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Rostartige Lager und Verfahren zur Herstellung solcher Lager Die Erfindung
betrifft rostförmig ausgebildete Lager und Verfahren zur Herstellung von Lagern.
Sie umschließt als Merkmal allgemeiner Verwendbarkeit die Entwicklung eines neuen
und- verbesserten korrosionswiderstandsfähigen Lötmittels auf Bleibasis zum Gebrauch
bei Aluminium und Aluminiumlegierungen.
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Rostartige Lager sind durch eine Lageroberfläche gekennzeichnet, die
aus einer Vielzahl kleiner Flächen harten und weichen Lagermetalls besteht, die
die Welle kreisförmig und vorzugsweise auch in Längsrichtung umgeben und so angeordnet
sind, daß sowohl im Kreisbogen als auch in Längsrichtung abwechselnd auf ein weiches
Flächenstück ein hartes folgt usw. Das harte Metall ist mit einem festen Stützlager
verbunden, um das Lager in den Stand zu versetzen, auch schwere Belastungen zu tragen.
Der Aufbau dieses belastbaren Lagers wird als Rost oder Matrize bezeichnet: Die
Flächenstücke aus Weichmetall, vorzugsweise aus Blei, Zinn oder einer Bleilegierung,
sind fest mit der Matrize verbunden und verleihen dem Lager sowohl die, gewünschten
Reibungseigenschaften als auch die nötige Einbettfähigkeit. Zum Zwecke zufriedenstellender
Verwendbarkeit dieser Lagerart ist es erforderlich, daß die aufeinanderfolgenden
Weichmetallagerflachen,
von Mittelpunkt zu Mittelpunkt in kreisförmiger
Richtung gemessen, nicht mehr als etwa 1,8 mm auseinanderliegen. Während rostartige
Lager mit feinerem Raster schwere Belastungen aushalten und lange Lebensdauer besitzen,
ist die Herstellung im Falle des feinsten Rastexs, z. B. mit Abständen von
0,3 mm oder noch weniger, schwierig, da die kleinen Gruben oder Vertiefungen
notwendigerweise sehr flach sind und bei der Bearbeitung präzisere Behandlung verlangen.
Der Rost kann verschiedenartig ausgebildet sein. In einer Ausführungsform bestehen
die Gruben oder Vertiefungen aus schmalen Rinnen, die sich in Längsrichtun!g des
Lagers erstrecken. In einer anderen Ausführungsform kann die Matrize mit Vorsprüngen,
die in die Lageroberfläche vorstoßen und die Last tragen, versehen sein. Diese Vorsprünge
sind mit weichem Lagermetall umgeben. Eine vorzugsweise Ausführungsform besteht
aus einer Matrize, die mit einer Vielzahl kleiner, in Kreis- und Längsrichtung voneinander
abgerückter Gruben oder Vertiefungen versehen ist. Es wurde festgestellt, daß reines
Aluminium ein ausgezeichnetes Material zur Herstellung des Rostes oder der Matrize
darstellt. Es wird vorzugsweise als Auflage auf einer Stahllagerschale verwentdet,
die dem Lager die notwendige Festigkeit verleiht. Jedoch können in manchen Fällen
Aluminiumlegierungen vorzuziehen sein und davon besonders Duraluminium, da es beträchtliche
Druckfestigkeit aufweist. Bei Verwendung solcher Legierungen kann die Sta!hllagerschale
fortfallen.
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Vorzugsweise wird zur Ausfüllung der Gruben oder Vertiefungen eine
korrosionswiderstandsfähige Bleilegierung verwendet. Blei kann durch Zusatz von
Zinn oder Antimon korrosionsfest gemacht werden. Indium erfüllt deal gleichen Zweck,
ist aber sehr teuer. Lager der hier behandelten Art sind besonders einer Korrosion
ausgesetzt, die innen längs der Verbindungsschicht von Bleilegierung und Aluminium
fortschreitet und durch Einwirkung von Luft, Feuchtigkeit und sauer reagierenden
Schmierölen hervorgerufen wird. Antimon scheint zur Verhinderung dieser Art der
Korrosion wirksamer zu sein als Zinn.
