DE102008021963A1 - Wälzlager zum Einsatz in korrosiver und/oder schmierungsarmer Umgebung - Google Patents
Wälzlager zum Einsatz in korrosiver und/oder schmierungsarmer Umgebung Download PDFInfo
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft ein Wälzlager zum Einsatz in korrosiver und/oder schmierungsarmer Umgebung, umfassend wenigstens ein Lagerbauteil wie Lagering, Hülse oder Büchse, mit einer Wälzkörperlauffläche sowie auf der Wälzkörperlauffläche laufende Wälzkörper.
- Hintergrund der Erfindung
- Mitunter sind Wälzlager in problematischer Umgebung einzusetzen, beispielsweise bei Klimakompressoren (CO2-Kompressoren) oder Einspritzpumpen für Benzin oder Diesel. Die Wälzlager können dort nur bedingt mit Schmierstoff versorgt werden. Im Falle des Einsatzes bei einem Klimakompressor schädigt das Kältemittel häufig das Schmiermittel, so dass es auf lange Sicht zu einer ungenügenden Schmierung und damit zu einer Lebensdauerminderung kommt. Im Falle von Einspritzpumpen wird das Benzin oder der Dieselkraftstoff zur Schmierung herangezogen, was letztlich ebenfalls kein optimales Schmiermit tel ist. In diesen Fällen findet wegen der ungenügenden Schmierung eine Lebensdauerminderung statt. Auch eine etwaige korrosive Wirkung der auf das Wälzlager einwirkenden fluiden oder gasförmigen Medien kann zu einem Frühausfall der Wälzlager bei derartigen Einsatzzwecken führen.
- Um dem zu begegnen, werden die üblicherweise eingesetzten konventionellen Lager infolge der Mangelschmierung häufig etwas größer dimensioniert, gleichwohl fallen sie häufig wegen Verschleißes oder Korrosion früher aus. Die Verwendung besonders korrosionsbeständiger Stähle beispielsweise aus „Cronidur” scheitert häufig an den damit verbundenen höheren Kosten.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Wälzlager anzugeben, mithin also eine Lagerung zu schaffen, das bzw. die in korrosiver oder Mangelschmierungsumgebung, wie beispielsweise bei Einspritzpumpen oder in Klimakompressoren gegeben, betrieben werden können.
- Zur Lösung des Problems ist bei einem Wälzlager der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das in dem Wälzlager verwendete Lagerbauteil aus einem Kaltband mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,15–0,25% und einem Legierungsanteil von Chrom von mindestens 12% tiefgezogen ist und randseitig zur Bildung einer Wälzkörperlauffläche ein mit gelöstem Stickstoff angereichertes Martensitgefüge aufweist, derart, dass zumindest im randnahen Bereich ein im Wesentlichen plateauartiger Härteverlauf gegeben ist, dass das Lagerbauteil im Bereich der Wälzkörperlauffläche materialabtragend unter Ausbildung einer Oberflächengüte < Rz1 nachbearbeitet ist, wobei die Tiefe des Materialabtrags geringer ist als die Tiefe des Härteplateaus, und dass die Wälzkörper eine Oberflächenhärte von wenigstens 900 HV, insbesondere von wenigstens 1000 HV, aufweisen.
