DE2617449A1 - Verfahren zur herstellung eines verbundlagermaterials - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines verbundlagermaterials

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DE2617449A1 DE19762617449 DE2617449A DE2617449A1 DE 2617449 A1 DE2617449 A1 DE 2617449A1 DE 19762617449 DE19762617449 DE 19762617449 DE 2617449 A DE2617449 A DE 2617449A DE 2617449 A1 DE2617449 A1 DE 2617449A1
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Description

PAlENlANWlLTIi
ing. H. NEGENDAjNTK (-1073) · dipl.-ing. H. HATJCK · dipl.-piiys. W. SCHMITZ ING. E. GRAALFS · mpi^ing. W. WEHNERT · dipl.-phys. W. CARSTENS
HAMBURG-MÜNCHEN
ZTJSTELLUNGSANSCHHIFT: 2000 HAMBURG 3β · NEUER WALL 41 PLEASE REPLY TO; TELEFON <O4O) 36 74 28 UND 36 41IS
TEI1EQH. NEOEDAPATENT HAMUTJHG
FEDERAL-HOGUL CORPORATION sooo München 2 . mozartstr. 23
26 555 Northwestern Highway telefon <os9)53a05se
TEI1EQR. Nr1GEDAFATBNT MÜNCHEN
South-field, Mich. 48 075
Hamburg, den 15. April 1976 USA
Verfahren zur Herstellung eines Verbundl^germateria1s
Verbundlagermaterialien, bestehend aus einem Stützstreifen aus Hartmetall, wie beispielsweise Stahl, mit einem aus Kupferblei oder verbleiter Bronze bestehendem Lagerfutter finden weitverbreitete Anwendung bei der Herstellung von verschiedenen Lagerbestandteilen für Brennkraftmaschinen, Fahrzeuglagerungen, Getriebeanordnungen und dergleichen. Das US-Patent 2 986 464 von Lewis et al für ein "Verfahren zur Herstellung von Lagermaterialien" beschreibt ein bekanntes Verfahren, das bei der industrieellen Herstellung von Kupfer/Blei-Verbundlagermaterialien und solchen aus verbleiter Bronze weitverbreitete Anwendung findet. Gemäß dem in dem oben erwähnten US-Patent beschriebenen Verfahren wird eine Schicht aus Metallpulver mit dem erwünschten Gehalt an Kupfer, Blei und Zinn auf eine Oberfläche eines Stahlstützstreifens aufgebracht, wonach die Pulverschicht bei einer erhöhten Temperatur ' gesintert und dann der Streifen gekühlt und durch eine
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BAKK ACl. HAMkUBO (BIJC 20070009) KIT. 05/SS I!»? · Γ.νπΐΣΗΧν V.KKZ AO. ri.HHCIX» (OLI 90080000) KH. 9USOOSS · rOSTROKSCX HJ«» 284&-V.0Ü
Walzenanordnung zum Verdichten durch Walzen hindurchgeführt wird, um eine Verminderung in der Porösheit der gesinterten Pulversjchicht zu erwirken. Im Anschluß, an den Vorgang d^er Verdichtung durch Walzen wird der Streifen wiederum auf eine erhöhte Temperatur erwärmt, um einen zweiten Sinterungsvorgang zu erwirken, wonach der doppeltgesinterte und verdichtete Streifen in einem auf einer Temperatur zwisehen etwa 700° F und 900° F gehaltenen Bleibad abgeschreckt wird, um ein Auffüllen jeglicher nach dem Kaitverdichtungsvorgang verbliebener Restporösheit zu erv/irken.
Während das in dem oben erwähnten US-Patent betriebene Verfahren für die Erzeugung von Verbundstreifenmaterial hoher Qualität äußerst befriedigend ist, verlangt es eine erhebliche Investition an Ausrüstung sowie einen relativ großen Bereich zur Aufstellung der Anlage, um den Vorgang der doppelten Sinterung bei Trennung durch die dazwischenliegenden Vorgänge des Kühl ens und der Kaltverdichtung zu ermöglichen. Die oben erwähnte Verfahrensfolge wurde als notwendig erachtet, um bimetal 1ische Lagermaterialien mit angemessener Festigkeit der Verbindung zwischen dem Futter und dem Stützstreifen zu erzeugen und ein übermäßiges Austreten von Blei oder das ßlei-"Schwitzen" während des Verdichtungsvorgangs zu vermeiden.
