DE2522003A1 - Verfahren zum herstellen eines gehaeuseteils fuer eine rotationskolbenmaschine und nach diesem verfahren hergestelltes gehaeuseteil - Google Patents
Verfahren zum herstellen eines gehaeuseteils fuer eine rotationskolbenmaschine und nach diesem verfahren hergestelltes gehaeuseteilInfo
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Description
* BEmjN 19
Τβ1.δ0442ββ
¥/Vh-3110 15.5.75
General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A.
Verfahren zum Herstellen eines Gehäuseteils für eine Rotationskolbenmaschine
und nach diesem Verfahren hergestelltes Gehäuseteil
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Gehäuseteils für eine Rotationskolbenmaschine,
bei dem ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung auf ein anderes Metall aufgegossen wird.
Bekannt ist das sogenannte "Transplant"-Verfahrei
(US-PS 3 069 209 und 3 083 424). Mittels dieses Verfahrene werden Gehäuseteile für Rotationskolben-Brennkraftmaschinen
aus Aluminium, einem eisenhaltigen Metall und Chrom hergestellt, wobei ein Kern die allgemeine Gestalt der inneren
Fläche des Gehäuseteils aufweist und auf eine Temperatur von
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etwa 205 C vorgewärmt wird, bevor eine geschmolzene Stahlzusammensetzung
auf die Oberfläche des Kerns aufgesprüht wird, . um auf diesem einen Überzug mit einer rauhen Fläche zu bilden.
j Dieser beschichtete Kern, der auf 205 C vorgewärmt ist, wird dann in eine Spritzgussmaschine eingesetzt und mit geschmolzenem
Aluminium zusammengegossen, das gegen die poröse rauhe Stahlschicht
anliegt, um das Gehäuseteil zu bilden. Das gegossene Aluminium haftet hierbei an der rau-heh Oberfläche des eisenhaltigen
Metalls, Nachdem das Gußstück zugerichtet ist, wird der Kern abgekühlt, während der Aluminiumteil erhitzt wird ^ so
dass der Kern ausgepresst und von dem Gußstück einschliesslich des Teils aus eisenhaltigem Metall getrennt werden kann. Anschliessend
wird die Sdhicht aus eisenhaltigem Metall dann geschliffen oder anderweitig bearbeitet, um eine vorgegebene
Fora zu erhalten, worauf die Oberfläche mit einer hartverchromten Schicht durch Elektroplattieren oder Aufsprühen von Metall
gebildet wird. Diese hartverchromte Fläche bildet die Laufbahn, an der die Kantendichtungen des Rotationskolbens während des
Betriebes abgestützt sind.
Das vorbeschriebene bekannte Verfahren ist jedoch verhältnismässig teuer, da ein Ersatz der Kerne nach etwa 400
bis 500 Arbeitsgängen erforderlich ist. Ferner ist das Metall-
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aufsprühverfahren ein verhältnismässig schwierig durchzuführendes Verfahren, insbesondere, wenn dies in einer Spritzgussanlage
vorgenommen werden muss. Ferner ist die Verbindung zwischen dem eisenhaltigen Metall und dem Aluminiumteil nicht
übertrieben gut, so dass erhöhte Festigkeitswerte des G-rehäuses nicht erzielbar sind und ausserdem auch eine schlechte Wärmeleitung
durch das Gehäuse in Kauf genommen werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein '.
