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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von
Durchdringungsverbundmetallen, sogenannten Infiltrationswerkstoffen.
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Solche Werkstoffe werden überall dort eingesetzt, wo möglichst porenfreie
Sinterwerkstoffe mit hoher Dichte, hoher Festigkeit oder guter elektrischer Leitfähigkeit
benötigt werden. Zur Herstellung dieser Werkstoffe ist es bekannt, auf pulvermetallurgischem
Wege aus einem Grundmetall Formkörper herzustellen, welche jedoch nicht porenfrei
zu erhalten sind, sondern ein Skelett bilden, das beim Sintervorgang durch Tränkung
mit einer Metallschmelze, dem Tränkmetall, ausgefüllt wird. Sowohl dür das Grundmetall
als auch für das Tränkmetall werden reine Metalle oder Legierungen, für das Grundmetall
außerdem auch Mischungen aus Pulvern verschiedener Metalle verwendet.
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Zur Tränkung des Grundmetall-Formkörpers ist die Tauch- und die Kapillartränkung
bekannt, bei der der Formkörper in eine Metallschmelze ganz oder teilweise eingetaucht
wird und sich dann vollsaugt.
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Diese Art der Tränkung hat den Nachteil, daß man bei Temperaturen
oberhalb der Schmelztemperatur des Tränkmatalls hantieren muß und die Körper zur
Vermeidung von Löteffekten nicht mit metallischen Werkzeugen in Berührung kommen
dürfen. Dieser Nachteil hat bewirkt, daß man allgemein zur Auf-oder Unterlagentränkung
übergegangen ist.
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Bei diesem Verfahren wird in einer Graphitschale den durch Pressen
von Grundmetallpulver entstandenen Formkörpern ein Stück massives Tränkmetall auf-
oder unterlegt und die Schale dann in einem Ofen bis zum Schmelzen des Tränkmetalls
erhitzt. Das in der Ofenhitze flüssig werdende Tränkmetall wird dabei in die Poren
des in der Ofenhitze gesinterten Grundmetallformkörpers aufgenommen und füllt diese
aus.
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Das Einlegen der beiden losen Körper in die Schalen erfordert viel
Handarbeit. Vor allem läßt sich aber wegen der Toleranzen der beiden in der Schale
zusammengelegten Körper diejenige Menge des Tränkmetalls nicht genau ermitteln,
die zum Ausfüllen aller Poren des Grundmetallformkörpers hinreichend und notwendig
ist. Wird aber zu wenig Tränkmetall beigelegt, so wird der Grundmetallformkörper
unvollständig getränkt. Solche Formkörper sind unverwendbar. Wird dagegen zu viel
Tränkmetall beigelegt, so muß der fertige Formkörper unter Materialverlust durch
Zerspanen zusätzlich bearbeitet werden.
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Die Toleranzen in den Grundmetallformkörpern ergeben sich aus folgenden
Umständen: Beim wegeabhängigen Pressen, z. B. bei Verwendung mechanischer, aber
auch hydraulischer Pressen mit festen Endanschlägen für den Preßstempel, erzielt
man bekanntlich zwar maßgenaue, unter sich gleiche Preßkörper, jedoch ist deren
Dichte und damit ihr Porenvolumen unterschiedlich, weil die Dichte weitgehend von
der eingefüllten Pulvermenge und ihrer gleichmäßigen Verteilung abhängt.
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Preßt man gagegen die Formkörper druckabhängig, wie es auf hydraulischen
Pressen und auf mechanischen Pressen mit hydraulischer Druckbegrenzung möglich ist,
so erzielt man zwar eine gleichbleibende Dichte und damit ein gleichmäßig großes
Porenvolumen bei jedem Preßkörper, jedoch sind hier ihre äußeren Abmessungen unterschiedlich,
da diese von der eingefüllten Pulvermenge abhängen.