- Die Erfindung sieht zunächst den Einsatz eines aus einem Kaltband tiefgezogenen Lagerbauteils oder – wenn zur Bildung eines Innen- und Außenrings zwei solcher Lagerbauteile oder mehrere solcher Lagerbauteile einzusetzen sind – natürlich den Einsatz einer entsprechenden Anzahl dieser Lagerbauteile vor. Ein solches tiefgezogenes Lagerbauteil ist beispielsweise aus
DE 10 2004 048 172 A1 bekannt. Das Kaltband weist einen Kohlenstoffgehalt von 0,15–0,25% und einen Legierungsanteil von Chrom von mindestens 12% auf, ist also insoweit korrosionsbeständig. Zur Erzielung einer hinreichenden Randhärte im Bereich der Wälzkörperlauffläche wird der Bauteilrand in einem Temperaturverfahren aufgestickt, das heißt, es wird gelöster Stickstoff eingebracht. Die Temperaturbehandlung erfolgt bei Temperaturen von 1000–1200°C, der Stickstoffbehandlungsdruck beträgt bevorzugt 0,1–3 bar. Nach dem Aufsticken wird abgekühlt, so dass sich randseitig ein hartes Martensitgefüge ausbildet. Ein solches Lagerbauteil ist aufgrund des Tiefziehens einfach herzustellen, auch die Ausbildung der gewünschten harten Randschicht ist über die Temperaturbehandlung auf einfache Weise möglich. - Im Hinblick auf die Einsatzbedingungen ist jedoch die Oberflächengüte eines solchen tiefgezogenen Lagerbauteils infolge etwaiger Geometriefehler durch den Herstellprozess und der Rauigkeit durch das Ziehverfahren nur bedingt geeignet. Deshalb ist erfindungsgemäß ferner vorgesehen, nach der endgültigen Herstellung des Lagerbauteils dieses in einem separaten Nachbearbeitungsschritt materialabtragend unter Ausbildung einer Oberflächengüte < Rz1 nachzubearbeiten, wobei diese Nachbearbeitung natürlich primär nur im Bereich der Wälzkörperlauffläche erfolgt. Die Nachbearbeitung erfolgt derart, dass so wenig Material wie möglich abgetragen werden soll, bzw., dass der Materialabtrag so gering in die Tiefe erfolgt, dass er immer noch im Bereich des randseitig ausgebildeten Härteplateaus, das infolge der Sticksktoffdiffusion und Martensitgefügeausbildung gegeben ist, verbleibt. Das Martensitgefüge weist ein randseitiges Härteplateau auf, also einen Tiefenabschnitt, in dem die Härte infolge der Stickstoffdiffusion und Martensitgefügeausbildung sehr hoch ist und quasi plateauartig nur leicht nach innen abnimmt. Erst im Übergang zum stickstoffarmen Basisgefüge des Lagerbauteils nimmt die Härte deutlich ab. Die materialabtragende Nachbearbeitung erfolgt nun derart, dass so wenig Material wie möglich abgetragen wird und folglich die Härtezone mit der hohen Randhärte nicht verlassen bzw. abgetragen wird. Hierüber wird vorteilhaft sichergestellt, dass die Wälzkörperlauffläche sehr hart bleibt, gleichzeitig kann eine sehr gute Oberflächengüte mit < Rz1 bzw. deutlich darunter erreicht werden.
- Für den angestrebten Einsatz in einer Mangelschmierungsumgebung ist ferner die Verwendung von Wälzkörpern mit einer Oberflächenhärte von wenigstens 900 HV, insbesondere von wenigstens 1000 HV, erfindungsgemäß vorgesehen. Diese äußerst harten Wälzkörper in Verbindung mit der sehr harten Wälzkörperlauffläche an dem oder den Lagerbauteilen und der dort ausgebildeten äußerst guten Oberflächengüte führt nun kumulativ dazu, dass ein solches gleichwohl relativ einfach herstellbares Wälzlager auch in extremen Umgebungen wie einer Mangelschmierungsumgebung oder korrosiver Umgebung, wie sie beispielsweise bei Verwendung in Einspritzpumpen oder Klimakompressoren herrschen, eingesetzt werden können, ohne dass es infolge der ungenügenden Schmierung oder der aggressiven Umgebung zu einer vergleichbaren Lebensdauerminderung kommt, wie sie bei Verwendung konventioneller Lager auftritt. Denn trotz ungenügender Schmierung ist infolge der hohen Oberflächenhärten und Oberflächenguten der aufeinander abwälzenden Elemente ein hervorragender Wälzkörperlauf gegeben.