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Die Herstellung rostartiger Lager mit Matrizen aus Aluminium oder
Aluminiumlegierungen, die mit Blei oder Bleilegierungen aufgefüllte Gruben oder
Vertiefungen aufweisen, ist nur nach Beseitigung gewisser grundlegender Schwierigkeiten
möglich. Da Aluminium bei Luftzutritt schnell oxydiert und selbst ein sehr gutes
Desoxydationsmittel darstellt, hat es sich als schwierig erwiesen, die Aluminiumschicht
fest und haltbar mit dem Blei bzw. der Bleilegierung zu verbinden. Die Lösung dieser
und anderer Schwierigkeiten ist durch Anwendung des nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahrens
gelungen.
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Ein Streifen aus Aluminium, mit Aluminium belegtem Stahl oder aus
einer Aluminiumlegierung wird zuerst in ein Schmelzbad aus Zinn, Blei oder einer
Blei-Zinn-Legierung getaucht. Bei Verwendung von Blei oder einerBlei-Zinn-Legierungwunde
festgestellt, daß es wesentlich ist, dem Bad eine geringe Menge eines starken Desoxydationsmittels,
vorzugsweise in Form eines Erdalkalimetalls, zuzusetzen. Von den Erdalkalimetallen
ist Calcium am vorteilhaftesten, da seine Löslichkeit in Blei größer ist als die
des Aluminiums. Auch Alkalimetalle, wie Natrium usw., sind als Desoxy dationsmittel
ausprobiert worden, aber sie arbeiteten nicht in zufriedenstellenderWeise, da sie
zu sehr verschlacken. Wenn man kein Desoxydationsmittel zusetzt, wird die Oberfläche
des Aluminiums oxydiert, da sie aus den geringen Luftmengen, der Feuchtigkeit oder
aus Metalloxyden, die im Bad vorhanden sein können, Sauerstoff aufnimmt, was sich
in einer schlechten Verbindung der Schichten auswirkt. Das Calcium wird dem Schmelzbad
vorzugsweise in Form einer Blei-Calcium-Legierung zugesetzt, aber es kann auch als
reines Metall oder in Form einer anderen Legierung zugegeben werden. Bei Verwendung
von Calcium ist es erforderlich, dieses vonZeit zu Zeit zu ergänzen, da es mit Zinn
eine intermetallische Verbindung bildet, die sich als Schlacke an d:er Oberfläche
sammelt. Um durch Verschlaekung eintretenden Verlust an Calcium auf ein Minimum
herabzudrücken und trotzdem gleichzeitig eine feste Bindung der Bleilegierung mit
der Aluminiumschicht zu gewährleisten, ist es am besten, die Schmelzbadtemperatur
tief zu halten, und zwar auf Temperaturen, die möglichst nahe am Schmelzpunkt liegen,
aber trotzdem noch bequeme Arbeit mit dem Schmelzbad zulassen. Es kann vorteilhaft
sein, dem Schmelzbad zur Verminderung der Oxydation des Calciums etwas Indium zuzusetzen.
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Wenn man ein Schmelzbad aus reinem Zinn verwendet, ist der Zusatz
eines besonderen Desoxydationsmittels überflüssig, da sich die Zinnschicht mit dem
Aluminium fest verbindet und die Grenzschicht nicht korrodiert. Während Zinn den
Erfordernissen des zu Anfang auf den Metallstreifen aufgetragenen Überzuges genügt,
ist es für die endgültige Ausfüllung der Gruben oder Vertiefungen des Lagers nicht
in befriedigender Weise zu gebrauchen, wenn das Lager hohe Geschwindigkeiten und
schwere Belastungen, die hohe Temperaturen während der Benutzung zur Folge haben,
aushalten soll, da es ungenügende Reibungseigenschaften besitzt und schon bei tiefer
Temperatur schmilzt.
