DE1815726A1 - Trocken geschmierte Oberflaeche und Verfahren zur Herstellung derartiger Oberflaechen - Google Patents

Description

BALL BROTHERS RESEARCH OGRPORATIOF Muncie, Indiana, USA

Trocken geschmierte Oberfläche und Verfahren zur Herstellung derartiger Oberflächen

Pur diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden USA-Anmeldung Ser. No. 694 028 vom 22. Dezember 1967 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht si h auf ein Verfahren zur Aufbringung trockener Schmiermittel auf Oberflächen und auf die derartig behandelten Oberflächen selbst. Im einzelnen beschreibt die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen eines trockenen Schmiermittels etwa auf eine Lagerfläche unter Zwischenfügung des Schmiermittels zwischen die Oberfläche und ein Aufschlagpartikel, wobei die Oberfläche durch Bindung bzw. Fusion während eines Aufschlagvorganges mit dem trockenen Schmiermittel beaufschlagt wird.

Trockene Schmiermittel sind bereits seit längerer .Ztit bekannt, Bis vor kurzem jedoch war als ein solches Schmiermittel fast nur Graphit bekannt, welches ausschließlich dort Anwendung fand, wo geringe Schmierqualitäten und Festigkeiten gefordert wurden. Mit der noch verhältnismäßig

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jungen Anerkennung der hervorragenden Schmierqualitäten von Molybdändisulfid als Schmiermittel besteht die Möglichkeit der Behandlung von Oberflächen mit einem Trockenschmierstoff unter Umgehung der Notwendigkeit des Einbringens des trockenen Schmierstoffes in einen flüssigen. Unvorteilhafterweise ist die in dieser Möglichkeit liegende Aufgabe bisher noch nicht gelöst worden, obwohl die Trockenschmierung, wenn auch nur in einem beschränkten Umfang, bereits Anwendung gefunden hat.

Die erste Verwendung von Molybdändisulfid als Trockenschmiermittel bestand in seiner dispersionsartigen Verteilung in einem einfachen Ölbad, wie es etwa in einem Autokurbelgehäuse oder auch in einem Transmissionsgehäuse Anwendung findet. Da sich derartige Maschinen bezüglich ihrer Verschleißeigenschaften als wesentlich widerstandsfähiger erwiesen, wenn das Öl für Trockenlagertestzwecke abgelassen worden war,als bei einfachen Tests mit ausschließlich ölgeechmierten Maschinen, war hiermit ein Beweis dafür erbracht, daß die freie Dispersion des Trockenschmiermittels eine zusätzliche Abriebwirkung hat. Die Ursache hierfür liegt wahrscheinlich darin, daß die einzelnen Partikel nicht abgeplattet (plated) werden bzw. nicht in einer die Schmierfunktion bewirkenden Weise aufgebracht werden, wenn sie in der dispergieren Form

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vorliegen. Die genannte Trockenschmierung ermöglicht eine einwandfreie Wirkungsweise, jedoch nur für eine etwas längere Zeit als andere vergleichbare Schmierungen, bevor es zu einem Festfressen der geschmierten Lager oder Teile kommt.

Ein komplizierteres, jedoch erfolgereicheres Verfahren der Trockenschmierung ist dasjenige, bei dem der Trockenschmierstoff einem Harzbindemittel untergemischt ist, welches auf die Oberfläche der zu schmierenden Teile aufgebracht wird. Dieses Verfahren fordert jedoch Teile, die in ihren Abmessungen unter den normalen Größen liegen, da das Auftragen des Bindemittels mit dem Schmierstoff eine zusätzliche Vergrößerung der Abmessungen jedes Teils zur Folge hat. Darüber hinaus muß das verwendete Bindemittel bei verhältnismäßig hohen Temperaturen zur Trocknung und zur Erreichung der geforderten Festigkeit ausgehärtet werden. Da das Bindemittel normalerweise aus einer organischen Verbindung besteh^, wird auf diese Weise die Arbeitetemperatur der geschmierten Oberfläche durch die Zerfallstemperatur des Bindemittels beschränkt, welche gewöhnlich wesentlich niedriger ist als jene, bei der der Schmierstoff oder die Oberfläche Schaden erleidet. Da das Bindemittel zusammen mit dem Schmierstoff einen Überzug herstellt, unterliegen die Partikel nicht der Gefahr^

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während des Betriebes verloren zu gehen. Die Partikel sind bei diesen bekannten Schmierverfahren von ziemlich beachtlicher Größe und können sogar zu einem Blockieren bzw. Festfressen und zu einer extremen Abnutzung der Lager Nocken und anderer Toleranzlageroberflächen führen.

