DE3440839A1 - Verfahren zur darstellung und die zusammensetzung von sialon-korn und -pulver - Google Patents
Verfahren zur darstellung und die zusammensetzung von sialon-korn und -pulverInfo
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Description
aufgrund ihrer hohen versinterten Dichte und ihres
1·:, -Mas.-.enwiderstiindes, kann Sialon-Keramik in vielen
Feuerschutz- und anderen technischen Anwendungen ' ;
zum Einsatz kommen. Der Begriff Sialon ist ein Akronym für eine Phase, welche die Elemente Silizium,
Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff enthält..
Sialon kann auch als eine feste Lösung von Aluminiumoxyd in Siliziumnitrid beschrieben werden. Eine beträchtliche
Menge einer Festlösung erzeugt eine erkennbare Phase, die ß' Sialon genannt wird. Diese
Phase kann bis zu 6O°/o Aluminiumoxyd in Festlösung
enthalten. Mengen größer als 60°/° scheiden ab und
treten als freies Aluminiumoxyd auf. Zahlreiche andere Sialon-Phasen treten in dem Sialon-System auf,
abhängig von den relativen Mengenverhältnissen der Ausgangsmaterialien und den AIN- oder Sauerstoffmen-
?5 gen während der Bildung- des Sialons.
Die meisten bekannten Verfahren zum'Herstellen von
Sialon verwenden teure Ausgangsmaterialien, wie etwa Siliziumnitrid und/oder Aluminiumnitrid. Nur wenige
Wissenschaftler haben kostgünstigere Mittel zur Her- ?,Q stellung von Diaion hohen Reinheitsgrades untersucht.
Das US-Patent 4.243.621 lehrt ein Verfahren zum Darstellen von Sialon durch Vermischen zweier Metalle
(Si + Al) mit einem Oxyd, die zusammen ein "Formstück bilden, und Brennen dieses Formstückes in
einer stickstoffhaltigen Atmosphäre.US-Patent
4.'184.884 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Sialon unter Verwendung von Silizium, Aluminiumoxyd
und Aluminium oder Aluminiumnitrid.
Die Nachteile der bekannten Verfahren bestehen in aer Verwendung der teuren Ausgangsmaterialien, der
Verwendung metallischer Aluminiums, die einer strengen Einschränkung aufgrund der Explosionsneigung des
Aluminiums unterliegt, sowie der Verwendung von Aluminiumnitrid·, das nicht nur teuer ist, sondern auch
dazu neigt, mit Feuchtigkeit zu reagieren. Versuche, kommerzielle Mengen von Sialon auf der Basis der bekannten
Verfahren herzustellen, wurden untragbar teuür sein. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung,
ein Verehren zum Darstellen von Sialon hohen Reinheitsgrades zu relativ geringen Kosten zu schaffen.
Das erfindungsgemäße Verfahren löst die verstehende
Aufgabe dadurch, daß nitridgebundenes, keramisches Korn in den folgenden Verfahrensschritten hergestellt
wird: Mischen einer Zusammensetzung im wesentlichen Mus 62 bis 90$ feinstgemahlenem Siliziumpulver und
aus etwa 10 bis 38$ feinkörnigem Aluminiumoxydpulver
(Prozentangaben jeweils Gewichtsprozente), Kugelmahlung der Zusammensetzung zum gründlichen Verteilen
des Silizium - und Aluminiumpulvers); Brikettierung der Mischung zu einem relativ dichten
Feinkorn; Brennen des Feinkorns bei hoher Tempera-
tür in einer nitrierenden Atmosphäre zum Bilden der Nitridbindung.
'./eiternin Wird ein nitridgebundenes Keramikkorn,
welches das obengenannte Ziel erreicht, aus einem T» Geraenge aus 62 bis 90?S f einstgemahlenem Siliziumpulver
und etwa 10 bis 38 °ß> feinkörnigem Aluminiumoxydpulver
(Prozentangaben jeweils Gewichtsprozente) hergestellt.
Die vorliegende Erfindung schafft.ein Verfahren ' . zum Herstellen von Sialon aus relativ billigem
Ausgangsraaterialien und aus Materialien, die relativ leicht in einem Produktionsmilieu' zu handhaben sind.