Es ist nunmehr festgestellt worden, bimetall ische Lagermaterialien mit einem an einen Stahl stützstreifen gebundenen Kupfer-Blei- oder verbleiten Bronzefutter in befriedigender Weise in einem einzigen Sinterungs- und Heißverdichtungsvorgang herge-
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stellt werden können, in dem man die Pulverzusammensetzungen, die Partikel größen, sowie die Sinterungs- und Verdichtungstemperaturen sorgfäVtig überwacht; hierdurch wird eine erhebliche Vereinfachung erwirkt und werden Einsparungen im Aufstellungsraum der Anlage sowie in den größeren Ausrüstungsteilen erzielt.
Der Nutzen sowie die Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden durch ein einziges Sintern und Heißverdichten vorlegierter Kupfer- Blei oder Kupfer-Blei-Zinn-Pulver erreicht, die von 64 % bis 88 %.Kupfer, von etwa 8 %. bis 35 % Blei und bis zu etwa 10 % Zinn enthalten, und die eine Partikel größe von weniger als 100 mesh haben und vorzugsweise zu· 50 % aus Partikeln von weniger als etwa 325 mesh bestehen. Das vorlegierte Metallpulver wird in Form einer im wesentlichen gleichmäßgen Schicht auf eine chemisch reine Oberfläche eines Hartmetallstützstreifens aufgebracht, beispiel sv/eise auf einen niedriglegierten Stahl streifen, und im Anschluß daran in einer reduzierenden At-mosphäre bei einer sorgfältig zwischen etwa 1 450° F und etwa 1 600° F überwachten Temperatur gesintert. Das Sintern wird durchgeführt, um eine Flüssigphase zu erzeugen, welche eine Verbindung der Partikel miteinander, sowie auch mit der Oberfläche des Hartmetall stUtzstreifens bewirkt, wonach der Streifen auf eine gesteuerte Temperatur von etwa 1 000° F bis etwa 1 200° F abgekühlt und dann durch Walzen auf im wesentlichen 100 % der theoretischen Dichte verdichtet wird. Beim Austritt aus der Walzenanordnung wird der verdichtete Streifen in einer nichtoxidierenden schützenden Umgebung auf eine Temperatur von weniger als etwa 800° F gekühlt, was leicht durch Hindurchführen des Streifens durch ein Bad aus geschmolzenem Blei bei etwa 800° F erzielt werden kann. Der entstehende Streifen kann nach einem weiteren Kühlen unmittelbar für die
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Herstellung verschiedener Lagerbestandteile benutzt oder für einen späteren Gebrauch aufgewickel t und gelagert v/erden.
Weiterer Nutzen sowie Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene, schematische Seitenansicht zur Darstellung des Verfahrens für die Herstellung eines Bimetall Streifens gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht des erzeugten bimetallischen Gesamtstreifens und
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines typischen Spaltschal en!agers, hergestellt aus dem Bimetallstreifen der Fig. 2.