Durch die Verwendung eines Bindemittels ist ein weiterer Schritt für die Trockenschmierung in der richtigen Richtung getan, wobei jedoch dieses bekannte Schmierverfahren verhältnismäßig kompliziert und mit einer Reihe von Fehlern und Mängeln behaftet ist. .

D«r Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, uüter Ausnutzung der Vorteile bekannte* Trockenschmierverfahren eine Vereinfachung und Verbesserung der Schmierung zu erreichen, wobei bisher aufgetretene Nachteile vermieden werden.

Die Lösung der. Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß das Trockenschmiermittel zwischen die zu schmierende Oberfläche und ein mittels Bewegungskraft angetriebenes Mittel zwischengesc.haltet wird, wobei das Trockenschmiermittel mit der Oberfläche bei Beginn der Kraftwirkung bzw. während des Aufprallprozessesyluf die Oberfläche zu bewegten Mittels zusammensintert. ..'-■- ■■:-- ^: --

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Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß trocken geschmierte Lageroberflächen gesphaffen werden, welche über einen sehr breiten Temperaturbereich schmierbeständig sind.

Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemaßen Verfahrens besteht darin, daß es Trockenschmiermittel in verbesserter Weise auf die Oberflächen der zu schmierenden Teile aufbringt, wobei Teile mit normalen bzw. genormten Abmessungen Verwendung finden können.

Ein weiteres Merkmal des Verfahrens der Erfindung besteht darin, daß die trockenen Schmierstoffe auf Oberflächen, die alle möglichen Konfigurationen und Geometrien aufweisen können, aufbringbar sind.

Es ist für die Erfindung vorteilhaft, daß die trocken geschmierte Oberfläche einen niedrigen Reibungskoeffizienten und eine geringe Abnutzung aufweist als nach bisher bekannten Verfahren erreicht werden konnte, und daß keine Partikelausflockungen mehr auftreten.

Auch ist es von Vorteil, daß die trocken geschmierte Oberfläche einen extrem niedrigen Dampfdruck besitzt, so daß die gute Schmierqualität selbst im Vakuum erhalten bleibt.

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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der trockene Schmierstoff leichter und sicherer mit dauerhafterem und verbessertem Ergebnis aufbringbar als bisher möglich.

Es ist für die Erfindung wesentlich, daß sie Mittel für die Verhinderung des direkten Metall-auf-Metall-Kontaktes zwischen den beweglichen Teilen vorsieht.

Auch besteht noch ein Vorteil der Erfindung darin, daß mittels des Verfahrens Trockenschmierstoffe auf Polymere, welche bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen bereits zersetzt werden und Weichmetalle aufgebracht werden können.

Auch ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, das für die Trockenschmierung einer Oberfläche die Zwischenschaltung eines Trockenschmierstoffes zwischen ein Aufschlagpartikel und die Oberfläche einschließt, noch vorteilhaft, daß der Schlagaufprall eine weitere Verfestigung der Oberfläch· und eine Vereinigung des Trockenschmierstoffes mit dieser durch den Aufprall des Partikel« mit hoher Geschwindigkeit bewirkt.

Schließlich ist es noch von Vorteil, daß das Verfahren ein Jröcken geschmiertes Metall schafft, welches eine

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Metalioberfläche aufweist, in der Eindellungeh vorhanden sind, wobei diese Eindellungen in einem Teil der Metalloberfläche unter Amfpralldruck eingebracht werden und gleichzeitig ein Troekensehmierstoff in die Eindellungen des Metalls eingebracht wird.