Die Erfindung betrifft auch eine Sialonkorn-Zusammensetzung
mit obengenannten Attributen. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform des Verfahrens werden Silizium-
und Aluminiumoxydpulver in einem Verhältnis von ungefähr 70:30 Gewichtsprozenten vermengt und mit einem
temporären organischen Binder, wie etwa Methanol oder Hydroxyäthylcellulose, vermischt. Die Mischung
wird dann durch Brikettierung verdichtet um einen Preßling zu formen. Die Preßlinge werden getrocknet
und dann bis etwa 126O0C in stickstoffhaltiger Atmosphäre
gebrannt, bis alles Metall nitriert ist. Die Preßlinge werden dann einer Hochtemperaturbehändlung
überhalb des Schmelzpunktes von Silizium ausgesetzt, um das Lösen des Aluminiumoxyds im Siliziumnitrid
zu ermöglichen. Da die Kinetik von völlig festen Lösungen träge ist, erscheint die Tendenz zu
geringeren Mengen von freiem Aluminiumoxyd in den Sialon-Preßling unvermeidbar, Es ist die Absicht der
vorliegenden Erfindung, den Gehalt freien Aluminium-
Jf-
::■■! I ο ι
.-^' ox-yds im Sialon-Preßling auf einem Minimum zu halten,
bei Brenntemperaturen unter 165O°C.
~ Dies ist eine praktische Möglichkeit, den Gehalt
freien .Aluminiumoxyds auf einem Minimum zu halten,
indem Aluminiumoxyd zu der Mischung in Mengen hinzugefügt wird, die weniger als 60$ Pestlösung
hervorbringen.
Anstatt die Mischung zu brikettieren, kann sie zu einer dichten Platte oder Tafel gepreßt werden.
dienes Vorgehen bringt eine einheitliche Nitrierungsreaktion
hervor, da die Platten in einem Nitrierofen so plaziert werden können, daß das strömende Stickstoffgas
um alle Plattenflächen im selben Maße verfügbar ist.
Das iiiliziumpulver für den Herstellungsprozeß von
Sialon sollte von relativ hohem Reinheitsgrad und von einer Korngröße kleiner als 0,044 mm lichter
Maschenweite (nach Tyler) sein. Das in Tabelle I aufgeführte Siliziumpulver ist von annehmbarer
Qualität. Es ist wichtig, daß der Kalkanteil in den Ausgangsmaterialien auf einem Minimum gehalten
wird, da Kalk bekanntermaßen der Feuerfestigkeit von Sie.lon abträglich ist. Das Aluminiumoxyd im Herstellungsprozeß
von Sialon sollte reaktionsfreudig
25 sein ((Tabelle I). "
"Im Bemühen, Verunreinigungen zu verringern, sollte das zur Verdichtung des Pulvers benutzte Bindemittel
einen sehr niedrigen Aschanteil aufweisen.
Urr. zur Einheitlichkeit beizutragen, sollte das Pulver
bei 121 G für mindestens 8 Stunden getrocknet werden.
Beispiel I
Feinrstgernahlenes Silizium (45,1 Gew.^), Alcoa's
, A - 15 SG -rtluminiumoxyd (54,9 öew.Jo) und metallisches
Eisen (nach Tyler-Siebtabelle max. 0,044 mm lichte
Laschenweite). (0,23 Gew.%) wurden in einem Mischer vermengt und mit 12>& einer 35^igen Hydroxyäthylcellulosenlösung
vermischt„ Preßlinge wurden durch Ein-bringen
der Mischung in eine Brikettierungsanlage bei - einem Druck von 141 kg/cm" erzeugt. Die Preßlinge
hatten im frischen Zustand eine Dichte von 2,13 g/cm .
Sie wurden getrocknet und dann unter strömenden Stickstoff
nach Programm A (Tabelle II) erhitzt. Die Dichte nach Nitrierung lag bei 2,43 g/cm , die scheinbare
Porosität bei 26,99», 'der Stickstoffgehalt bei 21# und
die Röntgenstrahlungs-Beugungsanalyse zeigte die Hauptphasen rC Si^ N. oder ^3 Si- N. Sialon; Korund mit Si2
ONp als Extra-Phase.
