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VERFAHREN UND VORRICHTUNGEN ZUM GIESSEN DER AUS GRAUGUSS BESTEHENDEN
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ZYLINDER VON LUFTGEKUEHLTEN VERBRENNUNGSMOTOREN Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren und auf Vorrichtungen zum Giessen der aus Grauguss bestehenden
Zylinder.
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Wie bekannt, soll die Struktur eines aus Grauguss hergestellten Zylinders
für luftgekühlte Verbrennungsmotoren spezifische und verschiedene Qualitäten auf
der inneren Fläche des Zylinders von jenen auf den äusseren Kühlrippen aufweisen.
Die innere Fläche (die Bohrungsfläche) des Zylinders, die auch als Gleitfläche für
den Kolben fungieren muss, soll vor allem eine gasdichte und das Gleiten des Kolbens
fördernde Struktur aufweisen, die neben der erforderlichen Oelschmierung auch durch
die Beschaffenheit ihrer Struktur möglichst niedrige Reibungswerte zwischen Kolben
und Zylinder ergibt. Die Kühlrippen sollten dagegen eine derartige Struktur aufweisen,
die primär eine gute Wärmeleitung sichert und die Abgabe der Wärme in die umgebende
Luft fördert.
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Im folgenden Text wird näher beschrieben, wie die oben beschriebenen
notwendigen physikalischen Eigenschaften der Strukturen auf verschiedenen Teilen
eines Zylinders für luftgekühlte Verbrennungsmotoren in praktischen Giessverfahren
erzielt werden.
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Der Grundgedanke bei allen bekannten Giessverfahren zur Herstellung
von Zylindern für luftgekühlte Verbrennungsmotoren aus Grauguss, bei denen also
einerseits eine derartige Struktur der Zylinderwand zustande gebracht werden soll,
welche die Gasdichte und eine reibungsarme Gleitfläche bei entsprechender Schmierung
für den Kolben in der Zylinderbohrung gewährleisten soll, und andererseits eine
derartige Struktur der Kühlrippen, die eine möglichst gute Wärmeleitung ermöglichen
wird, basiert auf den Erkenntnissen, dass die verschiedenen Strukturen auf einem
und demselben Gusstück aus Grauguss mittels verschiedener Wärmeabfuhr an verschiedenen
Teilen der
Gußform und demzufolge an verschiedenen Teilen des Gusstücks
während seines Erstarrungsprozesses erzielbar sind.
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Beim Erstarrungsprozess des noch "flüssigen" Graugusstücks wird nämlich
mittels einer starken Wärmeabfuhr eine perlitische, d.h. gasdichte, Struktur erzielt,
während bei einer schwächeren Wärmeabfuhr, bezogen auf die Zeiteinheit, eine "graue"
Struktur, die gut wärmeleitend ist, erreicht wird.
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Die meisten Hersteller der Zylinder für luftgekühlte Verbrennungsmotoren
gewährleisten die erwünschte Qualität derartiger Zylinder mit gutem oder wenig gutem
Erfolg durch Giessen des Gussmaterials in Gussformen, die nach dem Croning Verfahren
hergestellt werden, während die Kerne für die Bildung der Zylinderbohrung nach dem
CntEng-,C02-, hQtWx-, coldEx-Verfahren oder aus Oelmischungen hergestellt werden.
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Die Kerne werden aus Mischungen ohne Additive für die beschleunigte
Kühlung oder mit derartigen Additiven in Form von Stahlkugeln zur Beschleunigung
des Kühlens oder anderen Additiven zur schnelleren Wärmeabfuhr hergestellt.
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Alle Kerne der bekannten Giessverfahren mit Ausnahme von Kernen, die
Stahlkugeln enthalten, gewährleisten eine ungenügend intensive Wärmeabfuhr, so dass
die mit solchen Giess-Kernen hergestellten Zylinder schlechtere mechanische Eigenschaften
aufweisen als jene Zylinder, die mittels Stahlkugeln enthaltende Kerne hergestellt
wurden.
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Die Kerne, welche Stahlkugeln enthalten, können nur durch Handarbeit
hergestellt werden, was relativ hohe Herstellungskosten verursacht. Ausserdem ist
es bei derartigen, durch Handarbeit hergestellten Kernen, sehr schwer, die nötige
gleichmässige Verteilung der Stahlkugeln im Kern zu erreichen, die eben für die
Qualität der Kerne sehr wichtig ist.
