DE3734596A1 - Verfahren zum erzeugen von phosphatueberzuegen - Google Patents
Verfahren zum erzeugen von phosphatueberzuegenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von
Phosphatüberzügen auf Oberflächen von kaltgewalztem Stahl,
ein- oder zweiseitig verzinktem Stahl im Tauchen mit einer
Zink, Phosphat, Nitrat und Fluorid enthaltenden
Phosphatierungslösung.
Es ist seit langem bekannt, auf Metalloberflächen
Phosphatüberzüge, die u. a. eine gute Basis für
anschließend aufgebrachten Lack bilden, aufzubringen.
Hierbei spielen insbesondere Zink-Phosphatüberzüge eine
besondere Rolle. Derartige Überzüge können aus
Phosphatierungslösungen mit vergleichsweise hohem
Zinkgehalt erzeugt werden (Normalzink-Technologie). In den
letzten Jahren haben jedoch Phosphatierverfahren, die
Lösungen mit relativ geringen Zinkgehalten einsetzen,
zunehmend an Bedeutung gewonnen (Niedrigzink-Technologie).
Hierbei liegen die Zinkkonzentrationen im allgemeinen im
Bereich von 0,9 bis 1,5 g/l. Mit abnehmendem Zinkgehalt
wird dabei das Verhältnis Phosphophyllit (P)
(Zn2Fe(PO4)2 · 4H2O) zu Hopeit (H)
(Zn3(PO4)2 · 4H2O) bzw. P/P + H höher, was sich auf
eine sehr hohe Lackfilmqualität auswirkt.
Bei der Erzeugung des Phosphatüberzuges ist die
Behandlungstemperatur von wesentlichem Einfluß. Im
allgemeinen werden in Abhängigkeit von der zu behandelnden
Oberfläche und den Anforderungen an die Lackfilmqualität
Temperaturen oberhalb 40°C angewendet. Die Anwendung
niedrigerer Temperaturen kann zu Schwierigkeiten bei der
Erzeugung von Phosphatüberzügen, die den gestellten
Anforderungen gerecht werden sollen, führen.
Beispielsweise können Überzüge entstehen, die ein zu
geringes Schichtgewicht besitzen, nicht deckend sind,
grobe Kristalle aufweisen und/oder zum Gelbrost tendieren.
Zwar lassen sich die bei niedrigen Phosphatiertemperturen
auftretenden Probleme im gewissen Ausmaß durch Erhöhung
des Zinkgehaltes kompensieren, jedoch werden dann nicht
die an sich angestrebten phosphophyllitreichen
Phosphatüberzüge mit ihren günstigen Auswirkungen auf die
Lackfilmqualität erzielt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung
von Phosphatüberzügen auf Oberflächen von kaltgewalztem
Stahl, ein- oder zweiseitig verzinktem Stahl
bereitzustellen, das die Anwendung möglichst niedriger
Arbeitstemperaturen gestattet und dennoch zu
Phosphatüberzügen von hoher Qualität, insbesondere
hinsichtlich Aussehen des Phosphatüberzuges,
Schichtgewicht, Kristallgröße und Phosphophyllitanteil
führen sowie - nach der Lackierung - hohen
Korrosionswiderstand und hohe Lackhaftung vermitteln. Die
Phosphatüberzüge sollen mithin im wesentlichen die gleiche
Qualität aufweisen wie die, die bei höheren Temperaturen
erzeugt werden.
Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der eingangs
genannten Art entsprechend der Erfindung derart
ausgestattet wird, daß man die Oberflächen in eine
Phosphatierungslösung einer Temperatur im Bereich von 15
bis 39°C taucht, die
10 bis 20 g/l Phosphat (ber. als PO4)
1,5 bis 2,5 g/l Zink (ber. als Zn)
5 bis 15 g/l Nitrat (ber. als NO3)
0,5 bis 1,5 g/l Fluorid (ber. als F)
0,5 bis 1,5 g/l Nickel (ber. als Ni)
2 bis 20 mg/l Eisen III (ber. als Fe)
160 bis 300 mg/l Nitrit (ber. als NO2)
1,5 bis 2,5 g/l Zink (ber. als Zn)
5 bis 15 g/l Nitrat (ber. als NO3)
0,5 bis 1,5 g/l Fluorid (ber. als F)
0,5 bis 1,5 g/l Nickel (ber. als Ni)
2 bis 20 mg/l Eisen III (ber. als Fe)
160 bis 300 mg/l Nitrit (ber. als NO2)
enthält und in der das Gewichtsverhältnis von Zn : PO4
auf (0,08 bis 0,21) : 1 und der Gehalt an freier Säure
(FS) auf einen durch die untere Grenzkurve
FS = 0,2 · Zn - 0,4 und die obere Grenzkurve
FS = 0,4 · Zn - 0,5 festgelegten Wert eingestellt ist.
