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DE2538377A1 - Pulvermetallurgisch gefertigter sinterkoerper, unter verwendung desselben hergestellter fabrikationsartikel und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Pulvermetallurgisch gefertigter sinterkoerper, unter verwendung desselben hergestellter fabrikationsartikel und verfahren zu dessen herstellung

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Publication number
DE2538377A1
DE2538377A1 DE19752538377 DE2538377A DE2538377A1 DE 2538377 A1 DE2538377 A1 DE 2538377A1 DE 19752538377 DE19752538377 DE 19752538377 DE 2538377 A DE2538377 A DE 2538377A DE 2538377 A1 DE2538377 A1 DE 2538377A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
density
spherical
zone
metal
theoretical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19752538377
Other languages
English (en)
Inventor
William I Chmura
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Textron Inc
Original Assignee
Textron Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Textron Inc filed Critical Textron Inc
Publication of DE2538377A1 publication Critical patent/DE2538377A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16C23/00Bearings for exclusively rotary movement adjustable for aligning or positioning
    • F16C23/02Sliding-contact bearings
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    • F16C23/043Sliding-contact bearings self-adjusting with spherical surfaces, e.g. spherical plain bearings
    • F16C23/045Sliding-contact bearings self-adjusting with spherical surfaces, e.g. spherical plain bearings for radial load mainly, e.g. radial spherical plain bearings
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
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Description

Pulvermetallurgisch gefertigter Sinterkörper,
unter Verwendung desselben hergestellter Fabrikationsartikel und Verfahren zu dessen Herstellung
Hie Erfindung bezieht sich auf einen pulvermetallurgisch gefertigten Sinterkörper mit einer Rotationsfläche, beispielsweise einen Kugelzonenkörper, wie einen solchen für Pendellager, sowie einen unter Verwendung desselben hergestellten Fabrikationsartikel, wie ein Pendellager. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein pulvermetallurgisches Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung solcher Fabrikationsartikel bzw« Sinterkörper.
JEs ist bekannt, Kugelzonenkörper durch maschinelle Bearbeitung von Kohlingen aus Metallrohr- oder -stabprofilen zur Verwendung in LageranOrdnungen, Kugelhähnen o.dgl. herzustellen. Ein bekanntes Verfahren besteht darin, daß die Bohrung des Rohlings mit einer Legierung auf Bleibasis mit niedrigem Schmelzpunkt, beispielsweise einer im Handel unter der Bezeichnung "Cerrobase" bekannten Legierung, gefüllt wird, so vorbereitete Rohlinge in großen Stückzahlen gemeinsam auf die
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gewünschte Kugelform geschliffen werden, die FülLegierung auf Bleibasis durch Schmelzen aus der Bohrung entfernt wird und die Bohrung fertiggeschliffen wird. In dieser Weise hergestellte Kugelzonenkörper sind teuer, und das verwendete Herstellungsverfahren ist etwas zeitraubend. Außerdem füllt wegen der maschinellen Bearbeitung eine erhebliche Menge an Abfallina terial an.
Es ist auch bekannt, Kugelzonenkörper für Pendellager auf pulvermetall urgischem Wege herzustellen» Dies geschieht dadurch, daß Metallpulver zu einem sogenannten Vorformling von im wesentlichen der gewünschten Form verpreßt wird und der Vorformling in einer nicht-oxydierenden Atmosphäre bei erhöhter Temperatur gesintert wird. Der gesinterte Vorformling kann zur Verbesserung der Maßgenauigkeit durch Schleifen fertigbearbeitet (kalibriert) werden, und die Dimensionen des Vorformlings sind also derart, daß bei diesem Nachschleifen nur möglichst wenig Metall beseitigt zu werden braucht. Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß infolge des geringen Metallabfalles eine hohe Nutzung des Metalles ermöglicht wird.
Pulvermetallurgische Verfahren zur Herstellung von kugelzonenförmigen Körpern als Kugeln für Lager sind in den US-PSen 1 656 508, 1 6ö4 984, 3 205 027 und 3 192 607 beschrieben. Die in diesen Patentschriften beschriebenen Kugeln sind porös und eignen sich zur Selbstschmierung. In diesem Zusammenhang wird auf die US-PS 3 205 027 hingewiesen, in der die Fertigung von Kugeln für Lager zur Verwendung in Pendellagerböcken beschrieben ist. Die Kugel wird aus herkömmlichen zu Pulver verarbeiteten Metallen, wie Gemischen aus 90 % Kupfer und 10 % Zinn; 77» 5 '/0 Kupfer, 7,5 V"o Zinn und 15 h Blei; 25 % Kupfer und 75 % Eisen; o.dgl., vorgeformt»
Die Vorformlinge werden in herkömmlicher Weise zu einem Er-
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Zeugnis mit schwarainartigen Eigenschaften gesintert. Die Kugeln werden herköinmlicherweise für selbstschmierende Lager verwendet, denn sie sind porös und können in den winzigen, untereinander verbundenen Poren des Vorformiings ca 25 Vol-/b Schmieröl aufnehmen. Dieser Typ von Lagern ist allgemein unter der Bezeichnung "Oilite"-Lager (selbstschmierende Lager) bekannt. Ein pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung von Lagerringen ist in der Ud-PS 3 783 794, ausgegeben am 1 ο Januar 1974, beschrieben.