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Die Hersteller der Zylinder für luftgekühlte Verbrennungsmotoren,
die diese mit Kernen giessen, welche keine intensive Wärmeabfuhr an der inneren
Wand des Zylinders gewährleisten, erzielen die verlangte Qualität der Zylinder mit
besonders angepasstem Gussmaterial der Zylinder, mit speziellen Eingussystemen und
Speisevorrichtungen, wobei allerdings die Zylinder, die mit derartigen speziellen
Giessvorrichtungen gegossen werden, nicht die mechanische Qualität und die Gasdichte
erreichen, die bei den Zylindern, die mit intensiver Kühlung des inneren Teiles
der Zylinderwand hergestellt worden sind, anzutreffen ist.
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Demzufolge ist es die Aufgabe der Erfindung, ein derartiges Verfahren
zum Giessen der aus Grauguss bestehenden Zylinder von luftgekühlten Verbrennungsmotoren
zu schaffen, in dem die Nachteile bekannter Verfahren vermieden werden und welches
eine maschinelle Herstellung von Kernen, die eine intensive Kühlung der inneren
Wandung des Zylinders gewährleisten, ermöglichen und somit die Erzielung der hohen
Qualitätsforderungen für gusseiserne Zylinder für luftgekühlte Motoren zustande
bringen wird.
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Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, auch eine Konstruktion des
Kernes mit intensiver Kühleigenschaft und guter Entlüftung beim Giessen zu schaffen,
die eine gleichmässige Herstellung des Kühleffekts im gesamten Kern ermöglichen
wird, wobei alle Unzulänglichkeiten, die der Handarbeit entstammen, vermieden werden,
und zwar durch die maschinelle Herstellung der Kerne mit einer Kernherstellungsvorrichtung,
die für die Herstellung der erfindungsgemässen Kerne entwickelt wurde.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Vervollkommnung der Konstruktion
der an sich bekannten Gussform, die eine genaue konzentrische Anordnung des erfindungsgemässen
Kernes mit Kühleigenschaft gewährleistet sowie eine einfache und wirtschaftliche
Herstellung der Zylinder ermöglicht.
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Obige Aufgaben der Erfindung werden mittels eines erfindungsgemässen
Kernes mit gleichmässiger intensiver Kühleigenschaft und der Fähigkeit zur Gasabfuhr
beim Giessen erreicht. Der erfindungsgemässe Kern besteht aus einer Metallkühlbüchse,
die aus Grau- oder Stahlguss hergestellt ist und mit Bohrungen zur Gasabfuhr beim
Giessen versehen ist, wobei die Aussen- sowie die Innenfläche der Metallkühlbüchse
mit gleichmässigern Kühleffekt mit Giessand verkleidet ist.
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Die Herstellung dieses Kernes mit gleichmässiger intensiver Kühleigenschaft
wird mit einer Kernherstellungsvorrichtung möglich gemacht, bestehend aus zwei Teilen
und einem Boden, in dem ein Dorn für die innere Zentrierung der Metallkühlbüchse
des Kernes angeordnet ist, während die äussere Zentrierung derselben durch Distanzbolzen
erfolgt. Die Festigung der Sandverkleidung der Metallkühlbüchse des Kernes erfolgt
durch Aufwärmen oder einen chemischen Prozess.
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Das eigentliche Giessverfahren zur Herstellung von Zylindern mit geforderten
Qualitäten für luftgekühlte Motoren erfolgt in einer Gußform, in der die Strukturen
des Graugusstücks des Zylinders durch die Wirkung des erfindungsgemässen Kernes
mit intensiver Kühleigenschaft und Gasablassmöglichkeiten während des Giessprozesses.
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Der gefestigte Kern wird positioniert in die Gussform eingelegt, danach
wird die Graugusschmelze entsprechender Qualität in die Gussform gegossen, während
der Erstarrung führt die Metallkühlbüchse des Kernes die Wärme mit derartiger Intensität
ab, dass am eigentlichen Zylinderkörper eine gasdichte perlitische Struktur und
an Rippen des Zylinders eine die Wärmeleitung fördernde graue Struktur entsteht.