Das durch die Grenzkurven und die zulässigen Zinkgehalte
festgelegte Trapez ist in der Figur wiedergegeben.
Bevor die Metalloberflächen dem erfindungsgemäßen
Phosphatierverfahren unterworfen werden, werden sie wie
üblich gereinigt und aktiviert. Zur Aktivierung dienen
wäßrige Phosphatlösungen, die eine kolloidale
Titanverbindung enthalten.
Die Bedeutung der Konzentrationsgrenzen für die
Bestandteile der Phosphatierungslösung ergibt sich aus
folgendem.
Unterschreitet die Phosphatkonzentration 10 g/l, werden
die Phosphatüberzüge dünn und ungleichmäßig. Bei
Konzentrationen über 20 g/l wird die Überzugsqualität
nicht mehr verbessert, statt dessen der
Chemikalienverbrauch vergrößert.
Zinkkonzentrationen unter 1,5 g/l führen nicht zu
Phosphatüberzügen mit dem erwünschten Schichtgewicht,
solche über 2,5 g/l lassen zu schwere Schichten entstehen.
Darüber hinaus wird der erwünscht hohe
Phosphophyllitanteil nicht erhalten. Die Folge ist, daß
sich Lackhaftung und Korrosionswiderstand verschlechtern.
Falls das Gewichtsverhältnis Zn/PO4 unter den Wert von
0,08 : 1 fällt, wird die Phosphatschichtausbildung
beeinträchtigt. Werte oberhalb 0,21 : 1 führen zu gröberen
Kristallen.
Nitrat dient als Oxidationsmittel. Ein Gehalt unter 5 g/l
ist mit einem Verlust des Oxidationspotentials verbunden,
ein solcher über 15 g/l bringt keine Verbesserung der
Wirkung. Er würde lediglich die Wirtschaftlichkeit des
Verfahrens beeinträchtigen.
Fluorid ist sowohl für die gleichmäßige Anätzung der
Stahloberfläche als auch für die Ausbildung eines dichten
Phosphatüberzuges verantwortlich. Außerdem wird die
Schichtbildung auf bestimmten Qualitäten von verzinktem
Stahl, insbesondere schmelztauchverzinktem Stahl mit
Aluminiumgehalten, in der Zinkschicht verbessert. Als
Quelle für Fluorid können komplexe Fluoride, wie
Fluorosilikat, Fluoroborat und Fluorozirkonat, aber auch
einfache Fluoride bzw. Mischung komplexer und einfacher
Fluoride verwendet werden. Bei einer Konzentration unter
0,5 g/l (ber. als F) ist die Ätzwirkung ungleichmäßig und
der Phosphatüberzug nicht ausreichend dicht. Bei
Konzentrationen oberhalb 1,5 g/l wird der Phosphatüberzug
zu dünn und die erwünschten Eigenschaften werden nicht
erzielt.
Auch der Nickelgehalt wirkt sich auf die Ausbildung eines
dichten Phosphatüberzuges aus, darüber hinaus verbessert
er den Korrosionswiderstand und die Haftung des
nachfolgend aufgebrachten Lackes. Nickelkonzentrationen
unter 0,5 g/l lassen die erwünschte Verdichtung der
Phosphatkristalle nicht entstehen, auch tritt die mögliche
Verbesserung des Korrosionswiderstandes der Lackhaftung
nicht ein. Höhere Konzentrationen als 1,5 g/l bringen
keine Verbesserung der Wirkung.