Schwierigkeiten bereiten jedoch Kugelkörper der soeben beschriebenen Art bei Verwendung in Trockenlageranordnungen, wie Gleitlagern, bei denen der Kugelzonenkörper in einem äußeren Äingglied eingeschlossen ist, bei dem ein reibungsarraer Lagergleitstoff, beispielsweise in einem Kunststoff als Grundmaterial getragene Gewebe oder Fäden ο »dgl. aus TEFLON !i> (polytetrafluoräthylen) als Auskleidung verwendet wird, wobei das Außenringglied eine angepaßte Hohlkugelfläche aufweist, die der konvexen äußeren Kugelfläche des inneren Ringes oder des Kugelzonenkörpers entspricht. Diese Konstruktion schafft zwischen den beiden einander angepaßten oder ineinanderpassenden Lagerflächen eine Drehgleitfläche. Da die pulvermetallurgisch hergestellten, gesinterten Kugelkörper durchgehend porös sind, neigt die Oberfläche des Kugelkörpers zum korrodieren im Gebrauch, da wegen der Porosität der Oberfläche eine große Fläche freiliegt, und Prüfungen haben außerdem gezeigt, daß die textlien Lagergleitstoffe, die an solchen Flächen relativ gleiten, besonders verschleißanfällig sind. Da gesinterte Lagerkugeln durch Einstechschleifen auf Größe geschliffen werden können, kann die Oberfläche möglicherweise eine offene Struktur haben, die die Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und Korrosion weiter verschlechtert. Außerdem können nach dem Schleifen in den Poren kleine Metallteilchen zurückbleiben, die später den Gleitkunststoff angreifen. Es ist wichtig, daß der Kugelkörper
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der Kugelform in hohem Grad angenähert ist, da Abweichungen von der Kugelgestalt zu exzentrischem Lauf (camming), erhöhten Drehmomenten, erhöhten Fluchtungsfehlern usw. führen können. Ungenaue Kugelgestalt erhöht auch die Schwierigkeit der Gesenkschmiedearbeit oder der Wickelarbeit, die beim Anbringen des textlien Lagergleitstoffes an der Kugel auszuführen sind.
Es besteht also ein Bedürfnis nach einem verhältnismäßig billigen, pulvermetallurgisch hergestellten Kugelkörper für Lager, bei dem die genannten Schwierigkeiten beseitigt sind und der kommerziell von Nutzen ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kugelzonenförmigen Körper, wie einen Kugelkörper für Pendellager, sowie ein pulvermetallurgisches Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, wobei die Kugelfläche des gesinterten Pulvervorformlings durch mechanische Bearbeitung, beispielsweise durch Formgebung mittels Walzen, erheblich verdichtet wird, so daß die kugelige Lagerfläche im Vergleich zu pulvermetallurgisch hergestellten Kugeln, bei denen die Kugelfläche geschliffen ist und eine offene Struktur aufweist, im wesentlichen porenfrei und verfestigt ist. -
Ferner schafft die Erfindung als Fabrikationsartikel einen in einem Außenring eingeschlossenen Kugelzonenkörper, der an seiner Oberfläche oder in deren Nähe eine Zone von im Vergleich zu der poröseren Struktur eines nach dem Sintern oberflächengeschliffenen gesinterten, pulvermetallurgisch gefertigten Kugelkörpers hoher Dichte aufweist.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt.
Fig. 1 veranschaulicht ein typisches Pendellager mit einem
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Kugelzonenkörper, der in einem Außenring mit einer Auskleidung aus reibungsarmem textilem Lagergleitstoff eingeschlossen ist j
en
Fig. IA veranschaulicht ein/unter Verwendung des Kugelzonenkörpers gemäß der Erfindung hergestellten Kugelhahn;
Fig«, 2, 3 und 4 zeigen schematisch die verschiedenen Stadien des Presseiis bei der pulvermetallurgischen Fertigung von Kugelkörpern für Lager;
Fig« 5 zeigt einen typischen, nach dem Verfahren gemäß Fig. bis 4 pulvermetallurgisch hergestellten KugelkörperroJiling für ein Lager j
Fig. 6, 7 und 8 veranschaulichen beispielsweise die mechanische Bearbeitung des pulvermettalurgischen Rohlings durch Formen mittels Walzen;
Fig. 9 ist e ine Wiedergabe einer photographischen Aufnahme eines tiuerschnittes eines fertig bearbeiteten pulvermetallurgischen Kugelkörpers in 3»5-facher Vergrößerung, dessen Oberfläche zur höheren Verdichtung im Vergleich zu dem poröseren Bereich unter der Oberfläche mechanisch bearbeitet wurde;
Fig. 10 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit zwischen Verschleiß und Porosität nach 2^> 000 Hin- und Herschwingungen um ± 2$ unter einer Lagerbelastung von 3 100 kg (6 830 pounds) zum Zweck des Vergleiches der Abnutzung eines pulvermetallurgisch hergestellten Körpers mit geschliffener Oberfläche mit der eines aus Edelschweiß- oder -walzstahl hergestellten Kugelkörpers; und
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11 ist ein Schema einer Vers c tile iß prüf einrichtung, mit deren Hilfe die in Figo 10 veranschaulichten ¥erte gewonnen wurden.
Die Erfindung schafft im weitesten Sinn einen pulvermetallurgisch gefertigten Fabrikationsartikel, der aus einem gesinterten Metallpulverrohling geformt ist, der eine Rotationsfläche um eine durch den Artikel hindurchgehende feste Achse aufweist und dessen Rotationsfläche durch mechanische Bearbeitung auf eine hohe Dichte von mindestens ca 95 % der theoretischen Dichte des Sinterrnetallrohlings gebracht wurde. Die Dichte des Artikels nimmt über einen im wesentlichen zentralen Querschnitt vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, von einer Zone hoher Dichte in der Nähe der Rotationsfläche bis zu einer Dichte in der Gegend der Achse von mindestens ca. 70 'f> der theoretischen Dichte ab.