Verfahren zur Herstellung derartiger Gehäuseteile so auszuge- j
stalten, dass diese Nachteile des bekannten Verfahrens über- j
wunden werden, also ein Gehäuseteil für eine Rotationskolbenmaschine herstellbar wird, das eine feste mechanische Verbin- ;
dung zwischen den einzelnen Metallteilen bei guter Wärmeleitfähigkeit
vom Inneren der Maschine durch das wassergekühlte
Aluminiumteil aufweist und hierbei eine wesentliche Ver- J
billigung der Herstellung ermöglicht. j
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch |
i gelöst, dass auf die eine Grossfläche eines eisenhaltigen Metallstreifens eine dünne Schicht eines gleichmässigen Pulvers
aus Kupfer und Eisen oder Kupfer und Nickel oder aus Kupfer, Nickel und Eisen aufgebracht wird, die Schicht dann bis zum
Schmelzen des Kupfers erwärmt wird und die anderen Metallpartikel miteinander zu einer porösen Schicht gesintert werden,
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die an dem Metallstreifen haftet, sodann der beschichtete
Metallstreifen auf Länge geschnitten zu einem Ring gebogen und an der Stoßstelle stumpf geschweisst wird, wobei der Metallstreifen
die Innenfläche des Gehäuses bildet, darauf Aluminium im Spritzgussverfahren auf die poröse Schicht gegossen wird,
wobei das Aluminium in die gesinterte Schicht eindringt und das Aluminium nach dem Erstarren das Gehäuseteil unter kräftiger
Verbindung mit dem Metallstreifen bildet.
Es ist vorteilhaft, wenn als eisenhaltiger Streifen ein Kohlenstoffstahl und ein Bulver'aus 55 - 85 Gewichtsteilen
Kupfer und 45 - 15 Gewichtsteilen Eisen oder Nickel oder Nickel
und Eisen verwendet werden. Ferner ist es zweckmässig, wenn die
Stumpfschweissung des gebogenen Ringes an der im Betrieb niedrige
Temperatur aufweisenden Seite des Gehäuseteils vorgenommen wird.
Durch das erfindungsgemässe Verfahrei wird eine
zähfeste und sehr wirksame mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Bestandteilen des Gehäuseteils erreicht, die eine
gute Wärmeleitfähigkeit gewährleisten.
: Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfin-
dungsgemässen Verfahrens wird eine dünne Schicht von losem
linnig gemischten Pulver aus Kupfer und Nickel oder Eisen auf ,einem Kohlenstoffstahl gebildet, dessen Kohlenstoffgehalt je
!nach der gewünschten endgültigen Festigkeit zwischen 0,08 bis
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0,8 Gew?a liegt. Der Stahlstreifen kann endlos sein und wird
zweckmässig kontinuierlich durch einen Sinterofen gefördert, in dem eine trockene exotherme Atmosphäre von etwa 11200C herrscht.
Im Sinterofen werden die Kupferpartikel geschmolzen, bedecken die Nickel- oder Eisenpartikel, mit denen sie sich legieren
und bilden damit eine feste Verbindung zwischen den einzelnen Partikeln zu einer porösen schwammartigen Schicht, die fest
mit dem Stahlband verbunden ist. Nach dem Abkühlen wird eine geeignete Länge von Metallstreifen abgeschnitten, der etwa der
Länge des Innenumfanges des gewünschten Gehäuseteils entspricht, und gegebenenfalls auch in der Breite beschnitten, um die
gegebene Breite des Gehäuseteils zu erreichen.
Der Streifen wird dann zu einem geschlossenen Ring gebogen und die zusammenstossenden Enden stumpf zusammengeschweisst,
wodurch die innere Fläche des Gehäusäteils gebildet wird, wobei die poröse gesinterte Schicht an der Aussenseite
des Ringes liegt. Der so vorgeformte Ring wird dann über einen geeigneten Kern gestreift und in eine Spritzgussmaschine eingebracht,
in der geschmolzenes Aluminium oder eine geschmolzene Aluminiumlegierung gegen die poröse Schicht gespritzt wird,
wobei das Aluminium in die poröse Schicht eindringt und nach der Verfestigung das Gehäuseteil bildet. Das Gehäuseteil besteht
also aus dem inneren eisenhaltigen Stahlband, der porösen von
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Aluminium durchsetzten gesinterten Schicht und dem im Spritzgussverfahren
eingebrachten Aluminium. Die innere Fläche dieses Gehäuseteils kann dann geschliffen oder in anderer ¥eise
auf Endmass bearbeitet werden und sodann mit einer hartverdiromten
Lauffläche versehen werden, wozu jedes geeignete Verfahren
verwendet werden kann.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Gehäuseteil für eine Rotationskolbenmaschine aus Verbundmetall aus einem
im Spritzguss vergossenen Aluminiumteil und einem die Innenfläche bildenden Teil aus einem eisenhaltigen Metallstreifen.
