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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen nach diesem Verfahren hergestellten Kolben.
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Aus der
DE 10 2010 033 881 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor aus einem ersten Kolbenbauteil mit mindestens einer Fügefläche und einem zweiten Kolbenbauteil mit mindestens einer Fügefläche bekannt. Dabei wird zunächst ein Rohling des ersten Kolbenbauteils aus einem Vergütungsstahl oder einem ausscheidungshärtenden Stahl und ein Rohling des zweiten Kolbenbauteils, ebenfalls aus einem Vergütungsstahl oder einem ausscheidungshärtenden Stahl bereitgestellt. Anschließend werden die Rohlinge vergütet und mittels Reibschweißen über ihre Fügeflächen miteinander verbunden, wobei sich eine Reibschweißnaht mit einer Wärmeeinflusszone bildet. Danach erfolgt ein Anlassen der Wärmeeinflusszone sowie abschließend ein Nachbearbeiten bzw. Fertigbearbeiten.
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Aus der
DE 10 2010 033 879 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Kolbens aus zwei Kolbenbauteilen bekannt, die durch Induktion oder durch einen direkten Stromfluss über ihre Fügeflächen miteinander verschweißt werden. Anschließend erfolgt gegebenenfalls ein Fertigbearbeiten.
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Aus der
DE 10 2007 026 328 A1 ist generell ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines ersten Bauteils aus einem hochwarmfesten Werkstoff mit einem zweiten Bauteil aus einem anderen, hochwarmfesten Werkstoff bekannt, das sich im Vergleich zum Werkstoff des ersten Bauteils bei geringeren Temperaturen verformt. Eine Verbindung erfolgt dabei durch Reibschweißen. Um eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen, wird die Reibschweißfläche des ersten Bauteils aus dem hochwarmfesten Werkstoff vor dem Reibschweißen erwärmt, so dass sich eine möglichst homogene Wärmeverteilung in radialer und axialer Richtung ergibt.
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Generell erfolgt bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens aus zwei Kolbenbauteilen mittels Reibschweißen eine sehr hohe lokale Erhitzung im Bereich der Schweißnaht bzw. der Fügeflächen bis knapp unterhalb der Solidustemperatur. Nach Abschluss der Reibschweißverbindung kühlt die Schweißzone vergleichsweise schnell ab, wodurch es nicht nur zu inneren Spannungen, sondern auch zu einem Aufhärten des Materials kommen kann. Um insbesondere das Aufhärten wenigstens teilweise rückgängig zu machen, erfolgt üblicherweise ein Spannungsarmglühen bzw. Anlassen, wozu der geschweißte Kolben üblicherweise in einem Ofen bei 550 - 580 °C wärmenachbehandelt wird. Dieser Vorgang dauert jedoch wenigstens mehrere Minuten bis hin zu Stunden und erfordert zudem weitere Anlagen und Arbeitsschritte, wodurch sich die Herstellung eines solchen Kolbens insgesamt verteuert.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die bei möglichst gleicher Taktzeit eine unerwünschte Aufhärtung im Bereich einer Schweißzone vermeidet, um so den Wärmenachbehandlungsofen einzusparen.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einem aus zwei Kolbenbauteilen mittels einer Reibschweißverbindung hergestellten Kolben noch in einer Reibschweißmaschine durch einen Stromfluss Wärme zuzuführen und dadurch die zur Aufhärtung des Materials führende schnelle Wärmeableitung aus der Schweißnaht bzw. der Wärmeeinflusszone durch den Stromfluss gezielt zu verlangsamen. Dieses konduktive Nachheizen hat dabei zwei Vorteile, da der elektrische Widerstand stark temperaturabhängig ist. Bei einem Stahl ist der elektrische Widerstand bei 1.000°C ca. sieben Mal so hoch wie bei 20°C, was bewirkt, dass an der heißen Schweißnaht bzw. an der Wärmeeinflusszone beim Bestromen der höchste Spannungsabfall auftritt, also vor allem