Als eine bevorzugte Ausführungsform des Fabrikationsartikels schafft die Erfindung einen Kugelkörper, wie einen Kugelzonenkörper, der aus einem gesinterten Pulvermetallrohling mit einer durchgehenden Bohrung (von Z0B. zylindrischem oder polygonalem Querschnitt) gebildet ist und dessen konvexe Kugelfläche in ähnlicher Weise wie oben beschrieben, mechanisch stark bearbeitet ist, so daß an der Oberfläche oder unmittelbar angrenzend an diese eine verfestigte Zone hoher Dichte geschaffen ist. Die durchschnittliche Dichte der Zone beträgt, wie oben erwähnt, mindestens ca. 95 % der theoretischen Dichte des Metalls, und die Oberfläche ist im wesentlichen porenfrei. Vorzugsweise, jedoch nicht unbedingt, ist der restliche Teil des Sintermetalls außerhalb der dichten Zone und einwärts der kugeligen Fläche im Vergleich zu dem dichten Bereich verhältnismäßig porös und kann eine durchschnittliche Dichte im Bereich von 70 L/o bis weniger als 95 fö, vorzugsweise 80 bis 90 %, der
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theoretischen Dichte des Metalls haben. Die dichte Zone an der kugeligen Fläche oder angrenzend an diese ist im wesentlichen der Dichte einer Schmiede— oder Walzmetallfläche angenähert und trägt zur Verbesserung der Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit daraus hergestellter Lager bei.
Wie oben bemerkt, werden Pendellager normalerweise dadurch hergestellt, daß ¥alzrohr- oder -stabprofile aus Metall auf die gewünschte Form spanend bearbeitet werden. Die Fabrikationsleistung bei diesem Verfahren ist jedoch gewöhnlich durch die zusätzlichen Arbeitsgänge des Abschneidens bzw. Bohrens sowie Schleifens begrenzt. Der bei der Herstellung von Pendellagern durch maschinelle Bearbeitung und Schleifen auftretende Materialverlust kann je nach der Fertiggröße des kugelzonenförmigen Körpers im Bereich von 20 bis 65 Gew. -1^ liegen. Der spanend bearbeitete Teil wird später warmbehandelt, geschliffen und mit anderen Bauteilen zur Bildung des Lagers zusammengebaut,
Die Erfindung hingegen schafft wirtschaftliche Vorteile bei der Herstellung von Kugelkörpern, insofex'n als das verwendete pulvermetallurgische Verfahren die nahezu 100/b-ige Ausnutzung des Ausgangsmaterials sowie wesentlich höhere Produktionsleistungen als die herkömmlicher Arbeitsweisen ermöglicht. Beispielsweise können pulvermetallurgische Rohlinge mit hohen Leistungen aus Pulver verdichtet und gesintert werden, und es sind Maschinen verfügbar, die die Kugelflächen von bis zu 1 800 Stück je Stunde mechanisch bearbeiten oder durch Walzen formen.
Ein bevorzugtes Verfahren, das bei der Herstellung des Pendel— lagers verwendet werden kann, ist schematisch in .Figo 2 bis 4 veranschaulicht. Fig. 2 zeigt eine G-esenkanOrdnung mit einem Gesenk 20, in dessen Hohlraum 21 von unten her ein unterer Stempel 22 mit einer zentralen Öffnung eintritt, durch die eine Kernstange 23 hindurchgeht, deren Durchmesser dem Durchmesser
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der zylindrischen Bohrung des herzustellenden kugeligen Lager— körpers entspricht. Der untere Stempel weist einen kugelzonenförmigen Hohlraum 22A auf, der der Hälfte des kugelzonenförmigen Umrisses des Lagerkörpers entspricht. In ähnlicher Weise ist ein oberer Stempel 2k vorgesehen, der eine zentrale Öffnung für die Aufnahme der Kernstange 23 aufweist, und ebenfalls einen kugelzonenförmigen Hohlraum enthalt, der der anderen Hälfte des kugelzonenförmigen Umrisses des Lagerkörpers entspricht. Wenn die beiden Stempel von den gegenüberliegenden Enden des üesenkhoiilraumes 21 her eingeführt werden, während durch beide Stempel die Kernstange durchgeht, bilden die Hohlräume der beiden Stempel zusammen einen Hohlraum von der Form des kugelzonenförmigen Lagerkörpers·
Wie aus FIg0 2 ersichtlich, wird nun dem Gesenk bei darin eingeführtem unterem Stempel mit der Kernstange loses Metallpulver 25 (beispielsweise Stahlpulver, wie aus Edelstahl Nr. 3"l6) zugeführt. Der obere Stempel übt dann den zur Erzeugnung des Vorformlinges 26 (Fig. 3) erforderlichen Druck aus, und der Vorformling wird dann (Fig. k) ausgeschoben, indem der Oberstempel 24 ausgezogen und der Unterstempel 22 so hoch gehoben \\rird , daß der Vorformling abgenommen werden kann.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt des unter Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens hergestellten Vorformlirigs 26 (im vorliegenden Fall aus Edelstahl). "Wie ersichtlich, weist dieser Vorformling entlang der Mittelebene einen umlaufenden Bund 27 auf, der später durch Walzen beseitigt oder ausgerundet wird. Es sind bisher bereits Anflächungen verschiedener Größen und geometrischer Formen an pulvermetallurgisch hergestellten Kugelkörpern vorgesehen worden. Sie alle beeinträchtigen jedoch die getreue und vollständige Kugelgestalt des Teiles und sind daher zur Anwendung bei Pendellagern mit Auskleidung aus textilem Lagergleitstoff nicht vertretbar. Der Vorformling hat in diesem Stadium der Herstellung eine Porosität, die im Bereich
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von 70 bis 90 ;·ο der theoretischen Dichte der Stahlmasse liegen kann.