Eine Schliffbildantensuchung der nitrierten Preßlinge
legte die schlechte Verteilung des Aluminiumoxyds
20 offen.
Um die Menge des nicht reagierten Aluminiumoxyds im Preßling zu vermindern, wurde weniger Tonerde für die
Ausgangsmischung verwendet. Bekanntermaßen ist es bei Temperaturen unter 165O0C schwierig, eine völlige
Pestlb'sung feiner Pulver zu erhalten, aufgrund von Verdichtungsschwierigkeiten. Daher wurde der Bereich
der Pestlösung von weniger als 0,67$ Si, N>
: 0,33 Tonerde (62 Gew. % Silicium : 30 Gew.^ Tonerde) untersucht.
Peinstgemahlenes Silizium und Alcan's
C-71 FG Tonerde (71,4 : 28,6 Gew.?o wurde für zwei
Stunden Kugelgemahlen, mit den Zusätzen von 0,36$
Eisenpulver (0,044 mm lichte Maschenweite max-. ).- und 0,24 ί° Methocel. Nach der Kugelmahlung wurde die
Mischung mit 12$ Wasser für 15 Minuten versetzt,
— ■ p
dann brikettiert mit 141 kg/cm . Die*Preßlinge wiesen
ein frischen Zustand eine Dichte von 1,89 g/cm auf. Die Nitrierhärtung wurde nach Programm A vorgenommen.
Nach der Nitrierhärtung wiesen die Preßlinge eine Gewichtszunahme von 45$, eine Dichte von 2,45
g/cm , eine scheinbare Porosität von 21,2% un einen Stickstoffgehalt von 29/^ auf. Die Röntgenstrahlungs-Beugungsanalyse
brachte sowohl o<. Si, N- als auch jß
3i, N. - oder Sialon als Hauptphasen zum Vorschein.
15 oiliziumoxynitrid und Korund waren als-schwache
Reflexionen vorhanden. Eine Gruppe derselben Preßlinge wurde nach Programm B nitriert. Die höhere Brenntemperatur
hatte nur einen geringfügigen Effekt auf die Festigkeitseigenschaften, jedoch einen sigrifikanten
Effekt auf den Phasenaufbau. Hier war ß Si,
N. oder Sialon die einzige Hauptphase. Sehr schwache
Reflexionen von o£ Si, N., Si2 ONp und Korund wurden
detektiert. Diese Preßlinge wurden jedoch geglättet und einige wiesen Siliziumknollen auf ihren Oberflächen
auf. ·
,Beispiel III
Es wurde eine Mischung wie in Beispiel II beschrieben
angesetzt, jedoch ohne Eisenzusatz. Die Nitrierhärtung wurde nach Programm A durchgeführt. Es wurden
keine signifikanten Unterschiede im Stickstoffgehalt
oder.anderen Eigenschaften des gebrannten Pro-
dukts im Vergleich-zu-den Preßlingen mit dem Eisenzusatz
gefunden. Preßlinge ohne Eisenzusatz wurden auch nach Programm B gebrannt. Brennen bei diesen
, höheren Temperaturen resultierte in schlech'ten Eigenuchaften.
Wie vorher, wurden die Preßlinge geglättet und Siliziumknollen.auf den Oberflächen kamen vor.
Die Preßlinge hatten eine Richte von 2,4 g/cm und eine
scheinbare Porosität von 23»8$. Preßlinge wurden
auch nach Programm G befeuert. Bei dieser niedrigeren Temperatur hatten die Preßlinge eine Dichte von 2,56
g/cm"' und eine scheinbare Porosität, von 18,9$·
Programm C erzeugte Preßlinge mit weniger <^-" Si- N..