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Das erfindungsgemässe Verfahren sowie die Vorrichtungen zur Ausführung
des Verfahrens werden näher aufgrund eines Verfahrensbeispiels und der Ausführungsbeispiele
der betreffenden Vorrichtungen sowie aufgrund der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Darin zeigen: Fig. 1 eine Gussform mit eingesetztem erfindungsgemässem Kern mit
intensiver Kühleigenschaft; Fig. 2 den Querschnitt des erfindungsgemässen Kernes
mit intensiver Kühleigenschaft nach der Linie I-I aus Fig. 3; Fig. 3 den Vertikalschnitt
des erfindungsgemässen Kernes mit intensiver Kühleigenschaft; Fig. 4 eine Metallkühlbüchse
des erfindungsgemässen Kernes mit intensiver Kühleigenschaft; Fig. 5 den Querschnitt
nach der Linie II-II aus Fig. 24; Fig. 6 die Draufsicht mit einem Teilhorizontalschnitt
der Vorrichtung zur Herstellung des erfindungsgemässen Kernes mit intensiver Kühleigenschaft;
Fig. 7 den Querschnitt nach der Linie III-III aus Fig. 6; Fig. 8 den Vertikalschnitt
eines aus Grauguss hergestellten Zylinders für luftgekühlte Verbrennungmotoren nach
der Linie V-V aus Fig. 10;
Fig. 9 den Vertikalsehnitt eines Zylinders
nach Fig. 10 nach der Linie VI-VI aus Fig. 10; Fig.10 den Grundriss des Zylinders
nach Fig. 8; und Fig.11 den Querschnitt nach der Linie IV-IV aus Fig. 8.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die Gussform aus einer Maske
7, die im Gussformkasten angeordnet ist, aus flachen Umfangskernen 8, die beim Giessen
die Rippen des Zylinders bilden, und aus dem erfindungsgemässen Kern 2, der aus
einer Metallkühlbüchse 2' besteht, die innerhalb und ausserhalb mit einer Giessandverkleidung
6ausgestattet ist, wd3ei die M:iske 7 positionsfest eingelegt ist. Der Kern 2 formt
die "Bohrung" des Zylinders 1 und besorgt es, dass während des Erstarrens des eingegossenen
Zylinders 1 angesichts seiner kompakten Metallkühlbüchse 2' eine intensive Wärmeabfuhr
an der inneren Zylinderwand erfolgt, die, wie bereits erklärt, die Entstehung einer
gasdichten perlitischen Struktur der Zylinderwand im allgemeinen, besonders aber
im innersten Teil der Zylinderwand, gewährleistet.
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Fig. 2 und 3 veranschaulichen den erfindungsgemässen Kern 2 im Quer-
und Vertikalschnitt. Der Kern 2 besteht aus einer Metallkühlbüchse 2', die entweder
aus Grau- oder Stahlguss hergestellt wird und mit den durch die Wand durchgehenden
Bohrungen 2" (Fig. 4, 5) versehen ist, die für die Gasabfuhr während des Giessverfahrens
sorgen. Diese durchgehenden Bohrungen 2" sind auf der ganzen Metallkühlbüchse 2'
mit einem gleichmässigen Abstand voneinander in Längs- sowie Umfangsrichtung der
Büchse 2' angeordnet. Die Metallkühlbüchse 2' ist innBtElb und ausserhalb mit Giessand
verkleidet, wobei die Sandverkleidung 6 auch die Wandbohrungen 2' ausfüllt und sanit
neben der Haftkraft der Sandverkleidung an der Oberfläche der Metallkilhlbüchse
2' eine Verbindung durch die ttSandbolzent', welche die beiden Schichten der Sandverkleidung
6 auch durch die Wandbohrungen miteinander verbinden. Zur Erhöhung der Haftkraft
und Sicherung der Formbeständigkeit der Sandverkleidung 6 werden dem Giessand, der
für diesen Zweck bestimmt ist, entsprechende Bindemittel zugegeben, die eine Verfestigung
der Sandverkleidung 6 entweder durch die Erwärmung oder auf chemischem Wege ermöglichen.
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Fig. 4 und 5 zeigen die Metallkühlbüchse 2' des Kernes 2 im Vertikal-
und Querschnitt, wobei besonders gut die durchgehenden Wandbohrungen 2"ersicht lich
sind. Diese sind nämlich derart angeordnet, dass sie entlang der Metallkühlbüchse
2'sa'ie htEs des Umfangs dieser mit ungefähr gleichen Abständen voneinander entfernt
sind. Diese Verteilung der Wandbohrungen sorgt für eine gute Gasabfuhr während des
Giessvorgangs, die erfindungsgemässe Metallkühlbüchse 2' bürgt somit neben der intensiven
Kühlung der Zylinderwand auch durch die Entfernung der Gase aus der noch nicht erstarrten
Schmelze der Wandmasse des Zylinders 1 (siehe Fig. 1) für eine gute Qualität (Homnogeniät
und Dichte) der Zylinderwand.