Das Verbundlagermaterial enthält gemäß einer bevorzugten Ausführungs· form der Erfindung einen Hartmetall stützstreifen, vorzugsweise aus einem niedriglegierten Stahl wie SAE Type 1010 oder 1020, mit einer Dicke von etwa 0,040 bis etwa 0,250 Zoll. Die Oberfläche des Stahlstützstreifens, auf die das .Metallpulver aufzubringen ist, wird zunächst chemisch und/oder mechanisch gereinigt, um jeglichen Restschmutz, Zunder oder Oxid von ihm zu entfernen und die Erzielung einer Verbindung hoher Festigkeit zwischen dem Stützstreifen und dem nachfolgenden Lagerfutter sicherzustellen. Dieses kann erreicht werden durch einen Entfettungsvorgang mit Hilfe eines Lb'sungsmit-
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tels, an den sich ein Absanden oder eine Behandlung mit einer Drahtbürste anschließt, um eine chemisch reine Oberfläche zu schaffen. ■
Das Metallpulver zur Bildung des Lagerfutters enthält ein vorlegiertes Kupfer-Blei- oder Kupfer-Blei-Zinn-Pulver, welches von etwa 64 % bis etwa 88 % Kupfer von etwa 8 % bis etwa 35 % Blei und von 0 bis etwa 10 % Zinn enthalten kann. Es ist wichtig, daß das Pulver sich in einer vorlegierten Form befindet, in welcher vorzugsweise jedes Partikel von derselben Zusammensetzung ist, obwohl vorlegierte Pulver wahlweise möglicher Zusammensetzungen zugemischt werden können, um eine Gesamtzusammensetzung entsprechend derjenigen zu bilden, die für das Lagerfutter gewünscht wird. Typische Vertreter derartiger Kupfer-Blei- und verbleiter Bronzelegierungen sind die folgenden: SAE Grade 797,. nomine! I zusammengesetzt aus 80 % Kupfer, 10 % Blei, 10 % Zinn; SAE Grade 798 mit einem nominellen Gehalt von 88 % Kupfer, 8 % Blei und 4 % Zinn; SAE Oade 799 mit einem nominellen Gehalt an 73,5 % Kupfer, 23 % Blei und 3,5 % Zinn; SAE Grade mit einem nominellen Gehalt von 75,5 % Kupfer, 24 % Blei und 0,5 % Zinn; SAE Grade 480, nominell zusammengesetzt aus 64,5 % Kupfer, 35 % Blei und 1/2 % Zinn, ausgedrückt in Gewichtsprozent. Die Form der vorlegierten Pulverparttel ist nicht kritisch, obwohl kugelförmige Partikel bevorzugt werden. Die Partikelgröße des vorlegierten Pulvers sollte geringer als etwa 100 mesh (147 Micron) bis zu Partikelgrößen von nur einem Micron sein. Vorzugsweise enthält das Metallpulver Partikel mit einer Größenverteilung innerhalb des gesamten zulässigen Partikelgrößenbereiches, wobei 50 % der Partikel kleiner als 325 raesh.(44 Micron) sind, wodurch
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eine optimale Packdichte des losen Pulvers erreicht v/ird. Die Dthte des losen Pulvers bei Aufbringung auf die Oberseite des Stützstreifens kann allgemein etwa 50 bis etwa 60 % der hundertprozentigen theoretischen Dichte betragen und v/ird am allgemeinen in Mengen von etv/a 0,020 bis etv/a 0,070 Zoll aufgebracht, so daß das entsidiende gesinterte und verdichtete Futter eine Dicke von etwa 0,010 bis etwa 0,035 Zoll hat.
Es wird im einzelnen auf die "Zeichnung Bezug genommen. Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich, wird ein bimetallisches Lagermaterial gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung durch Ab-
wickeln eines Stahlstützstreifens 10 von einer Vorratsrolle 12 sowie Ausbreiten desselben in einer waagerechten Richtung hergestellt, so daß er mit einer Stahlbürste 14 zu-v Erwirkung einer mechanischen Reinigung der Oberseite des Streifens in Berührung kommt. Der Streifen wandert danach in waagerechter Richtung unter das Auslaßende eines Trichters 16, der mit einem vorlegierten Pulver der erforderlichen Zusammensetzung und Partikel größe gefüllt ist, welches in Form einer Pulverschicht 18 aufgebracht v/ird, die durch ein Messer 20 zu einer im wesentlichen gleichmäßigen Schicht von der erwünschten Dicke ausgestrichen wird.