Die Stahlpulvermasse wird also zu einem i<ohiing oder Vorformling von einer Dichte im Bereich von 70 bis 'JO ,o tier theoretischen Dichte des Metalis verdichtet,und der Vorformling wird dann unter im wesentlichen nicht-oxydiereriden und nicht-kohlenden Bedingungen bei erhöhter Temperatur (z.B. 1121 C) gesintert.
iJie verwendeten Typen von Metall- oder Stahlpulvern werden vorzugsweise nt:ch ihrer wirtschaftlichen Attraktivität sowie nach ihrer praktischen Brauchbarkeit für den angestrebten Verwendungszweck ausgewählt. Die i'ulverraasse kann aus einem Gemisch aus elementaren Pulvern bestehen. Im allgemeinen besteht bei derartigen Gemischen die Neigung zur BiLdung einer heterogenen Masse. Dies kann jedoch günstig sein, da derartige Massen beim Sintern vornehmlich unvollständig legiert werden und daher duktile Bereiche beibehalten, die die Bildung von Sprödbrüchen in den porösen Bereichen des Materials verhindern. Es können jedoch auch vorlegierte Pulver verxvendet werden, wie sie beispielsweise aus flüssiger Schmelze durch Zerstiiubung hergestellt werden.
Die Erfindung ist Dei einer großen Anzahl von Metallen anwendbar, wie bei Kupfer, Legierungen auf Kupferbasis (z.B. Messing, Bronze Oodgl.), Aluminium und Aluminiumlegierungen, Stahl (z.B. Edelstahl) und anderen Metallen.
Zu den geprüften Beispielen von pulvermetallurgischen Stählen gehören Nickelstahl mit 4 % Nickel; Edelstahl Nr0 JOk mit einem Gehalt von maximal 0,08 u/a C, max. 2 Mn, max. 1 '/ό Si, 18 bis 20 % Gr, 8 bis 12 Jo Ni, Rest im wesentlichen Eisen; Edelstahl Nr. 316 mit einem Gehalt von maximal 0,08 % G, max, 2 ic Mn, max. 1 uß> Si, 16 bis 18 $ Cr, 10 bis 14 °/b Ni, 2 bis 3 'ja
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Mu, icest im wesentlichen Eisen; Edelstahl Nr0 410 mit einem Gehalt von maximal O, 15 /o C, max, 1 ;o Mn, max. 0,5 Si, 11,5 bis Ij /ο Cr, Ke st im wesentlichen iisen. υ ie Ergebnisse des pulverme tallurgischen Verfahrens wurden mit Valz-EdeLstaiul Nr. 440C (wrought 440C S.S.) mit einem GehaLt von U,95 bis 1,2 % C, max. 1 io Mn, max» 1 /o Si, max ο 0,04 ;» P, max. 0,0 3 7° S, max α 0,75 /ο Mo» 1ό bis 18 /ό Cx", Rest im wesentlichen Eisen, verglichen.
Nach Herstellung des gesinterten Vorformlings auf pulvermetallurgischem Wege gemäß der Erfindung wird die konvexe Kugelfläche des Vorformiings mechanisch kaltbearbeitet, wodurch die Lagerflache eine hohe Dichte erhalt. Vorzugsweise geschieht dies durch Walzenformung unter Verwendung einer Vorrichtung des beispielsweise in Fig. 6 bis 8 gezeigten Typs. Jedoch kann natürlich jede beliebige Vorrichtung verwendet werden, die die konvexe kugelige Fläche des gesinterten Vorformiings verdichtet.
->&. pulvermetallurgisch hergestellte Materialien im- allgemeinen gegenüber Zug eine niedrige Duktilität aufweisen, ist es wichtig, daß während der mechanischen Bearbeitung, insbesondere des Formens mittels Walzen, Vorkehrungen getroffen werden, um sicherzustellen, daß der Vorformling sorgfältig bearbeitet wird, da sonst an der mechanisch bearbeiteten kugeligen Fläche Spannungsrisse auftreten könnten.
Die sehematische Fig„ 6 zeigt eine Stirnansicht eines Tragdornes 30, an dem der Vorformling 26 montiert ist und um den herum in Bogenabständen von im wesentlichen 120 drei Formwalzen 31, 32 und 33 an drehbaren ¥ellen 31A, 32A und 33A montiert sind. Die drehbaren Wellen sind gegen den Vorformling bewegbar und belastbar und weisen eine Umfangsnut von im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt auf, die zur Erzeugung der fertigen Kugelflache an dem Vorformling bestimmt ist. Dies ist deutlicher in der Teilansicht der Fig. 7 zu erkennen,
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die die an der «Teile 31A montierte Formwalze 3' im Abstand von dem an dein Lorn 30 montierten Vorformling 26 zeigt. Beim Heranführen der Walzen an den Vorformling (in die in Fig. 6 in strichpunktierten Linien dargestellten SteJlungen) wird über die iiundnuten am Umfang der Form salzen bei deren Drehung Druck ausgeübt, wodurch das Metall an der Oberfläche des Vorformlings zusammengedrückt und verfestigt wird. iJies ist aus Fig„ 8 zu ersehen, die die Formwalze 3"I in voller Eingriffsberührung mit dem kugelzonenförinigen Vorformling 26 zeigt, nachdem der Bund 27 entlang der Mittelebene (Figo 7) zur Schaffung einer präzise kugelförmigen Lagerfläche von hoher Dichte ausgeglättet wurde.
