DE1965754A1 - Machine element with at least one friction surface and process for its manufacture - Google Patents
Machine element with at least one friction surface and process for its manufactureInfo
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Description
ι sj υ yj ι uι sj υ yj ι u
Patentanwälte Dipl.-Ing. EWeickmann,Patent attorneys Dipl.-Ing. EWeickmann,
Dipl.-Ing. H.Weickmann, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dipl.-Ing. H. Weickmann, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
ClICBZi 8 München 86, den 31. Dezember 1969ClICBZi 8 Munich 86, December 31, 1969
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800122^ JUiOiTHIB AüiD0M03ILü)S ÖIEtOJili, 117 & 167, Quai Andre Citroen, P-75 Paris (15eme), Frankreich800122 ^ JUiOiTHIB AüiD0M03ILü) S ÖIEtOJili, 117 & 167, Quai Andre Citroen, P-75 Paris (15eme), France
i-ias chi nene lerne nt mit mindestens einer He ibungs fläche und Verfahren zu seiner Herstellungi-ias chi nene learn nt with at least one lifting surface and its method of manufacture
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Reibungs- und (/leitflächen an Maschinenelemente^ insbesondere von Reibungsflächen in Kolbengehäusen von -Drehkolbenmotoren aus Leichtmetallegierungen, sowie -να·? i-laschinenelemente mit solchen Reibungsflächen.The present invention relates to a method for the production of friction and (/ guide surfaces on machine elements ^ especially of friction surfaces in piston housings of rotary piston engines made of light metal alloys, as well as -να ·? i-machine elements with such friction surfaces.
jjg ist bekannt, daß beim Betrieb beispielsweise eines Drehkolbenmotors die Innenfläche des Kolbengehäuses durch den Drehkolben und dessen. Hinge starken Drücken und Reibungen ausgesetzt ist. us ist daher vorgeschlagen worden, diese iläche mit Beschichtungen zu versehen, bestehend aus aolchen Jtoffen, die die Gleitfähigkeit begünstigen und verschleißfest sind. Diese Beschichtungen wurden auf elektrolytischem und/oder chemischem Wege aufgetragen.jjg is known that when operating, for example, a rotary piston engine the inner surface of the piston housing through the Rotary piston and its. Hung heavy pressures and friction is exposed. us has therefore been suggested to use this To provide the surface with coatings, consisting of such substances, which promote the sliding properties and are wear-resistant. These coatings were applied electrolytically and / or chemically.
ist ferner bekannt, auf diese Innenfläche von Kolbengehäusen zunächst eine harte, haftende und zur Erzielungis also known to first apply a hard, adhesive and to achieve this inner surface of the piston housing
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der gewünschten Druckfestigkeit hinreichend starke Metallunter schicht aufzutragen. Diese Unterschicht wird im allgemeinen aufprojiziert mittels einer Oxy-Azetylenflamme oder mittels einer Plasmaflamme. Dann bringt man auf diese Unterschicht auf elektrolytischem und/oder chemischem Wege eine dünne verschleißfeste Beschichtung auf,the desired compressive strength sufficiently strong metal base to apply a layer. This underlayer is generally projected by means of an oxy-acetylene flame or by means of a plasma flame. Then this sub-layer is applied electrolytically and / or chemically Puts on a thin wear-resistant coating,
Aufgabe der Erfindung ist es, die Verfahren und Maschinenelemente dahingehend zu verbessern, daß sie besser als bisher den Anforderungen der Praxis gerecht v/erden, insbesondere bezüglich der Verschleißfestigkeit der Reibungsfläche und der Herabsetzung des Reibungskoeffizienten des mit der Reibungsfläche zusammenwirkenden l'eiles, wie z.B. eines Drehkolbens.The object of the invention is to improve the method and machine elements so that they are better than So far, the requirements of practice have been met, in particular with regard to the wear resistance of the friction surface and the reduction in the coefficient of friction of the l'eiles cooperating with the friction surface, e.g. a rotary piston.