DE2300927A1 - Verfahren zur herstellung von reibungselementen - Google Patents

Description

"Verfahren zur Herstellung von Reibungselementen¹¹

Dia vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Reibungselementen, wie zum Beispiel Bremsbacken für Schienenfahrzeuge, Bremsbeläge fur Kraftfahrzeuge und dergleichen.

Es gibt eine bekannte Masse zur Herstellung von Bremsbacken mit geringer Reibung for Schienenfahrzeuge, die durch 12 bis 30 Gew. % Gusseisenteilchen, 20 bis 55 Gew.% Graphitteilchen, 8 bis 17 Gew.% Asbestfasern, 14 bis 24 Gew.% eines wärmehärtbaren Phenolformaldehyd-Bindeharzes und bis zu 30 Gew. % ver-

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schiedener Reibungsmodifikatoren, wie zum Beispiel Baryt, Aluminiumoxyd, Koks usw. gekennzeichnet ist. Ein verhältnismässig hoher Anteil an Asbestfasern, beispielsweise zwischen 35 bis 50 Gew. %, ist ferner kennzeichnend für bekannte Bremsbeläge für Kraftfahrzeuge.

Ein bekanntes Pressformverfahren, das zur Herstellung des bekannten Erzeugnisses angewendet wird, besteht darin, dass nach Herstellung einer homogenen Mischung der Bestandteile eine Form- oder Gesenkhöhlung mit der homogenen Mischung gefüllt wird, die dann mehrere Stunden lang bei hoher Temperatur und unter erheblichem Druck einer Vorhärtung unterworfen wird. Durch dieses Verfahren wird sowohl die Mischung verdichtet und das wärmehärtbare Harz teilweise gehärtet. Danach wird das teilweise gehärtete, geformte Produkt einer abschiiessenden Härtung unterworfen, die 10 Stunden oder länger bei einer Temperatur von 35O C oder mehr durchgeführt wird.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, dass die hohen Kosten der Herstellung von Reibungselementen durch Pressformung, bei der gleichzeitig hoher Druck und hohe Temperatur angewendet werden müssen, dadurch vermieden werden könnten, dass eine im wesentlichen lösungsmittelfreie, sogenannte trockene Mischung gepresst wird. Dies bedeutet, dass zunächst die im wesentlichen trockene Mischung zu ihrer endgültigen Dichte bei Zimmertemperatur gepresst wird und die Wärmehärtung des Harzes anschliessend ausserhalb der Form vorgenommen werden kann, ohne dass gleichzeitig ein hoher Druck ausgeübt werden müsste. Theoretisch sollte

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dieses Prinzip durchführbar sein, aber in der Praxis wurde nicht immer ein zusammenhängender Körper erhalten, der seine endgültige Dichte beibehielt. Es trat im Gegenteil eine Schichtentrennung auf, obwohl das Bindemittel eine gute Haftung bewirkte, wie es weiter unten erläutert wird.

Bei dem Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung werden trockene Reibungsmischungen, die frei von Lösungsmittel sind und sehr locker sind und geringe Dichte aufweisen, zu ihrer endgültigen Dichte bei Zimmertemperatur in einer einzigen schnellen Bewegung des Presskolbens gepresst und dann ausserhalb der Form ohne die Anwendung von Druck gehärtet. Die Voraussetzung hierfür besteht darin, dass eines der Gesenkteile mit Durchgängen ausgebildet ist, die an die Umgebungsluft führen und dass diese Durchgänge in wirkungsvoller Weise durch Siebeinrichtungen abgeschirmt sind. Es ist daher die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine trockene Reibungsmischung, die einen verhältnismässig hohen Asbestanteil enthält, so zu ihrer endgültigen Dichte zu pressen, dass ein Abblättern vermieden wird, und dies dadurch zu erzielen, dass ein Weg für das schnelle Entweichen von Luft geschaffen wird, die in der denn Pressvorgang unterworfenen Mischung eingeschlossen ist, wobei wiederholte Pressvorgänge durchgeführt werden können, ohne den för das Entweichen der Luft vorgesehenen Weg zu verstopfen.