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Vorzugsweise wird für das erste Schmelzbad entweder reines Zinn oder
eine Blei-Zinn-Legierung verwandt, die zur Verhinderung der Korrosion wenigstens
30 % Zinn enthält. Eine Legierung aus 5o % Blei und 5o % Zinn ist wegen ihres tiefen
Schmelzpunktes besonders vorteilhaft. Die, Calciummenge, die in der Schmelze aus
Blei oder einer Bleilegierung bei den erwähnten tiefen Temperaturen in Lösung gehalten
werden kann, überschreitet nicht 1/4 bis 1/2 %. Die besten Ergebnisse sind zu erzielen,
wenn man dem Schmelzbad von Zeit zu Zeit so viel Calcium zusetzt, d:aß diese Konzentration
aufrechterhalten wird.
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Während der Metallstreifen in das Schmelzbad eingetaucht ist, wird
die :1luminiumoberfläche, vorzugsweise durch Abbürsten mit einer Drahtbürste,
leicht
abgeschabt. Dadurch wird sowohl ein Teil der Oxydhaut als auch etwas Aluminium oder
Aluminiumlegierung von der Oberfläche der Matrize abgekratzt. Die anfallendenTeilchen
ausAluminium oder der .Aluminiumlegierung wirken im Schmelzbad als zusätzliches
Desoxydationsmittel. Sowohl das Reinigen als auch das Aufbringen des ersten Überzuges
auf den Metallstreifen wird vorzugsweise in einem gesonderten Schmelzbad ausgeführt,
um die Möglichkeit auszuschließen, daß sich Aluminium- bzw. Aluminiumoxydpartikel
in der beim nächsten Arbeitsgang gebrauchten Präge- oder Rände.lwalze verfangen
und deren Arbeit beeinträchtigen.
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Nachdem auf den Metallstreifen auf diese Weise ein Schutzbezug aus
weichem Metall aufgelegt worden ist, wird er aus dem ersten Bad herausgenommen und,
am besten noch während der Schutzbezug schmelzflüssig ist, in ein zweites Schmelzbad
getaucht. Dieses besteht aus -einer Blei-Zinn-Legierung, deren Zusammensetzung genau
so wie beim ersten Bad nach Wunsch geändert werden kann, vorzugsweise aus einer
Legierung mit wenigstens 300/0 Zinn zur Verhinderung der Korrosion, und selbstverständlich
wird auch hier wie beim ersten Bad als Desoxydationsmittel ein wenig Erd'alkalimetall,
vorzugsweise Calcium, zugesetzt. Während der Metallstreifen eingetaucht ist, wird
er mit einer Prägewalze behandelt, die mit Zähnen bzw. Vorsprüngen versehen ist,
um in die Aluminiumoberfläche Gruben oder Vertiefungen einzudrücken. Diese Walze
rührt gleichzeitig das geschmolzene Metall auf, um den anfänglich aufgebrachten
Schutzüberzug auch mit Sicherheit durch das Metall des zweiten Schmelzbades zu ersetzen.
Wenn der Metallstreifen vollständig aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
besteht, wird der Druck der Prägewalze bewirken, daß das schmelzflüssige Metall
auch an dem unter der Matrize liegenden, stützenden Aluminiumstreifen haftenbleibt,
während bei Benutzung einer stützenden Auflage aus Stahl dieser unangenehme Effekt
ausbleibt. Die obenerwähnte, vorzugsweise benutzte Blei-Zinn-Legierung ist besonders
vorteilhaft, wenn auch die stützende Auflage aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
besteht, da sie durch einen langen Erstarrungsbereich ausgezeichnet ist, so daß
das an der Auflage anhaftende geschmolzene Metall nach Entfernung des Metallstreifens
aus dem Schmelzbad während des langsamen Erstarrens leicht entfernt werden kann.
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Die Temperatur des Schmelzbades wird vorzugsweise auf etwa 28o° C
gehalten. Das ist ausreichend heiß, um ein Erstarren des geschmolzenen Metalls zu
vermeiden, aber doch genügend tief, um die Bindung der Metallschichten zu erhalten
und die Oxydation zu vermindern. Bei dieser Temperatur ist die Metallauflage auf
dem Streifen ausreichend zähflüssig, so daß sie nicht einfach ablaufen kann, wenn
der Metallstreifen aus dem Schmelzbad entfernt wird. Der Streifen wird zu diesem
Zwecke in im wesentlichen horizontaler Lage herausgenommen, und man wird feststellen,
daß die Metallauflage mit dem Metall der Matrize durch Wärmewirkung fest verbunden
ist.
