DE1646787A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Heisspressen von Platten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Heisspressen von Platten

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Formen relativ dünner Platten aus schwer schmelzbarem Material, und sie betrifft insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Heißpressen dünner Platten BorkarbieU
Bin Ziel der Erfindung besteht darin, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen dünner Platten aus schwer schmelzbarem Material vorzusehen, insbesondere die Anwendung eines neuartigen Preßverfahrens unter Benutzung neuartiger Preßformen.
Die mit Hilfe des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung hergestellten Platten haben in typischen fällen die Form quadratischer Platten mit Abmessungen von $00 χ 100 mm, 150 χ 150 mm und etwa 200 χ 200 mm, wobei die Dicke der Platten zwischen etwa 6,5 und etwa 15»5 mm variiert· Die Erfindung ist insbesondere bei dünnen Platten anwendbar, wobei unter solchen dünnen Platten solch© Platten zu verstehen sind, bei denen das Verhältnis zwischen ihrer größten Abmessung und
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ihrer Dicke im Bereich von etwa 4:1 "bis etwa 60:1 liegt·
Während es bis jetzt üblich ist, mehrere heißgepreßte Einheiten oder Stücke mit Hilfe eines einzigen Preßvorgangs zu formen, wobei jedes Stück oder Teil jeweils in einer gesonderten Kammer einer Mehrfachform angeordnet ist, und während es in anderen Fällen üblich ist, langgestreckte einzelne Gegenstände, die in eine Kammer eingeschlossen sind, durch Aufbringen eines stirnseitigen Drucks zu fiormeny sieht die Erfindung ein Verfahren zum Heißpressen flacher und relativ dünner Massen vor, die eine Oberseite, eine Unterseite und schmale Seitenflächen aufweisen, wobei als Material ein schwer schmelzbares Pulver verwendet wird, das in eine Form eingeschlossen wird» Die eingeschlossene Pulvermasse wird jeweils sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite erhitzt und einem Druck ausgesetzt, während die schmalen Seitenflächen in der Form fest umschlossen sind. Bei der Anwendung dieses Verfahrens ist es möglich, das Pulver längs eines dünnen Querschnitts der Form schnell vorzuwärmen und das Pulver danach einer relativ schnellen Heizpreßwirkung auszusetzen, während die Erwärmung fortgesetzt wird und das Pulver in die Form eingeschlossen bleibt. Die Hauptpreßkräfte werden quer zu dem Körper aus schwer schmelzbarem Material von der Oberseite und der Unterseite her aufgebracht, wobei diese beiden Flächen durch Preßmittel abgestützt werden, die sich gleichmäßig an die ganze Fläche des Materials anlegen. Die in Berührung mit den erwähnten Flächen des Materials angeordneten Preßmittel erzeugen einen Preßdruck, der direkt durch den Querschnitt hindurch wirksam wird, und da sich in der
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Masse des Körpers ein hydraulisches Fließen nur in einem sehr geringen Ausmaß abspielt, wird auf die relativ schmalen Seitenflächen der Form in seitlicher Richtung nur ein sehr geringer Druck ausgeübt. Da der Preßdruck somit auf die Oberseite und die Unterseite des dünnen MaterialquerSchnitts aufgebracht wird, kann man eine-Formvorrichtung von ziemlich geringer Bauhöhe benutzen, um die Seiten- oder EaHtenflachen der herzustellenden Platte während des Preßvorgangs abzustützen. Die Durchführung dieses Preßvorgangs innerhalb der λ dünnwandigen, einem Bilderrahmen ähnelnden Form ermöglicht es, das Heißpressen einzelner dünner Platten aus schwer schmelzbarem Material innerhalb einer Zeit durchzuführen, die erheblich kürzer ist, als es bis Jetzt für möglich gehalten wurde, wobei außerdem die Formkonstruktion einer erheblich geringeren Abnutzung ausgesetzt ist.
