen Beschneideoperationen Scherschneiden Fehler und Qualitätskriterien beim Schneiden Kaltmassivumformung von Stahl 130 Mathias Liewald, Alexander Felde, Robert Meißner 52.1 Einleitung Kaltfließpressverfahren Stauchen VollVorwärtsFließpressen (WFP) NapfRückwärtsFließpressen (NRFP) VollQuerFließpressen (VQFP) Tribologie Konversionsschichten Typische Schmierstoffe für Stahlwerkstoffe in der Kaltmassivumformung Stähle für die Kaltmassivumformung Allgemeines Einsatzmöglichkeiten verschiedener Stahlsorten Baustähle Einsatzstähle Vergütungsstähle Nichtrostende Stähle Bainitische Stähle Wärmebehandlungsstrategien Wärmebehandlung vor der Kaltmassivumformung Wärmebehandlung nach der Kaltmassivumformung 144 IX

5 Inhalt 53 Warmmassivumformung von Stahl 146 BerndArno Behrens, Anas Bouguecha, Jan Puppa 53.1 Einleitung Verfahren der Warmmassivumformung Walzen Freiformen Gesenkformen Warmumformbarkeit von Stählen Fließkurven Formänderungsvermögen Biegeumformung von Stählen 157 Goran Grzancic, Christoph Becker, Sami Chatti, A. Erman Tekkaya 54.1 Einleitung Grundlagen des Biegens Blechbiegen Blechbiegeverfahren mit geradliniger Werkzeugbewegung Blechbiegeverfahren mit drehender Werkzeugbewegung Fertigungsfehler und Gegenmaßnahmen beim (Blech)Biegen Rohrund Profilbiegen Formgebundenes Rohr und Profilbiegen Kinematisches Rohr und Profilbiegen Versagensfälle und Gegenmaßnahmen beim Rohr und Profilbiegen Spannungsüberlagerung zum Biegen hochfester Stähle Streckbiegen Freibiegen mit inkrementeller Druckspannungsüberlagerung Inkrementelles Rohrumformen 171 ^ Spanen und Abtragen 173 Fritz Klocke, Guido Wirtz, Frederik Vits, Andreas Klink 55.1 Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide Verfahrensgrundlagen Zerspanbarkeit von Stählen Technologiesteckbriefe Zerspanung mit geometrisch unbestimmter Schneide Verfahrensgrundlagen Schleifbarkeit von Stählen Technologiesteckbriefe Abtragende Verfahren Funkenerosion und elektrochemische Bearbeitung Verfahrensgrundlagen und resultierende Werkstoffmodifikationen Erodierbarkeit und elektrochemische Bearbeitbarkeit von Stahlwerkstoffen Technologiedatenblätter Zusammenfassung 221 X

6 Inhalt 56 Clinchen 223 BerndArno Behrens, Sven Hübner 57 Schweißen und Löten von Stählen 233 Uwe Reisgen, Lars Stein 57 A Fügen durch Schweißen Schweißverfahren Auswahl geeigneter Schweißparameter Schweißen unterschiedlicher Stahlwerkstoffe Fügen durch Löten Lote und Lotklassen Flussmittel als Hilfsstoffe Metallkleben 262 Uwe Reisgen, Lars Stein 58.1 Eigenschaften von Klebungen Funktionen in den Klebverbindungen Technische Klebstoffe Thermisches Trennen von Stählen 269 Uwe Reisgen, Lars Stein 59.1 Brennschneiden Schmelzschneiden Sublimierschneiden Wärmebehandlung von Stählen 272 Jan Bültmann, Jan Hof, Ulrich Prahl Glühen Erholungsglühen Spannungsarmglühen Rekristallisationsglühen Weichglühen oder GKZGlühen Normalglühen Patentieren Grobkornglühen Diffusionsglühen Wasserstoffarmglühen Härten Durchgreifendes Härten Randschichthärten Bainitisieren Presshärten ÖlSchlussvergüten Anlassen Thermochemische Behandlung Einsatzhärten Aufkohlen Karbonitrieren Nitrieren 304 XI