Der Streifen mit der darauf aufgebrachten Pulverschicht tritt danach in einen Ofen 22 ein, der eine Anzahl Heizvorrichtungen 24 darunter aufweist, und wird in Gegenwart einer reduzierenden Atmosphäre auf eine Sinterungstemperatur im Bereiche von 1 450 F bis 1 600° F erwärmt. Bei der reduzierenden Atmosphäre kann es sich bekanntermaßen um eine solche handeln, die aufgrund unvollständiger Verbrennung von Naturgas entsteht und beispielsweise
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12 % Wasserstoff, 10 % Kohlenmonoxid und 5 % Kohlendioxid enthält; der Rest im v/esentlichen Stickstoff. Die Gegenwart der reduzierenden Atmosphäre dient dazu, die auf den Oberflächen der IietalJ pul verpartikel vorhandenen Oxide zu reduzieren und eine weitere Oxidation derselben bei den erhöhten Sinterungstemperaturen, denen sie unterworfen werden, zu verhindern.
Die jeweils zur Anwendung kommende Temperatur schwankt in Abhängigkeit von der jeweiligen Zusammensetzung des vorlegierten Pulvers. Beispielsweise sind Temperaturen von etwa 650° F befriedigend für verbleite Bronzepulver, wenn diese nominell etv;a 80 % Kupfer, 10 % -Blei und 10 % Zinn enthalten, während die Temperaturen im Bereich von 1 600° F benötigt werden für Legierungen, die nominell 75 % Kupfer, 24 % Blei und nur 1 % Zinn enthalten. Auf jeden Fall wird die jeweilige Sinterungstemperatur so gesteuert, daß eine flüssige.Phase erzeugt wird, die hauptsächlich aus Blei besteht, welche eine Benetzen der Partikel und ein Füllen der in der Pulverschicht vorhandenen Zwischenräume bewirkt, sov/ie auch ein Benetzen der Oberfläche des Stahl streifens zur Begünstigung der Bildung einer zähhaftenden Verbindung. Sinterungr.temperaturen unterhalb von 1 450° F sind unbefriedigend, da keine nennenswerte Verbindung erreicht wird, während Temperaturen oberhalb von etwa 1 600° F unbefriedigend sind, in Folge des übermäßigen Ausmaßes der während des Sinterungsvorganges gebildeten Flüssigkeitsphase. Normalerweise ist eine Sinterung für eine Zeitdauer von etwa 3 bis etwa 5 Minuten bei Temperaturen von 1 450° F bis 1 600° F zur Erlangung einer befriedigenden FVüssigphasensinterung der Pulverpartikel und zur Bildung einer Blei-Kupferlegierungsverbindung an der Oberfläche des Stahl streifens befriedigend.
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Am Er.de. dss Sir.terungsvorganges tritt aer Verbundstreifen in 2-'ner( KUhlabschnitt 25 ein, in welchem der Streifen in einer nichtoxidie^enden schützenden Atmosphäre auf eine Zwischentemlerstur von I 000° F bis 1 200° F teil gekühlt wird, und tritt danach in dei Einlaß einer Walzenanordnung 26 ein, in v/elcher die Pulverschicht bis zu einer Dichte, die sich im wesentlichen der hundertprozentigen theoretischen Dichte nähert, "verdichtet nrd und die Pulverpartikel verformt und mit Oberfläche des Stahlstreifsps unter Bedingungen zusammengepreßt werden, bei denen eine weitere Sinterung und Verbindung derselben eintritt, '.de in Fig. 1 gezeigt, hat das Auslaßende des Kühlabschnitts 25 *eine konvergierende Gestalt, so daß die darin vorhandene, nichtoxidierep.de Atmosphäre, beispielsweise eine reduzierende Atmosphäre, in den Bogenabschnitt der Walzenanordnung eintritt und den erwärmten Streifen während des Verdichtungsvorgangs schützt. Darüberhinaus wird die Kühlstrecke 25 so gesteuert, daß der Streifen von dem Bereich der normalen Sinterungstemperaturen von 1 450° F bis 1 600° F auf eine Zwischentemperatur von etwa 1 000° F bis etwa 1 200° F gekühlt wird, was für die Erlangung der erforderlichen Verdichtung der Pulverpartikel und dar σ! 8-"chzeitigen Sinterung undDifiiisionsverbindung derselben während des ^erdichtungsvorgangs von Bedeutung ist. Die Verdichtung des Streifens durch Walzen bei Temperaturen von weniger als L '-JUO'' F -'st nv:ht erwünscht j und zwar wegen der Schwierigkeit ::er Erlangun? siner im wesentl ichen hundertprozentigen Verdichtung :isr sorössn Pulverschicht zusätzlich zu der ungleichmäßigen Sin- -■^runo "J^d 3^ff"js1oft<sb1ndung der verfir.iitsn PiHverpartikel. An-32^2"''-"3"1T-S r'ii Tewpsraturen vots 3ishr als 2t^/a I 200° F unerwünschts Γ.Ί Z'-mr -^-1:-.^ ^v Slidung aine?* F'i'ssigshasa "'3:i öbsrinädigani Aus-