Die Erfindung wird im folgenden an -"-and schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt im senkrechten Schnitt eine■Ofenkonstruktion, mittels deren das erfindungsgemäße "Verfahren durchgeführt werden kann. ·
Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt in einem Teilschnitt Einzelheiten einer Form zum Pressen von Platten aus schwer schmelzbarem Material.
Fig. 4 zeigt im Grundriß eine Form der in Fig. 3 dargestellten Art.
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Pig. 5 zeigt perspektivisch eine ebene Platte, die unter Anwendung der Erfindung hergestellt werden kann.
Pig. 6 ist eine perspektivische Darstellung einer ebenfalls gemäß der Erfindung herstellbaren gekrümmten Platte.
Zur Durchführung der Erfindung wird vorzugsweise die = in Pig. 1 gezeigte Ofenkonstruktion .zum Erhitzen und Pressen des Materials benutzt. Die hier nur schematisch dargestellte Ofenkonstruktion umfaßt ein geeignetes tragendes Gehäuse 10, das auf einem Sockel 11 angeordnet ist, welcher gegenüber dem Boden vorzugsweise durch eine wassergekühlte Platte 12 isoliert ist. Das Gehäuse 10 erweitert sich etwas nach außen und kann mit einem beliebigen geeigneten Isoliermaterial 13» z.B. Lampenruß, gefüllt sein.
Durch das langgestreckte Gehäuse 10 erstreckt sich ein waagerechter Kanal 15» der dadurch abgegrenzt wird, daß gemäß Pig. 2 Graphittröge 16 von U-förmigem Querschnitt in dem Gehäuse unterstützt werden. Die Tröge 16=sind mit Abdeckungen 19 aus Graphit versehen.
An beiden Enden des waagerechten Kanals können die Tröge 16 und die Abdeckungen 19» welche den Kanal abgrenzen, gegenüber dem Gehäuse 10 durch wassergekühlte Umrahmungen 17 auf der Eintrittsseite und 18 auf der Austrittsseite abgedichtet sein. Innerhalb des Gehäuses 10 ist vorzugsweise in der Mitte ein Sockel 20 vorgesehen^ der vorzugsweise aus Siliziumkarbid besteht und eine Preßplattform 21 trägt. Die Oberseite der Plattform 21 wird allgemein in waagerechter Pluchtung mit dem Boden des Kanals 15 gehalten, längs dessen
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die Heißpreßformen bewegt werden· Senkrecht oberhalb der Plattform 21 ist ein Preßstempel 22 angeordnet, der durch das untere Ende einer Stoßstange 23 unterstützt wird, die ebenfalls vorzugsweise aus Siliziumkarbid besteht« Ferner ist eine geeignete Lagerkonstruktion 24 in Form einer Führung vorgesehen, welche die Stoßstange 23 umschließtj erforderlichenfalls kann man eine Isolation zwischen dem Lager 24 und einem Ansatz des Gehäuses 10 vorsehen, damit die Stoßstange senkrecht nach oben aus dem Gehäuse herausragen kann, um mit Hilfe beliebiger geeigneter Mittel, z.B. einer hydraulischen Presse, betätigt werden zu können«
Man kann beliebige Heizmittel bekannter Art benutzen, um den Kanal 15 zu beheizen· Zwar könnte man elektrische Widerstandsstäbe vorsehen, die auf geeignete Weise in der Hahe des Kanals angeordnet sind, doch wird es bei der bevorzugten erfindungsgemäßen Konstruktion vorgezogen, Induktionsheizmittel 29 vorzusehen, die gemäß Fig. 1 sowohl auf der Eintrittsseite als auch auf der Austrittsseite der zentralen Preßstation angeordnet sind. Die Induktionsheizwicklungen, die auf der Eintrittsseite der Preßstation angeordnet sind, sind so ausgebildet, daß sie dem heiß zu pressenden Erzeugnis eine relativ große Wärmemenge zuführen/ um ein© Vorwärmung des Pulvers zu bewirken. Die Beheizung mit Hilfe der auf der Austribttaseite der Preßstation angeordneten Induktionsheizwicklungen dient dazu, die Abkühlung nach der Beendigung des ■"•eißpreßvorgangs zu regeln.
