CN103290419A - 齿轮处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了齿轮处理方法,该方法包括:将齿轮进行加热处理;将加热处理后的齿轮进行真空渗碳处理;将经过真空渗碳处理的齿轮进行气淬处理;将经过气淬处理的齿轮进行至少一次高温回火-气淬处理;将经过高温回火-气淬处理的齿轮进行淬火处理;将经过淬火处理的齿轮进行深冷处理;以及将经过深冷处理的齿轮进行低温回火处理。利用该方法可以显著提高齿轮表面硬度(64HRC以上),处理得到的齿轮表层材料不容易脆裂,从而提高了齿轮的耐磨性和接触疲劳强度。
Description
技术领域
本发明涉及领域,具体而言,本发明涉及齿轮处理方法。
背景技术
低碳合金钢是生产齿轮等高速重载零部件的重要材料,它具有优良的塑性和韧性,但存在着硬度不高、耐磨性不强等缺点。目前,随着对性能和工作环境的要求进一步提升,提高大型装备的工作寿命逐渐成为开发利用研究的主要方向。其中提高齿轮耐磨性和接触疲劳强度对高速重载装备的工作寿命意义重大。几十年来人们围绕着如何提高齿轮的耐磨性和接触疲劳强度的问题上做了大量的工作,而解决这一问题的根本原则可归结为两方面:即保证齿面硬度和渗碳层深度的同时保证齿轮心部的强韧性;保证齿轮表面组织晶粒细小,且残余奥氏体含量低,碳化物呈颗粒状且弥散分布,表面含碳量高。
然而,有关提高齿轮齿面硬度的工艺方法还有待进一步改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此,本发明的一个目的在于提出一种能够显著提高齿轮齿面硬度的齿轮处理方法,并且该方法工艺简单、安全性能高、生产效率高且工业上容易实现。
在本发明的一个方面,本发明提出了一种齿轮处理方法。根据本发明的实施例,该方法包括:将齿轮进行加热处理;将加热处理后的齿轮进行真空渗碳处理;将经过真空渗碳处理的齿轮进行气淬处理;将经过气淬处理的齿轮进行至少一次高温回火-气淬处理;将经过高温回火-气淬处理的齿轮进行淬火处理;将经过淬火处理的齿轮进行深冷处理;以及将经过深冷处理的齿轮进行低温回火处理。
利用上述方法对齿轮进行处理后,齿轮表面残余奥氏体部分转变为马氏体,降低了齿轮表面残余奥氏体的含量,由此使得齿轮表面硬度得到提高,且心部仍保持良好的强韧性,从而可以进一步提高齿轮的耐磨性和抗疲劳强度,使其适用于高速重载的工作坏境。
另外,根据本发明上述实施例的还可以具有如下附加的技术特征:
根据本发明的实施例,所述齿轮为低碳合金钢齿轮。
根据本发明的实施例,所述加热处理是在真空设备中加热至960摄氏度且保温30分钟而完成。由此可以进一步提高加热效率。
根据本发明的实施例,所述真空渗碳处理为气体脉冲式真空渗碳处理。由此可以进一步提高渗碳效率。
根据本发明的实施例,所述真空渗碳处理采用的渗碳气体为乙炔,冷却气体为高纯氮气。乙炔和高纯氮气的置换时间在5s内完成。由此可以进一步提高渗碳效率。
根据本发明的实施例,所述真空渗碳处理为气体脉冲式真空渗碳处理,其中,所述真空渗碳处理采用的渗碳气体为乙炔,冷却气体为高纯氮气。乙炔和高纯氮气的置换时间在5s内完成。由此可以进一步提高渗碳效率。
根据本发明的实施例,所述气淬处理是采用压力为10bar的氮气将所述齿轮以180~190摄氏度每分钟的降温速度冷却至室温而完成。从而进一步提高齿轮的硬度。
根据本发明的实施例,所述高温回火-气淬处理包括两次高温回火-气淬处理,所述高温回火-气淬处理是通过下列步骤完成的:将室温温度的所述齿轮以40~45摄氏度每分钟的升温速度升温至680摄氏度,且保温5个小时;以及采用压力为1.5bar的氮气将所述齿轮以60~70摄氏度每分钟的降温速度冷却至室温。由此可以使齿轮表面碳化物球化,避免了网状碳化物的形成,从而进一步提高齿轮的硬度。
根据本发明的实施例,所述淬火处理是将室温温度的所述齿轮以40~45摄氏度每分钟的升温速度升温至860摄氏度,且保温1.5个小时;以及采用压力为20bar的氮气将所述齿轮以170~175摄氏度每分钟的降温速度冷却至室温。
根据本发明的实施例,所述深冷处理是将经过所述淬火处理后的所述齿轮降温至-115~-116摄氏度,并保温2小时而完成。由此可以显著减少齿面的残余奥氏体,以便进一步提高齿面的硬度以及耐磨性。