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Danach wird der Metallstreifen in ein drittes Schmelzbad eingetaucht,
das aus der Legierung, die die Weichmetallflächen der Lageroberfläche bilden soll,
besteht. Die schon bestehende Bindung der Metallschichten wird im dritten Bad entweder
voll-. ständig gelöst werden oder auch teilweise erhalten bleiben. Um fast den gesamten,
auf dem Streifen befindlichen Metallbelag aus den Gruben oder Vertiefungen zu entfernen
und durch die Legierung des dritten Bades zu ersetzen, kann entweder der Metallstreifen
etwas im Bad bewegt werden, oder das geschmolzene Metall selbst wird durch eine
Pumpe oder ein Rührwork oder etwas ähnliches aufgerührt.
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Das endgültige Schmelzbad besteht vorzugsweise aus einer Blei-Zinn-Antimon-Legierung
in der Zusammensetzung von '/4 bis 5 % Antimon, 3 bis 2o0/0 Zinn und den restlichen
Prozenten Blei, zusammen mit einer kleinen Menge Calcium. Wenn sich das Lager während
des Gebrauches auf hohe Temperaturen erwärmt, wird der Zinngehalt vorzugsweise auf
5 bis io% verringert, da das Zinn den Schmelzpunkt der Legierung herabdrückt. Die
günstigste Zusammensetzung besteht aus 5 % Zinn, 3 % Antimon und den restlichen
92 % Blei mit einem kleinen Zusatz Calcium, um gute Bindung der Schichten zu gewährleisten.
Calcium bildet sowohl mit Zinn als auch mit Antimon intermetallische Verbindungen,
die sich als Schlacke an der Oberfläche des Schmelzbades sammeln. Schätzungsweise
beträgt die Menge Calcium, die in diesem Schmelzbad bei der vorzugsweisen Arbeitstemperatur
von 28o' C im Blei in Lösung gehalten werden kann, nur wenige Hundertstel eines
Prozentes, aber diese kleine Menge ist trotzdem als wesentlich erkannt worden, um
gute Bindung der Metallschichten zu gewährleisten. Die untere Grenze des Zinngehaltes
wird durch die Mindestmenge, zur Verleihung ausreichender Korrosionsfestigkeit bestimmt,
die obere Grenze durch die Tatsache, daß weiterer Zinnzusatz den Schmelzpunkt der
Legierung so tief herabdrückt, daß die Lager unverwendbar werden würden, wenn sie
verhältnismäßig hohen Arbeitstemperaturen ausgesetzt werden müssen. Das Zinn verringert
außerdem die Verschlackung von Blei, und der verhältnismäßig hohe Bleigehalt verbessert
die Reibungseigenschaften der Legierung. Antimon steigert die Korrosionsfestigkeit
der Legierung besonders in der Verbindungsschicht der beiden Metallflächen bedeutend
und erhöht außerdem die Härte der Legierung.
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Nach Wunsch kann das dritte Schmelzbad fortfallen und die oben beschriebene
Zinn-Antimon-Calcium-Blei-Legierung dasjenige Schmelzbad bilden, in dem der Metallstreifen
geprägt wird'. Der Vorteil bei Gebrauch eines gesonderten Bades zur Durchführung
der Prägung liegt darin, daß bei A'bwesenheit von Antimon sehr viel mehr Calcium
in Lösung gehalten werden kann, @so daß größere Sicherheit besteht, eine gute Bindung
der Schichten zu erreichen. Es ist jedoch auch gelungen, trotz Zusatz von etwa 3%
Antimon zum Prägungsbad die
Metallschichten gut und fest miteinander
zu verbinden.
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Man kann auch mit dem Gebrauch eines einzigen Schmelzbades, das dann
vorzugsweise aus der oben beschriebenen antimonhaltigen Legierung besteht, auskommen,
indem man die Prägewalze etwa durch ein Sieb abschirmt oder anderweitig vor Partikeln
aus Aluminium oder Aluminiumoxyd schützt, die ja bei dem Arbeitsgang des Bürstens
anfallen und sich sonst in der Prägewalze festsetzen und ihre Arbeit behindern würden.