Merkmale der E_rfladung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Abbildungen.

Gemäß der Erfindung werden die Trockenschmierstoffe auf die Oberfläche z.B. eines Lagers durch den Aufprall von Partikeln aufgebracht, wobei der Schmierstoff veranlaßt wird, sich mit der Oberfläche zu vereinigen. Ein verhält nismäßig schwieriges und wenig brauchbares, bekanntes Verfahren besteht in dem Elnpolieren bzw. Einschleifen ^ eines trockenen Schmierstoiffes in die Oberfläche. Dieses Verfahren ist jedoch verhältnismäßig zeitraubend und. ·. · schwerfällig, auch ist das auf diese Weise erreichte Ergebnis für die Schmierung, gemessen an dem gemäß der " Erfindung erzielten Resultat, gering.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der tr ο ckene..Schmier stoff in die Oberfläche hineingeschlagen wird, wofür er zwischen der zu schmierenden Oberfläche und de;n^-Aufschlag■ parttkeln angeordnet wird. Jedes Aufs.chlagpartikel bewegt

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sich mit hoher Geschwindigkeit und trifft mit hohem Bewegungsdruck auf die Oberfläche auf. Auf diese Weise wird ein großes Haft- und Pubionsvermögeη des trockenen Schmierstoffes mit der Oberfläche sichergestellt und ein wesentlich verbessertes Ergebnis für trocken geschmierte Oberfläche erreicht. Die "einhämmernde¹¹ Befestigung des Schmierstoffes durch die Partikelbewegung bewirkt gleichzeitig, daß in die Oberfläche des Lagers oder dergleichen kleinste Eindellungen eingebracht werden, wodurch eine gleichzeitige Härtung der Oberfläche erreicht und somit die Möglichkeit der Beschädigung herabgesetzt wird. Da die einschlagende Befestigung des Trockenschmierstoffes dieaen nicht nur auf der Oberfläche haftend, anbringt, wird darüber hinaus die Basisqualität der Oberfläche verbessert.

Die polierende und einhämmernde Wirkung erklärt sich aus der Tätigkeit der krafterzeugenden Hilfemittel, welche die Inkontaktbringung des Trockenschmierstoffes mit der Oberfläche bewirken.

Es hat sich als besonders vorteilhaft und wirtschaftlich herausgestellt, das Trockenschmiermittel auf ein Aufschlagpartikel so aufzubringen, daß es mit diesem in einem Stück

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zusammenheftet. Diese Voraussetzung wird durch die mehrfacne Untermischung der Aufschlagpartikel, welche oft sehr klein sind, unter das Trockenschmiermittel erreicht. Die überzogenen Aufschlagpartikel werden dann mit einer sehr hohen Geschwindigkeit gegen die Oberfläche geschleudert. Nach dem Zusammenprall mit der Oberfläche bleibt das Trockenschmiermittel wenigstens teilweise auf der Oberfläche haften und dringt in diese ein.

Bekannte Trockenschmiermittel sind u. a. Metalle in festem Zustand, deren leichte Bewegung zwischen den in Kontakt stehenden Oberflächen durch Schmierung erreichbar ist.

Bevorzugte Trockenschmiermittel, wie sie bei dem erfindungs gemäßen Verfahren verwendet werden, sind z. B. Molybdändisulf id, Wolframdisulfid, Titandisulfid, Molybdändiselenid Wolframdiselenid, Niobiumdiselenid und Molybdänditellurid. Bezüglich des Anwendungsbereiches der Erfindung verdient es hervorgehoben zu werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit einer großen Zahl von Trockenschmiermitteln ausführbar ist. Die Ergebnisse, die mittels eines bevor-BUgten Ausführungsbeispiels unter Verwendung von Molybdändisulfid und Wolframdiaulfid erzielt werden konnten, waren jedoch die besten.

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Die Betriebs- bzw. Arbeitsbedingungen bei der vorliegenden Erfindung sind,besonders bezüglich der Temperatur, nicht kritisch und die Aufbringung des Schmierstoffes erfolgt kontinuierlich, bis die Gesamtheit der Oberfläche vollständig damit beaufschlagt ist.