7 Inhalt Nitrocarburieren Borieren Chromieren Thermomechanische Behandlung Fazit Korrosion und Korrosionsschutz 320 Elvira Moeller Ursachen und Ablauf der Korrosion Überblick Korrosion und Korrosionssysteme Einfluss von Medien auf das Korrosionsverhalten Korrosionserscheinungen und Korrosionsarten Prinzipien des Korrosionsschutzes und Verfahren zu deren Umsetzung Verfahren und Materialien Korrosionsschutzgerechte Gestaltung Korrosionsschutz durch Beschichtungssysteme Korrosionsschutz durch metallische Überzüge Korrosionsschutz durch nichtmetallische anorganische Überzüge Elektrochemischer Korrosionsschutz Korrosionsschutz durch Inhibierung Temporärer Korrosionsschutz Genormter Korrosionsschutz Spezifikationen für den Erstschutz Beschreibung des Objektes und der Belastungen Auswahl des Beschichtungssystems Prüfung der Beschichtungssysteme Spezifikationen für die Instandsetzung Korrosionsschutz und Umweltschutz Life Cycle Assessment 345 Johannes Gediga 6.1 Einführung Die LCAMethode LCAMethode im Stahlsektor Anwendungen von LCA in der Industrie Interne Nutzung der Lebenszyklusanalyse in der Stahlindustrie Interner Nutzen von Lebenszyklusanalysen bei Kunden der Stahlindustrie Nutzen von LCAErgebnissen zur Kommunikation Zusammenfassung und Ausblick 354 XII

8 Stahl Stahlträger Stahlzugelemente Inhalt TEILB Stähle für unterschiedliche Anwendungsbereiche 1 Stähle für das Bauwesen für die Infrastruktur der Welt Stähle für den Hoch und Ingenieurbau 363 Sebastian Münstermann 11.1 Stähle für den Massivbau Stähle für den Skelett und Fachwerkbau Typische Werkstoffkonzepte Anforderungen an die Festigkeit Anforderungen an die Zähigkeit Anforderungen an die Verfestigung Anforderungen an die Festigkeit bei zyklischer Beanspruchung Anforderungen an das Verarbeitungs und Gebrauchsverhalten Etablierte Stahlkonzepte für den Skelett und Fachwerkbau Stähle für den Verbundbau Stähle für Verbindungselemente Ausblick Stähle für Drahtseile 383 PeterJanßen 12.1 Drahtseile für das Bauwesen Drahtseile als Aufzug und Kranseile Drahtseile im Brückenbau Einsatz in Drahtseilbahnen Hochfeste Drahtseile zur Befestigung von OffshoreFörderplattformen Sonstige Anwendungen Zukunftschancen für Drahtseile Stahl im Erd und Grundbau 388 HansUwe Kalle, Oliver Hechler 13.1 Stahlspundwände Lieferformen und Rammelemente Normative Regelungen zu Spundbohlen Ausführung von Spundwandkonstruktionen Einbringen von Stahlspundwänden Beanspruchung und Bemessung von Stahlspundwänden Besondere Stahlwandkonstruktionen 13.8 Verankerungen von Stahlspundwänden für Verbauwände Anwendungsmöglichkeiten von Stahlspundwänden Einsatz von Spundwänden für Brückenwiderlager (SaaleElsterTalbrücke) Stähle für die Gebäudehülle 399 Markus Kuhnhenne, Ralf Podleschny 14.1 Allgemeines Trapez und Wellprofile, Sandwichelemente und Paneelprofile Feuerverzinkte Bauelemente 400 XIII

9 Werkstoffe Inhalt 14.4 Bauelemente aus nichtrostendem Stahl Bauelemente aus wetterfestem Baustahl Nachhaltigkeitsaspekte im Stahlleichtbau Stähle für den Kran und Kranbahnbau 404 Markus Feldmann, Sandro Citarelli 15.1 Einleitung Entwurf und Bemessung Grenzzustand der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit Ermüdung und Betriebsfestigkeit Wahl der Stahlsorte Ausblick Nichtrostende Langprodukte im Bauwesen Nichtrostender Betonstahl Feuerverzinkter Betonstahl 416 Holger Glinde 19 Brücken aus feuerverzinktem Stahl 418 Holger Glinde 2 Stähle für den Anlagen und Apparatebau in extremer Umgebung Stähle für den Kessel und Druckbehälterbau 423 Andreas Kern, Esther Pfeiffer, Sebastian Münstermann Allgemeines Anforderungen an Druckgeräte Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften Anforderungen an die Festigkeit Anforderungen an die Verfestigung Anforderungen an die Zähigkeit Anforderungen an das Verarbeitungs und Gebrauchsverhalten Herstellung und Eigenschaften Stahlherstellung Walzen und Wärmebehandlung Charakteristische Eigenschaften von Behälterstählen Unlegierte Behälterstähle Kaltzähe Behälterstähle Wichtige Stahlgüten für den Behälterbau Unlegierte Behälterstähle Kaltzähe Behälterstähle Künftige Entwicklungen 457 XIV

