DE898066C - Schmiermittel und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Schmiermittel und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Schmiermittel, bestehend aus viskosen Mineralölfraktionen mit einem
Zusatz von öllöslichen Reinerhaltungsmitteln und öllöslichen, Phosphor und Schwefel enthaltenden Reaktionsprodukten
.
Es ist bekannt, daß die Mineralschmieröle eine oder mehrere unerwünschte Eigenschaften besitzen, die
ihren Gebrauch beeinträchtigen. So werden durch Zersetzung in Motoren aus den Schmierölen harzartige
Stoffe ausgeschieden, die die Metallteile der Motoren verunreinigen und insbesondere zum Festsitzen der
Kolbenringe führen. Eine andere unerwünschte Eigenschaft der Mineralöle ist ihre Neigung zur Oxydation,
wodurch saure Stoffe entstehen, die eine Korrosion von Metallteilen der Motore bewirken, insbesondere
die Lagerlegierungen, wie Cadmium-Silber, Bleibronze usw., angreifen.
Es wurden bereits zahlreiche Zusätze für Mineralöle vorgeschlagen, um die unerwünschten Eigenschaften
zu beseitigen bzw. zu mildern. Beispielsweise wurden öllösliche Metallsulfonate als Zusatz verwendet, weil
sie den Mineralölen rein erhaltende Eigenschaften erteilen.
Leider verbessern diese öllöslichen Sulfonate andere schlechte Eigenschaften der Mineralöle nicht oder
erhöhen diese noch. So wurde beispielsweise durch öllösliche Metallsulfonate die Bildung von sauren
Stoffen im Mineralöl während des Gebrauchs noch begünstigt, wodurch erhöhte Korrosion von Metallteilen
entstand.
Es wurde ferner schon erkannt, daß die verbleibende
Korrosions- und Oxydationsneigung eines Mineralöls, das eine geringe Menge eines Metallsulfonats enthält,
durch den Zusatz eines öllöslichen, Phosphor und Schwefel enthaltenden Reaktionsproduktes aus einem
dicyclischen Terpen und einem Phosphorsulfid verringert werden kann. Hierbei wurden als Metallsulfonate
Natrium-, Calcium-, Barium-, Zink- und Aluminiumsalze bevorzugt.
ίο Es wurde nun gefunden, daß bei Verwendung von
öllöslichen Magnesiumsulfonaten als Zusatz zu Mineralölen unter gleichzeitiger Zumischung der erwähnten
öllöslichen Reaktionsprodukte von dicyclischen Terpenen und Phosphorsulfiden Schmiermittel erhalten
werden, die besonders geringe Korrosions- und Oxydationsneigung haben. Dabei ergibt sich infolge des
geringen Molekulargewichts der Magnesiumsalze noch der Vorteil, daß sie verhältnismäßig geringe Mengen
Metall in das Mineralöl einbringen.
In Fig. ι ist eine Reihe von Kurven dargestellt, die
die Beziehung zwischen dem Reinheitsgrad des Motors bei verschiedenen Schmiermitteln, die 0,75 Gewichtsprozent
eines Pinen-Phosphorpentasulfid-Reaktionsproduktes und .verschiedene Mengen einzelner Metallsalze
der Benzolsulfonsäure, die durch zwei Paraffmkohlenwasserstoffgruppen
substituiert ist, enthalten, und dem Metallgehalt im Schmiermittel in Gewichtsprozent
zeigen.
Fig. 2 zeigt eine Anzahl von Kurven, die in gleicher Weise den Reinheitsgrad im Verhältnis zu dem Metallgehalt in Molprozent kennzeichnen.
Fig. 2 zeigt eine Anzahl von Kurven, die in gleicher Weise den Reinheitsgrad im Verhältnis zu dem Metallgehalt in Molprozent kennzeichnen.
Es können alle öllöslichen Magnesiumsulfonate verwendet
werden, beispielsweise die aus aromatischen Kohlenwasserstoffen oder substituierten Kohlen-Wasserstoffen
mit einem Sulfonierungsmittel erhaltenen oder, die aus paraffinischen, naphthenischen oder
anderen verschiedenen Erdölfraktionen hergestellt sind. Besonders geeignet sind die Magnesiumsalze der
Sulfonsäuren von Benzol und Naphthalin, die durch Paraffinkohlenwasserstoffgruppen mit wenigstens
18 C-Atomen substituiert sind. Insbesondere sind die basischen Magnesiumsalze von Benzolsulfonsäuren
geeignet, die durch zwei Paraffinkohlenwasserstoffgruppen substituiert sind.