Die Mikrokugeln verwendende Aufschlagvorrichtung beseitigt gleichzeitig die auf der Lageroberfläche vorhandenen und nicht zulässigen Oberflächenrauheiten. Die Mixkrokugeln sind ballartig ausgebildet und erzielen durch ihren Aufschlag sehr geringe Eindrücke in der Oberfläche, wobei sie sich nicht wesentlich verfemt. Die Verwendung eins: Vorrichtung, welche die Hikrokugeln mittels Luft in Bewegung setzt, ist für das erfinduagsgemäße Verfahren vorteilhaft. Eine Schleifvorrichtung (cutting apparatus), welche diesen Antriebsmechanismus verwendet, ist mit Mikrokugeln betätigbar und ersetzt das konventionelle Gebläsesand- bzw. Schleifmaterial. Die kleinen, durch den Kugelaufprall entstehenden Eindellungen sind hierbei besonders vorteilhaft, da sie eine Art "Vorratskammer* für den Schmierstoff bilden. Damit ist der Schmierstoff für die in Kontakt stehenden Teile der Lager in geeigneter Weise verfügbar.

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Zahlreiche Oberflächen karren in Übereinstimmung mit der Erfindung bearbeitet werden. Typisch hierfür sind insbesondere folgende Oberflächenmaterialien: 5Q4» 416, 421, 44OG and A286 Stahlzusammensetzungen. Darüber hinaus können Anwendung finden: Süberhartgeld, Lager und dergleichen aus Messing bzw. Gelbkupfer, Beryllium-Kupferlegierungen, Titan, Aluminium, Magnesium und andere Metalle, die schrittweise trocken geschmiert werden können. Auch auf Keramikmatedalien findet die Trockenschmierung immer mehr Anwendung. Ein besonders Torteilhafter Gesichtspunkt der Erfindung ist noch die Möglichkeit, auch Plaste (Plastik) trocken zu schmieren. Da die Aufschläge der Kugeln auch bei Raumtemperatur durchgeführt werden können, können ganz allgemein auch Plaste für die Verwendung als Zahnräder oder Nocken etwa aus Hylon entsprechend bearbeitet werden. Die Abriebqualität von Plastik konnte verschiedentlich durch die Trockenschmierung verbessert werden.

Die beiliegende Zeichnung zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, und es bedeutet:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines ersten Verfahrensschrittes nach der Erfindung,

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Fig. 2 eine vereinfachte Wiedergabe des Aufschlagaugenblicks und

Pig. 3 eine vereinfachte Darstellung einer Oberfläche,

welche nach dem Aufprall der Kugel mit Schmiermaterial beaufschlagt ist.

Wie in Pig. 1 dargestellt, ist ein ballartiges Aufschlagpartikel 10 mit einer Schicht eines Trockenschmiermittels 11 überzogen. Das Partikel 10 mit der Überzugsschicht aus Schmiermittel wird unter hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche 12 zu bewegt. Wenn, wie in Pig. 2 dargestellt, das Partikel 10 mit seiner Überzugsschicht aus Schmiermittel 11 mit der Oberfläche 12 zusammentrifft, entsteht in dieser ein Bindruck 14. Aus Gründen des deutlicheren Verständnisses ist der Eindruck 14 in der Zeichnung erheblich vergrößert dargestellt. Anschließend springt das Partikel 10, wie in Pig. 3 gezeigt, von der Oberfläche wieder zurück. Bei dem Aufprall ist jedoch ein Teil 16 des Trockenschmiermittel 11 von dem in J"orm eines Balls ausgebildeten Partikel 10 auf die Oberfläche 12 übertragen worden und bildet nunmehr mit dem Eindruck 14 zusammen aine Einheit.

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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in den Abbildungen erheblich vereinfacht und unter teilweiser Vergrößerung ■wiedergegeben -worden. Bei einem Vielfachbeschuß der Oberfläche 12 mit Aufschlagpartikeln 10 wird schließlich die gesamte Oberfläche 12 mit in diese eingebrachtem Schmierstoff 16 überdeckt sein. Eine derartige Oberflächenübersiehung kann ständig wiederholt -werden,

Zur -weiteren Vertiefung des Erfindungsgedankens sowie der sich ergebenden Vorteile seien nachfolgend einige Beispiele aufgezeigt.