10 Inhalt 22 Werkstoffauswahl für den Bau chemischer Anlagen 462 Jürgen Korkhaus 22.1 Einleitung Gesichtspunkte für die Werkstoffauswahl beim Bau von Chemieanlagen Sicherheit chemischer Anlagen Wirtschaftlichkeit für Anlagenbau undinstandhaltung Metallische Werkstoffe für Chemieanlagen Einsatztemperaturen und Anwendungsgebiete metallischer Werkstoffe Korrosionsbeständigkeit als Auswahlkriterium Die Auslegung von Chemieapparaten Sonderausführungen von Behältern Getränkeabfüllmaschinen aus nichtrostendem Stahl Einsatz von Stahl in Abwasserbehandlungsanlagen 487 Wolfgang Branner 24.1 Abwasseranfall und Zusammensetzung Funktionsweise einer Abwasserbehandlungsanlage Werkstoffe und deren Eigenschaften Abmessungen Herstellungsprozesse Perspektiven/Alternativen Stähle für den Maschinenbau Werkstoffvielfalt für höchste Beanspruchungen Stähle für Maschinenelemente 497 Klaus Brökel 31.1 Systematik der Maschinen und Konstruktionselemente Mechanische Verbindungselemente Stiftund Bolzenverbindungen Schraubenverbindungen Elastische Elemente Funktionen und Wirkungen von Federn Systematik der Federn Lager und Führungselemente Wälzlager Gleitlager Achsen und Wellen WelleNabeVerbindungen Gleichförmig übersetzende Getriebe Zusammenfassung Stähle für Zahnräder 517 Karsten Stahl, Thomas Tobie, Florian Dohler 32.1 Einleitung Grundlagen der Zahnradbeanspruchung und der Tragfähigkeitsrechnung Überblick über typische Zahnradschadensarten und Mechanismen 520 XV

11 Qualität Inhalt 32.4 Anforderungen an die Eigenschaften von Zahnradstählen Einsatzstähle Nitrierstähle Stähle zum Randschichthärten Vergütungsstähle Zusammenfassung und Ausblick Zähne für eine Baggerschaufel Wälzlager für verschiedene Bereiche Auswerferstifte 534 Serosh Engineer 36 Linearführungssysteme aus Blankstahl 536 Serosh Engineer 37 Klemmkörperprofile für Freiläufe 538 Serosh Engineer 38 Rakelwellen für Auftragssysteme für das Streichen von Papier und Karton 540 Serosh Engineer 39 Pulvermetallurgische Werkstoffe 541 Frank Baumgärtner, Ingolf Langer 39.1 Axiale Presstechnik Werkstoffe und deren Eigenschaften Herstellungsverfahren Eigenschaften der Formteile und Perspektiven Pulvermetallurgisches Spritzgießen (metal injection moulding MIM) Perspektiven Stähle für die Verkehrstechnik und Quantität in höchster Perfektion Stähle für PkwKarosserien 555 Mingxuan Lin, Maria Zielesnik, Ulrich Prahl 41.1 Einleitung Terminologie und Klassifizierung Metallurgische Betrachtungen Korrosionsschutz Stähle im Einzelnen DDQ weiche Tiefziehstähle IF und IFHSStähle BHStähle HSLAStähle 572 XVI