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Maschinenelement mit mindestens einer Reibungsfläche, insbesondere Kolbengehäuse aus einer Leichtmetallegierung für Drehkolbenmotoren mit einer innenliegenden Reibungsfläche, umfassend auf der Reibungsfläche eine metallische harte und zur Erzielung einer gewünschten Festigkeit gegen Berührungsdrücke ausreichend starke Unterschicht und auf dieser eine dünne verschleißfeste Beschichtung vor, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die metallische Unterschicht gebildet ist von eint,.- Legierung aus Kohlestoff stahl und Nickel-Aluminium-Verbindungen, wobei die Volumenanteile dea Kohlestoffstahla im wesentlichen zwischen 70 und 90 $ schwanken uud des komplementären Rests aus Nickelaluminaten zwischen 10 und 30 ΊTo solve this problem, the invention proposes a machine element with at least one friction surface, in particular a piston housing made of a light metal alloy for rotary piston engines with an internal friction surface, comprising on the friction surface a hard metallic underlayer that is sufficiently strong to achieve the desired strength against contact pressures and on top of it a thin, wear-resistant layer Coating, which is characterized in that the metallic sub-layer is formed from a single alloy of carbon steel and nickel-aluminum compounds, the volume fractions of the carbon steel fluctuating essentially between 70 and 90 $ and the complementary remainder of nickel aluminates between 10 and 30 Ί
Das erfindungsgemäße Verfahren des Maschinenelements mit mindestens einer Reibungsfläche, insbesondere Kolbengehäuse aus einer Leichtmetallegierung für Drehkolbenmotoren mit einer innenliegenden Reibungsfläche, umfassend auf derThe inventive method of the machine element with at least one friction surface, in particular a piston housing Made of a light metal alloy for rotary piston engines with an internal friction surface, comprising on the
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Reibungsfläche eine metallische harte und zur Erzielung einer gewünschten Festigkeit gegen Berührungsdrücke ausreichend starke Unterschicht und auf dieser eine dünne verschleißfeste lies chi chtung, ist dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Unterschicht gebildet ist von einer Legierung aus Kohlestoffstahl und Hickel-Aluminium-Verbindungen, wobei die Volumenanteile des Kohlestoffstahls in wesentlichen zwischen 70 und 90 fr schwanken und des komplementären Rests aus ifickel-Aluminium-Verbindungen zwischen 10 und 30 '/*, Friction surface a metallic hard and to achieve a desired strength against contact pressures sufficiently strong underlayer and on this a thin wear-resistant lies chi rectification, is characterized in that the metallic underlayer is formed from an alloy of carbon steel and Hickel-aluminum compounds, the volume proportions of the carbon steel fluctuate essentially between 70 and 90 fr and the complementary remainder of ifickel-aluminum compounds between 10 and 30 '/ *,
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Die Zeichnungen stellen dar:Further details and features of the invention result from the following description in conjunction with the accompanying drawings. The drawings show:
JiIg. 1 zeigt in einer ^uerschnittsansicht einen Gehäusekörper gemäß der Erfindung,JiIg. 1 shows a housing body in a cross-sectional view according to the invention,
l!'ig. 2 zeigt in einer iOeilsehnittansicht in vergrößertem Maßstab die Beschichtung des Gehäusekörpers gemäß der Erfindung.l ! 'ig. 2 shows in a partial sectional view on an enlarged scale the coating of the housing body according to the invention.
Zur .usbildunG 'einer verschleißfesten Beschichtung der Innenfläche 1 eines Gehäuselcörpers 2, v/elcher beispielsweise ein Gehäusekörper aus einer Leichtmetallegierung eines Drehkolbenmotors mit einer trochoidförmigen Querschnitt sform mit zwei. Auswölbungen und aus einer Aluminiumlegierung egefertigt ist, verfährt man in/folgender Weise.For the "training" of a wear-resistant coating of the Inner surface 1 of a housing body 2, for example a housing body made of a light metal alloy of a rotary piston engine with a trochoidal cross section sform with two. Bulges and is made of an aluminum alloy, one proceeds in the following way.
