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Kennwort: Verbundwerkstoff
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Verfahren zum Herstellen von Verbundwerkstoffen, insbesondere für
Verbundlager Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes
mit Schichten unterschiedlicher Werkstoffzusammensetzung,.insbesondere eines Verbundwerkstoffes,
der eine Schicht mit guten Laufeigenschaften aufweist.
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Derartige Verbundwerkstoffe, bei denen eine Schicht (Grundwerkstoff)
vornehmlich der Festigkeit der Lagerschale dient und die andere Schicht (Lagerwerkstoff-)
die erforderlichen Laufeigenschaften bietet, finden insbesondere bei Verbundlagerschalen
Verwendung.
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Aus dem Fachlexikon "Lueger", vierte Auflage, Band 1 Seite 604, ist
bekannt, daß bei Verbundlagern Stahl, Stahlguß oder Gußeisen als Grundwerkstoff
mit einer verhältnismäßig dünnen Schicht des eigentlichen Lagerwerkstoffs verbunden
wird. Die
dabei verwendeten Herstellungsverfahen sind a) das Ausgießen
oder Ausschleudern des das Grundmaterial darstellenden Lagerkörpers mit Lagermetall,
z.B. mit Weißmetall oder Bleibronze, b) das Aufbringen einer galvanischen Schicht
auf das Grundmaterial, c) das Einpressen einer dünnen Laufbüchse in eine das Grundmaterial
darstellende Stahlbüchse, d) das Walzplattieren von Stahl als Grundmaterial mit
in Form einer Knetlegierung vorliegendem Lagermetall, z.B.
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solchem auf Aluminium- oder Kupferbasis.
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Aus dem Fachbuch E.S. Hedges, Tin and its Alloys, London 1960, S.
283 ff. sind Verbundlager bekannt, bei denen die Lauffläche aus einer Aluminiumlegierung
besteht. Diese Lauffläche zeichnet sich außer durch gute Laufeigenschaften durch
hohe Korrosionsbeständigkeit gegen Schmierstoffe aus. In großem Umfang werden sie
z.B. in Kraftfahrzeugmotoren angewendet.
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Die Legierung von Lagerwerkstoffen auf Aluminiumbasis bewegt sich
in etwa folgenden Grenzen: 6 bis 30 % Sn, 1 bis 3 % Cu, bis zu 2,5 % Si, bis zu
1 % Ti, bis zu 1 % Ni, Rest Al.
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Ein Lagerwerkstoff mit breiter Anwendung hat im wesentlichen folgende
Zusammensetzung:
ca. 20 % Sn ca. 1 % Cu Rest Al.
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Diese zinnhaltigen Aluminiumlegierungen sind im Gußzustand zunächst
unbrauchbar, da ihr Gefüge von einem Zinn-Netzwerk umschlossene Aluminiumkristallite
aufweist. Um das für die guten Laufeigenschaften maßgebliche, aus einer Dispersion
von Zinnkristalliten in einer Aluminiummatrix bestehende Gefüge zu erzielen, muß
das Material mehrfachen Walz-und Wärmebehandlungsprozessen unter genauer Einhaltung
bestimmter Temperaturen unterzogen werden. Der Aluminium-Zinn- Lagerwerkstoff wird
dann mit dem aus Stahl bestehenden Grundmaterial durch Walzplattieren verbunden.
Dabei wird der Verbund des Lagerwerkstoffes als Schicht mit guten Laufeigenschaften
auf dem aus Stahl bestehenden Grundwerkstoff durch Walzplattieren erzeugt, wobei
das Al-Sn-Cu-Blech unter Zwischenlegen einer Al-Folie auf ein Stahlblech gelegt
und die drei Schichten preßzusammengeschweißt werden.
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Die Verbindung dieser Werkstoffschichten mit unterschiedlicher Werkstoffzusammensetzung
mit Hilfe der Komponenten Temperatur und Druck setzt voraus, daß die zu verbindenden
Flächen bis zum Augenblick der Schweißung oxidfrei vorliegen. Dies wird durch entsprechende
Anordnung der einzelnen Schichten in einem Kasten erreicht, der die äußere Atmosphäre
fernhält.