dort Wärme nachgeliefert wird, ohne dass die umliegenden kälteren Teile der Kolbenbauteile durch den Stromfluss unerwünschter Weise zu heiß werden. Hierdurch ist es zusätzlich möglich, unterschiedliche Längen der Wärmeleit- bzw. Stromleitpfade im schweißnahtfernen Bereich des Kolbens zu kompensieren, da sich der Wärmeeintrag aufgrund des temperaturabhängigen elektrischen Widerstands stark auf die Schweißnaht bzw. die Wärmeeinflusszone konzentriert. Darüber hinaus tritt auch ein gewisser Regelungseffekt über die üblicherweise zwei Schweißnähte mit parallel geschalteten Strompfaden in der Weise ein, dass eine schnellere Abkühlung einer Schweißnaht bzw. einer Wärmeeinflusszone den dortigen elektrischen Widerstand senkt und damit den Stromfluss ebendort erhöht (bei konstant angelegter Spannung) oder den Strom von heißeren auf kältere Pfade verlagert (bei konstantem Gesamtstrom). Beides wirkt einer unterschiedlich schnellen Abkühlung der Schweißnähte bzw. einzelner Abschnitte innerhalb einer Schweißnaht entgegen. So lässt sich durch Anlegen eines passenden Spannungsprofils/Stromverlaufs für einige Sekunden der Abkühlungsprozess der Schweißnähte bzw. der Wärmeeinflusszonen gezielt steuern und insbesondere eine dort ansonsten auftretende Aufhärtung aufgrund eines zu schnellen Wärmeabflusses verhindern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gliedert sich dabei in folgende Verfahrensschritte: Zunächst erfolgt ein Einspannen eines ersten Kolbenbauteils des Kolbens in eine erste Halteeinrichtung einer Reibschweißmaschine, woraufhin ein Einspannen eines zweiten Kolbenbauteils in einer zweiten Halteeinrichtung der Reibschweißmaschine erfolgt. Jedes dieser beiden Kolbenbauteile besitzt mindestens eine Fügefläche, in welcher später die Reibschweißnaht verläuft. Anschließend erfolgt ein Verbinden des ersten Kolbenbauteils mit dem zweiten Kolbenbauteil über ihre Fügeflächen mittels Reibschweißen zu einem Kolbenrohling unter Bildung mindestens einer Reibschweißnaht mit einer Wärmeeinflusszone im Bereich der Fügeflächen. Nach Beendigung der Reib- und Bremsphase, das heißt nach einem Stoppen einer Drehbewegung beispielsweise der zweiten Halteeinrichtung, wird durch den noch eingespannten Kolbenrohling über die erste Halteeinrichtung, den Kolbenrohling und die zweite Halteeinrichtung ein elektrischer Strom geleitet und dadurch insbesondere die Reibschweißnaht bzw. die Wärmeeinflusszone nachgeheizt, wodurch diese nicht so schnell abkühlt und dadurch ein unerwünschtes Aufhärten des Materials in diesem Bereich zumindest reduziert werden kann. Stoppt somit beispielsweise die Halteeinrichtung, können automatisiert Stromzuleitungen an die beiden Halteeinrichtungen, beispielsweise Spannbacken, angelegt und dadurch der Stromdurchfluss durch die erste Halteeinrichtung, den Kolbenrohling und die zweite Halteeinrichtung aktiviert werden. Das Nachheizen erfolgt somit noch innerhalb der Reibschweißmaschine und vorzugsweise zumindest teilweise noch während einer Stauch- und Nachpressphase. Die Wärmebehandlung des noch eingespannten Kolbens ist dadurch taktzeitneutral oder führt allenfalls zu einer minimalen Taktzeitverlängerung. Diese Wärmebehandlung ist insgesamt deutlich kürzer, als dies bei einem bislang erfolgten nachträglichen Anlassen bzw. Spannungsarmglühen in einem separaten Ofen der Fall war. Nach dem Schweißen und Nachheizen wird der Kolbenrohling aus der Reibschweißmaschine entnommen und gegebenenfalls noch nachbearbeitet bzw. zu einem Kolben fertig bearbeitet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich somit insbesondere der Aufwand an Anlagen durch den Entfall des Ofens und der Energieverbrauch deutlich reduzieren, da die Wärmebehandlung im unmittelbaren Anschluss an die Herstellung der Reibschweißverbindung durch Anlegen des Stroms erfolgen kann. Eine Entnahme des Kolbenrohlings aus der Reibschweißmaschine, ein