Dieses Gehäuseteil kennzeichnet sich durch eine aus" durch Kupfer miteinander verbundenen Metallpartikeln aus Eisen oder
Nickel oder Nickel und Eisen bestehende schwammartige Zwischenschicht, die mit dem Metallstreifen verbunden ist und in die
Teile des Aluminiumteils eingedrungen sind und eine starke mechanische Verriegelung bei guter Wärmeleitfähigkeit mit dem
Metallstreifen bewirkt.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils
eines Stahlstreifens mit einer aufgebrachten schwammartigen Sinterschicht auf einer
seiner Grossflächen,
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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Streifens gemäss Fig. 1, der auf Länge geschnitten
und in einen geschlossenen Ring verformt ist, wobei die poröse Schicht an der Aussenseite
des Ringes liegt,
Fig. 3 ein Gehäuseteil nach dem Giessen, bestehend
aus dem im Spritzgussverfahren gegossenen Aluminiumteil, der mit dem Stahlstreifen
verbunden ist, und
B'ig. 4 einen vergrösserten Teilschnitt durch einen Teil des Gehäuses, der die Verbindung
zwischen dem Aluminiumteil und dem Stahlstreifen
veranschaulicht.
Zur Herstellung eines Gehäuseteils für Rotationskolbenmaschinen nach der Erfindung wird auf einen Streifen 12
aus eisenhaltigem Metall eine dünne Schicht eines gesinterten Metallpulvers aufgebracht und mit dem Metallstreifen verbunden.
Der Metallstreifen 12 besteht vorzugsweise aus einem härtbaren Kohlenstoffstahl, beispielsweise SAE 1070, obwohl auch andere
Legierungen auf Eisenbasis verwendet werden können, wobei für die \iahl die geforderte Festigkeit d-es Gehäuseteils massgeblich
ist. Der eisenhaltige Streifen dient als Auflage für eine anhaftende Chromschicht, die die Festigkeit des Gehäuses, das zum
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ι grossen Teil aus Aluminium besteht, erhöht. Vorzugsweise ist
i die Mindestdicke des Metallstreifens ausreichend, um selbst-
; tragend zu sein, wenn der Streifen durch einen Sinterofen bei [ Temperaturen zwischen 1090 und 11500C hindurchbewegt wird.
I Dickere und damit eine höhere Festigkeit aufweisende Metallstreifen
können verwendet werden, wenn die Festigkeitsanforderungen des Gehäuses dies verlangen, jedoch ist es vorzuziehen,
einen Streifen von etwa 1,4 mm Dicke oder etwas mehr zu verwenden. Die Breite des Streifens sollte gleich oder etwas grosser
als die axiale Breite der Innenfläche des zu bildenden Gehäuseteils sein. Der Streifen kann endlos sein, so dass es zweckmässig
ist, von einer Haspel kontinuierlich abzuwickeln und dann eine geeignete Länge des Streifens abzuschneiden. Die
Länge des Streifens entspricht zweckmässig der Länge der Innenfläche des zu bildenden Gehäuseteils unter Berücksichtigung
der vorzunehmenden Schweissung. Der Stahl des Streifens sollte zunderfrei sein, ferner entfettet und auch sonst gereinigt
sein, damit die aufzubringende Pulverschicht gut haftet. Die schwammartige Schicht wird aus einer Mischung
aus Metallpulvern gebildet, wobei zweckmässig Kupferpulver in Verbindung mit Nickelpulver oder Eisenpulver oder mit Nickel-
und Eisenpulver gemischt vorgenommen wird. Derartige Pulverzusammensetzungen tragen zu einer zuverlässigen Verbindung
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zwischen dem Aluminium- und dem Stahlteil des Gußstückes bei. Vor zugsweise werden 55 - 85 GewTeile Kupferpulver mit
45 - 15 GewTeilen Nickä - und/oder Eisenpulver verwendet. Die
Korngrösse der verwendeten Metallpulver hat einen gewissen Einfluss darauf, eine geeignete poröse Schicht zu erhalten
und zweckmässig hat das Kupferpulver eine kleinere Korngrösse als die anderen Metallpartikel aus Eisen oder Nickel, so dass
das Kupfer beim Schmelzen leicht die Zwischenräume zwischen
: den Eisen- oder Nickelpartikeln ausfüllen kann und sich mit diesen legiert, wenn eine Sintertemperatur erreicht wird.