Herstellung eines basischen Mägnesiumsalzes einer
durch zwei Paraffinkohlenwasserstoffgruppen substituierten Benzolsulfonsäure
Ein festes Paraffin mit 24 Kohlenstoffatomen im Molekül und einem Schmelzpunkt von 520 wurde
bei etwa ioo° chloriert, bis das Gewicht des Paraffins um etwa 12 °/0 zugenommen hatte. Das chlorierte
Paraffin wurde dann mit Stickstoff durchgeblasen, um restliches Chlor und Salzsäure zu entfernen.
1000 g des chlorierten Paraffins wurden nun mit 500 g Benzol in einem Behälter gemischt, der mit
einem Rührer, einem Rückflußkondensator und einem Thermometer ausgestattet war. Die Mischung wurde
auf eine Temperatur von 60° erhitzt. Darauf wurde Aluminiumchlorid langsam in einem Zeitraum von
2 Stunden zugegeben. Die Zugabe des Aluminiumchlorides ergab eine heftige Entwicklung von Salzsäure.
Die Temperatur wurde dann auf 8o° gesteigert und ι Stunde lang beibehalten. Das überschüssige
Benzol wurde durch Umschaltung des Rückflußkondensator
und Erhitzung auf eine Temperatur von 116° entfernt. 200 ecm Benzol wurden wiedergewonnen.
Die Mischung würde nun auf eine Temperatur von 60° abgekühlt und weitere 1000 g chloriertes
Paraffin langsam zugegeben. Hiernach wurde die Temperatur auf ioo° erhöht und 1 Stunde beibehalten.
Das Produkt blieb über Nacht bei einer Temperatur von etwa 60° stehen und wurde dann filtriert.
1738 g des so erhaltenen Benzols, das durch zwei Paraffinkohlenwasserstoffgruppen substituiert ist,
wurden in einem Behälter, der mit einem Rührer und einem Thermometer ausgestattet war, auf eine Temperatur
von etwa 40° erhitzt. 869 g Oleum (i5°/o SO3)
wurden langsam durch einen Tropftrichter mit solcher Geschwindigkeit zugegeben, daß die Temperatur
unter'500 blieb. Die Zugabe des Oleums dauerte etwa
3 Stunden. Die Mischung wurde dann eine weitere Stunde gerührt, um eine Vollkommenheit der Reaktion
sicherzustellen. Die Mischung wurde ferner in 1000 ecm Wasser gegossen, und darauf wurden
1810 g Mineralöl zugegeben. Die so erhaltene Mischung
wurde gut gerührt und dann stehengelassen, bis sich das Wasser abgeschieden hatte. Die Wasserschicht wurde dann abgezogen. Das so erhaltene Produkt
war eine ungefähr 5o°/0ige Mischung einer Benzol- go sulfonsäure, die durch zwei Paraffinkohlenwasserstoffgruppen
substituiert war, mit Mineralöl und hatte eine Neutralisationszahl von 40,7.
500 g der so erhaltenen substituierten Benzolsulfonsäure, die durch zwei Paraffinkohlenwasserstoffgruppen
gebildet war, wurden mit 23,3 g Magnesiumhydroxyd in einem Behälter, der mit einem Rührer,
einem Thermometer und einem Wasserabzug versehen war, gemischt und auf eine Temperatur von 1500 erhitzt,
bis alles Wasser abdestilliert war. Die Mischung (Ölmischung) wurde dann filtriert und ergab ein
Produkt mit einem Gewicht von 359 g. Dieses Produkt enthielt 1,29 °/0 Magnesium- und 2,09 °/0 Schwefel,
was zeigt, daß es sich im Prinzip um das basische Magnesiumsalz handelt.
Herstellung eines neutralen Mägnesiumsalzes einer durch zwei Paraffinkohlenwasserstoffgruppen substituierten
Benzolsulfonsäure
2500 g der Benzolsulfonsäure, die nach Beispiel 1 hergestellt war, wurden mit einer Methanollösung von
Natriumoxyd gemischt, die aus 75,7 g Natriumhydroxyd in 550 ecm Methanol bestand. Die Mischung
wurde auf 1500 erhitzt, um Wasser und Methanol zu
entfernen.
500 g dieses Produktes wurden mit 37,4 g Magnesiumchlorid (MgCl2 · 6 H2O) gemischt und auf
etwa 175° erhitzt, um restliches Methanol und Wasser zu entfernen. Das erhaltene Produkt war so viskos,
daß eine Verdünnung mit 500 ecm Mineralöl nötig war. Die Mischung wurde dann filtriert, und es wurde
gefunden, daß dieses Produkt 0,39 % Magnesium und 0,81% Schwefel enthielt, was zeigt, daß es sich in
der Hauptsache um das neutrale Magnesiumsalz handelt.
Die öllöslichen, Phosphor und Schwefel enthaltenden Reaktionsprodukte, die hier in Betracht kommen, sind
solche, die durch Reaktion dicyclischer Terpene und Phosphorsulfide bei einer Temperatur oberhalb etwa
ioo° erhalten werden. Obgleich jedes der verschiedenen
Phosphorsulfide, wie P3S6 (oder PS2),
P4S6 (oder P2S3), P4S3, P2S5 (oder P4S10), P4S7 usw.,
bei der Herstellung der Reaktionsprodukte verwendet werden kann, werden vorteilhaft die Reaktionsprodukte
benutzt, die mit P3S6 erhalten
werden.
Dicyclische Terpene sind Terpene, die eine Doppelbindung im Molekül haben und die aus zwei Ringsystemen
zusammengesetzt sind. Derartige typische Terpene sind Pinen, Camphen und Fenchen. Unter
diese Bezeichnung sollen auch Stoffe fallen, die einen vorherrschenden Anteil an einem oder mehreren
dicyclischen Terpenen haben. Beispiele dieser Stoffe sind die ätherischen oder flüchtigen Öle, die in der
Hauptsache aus einem solchen Terpen oder Terpenen bestehen. Typisch hierfür ist das Terpentinöl, dessen
hauptsächlicher Bestandteil Pinen ist. Bevorzugte dicyclische Terpenreagenzien sind Pinen und Terpentinöl.
Dementsprechend werden die bevorzugten Reaktionsprodukte aus P2 S5 und Pinen und P2 S5 und
Terpentinöl erhalten.
Obgleich eine vollkommene Klarheit über die chemische Zusammensetzung der hier behandelten Reaktionsprodukte
bis jetzt noch nicht besteht, kann eine teilweise Klarheit über ihre Zusammensetzung durch
Betrachtung der Reaktionsmerkmale gewonnen werden. Die Reaktion zwischen Phosphorpentasulfid und
Pinen beispielsweise beginnt bei etwa 100° und ist exotherm. Während der Reaktion nimmt die Viskosität
der Reaktionsmischung merklich zu, und etwas (wenn überhaupt) Schwefelwasserstoff wird entwickelt.
Das bei dieser Reaktion erhaltene Reaktionsprodukt enthält Phosphor und Schwefel in im wesentlichen
denselben Mengen, wie sie durch das verwendete besondere Phosphorsulfid zugegeben sind. Daraus ergibt
sich, daß die Reaktion eine Addition ist, d. h. eine Addition des Phosphorsulfides an eine ungesättigte
Bindung im Pinen.
Während die Reaktionstemperatur für die oben beschriebene Reaktion wenigstens etwa ioo° betragen
soll, liegt die bevorzugte Temperatur im Bereich von etwa 100 bis i6o°.
Die Anteile der hier verwendeten Reaktionsmittel können geändert werden, um Reaktionsprodukte mit
verschiedenem Grad an Öllöslichkeit und verschiedenem
Grad an ölverbessernder Eigenschaft zu erzeugen. Es ist indessen vorzuziehen, etwa 1 Mol eines
Phosphorsulfides auf 4 Mol eines dicyclischen Terpens zu verwenden, um ein Reaktionsprodukt zu erhalten,
das leicht löslich in Mineralölen ist. Wenn beispielsweise mehr als 1 Mol P2 S5 auf 4 Mol Pinen verwendet
wird, so wird ein viskoses, gelartiges Reaktionsprodukt erhalten, das in Mineralölen schwer löslich
ist. Ebenso wird, wenn weniger als 1 Mol P2S5 auf
4 Mol Pinen verwendet wird, ein viskoses öl, das etwas in Mineralöl unlöslich ist, erhalten, nachdem das
nicht reagierte Pinen durch Destillation wiedergewonnen ist.
Es besteht indessen noch ein anderes erwünschtes Verfahren zur Herstellung der Reaktionsprodukte. Um
ein verhältnismäßig nicht viskoses Reaktionsprodukt zu erhalten, kann eine Mischung eines dicyclischen
Terpens, wie Pinen, und eines verhältnismäßig inerten Lösungsmittels, etwa Mineralöl, wie oben beschrieben,
behandelt werden, um eine Ölmischung des Reaktions-Produktes zu erhalten. Das bevorzugte Verfahren
dieser Art besteht in der Verwendung einer 1: i-Mischung
eines dicyclischen Terpens und Mineralöl mit Phosphorsulfid, wobei das Molverhältnis des Terpens
zum Sulfid 4: 1 beträgt. '
Herstellung der öllöslichen, Phosphor und Schwefel enthaltenden Reaktionsprodukte
Eine Mischung von 800 g Pinen und 800 g eines Motoröls mit einer Viskosität von etwa 6 cSt wurde
auf 1050 erhitzt, und 326,4 g Phosphorpentasulfid (d. h. 4 Mol Pinen auf 1 Mol Phosphorpentasulfid)
wurden unter Rühren langsam zugegeben. Die Temperatur stieg während der exothermen Reaktion auf
115 °. Die Temperatur der Mischung wurde dann auf 1500 erhöht und 1 Stunde lang hei dieser Temperatur
gehalten. Nach teilweisem Abkühlen der Mischung und folgender Zugabe von 32 g Ton wurde die Mischung
filtriert. Das Filtrat, das 1842 g wog, wurde bei einer go Temperatur von 1500 und 5 mm Druck filtriert. 149 g
einer niedrigsiedenden Flüssigkeit wurden dabei entfernt. Das verbleibende Produkt war ein klares .viskoses
Öl mit einem Gehalt von 12,5 Gewichtsprozent Schwefel und 5,11 Gewichtsprozent Phosphor.
Die hier betrachteten ölzusammensetzungen können neben einem Ölreinigungsmittel und einem dicyclischen
Terpen-Phosphorsulfid-Reaktionsprodukt auch eine geringe Menge eines oder mehrerer anderer öllöslichen,
Phosphor und Schwefel enthaltenden Reaktionsprodukte enthalten. Ein derartiges Reaktionsprodukt
wird durch Reaktion von etwa 1 Mol Phosphorpentasulfid mit 4 Mol Oleylalkohol oder Ocenol in ziemlich
kurzer Zeit bei einer Temperatur erhalten, die zwischen etwa 1250 und etwa 1500 hegt.
Die folgenden Untersuchungsergebnisse zeigen die überlegenen Eigenschaften von Schmiermitteln mit
zugesetzten Magnesiumsulfonaten und dem dicyclischen Terpen-Phosphorsulfid-Produkt gegenüber den
Schmiermitteln, die statt Magnesiumsulfonaten andere Metallsulfate enthalten. Die letzteren wurden ebenfalls
aus einer Benzolsulfonsäure (substituiert durch zwei Paraffinkohlenwasserstoffgruppen) in der vorbeschriebenen
Weise und einem entsprechenden Metallhydroxyd oder -chlorid hergestellt.
| Metallgehalt | Schwefelgehalt | |
| Metallsulfonat | in Gewichts | in Gewichts |
| prozent | prozent | |
| basisches Barium ... | 5,o | i,5 |
| neutrales Barium ... | 2,16 | i,4 |
| neutrales Calcium ... | 1.3 | 2,2 |
| neutrales Zink | 1,68 | 1,8 |
| basisches Aluminium. | 0,48 | 0,92 |
Das öllösliche, Phosphor und Schwefel enthaltende Reaktionsprodukt für die Versuche wurde in der
vorbeschriebenen Weise hergestellt.
Bei jedem Versuch wurde ein Einzylinder-Viertaktbenzinmotor
30 Stunden lang mit einer Öltemperatur von 1070, einer Zylinderaußentemperatur
von 1770 und -mit einer Drehzahl von etwa 1830 halb
gedrosselt mit Benzin (100 °/o Destillierbenzin mit 0,66 ccm/1 Bleitetraäthyl) gefahren.
Ein Schmieröl (ein amerikanisches SAE 3O°-Ö1 mit 0,75 Gewichtsprozent Pinenphosphorpentasulfid-Reaktionsprodukt
und verschiedene Mischungen dieses Öls (Grundöl) mit rein erhaltenden Zusätzen der bisher
verwendeten Art wurden im Motor getrennt untersucht. Am Ende jedes Versuchs wurde der Kolben
der Maschine untersucht und die abgesetzten Verunreinigungen bestimmt. Ein Reinheitsgrad des
Motors von 100 bedeutet einen vollkommen sauberen Kolben, und geringere Grade bedeuten steigende Verunreinigung.
| Anteil des | Metallgehalt im Öl | Mol | Reinheits | |
| Metallsulfonat | Metall sulf onats im Öl |
Gewichts | prozent | grad des Kolbens (amerika |
| (Gewichts | prozent | nische | ||
| prozent) | O,OOl6o | EC-Werte) | ||
| kein | 0,0387 | 0,00054 | 63 | |
| basisches Mg | 3,o | 0,0129 | 0,00027 | 89 |
| Mg | 1,0 | 0,0065 | 0,00146 | S7 |
| - Mg | o,5 | 0,20 | 0,00073 | 86 |
| basisches Ba | 4,o | 0,10 | 0,00037 | 74 |
| Ba | 2,0 | 0,05 | Ο,ΟΟΟίδ | 76 |
| Ba | 1,0 | 0,025 | 0,00047 | 75 ■ |
| Ba | o,5 | 0,0115 | 0,00065 | 69 |
| basisches Al | 2,5 | 0,0156 | 0,00032 | 63 |
| neutrales Mg | 4,o | 0,0078 | 0,00079 | 87 |
| Mg | 2,0 | 0,I08 | 0,000l6 | 78 |
| neutrales Ba | 5,o | 0,022 | 0,00098 | 71 |
| Ba | 1,0 | 0,039 | 0,00049 | 68 |
| neutrales Ca | 3,o | 0,0195 | 0,00078 | 82 |
| Ca | 0,0504 | 0,00039 | 76 | |
| neutrales Zn | 3,o | 0,0252 | 83 | |
| Zn | !,5 | 73 | ||
Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Abb. 1 und 2 graphisch dargestellt.
Es ergibt sich, daß das Grundöl wegen seiner verhältnismäßig niedrigen EC-Werte nicht recht befriedigt.
Ferner ergibt sich, daß auf der Vergleichsgrundlage des Gewichtsprozentanteils die Magnesium
enthaltenden Reinerhaltungsmittel den anderen Metall-
sulfonaten überlegen sind. Diese Überlegenheit ist besonders beträchtlich bei basischen Magnesiumsulfonaten.
Wenn der Vergleich auf der Grundlage des Metallgehalts im Öl gemacht wird, so wird die Überlegenheit
der Magnesium enthaltenden Reinerhaltungsmittel gegenüber den anderen Metallsulfonaten besonders
deutlich.
Ein Anteil von etwa 0,5 bis etwa 10 % d-er öllöslichen
Magnesiumsulfonate im Schmiermittel kann verwendet werden, es wurde jedoch gefunden, daß
ein Anteil von etwa 2 °/0 für die meisten Zwecke genügt.
Der Anteil der öllöslichen, Phosphor und Schwefel enthaltenden Reaktionsprodukte von dicyclischen
Terpenen und Phosphorsulfiden kann von etwa 0,10
■3 0I
3 /0
variieren, im. allgemeinen genügt
bis etwa
etwa i°/0.
etwa i°/0.
Wie bereits angegeben, können dem Schmiermittel nach der Erfindung auch noch ein oder mehrere andere
öllösliche, Phosphor und Schwefel enthaltende Reaktionsprodukte zugesetzt werden. Schmieröle von
außergewöhnlich guten Eigenschaften werden mit einem solchen zusätzlichen Reaktionsprodukt von
etwa 0,10 bis etwa 3 °/0 erhalten.
Es ist auch möglich, ein Schmiermittelkonzentrat mit höheren Anteilen der Zusätze herzustellen und
dieses Konzentrat dann mit Mineralöl zu verdünnen.
Die Herstellung der Schmiermittel bzw. Konzentrate geschieht dadurch, daß ein öllösliches Magnesiumsulfonat
und ein dicyclisches Terpen-Phosphorsulfid-Reaktionsprodukt auf irgendeine Weise einem Mineralöl
zugesetzt werden. Beispielsweise kann das dicyclische Terpen-Reaktionsprodukt einem Mineralöl zugesetzt
werden, das ein öllösliches Magnesiumsulfonat bereits enthält; auch kann ein öllösliches Magnesiumsulfonat
den Reagenzien (dicyclisches Terpen und Phosphorsulfid),
die bei der Herstellung des erwähnten Reaktionsproduktes verwendet werden, zugemischt werden,
so daß es während der Reaktion anwesend ist. Es ist möglich, daß das öllösliche Magnesiumsulfonat mit
dem dicyclischen Terpen und Phosphorsulfid reagiert, wodurch ein komplexes Reaktionsprodukt unter den
angegebenen Reaktionsbedingungen entsteht, Das so erhaltene Produkt kann dann dem Mineralöl zugesetzt
werden. Dementsprechend ist klar, daß die Schmiermittel und Konzentrate nach der Erfindung
komplexer Natur sind, denn es ist möglich, daß ein öllösliches Magnesiumsulfonat und ein dicyclisches
Terpen-Phosphorsulfid-Reaktionsprodukt individuell im Mineralöl anwesend sein können, jedoch können
sie auch als physikaüsche Mischung oder in Form einer einzigen chemischen Verbindung vorhanden sein.
Es ist ferner möglich, daß ein öllösliches Magnesiumsulfonat und ein Reaktionsprodukt der erwähnten Art
zusammen chemisch reagieren können, wenn das verwendete Schmieröl unter besonderen Bedingungen
verwendet wird, beispielsweise als Schmiermittel in Maschinen mit verhältnismäßig hoher Betriebstemperatur.
Claims (6)
- PATENTANSPRÜCHE:i. Schmiermittel, bestehend aus viskosen Mineralölen mit einem Zusatz von 0,5 bis 10 °/0 öllöslicher Magnesiumsulfonate und von 0,10 bis 3 °/0 öllöslicher, Phosphor und Schwefel enthaltender Produkte, die durch Reaktion von Phosphorsulfiden mit dicyclischen Terpenen oder Ölen mit einem vorherrschenden Anteil an dicyclischen Terpenen bei einer Temperatur von über 100° erzeugt worden sind.
- 2. Schmiermittel nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphor und Schwefel enthaltenden Reaktionsprodukte durch Reaktion von ι Mol Phosphorpentasulfid und 4 Mol dicyclischer Terpene erhalten worden sind.
- 3. Schmiermittel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die öllöslichen Magnesiumsulfonate Salze, Benzolsulfon- oder Naphthalinsulfosäuren sind, die durch eine Paraffinkohlenwasserstoffgruppe mit wenigstens 18 Kohlenstoffatomen substituiert sind.
- 4. Schmiermittel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Benzolsulfonsäuren durch zwei Paraffinkohlenwasserstoffgruppen substituiert sind.
- 5. Schmiermittel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesiumsulf onate basische Magnesiumsalze sind.
- 6. Verfahren zur Herstellung von Schmiermitteln nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst Schmiermittelkonzentrate mit mehr als 10 % an öllöslichen Magnesiumsulfonaten und mehr als 3 °/0 an öllöslichen, Phosphor und Schwefel enthaltenden Produkten hergestellt und dann mit den erforderlichen Mengen Mineralöl vermischt werden.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen5569 11.53
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