Zunächst, wird die Innenfläche 2 des Gehäusekörpers 1 auf ein iiaß bearbeitet, welches in der iiälie des I'ertigmaßee liegt. Dann v;ird mittels Oxy-Azethylenflamme oder mittelsFirst, the inner surface 2 of the housing body 1 is on an iiaß processed, which in the iiälie des I'ertigmae lies. Then it is done by means of an oxy-acetylene flame or by means of
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Plasmaflammeauf diese so Gearbeitete Innenfläche 2 eine .haftende und harte Unterschicht 3 aus Metall aufgetragen, die so stark ist, wie z.B. mit 5 angedeutet, daß eine notwendige Festigkeit auf Berührungsdruck erzielt wird. Gemäß derErfindung werden die Stoffe dieser Unterschicht gleichzeitig über mindestens zwei Pistolen aufgebracht. iJiese Stoffe bestehen aus Stahl mit einem Gewichtsanteil von Kohlenstoff zwischen 0,10 und 0,60 <?<> und aus einem Gemisch aus Hiekel- und Aluminiumpulver, welche sich zu Kicke !-Aluminium-Verbindungen (iiiAl, jü~A1) vereinigen, vereinigen sich mit dem Kohlenstoffstahl zu einem Produkt mit zusätzlich zu seiner Festigkeit auf Berührungs— druck verbesserten Eigenschaften bezüglich seiner Verschleiß- und Reibungsfestigkeit, wodurch das Produkt geeignet ist, mindestens in einem gewissen Maße im Falle einer Beschädigung der dünnen verschleißfesten Schicht, diese au ersetzen. dach einer geringfügigen Feinbearbeitung mit einer sehr großen Annäherung an die Fertigmaße wird dann auf die Unterschicht 3 auf elektrolytischem und/oder chemischem liege eine dünne verschleißfeste Beschichtung 4 aufgetragen, welche daraufhin nur noch geringfügig feinbearbeitet werden muß, um die endgültigen Fertigmaße und den gewünschten Oberflächenzustand zu erzielen.Plasma flame applied to this inner surface 2 worked in this way an adhesive and hard sub-layer 3 made of metal, which is so strong, as indicated, for example, by 5, that a necessary strength is achieved on contact pressure. According to the invention, the substances of this sub-layer are applied simultaneously via at least two guns. These materials consist of steel with a weight fraction of carbon between 0.10 and 0.60 <? <> and a mixture of Hiekel and aluminum powder, which combine to form Kicke! aluminum compounds (iiiAl, jü ~ A1), combine with carbon steel to form a product with, in addition to its strength to contact pressure, improved properties with regard to its wear and friction resistance, making the product suitable, at least to a certain extent, to replace it in the event that the thin wear-resistant layer is damaged. After a slight fine machining with a very close approximation of the finished dimensions, a thin wear-resistant coating 4 is then applied to the lower layer 3 on an electrolytic and / or chemical layer, which then only needs to be finely machined to achieve the final finished dimensions and the desired surface condition achieve.