damit verbundenes schnelles Abkühlen und damit Aufhärten der Wärmeeinflusszone bzw. der Reibschweißnaht sowie ein anschließendes Verbringen des Kolbenrohlings in einen separaten Ofen zum Anlassen bzw. Spannungsarmglühen kann dadurch gänzlich vermieden werden. Durch den erfindungsgemäß noch in der Reibschweißmaschine angelegten Strom ist es aufgrund des temperaturabhängigen Widerstandes zudem möglich, die Wärmebehandlung lokal im Bereich der Reibschweißnaht bzw. der Wärmeeinflusszone durchzuführen, wodurch ein komplettes Aufheizen des Kolbenrohlings gänzlich entfallen kann. Auch hierdurch lässt sich erheblich Energie einsparen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind das erste Kolbenbauteil und das zweite Kolbenbauteil aus Stahl ausgebildet. Dies kann ein vergüteter bzw. ausscheidungsgehärteter Stahl sein, wodurch mittels einer entsprechenden Wärmebehandlung eine erhöhte Festigkeit von Legierungen erzielt werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird in Schritt f.) der Kolbenrohling mit mindestens einer Ringnut, insbesondere einer Kolbenringnut, versehen. Hierbei wird der Kolben mittels eines spanabhebenden Werkzeugs bearbeitet, insbesondere gedreht.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird in Schritt a.) ein erstes Kolbenbauteil mit einer äußeren Fügefläche und einer inneren Fügefläche sowie einem zwischen den beiden Fügeflächen umlaufenden unteren Kühlkanalteil bereitgestellt und in Schritt b.) ein analoges zweites Bauteil mit ebenfalls einer äußeren und einer inneren Fügefläche sowie einem zwischen beiden Fügeflächen umlaufenden oberen Kühlkanalteil. Durch eine Reibschweißverbindung dieser beiden Kolbenbauteile kann somit ein Kühlkanal zwischen den beiden Fügeflächen und begrenzt durch die beiden Kühlkanalteile geschaffen werden. Dabei ist klar, dass die erfindungsgemäße stromdurchflussbedingte Wärmebehandlung unabhängig von der Anzahl der Reibschweißnähte bzw. der Wärmeeinflusszonen bei allen gängigen Kolbenrohlingen eingesetzt werden kann.
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Zweckmäßig erfolgt in Schritt d.) ein Wärmebehandeln bei ca. 550°C. Der Stromdurchfluss durch den Kolbenrohling kann beispielsweise so geregelt werden, dass eine maximale Abkühlgeschwindigkeit des Kolbenrohlings im Bereich seiner zumindest einen Reibschweißnaht bzw. im Bereich seiner zumindest einen Wärmeeinflusszone nicht überschritten wird, wodurch ein unerwünschtes Aufhärten in diesem Bereich vermieden werden kann. Denkbar hierbei sind selbstverständlich auch ein Ändern der Spannung bzw. der Stromstärke, wodurch eine gezielte Wärmebehandlung erreicht werden kann, die zudem durch den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand im Kolbenrohling unterstützt wird.
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Zweckmäßig erfolgt in Schritt d.) ein Wärmebehandeln, das heißt ein Stromdurchfluss vorzugsweise im Bereich von Sekunden. Durch diese vergleichsweise kurze Wärmebehandlungsdauer von bis zu einer Minute, besonders bevorzugt bis zu 10 Sekunden, wird die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht ausreichend verlangsamt, ohne die Taktzeit (wesentlich) zu verlängern. Hierdurch kann das Verfahren idealerweise taktzeitneutral angewandt werden.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Kolben anzugeben, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Dies lässt sich bei solchen Kolben vergleichsweise einfach durch ein entsprechendes Gefügebild bestätigen. Durch die erfindungsgemäß verlangsamte Abkühlung der Schweißnaht entsteht weniger Martensit im Gefüge als beim konventionellen Reibschweißen mit schneller Abkühlung und nachträglicher Wärmebehandlung.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Die einzige 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Reibschweißmaschine mit einem darin angeordneten Kolbenrohling.