Der Eisen III-Gehalt bewirkt die Aufrechterhaltung einer
gewissen Übersättigung in der Phosphatierungslösung, d. h.
läßt eine Erhöhung des pH-Wertes, bei dem die Abscheidung
von Phosphat erfolgt, zu. Dadurch wird die Ausbildung des
Phosphatüberzuges erleichtert. Sofern die
Eisen III-Konzentration unter 2 mg/l liegt, ist der Effekt
noch nicht genügend ausgeprägt. Bei Konzentrationen
oberhalb 20 mg/l neigen die Phosphatierungslösungen zur
Schlammbildung und werden damit hinsichtlich ihrer
Fähigkeit zur Ausbildung von Phosphatüberzügen
beeinträchtigt.
Der Nitritgehalt von 160 bis 300 mg/l, der wesentlich
größer ist als der von Phosphatierungsbädern, die bei
höheren Temperaturen zum Einsatz kommen, ist maßgeblich
für die Eisenauflösung von Stahloberfläche und die
Abscheidung von Phosphophyllit verantwortlich. Nur bei
Einhaltung des angegebenen Bereiches ist Gewähr für den
erwünscht hohen Phosphophyllitanteil im Überzug und für
die hohe Qualität des Überzuges gegeben. Außerdem
verringert sich bei niedrigerem Nitritgehalt die
Bildungsgeschwindigkeit des Phosphatüberzuges. Bei höherem
Nitritgehalt besteht eine Tendenz zur Ausbildung von
Eisen-Phosphatüberzügen.
Der Gehalt an Nitritpunkten wird in der Regel nach der
Saccharometermethode bestimmt. Hierzu werden 50 ml
Badlösung mit 2 bis 5 g Sulfaminsäure versetzt. Die dabei
gebildete Gasmenge in ml ist gleich der Punktzahl. Ein
Gas-Punkt entspricht einem Gehalt von 46 mg/l NO2 in der
Phosphatierungslösung.
Der Gehalt der Phosphatierungslösung an freier Säure hängt
im wesentlichen von der Zinkkonzentration ab. Je höher der
Zinkgehalt ist, desto höher ist der Gehalt an freier Säure
einzustellen. Die exakte und bei Einsatz des
erfindungsgemäßen Verfahrens einzustellende freie Säure
ergibt sich aus der Figur. Sofern ihr Gehalt unter der
unteren Grenzlinie liegt, wird die Phosphatierungslösung
instabil und es beginnen sich Ablagerungen zu bilden. Ist
der Gehalt an freier Säure oberhalb der oberen Grenzlinie,
ist die Phosphatüberzugsausbildung verzögert und es ist
schwierig, dichte Phosphatüberzüge zu erhalten. Das
schraffierte Feld veranschaulicht den zulässigen Gehalt an
freier Säure, bezogen auf die jeweilige Zinkkonzentration.
Zur Bestimmung der freien Säure wird eine 10 ml Badprobe
gegen Bromphenolblau als Indikator titriert. Falls bei
Zugabe des Indikators die Lösung gelb bis gelbgrün ist,
wird mit 1,0 n-Natronlauge bis zum Umschlag nach blau
titriert. Ist die Badprobe nach Indikatorzugabe
blauviolett, erfolgt die Titration mit 0,1 n-Schwefelsäure
bis zum Umschlag nach blau. In diesem Fall ist der
erhaltene Wert für die freie Säure negativ. Die Punktezahl
an freier Säure ist gleich dem jeweiligen Verbrauch an
Titrationslösung in ml.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung taucht
man die Metalloberflächen in eine Phosphatierungslösung,
die zusätzlich 0,2 bis 1 g/l Mangan (ber. als Mn) enthält.
Ein derartiger Mangangehalt wirkt sich insbesondere
positiv auf die Lackhaftung bei hoher Nässeeinwirkung aus,
so daß Objekte, die insoweit beansprucht werden, gemäß
dieser bevorzugten Ausgestaltung behandelt werden sollten.
Bei geringeren Konzentrationen als 0,2 g/l ist die
genannte Wirkung noch nicht hinreichend ausgeprägt.