- Der Stickstoffgehalt am Rand des angereicherten Martensigefüges, in dem der Stickstoff nach der Gefügeumwandlung in gelöster Form verbleibt, sollte bevorzugt 0,05–1,5%, insbesondere 0,1–0,5%, betragen. Der Wärmebehandlungsprozess während des Aufstickens wird dabei zweckmäßigerweise so gesteuert, dass eine hohe bzw. maximale Stickstofflöslichkeit im austenitischen Ausgangsstahl gegeben ist, dass aber infolge der Kontrolle der Atmosphäre und der Abkühlbedingungen ein Ausscheiden von versprödend wirkenden Nitriden, vorzugsweise an den Korngrenzen, vermieden wird. Das Aufsticken, also das Einbringen des Stickstoffs in gelöster Form und das Einbinden in das Martensitgefüge hat weiterhin den Vorteil, dass hierdurch eine Oberflächenhärtung möglich ist, die Werte von wenigstens 58 HRC bzw. wenigstens 56 HV erreichen lässt. Diese Oberflächenhärte ist im Hinblick auf die geforderten mecha nischen Eigenschaften auch bei Einsatz in den in Rede stehenden Mangelschmierungsumgebungen ausreichend.
- Die Wälzkörper können, trotz der extrem hohen Oberflächenhärte, die sie aufweisen sollen, aus unterschiedlichen Materialien bestehen, beispielsweise aus einem Wälzlagerstahl, der eine insbesondere durch ein CVD- oder PVD-Verfahren erzeugte Oberflächenbeschichtung aufweist. Das heißt, dass in einem solchen Verfahren eine entsprechende Oberflächenschicht auf der Stahloberfläche abgeschieden wird, die die gewünschten Härtewerte aufweist.
- Alternativ können auch Wälzkörper aus Keramik verwendet werden, insbesondere Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumdioxid oder Zirkonoxid oder Mischungen aus zwei oder mehr dieser Materialien.
- Neben dem Wälzlager selbst betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerbauteils für ein Wälzlager der beschriebenen Art, bei welchem Verfahren ein austenitisches Kaltband mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,15–0,25% und einem Legierungsanteil von Chrom von mindestens 12% verwendet wird, aus dem das Lagerbauteil zunächst tiefgezogen und anschließend im Rahmen einer Temperaturbehandlung zumindest randseitig in einem eine Lauffläche für Wälzkörper bildenden Bereich in einer stickstoffreichen Atmosphäre angereichert wird, wonach das Bauteil zur Bildung eines Martensitgefüges, in dem der Stickstoff gelöst vorliegt, gekühlt wird, wobei das Martensitgefüge ein sich in die Tiefe erstreckendes Härteplateau bildet, gegebenenfalls gefolgt von einer weiteren Temperaturbehandlung nebst Abkühlung, wonach zur Ausbildung der Lauffläche ein Materialabtrag und eine Finishbehandlung derart erfolgt, dass die Abtragtiefe kleiner als die Tiefe des Härteplateaus ist und die Oberflächengüte < Rz1 beträgt.
- Der Materialabtrag kann beispielsweise durch Hartdrehen oder Schleifen erfolgen, für die Finishbehandlung bietet sich ein Rollierprozess an.
