DE1508989A1 - Mit einem Metallfutter versehenes Erzeugnis,insbesondere Ventil,Pumpe u.dgl. - Google Patents
Mit einem Metallfutter versehenes Erzeugnis,insbesondere Ventil,Pumpe u.dgl.Info
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Description
* PaUManwall flNK . iflllnewi o. N„
22. Sept. 1 966Th P 5511
TiLine Corporation, P. O. Box 579» Richland, State of
Washington USA
"Mit einem Metallfutter versehenes Erzeugnis, insbesondere Ventil,
Pumpe und dergl. "
Priorität der US-Patentanmeldung Ser. No· 490 872 ν. 28.9.1965
wird beansprucht.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Erzeugnisses, insbesondere eines Ventiles, einer Pumpe, eines
Fittings und dergl. mit einem Gusskörper aus Gussmetall, der ein metallisches Futter umgibt, welches einen den Gusskörper
durchsetzenden Durchgang begrenzt und ein nach dem Verfahren Hergestelltes Erzeugnis.
Beim Befördern gewisser Arten von Flüssigkeiten oder Gasen ergeben sich häufig Korrosionsprobleme, welche für die in Berührung
mit"der beförderten Flüssigkeit oder dem beförderten Gas kommenden
Oberflächen eine besondere korrosionsfeste Zusammensetzung erfordern, wenn die Oberfläche für eine ausreichende Zeitspanne
brauchbar bleiben soll. Werkstoffe, wie z. B. Titan und Zirkon haben wünschenswerte korrosionsfeste Eigenschaften und diese
Werkstoffe werden deshalb bei der Herstellung gewisser Arten
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von : .r die Leitur.g von Flüssigkeiten oder Gasen verwendeten
Armaturen bevorzugt gebraucht. Wegen der verhältnismässig
hohen Kosten gewisser korrosionsfester Metalle hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Ventile und dergl. mit einem
Metallfutter zu versehen, welches die gewünschten korroeions- .
festen Eigenschaften hat, wobei ein Körper aus anderem Metall dieses Putter umgibt und die erforderliche Festigkeit aufweist.
Es sind schon verschiedene Verfahren für die Herstellung eines
Erzeugnisses, z. B. ein nr.it einem Futter versehenes Ventil, vorgeschlagen
worden. Ein weithin gebrauchtes Verfahren beruht auf dem Gieasen eines hohlen Körpers für dieses Erzeugnis, das Herstellen
eines nehrstiickigen Futters für den Gusskörper, das
Zusammenfügen der Futterstücke innerhalb des Gusskörpers durch
deren Einsetzen in richtiger Lage innerhalb des gegossenen Körpers und anachliessendes Zusamienschweissen der Stücke zur Bildung
eines einstückigen Futters. Dieses Verfahr«" erfordert natürlich
geschickte Arbeiter und braucht beträchtliche Zeit für die Herstellung des Futters. Genaue Sitze Bind schwierig zu erreichen.
Ermüdungserscheinungen und Xorrosionsschäden sind
Üblich. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, dass das Putter zuerst hergestellt und als Kern bei der Herstellung
eines darum gegossenen Gusskörpers gebraucht wird. Während dieses Verfahren für die Herstellung verschiedener Erzeugnisse
geeignet sein kann, so ergeben sich doch Schwierigkeiten mit Metallen, wie Titan und Zirkon, wenn diese als Futterwerkstoffe
verwendet werden sollen, und zwar wegen der Verunreinigung des Futters während des Giessverfahrens durch Legiern des Futtere
mit dem Gussmetall und die Reaktion des Puttermetails mit
solchen Werkstoffen wie Kohlenstoff und Sauerstoff bei während des Gieesene auftretenden Temperaturen, wodurch beim Putter
Versprödung und andere Nachteile auftreten.
Ganz allgemein ist eine Aufgabe der vorliegende- Erfindung ein
verbessertes Verfahren für die Herstellung von frzeugnis-^n, ζ. Β.