12 leichtere Inhalt FBStähle DPund DHStähle CPStähle TRIPStähle MSStähle LHStähle PHStähle TWIPStähle Abschließende Betrachtung Stähle für den Nutzfahrzeugbau 593 Andreas Kern 42.1 Allgemeines Anforderungen Anforderungen an das Verarbeitungs und Gebrauchsverhalten Herstellung und Eigenschaften Stahlherstellung Walzen und Wärmebehandlung Charakteristische Eigenschaften Hochfeste verschleißbeständige Baustähle Wichtige Stahlgüten für den Nutzfahrzeugbau Künftige Entwicklungen Stähle für das Fahrwerk und den Antriebsstrang in der Automobiltechnik 624 Peter Janßen, Serosh Engineer 43.1 Federstähle Stähle für Schrauben und Verbindungselemente Schmiedestähle für Kurbelwellen, Antriebswellen, Achsen und Achsschenkel Stähle für Wellen in Hilfsaggregaten Stähle für zerspanend hergestellte Teile Stähle für Lenkungsteile Stähle für Reifeneinlegedrähte (Stahlkord) Stähle für Stabilisatoren Stähle für Pleuel Stähle für Einspritzsysteme in Dieselmotoren Erwartete Entwicklungen für Langprodukte in der Antriebstechnik für den Automobilbau Leichtbau mit massivumgeformten Komponenten in der Automobilindustrie 640 HansWilli Raedt,, ChristianSimon Ernst 44.1 Motivation für Leichtbau Massivumformung im Automobilbau Prozesse der Massivumformung Übersicht über die verwendeten Werkstoffe Weiterveredlung Ideen mit Leichtbaupotenzial Stärkere Stähle Getriebe und andere Verzahnungsanwendungen Fazit und Ausblick 653 XVII

13 Inhalt 45 Präzisionsstahlrohre im Automobilbau 654 Steffen Zimmermann, Jürgen KlabbersHeimann 45.1 Eigenschaften und Fertigung von Präzisionsstahlrohren Beispiele für Präzisionsstahlrohre im Automobilbau Einspritzleitungen für Dieselmotoren (DEL) Stabilisatoren als Beitrag zum Fahrkomfort Wellen in der Antriebstechnik Airbag dient der Sicherheit Zusammenfassung und Ausblick Stähle für den Schienenfahrweg 665 Albert Jörg 46.1 Einleitung Aufgaben der Schiene Anforderungen an das Schienenprofil Anforderungen an die Schienenlänge Anforderungen an die Werkstoffe Bewährte Stähle und deren Herstellungskonzepte Anwendung der Legierungstechnik Anwendung der Wärmebehandlung Bemessung von Schienenstählen Betriebsverhalten von Schienenstählen Fazit Nichtrostende Federn Zahnstangen für Lenkungen Achsen für Eisenbahnen und Straßenbahnen Stähle für AuspuffFlansche von Kraftfahrzeugen Einsatzstähle für Kolbenbolzen in Verbrennungsmotoren Gebaute Nockenwelle für die Motorsteuerung Motorventile aus Edelstahl Vorgelegewelle als Teil des Fahrzeuggetriebes 691 XVIII

14 Inhalt 415 Exzenterwelle für die Motorsteuerung Benzinverteilerleiste in PkwMotoren Kolben für Anwendung in der ServoHydraulik Edelstähle für die Luftfahrt Stähle für OffshoreAnwendungen und den Stahlwasserbau Stähle erschließen die maritime Welt Stähle für OffshoreBauwerke 705 Andreas Thieme 51.1 Entwicklung der OffshoreTechnologie OffshoreBauten zur Öl und Gasförderung Arbeitsplattformen Gründungsstrukturen Schwimmende Konstruktionen Spezielle Formen der Plattform Unterwassertechnologie Transport von und zur Plattform Installation und Instandhaltung OffshoreBauten zur Gewinnung regenerativer Energien OffshoreWindkraftanlagen Gewinnung von Strömungs, Wellen und Gezeitenenergie Stahl für den OffshoreBereich Anforderungen an Stahl für OffshoreAnwendungen Herstellung von Stahl für OffshoreAnwendungen Internationale Normung der Stahlgüten Stahlbedarf für den OffshoreBereich in der Praxis Stähle für Hubketten im Stahlwasserbau 729 Thomas Hesse, Ulrike Gabrys 53 Stähle für Stahlwasserbauverschlüsse 731 Thomas Hesse, Ulrike Gabrys 54 Nichtrostende Stähle im Flusswasserbau Stähle für den Hafenausbau 736 Oliver Hechler, HansUwe Kalle 55.1 Hafen Hamburg 736 XIX