- Kurze Beschreibung der Zeichnung
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers einer ersten Ausführungsform im Schnitt, und -
2 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers einer zweiten Ausführungsform. - Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
-
1 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers1 einer ersten Ausführungsform in einer Schnittdarstellung. Das Wälzlager1 , das hier als Nadellager dargestellt ist, weist ein Lagerbauteil2 in Form eines Außenrings oder einer Außenhülse auf, wobei an der Innenseite dieses Lagerbauteils2 eine Wälzkörperlauffläche3 ausgebildet ist, auf der die Wälzkörper4 , die in einem nicht näher gezeigten Käfig gehalten sind, abwälzen. Das Lagerbauteil2 weist einen Radialabschnitt5 auf, an dessen Stirnseiten Borde6 ,7 zur Fixierung des Käfigs samt den Wälzkörpern ausgeformt sind. - Das Lagerbauteil
2 ist in einem Tiefziehverfahren aus einem Kaltband mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,15–0,25% und einem Legierungsanteil an Chrom von mindestens 12% tiefgezogen. Verwendbare Kaltbänder mit solchen Anteilen, die ein isotropes Umformverhalten, das eine homogene Wanddicke am gezogenen Bauteil gewährleistet, zeigen, sind beispielsweise X20Cr13 oder X22Cr13. Bei beiden handelt es sich um hochlegierte Stähle mit einem Chrom-Gehalt von rund 13% und einem Kohlenstoff-Gehalt von 0,20% im Falle des Bandes X20Cr13 bzw. einem Kohlenstoff-Gehalt von 0,22% beim Kaltband X22Cr13. Aufgrund der isotropen Eigenschaften des verwendeten Materials ist ein sehr präzises Tiefziehen möglich. - Um die Oberfläche des Lagerbauteils
2 , primär hier die Wälzkörperlauffläche3 , zur Einstellung der geforderten Tragfähigkeit zu härten, wird nach dem Tiefziehen eine Temperaturbehandlung durchgeführt. Hierbei wird in die Oberfläche des tiefgezogenen Lagerbauteils2 Stickstoff eingebracht, was bei einer Temperatur zwischen 1000–1200°C in einer stickstoffreichen Atmosphäre erfolgt. Der Stickstoff diffundiert in das Austenitgefüge, die Diffusionstiefe hängt vom herrschenden Stickstoffdruck, der Dauer der Temperaturbehandlung und dem verwendeten Bandmaterial ab. Nach Beendigung des Diffusionsschritts wird das heiße Lagerbauteil abgekühlt, um das Austenitgefüge in ein Martensitgefüge zu wandeln. Der bis dahin gelöst vorliegende Stickstoff liegt auch im erkalteten Martensitgefüge gelöst vor. Die eingebrachte Stickstoffmenge ist so zu wählen, dass es beim Abkühlen nicht zur Bildung von verspröden wirkenden Nitridausscheidungen kommt. Das Abkühlen selbst sollte relativ langsam mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mehreren 10°C/s erfolgen. - Die Temperaturbehandlung unter Ausbildung des mit Stickstoff angereicherten Martensitgefüges führt dazu, dass im Bereich des mit Stickstoff angereicherten Martensitgefüges eine größere Härte gegeben ist als im nicht angereicherten Material, das heißt, dass die Kernhärte der Materialzusammensetzung niedriger ist als die Randhärte im Bereich des angereicherten Martensitgefüges. Dort beträgt die Randhärte wenigstens 58 HRC bzw. wenigstens 650 HV, gegebenenfalls auch mehr. Es bildet sich letztlich ein plateauartiger Härteverlauf aus, das heißt, dass – gesehen auf den Querschnitt des Lagerbauteils – die Kernhärte von einem niedrigeren Härteniveau auf ein höheres Härteniveau im Bereich des stickstoffangereicherten Martensitgefüges ansteigt, wobei dieses höhere Härteniveau hier als „Härteplateau” bezeichnet wird.