Konzentrationen über 1 g/l führen insbesondere zu einer
Verringerung der Ausbildungsgeschwindigkeit des
Phosphatüberzuges.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung
besteht darin, die Oberflächen in eine
Phosphatierungslösung einer Temperatur im Bereich von 20
bis 30°C zu tauchen.
Die Einwirkungsdauer der Phosphatierungslösung sollte im
allgemeinen 90 bis 180 sec. bei der Behandlung von
kaltgewalztem Stahl und 30 bis 180 sec. bei verzinktem
Stahl betragen. Sofern Werkstücke behandelt werden sollen,
die Bereiche aus kaltgewalztem Stahl und aus verzinktem
Stahl (Verbundmetalle) aufweisen, empfiehlt sich die
Anwendung der Behandlungsdauer für kaltgewalzten Stahl.
Der besondere Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß bei Temperaturen, die praktisch
Raumtemperatur sind, qualitativ hochwertige
Phosphatüberzüge erhalten werden, die die Eigenschaften
eines nachträglich aufgebrachten Lackes vorteilhaft
beeinflussen. Die niedrigen Temperaturen ihrerseits haben
den Vorteil, daß der apparative Aufwand für die Beheizung
der Phosphatierbäder und der Energieaufwand selbst
erheblich reduziert werden können. Darüber hinaus sind die
zulässigen Toleranzen hinsichtlich Temperatur und
Zinkkonzentration vergleichsweise groß, so daß das
Verfahren einfach zu führen ist.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele
beispielsweise und näher erläutert.
Es wurden Stahlbleche der Qualität JIS-G-3141, SPCC (im
folgenden mit SPC bezeichnet) und beidseitig
feuerverzinkte Stahlbleche (im folgenden mit "plated"
bezeichnet) behandelt.
Die Bleche wurden mit einem konventionellen alkalischen
Reiniger (pH-Wert 12, Punktezahl 19 ± 1) bei 40 ± 2°C im
Tauchen 180 sec. behandelt, mit Leitungswasser von
Raumtemperatur 20 sec. bespritzt, danach mit einer 1 g/l
Titanphosphat enthaltenden Aktivierungslösung von
Raumtemperatur durch 30 sec. langes Tauchen konditioniert
und anschließend 120 sec. im Tauchen phosphatiert
(ausgenommen Vergleichsbeispiel 3, bei dem die
Phosphatierung im Spritzen erfolgte). Die Zusammensetzung
der jeweils verwendeten Phosphatierungslösung ist in den
nachfolgenden Tabellen angegeben.
Im Anschluß an die Phosphatierung wurde zunächst mit
Leitungswasser von Raumtemperatur 30 sec., dann mit
vollentsalztem Wasser (elektrische Leitfähigkeit
0,2 µS × cm-1) über die Dauer von 20 sec. jeweils im
Spritzen gespült und bei 100°C während einer Dauer von
180 sec. getrocknet.
Der Lackaufbau erfolgt in drei Stufen. Zunächst wurde ein
kationischer Elektrotauchlack (Elecron 9400 der Fa. Kansai
Paint Co., Ltd.) aufgebracht.
Badtemperatur 28°C; Spannung 250 V
Behandlungsdauer 180 sec.
Die Schichtdicke betrug 20 µm.
Nach einer Spritzbehandlung zunächst mit Leitungswasser
(20 sec.), dann mit vollentsalztem Wasser der o. g.
Beschaffenheit (5 sec.) wurde der Lackfilm bei 175°C für
die Dauer von 30 min. eingebrannt.
Die Zwischenschicht wurde mit einem Lack auf Basis
Melamin/Alkydharz (Amilac N-2 Sealer der Fa. Kansai Paint
Co., Ltd.) im Spritzverfahren mit Luft als Treibmittel
erzeugt. Der Film einer Dicke von 30 µm wurde nach
einer Wartezeit von 10 bis 20 min. bei 140°C während
30 min. eingebrannt.
Als Decklack diente ein Lack auf Melamin/Alkydharzbasis
(Amilac White M3 der Fa. Kansai Paint Co., Ltd.), der in
der vorgenannten Weise, jedoch mit einer Filmdicke von
40 µm aufgebracht wurde. Die Folgebehandlung geschah
wie vorstehend erwähnt.