In den beigefügten Zeichnungen sind:

Fig. 1 eine etwas schematische Schnittansicht einer Presse, zusammen mit einigen Siebelementen, die bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet werden^ _{Q g} g 3 _{1 ; Q} g g ^

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Fig. 1A eine perspektivische Ansicht des Presskolbens, Fig. 1B eine Bodenansicht des Presskolbens und

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Bremsbacke für ein Schienenfahrzeug, die gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann.

Über einen Zeitraum von nahezu zehn Jahren hat sich die Anmelderin mit dem Problem beschäftigt, wie Reibung sei em ente aus einer im wesentlichen trockenen Mischung hergestellt werden körinen, die ein wärmehärtbares Harzbindemittel in im wesentlichen trockenem Zustand enthält, ohne Wärme und Druck gleichzeitig anwenden zu müssen, um das Harz zu härten. Die gleichzeitige Anwendung von Wärme und Druck war lange Zeit die allgemein übliche Praxis.

Es wurde einmal versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, die das Harzbindemittel enthaltende Reibungsmischung einer intensiven inneren Bearbeitung in einer Mischkammer zu unterwerfen, die so intensiv war, dass durch die innere Reibung das Harz geschmolzen und in einen etwas plastischen, klebrigen Zustand gebracht wurde, der jedoch noch weit von dem gehärteten, unschmelzbaren Zustand entfernt war. Die erhaltene Mischung war roch immer im wesentlichen lösungsmittel- oder trägerfrei, das in ihr enthaltene Harz war jedoch genügend weich, so dass eine abgemessene Menge der Mischung in einer Formhöhlung zu der endgültigen Dichte gepresst werden konnte, die für das Reibungselement erwünscht war, wodurch seine Integrität und Dichte erhalten

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blieb, wenn es aus der Formhöhlung herausgenommen wurde, obwohl das Bindemittel nicht gehärtet war. Infolgedessen konnte der gepresste ReibungsstofF dann in einen Ofen gebracht und genügend lang bei erhöhter Temperatur gehalten werden, um das wärmehärtbare Harz von seinem weichen "B"-Zustand in seinen gehärteten, unschmelzbaren ^uC"-Zustand umzuwandeln. Die trockene Mischung wurde also ohne zusätzliche Wärme gepresst, und der gepresste Körper wurde dann ohne Druck gehärtet, mit Ausnahme des Druckes, der erforderlich sein kann, um zu vermeiden, dass der gepresste Körper sich verzieht. Wie oben erwähnt, kann jedoch bei dem in dieser Weise erzeugten Bremsblock eine Schichtspaltung oder ein Bruch auftreten, was zu Abfallprodukten und einer herabgesetzten Produktionszahl föhrt.

Es gibt einige begrenzende Faktoren, die die mögliche Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe begrenzen. Zunächst soll erflndungsgemäss die Ausübung von Druck und Temperatur als gleichzeitiger Vorgang zur Härtung des Harzbindemittels bei der Herstellung von Reibungselementen getrennt werden, wobei diese Vorgänge aufeinander folgen sollen und dennoch ein Erzeugnis erzielt werden soll, das die wesentlichen Eigenschaften (Reibungskoeffizient, Verschleissfestlgkelt, Stossfestlgkelt usw.) eines Produktes behält, das durch den gleichzeitigen Vorgang com".es denn früheren Verfahren hergestellt worden ist. Zweitens nur*3 alles, was die vorstehenden Bedingungen erfüllt, kostenmäsoig im Hinblick auf die Produktionsziffern gerechtfertigt sein. Nachdem man einmal festgestellt hat, dass ein Relbungselement mit der Leistungsfähigkeit eines gemäss dem bekannten Verfehren