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Für den Verwendungszweck mancher Lager mögen die Eigenschaften zufriedenstellen,
die bei Fortfall des Antimons im letzten Bad erhalten werden. In diesem Fall sollte
die Blei-Zinn-Calcium-Legierung zum Zwecke guter Korrosionsfestigkeit wenigstens
30 °/o Zinn enthalten. Jedoch wird Antimon vorzugsweise zugesetzt, da angenommen
werden kann, daß es die Bindung wirksamer gegen die Korrosion schützt.
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Das oben beschriebene Herstellungsverfahren kann bei Matrizenmetall
in Form flacher, für die Herstellung eines oder mehrerer Lager genügend großer Bleche
zur Anwendung kommen. Das Matrizenmetall kann aber auch vorher zur Gestalt des Lagers
geformt werden. Für die Großherstellung ist jedoch das allgemein bekannte Band-
oder Fließverfahren vorzuziehen, bei dem ein Streifen des Matrizenmetalls kontinuierlich
durch ein oder mehrere Bäder läuft, in denen die notwendigen Bearbeitungen ausgeführt
werden.
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Nachdem auf diese Weise die Metallmatrize geprägt und mit weichem
Lagermetall überzogen worden ist, wird sie aus dem Bad herausgenommen und in die
für dasLager erforderlicheLängegeschnitten, sofern sie in 'Form eines Streifens
oder eines Bleches in mehrfacher Größe vorliegt. Danach werden die Lagerbleche zur
gewünschten Gestalt geformt, wenn das nicht schon vor Aufbringen des Lagermetalls
geschehen ist, und dann entsprechend bearbeitet, um die aufeinanderfolgenden Flächenstücke
aus weichem Lagermetall und dem Metall der Matrize freizulegen. In manchen Fällen
wird die Bearbeitung vorzugsweise nicht so weit fortgesetzt, so daß ein dünner Überzug
aus weichem Lagermetall über der gesamten Lageroberfläche 1 i egenbleibt Das so
hergestellte Lager ist durch einen Rost oder eine Matrize aus Aluminium oder eine
Aluminiumlegierung gekennzeichnet, der bzw. die mit einer korrosionswiderstandsfähigen
Bleilegierung angefüllt ist, wobei die Bleilegierung fest mit der Aluminiumoberfläche
verbunden und besonders die Grenzschicht gegen Korrosion geschützt ist. Der Aluminiumrost,
der das Lager in den Stand versetzt, schwere Belastungen zu tragen, besitzt gute
Lagereigenschaften und ist dem Kupfer in dieser Hinsichtüberlegen. Diekorrosionswiderstandsfähige
Bleilegierung weist gute Reibungseigenschaften und gute Einbettfähigkeit auf.
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In den Zeichnungen ist eine gebräuchliche Vorrichtung zur Ausführung
des Verfahrens bei Verwendung eines fortlaufenden Streifens als Matrizenmetall dargestellt
und weiterhin verschiedene Ausführungsformen der anfallenden Lager.
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Fig. i ist eine Schnittansicht, die die Anwendung des Verfahrens auf
die Bearbeitung eines fortlaufenden Lagermetallstreifens erläutert; Fig.2 ist ein
Schaubild einer Ausführungsform eines rostartigen Lagers bei Anwendung der Verfahren
gemäß der Erfindung; Fig. 3 ,ist ein Schaubild eines vergrößerten Teiles der Fig.
2; Fig. 4 und 5 sind Schaubilder ähnlich der Fig. 3 mit etwas verändertem Raster.
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In Fig. i ist ein Metallstreifen aus Reinaluminium, aus einer Aluminiumlegierung
oder vorzugsweise aus Aluminium, das mit einem stützenden Stahlstreifen verbunden
ist, mit io bezeichnet. Das erste Schmelzbad aus geschmolzenem Blei, Zinn oder einer
oben beschriebenen Blei-Zinti-Legierung, durch das der Metallstreifen, wie in der
Zeichnung dargestellt, hindurchgeführt wird, ist mit 14 bezeichnet. Die sich drehenden
Drahtbürsten 16 schaben die Oberfläche des Metallstreifens ab und legen dadurch
eine frische, saubere Aluminiumoberfläche für die Bindung mit dem geschmolzenen
Metall frei.