Die Bewertung des Phosphatüberzuges erfolgte unter den
Gesichtspunkten Aussehen des Überzuges, Schichtgewicht,
Kristallgröße und Phosphophyllitanteil im Phosphatüberzug
(bei der Behandlung von Stahlblech).
Es bedeuten bei der Beurteilung des Aussehens des
Phosphatüberzuges:
oes liegt ein dichter gleichmäßiger Überzug
Xes liegt ein ungleichmäßiger Überzug mit Bildung von
Gelbrost
vor.
Zur Ermittlung des Schichtgewichtes des Phosphatüberzuges
wurde die Gewichtsdifferenz zwischen phosphatierten und
vom Phosphatüberzug befreiten Blechen ermittelt. Bei den
Stahlblechen (SPC) erfolgte die Ablösung des
Phosphatüberzuges mit einer Chromsäurelösung einer
Konzentration von 50 g/l. Die feuerverzinkten Bleche
(plated) wurden mit einer Lösung, die durch Auffüllen von
20 g Ammoniumdichromat und 480 g konzentrierter
Ammoniaklösung mit destilliertem Wasser auf 1 l erhalten
worden war, vom Phosphatüberzug befreit. Das
Schichtgewicht ist in g/m2 angegeben.
Die Messung der Größe der Phosphatkristalle geschah mit
einem Elektronenmikroskop durch zeilenweises Abtasten. Die
Kristallgröße ist in µm aufgeführt.
Der Phosphophyllitanteil im Phosphatüberzug (bei
Stahlblechen) wurde nach der Methode der
Röntgendiffractometrie über die Diffractionsintensitäten
für die Fläche (100) beim Phosphophyllit und (020) beim
Hopeit ermittelt. Es ist als Verhältnis Phophosphyllit zu
Phosphophyllit + Hopeit (P/P + H) angegeben.
Bleche, die lediglich mit dem kationischen
Elektrotauchlack behandelt worden waren, wurden mit einem
Kreuzschnitt versehen und 1000 h dem Salzsprühtest mit
einer 5%igen Kochsalzlösung gemäß JIS-Z-2371 ausgesetzt.
Das Testergebnis ist als Lackunterwanderung längs der
Schnittlinien in mm angegeben.
Mit dem kompletten Lackaufbau versehene Bleche wurden nach
einer Wartezeit von 24 h 120 h in vollentsalztes Wasser
von 40 ± 1°C derart getaucht, daß ein Kontakt der Bleche
miteinander unterblieb. Danach wurde 1 h an der Luft bei
Raumtemperatur getrocknet.
Die Testbleche wurden anschließend unter einem Winkel von
45° mit dem Lackfilm nach oben fixiert und der Einwirkung
von 100 Schraubenmuttern mit ca. 6 mm Durchmesser
ausgesetzt, die aus einer Höhe von 4,5 m - gerechnet vom
Schnittpunkt der Schnittlinien - durch ein Führungsrohr
mit ca. 50 mm innerem Durchmesser fallengelassen wurden
(Gesamtgewicht der Schraubenmuttern 198 ± 0,5 g).
Anschließend wurden die Bleche dem Salzsprühtest gemäß
JIS-Z-2371 für die Dauer von 72 h und dann 92 h lang einer
Freiluftbewitterung ausgesetzt.
Die vorgenannte Behandlungsfolge wurde insgesamt viermal
wiederholt, dann wurden die Bleche nochmals für die Dauer
von 72 h dem Salzsprühtest unterworfen. Abschließend
wurden die Testbleche mit einem metallischen Kratzer auf
der lackierten Seite von Korrosionsprodukten und
abgelöstem Lack befreit und visuell bewertet. Es bedeuten:
A
sehr wenig abgelöster Lack
B
wenig abgelöster Lack
C
merklich abgelöster Lack
D
sehr viel abgelöster Lack
Mit dem kompletten Lackaufbau versehene Testbleche wurden
20 Tage in vollentsalztes Wasser von 40°C getaucht und
dann mit einem Gitterschnitt derart versehen, daß
100 Quadrate mit jeweils 2 mm Kantenlänge entstanden. Zur
Ermittlung der Lackhaftung wurde Klebeband auf die die
Quadrate aufweisende Fläche aufgedrückt und wieder
abgezogen. Die Bewertung geschah durch Auszählen der auf
dem Testblech verbliebenen Lackquadrate.