Vor dem Aufsprühen der Unterschicht 3 heizt man den Gehäüsekörper 2 auf etwa IdO0C vor und hält ihn dann auf dieser Temperatur. Dann wird die Innenfläche 2 sandgestrahlt, d.h. daß man einen ochleifmittelpulverstrahl aus z.B. Siliziumkarbonat oder Korund heftig gegen diese Innenfläche sprüht. Dadurch wird die Rauigkeit der Fläche 2 erhöht, was wiederum günstig für das Anhaften der Unterschicht 3 ist. Um dieses Anhaften der Unterschicht noch erhöhen zu können, bildet man auf dieser Innenfläche 2 mit einer Oxy-Before the lower layer 3 is sprayed on, the housing body 2 is preheated to about ITE 0 C. and then kept at this temperature. Then the inner surface 2 is sandblasted, that is, an abrasive powder jet of, for example, silicon carbonate or corundum is violently sprayed against this inner surface. This increases the roughness of the surface 2, which in turn is beneficial for the adhesion of the lower layer 3. In order to be able to increase this adhesion of the lower layer, one forms on this inner surface 2 with an oxy-
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Azethylenflamme oder mit einer Plasmaflamme eine dünne Yerankerungsschicht, welche entweder aus Hiekel-Aluminium-Ver"bindungen (HiAl, lli^Al) besteht und gebildet ist durch .aufsprühen nur des Gemisches aus Hickel- undAluminiumpulvera oder aus Holybden. Vorzugsweise gibt man dieser dünnen yerankerungsschicht, welche die gesamte Innenfläche 2 bedeokt, eine stärke von 0,02 bis 0,05 nun. Dieses Aufprojizieren von geschmolzenem LIeta 11 auf die Innenfläche 2, welches auch Metallisieren genannt wird, geschieht im allgemeinen mit einer üx.y-aaethylenflammenpistole, in die ein jjraht aus dem zu projezierenden Metall eingespeist wird, oder mit einer Plasmaflammenpistole, in die ein Draht oder ein (logisch aus zu projizierenden Metallpulvern eingespeist wird.Acethylene flame or a thin one with a plasma flame Anchoring layer, which either consists of Hiekel aluminum connections (HiAl, lli ^ Al) consists and is formed by .spray only the mixture of knickle and aluminum powdera or from Holybden. It is preferable to give it thin Anchoring layer, which covers the entire inner surface 2, a thickness of 0.02 to 0.05 now. This projecting of molten LIeta 11 onto the inner surface 2, which is also called metallizing, is generally done with a üx.y-aaethylene flame gun into the a jjraht fed in from the metal to be projected is fed, or with a plasma flame gun, into which a wire or a (logically made of metal powder to be projected will.
Dann v/ird die eigentliche Unterschicht 3 durch Projektion von ilammstrahlen auf die Verankerungsschicht 6 aufgebracht Zu diesem Zweck verwendet man vorzugsweise gleichzeitig mindestens zwei Pistolen, welche einerseits mit Kohlenstoffstahl und andererseits mit einem Gemisch aus Aluminium- und Hickeipulver eingespeist werden und die so eingestellt sind, daß die geschmolzenen Metalle auf denselben Punkt auf der Verankerungsschicht projeziert werden.Then the actual lower layer 3 is made by projection applied by ammunition to the anchoring layer 6. For this purpose, it is preferable to use simultaneously at least two pistols, which are made of carbon steel on the one hand and a mixture of aluminum and Hickeipowver are fed and adjusted are that the molten metals are projected onto the same point on the anchor layer.
Dabei sind Antriebsmittel vorgesehen, die eine Relativbewegung zwischen dem Gehäusekörper 2 und der Gesamtheit der Pistolen derart bewirken, daß die gesamte zu beschichtende 1-läche vor den Pistolen vorbeigeführt und auf diese V/eise ein im wesentlichen gleichmäßiger Belag auf der ganzen Eläche erzielt v/ird»In this case, drive means are provided which allow a relative movement between the housing body 2 and the entirety of the guns in such a way that the entire 1-surface to be coated is passed in front of the guns and onto them In other words, an essentially even surface is achieved over the entire surface.
Bei der gleichzeitigen Aufpro jizierun<5 durch mindestens zwei Pistolen v/ird der projizierte Metalldurchsatz jederWith simultaneous Aufpro jizierun <5 by at least two guns are the projected metal throughput each
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Pistole entsprechend dengewünschten Anteilen in der Unterschicht 3 eingestellt. Diese Anteile können volumenmäßig variierai zwischen 70 bis 90 ·)'> Stahl mit einem Gewiclitsanteil Kohlenstoff zwischen 0,10 bis 0,60 ^- und der Rest komplementär zwischen 10 und 30 ,1 Gemisch aus liickel- und Aluminiumpulver mit im wesentlichen gleichen Anteilen an Hiekel und Aluminium. x)ie Beschichtung wird sooft durchgeführt, "bis die gewünschte utärke 5 der Unterschicht 3 erreicht ist. Diese Stärke liegt vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,8 mm. Diese Stärke bietet eine gute Festigkeit gegen während des Betriebes ausgeübte Iiruckbelastungen.Gun adjusted according to the desired proportions in lower layer 3. These proportions can volumetrically variierai between 70 to 90 ·) '> steel with a carbon Gewiclitsanteil between 0.10 to 0.60 ^ - and the rest complementary 10-30, 1 mixture of liickel- and aluminum powder with substantially equal amounts of Hiekel and aluminum. x) The coating is carried out until the desired thickness 5 of the lower layer 3 is reached. This thickness is preferably between 0.2 and 0.8 mm. This thickness offers good resistance to jerk loads exerted during operation.