根据本发明的实施例,所述深冷处理是采用液氮-酒精混合液进行的。根据本发明的实施例,其中液氮-酒精混合液中液氮和酒精的体积比为4:1。由此可以进一步提深冷处理的效率。
根据本发明的实施例,所述低温回火处理是将经过所述深冷处理后的所述齿轮升温至160摄氏度,并保温2小时而完成。由此可以消除残余应力,以便进一步提高齿轮的抗疲劳强度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是根据本发明一个实施例的齿轮处理方法的示意图。
图2是根据本发明一个实施例的齿轮处理方法的示意图。
图3是根据本发明一个实施例的齿轮处理方法的示意图。
图4是根据本发明一个实施例的齿轮处理方法的示意图。
图5是根据本发明一个实施例的齿轮处理方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明的一个方面,本发明提出了一种齿轮处理方法。根据本发明的一个实施例,该方法主要包括:将齿轮进行加热处理;将加热处理后的齿轮进行真空渗碳处理;将经过真空渗碳处理的齿轮进行气淬处理;将经过气淬处理的齿轮进行至少一次高温回火-气淬处理;将经过高温回火-气淬处理的齿轮进行淬火处理;将经过淬火处理的齿轮进行深冷处理;以及将经过深冷处理的齿轮进行低温回火处理。
利用上述方法对齿轮进行处理,可以使齿轮表面组织晶粒变细且残余奥氏体含量降低,碳化物呈颗粒状且弥散分布,表面含碳量高,表层材料不容易脆裂。由此使得齿轮表面硬度得到提高,且心部仍保持良好的强韧性,从而可以进一步提高齿轮的耐磨性和耐疲劳强度,使其适用于高速重载的工作坏境。同时上述处理方法无需反复装样、取样,大部分工艺步骤可以在真空设备中进行,安全性能高、成本较低,工业上易于实现,可大批量生产,因此,生产效率能够得到显著提高。
根据本发明的一个实施例,下面参考图5对本发明的齿轮处理方法进行详细描述。
S100:加热处理
根据本发明的一个实施例,待处理的齿轮为低碳合金钢齿轮。由于低碳合金齿轮具有优良的塑性和韧性而多被用于高速重载的工作环境,但该种齿轮的硬度不高,表面耐磨性不强,因此利用本发明的上述方法可以显著提高低碳合金钢齿轮的表面硬度和耐磨性,并且能够使得其心部仍然保持良好的强韧性,进而能够进一步提高低碳合金钢齿轮的综合性能,降低损耗,以便进一步提高大型装备的工作寿命。
根据本发明的具体实施例,首先将齿轮进行加热处理,根据本发明的具体实施例,加热处理可以在真空设备中进行,并将其加热至960摄氏度,且保温30分钟。由此可以便于进一步对齿轮进行真空渗碳处理,以便进一步提高齿轮的表面硬度。
S200:真空渗碳处理
根据本发明的一个实施例,进一步对上述加热处理后的齿轮进行真空渗碳处理,通过采用真空渗碳处理可以显著提高齿轮表面以及内部的含碳量,提高齿轮的硬度。根据本发明的具体实施例,上述真空渗碳处理可以采用气体脉冲式真空渗碳处理,即保持真空炉内压力不变,按照渗碳气-冷却气-渗碳气-冷却气的次序充入炉中,在一个脉冲周期内既进行渗碳又进行扩散的方法。
根据本发明的具体实施例,真空渗碳处理采用的渗碳气体以及冷却气体并不受特别限制,例如可以采用丙烷或者乙炔作为渗碳气。根据本发明的具体示例,渗碳气体可以采用乙炔,冷却气体可以采用高纯氮气。相比之下,乙炔作为渗碳介质有明显优势,在相同的渗碳条件下,输入同样的气体量,乙炔作为渗碳介质时输送到单位工件表面的碳量要比丙烷高得多,表明乙炔具有较高的渗碳效率;另外,在渗碳温度下,乙炔不会发生聚合反应,生成焦油等物质,在低压渗碳的条件下也不产生炭黑。因此,采用乙炔作为渗碳介质可以进一步提高渗碳效率,由此可以进一步提高齿轮的表面硬度以及耐磨性。在真空炉中,乙炔气体分子与齿轮表面发生碰撞,碰撞的分子分解进入表面形成碳化物,同时在低压高温的环境下,金属表面的氧化物会被还原,乙炔分解产生的氢气被认为是还原剂之一。低碳合金钢表面的碳化反应和还原反应加速了渗碳进程。随着渗碳过程的进行,工件表面碳浓度梯度必然加速碳向心部扩散。由此使得低碳合金钢齿轮的表面以及内部形成比较均匀的渗碳层,其含碳量显著增加,使得齿轮的变形性减小,由此经过渗碳处理后的低碳合金钢齿轮的表面硬度及耐磨性得到了显著提高。