Eine bevorzugte Durchfuhrungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß ein gesinterter poröser, kugelzonenföriniger Kohl ing oder Vorformling einer Dichte im Bereich von 7ü bis 90 fo der theoretischen Dichte des Metalls hergestellt wird. In die Oberfläche des kugelzonenförmigen Lagerkörpers wird mechanisch eine Zone hoher Dichte von durchscJinittlieh, mindestens 95 der theoretischen Dichte des Metalls eingearbeitet, während der restliche Teil des Körpex^s unterhalb der dichten Zone vorzugsweise eine durchschnittliche Dichte von "JO bi s 90 Jo auf we ist.
in Schnitt durch ein Segment eines kugelzonenförmigen Lagerkörpers ist in Fig» 9 dargestellt, die eine Wiederg-.be einer Großaufnahme mit 3>5-fachur Vergrößerung darstellt» Das Segment 34 hat eine Zone 35 hoher Dichte an der kugelzonenförmigen Überfläche des Lagersegmentes und unte/ dieser, und der Bereich unterhalb dieser Zone, der sich der Fläche 36 der Bohrung annähert, ist merklich porös« Die Dichte der dichten Zone beträgt im allgemeinen mindestens 95 % der theoretischen Dichte, wahrend der poröse Bereich in der Nähe der Bohrung zu mindestens 70 /ο dicht ist, wobei die durchschnittliche Dichte des
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porösen Bereiches unterhalb der dichten Oberfläche im Bereich von 70 bis 90 /6 der theoretisdien Dichte liegt. Die dichte Zone an und nahe der konvexen Oberfläche des kugelzonenförmigen Lafierkörpors ersti-eckt sich über mindestens 10 /ό der Querschnittsdicke des Lagerkörpers, gemessen vom Scheitel der Kugelflache zur Leibung der Bohrung. Wie aus Fig» 9 ersichtlich, beträgt die dichte Zone, gemessen vom Scheitel des Mantels zur Leibung der Bohrung, annähernd JO /'0 der gesam-ten ^uerschnittsdikke. Die hochverfestigte Fläche braucht nicht so tief zu sein, solange nur die Porosität der Fläche im wesentlichen beseitigt ist und die Dichte an der Oberfläche und knapp unter dieser mindestens 95 Ί'° und vorzugsweise mindestens 98 °/o der theoretischen Dichte betragt.
Ein Vorteil des Druckformens der Oberfläche des Kugelkörpers mittels Walzen besteht darin, daß eine sehr hohe Glätte und eine hohe Härte erzielt wird. riqP.aulliiTkGit bstrr'gi; ^enigor als 15 -U-; (root -;ean scainr:: ni^cr ο inches).
Hohe Härte ist wichtig für die Erzielung der gewünschten Verschleißfestigkeit ο Im Falle eines auf pulvermetallurgischem Weg aus Edelstahl Nr. 316 hergestellten Lagerelementes kann der liärtegradient des (Querschnittes nach Formung durch Walzen bei Annäherung an die Bohrung von einem hohen Wert von 33 oder 34 HRC bis unter 22HRC reichen, und die Härte angrenzend an die Leibung der Bohrung beträgt lediglich 88 HHB (8,5 HRC). Es ist klar ersichtlich, daß das Walzen zu einer hohen Oberflachenhärte ■"'es Lagerteiles führt. Die Härte wird als Mikrohärte ermittelt, die es ermöglicht, die tatsächliche Härte der gesinterten Teilchen zu erfassen und somit die Poren zu umgehen.
Ein weiterer Vorteil des Formwalzens ist die ausgeprägte Verbesserung der Maßgenauigkeit des fertigen Teiles» Beim Walzen massiver Elemente wird die Maßgenauigkeit durch Fließen (bulk
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movement) de« Metalls beeinträchtigt, da dieses zu Dimensionsänderungen führt, während beim Walzen poröser Rohlinge gerade das Gegenteil eintritt.
Nach Herstellung der hochverdichteten Flache aus beispielsweise warmbehandelbarem Stattl kann der mechanisch bearbeitete Sintervorformling, wenn erwünscht, einer Wärmebehandlung unterzogen werden, indem er vor dem Abschreckhärten auf Austenitisierungstemperatur erhitzt wird» Vor dieser Wärmebehandlung kann, wenn erforderlich, ein Kohlen erfolgen. Durch das Erhitzen werden die durch das Sintern erzeugten Bindungen erhöht und verstärkt» Manche Zusammensetzungen, wie Edelstahl Nr0 316jbrauchen nicht wärmebehandelt zu werden. Wenn erwünscht, kann ein abschließendes Schleifen erfolgen, das jedoch im allgemeinen nicht notwendig ist.
Ein Beispiel eines Fabrikationsartikels, bei dem der Kugelkörper Anwendung finden kann, ist ein Pendellager, wie es in Fig. 1 teilweise geschnitten dargestellt ist. Die Figur zeigt den kugelzonenförmigen Lagerkörper 10 mit den Stirnflächen 11, 12 und einer durchgehenden zylindrischen Bohrung 13, und die kugelzonenf örmige Fläche i4 des Körpers ist innerhalb eines äußeren urnlaufenden Ringes 15 eingeschlossen, der ein textiles Kunststoffelement mit einer reibungsarmen Auskleidung 16 aus synthetischen Fäden, beispielsweise aus TEFLON "^ (PolytetrafIuoräthylen) ist, welch letztere an dem Außenring anhaftet und mit der kugeligen Fläche 14 des kugeligen Lagerkörpers schmiegend in Berührung steht. Der Außenring kann jedoch zur Schaffung eines metallisch abgestützten Pendellagers von verbesserter Maßgenauigkeii: aus Metall hergestellt sein.