Die durch Metallisierung relativ schnell aufgetragene Unterschicht 3 ist feinporös, wodurch das Anhaften der daraufhin auf elektrolytischem und/oder chemischem .:ege aufzutragenden verschleißfesten Schicht begünstigt wird.The undercoat applied relatively quickly by metallization 3 is finely porous, which prevents the electrolytic and / or chemical.: Ege from adhering wear-resistant layer is favored.
Nach Abkühlen des Gehäusekörpers auf Umgebungstemperatur, wodurch es zu einer Vorspannung in der Unterschicht 3 aufgrund der verschiedenen Dehnungskoeffizienten von Gehäusekörper 1 und Unterschicht 3 komt, wird diese Unterschicht feinbearbeitet, wie z.B. geschliffen, bevor die dünne verschleißfeste Beschichtung 4 aufgebracht wird*After the housing body has cooled down to ambient temperature, as a result of which there is a preload in the lower layer 3 due to the different expansion coefficients of the housing body 1 and sub-layer 3 come, this sub-layer is finely machined, e.g. sanded, before the thin, wear-resistant one Coating 4 is applied *
Diese verschleißfeste Beschichtung 4 ist vorzugsweise gebildet von einem Belag aus Nickel oder Kobalt, der gleitgünstig für die Kolbenringe ist. Die Stärke der Beschichtung 4 liegt zwischen 0,02 und 0,1 mm. Obwohl dieBeschichtung auf elektrolytischem und/oder chemischem v/ege relativ langsam vor sich geht, macht die geringe Stärke der Beschichtung die Bearbeitungsdauer annehmbar. Man kann in den die verschleißfeste Beschichtung 4 bildenden Belag auch in dem für die Beschichtung verwendeten elektrolytischenThis wear-resistant coating 4 is preferably formed by a coating made of nickel or cobalt, which is easy to slide for the piston rings is. The thickness of the coating 4 is between 0.02 and 0.1 mm. Although the coating on electrolytic and / or chemical v / ege relative is slow, the thinness of the coating makes the processing time acceptable. One can in the coating forming the wear-resistant coating 4 also in the electrolytic coating used for the coating
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und/oder chemischen Bad unlösliche Stoffteilchen einschließen. Diese Seuchen haben vorzugsweise zwischen 0,02 und 400 /U(Mikron) schwankende Ausmaße und sind so gewählt, daß sie der verschleißfesten !Beschichtung 4 zusätzliche Härte- und/oder Gleiteigenschaften verleihen.and / or chemical bath include insoluble particulate matter. These diseases are preferably between 0.02 and 400 / U (microns) varying dimensions and are chosen so that they give the wear-resistant coating 4 additional hardness and / or sliding properties.
Schließlich ermöglicht es eine Peinbearbeitung der verschleißfesten Beschichtung 4? die Eertigmaße und die ge~ wünschte Überflächenbeschaffenheit zu erzielen.Finally, it enables the wear-resistant ones to be painstakingly processed Coating 4? the Eertigmaße and the ge ~ to achieve the desired surface texture.
Die so hergestellte Geschiehtung hat zahlreiche Torteile. üo ist sie z.B. "besonders verschleißfest und "begünstigt dennoch das Gleiten der Kolbenringe während deren Berührug mit der Beschichtung, wobei diese Ivolberringe vorzugsweise aus Grauguß gefertigt sind.The occurrence produced in this way has numerous parts of the gate. It is, for example, "particularly wear-resistant and" nevertheless favors the sliding of the piston rings while they are in contact with the coating, these Ivolber rings preferably being made of gray cast iron.