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Die Preßkörper aus dem Grundmetall haben also immer Toleranzen. Die
Abmessungen der aus Massivmetall geschnittenen Beilagen aus Tränkmetall variieren
natürlich ebenfalls. Die Toleranzen können sich, wie bekannt, aufheben oder addieren,
so daß das Ergebnis nach der statistischen Wahrscheinlichkeit immer einen gewissen
Fehleranteil hat.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein möglichst weitgehend die Handarbeit
ausschaltendes Herstellungsverfahren für Formkörper aus Durchdringungsverbundwerkstoffen
zu entwickeln, bei dem eine - Über- oder eine Untertränkung durch Abweichungen der
Grundmetallformkörper und/oder ihrer Tränkmetallbeilagen von einem Soll weitgehend
ausgeschlossen ist, indem die möglichen Abweichungen vom Soll durch Zusammenlegen
der Herstellung der Formkörperteile in der gleichen Maschine stets in gleicher Richtung
laufen.
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Diese Aufgabe wird bei dem Verfähren der Erfindung dadurch gelöst,
daß das als Pulver vorliegende Tränkmetall anschließend an das Pressen des Grundmetallformkörpers
von dem gleichen Preßstempel auf den noch in der Preßmatrize befindlichen Grundmetallformkörper
dosiert aufgepreßt wird. Die Dosierung des Tränkmetallpulvers kann so eingestellt
sein, daß der die Presse zweckmäßig automatisch verlassende und in einer Graphitschale
in den Sinterofen eintretende Zweischichtenformkörper weder zu viel noch zu wenig
Tränkmetall enthält.
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Für den Sintervorgang ist es von Bedeutung, daß erfindungsgemäß das
Tränkmetallpulver auf den fertig gepreßten Grundmetallformkörper aufgepreßt wird
und nicht etwa beide Metalle in Pulverform zusammengepreßt werden. In diesem Falle
würden sich die beiden Metalle an der Grenzfläche des Zweischichtenformkörp ers
ineinander verzahnen.
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Bei komplizierteren Formkörpern wäre gleichzeitig eine Deformation
der Berührungsfläche möglich. Bei dem Verfahren der Erfindung fehlt diese Verzahnung
und die Gefahr der Deformation. Die Formkörper der beiden Metalle stehen mit glatten
Stirnflächen aufeinander und halten nur so weit zusammen, daß der Zweischichtenformkörper
das Herausnehmen aus der Presse und das Einfahren in den Sinterofen übersteht.
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Bei der sich an den Preßvorgang anschließenden Sinterung des Formkörpers
ist dies von großem Vorteil. Sobald nämlich die Spannungskräfte durch die unterschiedliche
Wärmedehnung oder den unterschiedlichen Sinterschwund die Haftkräfte der Verbindung
der beiden Formkörper überschreiten, lösen sich diese voneinander. Da dies im Ofen
geschieht, ändern sie ihre gegenseitige Lage nicht. Durch die Lösung der Verbindung
werden aber auf jeden Fall die Spannungen abgebaut, so daß ein Wärmeverzug des Formkörpers
ausbleibt. Auf den Tränkungsvorgang bleibt die Trennung ohne Einfluß, da diese auf
Seigerung bzw. Dochtwirkung beruht.
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Das Verfahren nach der Erfindung wird nachstehend im einzelnen an
Hand der Zeichnung besprochen. Der Formkörper aus Tränkmetall wird bei dem Ausführungsbeispiel
auf den Grundmetallformkörper aufgepreßt.
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Die Fig. 1 bis 6 der Zeichnung stellen Axialschnitte durch den Preßraum
einer Metallpulverpresse dar.
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Der Füllraum einer solchen Presse wird nach Fig. 1 begrenzt durch
die Matrize 2 und einem im
Füllraum stehenden Unterstempel3, demgegenüber
die Matrize 2 axial beweglich ist. In bekannter Weise wird das Grundmetallpulver
4 durch einen Füllschuh 7 in den Füllraum 1 geschüttet. Durch rüttelnde Bewegung
(6) des Füllschuhs 7 wird ein gleichmäßiger Eintrag gewährleistet. Benutzt man eine
nicht dargestellte Einwiegemaschine, die das Pulver über den Stutzen 5 einspeist,
so übernimmt der Füllschuh 7 nur noch das Glätten der Pulveroberfläche, welche in
jedem Falle bündig mit der Matrizenoberfläche ist. Der Füllraum 1 schließt daherjedesmal
die gleiche Pulvermenge ein, Der Füllschuh 7 wird nun weggeschoben und (-Fig. 2)
die Matrize 2 so weit angehoben, daß sich nach der in Fig.3 erfolgenden Verdichtung
oberhalb des Preßlings 11 in Fig.4 der für die Pulvermenge des Tränkmetalls 15 (F
i g. 4) erforderliche Füllraum 13 bildet.