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Diese Verfahrensweise ist sehr aufwendig und zur Herstellung von Verbundwerkstoffen
mit einer dickwandigen Lauf schicht auf einem dickwandigen Grundwerkstoff nicht
geeignet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs
genannten Art zu schaffen, welches die obengenannten Nachteile nicht aufweist und
mit dem eine einfache Herstellung eines Verbundwerkstoffes, insbesondere
auch
eine dickwandige Lagerwerkstoff-Laufschicht auf einen dickwandigen Grundwerkstoff
ermöglicht wird.
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Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß eine
der Schichten durch Einschmelzen eines Zusatzmaterials in einen festen Grundwerkstoff
unter Bildung einer Zone mit einer sowohl vom Grundwerkstoff als auch vom Zusatzmaterial
wesentlich abweichenden chemischen Zusammensetzung erzeugt wird.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens besteht der
Grundwerkstoff aus einer Aluminium-Knet- oder -Gußlegierung und das Zusatzmaterial
aus einer Lage aus Zinn und einer Lage aus einem Aluminiumwerkstoff.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß
ein Verbundwerkstoff nach einem Arbeitsverfahren hergestellt wird, bei dem der Verbund
zwischen einem Grundwerkstoff mit einer Schicht mit guten Laufeigenschaften einfach
herstellbar ist. Die z.B. beim Walzplattieren erforderlichen speziellen Verfahrensschritte,
wie das Oxidfreihalten der zu verbindenden Flächen und das Verschließen des Kastens
durch Stege oder Unterpulverschweißungen ermöglichen keine einfache kostengünstige
Herstellung von Verbundwerkstoffen mit anderer Geometrie als der, wie sie in zu
Bändern verarbeiteten Blechen erfolgt. Mit dem direkt im Grundwerkstoff gebildeten
neuen Lagerwerkstoff, der gute Laufeigenschaften aufweist, ist es möglich, komplizierte
Formen zu erzeugen, beispielsweise eine Bohrung mit guten Laufeigenschaften in einem
Lager durch Einschmelzen eines als Folie ausgebildeten Zusatzmaterials mittels Elektronenstrahl.
Das dabei entstandene Gefüge weist dabei eine bis zu fünf mal feinere Dispersion
in einer aluminiumreichen Matrix auf.
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Durch die Verwendung eines Grundwerkstoffes aus einer Aluminium- Knet-
oder -Gußlegierung wird eine erhebliche Gewichtsersparnis der Lagerschale erreicht.
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Über diese technischen Vorteile z.B. der funktionsgerechten Werkstoffaufteilung
hinaus können durch Verbundausführung wesentliche Kostenersparnisse erzielt werden,
da die Lagerwerkstoffe mit guten Laufeigenschaften im allgemeinen teuer sind. Auch
entfällt die komplizierte und aufwendige Herstellung dieser Lagerwerkstoffe.
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Zum Einschmelzen ist besonders vorteilhaft ein Energiestrahl anwendbar,
wie ihn eine Elektronenstrahlkanone oder ein Laser liefert. Dabei wird der Zusatzwerkstoff
vorzugsweise in Form von festen Materialien wie z.B. Platten, Folien, Blechen, Drähten
und Bändern mit sattem Flächenkontakt auf die zu behandelnde Oberfläche des Grundwerkstoffes
aufgebracht/aufgelegt und mittels eines Energiestrahles in dieselbe eingeschmolzen.
Auch wird der Lagerwerkstoff auf den Grundwerkstoff nicht als stofflich abgegrenzte
Schicht aufgebracht, wie dies beim Walzplattieren der Fall ist, sondern wird in
dem als Grundmaterial dienenden Grundwerkstoff selbst durch oberflächliches Einschmelzen
von Zusatzmaterial mit Hilfe eines Energiestrahls erzeugt.
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Als Grundmaterial wird ein Werkstoff verwendet, der über die erforderliche
Festigkeit verfügt und eine solche chemische Zusammensetzung aufweist, daß bei entsprechender
mengenmäßiger Abstimmung von Grundmaterial und Zusatzmaterial beim oberflächlichen
Einschmelzen des Zusatzmaterials in das Grundmaterial eine aufgeschmolzene und rasch
wiedererstarrte Zone mit der beabsichtigten chemischen Zusammensetzung des Lagerwerkstoffs
entsteht.