Ausgezeichnete Ergebnisse wurden beispielsweise erreicht, wenn Nickel- oder Eisenpulver verwendet wurde, das durch ein
80 Maschensieb (US-Norm) hindurchging und von einem 100 Maschensieb
zurückgehalten wurde, während das zugemischte Kupferpulver durch ein 100 MascheAsieb hindurchtrat und durch ein 200 Maschen+
sieb zurückgehalten wird.
Bei einer bevorzug-ten Ausführungsform der Erfindung
wurde eine Mischung von 85 GewTeilen Kupferpulver und 15 GewTeilen Nickelpulver verwendet, wobei beide die oben erwähnten
Korngrössen aufwiesen und danach innig gemischt auf einen Streifen aus SAE Stahl 1008-1010 oder einem höheren Kohlen+
stoffgehalt aufgebracht wurden. Der Stahlstreifen hat eine Dicke von 1,5 mm und eine Breite von 75τ80 mm . Der Streifen
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wurde in horizontaler Lage gehalten und die Pulvermischung
darauf als loses Pulver aufgebracht und auf eine Dicke von etwa 1 mm abgestrichen. Nach dem Sintern ergab sich dann eine
schwammartige gesinterte Schicht einer Dicke zwischen 0,33 bis 0,46 mm.
Der Stahlstreifen wurde dann mit der lose aufgebrachten Pulvermischung durch einen Sinterofen gezogen, der
eine trockene exothermische Atmosphäre einer Temperatur von etwa 11200C enthielt. Eine geeignete Atmosphäre besteht
beispielsweise aus 6 VoIJi CO2, 8 VoIJi CO, 8Vol?o H£ und 78 VoIJi
Np, wobei der Taupunkt nicht höher als 14,44 C liegt. Der Streifen wird kontinuierlich durch den Sinterofen bewegt, wobei
eine Verweilzeit von etwa 15 Minuten eingestellt wird. Gelangt der Streifen in den heissen Ofen, so schmelzen die Kupferpartikel
und benetzen das Nickelpulver, mit dem sie legieren. Die Nickelpartikel werden zwar weich, schmelzen jedoch nicht,
so dass sie ihre anfängliche Gestalt beibehalten, wenn sie metallurgische untereinander und mit dem Stahlstreifen durch
das Kupfer bei dessen Verfestigung verbunden werden. Venn der Streifen aus dem Ofen austritt und abgekühlt wird, hat er
das Aussehen des Streifens 10 in Fig. 1, alsd> die Form eines
Verbundmetallstreifens aus einem Stahlstreifen 12 und der aufgebrachten
gesinterten Schicht 14 aus Kupfer und Nickel. Der
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Stahlstreifen kann gehärtet werden.
Wie bereits erwähnt, kann der beschichtete Streifen 10 in dieser Verfahrensstufe eine beliebige Länge und Breite
aufweisen und kann nunmehr auf eine Breite zugeschnitten werden, die der Breite des zu bildenden Gehäuseteils entspricht oder
etwas grosser ist. Eine etwas grössere Breite unterstützt die
anschliessende Stufe des Spritzgusses. Der Streifen kann euch aufgewickelt werden, um den Transport zu einem anderen Arbeitsplatz
zu erleichtern oder in Stücke geeigneter Länge geschnitten werden, wobei die Länge der Länge des Innenumfanges des zu bildenden
Gehäuseteils entspricht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Streifen 10 auf eine Breite von 76 mm zugeschnitten
und ausgestreckt auf eine Länge von 851 mm gebracht, worauf der Streifen in einen im wesentlichen elliptischen Ring 16
gebogen wird, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Der Ring hat hierbei annähernd die Form des zu bildenden Gehäuseteils, wobei
die Schicht 14 aus Kupfer und Nickel auf der Aussenseite liegt. Die Enden 18 des Streifens werden zur Anlage gegeneinander gebracht
und mittels einer Schweissnaht 20 stumpf miteinander verschweisst. Zwei gegenüberliegende Teile des Ringes sind, wie
Fig. 2 zeigt, abgeflacht, und zwar zweckmässig über eine Länge von etwa 50 mm, um das Schweissen und das anschliessende Ab-
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; schleifen des Sdhwelssgrates zu erleichtern.