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Entsprechend der 1, ist ein in einer Reibschweißmaschine 1 eingespannter Kolbenrohling 2 nach dem Herstellen einer zwischen einem ersten Kolbenbauteil 3 und einem zweiten Kolbenbauteil 4 angeordneten Reibschweißnaht 5 dargestellt. Das erste Kolbenbauteil 3 ist im vorliegenden Fall als Kolbenunterteil und das zweite Kolbenbauteil 4 als Kolbenoberteil, das teilweise die Brennraummulde 6 enthält, ausgebildet. Um nun ein übermäßig schnelles Abkühlen der Reibschweißnaht 5 und einer sich daran anschließenden Wärmeeinflusszone 15 zu verhindern, wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren nach Herstellen der Reibschweißnaht 5 die Wärmeeinflusszone 15 durch einen Stromfluss erwärmt.
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Die Herstellung des Kolbenrohlings 2 bzw. eines Kolbens erfolgt dabei wie folgt:
- Zunächst wird das erste Kolbenbauteil 3 in eine erste Halteeinrichtung 7, beispielsweise einen Spannbacken, der Reibschweißmaschine 1 eingespannt (Verfahrensschritt a.)). Die erste Halteeinrichtung 7 kann dabei als Schlitten ausgebildet sein. Danach oder zeitgleich wird das zweite Kolbenbauteil 4 in eine zweite Halteeinrichtung 8, die ebenfalls Spannbacken aufweisen kann, eingespannt (Verfahrensschritt b.)), wobei die zweite Halteeinrichtung 8 relativ zur ersten Halteeinrichtung 7 drehbar ist und dadurch als Spindel bezeichnet werden kann. Das erste Kolbenbauteil 3 besitzt dabei mindestens eine im Bereich der späteren Reibschweißnaht 5 liegende Fügefläche 9, hier sogar zwei Fügeflächen 9 ebenso wie das zweite Kolbenbauteil 4, wobei die erste Fügefläche 9 auch als äußere Fügefläche 9a und die zweite Fügefläche 9 als innere Fügefläche 9b bezeichnet werden kann.
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Nach dem Herstellen der Reibschweißnaht 5 bzw. der Reibschweißnähte 5 (Verfahrensschritt c.)), wird der Kolbenrohling 2 im noch in der Reibschweißmaschine 1 eingespanntem Zustand bestromt (Verfahrensschritt d.)), das heißt es wird ein elektrischer Strom durch den noch eingespannten Kolbenrohling 2, nämlich über die erste Halteeinrichtung 7, den Kolbenrohling 2 und die zweite Halteeinrichtung 8 hindurchgeleitet und dadurch zumindest die Reibschweißnaht 5 bzw. die angrenzenden Wärmeeinflusszonen 15 wärmebehandelt. Hierzu sind an der ersten Halteeinrichtung 7 und an der zweiten Halteeinrichtung 8 entsprechende Stromzuführungen 10 vorgesehen. Konkret kann dies beispielsweise dadurch erfolgen, dass unmittelbar nach dem Stoppen der Spindel, das heißt nach Stoppen der Drehbewegung der zweiten Halteeinrichtung 8, die Stromzuleitungen 10 an die Spannbacken der ersten und zweiten Halteeinrichtung 7, 8 angelegt werden. Schleifringe oder ähnliches sind ebenfalls denkbar, aber nicht zwingend erforderlich. Anschließend wird Strom durch die Stromzuleitungen 10 und die Halteeinrichtung 7, 8 bzw. den Kolbenrohling 2 geleitet, wobei die hierdurch bewirkte konduktive Wärmebehandlung zwei überraschende Vorteile besitzt, da der elektrische Widerstand stark temperaturabhängig ist. Der elektrische Widerstand bei 1.000°C beträgt ungefähr das Siebenfache des elektrischen Widerstandes bei 20°C beim selben Material. Dies bewirkt in der Reihenschaltung entlang eines Strompfades, dass an der heißen Schweißstelle, das heißt im Bereich der Reibschweißnaht 5 bzw. der Reibschweißnähte 5 im Bereich der Wärmeeinflusszonen 15 der höchste Spannungsabfall auftritt, also vor allem dort Wärme nachgeliefert wird, ohne dass die übrigen und kälteren Teile der beiden Kolbenbauteile 3, 4, beispielsweise im Bereich der Brennraummulde 6 oder einer Kolbenunterseite 11, allzu heiß werden.