根据本发明的具体实施例,上述气体脉冲式真空渗碳处理过程的渗碳时间和扩散时间控制在预定比例,如表1所示。此外,渗碳气体和冷却气体的置换时间在5s内完成。
表1真空渗碳工艺参数
渗碳时间/s(乙炔) | 扩散时间/s(氮气) |
75 | 10 |
70 | 10 |
70 | 75 |
69 | 131 |
61 | 165 |
58 | 200 |
56 | 233 |
54 | 265 |
53 | 297 |
53 | 333 |
52 | 364 |
52 | 400 |
51 | 429 |
51 | 465 |
51 | 499 |
51 | 535 |
0 | 62 |
上述真空渗碳工艺参数是发明人通过多次试验筛选得到,在该工艺条件下,可以最大程度地提高齿轮表面碳浓度以及渗碳层深度,由此采用该条件可以进一步提高渗碳效率,以便进一步提高齿轮的表面硬度以及耐磨性。
根据本发明的具体实施例,上述真空渗碳处理还具有以下的优势:
1、没有晶间氧化,即渗碳时不会因H2O和CO2与钢发生反应而在晶界形成氧化物。
2、真空渗碳工艺能够产生比较均匀的渗碳层。
3、真空炉的特点决定了只有在需要对零件进行渗碳时才耗能,不进行渗碳,可以停炉,减少能耗。
4、对真空渗碳处理后的零件进行测量,可将其变形控制到最小程度。
S300:气淬处理
根据本发明的一个实施例,进一步地对上述经过真空渗碳处理后的齿轮进行气淬处理,以便进一步提高齿轮的表面硬度以及耐磨性。根据本发明的具体实施例,气淬处理是采用压力为10bar的氮气将所述齿轮以180~190摄氏度每分钟的降温速度冷却至室温而完成。由此将渗碳处理后的温度约为960摄氏度的齿轮在5分钟内降温至室温,并保持约15分钟。采用上述气淬的作用主要在于冷却温度,同时采用气淬对齿轮进行处理可以通过改变气体压力和流速来控制冷却速度,由此可以更好地控制淬火强度,以便进一步提高齿轮的表面硬度以及耐磨性。
S400:高温回火-气淬处理
根据本发明的具体实施例,将上述经过气淬处理后的齿轮进行高温回火-气淬处理,使得碳化物球化,防止网状碳化物的形成,因为网状碳化物的脆性大,会降低表面质量,由此可以进一步提高齿轮的表面硬度。
根据本发明的具体实施例,可以对上述齿轮进行多次高温回火-气淬处理,以便进一步提高齿轮的表面硬度以及耐磨性。根据本发明的具体实施例,上述高温回火-气淬处理可以包括两次高温回火-气淬处理。由此可以将保温过程中晶粒会不断长大,晶粒过于粗大,会影响表面强度,因此本发明采用多次进行高温回火-气淬处理可以将回火后的保温时间通过一次气淬处理隔开分段进行,由此可以进一步地防止晶粒过分长大,以便进一步提高齿轮的表面硬度。
根据本发明的一个实施例,上述高温回火-气淬处理具体可以通过下列步骤完成:首先,将降温后的齿轮以40~45摄氏度每分钟的升温速度升温至680摄氏度,且保温5个小时。即在20分钟内将室温的齿轮的升温至680摄氏度并保温5个小时,由此可以使得齿轮内的碳化物适当球化,以便进一步提高齿轮的表面硬度以及耐磨性。
其次,采用压力为1.5bar的氮气将齿轮以60~70摄氏度每分钟的降温速度冷却至室温。由此可以使得温度为680摄氏度的齿轮在10分钟内降温至室温,并保持约15分钟,由此可以使得齿轮内的碳化物适当球化,以便进一步提高齿轮的表面硬度以及耐磨性。
S500:淬火处理
根据本发明的一个实施例,进一步对上述齿轮进行淬火处理,该处理具体可以通过下列步骤完成:将室温温度的齿轮以40~45摄氏度每分钟的升温速度升温至860摄氏度,且保温1.5个小时。以及将齿轮以170~175摄氏度每分钟的降温速度冷却至室温而完成。以便进一步对其进行深冷处理。使用气体淬火的目的在于冷却齿轮温度,其优点在于淬火强度可控性好,其冷却速度可以通过改变气体压力和流速控制,此外该淬火中的降温过程为真空气淬,具有氧化少和变形小等特点。由此可以进一步提高齿轮的表面硬度以及耐磨性。
S600:深冷处理