- Im nächsten Schritt wird nun, um die gewünschte und erforderliche Oberflächengüte zu erreichen, eine materialabtragende Nachbearbeitung vorgenommen, die sich – nachdem die Wälzkörper
4 lediglich auf der Wälzkörperlaufbahn3 abwälzen – auf die Wälzkörperlaufbahn3 bezieht. In einem Dreh- oder Schleifvorgang wird die Oberfläche bearbeitet, wobei der Materialabtrag mög lichst gering ist und in seiner Tiefe so bemessen ist, dass in keinem Fall das randseitige hohe Härteplateau verlassen wird. Dieses und damit die Härteeigenschaften am Rand im Bereich der Wälzkörperlauffläche3 sollen zwingend auch nach Durchführung des Materialabtrags erhalten bleiben. Die Abtragtiefe liegt im Hinblick auf die relativ geringe Tiefe des Härteplateaus bei wenigen Hundertstel Millimetern. - Anschließend schließt sich eine Finishbehandlung, beispielsweise durch Rollieren, an, um die gewünschte Oberflächengüte von < Rz1 oder deutlich < Rz1 zu erreichen.
- Nach Fertigstellung des Lagerbauteils wird der nicht näher gezeigte Käfig mit den Wälzkörpern
4 eingebracht, woraufhin der zweite, den Käfig fixierende Bord7 (der Bord6 wird beispielsweise bereits während des Tiefziehens ausgebildet) ausgeformt wird. - Bei den verwendeten Wälzkörpern
4 handelt es sich ebenfalls um besonders hergestellte Wälzkörper, die eine extrem hohe Oberflächenhärte aufweisen. Beispielsweise kann es sich hierbei um Wälzkörper aus konventionellem Wälzlagerstahl handeln, die in einem CVD- oder PVD-Verfahren oberflächenbeschichtet wurden, wobei die aufgebrachte Oberflächenschicht die Härtewerte von bevorzugt wenigstens 1000 HV oder mehr aufweist. Alternativ ist auch der Einsatz von Keramikwälzkörpern aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen oder Mischungen daraus (z. B. SiC, SiN etc.) denkbar. -
2 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Wälzlager8 , das wiederum aus einem hier als Außenring dargestellten ersten Lagerbauteil9 mit einer radial nach Innen gerichteten Wälzkörperlauffläche10 besteht, vorgesehen ist hier ferner ein weites Lagerbauteil11 in Form eines Innenrings mit einer radial nach Außen gerichteten Wälzkörperlauffläche12 . Zwischen den beiden Lagerbauteilen9 und11 laufen auch hier Wälzkörper13 ,14 , bei denen es sich zum einen um Zylinderrollen (Wälzkörper13 ), zum anderen um Kugeln (Wälzkörper14 ) handelt. Es ist hier also ein kombiniertes Lager aus einem Zylinderrollenla ger und einem 4-Punkt-Lager dargestellt. Selbstverständlich ist dieser Lagertyp wie auch der Lagertyp gemäß1 nur exemplarisch und in keiner Weise beschränkend. Jedweder andere Lagertyp kann in der gleichen erfindungsgemäßen Weise aufgebaut werden. - Bei dem gezeigten Wälzlager
8 sind die beiden Lagerbauteile9 und11 jeweils erfindungsgemäß hergestellte Bauteile. Beide bestehen aus dem beschriebenen Kaltband und sind in einem Präzisions-Tiefziehverfahren hergestellt worden. Randseitig, also insbesondere im Bereich der Wälzkörperlaufflächen10 und12 , wurde wiederum die stickstoffangereicherte Martensit-Randschicht mit dem Härteplateau ausgebildet, die jeweils materialabtragend nachgearbeitet wurden, auch hier durch Hartdrehen oder Schleifen, woran sich die Finishbehandlung zur Einstellung der Oberflächengüte von vorzugsweise deutlich < Rz1 anschließt. - Die Wälzkörper
13 und14 sind ebenfalls, wie bereits bezüglich der Wälzkörper4 beschrieben, Wälzkörper mit extrem hoher Oberflächenhärte, wobei auch hier entweder beschichtete Wälzkörper aus einem Wälzkörperstahl oder Keramikwälzkörper eingesetzt werden können. -
- 1
- Wälzlager
- 2
- Lagerbauteil
- 3
- Wälzkörperlauffläche
- 4
- Wälzkörper
- 5
- Radialabschnitt
- 6
- Bord
- 7
- Bord
- 8
- Wälzlager
- 9
- Lagerbauteil