Der vorgeformte Ring 16 wird dann weiter verformt, indem die ebenen Teile in die bekannte Form einer Epitrochoide
verformt werden. D^r Ring kann hierbei auf eine Temperatur
von 150 - 205°C vorgewärmt werden und wird dann über einen
[ Dorn geschoben, der in die Kammer einer Spritzgussmaschine ein-{
gebracht wird. Zu dieser Zeit kann der Streifen etwas breiter
j sein als das zu bildende Gehäuseteil, so dass der Streifen
in Nuten in der Spritzgussmaschine besser abgestützt werden kann.
In bekannter W ise wird dann geschmolzenes Aluminium
oder geschmolzene Aluminiumlegierung, beispielsweise handelsübliche
Aluminiumlegierung Nr. 380, mit einer Temperatur von etwa 7JO0C unter beträchtlichem Druck in die Spritzgussmaschine
eingedrückt, um das Gehäuseteil zu bilden, wobei das geschmolzene Aluminium leicht in die Poren der schwammigen
Schicht 14 des Ringes 16 eintritt, wie dies Fig. 4 veranschaulicht. Nach dem Verfestigen des geschmolzenen Aluminiums
ist das Gehäuseteil 22 (Fig. 3 und 4) gebildet, wobei die Aluminiumlegierung mit der schwammigen Schicht verriegelt ist
und damit fest mit dem Stahlstreifen verbunden wird. Bekanntlich
ist das den Rotationskolben umgebende Gehäuseteil einer Rotationskolbenmaschine recht verwickelt im Aufbau, da es
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Kühlkanäle 24, Öffnungen 26 für die Zündkerzen oder mindestens eine Auslassöffnung 28 enthält. Bei zusammengebauter Maschine
arbeitet das Gehäuseteil mit danebenliegenden Gehäuseteilen in bekannter Weise zusammen, um einen Hohlraum zu begrenzen,
in dem ein exzentrisch gelagerter Rotationskolben im wesentlichen dreieckigen Querschnitts umläuft, wobei Kantendichtungen
des Rotationskolbens gegen die innere Umfangsfläche des Gehäuseteils
anliegen, um zusammen mit den Seitenwänden drei Arbeite-
räume veränderlichen Volumens zu begrenzen. |
Die Lage des StahlStreifens 12 in dem Gehäuseteil j
30 ist in Fig. 3 dargestellt und die Schweissnaht 20 liegt zweckmässig an der Seite des Gehäuseteils, die während des
\ Betriebes einer Brennkraftmaschine verhältnismässig niedrige
Temperaturen aufweist. Die Schyeissnaht liegt deshalb den
! Zündkerzen gegenüber. Die ursprünglich poröse Zwischenschicht des Ringes 16 ist nicht mehr erkennbar, da diese durch Aluminium
ausgefüllt ist, jedoch zeigt das Gehäuseteil 30 eine Kupferfärbung unmittelbar neben dem Metallstreifen 12 auch nach dem
Ausfüllen der Poren mit Aluminium.
Nach dem Giessvorgang wird die Innenfläche des Gehäuses auf eine vorgegebene Abmessung geschliffen und eine
dünne Hartschromschicht 32 auf den Stahlstreifen durch ELektroplatieren
oder in anderer Weise aufgebracht. Üblicherweise wird
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eine Hartchromschicht einer Dicke von 0,15 mm verwendet.