. 9
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maß an der Bindungslinie und übermäßigen Austretend von Blei aus der verdichteten Pulverschicht. Der jeweils während des mittels Walzen vorgenommenen Verdichtungsvorgangs aufgebrachte Druck ist abhängig von dem jeweiligen Walzendurchmesser, der Temperatur, bei welcher die Verdichtuig mittels Walzerdurchgeführt wird., sowie von der jeweiligen Zusammensetzung des* vorlegierten Pulverschicht. Im allgemeinen haben sich Drücke vür« etwa 5 000 psi bei den meisten der Kupferblei- und verbleiten Bronzepulver als befriedigend erwiesen, wobei ferner in Betracht.
zu ziehen ist, daß bei Zunahme der Bleimenae das Futtar fortschrci-
Material tent v/eicher wird und verbleite Bronze beim Walzen el rs härteres/
ist als das übliche Kupferblei.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird eine angemessene Steuerung des Verdichtungsdruckes zum Aufbringen eines konstanten Druckes während der Verdichtung der Pulverschicht durch Walzen zweckmäßig er::i:.t durch eine gewichtete Walzenanordnung mit einem Hebel 26, der bei 30 schwenkbar mit dem Rahmen der l/al^nanordnung verbunden ist, und mit einer Plattform, auf welcher Gewichte 32 gestapelt weMen können, um den erwünschten Abwärtsdruck auf die obere Walze 34 auszuüben. Gemäß dieser Anordnung wird auf die Pulverschicht trotz leichter Unregelmäßigkeiten in ihrer Dicke ein gleichmäßiger Druck aufgebracht, und es werden dadurch örtlich begrenzte Hochdruckbereiche, wie bei einer Walzenanordnung mit festem Spalt, vermieden.
Der verdichtete Verbundstreifen tritt beim Verlassen der- Walzenanordnung unmittelbar in eins Kammer 36 ein9 die ebenso mit einer nichtoxidierenderij schützenden Atmosphäre gefüllt ist- wodurch ein
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Kühlen
for-ischreitendes/des Streifens von d.er Wal zverdichtungstemperatur
M? E-:f etwa 900° F Ms etv/a 1 000° F^erzielt wird. Die Bewegung ϊ*ΐ- Verbundstreifens durch die Kammer 36 hindurch schafft auch L~\t für xlie Resorption jeglicher geschmolzenen Bleiphase auf den Cserflächen des Futters in die Poren der gesinterten Pulverschicht hinein. Am Ausgangsende der Kammer 36 bewegt sich der Streifen durch eine Rutsche 37 hindurch und kann in eine geeignete Kühl ein- :i~htung eintreten, um seine Temperatur auf einen Wert unterhalb &t„ü -300° F zu senken. Dies kann gemäß der Darstellung in Fig. 1 GSuürch erzielt werden, daß man den Streifen durch ein Bad 38 geschmolzenen Bleis hindurchführt, welches bei einer Temperatur von etwa·750°.F bis 850° F gehalten ist. Das Band wird auf seinem Wag in das Bleibad hinein und aus ihm heraus sowie beim Auftauchen IMi der» Bad durch Rollen 40 geführt, bewegt sich dann unter einen Ab/reifer 42 zum Entfernen überflüssigen Bleis von seiner Oberfl echt= Beim anschließenden weiteren Kühlen auf Raumtemperatur 4-ann das Band unmittelbar Metallstanz-, Ausschneide- und Formvorgängen unterworfen werden, um verschiedene Lagerbestandteile einschließlich Halbschalenlager, Buchsen, Druckplatten usw. herzusteifeo Wahlweise kann das Band zu einem Ring ^3 aufgewickelt und in dieser Form bis zum Gebrauch gelagert werden. Es wird auch in Betracht gezogen, daß, wenn ein Verbundstreifen auf beiden Seiten ein Lagerfutter haben soll, der Ring 43 erneut einem Bearbeitungsverfahren unterzogen werden kann, um auf seine freie Oberfläche in derselben Weise wie oben beschrieben ein zweites Futter aufzubringen. Ein typischer Schnitt durch einen Bimetallstreifen wird trs Fig. 2 gezeigt.; bestehend aus dem Stahlstützstreifen 44 niit eisieiH fest mit seiner einen Oberfläche verbundenen verdichteten