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Aus Fig. 6 und 7 ist die Konstruktion der Vorrichtung für die Herstellung
des erfincungsgemässen Kernes zu ersehen. Die Vorrichtung besteht aus zwei Teilen
9 und 10, die miteinander zusammengefügt werden (Fig. 6), und aus einem Boden 14,
in dem der Dorn 13 für die innere Zentrierung der Metallkühlbüchse 2' vorgesehen
ist. Die äussere Zentrierung der Metallkühlbüchse 2' wird mittels Bolzen 12 (siehe
Fi.g 6) versorgt.
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Zum Heben des fertighergestellten Kernes 2 aus der Vorrichtung zur
Herstellung der Kerne wird von einer Auswurfplatte 11 Gebrauch gemacht. Die Vorrichtung
ist aus Werkzeugstahl hergestellt.
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Bei der Herstellung der Kerne nach Fig. 2, 3 in der beschriebenen
Vorrichtung wird die Metallkühlbüchse 2' in die Vorrichtung hineingelegt und entsprechend
zentriert, danach wird die die Bindemittel enthaltende Sandmischung in die Vorrichtung
eingeblasen. Auf diese Weise entsteht in der Vorrichtung zur Herstellung der Kerne
die Sandverkleidung 6 an der Metallkühlbüchse 2' die nach der Formierung durch Wärmebehandlung
oder mittels eines chemischen Prozesses noch verfestigt wird.
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Fig. 10 und 11 eigen die Zylinder für luftgekühlte Verbrennungsmotoren,
die das Erzeugnis des erfindungsgemässen Verfahrens in Vertikalschniten bzw. im
Querschnitt und in Draufsicht darstellen, lassen deutlich die einzelnen Bereiche
des Zylinders (die Zylinderwand bzw. die Rippen) erkennen, wo besondere Strukturen
des Graugusses verlangt werden.
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Beispiel Beim Giessen der Zylinder aus Grauguss mit larnellarern Graphit
für Luftgekühlte Motoren ist es allgemein schwer, die geforderten mechanischen Eigenschaften,
die Struktur und die Gasdichte der Zylinder zu erzielen Die Grundvorschriften für
die Zusammensetzung des Graur-usse 1 wi wie folgt: C > 3 % P = 0,3 % bis 0,45
% Cr#0,3% % Der Gehalt anderer chemischer Elemente ist nicht vorgeschrieben.
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Mechanische Eigenschaften: Härte Die Härte auf der Stirnfläche auf
der Seite des Zylinderkörpers soll 200-240 HB (HB 5/570) und auf der Zylinderwand
minimal 190 HB (HB 5/570) Zugfestigkeit 2 Die minimale Zugfestigkeit soll 200 NImm
, bei manchen Zylindern 250 Nkrn betragen.
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Struktur der Zylinderwand auf dem Gebiet der Kolbenbewegung.
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Graphit 50-100 ', Form A, Grösse h-6 0- 50 %, Form B, Grösse 4-6 Graphite
D und E sind nicht zulässig.
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Die Grundstruktur soll das lamellare Perlit bilden, das Leinen frcfen
Zementit enthalten soll.
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Das freie Ferrit ist bis 3 % erlaubt, soll aber gleichmässig verteilt
werden.
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Das phosphide Eutektikum soll im Netz verteilt auftreten.
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Struktur der Kühlrippen am Zylinder Die Kühlrippen sollen "grau" erstarrt
sein, die Grundstruktur darf im äusseren Drittel der Kühlrippe freien Zementit enthalten.
Frei-s Ferrit ist zulässig.