根据本发明的一个实施例,进一步对上述淬火处理后的齿轮进行深冷处理,该深冷处理是将经过淬火处理后的齿轮降温至-115~-116摄氏度,并保温2小时而完成。根据本发明的具体实施例,深冷处理是采用液氮-酒精混合液进行的。根据本发明的具体实施例,其中液氮-酒精混合液的液氮和酒精的体积比并不受特别限制,根据本发明的具体示例,液氮和酒精的体积比可以为4:1。由此可以进一步提深冷处理的效率,以便进一步提高齿轮的表面硬度以及耐磨性。
通过上述深冷处理可以显著减少齿面的残余奥氏体,使之形成更多的马氏体,以便进一步提高齿面的硬度以及耐磨性。根据本发明的具体实施例,在一定程度上,深冷温度越低,表面的残余奥氏体含量越少,硬度越高。但是深冷处理的温度越低,则会增大残余应力,不便于齿面综合性能的提高。因此,发明人发现,将深冷温度控制在-115~-116摄氏度,既可以使得齿面的硬度得到显著提高,同时产生的残余应力可以通过后续的低温回火处理消除。
S700:低温回火处理
根据本发明的一个实施例,进一步对上述经过深冷处理的齿轮进行低温回火处理,根据本发明的具体实施例,低温回火处理是将经过深冷处理后的低温齿轮升温至160摄氏度,并保温2小时而完成。由此可以有效消除残余应力,以便进一步提高齿轮的表面硬度以及耐磨性。
下面参考具体实施例,对本发明进行描述,需要说明的是,这些实施例仅仅是描述性的,而不以任何方式限制本发明。
实施例1
待处理齿轮:材料为20Cr2Ni4A,成分如表2所示:
表220Cr2Ni4A的成分及含量
处理方法:参考图1,将待处理齿轮放入热处理设备中,将其加热至960℃,保温30min。接着采用气体脉冲方式进行真空渗碳,渗碳-扩散时间参照说明书表1真空渗碳工艺参数。通过第一次气淬(10bar、5min)冷却至室温,在680℃环境下进行5h的高温回火,再经第二次气淬(1.5bar、10min)冷却至室温,在680℃环境下进行第二次高温回火,仍保温5h。接着通过第三次气淬(1.5bar、10min)冷却至室温,并在860℃环境下进行1.5h的淬火。再进行第四次气淬(20bar、5min)将温度冷却到室温。接着,采用液氮-酒精混合液对齿轮进行深冷处理,将温度降至-115.5℃,保温2h,其中,混合液中酒精和液氮的体积比例为4:1。最后,将其加热至160℃,进行2h的低温回火。
结论:经过上述方法处理后,齿轮齿面的硬度达到了64.2HRC,渗碳层深度为0.86mm。
对比例1
参考图2,先将试样加热到960℃,保温半个小时,使温度均匀稳定。接着采用气体脉冲方式进行渗碳,渗碳-扩散时间同实施例1,渗碳气体为乙炔,冷却气体为高纯氮气。在低压渗碳阶段按照乙炔-氮气的顺序依次将气体充入真空炉中,完成一个完整的渗碳-扩散过程。依此循环,并且逐渐延长每个脉冲过程扩散阶段的时间,直至完成渗碳过程。再通过第一次气淬(10bar、7min)冷却温度,在680℃环境下进行1h的高温回火,提高材料的强度。再经第二次气淬(1bar、7min),在850℃环境下进行50min的淬火,提高材料的硬度和韧性。接着进行第三次气淬(10bar、7min)并将温度冷却到-20℃,保温1.5h,降低残余奥氏体含量,进一步提高材料强度。最后,将温度加热至160℃,进行1.5h的低温回火,消除试样的残余应力。至此,本次工艺过程结束。
经过上述方法处理后,齿轮齿面的硬度达到了62.51HRC,渗碳层深度为0.85mm。
对比例2
参考图3,先将试样加热到960℃,保温半个小时,使温度均匀稳定。接着采用气体脉冲方式进行渗碳,渗碳-扩散时间同实施例1,渗碳气体为乙炔,冷却气体为高纯氮气。在低压渗碳阶段按照乙炔-氮气的顺序依次将气体充入真空炉中,完成一个完整的渗碳-扩散过程。依此循环,并且逐渐延长每个脉冲过程扩散阶段的时间,直至完成渗碳过程。再通过第一次气淬(10bar、5min)冷却温度,在680℃环境下进行5h的高温回火,提高材料的强度。再经第二次气淬(1.5bar、10min),在880℃环境下进行40min的淬火,提高材料的硬度和韧性。接着进行第三次气淬(20ar、5min)并将温度冷却到-101.5℃,保温2h,降低残余奥氏体含量,进一步提高材料强度。最后,将温度加热至160℃,进行2h的低温回火,消除试样的残余应力。至此,本次工艺过程结束。
在本次工艺,采用深冷处理(-101.5℃)代替普通冷处理,旨在促使残余奥氏体向马氏体转变,减低残余奥氏体的含量,提高材料强度;另外,增加高温回火时间,旨在提高材料强度。