Beispiel I

Zwei 440C-Stahloberflächen, die Oberfläche A und die Oberfläche B, wurden mit Molybdändisulfid behandelt. Die Oberfläche A wurde mittels eines Sprühverfahrens, bei dem das Molybdändisulfid auf die Oberfläche aufgesprüht und anschließend in die Oberfläche unter Verwendung einer Polierwelle mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit eingerieben wurde bearbeitet. Die Oberfläche B wurde so behandelt, daß zunächst das Molybdändiaulfid. auf die Oberfläche aufgespritzt wurde, wonach unter der Attfichlagwirkuof τοη Hikrokugela die Oberfläche weiterbearbei*·* wurde, indes

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diese Mikrökugeln mit hoher Geschwindigkeit in einem luftgebläse auf die Oberfläche zu beschleunigt wurden. Die zwei derart behandelten Oberflächen waren in Scheibenform auegebildet und wurden im Vakuum getestet. Hierfür wurden die Scheiben in Drehung versetzt, und zwar mit Zapfen gleicher Fläche und Tragfähigkeit. Die mittels des Kuge!partikel-Aufschlagverfahrens bearbeitete Oberfläche B wies eine sechsmal so große Abriebfestigkeit auf wie die Oberfläche A, welche mittels des Folierverfahrens bearbeitet worden war.

Beispiel II

Zwei Oberflächen aus 303 rostfreiem Stahl wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel I dargestellt behandelt. Ey wurde hierbei gefunden, daß die mittels des Aufschlagverfahrens veredelte Oberfläche eine verbesserte Oberfläche mit einem viel geringeren Abiriebwert aufwies, der gegenüber den durch reine S_ehleifverfahren veredelten Oberflächen um das 60-fache kleiner war, wobei die Behandlung im Vakuum stattfand. I

Darüfce» ainjiue «eil su den beiden B^iepielen festgehalten wtriea, All

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bearbeiteten Oberflächen sich verbesserte, während durch Polieren bearbeitete Oberflächen sich verschlechterten. Diese Tatsache kann auf die vielen Verletzungen der durch das Polieren behandelten Oberfläche zurückgeführt werden, sumal hier ungenügend wenig Schmierstoff im Gegensatz zu dem Aufschlagverfahren auf der Oberfläche verbleibt,

Beispiel III

Antriebszahßräder aus 303 rostfreiem Stahl mit einer Fläche von 3*2 mm wurden mit Molybdändisulfid erfindungsgemäß behandelt, wobei das Schmiermittel als Überzug auf Glasmikrokugeln aufgebracht war, welche einen Durchmesser »wischen 50 und 100 Mikron aufwiesen. Diese Kugeln wurden mit der Oberfläche der AntriebsZahnräder in StoSkoatäkt gebracht, um dadurch das Trockenschmiermittel zu übertragen. Die so behandelten Zahnräder ließ man dann im Vakuum bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten von 30 bis 3000 XJ/min. laufen, wobei sie insgesamt über 400 000 000 Umdrehungen ohne erkennbaren Verschleiß oder einer Vergrößerung der für die Zanräder geforderten Toleranz erkennen ließen.

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- 16 Beispiel IY

Zahnräder wurden unter Verwendung von Stahllagern aus 52100 Stahl angetrieben. Diese Lager wurden mit Schmiermittel aus der handelsüblichen Herstellung gespeist, wobei ein Pestfressen nach 1,800 Stunden auftrat. Fach diesem Festfressen wurden gleichartige Lager trocken geschmiert, und awar in der in Beispiel III dargestellten Weise. Die in Übereinstimmung mit der Erfindung geschmierten Lager zeigten, daß sie noch nach 4»000 Stunden kontinuierlichem Lauf ohne jede Störung waren.