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Das Orundproblem beim Giessen der Zylinder ist es, die vorgeschriebene
Struktur und die Gasdichte zu erreichen Allgemein sind die Strukturen und lie mechanischen
Eigenschaften der Gusstücke aus Orauguss von der chemischen Zusammensetzung des
Graugusses, der Stärke der Wand, der sphärolithischen Wirkung und der Schnelligkeit
der Abkühlung des Gusstückes abhängig. Beim Giessen der Zylinder ist es besonders
schwer, die entsprechance Struktur der Kühlrippen und jene der inneren Zylinderwand
zu erreiruhen, da die Stärkeunterschiede zwischen diesen Teilen sehr gross sind
und die Kühlrippen des Zylinders eine "graue" Erstarrungsstruktur (minimal 2/3 der
Rippenlänge), der Zylinderwand aber eine perlitische Struktur mit einer Härte von
240 HB aufweisen sollen. Ferner ist es verhältnismässig schwer, die nötige Gasdichte
zu erzielen; da sich die entsprechenden Dingüsse wegen der Form des Zylinders nicht
anbringen lassen.
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Genaue Auswahl chemischer Zusammensetzung des Graugusses in Bezug
auf die Zylindertype Für ede Type des Zylinders wird in Abhängigkeit von der Form,
der Wandstärke und der Masse des Zylinders eine entsprechende Zusammensetzung des
Gruagusses gewählt. Für Zylinder mit einer Wandstärke von 10-30 mm und einer Masse
von 3-30 kg hat der Grauguss die folgende Zusammensetzung: C = 9 - <,5 .
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oi = 1,6 - 2,2% - =0,6 - 1,2% P = D,2 - t1,4 % s - O, 1 Cr # 0,3 %
Zum Schmelzen des Graugusses zum Giessen der Zylinder wird ein Niederfrequenz-Induktions-Schmelzofen
verwendet. Angebracht sind auch Kupolöfen in Kombination mit Rezeptoren oder Induktionsöfen.
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Der einsatz ist aus basischem Roheisen, Stahlabfall, Grauguss-Rückgut,
Ferroleguren zur Korrektur der Zusammensetzung des Gusses und aus Additiven zum
Aufkohlen zusammengesetzt. Beim Schmelzen in Induktionsöfen könnte man den Einsatz
ohne basischen Roheisens verwenden. Die Schmelze wird auf 124500C erwärmt, dann
wird der Zusatz zur Erzeugung sphärolithischen Gusseisens, enthaltend Fe, Si, Ca,
Zr und Mn zugegeben und nachher die Schmelze
bei einer Temperatur
von 133G-1380°C in Formen nacn Fig. 1 eingegosen.
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Die eingegossene Schmelze wird an der inneren Wanrl der Zylinderbohrung
durch den erfindungsgemässen Kern (Fig. 3) mit Intensiver Wärmeabfuhr stark abgekühlt,
so dass bei entsprechender cheni,-her Zusammensetzung des Graugusses die gewünschte
Struktur mit gewünschten mechanischen X enschaften und Gasdichte erreicht werden.
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Die Intensität der Kühlung durch den erfindungsgemässen Kern @ kann
durch die Wahl der Stärke der Sandverkleidung 6 am äusseren Umrn des Kernes 2, d.h.
durch die Wahl der Dicke der Sandverkleidung, die zwischen der Schmelze und der
Metallkühlbüchse 2' liegt, sowie mit der Wahl der Grösse der Masse dieser Metallkühlbüchse
2' beeinflusst bzw. angepasst werden.
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Mit dieser erfindungsgemässen Massnahme wird erreicht, dass die Zylinderwand
in der Tiefe von 8-10 mm keine Porosität aufweist, dass die Zylinderwand die erwünschten
mechanischen Eigenschaften und lie Kühlrippen in Di 3 ihrer Länge die "graue" Struktur
aufweisen.
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Erreichte mechanische Eigenschaften der Zylinder - Die Härte, gemessen
auf dem Querschnitt der Zylinder im Abstand von 3 mm vom inneren Rand der Zylinderbohrung,
betrug 200-2d0 HB.
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- Die Zugfestigkeit einer Zerreissprobe aus dem Zylinder betrug 250-300
NImm2.
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- Die Struktur der Zylinderwand im Abstand von 3 mm vom inneren Rand
der Zylinderbohrung: Base: Perlit mit weniger als 3 % von Ferrit Graphit: 50-100
%, Form A, Grösse 5-6 0- 50 %, Form B, Grösse 5-6 Die Verwendung der erfindungsgemässen
Kerne mit intensiver Klihlwirkung ermöglicht neben dem Erriechen der erforderten
Qualität der Zylinder auch eine Ersparnis an Giessand, eine Reduzierung des rückgeführten
Materials und eine maschinelle, vom Menschenfaktor unabhängige Produktion der Kerne
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