经过上述方法处理后,齿轮齿面的硬度达到了61.62HRC。
对比例3
参考图4,先将试样加热到960℃,保温半个小时,使温度均匀稳定。接着采用气体脉冲方式进行渗碳,渗碳-扩散时间同实施例1,渗碳气体为乙炔,冷却气体为高纯氮气。在低压渗碳阶段按照乙炔-氮气的顺序依次将气体充入真空炉中,完成一个完整的渗碳-扩散过程。依此循环,并且逐渐延长每个脉冲过程扩散阶段的时间,直至完成渗碳过程。再通过第一次气淬(10bar、5min)冷却温度,在680℃环境下进行5h的高温回火,提高材料的强度。再经第二次气淬(1.5bar、10min),在880℃环境下进行40min的淬火,提高材料的硬度和韧性。接着进行第三次气淬(20ar、5min)并将温度冷却到-101.5℃,保温2h,降低残余奥氏体含量,进一步提高材料强度。最后,将温度加热至160℃,进行2h的低温回火,消除试样的残余应力。至此,本次工艺过程结束。
本次工艺将渗碳段时间增至119min,即最终扩散时间增加16min;旨在使碳化物分布更加均匀。
经过上述方法处理后,齿轮齿面的硬度达到了60.4HRC。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种齿轮处理方法,其特征在于,包括:
将所述齿轮进行加热处理;
将所述加热处理后的所述齿轮进行真空渗碳处理;
将经过所述真空渗碳处理的所述齿轮进行气淬处理;
将经过所述气淬处理的所述齿轮进行至少一次高温回火-气淬处理;
将经过所述高温回火-气淬处理的所述齿轮进行淬火处理;
将经过所述淬火处理的所述齿轮进行深冷处理;以及
将经过所述深冷处理的所述齿轮进行低温回火处理。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述加热处理是在真空设备中加热至960摄氏度且保温30分钟而完成。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述真空渗碳处理为气体脉冲式真空渗碳处理,
其中,
所述真空渗碳处理采用的渗碳气体为乙炔,冷却气体为高纯氮气,
所述气体脉冲式真空渗碳处理中乙炔和高纯氮气的置换在5s内完成。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述气淬处理是采用压力为10bar的氮气将所述齿轮以180~190摄氏度每分钟的降温速度冷却至室温而完成。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述高温回火-气淬处理包括两次高温回火-气淬处理,所述高温回火-气淬处理是通过下列步骤完成的:
将室温温度的所述齿轮以40~45摄氏度每分钟的升温速度升温至680摄氏度,且保温5个小时;以及
采用压力为1.5bar的氮气将所述齿轮以60~70摄氏度每分钟的降温速度冷却至室温。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述淬火处理是通过下列步骤完成的:
将室温温度的所述齿轮以40~45摄氏度每分钟的升温速度升温至860摄氏度,且保温1.5个小时;以及
采用压力为20bar的氮气将所述齿轮以170~175摄氏度每分钟的降温速度冷却至室温。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述深冷处理是将经过所述淬火处理后的所述齿轮降温至-115~-116摄氏度,并保温2小时而完成。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述深冷处理是采用液氮-酒精混合液进行的,
其中,
所述液氮-酒精混合液中液氮和酒精的体积比为4:1。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述低温回火处理是将经过所述深冷处理后的所述齿轮升温至160摄氏度,并保温2小时而完成。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |