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Verfahren zum Herstellen von Gleitlagern und Bremsbacken od. dgl.
aus Verbundmetall Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen von
Gleitlagern und Bremsbacken od. dgl. aus Verbundmetall durch Aufbringen von Metallpulver
und anschließendem Aufsintern auf einen Tragstreifen.
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Die Erfindung besteht darin, daß das Pulver aus einem Metall ausreichender
Tragfestigkeit lose auf eine oder beide Seiten des Tragstreifens aufgebracht und
in unverdichtetem Zustand auf eine Temperatur erhitzt und so lange auf dieser Temperatur
gehalten wird, bis das Pulver auf dem Streifen unter Bildung einer porösen Auflage
aufgesintert ist, die danach, gegebenenfalls nach leichter Verdichtung, mit einem
geschmolzenen Metall bei einer oberhalb des Schmelzpunktes dieses Metalls liegenden,
aber unterhalb einer die poröse Auflage verändernden Temperatur zwecks Imprägnierung
mit diesem Metall in Verbindung gebracht wird. Die Auflage kann mit dem sie imprägnierenden,
geschmolzenen Metall dadurch in Verbindung gebracht werden, daß das Metall in fester,
vorzugsweise pulveriger Form als Schicht auf die Oberfläche der Auflage aufgebracht
wird und das Metall anschließend geschmolzen wird. Ein anderer Weg für das Imprägnieren
der
Auflage besteht darin, daß die Auflage in ein Bad des geschmolzenen, imprägnierenden
Metalls eingetaucht wird.
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Dadurch, daß nach der Erfindung das zur Herstellung der porösen Auflage
dienende Metallpulver nicht in zusammengepreßtern Zustand, wie dies an sich bekannt
ist, sondern lose auf den metallischen Tragstreifen aufgebracht wird, besitzt die
nach der Sinterung erhaltene Auflage eine weit höhere Porösität, als wenn das Metallpulver
durch Walzen oder andere Druckvorrichtungen zusammengepreßt worden wäre. Hierdurch
wird die Imprägnierung, der Metallauflage mit Imprägnierungsstoffen verschiedener
Art erleichtert. Gleichzeitig wird jedoch eine ausreichende Tragfestigkeit der Auflage
erhalten.
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In der Praxis kann die Erfindung in der Weise ausgeführt werden, daß
zur Herstellung von Lagern mit guten Gleiteigenschaften aus einem einzigen Metall,
z. B. Kupfer, eine poröse Auflage gebildet wird, die molekular mit einer starken
Metallunterlage verbunden ist und mit geschmolzenem Blei od. dgl. imprägniert wird.
Sollen dagegen Kupplungsscheiben oder Bremsbacken hergestellt werden, die hohe Bremswirkung
aufweisen müssen, verwendet man zum Imprägnieren einen Werkstoff mit hohem Reibungskoeffizienten,
z. B. Bleioxyd (Pb 0).
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Zur Imprägnierung kann beispielsweise ein Metall verwendet werden,
welches gegen Korrosion widerstandsfähig ist. Einige dieser Metalle greifen aber
das poröse Kupfer an und lösen es teilweise auf. In derartigen Fällen müssen besondere
Maßnahmen getroffen werden, um das Metall der Auflage zu schützen.' Anlagen zur
Durchführung des neuen Verfahrens sind in der Zeichnung beispielsweise dargestellt.
Fig. i zeigt schematisch eine Anlage für das Aufbringen einer porösen Auflage auf
eine verhältnismäßig starke Metallunterlage, in der als lose Schicht aufgebrachtes
Metall auf die Unterlage aufgesintert wird; Fig. 2 zeigt eine Anlage zum Imprägnieren
einer mit der Anlage nach Fig. i hergestellten porösen Auflage mit einem Imprägnierungsmittel,
beispielsweise geschmolzenem Blei oder geschmolzenem Bleioxyd.
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Wie in Fig. i dargestellt, wird feinverteiltes Metallpulver 13 als
lose Schicht io auf einen vorzugsweise aus Stahl bestehenden, starken Metallstreifen
i i aufgebracht, der sich langsam und gleichmäßig unter den mit dem Metallpulver
gefüllten Trichter 12 fortbewegt. Das Metallpulver 13 fällt aus dem Trichter 12
unter der Wirkung der Schwerkraft heraus auf den Streifen i i, wo es mittels einer
einstellbaren Vorrichtung 14 geglättet wird, so daß eine gleichmäßig starke Schicht
io aus losem Metallpulver entsteht.
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Dieser mit der Schicht io bedeckte Metallstreifen i i @vird darauf
durch eine Heizkammer 2o geführt, in welcher er in reduzierender Atmosphäre so lange
und so hoch erhitzt wird, daß die losen Metallteilchen zusammensintern und eine
feste, hochporöse Auflage 15 bilden, die molekular mit dem Metallstreifen i i verbunden
ist. Während des Sinterns nimmt die Stärke der Schicht io stark ab, so daß die bei
a1 aus der Heizkammer 2o heraustretende, poröse Auflage 15 um etwa ein Drittel dünner
ist als die lose Pulverschicht io, die am anderen Ende in die Kammer 2o eingeführt
wurde. Die Pulverschicht io muß deshalb von Anfäng an eine derartige Stärke haben,
daß die gesinterte, poröse Auflage die erforderliche Stärke aufweist. Die Stärke
der Schicht kann durch Versuche leicht für jedes beliebige Metallpulver
13 festgestellt werden. Besteht das Band ii aus Stahl; so empfiehlt es sich,
das Band mit Kupfer zu plattieren, bevor die Schicht io aufgetragen wird, da es
sich gezeigt hat, daß die gesinterte, poröse Auflage 15 sich etwas fester an eine
Kupferoberfläche als an eine Stahloberfläche bindet. Jedoch ist ein Kupferüberzug
nicht unbedingt notwendig, da die Auflage 15 meist auch an einer nicht plattierten,
freien Stahloberfläche gut haftet.
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Aus der Heizkammer 2o gel'angt das Verbundmetall in die von einem
Wassermantel umgebene Kühlkammer 22, in der es in einer trockenen, redurzierenden
Atomsphäre gekühlt wird, um zu verhindern, daß das Metall oxydiert wird. Durch eine
Leitung 23 wird ein reduzierendes Gas ununterbrochen in die Kammer 2o hineingeleitet
und dadurch das Eindringen von Luft in diese verhindert. Das reduzierende Gas strömt
aus der Kammer 2o in die Kühlkammer 22 und entweicht darauf durch die Öffnung 2q..
Das getrocknete Gas wird darauf durch die Leitung 23 wieder in die Heizkammer 2o
hineingebracht, in welcher es mittels der elektrischen Heizelemente 25 od. dgl.
auf die gewünschte, genau geregelte Sintertemperatur erhitzt wird.
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Die Dichte oder Porosität der Auflage 15 kann durch eine nachfolgende
Druckbehandlung genau bestimmt werden. Der Streifen i i wird dann beispielsweise
zusammen mit der an ihm festhaftenden Auflage 15 zwischen Druckwalzen 30, 31 geführt.
Nach dieser Druckbehandlung kann eine zweite Wärmebehandlung in reduzierender Atmosphäre
durchgeführt werden, falls es ratsam erscheint, die poröse Auflage nach der Bearbeitung
in fast kaltem Zustande durch die Walzen auszuglühen. Die poröse Auflage 15 kann
aber auch vor der Kühlung in der Kühlkammer 22 in heißem Zustande der Walzbehandlung
durch in einer Heizkammer angeordnete Druckwalzen unterworfen werden. Selbstverständlich
ist es auch möglich, beide Seiten des Streifens i i mit einer porösen Metallauflage
zu versehen. Dies geschieht am einfachsten dadurch, daß die poröse Auflage zuerst
in der oben beschriebenen Weise auf die eine Seite des Streifens ii aufgetragen
wird, worauf die andere Seite des Streifens in genau derselben Weise behandelt wird.
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Folgende pulverförmige Werkstoffe 13 können durch - das oben beschriebene
Verfahren fest mit einem kupferplattierten Stahlstreifen ii vereinigt weiden: '
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i. Eine pulverförmige Mischung aus 9a Teilen Kupfer und io Teilen
Zinn.
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2. Eine pulverförmige Mischung aus 9o Teilen Kupfer, io Teilen Zinn
und 4 Teilen Graphit.
3. Eine pulverförmige Mischung aus 9o Teilen
Kupfer, io Teilen Zinn, 6 Teilen Magnesiumkarbonat und 4 Teilen Graphit.
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4. Eine pulverförmige Mischung aus 9o Teilen Kupfer, io Teilen Zinn
und 25 Teilen Blei.
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5. Eine pulverförmige Mischung aus 9o Teilen Kupfer, io Teilen Zinn
und 6 Teilen Magnesiumkarbonat.
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6. Eine pulverförmige Mischung aus 32 Teilen Kupfer und 68 Teilen
Nickel.
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7. Eine pulverförmige Mischung aus 95 Teilen Kupfer und 5 Teilen Nickel.
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B. Reines Kupferpulver.
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g. Reines Kupferpulver mit einem Zusatz von bis zu 6 °/o Graphit.
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Die Zusammensetzungen sind nur als Beispiele angegeben, und das Verfahren
gemäß der Erfindung ist nicht auf ihre Verwendung beschränkt. Es können auch andere
Metallpulver oder Pulvermischungen verwendet werden, wenn das Endprodukt irgendwelche
besondere Eigenschaften erhalten soll.
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Bei den Beispielen 1, 2, 3, 4, 5 legieren sich Kupfer und Zinn miteinander
während des Sinterns, vorzugsweise bei etwa 85o° C, wodurch ein poröses Bronzegebilde
entsteht, das 90°/o Kupfer und ioo/o Zinn enthält. Dies ist besonders vorteilhaft.
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Die Beispiele 3 und 5 enthalten feinverteiltes Magnesiumkarbonat,
das dem Erzeugnis einen hohen Reibungskoeffizienten verleiht. Während des Sinterns
zersetzt sich Mg C 03 in MgO und CO.,
das in Gasform entweicht. Auf diese
Weise hergestellte Reibungskörper können z. B. in Kraftwagenkupplungen und als Bremsbacken
für Radbremsen verwendet werden. da sie imstande sind, den hohen Temperaturen, denen
sie im Betrieb oft ausgesetzt sind, zu widerstehen. Der kleine Graphitgehalt in
Beispiel 3 verhindert das Entstehen von Rissen u. dgl. und macht die Reibungskörper
widerstandsfähig gegen Abnutzung.
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Bei dem Beispiel 4 schmilzt das Blei vollständig während des Sinterns.
Es schwitzt aber nicht aus der Auflage 15 heraus, sondern verbleibt in den Poren
des Futters, da es an den vollkommen reinen Porenwänden der durch die Legierung
von Kupfer und Zinn entstandenen Bronze haften bleibt. Wenn dieporöse Bronze in
einer reduzierenden Atmosphäre gekühlt wird, erstarrt das Blei in feinverteiltem
Zu@-stande und verbleibt gleichmäßig verteilt in der Bronze. Diese Mischung ergibt
Lagerteile mit guten Gleiteigenschaften, die nur langsam abgenutzt werden.
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Die Beispiele 6 und 7 zeigen, in wie weiten Grenzen bei dem Verfahren
gemäß der Erfindung die Mengenverhältnisse der verschiedenen Metallpulver geändert
werden können. 'Nickel- und Kupferpulver können bei etwa i ioo° C in einer reduzierenden
Atmosphäre zusammengesintert *erden, wodurch ein hochporöser Körper entsteht. Das
Beispiel e ergibt eine rostfreie Kupfer-Nickel-Legierung.
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Die Beispiele 8 und 9 unterscheiden sich dadurch von den übrigen,
daß an Stelle von zwei Metallpulvern nur ein Pulver verwendet wird. Wenn das Metallpulver
13 nur aus Kupferpulver (mit oder ohne einem nichtmetallischen Zusatz, z. B. Graphit)
besteht, so wird es in der Kammer 2o in einer reduzierenden Atmosphäre bei etwa
io4o° C gesintert. Hierdurch entsteht eine hochporöse Kupferauflage 15, welche molekular
an dem Stahlstreifen i i gebunden ist. Kupfer schmilzt bei io8o° C, und wenn es
bei dieser Temperatur in der Kammer 2o erhitzt wird, schmilzt das Kupferpulver ein,
wodurch die Porosität zerstört wird. Es wurde aber gefunden, daß es nicht notwendig
ist, feines Kupferpulver bis auf den Schmelzpunkt des Kupfers zu, erhitzen, um zu
bewirken, daß die losen Kupferteilchen sich molekular aneinander binden. Es genügt,
das Pulver auf eine Temperatur von 104o° C zu bringen. Wenn das Pulver auf dieser
Temperatur in einer reduzierenden Atmosphäre gehalten wird, scheinen die lose einander
berührenden Kupferteilchen durch eine Kornvergrößerung einfach zusammenzuwachsen,
und es entsteht ein verhältnismäßig festes, hochporöses Produkt aus reinem Kupfer,
das leicht geschmolzenes Blei oder geschmolzenes Bleioxyd aufnimmt und festhält.
Eine Kupferauflage kann deshalb mit großem Vorteil zur Herstellung von Körpern mit
guten Gleiteigenschaften oder mit hoher Bremswirkung benutzt werden. Dasselbe gilt
von einer Kupfer-Graphit-Auflage nach Beispiel g.
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Die Behandlung kann z. B. wie folgt durchgeführt werden: Die poröse
Kupferauflage 15, die mit einem kupferplattierten Stahlstreifen i i verbunden ist,
gelangt unter den Trichter 40, der Bleikörner oder pulverisiertes Blei 41 enthält.
Dadurch wird eine gleichmäßige Schicht 42 von Bleikörnern. oder -pulver unmittelbar
auf die Oberfläche der Kupferauflage 15 aufgetragen. Das Band i i bewegt sich darauf
in die Kammer 5o hinein, in welcher es in einer trockenen, reduzierenden Atmosphäre
auf etwa 85o° C erhitzt und das Blei, nicht aber das Kupfer, geschmolzen wird. Das
geschmolzene Blei fließt in die Poren des Kupfers und imprägniert es gleichmäßig
durch Kapillarwirkung, da es unter diesen Umständen die -Neigung hat, die Porenwände
zu benetzen und an ihnen haften zu bleiben. Die Porenwände sind vollkommen rein,
da die redurzierende Atmosphäre in der Kammer 5o die Bildung von Metalloxyden verhindert.
Wenn das Blei sich in dem porösen Kupfer vollständig verteilt hat, wird das Band
i i in die von einem Wassermantel umgebene Kühlkammer 5i hineinbewegt. Die Kühlung
erfolgt ebenfalls in einer reduzierenden Atmosphäre. Das in den Kammern 5o und 51
verwendete, reduzierende Gas hat vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung wie das
bei der ersten Verfahrensstufe benutzte Gas.
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Durch die beschriebene Behandlung entsteht ein Kupfer-Blei-Gebilde
16 mit einer starken Auflage 15 aus Kupfer, welche an das Stahlband i i molekular
gebunden ist und in der das Blei äußerst fein und gleichförmig verteilt ist. Vorzugsweise
wird so viel Blei aufgetragen, daß die Poren im Kupfer vollständig gefüllt werden.
Dies ist aber an sich nicht notwendig.
Da das Blei erst in der Kammer
50 schmilzt, ist es an sich gleichgültig, in welcher Form es ursprünglich
aufgebracht wird. Es ist aber zweckmäßig, es annähernd gleichmäßig über die Oberfläche
der porösen Kupferauflage 15 zu verteilen. Die hochporöse Kupferauflage kann bis
zu 50°/0, ja sogar, wenn es aus irgendeinem Grunde erforderlich ist, noch
mehr Blei aufnehmen. Die Porosität der Kupferschicht 1.5 kann, wie erwähnt, beliebig
stark verringert werden. Der Bleigehalt der fertigen Kupfer-Blei-Auflage 16 kann
demgemäß genau geregelt werden.
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Die poröse Kupferauflage kann in der beschriebenen Weise auch mit
Bleiglätte oder Bleioxyd (Pb0) oder mit Blei und Bleiglätte in beliebigen Mengenverhältnissen
imprägniert werden. Hierdurch entsteht ein Verbundmetall, - das einen höheren Reibungskoeffizienten
besitzt und beispielsweise als -Reibungskörper in Bremsen und Kupplungen verwendet
werden kann.
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Eine Kupplungsscheibe aus Stahl'kann beispielsweise zuerst gemäß der
ersten Stufe des Verfahrens gemäß der Erfindung auf beiden Seiten mit einer porösen
Kupferauflage überzogen werden, die molekular an der Scheibe haftet. Aus dieser
Scheibe kann darauf durch Imprägnierung mit Bleiglätte oder Bleiglätte und Blei
eine Kupplungsscheibe für Kraftwagen hergestellt werden.
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Im folgenden soll eine besondere Ausführungsform des Verfahrens gemäß
der Erfindung beschrieben werden. Eine poröse Auflage 15 aus Kupfer wird in der
beschriebenen Weise an ein mit Kupfer überzogenes Stahlband i i gebunden und darauf
in ein geschmolzenes Flußmittel getaucht,. das vorzugsweise Zinkchlorid, Ammoniumchlorid,
Salzsäure und Wasser enthält, oder in eines der üblichen Flußmittel, welche die
beiden obenerwähnten Salze, in hochsiedenden Alkoholen gelöst, enthalten. Das Flugmittel
dringt in die Hohlräume der porösen Auflage ein, benetzt sie gründlich und erleichtert
und beschleunigt 'darauf das Eindringen des Imprägnierungsmittels. Das mit dem Flußmittel
getränkte Band wird darauf in ein Bad getaucht, das aus dem geschmolzenen Imprägnierungsmetall
besteht und auf einer Temperatur gehalten wird, die nur wenig über dem Schmelzpunkt
des Imprägnierungsmittels liegt. Dieses dringt sehr rasch in die Poren der Kupferauflage
ein und verdrängt das Flußmittel, das an die Oberfläche des Bades emporsteigt. Sobald
kein Flußmittel mehr an der Oberfläche erscheint, wird der Metallkörper aus dem
Bad entfernt und rasch gekühlt, um das Irnprägnierungsmetall zum Erstarren zu bringen.
Die poröse Kupferauflage darf nur so lange mit dem geschmolzenen Imprägnierungsmetall
in Berührung gehalten werden, wie es unbedingt erforderlich ist, um die Masse genügend
stark zu imprägnieren, .falls das verwendete Metall bei einer Temperatur dicht über
seinem Schmelzpunkt raschlösend auf das Kupfer wirkt.
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Einige an sich geeignete Imprägnierungsmetalle und -legierungen zeigen
eine so starke Neigung, die Kupferauflage während des Imprägnierens aufzulosen,
daß sie zum mindesten teilweise die ursprüngliche Porosität zerstören. Dieser Neigung
kann dadurch entgegengewirkt werden, daß etwas ' Kupfer dem geschmolzenen Imprägnierungsmittel
zugesetzt wird, bevor die Auflage in diese eingetaucht wird. Die zuzusetzende Kupfermenge
für die einzelnen Metalle und Legierungen kann leicht durch Versuche ermittelt werden.
Wenn reines Blei als Imprägnierungsmetall benutzt wird, löst es den Kupfergrundkörper
nicht bei der Imprägnierungstemperatur von 85o° C, sondern erst bei 96o° C und noch
höheren Temperaturen auf. Wenn aber Zinn, Antimon, Wismuth, Silber, Kadmium, Tellur,
Kalzium u# dgl. als Imprägnierungsmetall benutzt werden, einzeln oder mit Blei legiert
oder miteinander gemischt, so wird das Imprägnierungsmittel bei einer bestimmten
Temperatur die poröse Kupferauflage angreifen und auflösen. Wenn solche Imprägnierungsmetalle
bzw. -legierungen zu stark lösend auf die Auflage wirken, wenn sie auf einer Temperatur
dicht .über dem Schmelzpunkt gehalten werden, so kann das Lösungsvermögen der Metalle
bzw. Legierungen durch einen Zusatz von Kupfer ,zum Imprägnierungsmittel stark herabgesetzt
oder fast vollständig aufgehoben werden.
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Die metallographische Untersuchung einer gekühlten, imprägnierten
Auflage zeigt deutlich, daß das Imprägnierungsmetall die Auflage überall leicht
durchdringt und die miteinander in Verbindung stehenden Poren in der Auflage ausfüllt,
so daß man im wesentlichen dasselbe Feingefüge erhält, das ein poröser Kupfergrundkörper
hat, der mit reinem Blei gefüllt ist. Das reine Blei, welches verhältnismäßig leicht
korrodiert, ist in diesem Fall nur durch eine Legierung von Blei mit Zinn, Antimon,
Kadmium, Wismuth, Silber, Tellur, Kalzium u. dgl., oder einer anderen für einen
Spezialzweck geeigneten Legierung oder Mischung ersetzt. Durch Versuche wurde festgestellt,
daß eine poröse Kupferauflage nach dem beschriebenen Verfahren mit einem beliebigen,
unlegierten einzelnen Metall oder einer beliebigen Metallegierung- imprägniertwerden
kann, wenn die Schmelztemperatur des Imprägnierungsmittels beträchtlich tiefer als
diejenige des reinen Kupfers liegt und das Imprägnierungsmittel eine gewisse Netzwirkung
ausübt, wenn es in geschmolzenem Zustand auf eine reine, mit einem Flußmittel behs.ndelte
feste Kupferfläche aufgebracht wird. Eine feinporöse Kupferauflage kann nach dem
beschriebenen Verfahren mit den nachstehend angegebenen Imprägnierungsmetallen behandelt
werden, um korrosionsbeständige Lagerfutter mit guten Gleiteigenschaften herzustellen.
Versuche haben gezeigt,>daß die unter i bis q. angegebenen Stoffe sich besonders
gut zur Herstellung von Lagern für die Kurbellager und die Kurbelzapfenlager der
Pleuelstange moderner Kraftfahrzeugmotoren eignen: i. Blei-Zinn-Legierungen in beliebigen
Mengenverhältnissen.
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z. Blei-Antimon-Legierungen mit i bis io% Antimon.
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Blei-Zinn-Antimon-Legierungen mit i bis io% Antimon und beliebigen Mengen Zinn.
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4. Zinn-Antimon-Legierungen mit i bis 8% Antimon.
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5. Zinn-Kupfer-Legierungen mit bis zu io % Kupfer.
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6. Reines Zinn.
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Bei sämtlichen Verbundmetallen, gleichgültig, ob sie gute Gleiteigenschaften
oder hohe Reibwirkung besitzen, die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt
sind, können die Mengen und die gleichförmige Verteilung des Imprägnierungsmittels
sehr genau festgelegt werden, da die Dichte und Porosität der Metallauflage vor
der Einführung des Imprägnierungsmittels bestimmt werden können und das Imprägnierungsmittel
die Porenstruktur der Auflage nicht ändert, sondern nur die Poren ausfüllt. Es ist
deshalb möglich, das Gewicht des Imprägnierungsmittels, welches von der Auflage
absorbiert wird, genau zu kontrollieren und das Imprägnierungsmittel über das ganze
Auflagematerial gleichförmig zu verteilen.
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Das nach einem der beschriebenen Verfahren hergestellte Verbundmetall
kann in geraden, langgestreckten Stücken oder in der Form von großen Spulen gelagert
und einer Maschine zugeführt werden, in der Rohlinge geschnitten werden, aus denen
Gleitlager oder Bremsbacken u. dgl. geformt werden. Kurze Stücke eines derartigen
Metallstreifens können abgeschnitten und kreiszylinderförmig zusammengebogen werden,
um geschlitzte Lagerfutter oder -büchsen zu bilden. Lager von beliebigen anderen
Formen können ebenfalls aus dem Kupfer-Blei-Streifen hergestellt werden, beispielsweise
halbkreisförmige Lager für die Kurbelwellen und die Pleuelstangen von Kraftwagenmotoren.