Ventilen und dergl., die ein korrcsxonsfeetes ^u'-ter haben,
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welches Verfahren gekennzeichnet iet durch Gieseen eines
Ketallkörpers υπ; ein Futter herurr., wobei das Futter zuerst
als ein Stück hergestellt und in besonderer Weise auf seiner gesamten Kusseren Oberfläche behandelt wird, wodurch Legieren und
Verunreinigen unter den bei der Durchführung des Gusses auftretenden Verfahrensteir.peraturen verhindert werden.
Eine damit verwandte allgemeine Aufgabe sieht die Herstellung verbesserter Erzeugnisse, z. B. Ventile, vor, welche entsprechend
dem vorgesehenen Verfahren hergestellt sind.
Eine besondere Aufgabe der Erfindung liegt in einem Verfahren für die Herstellung von mit einer. Futter versehener Körper, z. B.
Ventile, wobei zuerst ein Futter aus einem korrosionsfesten Werkstoff hergestellt wird und die von dem Gusswerkstoff zu begrenzenden
Oberflächenteile des Futters so behandelt werden, dass sie eine Schicht aufweise.:, weiche zur Isolierung dient und einer
Reaktion zwischen dem Metall des Futtera und dem Gussmetall einen wirksamen Widerstand entgegensetzt.
Bei einer bevorzugten Ausführungs:V.-:r. der Erfindung weist die
zu wählende Schicht für das Futter einen schwer schmelzbares Oxyd auf, das über die Oberflächenabschnitte verteilt ist,
gegen welche einen Körper bildendes Gussmetall gegossen wird. Das schwer schmelzbare Oxyd verbleibt an solchen Oberflächenteilen
im festen Aggregatzustand und ohne Verschmelzung bei während der Herstellung des Gusskörpers auftretenden Temperaturen.
Ventile, Pumpengehäuse, Fittings usw. können wie vorgesehen mit Futter in ihren Körpern hergestellt werden, welche Futter kein
Anzeichen einer Verhärtung oder Versprödung oder des Legierens mit dem Metall cer Gussteile der Körper zeigen. Die Körper werden
natürlich durch ein Verfahren wesentlich einfacher hergestellt, bei dem ein Futter gebildet und zu Se^. enten zugeschnitten wird,
welche d m als hohles Inneres des herzustellenden Körpers zu-
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sa;::r.engesetzt werden. Die Körper sind auch im allgemeinen
gekennzeichnet durch einen sauberen und genauen Sitz des Putters innerhalb des Gussteiles.
Solche und andere Zwecke und Vorteile werden durch die Erfindung erreicht und diese wird nachstehend in Verbindung
mit einem in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen Teil eines Putters für ein Ventilgehäuse Vor dem
Anformen eines Gusskörpera
Fig. 2 einen Teil des fertigen Gusegehäueee mit einem Futter entsprechend
der Erfindung.
Das für ein Putter verwendete besondere Metall ist bestimmt durch
dieJArt des gewünschten Korrosions- und Abnutzungswiderstandee.
Dementsprechend und ud Futtermetalle besonders zu bezeichnen, gehören zu ihnen solche Metalle wie Titan, Zirkon, Tantal und
Niob, sowohl als auch Legierungen dieser Werkstoffe. Z. B. eine Legierung aus Titan und Palladium, vö.che zwischen 0,1
und 2 $> Palladium enthält, wird in unterschiedlicher Anwendung
viel gebraucht. Bezeichnend für eine andere Legierung ist eine Tantal-Wolfram-Legierung, welche bis zu 10 i° Wolfram enthält, das
der Legierung Härte verleiht. Während diese Metalle die gewünschten korrosionsfesten Eigenschaften haben, neigen sie leicht
dazu, sich bei erhöhter Temperatur mit solchen Elementen, wie z. B. Eisen, Nickel, Chrom und ähnlichen Metallen, zu verbinden,
die gewöhnlich für das Giessen von Ventilen und ähnlicher Teile verwendet werden. Verunreinigungen ergeben sich auch, wenn solche
Metalle bei höheren Temperaturen Elementen wie Kohlenstoff und Sauerstoff ausgesetzt werden, die in Gussmetallen, in der
Atmosphäre und in dem Sand für die Herstellung von Gieseformen
auftreten.