Ferner gewährleistet die Metallunterschicht 3 einen festen und dauerhaften Halt für die Beschichtung 4, der vorzüglich den Berührungsdrücken widersteht und somit für die Beschichtung 4 eine größere Lebensdauer "bringt, als wenn diese Beschichtung allein die Belastungen aufnehmen müßten. Da man ferner" das Auf projizieren der Unterschicht 3 "bei etwa 1800C vornimmt,· also etwa im Bereich der Betriebstemperatur, werden eben gerade die Belastungen (Spannungen) vermindert, die während des Betriebes in der Unterschicht aufgrund der verschiedenen Dehnungskoeffizienten von Gehäusekörper und Unterschicht auftreten könnten.Furthermore, the metal underlayer 3 ensures a firm and permanent hold for the coating 4, which withstands the contact pressures excellently and thus has a longer service life for the coating 4 than if this coating alone had to absorb the loads Underlayer 3 ″ at about 180 ° C., thus approximately in the range of the operating temperature, the stresses (stresses) that could occur during operation in the underlayer due to the different expansion coefficients of the housing body and the underlayer are reduced.
Dank des vorgeschlagenen Verfahrens gemäß der Erfindung ist die Herstellung einer Beschichtung solcher Güte wirtschaftlich, und daher wird die Herstellung eines, solchen Gehäusekörpers relativ preiswert, !rotz ihrer Stärke wird die Unterschicht 3 nämlich schnell durohThanks to the proposed method according to the invention, the production of a coating of such quality is economical, and therefore the manufacture of such a housing body is relatively inexpensive, despite its strength the lower layer 3 is namely quickly duroh
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Plammstrahlen hergestellt, wodurch die Kosten für diese Bearbeitung annehmbar werden, während aufgrund der langen Dauer einer solchen !Bearbeitung in einem elektrolytischen und/oder chemischen Verfahren zur Erzielung einer Schicht solcher stärke eine Herstellung schon aus Kostengründen praktisch unmöglich wird. Im Gegensatz dazu kann aber die verschleißfeste und für die Gußkolbenringe gleitgünstige Beschichtung 4 zu vernünftigen Kosten auf elektrolytisehern und/oder chemischem liege hergestellt werden, weil sie eine geringe Stärke aufweist.Plam rays are produced, reducing the cost of this Machining become acceptable while due to the long duration of such! Machining in an electrolytic and / or chemical methods to achieve a layer Such a starch production becomes practically impossible for reasons of cost alone. In contrast to this, however, the wear-resistant and easy to slide for the cast piston rings Coating 4 at a reasonable cost on electrolyzers and / or chemical lying because it has a low strength.
Ferner ist die Zusammensetzung der Unterschicht ;5 aus i-Ietall so getroffen, daß selbst bei einer Beschädigung der dünnen verschleißfesten Beschichtung 4 die Gleiteigenschaften zwischen den Gußkoloenringen und der Unterschicht 3 zufriedenstellend bleiben und daß der Reibungskoeffizient der Iolbenringe auf der Unterschicht 3 gering bleibt.Furthermore, the composition of the sub-layer 5 made of i-metal is such that even if the thin, wear-resistant coating 4 is damaged, the sliding properties between the cast iron rings and the sub-layer 3 remain satisfactory and that the coefficient of friction of the piston rings on the sub-layer 3 remains low.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfüllt also die gestellte Aufgabe, indem es mit ihm möglich ist, in einfacher, wirtschaftlicher und schneller Weise eine G-leitflächenbeschichtung herzustellen, die besonders verschleißfest ist, und zwar insbesondere für Gehäuse von Drehkolbenmotoren.The method according to the invention thus fulfills the task set in that it is possible with it in a simpler, more economical manner and faster way a G-guide surface coating produce that is particularly wear-resistant, in particular for housings of rotary piston engines.
- Patentansprüche -- patent claims -
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