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F i g. 3 zeigt den ersten Preßvorgang, bei dem der Oberstempel 9
in Richtung des Pfeiles 10 in die Matrize eindringt und das im Füllraum enthaltene
Grundmetallpulver zum Formkörper 11 verdichtet.
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Gleichzeitig wird die Matrize 2 entweder nach dem Schwebematrizenprinzip
durch die Wandreibung oder durch gesteuerte Zwangsbewegung in Richtung des Pfeiles
12 abwärtsbewegt, damit der Preßdruck auf beide Enden des Formkörpers 11 wirkt.
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Nun wird der Stempel 9 aus der Matrize gezogen (F i g. 4) und über
einen zweiten Füllschuh 14 Tränkmetallpulver 15 in den Füllraum 13 gerüttelt (6).
Bei Rückzug des Füllschuhs 14 wird das Tränlunetallpulverl5 in der Ebene der Matrizenoberfläche
16 glattgestrichen.
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Das Volumen des Füllraumsl3 ist in Fig.2 so eingestellt worden, daß
es - eingerüttelt und glattgestrichen - genau die für den Formkörper 11 benötigte
Tränkmetallmenge aufnimmt.
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Jedoch kann auch die Zuteilung über eine nicht dargestellte Einwiegemaschine
vorgenommen werden.
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Die Füllschuhe7 und 14 werden gegeneinander versetzt bewegt oder
auf der gleichen Gleitbahn abwechselnd benutzt. Benutzt man zwei Einwiegemaschinen,
so kommt man auch mit nur einem Füllschuh, der von den beiden Einwiegemaschinen
abwechselnd gespeist wird, aus.
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In Fig. 5 fährt nach Rückzug des Füllschuhs 14 der Oberstempel 9
in Preßrichtung 10 in die Matrize 2 ein und verformt das eingefüllte Pulver 15 des
Tränkmetalls und preßt es auf den Preßkörper 11 des Grundmetalls auf. Dabei bewegt
sich die Matrize 2 abwärts in Richtung des Pfeiles 12 wie in Fig.3, entweder durch
die Wandreibung oder durch Zwangssteuerung bewegt. Nach Ablauf dieses Preßvorgangs
sind beide Preßkörper 11 und 17 vereinigt und auf die erforderliche Preßdichte gebracht.
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In Fig. 6 wird der Zwischenschichtenformkörper 11, 17 zwischen Oberstempel
9 und Unterstempel 3 gehalten, ohne daß ein Druck durch den Oberstempel 9 auf ihm
ruht. Die Matrize bewegt sich nach dem Abzugsverfahren in Richtung des Pfeiles 12
abwärts, bis die Oberfläche 18 des Unterstempels 3 mit der Matrizenoberfläche 16
eine Ebene bildet. Dann wird der Oberstempel 9 ganz zurückgezogen und der Preßkörper
11, 17 entnommen oder abgeschoben.
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Wird er abgeschoben, so ist dies der Beginn des vollautomatisch eingeleiteten
neuen Arbeitstaktes.
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Die in Fig.2 beschriebene Füllraumerweiterung braucht natürlich nicht
an dieser Stelle zu geschehen.
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Sie kann auch im Anschluß an die Arbeitsphase von Fig.3 ablaufen,
indem die Matrize 2 nach Abbau des Preßdrucks bei dem auf dem Preßkörper 11 ruhenden
Oberstempel 9 so entgegen der Richtung des Pfeiles 12 verfahren wird, bis der Raum
über dem Preßkörperll, der von der Matrize 2 umschlossen wird, genau dem- benötigten
Füllvolumen 13' entspricht.