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt, daß bei exakter
Einhaltung sämtlicher verfahrenswesentlicher Parameter in
jeder Hinsicht hervorragende Ergebnisse erzielt werden.
Aus Tabelle 2 geht mit aller Deutlichkeit hervor, daß
bereits die Veränderung nur eines Parameters, selbst die
Änderung der Applikationsweise der Phosphatierungslösung,
mit erheblichen Beeinträchtigungen der Qualität des
Lackfilmes verbunden ist. Außerdem ergibt sich aus einem
Vergleich von Tabelle 1 mit Beispiel 1 aus Tabelle 2, daß
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren trotz Anwendung
erheblich niedrigerer Behandlungstemperaturen bei der
Erzeugung des Phosphatüberzuges mindestens ebenso gute
Eigenschaften erzielbar sind als wenn mit höheren
Temperaturen entsprechend dem Stand der Technik gearbeitet
wird.
Claims (3)
1. Verfahren zum Erzeugen von Phosphatüberzügen auf
Oberflächen von kaltgewalztem Stahl, ein- oder
zweiseitig verzinktem Stahl im Tauchen mit einer Zink,
Phosphat, Nitrat und Fluorid enthaltenden
Phosphatierungslösung, dadurch gekennzeichnet, daß man
die Oberflächen in eine Phosphatierungslösung einer
Temperatur im Bereich von 15 bis 39°C taucht, die
10 bis 20 g/l Phosphat (ber. als PO4)
1,5 bis 2,5 g/l Zink (ber. als Zn)
5 bis 15 g/l Nitrat (ber. als NO3)
0,5 bis 1,5 g/l Fluorid (ber. als F)
0,5 bis 1,5 g/l Nickel (ber. als Ni)
2 bis 20 mg/l Eisen III (ber. als Fe)
160 bis 300 mg/l Nitrit (ber. als NO2)enthält und in der das Gewichtsverhältnis von Zn : PO4 auf (0,08 bis 0,21) : 1 und der Gehalt an freier Säure (FS) auf einen durch die untere Grenzkurve FS = 0,2 · Zn - 0,4 und die obere Grenzkurve FS = 0,4 · Zn - 0,5 festgelegten Wert eingestellt ist.
1,5 bis 2,5 g/l Zink (ber. als Zn)
5 bis 15 g/l Nitrat (ber. als NO3)
0,5 bis 1,5 g/l Fluorid (ber. als F)
0,5 bis 1,5 g/l Nickel (ber. als Ni)
2 bis 20 mg/l Eisen III (ber. als Fe)
160 bis 300 mg/l Nitrit (ber. als NO2)enthält und in der das Gewichtsverhältnis von Zn : PO4 auf (0,08 bis 0,21) : 1 und der Gehalt an freier Säure (FS) auf einen durch die untere Grenzkurve FS = 0,2 · Zn - 0,4 und die obere Grenzkurve FS = 0,4 · Zn - 0,5 festgelegten Wert eingestellt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man die Oberflächen in eine Phosphatierungslösung
taucht, die zusätzlich 0,2 bis 1 g/l Mangan (ber.
als Mn) enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß man die Oberflächen in eine
Phosphatierungslösung einer Temperatur im Bereich von
20 bis 30°C taucht.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61246088A JPS63100185A (ja) | 1986-10-16 | 1986-10-16 | 冷延鋼板または亜鉛めっき鋼板のりん酸塩化成処理方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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DE3734596A1 true DE3734596A1 (de) | 1988-04-21 |
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DE8787115011T Expired - Fee Related DE3771026D1 (de) | 1986-10-16 | 1987-10-14 | Verfahren zum erzeugen von phosphatueberzuegen. |
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Country Status (8)
Country | Link |
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ES (1) | ES2022854B3 (de) |
GB (1) | GB2199047B (de) |
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