Beim Gebrauch der erfindungsgemäßen Heißpreßvorrichtung werden relativ dünne Platten dadurch erzeugt r daß das heiß-
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zupressende Material flachliegend durch den Kanal 15 geführt wird, um an der Preßstation einem Heißpreßvorgang unterzogen zu werden. Beim normalen Heißpreßvorgang wird ein pulverförmiges Material -in einer Form gepreßt und von der Form zusammengehalten, während Druck und Wärme zur Wirkung gebracht werden. Gemäß der Erfindung wird eine Form der in Fig. 3 und 4 gezeigten Art vorgesehen, mittels deren eine flache Platte nach Fig. 5 hergestellt werden kann. Es sei bemerkt, daß ei- ne solche Form einem Bilderrahmen ähnelt, da sie sich aus
w dünnen Wänden 30 zusammensetzt, die vorzugsweise aus Graphit bestehen und eine Öffnung 31 abgrenzen. B"ei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Innenflächen der Form mit einer geeigneten Verkleidung 32 aus Graphit versehen, die mit einem Trennmaterial überzogen werden kann} der so abgegrenzte Raum nimmt dann das zu pressende Pulver 34 auf. Geeignete obere und untere Abstandsstücke 35 und 36 aus Graphit sind oberhalb bzw. unterhalb des Pulvers angeordnet, das gleichmäßig auf alle Teile der Form verteilt wird? schließ-
m, lieh wird eine ebenfalls aus Graphit bestehende Deckplatte 37 über der Platte 35 angeordnet.
Die in der beschriebenen Weise gefüllten Formen werden gemäß Fig. 1 in das Eintrittsende auf der linken Seite der Heißpreßvorrichtung eingeführt und dann längs des Kanals 15 schrittweise bewegt, bis sie die Heißpreßstation im mittleren Teil des Ofens erreichen. Während die Form mit ihrer pulver-■ förmigen Füllung schrittweise weiterbewegt wird, wird das Pulver auf die Temperatur vorgewärmt, bei weicher der Heißpreßvorgang durchgeführt werden soll. Der Zuführungskanal und
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die heizeinrichtung 29 sind der schrittweisen Bewegung der Formen so zugeordnet, daß dem Pulper eine ausreichende Wärmemenge zugeführt wird, um das Pulver.auf die Heißpreßtemperatur zu "bringen· Die mit dem Pulver gefüllte Form wird dann auf die Heißpreßplattform 21 gebracht, woraufhin die Stoßstange 23 mit dem Preßstempel 22 unter Kraftaufwand nach unten bewegt wird, so daß die Deckplatte 37* die als Preßplatte wirkt, nach unten gedruckt wird, um die Kraft der Stoßstange zu übertragen und sie gleichmäßig auf die gesamte erhitzte Pulvermasse in der Form zu verteilen. Solange die % tteißpreßstation von den Heizmitteln 29 auf der Eintrii;tsseite und der Austrittsseite umschlossen ist, wird ständig Wärme zugeführt, so daß die mit dem Pulper gefüllte Form während des Preßvorgangs weiter beheizt wird.
Gemäß den Zeichnungen ist die Ofenkonstruktion vorzugsweise so ausgebildet, daß im wesentlichen die gesamte Wärmemenge dem zu formenden Pulver über die Platten 35» 36 und 37 zugeführt wird und das Pulver seine maximale Heißpreßtemperatur in dem Augenblick erreicht, in welchem es sich in der (J Heißpreßzone des Ofens befindet« Innerhalb der Heißpreßzone reicht der Wärmefluß gerade aus, um das Pulver auf der vorgesehenen optimalen Temperatur zu halten·
Nachdem der Preßdruck eine genügend lange Zeit hindurch gewirkt hat, wird die Stoßstange 23 nach oben zurückgezogen, und das Formaggregat wird zusammen mit der heißgepreßten Platte von der Preßstation aus schrittweise in Richtung auf das Austrittsende des Ofens bewegt, während die nächstfolgende
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. - 8 - . . ' . -1A-31" 993 Preßform die Preßstation erreicht.