Ein feinkörnigeres Aluminiumoxyd als jenes, welches in den Beispielen I, II und III verwendet wurde,
wurue im Bemühen, den Anteil von Sialon weiter zu erhöhen, untersucht. Einstgemahlenes Silizium und
Alcoa's A-16 SG wurden im Verhältnis 71,4 : 28,6 Gew.?»
vermengt. Zusätze von O,36'/o Eisen (max. 0,044 mm lichte
Maschenweite) und 0,24$ Methoal w'urden der Mischung
zugefügt. Anstelle des Kugelmahlens wurden die Pulver einfach für 45 Minuten trockengemischt, nach
einer Zugabe von 12?i Wasser. Nach einer Brikettierung
bei 141 kg/cm waren in gebrochenen Teilen deutlich
25 Tonerde-Agglomenate sichtbar.
Dies zeigte an, daß Kugelmahlung der Pulver ein notwendiger Schritt ist, um die Verteilung der Pulver
sicherzustellen. Preßlinge dieser Zusammensetzung und nach Kugelmahlung und Brikettierung hatten eine
■7Q Dichte von 1,92 g/cm . Nch der iiitrierhärtung nach
Programm C wiesen die Preßlinge eine Gewichtszunahme
- " von 43$, eine Dichte von 2,72 g/cm , eine scheinbare
Porosität von 12,2$ und einen Stickstoffgehalt von 32 $ auf. Dies stellte eine signifikante Verbesserung
gegenüber der Mischung aus Beispiel III mit der grobkörnigeren Tonerde und Brennen nach
Programm C dar. Diese Daten legten nahe, daß das feinkörnigere Alcoa's A - 16 SG Aluminiumoxyd reaktionsfreudiger
ist und das Sintern erleichtert. Eine Mikroprobenuntersuchung des nitrierten Preßlings
brachte nur wenig freies Aluminiumoxyd zutage.
Es wbr jedoch gleichmäßig in den nitrierten-Phasen
verteilt.
Um den Effekt der Feinkörnigkeit des Tonerdenzusatzes
weiter zu untersuchen, wurde extrem feinkörniges Aluminiumoxyd verwendet. Einstgemahlenes Silizium
und Alcoa'a A- 16 SG- ^lurniniumoxyd (71,4 : 28,6
Gew. L/<) wurden für zwei Stunden Kugelgemahlen mit
0,24$ Hethoal. Weiteres Mischen erfolgte für 45
Hinuten noch Zugabe von 12$ V/asser. Nach Brikettierung
2
mit 141 kg/cm , wiesen die Preßlinge eine akzeptable Dichte von 1,92 g/cm auf. Nach Nitrierhärtung nach Programm C hatten die Preßlinge eine Dichte von 2,56 g/cnr und eine scheinbare Porosität von 16,9$. Der Grund für eine -Uichteabnahme in dieser Mischung und nfächfolgender Mischungen mit feinkörnigerem Aluminiumoxyd wurde nicht ganz verstanden.
mit 141 kg/cm , wiesen die Preßlinge eine akzeptable Dichte von 1,92 g/cm auf. Nach Nitrierhärtung nach Programm C hatten die Preßlinge eine Dichte von 2,56 g/cnr und eine scheinbare Porosität von 16,9$. Der Grund für eine -Uichteabnahme in dieser Mischung und nfächfolgender Mischungen mit feinkörnigerem Aluminiumoxyd wurde nicht ganz verstanden.
Die Verwendung von anderen Nitrierhartungshilfen als
Eisen wurde untersucht. Es wurde angenommen, daß im
Falle einer früheren Beendigung der Nitrierhärtung
mittels eines Hilfsmittels mehr Zeit für das Lösen des Aluminiumoxyds in Siliziumnitrid zur Verfugung
stehen würde, ohne dasJBrennprograram zu verlängern.
Zunächst wurde' die Zugabe von vorgeformten Siliziumnitrid-"Kernen"
untersucht. Peinstgemahlenes Silizium und Alcoa's A-16 SG Aluminiumoxyd (71,4 : 28,6 Gew.#)
wurden Kugelgemahlen mit einem Zusatz von 1 Gew.$ GTE Siliziumnitrid (o,o44 mm max. lichte Maschenweite)
.10 " und 0,24 Gew. <■/<
> Methoal. Mischen, Pressen und Nitrierhärten erfolgten wie im Pbeispiel V. ' '.
Ek wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen
, -■ den gebrannten Preßlingen und den normal hergestellten
Preßlingen ohne "Kerne" beobachtet. Es wurde eine andere Mischung in derselben Art und Weise vorbereitet,
jedoch mit einer Zugabe von 0,5 Gew. 5» Kalziumfluorid.