Ein weiterer Artikel, bei dem der Kugelzonenkörper verwendet werden kann, ist ein Kugelhahn gemäß Fig„ IA, der ein Hahngehäuse 10A mit einer Öffnung 1 1.A am einen Ende und einer Öff-
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12A am gegenüberliegenden Ende sowie einer umlaufenden Kingschulter 1 JA aufweist, welch letztere, wie dargestellt,einwärts der Öffnung 1IA angeordnet ist. Einwärts der Öffnung 12A ist ein Ring IkA in einer Ringnut IkB montiert, und mit dem King ist eine Beilegscheibe 15A in Anlage gehalten. Auf diese Weise ist zwischen der tfingschulter 1 3A und der Beilegscheibe 15A eine Hahnkammer gebildet, in der sich in einem Abstand voneinander die kreisringförmigen Kükensitze 16a, 17A aus geeignetem Material, beispielsweise aus glasverstärktem TEFLONMi; (Polytetrafluoräthylen)j Buna-kautschuk o»dgl. befinden, die das Kugelküken 18A stützen, in dessen Aussparung 1°-A der Betätigungsschaft 2OA eingreift, der mit dem Handgriff 21A mittels einer G-riffbefestigungsmutter 22A gekoppelt ist. Durch Drehen des Handgriffes ist das Kugelküken zwischen zwei Stellungen verdrehbar, in deren einer die Bohrung IHB mit den Öffnungen 11A, 12A fluchtet und in deren anderer dieses Kü-ken die Öffnungen vei'schließt.
Da die Oberflachenporen des Kugelkörpers nach dem Verfahren gemäß der Erfindung verschlossen sind, wird ein Lecken von Gas oder Flüssigkeit verhindert, wobei der Kugelkörper gemäß der Erfindung für solche Anwendungsfälle wirtschaftlich ist.
Den beiden Fabrikationsartikeln laut obiger Beschreibung ist gemeinsam, daß sie kugelgelenkartig mit einem zweiten Glied zusammenwirken, dessen gekrümmte Fläche dem Kugelkörper angepaßt ist und sich mit diesem im wesentlichen in Berührung befindet, so daß die beiden Eleme-nte relativ zueinander drehbar sind, ohne Rücksicht darauf, ob das so gebildete Kugelgelenk ein Pendellager oder ein Kugelhahn oder ein ähnlicher Artikel ist.
¥ie oben bemerkt, sind durch Einstechschleifen hergestellte Flächen pulvermetallurgisch gefertigter Körper insofern nach-
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teilig, als die Flächen wegen der Porosität des Vorformling^ eine offene Struktur haben und die Lagerteile wegen dieser Porosität eine geringe Verschleißfestigkeit haben, Es ist daher wünschenswert, daß die Oberfläche des pulvermetallurgischen Vorforralings so nahe wie möglich der Präzisionsfläche eines massiven Lagerelementes, wie aus bchmiede— oder Schweißstahl, angenähert ist. Die T,vichtigkeit einer Oberfläche hoher Dichte geht aus de;n diagramm der Fig. 1O liervor, das die Beziehung zwischen Verschleiß und Porosität veranscliaulicht. 0 /ο Porosität entsprechen einem Lagerteil aus massivein Edelstahl (Schweißstahl) während poröse Teile pulvermetallurgisch mit Porositäten bis zu 20 /o hergestellt zu werden pflegen.
Die Prüfung wurde in der schematisch in Figo 11 gezeigten Weise durchgeführt. Figo 11 zeigt ein Lager 37 mit einer Velle 3B mit 12,7 mm (1/2 ") Durchmesser , die einen gesinterten kugelzonenf örtni&en Lagerkörper 39 trägt, der innerhalb eines Auüenringes 40 eines mit textilem Lagergleitstoff ausgekleideten Lagers eingeschlossen ist, dessen Auskleidung aus einer TtFLON-NOMEX-Harzkombination gebildet ist und mit der Kugelzonenflache in Berührung steht (TEFLONVy= Polytetrafluoräthylen; NOMtiX (t& = aromatische Polyamide). Der Außendurchmesser des Kugelzonenkörpers beträgt ca. 19 mm ( 3/4 " ).
Wie dargestellt, wirkt auf den äußeren Ring eine Belastung von 3 100 kg (6 83O pounds), und der Verschleiß wurde unter Verwendung eines in Fig. 11 schematisch dargestellten Anzeigegerätes 41 gemessen. Die Drehschwingungszahl um ί 25 betrug 10 Schwingungen je Minute bei Haumteraperatur. Der gesamte Verschleiß nach 25 000 Drehschwingungen (eine Drehschwingung ist eine Hin- und Herdrehung) wurde bestimmt, und dieser Wert wurde als Vergleichswert verwendet. Der Vergleich bezieht sich auf eine massive Oberfläche (mit 0 /o Porosität) gegenüber einer porösen Fläche und ist unabhängig von der Zusammensetzung des
hochtemperaturbeständige
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geprüften Stahles. Ein gesinterter, pulvermetallurgisch gefertigter Stahlkörper wurde oberfU.cliengeschliffen und wies eine i-orositiit von 7 70 auf, ein anderer pulvermetallurgie ch gefertigter Kugelkörper hatte eine geschliffene Überfläche und eine Porosität von 12 >, und ein dritter oberfIbchengeschliffener pulvermetallurgisch gefertigter Kugelkörper hatte eine Porosität von 17
Aus der Durchschnittskurve (Fig„ 10) ist zu ersehen, daß der Gesamtverschleiß an einer zu 100 70 dichten Fläche (der Gesamtverschleiß ist die Summe des Verschleißes der textlien Lagerausi=.leidung des Außenringes und des Verschleißes der Oberfläche des Lagerkörpers) 50 /um (0,002") beträgt. Aus den Daten der Kurve bei 10 Jo Porosität ergibt sich ein Gesamtverschleiß von 150,UiH (Ο,ΟΟό"), d.h. vom dreifachen ¥ert. Bei einer Porosität von 20 '-/o beträgt der durchschnittliche Verschleiß 225 /um (0,009"), doh. viermal so viel wie der Verschleiß einer zu 100 ο dichten Oberfläche.