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Im Fall der Lagerwerkstoffe auf Aluminiumbasis, die als wesentlichen
Legierungsanteil Zinn aufweisen, verwendet man
als Grundmaterial
erfindungsgemäß einen üblichen Konstruktionswerkstoff auf Aluminiumbasis, z.B. AlCuMg1
oder G-AlSi12, und legiert die erforderliche Zinnmenge dazu. Das verhältnismäßig
niedrig schmelzende Zinn läßt sich allerdings nicht ohne weiteres in die das Grundmaterial
darstellende Aluminiumlegierung einbringen, da es an der Auftreffstelle des Energiestrahls
vorzeitig schmilzt und wegfließt. Um dies zu vermeiden, wird die an die Oberfläche
des Grundmaterials angrenzende Zinnschicht durch ein dünnes Blech aus Aluminium
bzw. einer Aluminiumlegierung abgedeckt.
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Eine andere Verfahrensvariante besteht darin, das aus Aluminium bzw.
einer Aluminiumlegierung bestehende Blech galvanisch mit einer Zinnschicht zu überziehen.
Der zunächst auf die Abdeckung auftreffende Energiestrahl erzeugt eine Aluminiumschmelze,
in der sich das Zinn ohne wegzulaufen leicht auflöst. Durch die Materialwahl für
das als Abdeckung dienende Blech kann die chemische Zusammensetzung des in der Schmelzzone
entstehenden Lagerwerkstoffs zusätzlich beeinflußt bzw. gesteuert werden. Die dabei
verwendeten Dicken der Zusatzmaterial-Lagen und die Einschmelztiefe müssen dabei
so aufeinander abgestimmt werden, daß aufgrund der chemischen Zusammensetzung von
dem Grundwerkstoff und dem Zusatzmaterial erfindungsgemäß die einschmelzlegierte
Zone einen Zinngehalt zwischen 5 und 30 Massenprozenten und einen Kupfergehalt zwischen
0,5 und 3 Massenprozenten aufweist.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß die angestrebte Dispersion von Zinn in einer Aluminiummatrix aufgrund der mit
der Energiestrahlbehandlung verknüpften raschen Erstarrung des aufgeschmolzenen
Metalls erzielt wird, so daß keine thermische und/oder mechanische Nachbehandlung
des Materials erforderlich ist.
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Anhand der nachstehenden Beschreibung wird die Erfindung
unter
Bezugnahme auf die Zeichnung sowie unter Hinweis auf ein vorteilhaftes praktisches
Beispiel näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 schematische Darstellungen der Lagen des auf den
Grundwerkstoff aufgelegten Zusatzmaterials sowie die Querschnittskonturen von Schmelz
spuren gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 Fig. 2 schematische Darstellung der Lagen
des auf den Grundwerkstoff aufgelegten Zusatzmaterials sowie die Querschnittskonturen
von Schmelzspuren gemäß dem Ausführungsbeispiel 2.
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Fig. 3 das Arbeitsprinzip der Aufschmelzbehandlung durch Erzeugen
einander überlappender linearer Schmelzbereiche.
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Fig. 4 das Arbeitsprinzip der Aufschmelzbehandlung durch Erzeugen
einander überlappender punktartiger Schmelzbereiche.
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Fig. 5 den Vorgang des kontinuierlichen Aufschmelzbehandelns mittels
eines oszillierenden Energiestrahls unter Verwendung eines aus zwei Komponenten
bestehenden Zusatzmaterials in Form zweier getrennter Materiallagen.
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Fig. 6 den Vorgang des kontinuierlichen Aufschmelzbehandelns mittels
eines oszillierenden Energiestrahles unter Verwendung eines aus zwei Komponenten
bestehenden Zusatzmaterials in Form einer mit einer Beschichtung verse-
henen
Materiallage.
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Fig. 7 den Vorgang des Aufschmelzbehandelns mittels eines stationären
Energiestrahls, wobei das Werkstück in zwei Achsen bewegt wird.
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Fig. 8 den Vorgang des Aufschmelzbehandelns einer Lagerhälfte.