Diese Zugabe hatte keinen Effekt auf die Gewichtszunahme, Dichte, Stickstoffgehalt und Phasenaufbau,
bewirkte jedoch eine merkliche Änderung der Porosität und des spezifischen Gewichtes. Mit der
. 1/2 zeigen Zugabe von Kalziumfluor id fiel die scheinbare
Porosität von 17»3 auf 14,2 c/o und das scheinbare
spezifische Gewicht von 3,09 auf 2,99. Eine andere Mischung mit einer Zugabe von 0,5 Gew.%
iiluminiumfluorid wurde ebenfalls untersucht. Diese
Zugabe schien einen ähnlichen Effekt zu haben. Das :.3.renn-Programm C erscheint verteilhaft zum Nitrierhärten
kleiner Mengen von Si/Alp 0, Preßlingen.
Es wird darauf verwiesen, daß Änderungen im Programm C zum Nitrierhiirten kommerzieller Mengen aufgrund der
exothermiflchen Natur der Siliziumnitrierung notwendig
sein können.
- 10 -
Material:
Chemische Analyse und Korngrößenverteilung der Ausgangsmaterialien
feinstgemahlenes Reaktionsfreudiges Reaktionsfreudiges gebranntes,
Silizium Aluminiumoxyd Aluminiumoxyd reactionsträges
Aluminiumoxyd
Lieferant
Chemische Analyse (Calcined Basis)
Globe Metallurgical Co.
Alcoa
A-15SG
A-15SG
Alcoa
A-16SG
A-16SG
0.04°/»
Alcon ■C-71PG
'Al2O3 | als Il It Il |
0.67fr | 100 95 IC 51 |
___ | — —— | I | 0.02 | * | 99.98 | .. —— |
: TiO2 | 0.03 | o.O1 [χ | 100.007<> | 0.01 | ||||||
Pe2O3 | 0.36 | OD 2 | 0.05 | 0.04 | ||||||
; CaO | 0.10 | 0.01 | 0.08 | 100 10Ü 1... 0 3ö |
0.02; i |
|||||
MgO | 0.02 | 0.02 | 0,20 | 0.02 | ||||||
Na0O | _—_ | 0.08 | 0.19 | |||||||
C. Gesamtanalyse |
1.10 | 0.17 | Ο..3Ο ι" , |
|||||||
Differenz | ||||||||||
SiO2 | 99.82 | |||||||||
Al0O, | __— | 99.70 | ||||||||
100.00'/O | 100.00^ | 100. oO/i | ||||||||
40.0 mikron 20.0 " 10.:': 5.0 |
100 100 93 |
100 99 94 5·;· |
||||||||
Gesamt Korngrößenver- eilung |
||||||||||
Röntgenstrahlung | ||||||||||
fo Partikel kleiner fo " » 11 ti Il Il J |
||||||||||
ti r, Γ " 7Γ|
V)
1.0
I C
Tabelle II Nitrierhiirtungs - Programme Propramm A
Raumtemperatur -..12-6O0C mit 380C /Std.
3 Stunden auf 126O0C halten " 1260 -_13JL6°C_mit 1O°C /Std.
8 Stunden auf 1316°C halten *
1316 - 1371°C mit 100C /Std.
8 Std. auf 1371°C halten
1371- 1427°C mit 10°C/Std.
10 4 Std. auf 14270C halten ' " ;
Programm B
wie oben und zusätzlich: 1427 - 15930C mit 100C /Std.
2 Std. auf 15930C halten
Programm C
Raumtemperatur - 126O°C mit 38°C/Std
3 Stunden auf 126O0C halten 1260·- 13160C mit 10°C/Std.
8 Stunden auf 13160C halten 1316-13710C mit 10°C/Std.
8 Stunden auf 1371°C halten
1371 - 13990C mit 10°C/Std.
8 stunden yuf 1399°C halten 1399-15380C mit 10°C/Std.
10 Stunden auf 1538°C halten.
Alle Brennvorgänge wurden unter strömenden Stickstoff vorgenommen.