Versuche haben gezeigt, daß die idealen Eigenschaften einer glatten massiven Fläche unter Verwendung von pulvermetallurgisch hergestellten Körpern im wesentlichen erreicht werden kann, vorausgesetzt, daß die Kugelfläche des gesinterten pulvermetallurgisch gefertigten Lagerkörpers derart mechanisch bearbeitet wird, daß er zu mindestens 95 und vorzugsweise zu mindestens 98 % dicht ist.
Obwohl die Erfindung oben nur anhand bevorzugter Ausfuhrungsiormen beschrieben wurde, erkennt der Fachmann die Möglichkeit mannigfaltiger Abänderungen und Abwandlungen im Rahmen des in den folgenden Ansprüchen niedergelegten Erfindungs— gedankens und ohne Abweichen von diesem.
Patentansprüche
-17=
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Claims (1)

  1. P a t e η t a η s ρ r ii c h e
    Aus einem Kohling aus gesintertem Metallpulver hergestellter Kugelkörper mit einer Bohrung, dadurch gekennzeichnet , daß
    a) die kugelige Oberfläche des Körpers eine mechanisch bearbeitete Oberfläche hoher Dichte von mindestens 95 "ja der theoretischen Dichte des Metalls ist und
    b) die Dichte des Kugelkörpers im Zentral schnitt durch den Kugelkörper von einem hohen Vert +an der kugeligen Oberfläche bis zu einem viert von mindestens "/O % der theoretischen Dichte angrenzend an die Bohrung abnimmt.
    2. Kugelkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die y,uerschnittsdicke der an die kugelige Oberflache angrenzenden Zone hoher Dichte mindestens 10 V0 der maximalen Querschnittsdicke, gemessen zwischen dem Scheitel der kugeligen Fläche und der Leibung der Bohrung,beträgt und die Dichte bei Annäherung an die Bohrung im Bereich von 7t) bis weniger als 95 % der theoretischen Dichte des Metalls liegt.
    3» Kugelkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Zone hoher Dichte an der kugeligen Fläche und angrenzend an diese eine durchschnittliche Dichte von mindestens 98 der theoretischen Dichte des Metalis hat und daß der restliche Teil des gesinterten Kugelkörpers unterhalb der dichten Zone eine durchin einer Zone
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    schnittliche Dichte von Sü bis 9 L-' .o der theoretischen iJichte des Metal Ls hat ο
    4, Aus einem lioliLing aus f.;e«interteiii Metallpulver hergestellter kugelzonenf örmifjer Lagerkörper mit einer Bohrung, dadurch gekennzeichnet , daß
    a; die kugelige Lagerflache cles Lagerkörpers eine ,üechanisch bearbeitete Oberfläche hoher Dichte von mindestens 95 /o der theoretisclien uichte des Metalls ist und
    b) die Dichte des kugelzonenf örrnxgen Lagerkörpers im Querschnitt von einem hohen tfert in einer Zone an der kugeligen Oberfläche des Lagerkörpers bis zu einem Wert von mindestens 70 der theoretischen Dichte angrenzend an die Bohrung abnimmt.
    5· Lagerkörper nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet , dai3 die ^uers chnittsdicke der an die kugelige Oberfläche des Lagerkörpers angrenzenden Zone hoher Dichte mindestens ca. 10 >o der maximalen Querschnittsdicke, gemessen zwischen dem Scheitel der kugeligen Oberfläche und der Leibung der Bohrung, beträgt und die Dichte bei Annäherung an die Bohrung in einem Bereich von 70 bis weniger als 95 A» der theoretischen Dichte des Metalls liegt.
    ο Lagerkörper nach Anspruch 51 dadurch gekennzeichnet , daß die Zone hoher Dichte an der kugeligen Oberfläche und angrenzend an diese eine durchschnittliche Dichte von mindestens 98 °jo der theoretischen Dichte des Metalls hat und der restliche Teil des gesinterten kugelzonenförmigen Lagerkörpers unterhalb der dichten Zone eine durchschnittliche Dichte von 80 bis 90 %
    -19-
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    der theoretischen Dichte des Metalls hat.
    7. Kugelgelenk, bestehend aus einem kurelzonenförmigen Körper aus einem Rohling aus gesintertem Metallpulver mit einer durchgehenden Bohrung und einem mit jenem zusammenwirkenden Teil mit einer gekriüpmten Fläche, die mit jenem im wesentlichen in Berührung gehalten ist und in bezug auf jenen relativ beweglich ist, dadurch gekennzeichnet , daß
    a) die Oberfläche des Kugelkörpers eine mechanisch bearbeitete Fläche hoher Dichte von mindestens 95 7° der theoretischen Dichte des Metalls ist und
    b) die Dichte des Kugelkörpers im querschnitt von einem hohen Wert in einer Zone angrenzend an die kugelige Oberflache einwärts bis zu einem tfert von mindestens 70 /Ό der theoretischen Dichte des Metalls angrenzend an di e Bohrung abnimmt.
    Kugelgelenk nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß die Querschnittsdicke der an die gekrümmte Flache des Kugelkörpers angrenzenden Zone hoher Dichte mindestens 10 ';b der maximalen Querschnittsdicke, gemessen zwischen dem ocheitel der gekrümmten Fläche und der Leibung der Bohrung, beträgt und die Dichte bei Annäherung an die Bohrung im Bereich von 70 bis weniger als 95 'h der theoretischen Dichte des Metalls liegt.
    9. Kugelgelenk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Zone holier Dichte an der gekrümmten Flache des kugelzonenförmigen Körpers und angrenzend an diese eine durchschnittliche Dichte von mindestens 98 ia der theoretischen Dichte des Metalls hat und
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    dei' restliche Teil des gesinterten kuf;elzorienforr"i;:en Körpers einwärts der dichten Zone eine durchschnittliche Dichte von 80 bis 90 > der theoretischen Dichte des Metal Is hat.