Die fertige Platte wird dann unter geregelten Bedingungen.....abgekUhlt, während sie sich in Richtung auf das Austrittsende des Ofens bewegtj nach der vollständigen Abkühlung außerhalb des Ofens wird die Platte schließlich aus der !Form entfernt.
Es sei bemerkt, daß man den Zuführungskanal und den Austrittskanal, die der Heißpreßstation zugeordnet sind, so lang oder so kurz machen kann, wie es jeweils als zweckmäßig erscheint. Die zu wählende Länge richtet sich nach der Wärmezufuhr und dem Verlauf der Abkühlung, wobei diese Größen entsprechend dem heißzupressenden Erzeugnis gewählt werden müssen.
Um ein Beispiel für ein Erzeugnis zu geben, das gemäß der Erfindung hergestellt werden kann, sei erwähnt, daß man ein Borkarbidpulver vorbereiten kann, das 76 bis 78 Gewichtsprozent Bor, 21 bis 23 Gewichtsprozent Kohlenstoff und 0,2 Gewichtsprozent Eisen enthält? die Bestandteile dieses Pulvers haben eine !teilchengröße in der Größenordnung von 0,010 mm; diese Teilchengröße wird mit Hilfe eines sogenannten Micromerographen gemessen« Ein Pulver mit der angegebenen Zusammensetzung kann in eine Form 30 eingebracht und auf eine Temperatur von 2220 +10° C vorgewärmt werden. Die Form wird zusammen mit dem Pulver auf diese Temperatur erhitzt, während sich die Form durch das Eintrittsen.de des Ofens hindurch bewegt, wobei die genannte Temperatur in dem Zeitpunkt erreicht ist, in welchem die Form auf der Heißpreßplattform 21 angeordnet
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wird. Die Stoßstange 23 wird dann gegen die übe?-dem Pulver angeordnete Heißpreßplatte gedrückt, um auf die gesamte Oberfläche der Pulverfüllung der form einen Druck von etwa 70 kg/cm aufzubringen. Dieser Druck wird während einer Zeitspanne von 5 min aufrechterhalten» wobei auch die Temperatur des Pulvers im Bereich von 2220° 0 gehalten wird. Es zeigt sich,, daß man das zu formende Borkarbidpulver mit der angegebenen Zusammensetzung vollständig auf eine Dichte von mindestens 2,3 g/cm verdienten kann, und daß gewöhnlich sogar die theoretische Dichte von 2,51 g/ciir erreicht wird. Die in der beschriebenen Weise hergestellte heißgepreßte Platte wird dann langsam abgekühlt, während sie sich zum Austrittsende des Ofens bewegt, und nach, dem Entfernen der Form aus dem Ofen kühlt man die Form zusammen mit ihrem Inhalt auf Raumtemperatur ab, woraufhin die heißgepreßte Borkarbidplatte aus der Form entnommen werden kann. Bei in der beschriebenen Weise hergestellten Platten zeigt es sich, daß die Härte des Borkarbids 2800 Einheiten nach, der Knoop'-IQO-Skala, beträgt, und daß das Material eine Druckfestigkeit in der Größenordnung von 28 000 kg/cm besitzt. Solche Platten können als Auskleidungen für Formen, als Verschleißschutzplatten oder zu anderen Zwecken verwendet werden. Wegen der hohen Festigkeit und des geringen Gewichts solcher Platten erweisen sich die erfindungsgemäßen heißgepreßten dünnen Platten aus Borkarbid als sehr vorteilhaft, wenn man sie bei Konstruktionsgliedern verwendet, bei denen hohe Festigkeit und geringes Gewicht von besonderer -Bedeutung sind.