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Die Preßdrücke, die im Arbeitsspiel in F i g. 3 und 5 über den Oberstempel
9 aufgebracht sind und die durch die Relativbewegung des Unterstempels 3 doppelseitig
zur Auswirkung kommen, können bei der Verdichtung der Pulver 11 und 17 gleich oder
unterschiedlich sein. Sie können bei einer hydraulisch wirkenden Presse genau der
Verformbarkeit der unterschiedlichen Pulver angepaßt werden, - so daß sowohl die
notwendige Durchpressung als auch die Planheit der Berührungsflächen beider Preßkörper
und die notwendige Haftung der Berührungsfläche gewährleistet sind.
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Sollte es aus verfahrenstechnischen Gründen wünschenswert sein, zuerst
das Tränkmetall einzufüllen und zu verdichten und dann das Grundmetall aufzupressen,
so ist dies bei gleichem Arbeitsablauf der Maschine ohne weiteres möglich, da nur
die Einstellung der Füllräume und Drücke entsprechend vorgenommen werden muß.
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Der von der Presse ausgestoßene Zweischichtenformkörper 11/17 (Fig.
6) wird automatisch in Sinterschalen 19 (F i g. 7 und 9) abgelegt und in ihnen in
den Sinterofen gefahren.
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F i g. 7 entspricht der Auflagetränkung, bei der sich das Tränkmetall
17 oben befindet und beim Aufschmelzen in das Grundmetall 11 einseigert. In Fig.
8 befindet sich das Tränkmetall 17 unten und wird beim Aufschmelzen nach dem Prinzip
der Dochtwirkung in das Grundmetall 11 eingesaugt. Sowohl das eine als auch das
andere Prinzip ist anwendbar.
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Das Ergebnis ist in beiden Fällen gleich. Es entsteht, wie in Fig.
9 dargestellt, das Verbundmetallteil 20, in dem die Poren des Grundmetalls ganz
mit dem eingeseigerten Tränkmetall ausgefüllt sind, wobei das erfindungsgemäße Verfahren
gewährleistet, daß eine Unter- oder Oberschußtränkung vermieden ist, indem ein vollautomatisch
ablaufender Preßprozeß stets die genau richtige Menge Tränkmetall zuteilt und gleichzeitig
dem Grundmetall auf- oder unterlegt.
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Da der Erfolg der Abstimmung des Porenvolumens einerseits und der
Tränkmetallmenge andererseits innerhalb des Verfahrens im wesentlichen von dem richtigen
Ablauf des Pressenarbeitsspiels abhängt, ist in Fig. 10 das Weg-Zeit-Diagramm der
in Fig. 1 bis 6 dargestellten Preßvorgänge für eine Arbeitsweise mit beweglicher
Matrize und feststehendem Unterstempel dargestellt, wie sie beispielsweise auf einer
hydraulischen Metallpulverpresse abläuft.
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Der Linienzug 21 gilt für die Bewegungen des Oberkolbens, der Linienzug
22 für die des Unterkolbens der hydraulischen Presse. Sie verlaufen in der Maschine
in vertikaler Richtung. Die Linienzüge 23 und 24 gelten für die Antriebsbewegungen
beider Füllschuhe. Sie verlaufen in horizontaler Richtung.
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Der Oberkolben der Presse, dessen Bewegungen in Linienzug 21 dargestellt
ist, bewegt den Oberstempel 9 in F i g. 3 bis 6 und gibt somit dessen Bewegungen
wieder. Der Unterkolben, dessen Bewegungen
der Linienzug 22 anzeigt,
bewegt die Matrize 2 in F i g. 2 bis 6 und gibt deren Bewegungen wieder.
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Der Linienzug 23 stellt den Antrieb der horizontalen Hin- und Herbewegung
des ersten Füllschuhs 7 entsprechend Pfeil 6 in F i g. 1 und der Linienzug 24 die
gleiche Bewegung des Füllschuhs 14 in F i g. 4 dar.
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Die senkrechten Linien im Diagramm stellen jeweils den Beginn einer
neuen Arbeitsphase dar, sie bedeuten im einzelnen: 25 Einfüllen des Grundmetallpulvers
4 mit Auffahren der Matrize 2 in die Füllstellung zum Einsaugen des Pulvers.
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26 Erweitern des Füllraums 1 auf das Volumen des später erforderlichen
Füllraums 13.
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27 Verpressen des Grundmetalls 4 zum Preßkörper 11, wobei die Matrize
2 um einen Teil des Verdichtungsweges abwärts bewegt wird.