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Ausführungsbeispiel 1 In Fig. 1 ist ein dickwandiger Grundwerkstoff
in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnet. Für die Wahl der Dicke 11 des Grundwerkstoffes
10 sind die betrieblichen Verhältnisse und Anforderungen, wie Höhe und Art der Belastung,
Betriebstemperatur und dgl. maßgebend.
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Auf den aus einem hochfesten Aluminium wie z.B. A1Cugi bestehenden
Grundwerkstoff 10 wird ein Zusatzwerkstoff 12 in Form einer Folie auf die zu behandelnde
Oberfläche 13 mit sattem Flächenkontakt aufgebracht/aufgelegt. Als besonders vorteilhaft
hat sich als Zusatzwerkstoff 12 Zinn (Sn) erwiesen. Da der mit 12 bezeichnete Zusatzwerkstoff
Zinn einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt und an der Auftreffstelle 14 (Fig. 5,6,7,8)
des Energiestrahles 15 (Fig. 5,6,7,8) vorzeitig schmilzt, wobei er auf der zu behandelnden
Oberfläche 13 wegfließt ohne daß der Grundwerkstoff 10 schmilzt, wird der an die
zu behandelnde Oberfläche 13 des Grundwerkstoffes 10 angrenzende Zusatzwerkstoff
12 (Zinn) durch ein dünnes Blech 16 (Fig. 1 bis 8) aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung
abgedeckt. Der zunächst auf die Abdeckung auftreffende Energiestrahl 15 erzeugt
eine Aluminiumschmelze, in der sich das Zinn ohne wegzulaufen leicht auflöst.
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Durch die Materialwahl für das als Abdeckung dienende Blech 16
kann
die chemische Zusammensetzung des beim Einschmelzen entstehenden Lagerwerkstoffes
zusätzlich beeinflußt werden.
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Das als Zusatzwerkstoff 12 verwendete Zinn weist eine Foliendicke
b von 0,2 mm und das als Abdeckung verwendete Reinaluminium eine Blechdicke c von
1,4 mm auf.
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Diese zu behandelnde Al-Sn-AlCuMg1-Anordnung 17 wird in einer nur
schematisch dargestellten Vakuumkammer 18(Fig. 3,4) mittels eines Energiestrahles
15 überstrichen und dabei das Zusatzmaterial 12,16 in den Oberflächenbereich des
Grundwerkstoffes 10 eingeschmolzen.
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Dabei erzeugt der Energiestrahl 15 örtlich begrenzte Schmelzbereiche
19 (Fig. 3,4) die nach Durchdringen des auf dem Grundwerkstoff 10 aufgelegten Zusatzmaterials
12,16 bis zu einer vorgegebenen Tiefe 20 in den Grundwerkstoff 10 eindringen und
eine mittlere Einschmelztiefe 21 ergeben.
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Die Einschmelztiefe a in den Grundwerkstoff 10 beträqt dabei im Mittel
0,6 mm, so daß das Verhältnis a:b:c =.3:1:7 beträgt Die sich durch das Aneinanderfügen
punktartiger Schmelzbereiche 19 (Fig. 4) ergebenden Querschnittskonturen der Schmelz
spuren sind in Fig. 1 und Fig. 2 mit 22 bezeichnet und gestrichelt dargestellt.
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Diese Schmelzbereiche werden in aufeinanderfolgenden Schritten einander
überlappend zu geschlossenen Flächen zusammengefügt, wobei der jeweils vorangehende
Schmelzbereich 19 bereits erstarrt sein muß. Die bei dieser Arbeitstechnik erforderliche
Relativbewegung von Energiestrahl 15 und Werkstück 23 X-Y-Bewegung des Werkstücks
(Fig. 5,6,7,8) und/oder Ablenkung Pfeil A IFE. 5,6) des Energiestrahl 15 aus seiner
Normallage.bewerkstelligt werden. Die Ablenkung des Energiestrahles 15 erfolgt dabei
beispielsweise über ein elektromagnetisches Ablenksystem 24.
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Die flächige Aufschmelzbehandlung kann z.B. durch das Aneinanderfügen
linearer Schmelzbereiche 19 (Fig. 3) oder durch das Aneinanderfügen punktartiger
Schmelzbereiche 19 Fig. 4) ausgeführt werden.