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hergestellten Reibungselementes hergestellt werden kann, indem es zunächst ohne Wärme zur endgültigen Dichte gepresst wird und dann ohne Druck zur endgültigen Härte gehärtet wird, mit Ausnahme des Druckes, der erforderlich sein kann, um zu vermeiden, dass sich der gepresste Rohling verzieht, rechtfertigt mit anderen Worten jede Möglichkeit, die Produktionsziffer bei einem derartigen Verfahren zu erhöhen, geringere Kosten für den Verbraucher, oder einen höheren Preis für ein Produkt, das für bessere Leistungsfähigkeit abgewandelt ist. Drittens muss mit dem Verfahren eine Mischung mit verschiedener Dichte verarbeitet werden können, die einen erheblichen Asbestgehalt enthält und bis zu 80 % Luft einschliesst. Eine Mischung dieser Art ist unten im Beispiel 1 angegeben, das die bevorzugte Mischung für Bremsbacken für Schienenfahrzeuge und den möglichen Mischungsbereich angibt.

Es ist erfindungsgemäss ein Verfahren entwickelt worden, das diese begrenzenden Kriterien erfüllt und das weiter unten ausführlich beschrieben wird. Zunächst wird jedoch die Zusammensetzung der Masse beschrieben, die für die Herstellung von Bremsbacken für Schienenfahrzeuge bevorzugt wird. Der Fachmann kann diese Masse leicht für die Herstellung von Bremsbelägen für Kraftfahrzeuge abwandeln, oder sogar für Kupplungsflächen, die aus einor ähnlichen Trockenmischung hergestellt werden. In diesen Fällen werden mehr. Asbest und vielleicht Messingspäne anstelle von Gusseisenteilchen verwendet.

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Die genauen Bestandteile und Anteile der Mischung, die gemäss der vorliegenden Erfindung gepresst wird, hängen von der beabsichtigten Verwendung des Erzeugnisses ab, je nachdem, ob das erhaltene Reibungselement die Form eines Bremsbelages für Kraftfahrzeuge, einer Bremsbacke für Schienenfahrzeuge, einer Kupplungsscheibe usw. erhalten soll. Die Reibungs- und Verschleisseigenschaften sind je nach dem beabsichtigten Verwendungszweck sehr verschieden und werden durch Änderung der Bestandteile der zu pressenden Mischung bestimmt. In jedem Fall wird das erfindungsgemässe Verfahren mit einem Asbestgehalt von mindestens 5 oder mehr Gew. % und mit einem Bindemittel in Form eines wärmehärtbare; 'Harzes durchgeführt. Die genaue Art des Harzes ist nicht von Bedeutung, da es hinsichtlich seines Härtewertes in verschiedener Weise abgewandelt werden kann, das Harz ist jedoch vorzugsweise ein Novolak oder ein in zwei Schritten wärmehärtbares Phenolformaldehydharz, wenngleich auch ein in einem Schritt wärmehärtbares Phenolformaldehydharz oder eine Mischung der zwei Harzarten verwendet werden kann. Im Falle einer Bremsbacke für Schienenfahrzeuge wird dem nachfolgenden Beispiel der Vorzug gegeben.

Beispiel 1

Anteil Bevorzugter

Bestandteil (Gew.%) Anteil (Gew.%)

Phenolformaldehydharz

(Novolak) 14-24 24

Gusseisenteilchen
(Teilchengrösse:
zurückgehalten von Prüf sieb
mit 120 Maschen je
25,4 mm Länge)

(+ 120 mesh) 12-30 17,5

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Graphitteilchen
(durch ein Prüfsieb mit
60 Maschen je 25,4 mm
Länge durchgehend)
(-60 mesh)
(zurückgehalten von
einem Prüfsieb mit
325 Maschen je
25,4 mm Länge)

(+ 325 mesh)	20-55	21
Asbestfasern	8-17	8,8
Reibungsmodifikatoren
(Baryt oder Aluminium
oxyd, 95 % durchgehend
durch ein Prüfsieb mit
325 Maschen je 25,4 mm
Länge)
(-325 mesh)
Koks (durchgehend durch
ein Prüfsieb mit 20 Ma
schen je 25,4 mm Länge)
•(-20 mesh)	0-30	29