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Der das Bad 14 verlassende Streifen wird in das zweite Schmelzbad
17 der oben beschriebenen Zusammensetzung eingeführt. 18 bezeichnet eine sich drehende
Prägewalze, die in das geschmolzene Metall eingetaucht ist und der Aluminiumoberfläche
des Metallstreifens die gewünschte Gestalt aufprägt und dabei gleichzeitig das Metall
des Schmelzbades aufrührt.
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Danach wird der Metallstreifen in ein ähnliches Schmelzbad 20 eingeführt,
in dem sich die Schmelze des weichen, in der Zusammensetzung oben beschriebenen
Lagermetalls befindet, so wie es im fertigen Lager gewünscht wird. Die Walzen 22
führen den Metallstreifen und halten ihn im Schmelzbad eingetaucht. In diesem Schmelzbad
wird der vorher aufgebrachte Belag wieder aufgelöst. Uni zu verhindern, daß Reste
in den Gruben oder Vertiefungen haftenbleiben, sind Mittel wie eine gewöhnliche
Pumpe oder ein Rührwerk 20 vorgesehen; um das geschmolzene Metall aufzurühren.
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Auf diese Weise wird der Aluminiumrost oder die Matrize mit einem
durch Wärmewirkung aufgebundenen Überzug verseben, dessen Zusammensetzung sich im
wesentlichen mit der des Schmelzbades deckt. Danach kann der aus verschiedenen Metallschichten
zusammengesetzte Streifen ('Fig. i) zu Lagergestalt geformt und bearbeitet werden,
bis der Raster des Rostes freigelegt ist (Fig. 2). Das in den Fig. 2 und 3 gezeigteLager
besteht aus einem Stahlstützstreifen 23 mit einem vorzugsweise aus Aluminium bestehenden
Belag 24, in den eine Vielzahl von Gruben oder Vertiefungen 26 eingeprägt sind,
die bis zur Höhe des umgebenden Matrizenmetalls mit einer beschriebenen korrosionsfesten
Bleilegierung aufgefüllt sind.
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In der in der Fig. 4 gezeigten Ausführungsform besteht das gesamte
Stützlager 28 aus einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise Duraluminium; die Oberfläche
igt so geprägt oder anderweitig geformt,
daß sie eine Vielzahl von
vorspringenden Dämmen 3o aufweist, deren Zwischenräume 26 mit dem beschriebenen
weichen Lagermetall aufgefüllt sind.
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In der Ausführungsform der Fig. 5 haben die Gruben oder Vertiefungen
die Form schmaler Rinnen 32, die sich in Längsrichtung des Lagers erstrecken und
mit dem weichen Lagermetall angefüllt sind.
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Die Lager, die gemäß der Erfindung hergestellt werden und ig Vertiefungen
pro Zentimeter Länge aufweisen, sind bei schweren Belastungen und hohen Geschwindigkeiten
über lange Zeitspannen gründlichen Prüfungen unterworfen worden und haben sich dabei
sehr wenig abgenutzt.
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Aluminium besitzt auf Grund seiner bedeutend geringeren Kosten Vorzüge
gegenüber Silber, das bisher als Matrizenmetall verwendet wurde. Als Lageroberfläche
ist es dem Kupfer überlegen, und man kann annehmen, daß es im Gebrauch ebenfalls
wirtschaftlicher ist.
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Gesteigerte Wirtschaftlichkeit ergibt sich bei Gebrauch von Duraluminiumstreifen
ohne Stahlunterlage, da dann der Arbeitsgang der Auflage des Aluminiums auf die
Stahlunterlage unnötig wird.
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Der in den nachfolgenden Ansprüchen gebrauchte Ausdruck »auf Aluminiumbasis«
schließt sowohl reines Aluminium als auch Legierungen mit Aluminium als Grundbestandteil
ein.