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V. der Vorbereitung des Gusskörpers eines Erzeugnisses wi: das Putter aus dem gewünschten korrosionsfesten Metall
hergestellt. Z. B. könen zwei Hälften eines entsprechend geformten Putters aus einer Platte aus korrosionsfestem Metall
durch Pressen hergestellt und diese beiden Hälften dann durch Schweiesen miteinander verbunden werden. In Fig. 1 sind solche
Teile eines typischen Putters gezeigt, das aus mit 10 und 12 bezeichneten Futterteilen hergestellt ist, welche durch die
Schweissnaht H miteinander verschwelest sind. Beirr Zueammenschweissen der Teile kann natürlich das übliche Wolfram-Schutzgas-Schweissverfahren angewandt werden. Bei einem solchen
Schweissverfahren besteht die Elektrode aus Wolfram und der
Schweissvorgangfindet unter Schutzgas statt. Andererseits ist
auch das Elektronen-Strahl-Schweiesen geeignet.
Nachdem das Futter fertig ist, wird dessen Aussenseite behandelt,
welche üblicherweise die von einem Gusskörper in eJinem ausgefütterten Erzeugnis umgebene Oberfläche ist, um darauf eine
Schicht zu erzeugen, die eine schützende Schranke bildet, welche die Verschmutzung der Oberfläche des Putters verhindert. Diese in
Fig. 2 mit 16 bezeichnete Schutzschicht weist bei dem bevorzugten AuefUhrungebeispiel der Erfindung ein schwer schmelzbares Oxyd
auf, das als dünner Film über die äussere Oberfläche verteilt
ist. Dieses Oxyd hat einen Schmelzpunkt, der weit oberhalb der Temperatur des geschmolzenen Metalles liegt, welches zum
Glessen des Gusskörpers des Erzeugnisses benutzt wird. Z. B. wenn Eisen zum Herstellen des Gusskörpers gebraucht wird, so
hat dieses einen Schmelzpunkt von ungefähr 1370° C und wird gewöhnlich in einem Giessverfahren mit einer Temperatur vergossen, welche um etwa 110° C höher als sein Schmelzpunkt liegt.
In diesem Falle sollte das schwer schmelzbare Oxyd einen Schmelzpunkt haben, der über 1480° C liegt. Als Beiepiel für Oxyde
dieser Art,'welche bei der Herstellung von Futter für Gusskörper aus Eisen, Stahl, rostfreies Stahl oder den üblichen Nickel-Legierungen brauchbar sind, gelten solche Oxyde wie Aluminium-
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'Oxyd, Magnesiumoxyd und Titanoxyd.
Entsprechend einer Ausbildungsforrr. der Erfindung kann das
schwer schmelzbare Oxyd auf der Oberfläche des Putters
durch Tauchen oder durch Flammspritzen aufgebracht werden. Das erstgenannte Verfahren beruht auf der Aufbringung eines
dünnflüssigen Breis aus schwer schmelzbaren; Metalloxyd auf
der Oberfläche des Futters und a nschliessender Entfernung der
flüssigen Phase des Breies, z. B. Wasser. Zur Erzielung einer besseren Haftung der Schicht, die durch eines der beiden Verfahren auf der Oberfläche des Futters hergestellt ist, wird
die Oberfläche zuerst aufgerauht.
Die Oberfläche kann mit Hilfe des üblichen Sandstrahlens aufgerauht werden. Die Aufrauhung braucht nicht sehr stark zu sein,
und es wurde festgestellt, dass ein Aufrauhen bis zu einer Endrauhigkeit von 1,5 bis 2,5 My ein befriedigendes Ergebnis
zeigt.
Zum Aufbringen einer Schicht aus schwer schmelzbares Oxyd durch
Tauchen wird ein Brei aus fein verteiltem oder pulverisiertem Oxyd in einer Pl Us s i gke its phae e, z. B. V/asser, hergestellt, das
Futter wird dann in den Brei eingetaucht und nach dem Ausheben des Futters bleibt eine Schicht aus Oxyd und Wasser daran haften.