Das Novolak ist in einen wärmegehärteten Zustand wärmehärtbar (Härtung durch Hexamethylentetramin, nachstehend Hexa). Die Trockenbestandteile des Beispiels 1 werden zu einer homogenen Mischung miteinander vermischt, und eine abgemessene Menge 10 (Fig, 1) wird auf der Oberseite eines Stahltragkörpers 12 angebracht, der komplementär zu einer Vorrichtung 13 ausgebildet und angeordnet ist, die die Bodenwand eines Gesenk- oder Matrizenteils 15 bildet. Ein durch Wärme aktivierbares Verbindungsmittel kann auf die Fläche des Tragkörpers 12 aufgetragen werden, um die Bindung der Reibungsmischung 10 an dem Tragkörper zu unterstützen, wenngleich das Ineinandergreifen zwischen der Reibungs-

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mischung 10 und dem Tragkörper 12 hauptsächlich durch öffnungen 12a in dem Tragkörper 12 hervorgerufen wird, in die die Mischung während das Pressvorganges extrudiert wird.

Nachdem die abgemessene Menge der Reibungsmischung in dieser Weise auf dem Tragkörper 12 angebracht worden ist, der in dem Gesenkteil 15 gehaltert ist, wird der Druckstempel oder - kolben 20 als das andere Teil, das die Formhöhlung umgrenzt, eingeführt, wodurch die Trockenmischung 10 soweit zusammengepresst wird, bis sie die geometrische Form der gewünschten Bremsbacke 30 einnimmt (Fig. 2). Der ausgeübte Enddruck beträgt etwa

3500 kp/cm , und die Ausübung des Druckes wird sofort nach Erreichen dieses Wertes beendet, wodurch die Mischung auf ihre Enddichte zusammengepresst wird, die etwa 85 % der theoretischen Dichte und manchmal bis zu 90 % beträgt.

Der Druckkolben wird dann zurückgezogen und die aus dem Tragkörper und dem zusammengepressten Reibstoff bestehende Anordnung (Fig. 2) aus der Gesenkhöhlung herausgenommen. Diese Anordnung ist eine Schienenfahrzeug-Bremsbacke 30, die den Tragkörper 12 und den verdichteten Reibblock 10A umfasst. Es ist ersichtlich, dass die in Fig. 2gezeigte Bremsbacke nicht eine Begrenzung der Erfindung in geometrischer Hinsicht darstellt.

Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung wird sodann in einen Wärmebehandlungsofen gebracht, wo sie etwa 10 Stunden lang einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird. Während dieser Zeit wird die Temperatur von etwa 150 C auf etwa 230 C erhöht. Ein geringer

2 Druck in der Grössenordnung von 0,14 kp/cm wird ausgeübt, um

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die Integrität der Anordnung zu gewährleisten. Die obere Temperatur wird dann für sechs weitere Stunden aufrechterhalten, was zur vollständigen Härtung des Phenolformaldehydharz-Bindemittels führt. Das Phenol bindemittel gemäss Betspiel 1 ist ein Novolak und enthält etwa 6 % eines Beschleunigungsmittels, wie zum Beispiel "Hexa", um die Härtung zu beschleunigen- Es kann jedoch auch ein in einer Stufe wärmehärtbares Phenol for maldehydharz verwendet werden, oder in Verbindung mit einem Novolak, wie bereits erwähnt. In jedem Fall ist der wesentliche Bestandteil des Bindemittels ein bekanntes wärmehärtbares Phenolformaldehydharz, wie es bereits in der Technik bei der Herstellung von Reibstoff elementen verwendet wurde.