    1ü. Pendellager mit einem Außenring, der eine kugelzonenringfönnige Lagerkaminer begrenzt, in der ein kugelzonenförraiger Lagerkörper aus einem Rohling aus gesintertem Metallpulver eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet , dai3
    a) die kugelige Lagerfläche des Lagerkörpers eine mechanisch bearbeitete Oberfläche hoher Dichte von mindestens 95 der theoretischen Dichte des Metalls ist und
    b) die Dichte des kugelzonenförmi^en Lagerkörpers im Querschnitt von einem hohen Wert in einer Zone angrenzend an die kugelige Lagerfläche des Lagerkörpers einwärts bis zu einem Wert von mindestens 70 /o der theoretischen Dichte angrenzend an die Bohrung abnimmt.
    11o Pendellager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Querschnittsdicke der an die kugelige Lagerfläche des kugelzonenförmigen Lagerkörpers angrenzenden Zone hoher Dichte mindestens 10 % der maximalen Querschnittsdicke, gemessen zwischen dem Scheitel der kugeligen Lagerfläche und der Leibung der Bohrung, beträgt und die Dichte des Metalls bei Annäherung an die Bohrung in einem Bereich von 70 bis weniger als 95 % der theoretischen Dichte des Metalls liegt.
    12. Pendellager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Zone hoher Dichte an der kugeligen Lagerfläche des kugelzonenförmigen Lager-
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    körpers und angrenzend an diese eine durchschnittliche Dichte von mindestens 98 /° der theoretischen Dichte des Metalls hat und daß der restliche Teil des gesinterten kugelzonenförmigen Lagerkörpers einwärts der dichten Zone eine durchschnittliche Dichte von 80 bis 90 ,Ό der theoretischen Dichte des Metalls hat.
    13o Auf pulvermet al lurgi schein Weg hergestellter Fabrikationsartikel aus einem Rohling aus gesintertem MetallpuL-ver mit einer um eine feste Achse durch den Artikel gebildeten Rotationsfläche, dadurch gekennzeichnet , daß
    a) die Rotationsfläche des Artikels auf eine hohe Dichte von mindestens 95 % der theoretischen Dichte des Sintermetallrohlings mechanisch bearbeitet ist und
    b) die Dichte des Artikels im Zentralschnitt durch denselben von einem hohen Wert in einer Zone angrenzend an die Rotationsfläche bei Annäherung an die Achse auf einen Wert von mindestens 70 % der theoretischen Dichte abnimmt.
    14o Artikel nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet , daß die Zone hoher Dichte an der Rotationsflache und angrenzend an diese eine durchschnittliche Dichte von mindestens 98 aja der theoretischen Dichte des Metalls hat und der restliche Teil des gesinterten kugelzonenförraigen Lagerkörpers einwärts der dichten Zone eine durchschnittliche Dichte von 80 bis 90 % der theoretischen Dichte des Metalls hat.
    15· Verfahren zur Herstellung eines pulvermetallurgisch ge-
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    fertigten Gegenstandes mit einer Rotationsfläche nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß
    a) ein poröser .Kon Ling aus gesintertem Metallpulver hergestellt wird, dessen Drehfläche um eine feste Achse durch den Rohling gebildet ist,
    b) die Rotationsfläche des Gegenstandes zur Erzeugung einer Zone hoher Dichte an der Rotationsfläche mit einer Dichte von mindestens 95 ''*> der theoretischen Dichte des Metalls mechanisch bearbeitet wird und
    c) der verbleibende Teil des gesinterten Met;Ils einwärts der dichten Zone gegen die Achse bin im wesentlichen porös bleibt und eine durchschnittliche Dichte von mindestens 7^ '*> der theoretischen Dichte des Metalls behalt,,
    16o Verfahren zur Herstellung eines kugelzonenförniir>en Körpers nach einem der Ansprüche 1 bis Ik auf pulvermetallurgischem Veg, dadurch gekennzeichnet, daß
    a) ein poröser Rohling aus gesintertem Metallpulver in der Form eines Kugelzonenkörpers mit durchgehender Bohrung hergestellt wird,
    b) die kugelzonenförmige Oberflache des Körpers zur Herstellung einer Zone hoher Dichte an der kugeligen Fläche und angrenzend an diese mit einer Dichte von mindestens 95 % eier theoretischen Dichte des Metalls mechanisch bearbeitet wird und
    -23—
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    c) der restliche Teil des Sintermetalls einwärts der dichten Zone im wesentlichen porös bleibt und eine durchschnittliche Dichte von mindestens 70 'h der theoretischen uichte des Metalls behält.
    17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche des Kugelköx'pers durch Formen mittels Walzen mechanisch bearbeitet wird und daß die Zone holier Dichte eine Dicke von mindestens 10 /b der i^uerschnittsdicke, gemessen vom Scheitel der Fl.;.; ehe bis zur Leibung der Bohrung, erhält.
    18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis I7» dadurch gekennzeichnet , daß die kugelige Oberfläche zur Schaffung einer Zone hoher Dichte, in der die durchschnittliche Dichte mindestens 98 >b der theoretischen Dichte des Metalls beträgt, mittels Walzen geformt wird und der restliche Teil des Sintermetalls unterhalb der dichten Zone eine durchschnittliche Dichte von 70 bis weniger als 95 > der theoretischen Dichte des Metalls behält.
    19« Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß das Sintermetall unterhalb der dichten Zone eine durchschnittliche Dichte von 80 bis 90 % der theoretischen Dichte des Metalls erhält.
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DE19752538377 1974-09-05 1975-08-28 Pulvermetallurgisch gefertigter sinterkoerper, unter verwendung desselben hergestellter fabrikationsartikel und verfahren zu dessen herstellung Withdrawn DE2538377A1 (de)

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