- 12 -
,^ Vorangegangene Tests haben gezeigt, da!3 wenigstens
10"Gewichtsprozente Aluminiumoxydpulver nötig aind,
~~ um-die gewünschten Eigenschaften des Sialon-Korns
zu erhalten. In Übereinstimmung mit dem bisher beschriebenen
kann Sialonkorn nun aus relativ "billigen, leicht verfügbaren Materialien hergestellt werden.
Zudem können die Materialien sicher und einfach im
Produktionsmilieu gahandhabt werden.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben und dargestellt wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt und kann im Rahmender
Patentansprüche auch anderweitig ausgeführt werden,
Claims (7)
1. Verfahren zum Herstellen von nitridgetmndenem
Keramikkorn, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
a) Mischen einer aus 62-90 Gewichts^ feinstgemahlenem
Siliziumpulver und etwa 10-38 Gew.# feinkörnigem
Aluminiuraoxydpulver bestehenden Zusammensetzung,
b) Kugelmahlen der Mischung zum gründlichen Verteilen des Silizium- und Aluminiumpulvers,
c) Pressen der Mischung zur Erhöhung ihrer Dichte, " ■ ·
d) Brennen der Mischung bei erhöhter Temperatur in einer nitrierenden Atmosphäre zum Bilden
der Nitridbindung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch den zusätzlichen Verfahrensschritt der Zugabe etwa 0,5 Gew.$ eines Zusatzmittels
aus der Gruppe Kalziumfluorid und AIu-
10 miniurafluorid zu der Mischung.
3. Verfahren nach Anpruch 1,dadurch gekennzeichnet,
daß das feinkörnige Aluminiumoxydpulver im wesentlichen eine Körnung
zwischen weniger als einem und fünf Mikron auf-
15 . weist.
4. Nitridgebundenes Keramikkorn, dadurch
gekennzeichnet, daß es aus einer Mischung aus 62 - 90 Gew. fo feinstgemahlenem
Siliziumpulver und etwa 10-38 Gew.i* feinkörnigem
2o Aluminiumpulver darstellbar ist.
5. Keramikkorn risen Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mischung 0.5 Gew. °/o eines Zusatzmittels aus der Gruppe Kalziumfluor
id und Aluminiumfluorid enthält.
pe
6. Keramikkorn nach Anspruch 5» da durch gekennzeichnet,
daß das feinkörnige Aluminiumoxydpulver im wesentlichen eine Körnung zwischen weniger als einem und fünf Mikron aufweist.
τ 3 -
7. Keramikkorn nach Anspruch 5» ken η ζ
dadurch daß das Silizium-
gekennze ic'hnet,
pulver 70 - 75 Gew.'/ό und das Aluminiuraoxydpulver
etwa 25 bis 30 Gew. ρ ausmacht.
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CA (1) | CA1221710A (de) |
DE (1) | DE3440839A1 (de) |
GB (1) | GB2151607B (de) |
Cited By (1)
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JP4752458B2 (ja) * | 2005-11-11 | 2011-08-17 | 日産自動車株式会社 | エンジンの回転数測定方法及び回転数測定装置 |
WO2010134831A1 (ru) * | 2009-05-20 | 2010-11-25 | Крено Инвест Са | Технологический комплекс плазменной безотходной переработки твёрдых бытовых отходов с полной утилизацией вторичных продуктов переработки |
CN113336563B (zh) * | 2021-05-21 | 2022-05-20 | 景德镇陶瓷大学 | 一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料及其制备方法和制得的产品 |
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US4184884A (en) * | 1978-10-23 | 1980-01-22 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Interior | Process for producing a metastable precursor powder and for producing sialon from this powder |
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1984
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- 1984-10-03 GB GB08424940A patent/GB2151607B/en not_active Expired
- 1984-11-05 DE DE3440839A patent/DE3440839A1/de not_active Withdrawn
- 1984-11-09 JP JP59236566A patent/JPS60131866A/ja active Pending
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Also Published As
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GB2151607B (en) | 1987-02-18 |
GB2151607A (en) | 1985-07-24 |
GB8424940D0 (en) | 1984-11-07 |
US4500644A (en) | 1985-02-19 |
JPS60131866A (ja) | 1985-07-13 |
CA1221710A (en) | 1987-05-12 |
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