Gemäss der vorliegenden Erfindung werden schnelle und wiederholte Pressvorgänge dadurch ermöglicht, dass eines der die Formhöhlung bildenden Teile mit Schlitzen ausgebildet ist, um vdas Entweichen der Luft zu gestatten, die in der lockeren Trockenmischung enthalten ist, die zusammengepresst wird. Vorzugsweise wird der Weg für das Entweichen der Luft dadurch gebildet, dass Schlitze oder Nuten 32 (Fig. 1A) in den Seiten- und Endwänden des Druckstempel teils 20 ausgebildet sind, wobei die Schlitze quer über die Bodenfläche oder -wand des Druckstempels fortgesetzt sind, wie es in Fig. 1B gezeigt ist. Infolgedessen hat die in der Mischung eingeschlossene Luft einen Weg, auf dem sie an die Umgebungsluft entweichen kann, und damit diese Entweichstrecke nicht behindert oder verstopft wird, wird eine Kombination von Siebelementen zwischen der zu pressenden Mischung und der Bodenwand des Druckkolbenteils angeordnet.

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Die Siebelemente umfassen ein erstes Metall-Lochblech 34, das als oberstes in der Formhöhlung angeordnet ist, und auf dem die gekrümmte Bodenwand des Druckkolbens 20 aufliegt. Das Siebelement 34 ist mit verhältnismässig grossen öffnungen 34A ausgebildet.

Das nächste Siebelement ist ebenfalls ein Metall blechteil 35, das zwischen dem Siebelement 34 und einem Papierblatt 36 angeordnet ist, das auf der Oberseite der Trockenmischung aufliegt. Das Metall blechsieb 35 ist mit öffnungen 35A ausgebildet, die kleiner sind als die öffnungen 34A, und das Papierblatt 36 ist natürlich porös. Die beiden Mete'IbIechteile 34 und 35 können an äer unteren Fläche des Druckkolbens befestigt sein.

Das Papierblatt, das sehr kleine öffnungen enthält, durch die Luft hindurchgehen kann, verhindert es, dass die Reibstoffmischung 10 die öffnungen in dem darüber liegenden Metallsieb 35 verstopft, aber gestattet natürlich das Hindurchgehen der Luft durch das Metallsieb. Das Papier ist vorzugsweise nichts anderes als ein Blatt Hartpapier.

Das zwischen dem Papier und dem Siebteil 34 angeordnete Metallsieb 35 verhindert es, dass Teilchen des Papiers die Durchgänge in dem obersten Siebteil 34 verstopfen, das seinerseits verhältnismässig grosse öffnungen hat, um die aus der Mischung 10 herausgedrückte Pressluftwelle aufnehmen zu können. Die nach dem Zurückziehen des Druckkolbens aus der

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Formhöhlung herausgenommene Anordnung, die aus dem Tragkörper und dem zusammengepressten Reibstoff besteht, wird sodann in einen Wärmebehandlungsofen gebracht, wo die bereits erwähnten Temperatur- und Druckbedingungen angewendet werden. In den meisten Fällen klebt das Papierblatt an dem aus der Formhöhlung herausgenommenen Presskörper 1OA, aber dies ist unerheblich, da das Papier während der Härtung zu Asche verbrannt wird. Die obere Temperatur wird etwa sechs weitere Stunden aufrechterhalten, was zur vollständigen Härtung des Phenolformaldehydharz-Bindemittels führt. Das in Beispiel 1 beschriebene Phenol bindemittel enthält etwa 6 % eines Beschleunigungsmittels, wie zum Beispiel "Hexa", um die Härtung zu beschleunigen. Es kann jedoch auch ein einstufig wärmehärtbares Phenolformaldehydharz verwendet werden, oder in Verbindung mit einem Novolak, wie bereits oben erwähnt.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, dass gemäss der vorliegenden Erfindung die Formhöhlung für die Aufnahme einer trockenen, lockeren Reibstoffmischung zum Zeitpunkt der Schliessung dor Formhöhlung durch die Wände des Gesenkteils 15 und das komplementär ausgebildete Druckkolbenteil 20 begrenzt ist. Die Form der Formhöhlung führt in Verbindung mit dem Hub des Druckkolbenteils dazu, dass die Trockenmischung Ir₄ der geometrischen Form des gewünschten Reibstoff elements zusammengepresst wird. Eines der Gesenkteiie ist mit mehreren Durchgängen 32 ausgebildet, die von der Formhöhlung an die Aussenluft führen, und diese Durchgänge sind an ihren in die Formhöhlung mündenden Enden durch Siebteile bedeckt, die gemeinsam