Wenn das Futter vcr dem Tauchen auf Temperaturen zwischen 38° C
und 120° C angewärmt wird, so verdunstet das Wasser schnell nach dem Ausheben des Futtere aus dem Brei. Das Trocknen kann
auch beschleunigt werden, in^dem das beschichtete Futter in
einen Strom heiseer Luft gebracht wird. Nach dem Trocknen
.der Oxydschicht und wenn eine grössere Dicke der Schicht gewünscht wird, kann das Futter in weiteren Schritten getaucht
und getrocknet werden.
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aufgebracht wird, so dient hierzu eine Spritzpistole und e9
wird ein Strahl aus einem Azetylen--Luft-Gemisch erzeugt, der
das Oxyd in der Gasnischung verteilt enthält. Für das Flammspritzen
von schwer schmelzbarer. Oxyden wird kein Wasser gebraucht,
da das Verfahren trocken durchgeführt wird. Das schwer schmelzbare Oxyd liegt in Form eines feinen Pulvere vor, welches
während des Aufspritzens von dec; Gasgeniech aufgenommen und aus
der Pistole ausgeschleudert wird. Das Gasgemisch wird beim Verlassen der Pistole entzündet, und das Oxyd wird zu dem Teil
gefördert, welcher unter Verschmelzung des Oxyds von der Gasflamme
getroffen wird. Beim 3erühren der zu bespritzenden Oberfläche haftet das verschmolzene Oxyd an der Oberfläche und" auf
diese wird eine Cxydschicht aufgebaut.
Ausgefutterte Ventile und andere Erzeugnisse entsprechend der
Erfindung brauchen in den meisten Fällen Futter, die eine Wanddicke von 0,4- bie 6 mm haben. Bei der Verwendung dünner Futter
ist natürlich keine so grosse Abnutzung des Futters möglich.
Da die :'·'.;r die Futter benutzten korrosionsfesten Metalle teurer
sind ale die für die Gusskörper verwendeten, die Futter umgebenden
Metalle, so steigen die Kosten eines Erzeugnisses mit einer
Vergröeserung der Wanddicke des Futters.
Die entsprechend der Erfindung gebrauchten Oxydschichten haben in den meisten Fällen, wenn wie vorstehend aufgebracht, eine Dicke
von etwa 0,07 bis 0,5 mm. Schichten innerhalb dieses Dickenbereiches
sind bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung durchaus ausreichend und deshalb umfasst der angegebene Bereich
die gemäss der Erfindung bevorzugten Schichtdicken.
SchutζüberzUge können auf der Aussenseite eines Futters auch
durch Oxydation des Metalls erzeugt werden, aus dem das Futter besteht.Z. B. kann bei einem überzug aus Titan dieser während
einer Zeit von etwa 5 bis 10 Sekunden in Luft mit Temperaturen
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zwir.cl.en 420 und 650° C erhitzt werden und nach einer aolchen
Erhitzung in kühler Luft schnell in ein paar Minuten abgekühlt
wer: in, um eine Titan-Oxydechicht auf dem butter herzustellen,
welcne eine Dicke von etwa 0,005 mn aufweiet. Wegen der verhältnismässig
dünnen Schichten dieser Art müssen die Putter verhältnismässig
dicke Wände haben, welche Dicken ab 1, 5 mm aufweisen,
da eine dicke Wand des Futters die rasche Abkühlung des Gussmetalles fördert, wenn dieses um das Futter herumgegossen
wird, indem die den Gussmetall benachbarten Bereiche Wärme aufnehmen.
Bei schneller Abkühlung ist ein eo dünner Oxydfilm wie
angegeben wirksam, um eine Legierung des Futters mit dem Gussmetall
zu verhindern.
In anderer Weise kann unter Verwendung eines Autoklaven auf dem Futter eine Cxydschicht aus dessen Metall hergestellt
werden. Z. B. kann Zirkon in einen Autoklaven gebracht und mit in diesen Autoklaven unter Druck eingeführtem heiseen Dampf
oder einem anderen Wärmeträger kann eine Oxydschicht hergestellt werden.