Bei einem weiteren Beispiel für das Formen von Borkar-
bidplatten wird ein Pulver der weiter Qbeia beschriebenen Art
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in eine einem Bilderrahmen ähnelde Form nach Fig. 3 bzw. 4 eingebracht, woraufhin die gefüllte Form den Ofen durchläuft, um auf eine temperatur von 2200 +10° G vorgewärmt zu werden. Sobald die Form mit der Pulverfüllung im erhitzten Zustand die Plattform 21 erreicht hat,* wird mit Hilfe der Stoßstange 23 und des Preßkopfes 22 ein solcher -Uruck auf die Heißpreßplatte 37 ausgeübt, daß auf die ganze Fläche der Pulvermasse ein -^ruck von etwa HO kg/cm wirkt. Läßt man diesen Druck etwa 3 min lang einwirken, erhält man eine Platte mit den : gleichen Eigenschaften wie die vorstehend beschriebene Platte,
Sollen gekrümmte Platten hergestellt werden, wird die untere Abstanasplatte 36 so geformt, daß sie ein nicht zusammendrückbares Füllstück mit der gewünschten Krümmung bildet. Die obere Abstandsplatte 35 und die Heißpreßplatte 37 werden ähnlich geformt, so daß sie an der Pulverfüllung 34 von oben her angreifen können, um das Pulver zu einer gekrümmten heißgepreßten Platte mit der gewünschten Form zu verarbeiten.
Es sei bemerkt, daß man auch andere Pulverkompositionen verarbeiten kann» die entweder ebenfalls Borkarbid oder andere Materialien enthalten. Die Seitenwände der Form können mit Trennmitteln der verschiedensten Art überzogen werden, und ferner ist es möglich, andere bekannte Heißpreßverfahren anzuwenden.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Form und ihr Inhalt der hohen Temperatur nur während einer Zeitspanne von minimaler Dauer ausgesetzt werden, ist es möglich, Trennmittel auf den Innenflächen der Form sowie auf den mit dem
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Pulver in Berührung kommenden Flächen der Platten 35 und 36 zu verwenden. Zu den geeigneten Trennmitteln gehören eine Aufschwemmung von Graphitschuppen in einer Trägersubstanz aus Methylenchlorid, z.B. dem Erzeugnis "Garbowax" der Firma Union Carbide, Graphitpapier (Dow Chemical Company), das unter der gesetzlich geschützten Bezeichnung Grafoil erhältliche Erzeugnis der Firma National Garbon sowie Kartonmaterial.
Nachstehend sind weitere schwer schmelzbare Pulverkompositionen aufgeführt, bei denen die Teilchengröße etwa 0,010 mm beträgt, und die ebenfalls in dem erfindungsgemäßen Ofen gepreßt werden können.
Tonerde Bauxit Titankarbid Titandiborid Zirkoniumdiborid
Im Hinblick auf die bei Borkarbid erforderlichen relativ hohen Verarbeitungstemperaturen ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei der Herstellung von Platten aus Borkarbid anwendbar.
Die Verwendung einer einfachen Form mit dünnen selbsttragenden Seitenwänden und das jeweilige Pressen einer einzigen Materialschicht in einer Form mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung führen zu einer gleichmäßigen Erhitzung, bei der eine örtlich begrenzte Überhitzung vermieden wird. Daher kann man im Vergleich mit bekannten Vorrichtungen insge-
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BAD OBlGINAL
Temperatur, C Druck, kg/cmr
1700 1 bis UO
1300 1 bis UO
2000 1 bis UO
2000 1 bis 140
2000 1 bis 140
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samt mit niedrigeren Temperaturen und Drücken arbeiten, und außerdem lassen sich gleichmäßigere Erzeugnisse und reproduzierbare Ergebnisse erzielen, lerner ist es im Hinblick auf die gemäß der Erfindung in ü'rage kommenden „Zeitspannen und Temperaturen möglich, die Formen mit' Überzügen aus einem Trennmaterial zu versehen, was bis jetzt bei bekannten Verfahren und Konstruktionen im Hinblick auf die in Frage kommenden Zeitspannen, Temperaturen und Drücke bei der Herstellung · α von Erzeugnissen aus Borkarbid nicht möglich ist»
Da gemäß der Erfindung die Wärme einer Pulvermasse zugeführt wird,die in Form einer sehr dünnen Schicht verteilt ist, kann die Wärme sehr schnell in die Pulvermasse eindringen. Die erhitzte Pulvermasse, die schnell auf die Heißpreßtemperatur gebracht worden ist, kann schnell gepreßt werden, um die erforderliehe Verdichtung zu bewirken, wobei die Formen geschont werden und sich eine maximale Gleichmäßigkeit der hergestellten Platten untereinander ergibt..