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Auch die unterschiedliche Länge der beiden parallelen Strompfade im „kalten“ Werkstoff, beispielsweise Stahl, spielt keine allzu große Rolle, da sich der Wärmeeintrag stark auf die heißen Bereiche, das heißt die Reibschweißnähte 5 und die Wärmeeinflusszonen 15 konzentriert. Darüber hinaus tritt durch die Parallelschaltung zweier Strompfade zusätzlich ein gewisser Regelungseffekt in der Weise ein, dass eine Abkühlung der Reibschweißnaht 5 bzw. der Wärmeeinflusszone 15 den dortigen Widerstand, das heißt den elektrischen Widerstand, senkt und damit den Stromdurchfluss erhöht (bei konstanter angelegter Spannung) oder den Strom von heißeren auf kältere Pfade verlagert (bei konstantem Gesamtstrom). So lässt sich durch Anlegen eines entsprechend passenden Spannungsprofils bzw. Stromverlaufs für einige Sekunden der Abkühlungsprozess der Reibschweißnaht 5 bzw. der Wärmeeinflusszone 15 gezielt steuern und insbesondere verlangsamen, wodurch die Aufhärtung des Materials, beispielsweise des Stahls, in diesem Bereich reduziert werden kann.
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Durch die unmittelbare Wärmebehandlung des Kolbenrohlings 2 noch innerhalb der Reibschweißmaschine 1 kann zudem eine deutliche Energieeinsparung erreicht werden, da der Kolbenrohling 2 nicht wie bislang zuerst aus der Reibschweißmaschine 1 entnommen und in einen separaten Glühofen verbracht werden muss, in dem dann ein Anlassen bzw. Spannungsarmglühen erfolgen kann.
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Anschließend wird der Kolbenrohling 2 aus der Reibschweißmaschine 1 entnommen (Verfahrensschritt e.)) und im letzten Verfahrensschritt f.) kann der Kolbenrohling 2 noch mit mindestens einer Ringnut 14, beispielsweise durch ein Drehen bzw. anderes spanabhebendes Verfahren oder Schleifen, versehen werden.
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Wie die Darstellung in 1 erkennen lässt, können das erste Kolbenbauteil 3 eine äußere Fügefläche 9a und eine innere Fügefläche 9b sowie einen zwischen den beiden Fügeflächen 9a, 9b umlaufenden unteren Kühlkanalteil 12 und das zweite Kolbenbauteil 4 ebenfalls eine äußere Fügefläche 9a und eine innere Fügefläche 9b sowie ein zwischen diesen beiden Fügeflächen 9a, 9b umlaufenden oberen Kühlkanalteil 13 aufweisen. Nach Herstellen der Reibschweißverbindung über die Reibschweißnaht 5 wird aus den beiden Kühlkanalteilen 12, 13 ein Kühlkanal gebildet. Das durch den Stromdurchfluss bewirkte Wärmebehandeln kann beispielsweise derart ausgelegt werden, dass im Bereich der Reibschweißnaht 5 bzw. der Wärmeeinflusszone 15 für zumindest wenige Sekunden oder wenige Minuten der Abkühlgradient deutlich verringert wird. Hierdurch lässt sich insbesondere das Aufhärten zuverlässig verhindern.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit ein unzulässiges Aufhärten von vornherein vermieden, wodurch sich sowohl der Anlagenaufwand (Einsparung Ofen) als auch der Energieeinsatz reduzieren lassen.
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Das erste und/oder zweite Kolbenbauteil 3, 4 kann dabei aus Stahl ausgebildet sein, der insbesondere vor dem Verbinden des ersten Kolbenbauteils 3 mit dem zweiten Kolbenbauteil 4 mittels Reibschweißen vergütet und/oder vorbearbeitet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010033881 A1 [0002]
- DE 102010033879 A1 [0003]
- DE 102007026328 A1 [0004]