Photomikrogr^phien von Schnitten durch das Gehäuseteil,
das erfindungsgemäss hergestellt wurde, zeigten ein vorzügliches
Eindringen des Aluminiums in die Schicht aus Kupfer-Nickel wie auch eine metallurgische Verbindung zwischen der
Eupfer-Nickel-Schicht und dem Stahlstreifen. Zum Vergleich genommene Photomikrographien ähnlicher Teile eines Gehäuses,
das nach dem bekannten Transplant-Verfahren hergestellt wurde, zeigten grosse Einschlüsse von Luft und Schlacke und eine
ftauhe^: aber nicht voll anliegende Trennlinie zum Aluminium. Die
Tatsache, dass bei dem erfindunsgemässen Verfahren das Aluminium
in die schwammartige Zwischenschicht eindringt, führt zu einer erheblichen Vergrosserung der Zugfestigkeit der Bindung zwischen
dem Aluminium und dem Stahlstreifen und dazu, dass eine hohe Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Metallstreifen und dem Aluminium+·
teil des Gehäuses erreicht wird. Beispielsweise war die Zug- ; festigkeit der Bindung zwischen Aluminium und einer aufgesprühten
Eisenschicht (Transplant-Verfahren) etwa 336 kg/cm , während bei einem erfindungsgemässen hergestellten Gehäuseteil eine Zugfestigkeit
von 507 kg/cm erreicht wurde. Ferner weist ein nach :
der Erfindung hergestellter Gehäuseteil nur etwa 70% des Wärme-
Widerstandes in radialer Richtung nach aussen auf gegenüber einem
nach dem Transplant-Verfahren hergestellten Gehäuseteil. Ferner
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■wurde in der Praxis festgestellt, dass bei dem erfindungsgeraässen
Verfahren der Dorn beim Spritzgussverfahren die Herstellung von 2000 Werkstücken gegenüber den 400 - 500 Werkstücken
bei dem bekannten Verfahren ermöglicht, so dass auch hier eine wesentliche Kostenersparnis eintritt.
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Claims (4)
1. Verfahren zum Herstellen eines Gehäuseteils
i für eine Rotationskolbenmaschine, bei dem ein Leichtmetall oder eine Leichtmetall-Legierung auf ein anderes Metall aufgegossen
wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf die eine Grossfläche eines eisenhaltigen Metallstreifens (12)
eine dünne Schicht eines gleichmässigen Pulvers aus Kupfer und Eisen oder Kupfer und Nickel oder Kupfer, Nickel und Eisen
aufgebracht wird, die Schicht dann bis zum Schmelzen des Kupfers erwärmt wird und die anderen Metallpartikel miteinander zu
einer porösen Schicht (14) gesintert werden, die an dem Metallstreifen haftet, sodaHK der beschichtete Metallstreifen auf
(16)
Länge geschnitten zu einem Ring/gebogen und an der Stoßstelle
(20) stumpf geschweisst wird, wobei der Metallstreifen die Innenfläche
des Gehäuseteils (30) bildet, darauf Aluminium im Spritzgussverfahren auf die poröse Schicht (14) gegossen wird, wobei
das Aluminium in die gesinterte Schicht eindringt und das Aluminium nach dem Erstarren das Gehäuseteil unter kräftiger
Verbindung mit dem Metallstreifen bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als eisenhaltiger Streifen (12^ ein Kohlenstoff-
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stahl und ein Pulver aus 55-85 Gewichtsteilen Kupfer und
45-15 Gewichtsteilen Eisen oder'Nickel oder Nickel und Eisen verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Stumpfschweissung (20) des gebogenen
Ringes (16) an der im Betrieb niedrige Temperatur aufweisenden Seite des Gehäuseteils (30) vorgenommen wird.
4. Gehäuseteil für eine Rotationskolbenmaschine aus Verbundmetall aus einem im Spritzguss vergossenen Aluminiumteil
und einem die Innenfläche bildenden Teil aus einem eisenhaltigen Metallstreifen , gekennzeichnet durch eine
aus durch iüupfer miteinander verbundenen Metallpartikeln aus Eisen oder Nickel oder Nickel und Eisen bestehende schwammartige
Zwischenschicht (14), 'die mit dem Metallstreifen (12) verbunden ist, und in die Teile des Aluminiumteils eingedrungen
sind und eine starke mechanische Verriegelung bei guter Wärmeleitfähigkeit mit dem Metallstreifen bewirkt.
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Jt
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