Patentansprüche?
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Claims (6)

■RASSE S TISLKFOK 22 06 Β! Vl 646787 PBOXSOTPJLTIiNT 1Α-31 993 O HE
1. Verfahren zum Heißpressen von Borkarbidpulver zur Erzeugung einer dünnen Platte mit einem spezifischen Gewicht zwischen 2,5 und 2,5» dadurch g e k e η η ζ eich net, ' <| daß das Pulver in eine Porm eingebracht wird, die Seitenwandflachen aufweist und zwischen einander gegenüber liegenden· oberen und unteren Begrenzungsflächen angeordnet ist, daß das Pulver durch die oberen und unteren Begrenzungsflächen hindurch erhitzt und auf die Heißpreßtemperatur gebracht wird, daß die lOrm in eine Heißpreßstellung zwischen einem Iragorgan und einem Organ zum Aufbringen von Druck gebracht wird, daß mit Hilfe der oberen und unteren Begrenzungsflächen ein ausreichender Druck auf das Pulver ausgeübt wird, während die Temperatur des Pulvers aufrechterhalten wird, um das Pulper auf ein spezifisches Gewicht zwischen 2,3 und 2,5 zu verdichten, und daß das verdichtete Pulver dann abgekühlt wird»
2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Heißpreßtemperatur im Bereich von etwa 2200° C und etwa 2220 +10° C liegt, daß der Druck,"der auf das Pulver ausgeübt wird, etwa 70 kg/cm bis etwa
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140 kg/cm beträgt, und daß die Dauer der Einwirkung des Drucks auf das Pulver etwa 5 bis etwa 3 min beträgt.
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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Borkarbidplatten nacheinander dadurch erzeugt werden, daß intermittierend geeignete Borkarbidpulvermengen, die in getrennte Formen nach Anspruch eingeschlossen sind, nacheinander durch eine Heizzone hin-, durch bewegt und zu einer Heißpreßzone gebracht werden, wo das Pulver verdichtet wird, und daß die einzelnen Formen dann durch, eine Kühlzone geführt werden·
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß bei den erzeugten dünnen Platten das Verhältnis zwischen der größten Abmessung und der Dicke zwischen 60il und 4:1 liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e η'η zeichnet, daß ein kohlenstaffhaltiges Trennmittel auf die mit dem Pulver in berührung kommenden Flächen der Form sowie der oberen und unteren Begrenzungsflächen aufgetragen wird.
6. Vorrichtung zum/Heißpressen schwer schmelzbarer Materialien bei Temperaturen über 2000° C, g e k e η η ζ eich η et durch einen Ofen mit einer langgestreckten Eintritts- und Vorwärmzone zum Aufnehmen mehrerer in einer Reihe angeordneter Formen (30)» mit einer ^eißpreßzone, die zwischen der Eintrittszone und einer Kühlzone angeordnet ist, wobei die Heißpreßzone einen zum Aufbringen von Druck dienenden Stößel (23) und einen diesem gegenüber liegenden Amboß (21) umfaßt, die geeignet sind, einen ^ruck auf eine
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dünne Schicht eines zu formenden Pulvers aufzubringen, die zwischen einander gegenüber liegenden Preßplatten (35» 36) in einer Form angeordnet ist, wobei die Eintrittszone des Ofens so ausgebildet ist, daß die zugeführte Wärme den Formen im wesentlichen Über die oberen und unteren Preßplatten zugeführt wird, und wobei die Anordnung derart ist, daß der Inhalt der Formen seine Heißpreßtemperatur am Ende der Ein~ trittszone erreicht hat. "
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Leers e i te
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