- 10
- Wälzkörperlauffläche
- 11
- Lagerbauteil
- 12
- Wälzkörperlauffläche
- 13
- Wälzkörper
- 14
- Wälzkörper
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004048172 A1 [0006]
Claims (8)
- Wälzlager zum Einsatz in korrosiver und/oder schmierungsarmer Umgebung, umfassend wenigstens ein Lagerbauteil wie Lagering, Hülse oder Büchse, mit einer Wälzkörperlauffläche sowie auf der Wälzkörperlauffläche laufende Wälzkörper, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerbauteil (
2 ,9 ,11 ) aus einem Kaltband mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,15–0,25% und einem Legierungsanteil von Chrom von mindestens 12% tiefgezogen ist und randseitig zur Bildung einer Wälzkörperlauffläche (3 ,10 ,12 ) ein mit gelöstem Stickstoff angereichertes Martensitgefüge aufweist, derart, dass zumindest im randnahen Bereich ein im Wesentlichen plateauartiger Härteverlauf gegeben ist, dass das Lagerbauteil (2 ,9 ,11 ) im Bereich der Wälzkörperlauffläche (3 ,10 ,12 ) materialabtragend unter Ausbildung einer Oberflächengüte < Rz1 nachbearbeitet ist, wobei die Tiefe des Materialabtrags geringer ist als die Tiefe des Härteplateaus, und dass die Wälzkörper (4 ,13 ,14 ) eine Oberflächenhärte von wenigstens 900 HV, insbesondere von wenigstens 1000 HV, aufweisen. - Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffgehalt am Rand 0,05–1,5%, insbesondere 0,1–0,5% beträgt.
- Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte im Bereich des Härteplateaus oberflächennah wenigstens 58 HRC beträgt.
- Wälzlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (
4 ,13 ,14 ) aus einem Wälzlagerstahl bestehen und eine insbesondere durch CVD oder PVD erzeugte Oberflächenbeschichtung aufweisen. - Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (
4 ,13 ,14 ) aus Keramik, insbesondere Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumdioxid oder Zirkonoxid oder Mischungen aus zwei oder mehr davon bestehen. - Verfahren zur Herstellung eines Lagerbauteils für ein Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein austenitisches Kaltband mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,15–0,25% und einem Legierungsanteil von Chrom von mindestens 12% verwendet wird, aus dem das Lagerbauteil zunächst tiefgezogen und anschließend im Rahmen einer Temperaturbehandlung zumindest randseitig in einem eine Lauffläche für Wälzkörper bildenden Bereich in einer stickstoffreichen Atmosphäre angereichert wird, wonach das Bauteil zur Bildung eines Martensitgefüges, in dem der Stickstoff gelöst vorliegt, gekühlt wird, wobei das Martensitgefüge ein sich in die Tiefe erstreckendes Härteplateau bildet, gegebenenfalls gefolgt von einer weiteren Temperaturbehandlung nebst Abkühlung, wonach zur Ausbildung der Lauffläche ein Materialabtrag und eine Finishbehandlung derart erfolgt, dass die Abtragtiefe kleiner als die Tiefe des Härteplateaus ist und die Oberflächengüte < Rz1 beträgt.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag durch Hartdrehen oder Schleifen erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Finishbehandlung durch Rollieren erfolgt.
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Publications (1)
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DE102008021963A1 true DE102008021963A1 (de) | 2009-11-05 |
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DE102008021963A Withdrawn DE102008021963A1 (de) | 2008-05-02 | 2008-05-02 | Wälzlager zum Einsatz in korrosiver und/oder schmierungsarmer Umgebung |
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- 2008-05-02 DE DE102008021963A patent/DE102008021963A1/de not_active Withdrawn
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