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Kupferblei- oder verbleiten Bronzefutter 46. Der Ausdruck "Streifen" soll bei seiner Verwendung in dieser Beschreibung auch Ausgangsmaterial in Form yoji Platten mit einer Dicke von mehr als etwa 0,250 Zoll mit umfassen. Eine typische Schalenlagerhälfte 48, die aus dem in Fig. 2 gezeigten Verbundstreifen hergestellt wurde, ist in Fig. 3 gezeigt.
Während offensichtlich die hier beschriebene Erfindung so gestaltet ist, daß sie den Mutzen der Erfindung wie im Vorhergehenden erwähnt, voll erbringt, wie auch die genannten Vorzüge derselben gut verwirklicht, sei noch darauf hingewiesen;, daß bei der Erfindung Abwandlungen, Abweichungen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken derselben abzuweichen.
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Claims (1)

  1. A η s ρ τ ü C h e: "
    .J Verfahren zur Herstellung eines Verbundlagermaterial s, enthaltend einen Stahl stutzstreifen, an dessen eine Seite wenigstens ein Futter aus einer Kupfer-Bleilagerlegierung fest anhaftend gebunden ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Aufbringen einer Schicht aus einem vorlegierten Pulver enthaltend etwa 64 % bis etwa 88 % Kupfer, etwa 8 % bis 35 % Blei und bis zu etwa 10 % Zinn und mit einem durchschnittlichen Partikelgrößenbereich von etwa 1 Micron bis etv/a 147 Micron auf die Oberfläche eines Stahl Stützstreifens, Erwärmen der vorlegierten Pulverschicht und des Stützstreifens auf eine Temperatur-von etwa 1 450° F bis etwa 1 600° F in einer reduzierenden Atmosphäre für eine ausreichende Zeitdauer zur Erwirkung einer Flüssigphasensinterung des Pulvers und der Bildung einer Bindung zwischen der Schicht und dem Stützstreifen, Kühlen der gesinterten Schicht und des Stützstreifens auf etwa 1 000° F bis etwa 1 200° F in einer schützenden Atmosphäre, sowie Aufbringen von Druck darauf zur Erwirkung einer im wesentlichen vollständigen Verdichtung der Pulverschicht und einer weiteren Diffusionsbindung der Pulverpartikel aneinander sowie an die Oberfläche des Stützstreifens, und anschl isi3eiides Kühlen des Verbundstreifens in einer schützenden Umgebung airf eine Temperatur unterhalb etwa 800° F.
    Verfahret": nach Anspruch ls dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Stützstreifen in einer Dicke von etwa G Zoll au
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    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorlegierte Pulver Partikel von im wesentlichen · kugelförmiger Gestalt mit einer beliebigen Größenverteilung innerhalb des zulässigen Größenbereiches enthält.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen von Druck auf die gesinterte Pulverschicht durch Verdichtung mittels Walzen derart geschieht, daß eine Pulverschichtdichte von im wesentlichen 100 % der theoretischen Dichte erzielt wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung mittels Walzen zum Aufbringen eines Drukkes von etwa 5 000 psi auf die Pulverschicht durchgeführt wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen des Verbundmaterials durch Hindurchführen desselben durch ein Bad aus geschmolzenem EPei erfolgt.
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