Heben Glasmikrokugeln sind auch andere runde Materialien rerwendbar. Die Glaskugeln werden nach ihrer Verwendung weggeworfen, um eo eine hohe Schmiarquali.tät zu erreichen. Demgegenüber können Metallkugeln, beispielsweise solche aus rostfreiem Stahl, wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden, in dem sie durch Aufbringen neuen Schmierstoffs auf die Kagel wieder gebrauchsfähig gemacht werden. Bei machen Herstellungsverfahren kann das von erheblicher Wichtigkeit sein.

Aus den obigen Beispielen wird ersichtlich, daß die Erfindung eine gegenüber bisherigen Verfahren wesentlich

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verbesserte Trockenschmierung liefert. Ba die Vorteile der Irockenschmierung für konventionelle Zwecke leicht erkennbar sind, soll hervorgehoben werden, daß solche Schmierungen erhebliche Bedeutung für Pugenanwendung (apace use) haben. Unter den Bedingungen hohen Vakuums werden Metalle gemeinsam zusammengefügt bzw. Miteinander in Kontakt gebracht. Die herkömmlichen flüssigen Schmierungen sind für die Anwendung in hohem Vakuum nicht geeignet, da diese Schmiermittel verdampfen. Unter Btzug-

sich nähme auf die "space use" ergibt/die Verdampfung nicht nur durch die Entfernung bzw. Zerstörung des Schmiermittels sondern es entsteht darüber hinaus auch noch eine Verunreinigung der Umgebung an der Schmierstelle. Es kann folglich gesa£ werden, daß die obigen Anwendungsbeiapiele der Erfindung bei hohen Vakuumbedingungen eine wesentlich höhere Beanspruchung der Schmierstellen als normalerweise möglich' ist, sicherstellen, Hier liegt eine Art Kaltwalzbzw. SohweiSneigung vor und irgendeines der herkömmlichen ölbadachmierverfahren kann mitunter völlig ungeeingtt, wenn nicht sogar schädlich sein.

Die anhand der Zeichnung beschriebenen Beispiele bzw. die

Auefuhrungsform können verschiedenartig abgewendet werden, ohne dad dabti der Bereich der Erfindung verlassen wird.

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Claims (1)

1. Anspruch·

   1. Verfahren zur Schmierung einer Oberfläche, etwa, «inte Lagere oder dergleichen, mit Trockenschmiermittel, da -durch g β k β η η β e i e h η · t , daß das Trockenschmiermittel (11) «wischen die «ti.schmierend* Oberfläche (12) und ein mittels Bewegfcmgskraf* angetrie* be nee Mittel (10) «wie eingeschaltet wird, wobei das Trockenschmiermittel (11) Mit der Oberfläche (12) bei Beginn der Kraftwirkung b«w, während de» Aufprallprozeseee des auf die Oberfläche zu bewegten Mittels (10) »ueanmen-■intert.

   t. Terfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß da« angetriebene Mittel (10) aus ein·» AKfschlagpartikel baw. einer Vielzahl ran Aufechlagpartikela besteht, wobei jedes A«fschlagpartikel da« Trockenecheierei-ttel (11) auf

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   die Oberflttche (12) durch Stoßkontaktnähme bei hoher

   ".- Γ . ■'· -■■ ■ . - '"l· Oisohwindikkeit aufbringt.

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   3. Verfahren nach Anspruch 1 und £, dadurch gekennzeichnet, daß das Trockenschmiermittel (11) auf dem Aufachlagpartikel (10) in Form tines Überzuges aufgebracht ist, wobei das Aufschlagpartikel (10) Mittels eines Gebläses oder dergMchen auf die Oberfläche (12) SU bewegt wird,

   4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Trockenschmiermittel (11) zu der Gruppe Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Tltandisulfid, Molybdäudiselenid, Wolframdiselenid, Niobiumdiselenid und Molybdänditellurid gehört,

   5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekean-. ■eichnet, daß die zu schmierende Oberfläche (12) aus Metall ist*

   6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu schmierende Oberfläche (12) ein Polymer 1st.

   Patentanwälte

   Seiler u. Pfenning

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