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Die Bildung punktartiger oder linearer Schmelzbereiche 19 (Fig. 3,4)
erfolgt durch mehrmaliges Beaufschlagen der zu behandelnden Oberfläche 13 mit einem
regulären Raster, der in Form eines Punkt- oder Strichrasters ausgeführt ist.
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Dabei wird der Raster relativ zum Werkstück und parallel zu dessen
Oberfläche je um einen kleinen Betrag in einer solchen Weise verschoben, daß durch
Oberlappung der Rasterpunkte eine geschlossene Fläche entsteht.
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Durch die trägheitslose Ablenkung 24 des Energiestrahles 15 in einem
beispielsweise punktartigen Raster (Fig. 4) auf die Materialoberfläche 25 erfolgt
die Aufschmelzung der Materialoberfläche 25 in punktartigen Schmelzbereichen 19,deren
Grenzen 26 sich im Zustand der Schmelze nicht berühren.
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So werden beispielsweise die Schmelzbereiche 19a und 19b in einem
punktartigen Raster aufgeschmolzen. Die Überlappung der Schmelzbereiche 19a, 19b
erfolgt durch die Verschiebung des punktartigen Rasters und der damit verbundenen
Aufschmelzung des Schmelzbereiches 19c. Während der Aufschmelzung des Schmelzbereiches
19c ist die Energiezufuhr zu den Schmelzbereichen 19a, 19b unterbrochen, was zu
einer Erstarrung der Schmelze führt. Durch diese begrenzte Aufschmelzbehandlung
der Materialoberfläche 25 wird das Zusatzmaterial 12,16 in die zu behandelnde Oberfläche
13 eingeschmolzen. Eine flächige Aufschmelzbehandlung führt zu nicht kontrollierbaren
Mischungsverhältnissen des Zusatzmaterials 12,16.
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Der so entstandene, aufgeschmolzene und wieder erstarrte Lagerwerkstoff
der aus einer Dispersion des Grundwerkstoffes
AlCuMg1, des Zusatzmateriales
Zinn und des Reinaluminiums besteht, hat eine 2,2 mm dicke Lagerwerkstoff-Laufschicht
deren Legierung aus ca. 21 rÕ Sn und ca. 1 °Õ Cu besteht.
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Ausführungsbeispiel 2 Auf einen Grundwerkstoff 10 aus G-AlSi12 (rd.
12,3 e Si) soll eine 3 mm dicke Lagerwerkstoff-Lauf schicht erzeugt werden.
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Auf den Grundwerkstoff 10 wird ein mit einer 0,25 mm (Maß b in Fig.
2) dicken Zinnschicht J2 qalvanisch überzogenes, als Abdeckung verwendetes 2 mm
(Maßc in Fig 2) dickes Blech 16 (Fig. 6) aus AlCublg1 aufgelegt und im Mittel 0,75
mm (Maß a in Fig. 2) tief in den Grundwerkstoff 10 eingeschmolzen, Der so durch
aufschmelzen und wiedererstarren neu entstandene Lagerwerkstoff hat eine mittlere
Einschmelztiefe 21 von 3 mm und eine Legierungszusammensetzung von ca. 19,5 % Sn,
ca. 2,6 °Ó Si, ca. 2,4 % Cu. Die Querschnittskonturen der Schmelzbereiche 19 sind
entsprechend der Fig. 1 mit 22 bezeichnet.
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Mit der Verfahrensweise nach der Erfindung läßt sich z.B.
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ein Verbundwerkstoff kontinuierlich in Form von bandförmigem Halbzeug
als Vormaterial für die Fertigung von Lagerschalen (Fig. 7) erzeugen. Ferner lassen
sich vorteilhaft, wie Fig. 8 zeigt, einzelne Lager bzw. Lagerschalen 27 herstellen
oder auch komplexe Werkstücke örtlich behandeln, um an bestimmten Stellen gute Gleiteigenschaften
zu erzielen, wobei bevorzugt bei feststehendem Energiestrahl 15 eine Lagerbewegung
in y-Achse und Drehachse erfolgt.
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* sodaß das Verhältnis a:b:c = 3:1:8 beträgt.
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