15 Stahl mechanischtechnologische Unverzichtbare Inhalt 55.2 EurogateContainerterminal Predöhlkai Schleusenkanal Langwedel Donauhafen StraubingSand Grobbleche aus hochfesten Stählen für den Schiffbau 741 Jörg Maffert 6 Stähle für Leitungsrohre für die unsichtbare TransportInfrastruktur 743, Juliane Mentz, Axel Kulgemeyer 6.1 Anwendung von Leitungsrohren Einsatz von Leitungsrohren Normenbasis Typen, Abmessungen und Herstellprozesse von Leitungsrohren Historie Anforderungen an Leitungsrohre Mechanische Kennwerte und deren Bestimmung Widerstand gegen langlaufende Risse OffshorePipelines Anforderungen Schweißverhalten Korrosionseigenschaften Beschichtungen Eingesetzte Stähle, Stähle für längsnahtgeschweißte Leitungsrohre Stähle für nahtlose Leitungsrohre Schlussbemerkungen Stähle für den Werkzeugbau Werkstoffe für agrarische und industrielle Gesellschaften 777, Evelin Ratte 7.1 Eigenschaften von Werkzeugstählen Härte Zähigkeit Verschleißbeständigkeit Einteilung der Werkzeugstähle Kaltarbeitsstähle Warmarbeitsstähle Schnellarbeitsstähle Einsatzbereiche für Werkzeugstähle Stähle für Schneid und Stanzwerkzeuge Stähle für Druckgussformen Stähle für Walzen Stähle für die Kunststoffverarbeitung Werkzeuge zur Warmumformung Zerspanungswerkzeuge Zusammenfassung 795 XX

16 Hochwarmfeste Inhalt 8 Stähle für die Energietechnik Stähle für die ressourcenschonende Stromerzeugung Thermische Kraftwerke 801 Ulrich Brill 81.1 Einleitung Anforderungen an Werkstoffe für die Kraftwerkstechnik Hochtemperaturwerkstoffe Nasskorrosionswerkstoffe Zusammenfassung und Ausblick Stähle für eine Rauchgasentschwefelungsanlage 820 Wilfried Heimann 83 Kesselrohre für den Kraftwerksbau Einleitung Anforderungen an die Werkstoffe Bewährte Stähle Mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen Einflussgrößen auf die Kriecheigenschaften Zukünftige Entwicklungen Nichtrostende RohrAbhänger für Kraftwerke Stähle für Anwendungen im Haushalt, in der Medizintechnik und im Sportbereich Der Mensch im Mittelpunkt Stähle für Anwendungen im Haushalt 833, 91.1 Haushaltsgeräte Haushaltswaren Kochgeschirr Essbesteck und andere Messer Stähle für die Medizintechnik Chirurgische Instrumente Implantate Stähle für Anwendungen im Spiel und Sportbereich 847, 93.1 Spielund Sportgeräte Funktionselemente im Sport 848 XXI

17 Sprüche, Dauermagnetwerkstoffe Attraktive Inhalt 10 Stähle für Sonderanwendungen Kombination von funktionellen und strukturellen Eigenschaften Stähle für die Elektrotechnik 855, Markus Schulte, Weichmagnetische Stähle Nicht kornorientiertes Elektroblech und band Kornorientiertes Elektroblech und band Nichtrostende weichmagnetische Stähle Hartmagnetische Stähle Nichtmagnetisierbare Stähle Stähle mit guter elektrischer Leitfähigkeit Stähle und Legierungen für Heizleiter 868 Serosh Engineer 103 Stähle mit definierter Wärmeausdehnung Stähle für die Sicherheitstechnik Bügelschlösser Bauteile für die Sicherheit Feindraht für Schutzkleidung Nichtrostender Feinstdraht Hitzebeständige Ketten für ZementDrehrohröfen Additive Fertigung von Bauteilen aus Stahl 879 Christian Haase Einleitung Verfahren zur additiven Fertigung Prozessbedingte Besonderheiten Eingesetzte Stähle und ihre Anwendungen 882 Zu guter Letzt Weisheiten, Dummheiten, Mythen zu Eisen und Stahl 885 ANHANG Verzeichnis der im Buch erwähnten Normen 889 Stichwortverzeichnis 897 XXII