Nachdem das einstückige Futter mit einer darauf haftenden, schwer schmelzbaren Oxydschicht hergestellt ist, wodurch Legieren
und Verschmutzen verhütet werden, wird der in Fig. 2 mit 18 bezeichnete Körper des Erzeugnisses hergestellt, indem er unmittelbar
um das Futter herungegossen wir-d, wobei dieses Futter als
Kern dient. Der Giessvorgang kann in der üblichen Weise ausgeführt
werden, indem geschmolzenes Metall in eine Form und um das Futter herumgegossen wird, welches Futter das Innere des
zu giessenden Teiles bildet. Nach dem Giessen und nach dem Entfernen
des Teiles aus der Form, ist ein gefütterter Teil mit einem festen Sitz zwischen dem Futter und dem es umgebenden
Gusskörper unter Ausschluss von Verschmutzungen fertig. Die Schicht verhindert ein Haften zwischen dem Gueewerketoff und
dem Futter.
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Das folgende Beispiel dient zur Verdeutlichung der Her-εteilung eines Erzeugnisses entsprechend dem vorgesehenen
Verfahren:
Ein Putter aus 0,6 mm dicken Titanblech wurde für das Gehäuse
eines einzölligen Membranventiles hergestellt. Dieses Blech
wurde zur Bildung von zwei Hälften des Putters unter einer Temperatur, von 316° C in Luft heiss gepresst. Diese Hälften
wurden dann unter Verwendung eines Wolfram-Lichtbogens in einer Argonkammer zur bildung eines einstlickigen Futtere zusammenge-8 anweiset.
Das Putter wurde dann zur Herstellung einer 0,002 mm starken
RaMgkeit auf der äusseren Oberfläche des Putters sandgeblasen.
Auf das aufgerauhte Putter wurde dann eine 0,25 ffim dicke Aluminiuicoxydschicht durch Flammspritzen aufgebracht.
Das mit einer Schicht aus schwer schmelzbarem Oxyd versehene Futter wurde dann in eine aus grünem Sand hergestellte Form
gebracht und als Kern für die Herstellung eines Körpers aus Gusseisen gebraucht, da_s um das Futter in einer Wanddicke von
9,5 mm herumgegossen wurde. Das Gusseisen wurde vor dem Giessen
auf eine Temperatur von etwa 110° C über seinem Schmelzpunkt erhitzt. Nach dem Giessen des geschmolzenen Metallee in die
Form und um den Kern oder das Futter herum, kühlte der Guss während der Dauer von 10 Minuten ab und wurde dann der Sandform entnommen. Dann kühlte der Guss an der Luft auf Raumtemperatur ab.
Die vor und nach dem Giessen des Eisenkörpers getroffenen Massnahmen dienten der Beibehaltung der Härte des Futters und die
Versuche zeigten, dass die Härte im wesentlichen ungeändert blieb. Das Fehlen eines Häfteabfalles zeigt, dass keine Verunreinigung durch Sauerstoff aufgetreten war, obgleich das Giessen
in Luft vorgenommen wurde. Das Ventil wurde geteilt, um festzustellen, ob irgendwelches Legieren des Futters mit dem Eisen
stattgefunden hatte. Es wurde keine unmittelbare Berührung von
Metall mit Metall festgestellt. - 10 -
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Be wurden dann metallographische Muster hergestellt und durch
Polieren eines ausgeschnittenen Teiles und xtzen des polierten
Bereiches wurden diese dann unter dem Mikroskop untersucht. In dem durch das Alur.iniuiroxyd begrenzten Bereich war keine Verunreinigung durch Eisen oder Kohlenstoff in dem Putter festzustellen.
Mit Hilfe ähnlicher Verfahren wurden Ventile hergestellt, welche
Putter aus Tantal, Zirkon, libb und Legierungen vorwiesen Metallen
mit Schichten aus den verschiedenen vorstehend aufgeführten Oxyden aufweisen.