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während des Pressens der Mischung das Entweichen von Luft gestatten, die in der Mischung eingeschlossen ist. Danach wird der auf seine endgültige Dichte gepresste Körper einem Zeit-Temperatur-Härtungszyklus zur Härtung des Harzbindemittels ausgesetzt.

In welchem Maß beim Pressen der Trockenmischung diese zusammengepresst wird, ist aus der Tatsache ersichtlich, dass zur Herstellung einer Schienenfahrzeugbremsbacke die Dichte der zu pressenden lockeren Trockenmischung nur etwa 0,35

bis 0,40 g/cm beträgt, und dass diese lockere Trockenmischung unter Anwendung eines Pressdruckes im Bereich von 3080 bis

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3500 kp/cm zu einer Enddichte von 1,9O bis 2,20 g/cm gepresst wird. Für Bremsbeläge für Kraftfahrzeuge beträgt die

3 " Dichte der Ausgangsmischung etwa 0,24 bis 0,29 g/cm , und

unter Verwendung eines Pressdruckes von 2800 bis 3500 kp/cm

3 wird eine Enddichte von 1,90 bis 2,20 g/cm erhalten.

Claims (4)

PATENTANSPRUCH E:

1. ' Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeug-Reibungselementes aus einer Mischung, die aus Füllstoffen einschiiesslich mindestens etwa 5 Gew. % Asbestfasern und einem wärmehärt- _ baren Harz besteht, dadurch gekennzeichnet, dass eine Formhöhlung gebildet wird, die von einem Pressgesenkteil und einem Presskolben- oder Stempelteil umgrenzt wird und, wenn diese Teile ineinandersitzen, im wesentlichen der geometrischen Form des Reibungselementes entspricht, dass mindestens in einem der Teile mehrere Durchgänge ausgebildet werden, die von der Formhöhlung an die Aussenluft verlaufen und einen bestimmten weiten Querschnitt aufweisen, dass die Durchgänge an ihren Enden, die in die Formhöhlung münden, mit durchlöcherten Siebteilen bedeckt werden, die öffnungen mit bestimmtem kleinerem Querschnitt im Vergleich zu dem Querschnitt der Durchgänge aufweisen, dass in die Höhlung des Pressgesenkteils eine bestimmte Menge der Mischung eingebracht wird und danach der Presskolben oder -stempel in das Pressgesenk eingeführt wird, um die Mischung auf eine Enddichte zusammenzupressen, wobei die Durchgänge der in der Mischung eingeschlossenen Luft zu entweichen gestatten, während die Mischung von aom Presskolben zusammengepresst vi\. C und die Su;bfeü;; vu'hindern, dass aio /vüschuru die Dure-

gänge verstopft, und dass der verdichtete Körper aus der Formhöhlung herausgenommen und einer Wärmehärtung zur Härtung des Bindemittels ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die SiebtetIe ein Papierblatt und ein Metall-Lochblech umfassen, die zwischen der Mischung und dem die Durchgänge aufweisenden Teil angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgänge in dem Presskolben oder -stempel ausgebildet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, xfass

die Dichte des in die Höhlung des Pressgesenkt eingebrachten

3 Stoffes zwischen 0,24 und 0,4 g/cm beträgt, dass der durch den Presskolben oder -stempel auf den Stoff ausgeübte Druck

2 '· zwischen 2800 und 3500 kp/cm beträgt und die Dichte dee aus

der Formhöhlung herausgenommenen Reibbelages zwischen 1,9 und 2,2 g/cm³ beträgt.

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L e e r s e i t e