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28 Ausfahren des Oberstempels 9 und Einfüllen des Tränkmetallpulvers
15 in den Füllraum 13.
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29 Aufpressen des Metallpulvers 15 auf den Preßkörper 11 und Vereinigung
zum Zweischichtenformkörper 11/17.
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30 Abziehen der Matrize.
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31 Beginn des neuen Arbeitsspiels mit Hochfahren des Oberkolbens
zum Anheben des Stempels 9, Abschieben des Preßlings 11/17 beim Vorlaufen des Füllschuhs
7 und nachfolgendem Einfüllvorgang, wie zwischen Linie 25 und 26 zu sehen.
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Es ist je nach Ausrüstung der Presse auch möglich, die Matrize fest
einzubauen und alle notwendigen Bewegungen über Ober- und Unterstempel durchzuführen.
Es ist auch möglich, statt der hydraulisch universell steuerbaren Pressen, solche
mechanicher Bauart einzusetzen. Es ist nur erforderlich, daß die Bewegungsabläufe
so gewählt werden, daß vor dem Einfüllen des zweiten Metallpulvers, das erste so
vorverdichtet ist, daß es beim Aufpressen des zweiten Metallpulvers nicht mehr verformt
wird.
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Außerdem muß die Einstellung eines entsprechenden Füllvolumens für
die zweite Pulverkomponente in Abhängigkeit von der ersten vor oder nach der Erstverdichtung
gewährleistet sein. Weiterhin müssen die Preßdrücke für beide Schichten so einstellbar
sein, daß außer der erforderlichen Durchpressung der einzelnen Schichten auch die
ebene Ausbildung der Berührungsfläche beider Schichten mit ausreichender Haftung
gewährleistet ist.
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Es ist, wie schon erläutert, in Erweiterung des Verfahrens möglich,
die Volumendosierung durch eine Gewichtsdosierung über entsprechende mit der Steuerung
der Presse verbundene Einwiegemaschinen zu ersetzen, die jeweils die erforderliche
Pulvermenge über geeignete Wiegeeinrichtungen den Füllräumen im richtigen Moment
zumessen, indem die Bewegungsabläufe elektrisch miteinander gekoppelt werden.
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Durch die exakte Festlegung der Volumen einerseits und der Gewichte
andererseits und durch die rationelle Zusammenfassung aller das richtige Mengenverhältnis
bestimmenden Arbeitsgänge auf einer Maschine ist eine Genauigkeit in der Abstimmung
von Grund- und Tränkmetall gegeben, wie sie bisher noch von keinem bekannten Verfahren
erzielt werden konnte. Das Verfahren ist nicht nur auf einfache Preßteile beschränkt,
wie sie im Beispiel gewählt wurden. Es ist auch möglich, mit geteilten
Stempeln und
unterschiedlichen Füllräumen zu arbeiten, wie dies komplizierte Preßteile erfordern.
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Für das Tränkmetall sind dabei keine besonders unterteilten Preßstempel
und Füllräume erforderlich.
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Es kann auch in unterschiedlicher Dicke über der Berührungsfläche
aufgepreßt sein, falls diese mehrere Ebenen aufweisen sollten. Es ist auch möglich,
daß die obere Preßfläche des aufgepreßten Tränkmetalls den Ebenen des Grundmetalls
an der Berührungsfläche angepaßt ist, wie es sich bei ungeteilten profilierten Stempeln
ergibt. Es ist nur erforderlich, daß Poren- und Tränkmetall-Volumen genau übereinstimmen.
Die entsprechende gleichmäßige Verteilung des Tränkmetalls wird durch die kapillare
Saugwirkung des Grundmetalls gewährleistet.
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Da Tränkmetalle, insbesondere solche, die nur zur Auffüllung des
Restporengehaltes dienen, nur geringe Volumen und damit kleine Füllhöhen erfordern,
ist die Füllhöhe auch bei vorhandenen Preßwerkzeugen nach Verdichtung des Grundmetalls
immer gegeben.
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Daher erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keine besonderen oder
neuen Werkzeuge, ist auf schon gefertigte Teile anwendbar und verbessert deren Qualität
und Herstellungsweise erheblich.