Das vorgeschlagene Verfahren ist für die Herstellung aller
Arten von Erzeugnissen geeignet, die in Berührung Kit Flüssigkeiten oder Gasen koameη. Das Verfahren ist natürlich besonders brauchbar,
wenn solche Erzeugnisse unregelnässig geformte InnenwHnde haben,
welche das Einsetzen eines einstückigen Putters erschweren. Das Verfahren macht den Gebrauch von Werkstoffen als Futter möglich,
welche bis jetzt noch nicht benutzt werden konnten.
Obwohl nur einige Ausfuhrungebeispiele der Erfindung beschrieben
worden sind, ist es klar, dass verschiedene änderungen möglich sind. Ee sollen alle für einen Fachmann mögliche Änderungen
und innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche liegende Ausführungsfornen der Erfindung geschützt sein*
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Claims (6)
1. Verfahren zum Herstellen eines Erzeugnisses, insbesondere
eines Ventiles,einer Pumpe und dergl. mit einem Gusekörper
aus Gussmetall, der ein metallisches Futter umgibt, welches einen den Gusskörper durchsetzenden Durchgang
begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass
für das Futter ein Futtertcetall mit im wesentlichen höherem
Schmelzpunkt als das Gussmetall gewählt wird, dass das Futter aus diesem Ketall hergestellt wird, dass eine Giesstemperatur
für das Gussmetall verwendet wird, welche hoch genug ist,
um das Gussmetall zu schmelzen, welche aber unterhalb des Schmelzpunktes des Metalles des Futtere liegt, so dass
die körperliche Unversehrtheit des Futtere während des Giessverfahrens aufrechterhalten bleibt, wodurch das Futter
als Kern zum Formen des Innern des Guaekörpers dient, dass vor dem Giessen des Gusskörpers die Oberfläche des Futters,
welche dem Gusskörper gegenüberliegt und zum Formen des Innern des Gusskörpers dient, durch einen Schichtwerkstoff
bedeckt wird, dessen Schmelzpunkt höher als die auftretende Giesstemperatur liegt und dass eine solche Schicht eine
chemische Verunreinigung des Futters verhindert, welches sonst bei Temperaturen unterhalb dea Schmelzpunktes des
Futters gefördertwird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die auf dem Futter herzustellende Schicht eine Oxydschicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Oxydschicht durch Verteilen eines feinpulvrigen Oxyds auf der Oberfläche des Futters hergestellt
wird.
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1 L-Of? 9-8
2P... wept. 1 ;)ο6Τ1ι
4. Vt-γ fahrt η r.a:1·. Λ ι, sr ruck Γ, :-.t:urch ρ e ir ι; η η ί'.
eic '. r. t. '.. , iass d_,e Cx; :nchicht ir.it der Oberfläche
des Futters verschmelze;·, wird.
5» Verfahret; r:noh einer, der Ycr:.erf"ehenden Ansprüche, dadurch
f. e k e η η ζ e i c h :: e t , düse das Futter
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xitan, r.irkcn, tantal, "'i ob ur. i Le(-ierun,:en davcr.
besteht und aase das Guas-.eta"! haupt-s'ichlich r-isen oder
- eine Lis.e!ile{"ierunc ist.
6. Verfahren nacli oine-r der vcrht?rfekenaiir. Ai.sprüche, dadurch
fe k e r. η ζ e 1 c V. r. e t , dase der t'berzup
ein Cxy.d aufv.'eist, das aus de" aus Aiun".ini.u:::cxyd, Mapneaiu
oxydy Q'itancxyd ceentei:ci;ie:: Ur:: ρο v;r.:: auf= .v: üahun^en üsvc
a u .s g e w ü h 11 v.·; r d .
7· Mit einen. Xetallfuttor veret-1 - :^-s 1^·;>·^{τ,: s . herfrectel ] t
nach eine;:; der vcrhergeV.ti.dvr. .'.;:?;jrüclc , f-aduich- f e kennzeichnet
, dass ei'n eit; rutter (12) 1-1 üic-Körper
auf seiher ie:r. ihr. ur.^'ebenaen Gleitkörper (1G) Ic-nac
barten Seite eine Schicht [H] aus eine;;- rchwer ecY.xr.el.zbaren
Oxvd aufweist.
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