DE4409004C2 - Hitzebeständiger Mehrschichtverbundwerkstoff und seine Verwendung - Google Patents
Hitzebeständiger Mehrschichtverbundwerkstoff und seine VerwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Mehrschichtverbundwerkstoff und
die Verwendung dieses Mehrschichtverbundstoffs zur Herstellung
von Rohren, insbesondere als Transportrollen in Brennöfen.
In Brennöfen zur Wärmebehandlung von Glas, Keramik,
Porzellan, Ziegeln, Steinen oder Steingut und auch von
metallischen Produkten werden Temperaturen von bis zu 1180°C
eingestellt. Die wärmezubehandelnden Produkte werden bei
einem solchen Prozeß auf Rohren (Rollen) kontinuierlich
durch die Ofenzone von sogenannten Rollenherdöfen befördert.
Von den Werkstoffen für diese Einsatzgebiete werden eine
hohe Warmzugfestigkeit und Beständigkeit gegenüber
isothermer und zyklischer Hochtemperaturkorrosion gefordert.
Von entscheidender Bedeutung für den genannten
Verwendungszweck ist insbesondere die
Oxidationsbeständigkeit des eingesetzten Werkstoffes bis zu
einer Temperatur von ca. 1180°C, die
Temperaturwechselbeständigkeit sowie die Ausbildung einer
dichten Oxidschicht, die sehr beständig gegen Abblättern
ist. Weiterhin muß eine solche komplexe Oxidschicht
resistent gegenüber möglichen Glasur- und Tonrückständen des
Glühgutes sein.
Zusätzlich wird je nach Anwendungsfall eine gute
Beständigkeit gegenüber aggressiven, d. h. aufkohlenden,
karbonitrierenden oder nitrierenden Atmosphären gefordert.
Für solche extremen thermischen, korrosiven und mechanischen
Belastungen wurden bislang vornehmlich längsnahtgeschweißte
Rohre aus den bekannten hitzebeständigen
Nickelbasislegierungen NiCr23Fe (Werkstoff-Nr. 2.4851 gemäß
DIN 17742) oder NiCr15Fe (Werkstoff-Nr. 2.4816 gemäß DIN
17742) eingesetzt.
Die Eignung dieser Nickelbasislegierungen resultiert aus der
Bildung einer schützenden Chromoxid- bzw. Chromoxid-
Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche der hieraus
hergestellten Bauteile, und beruht ferner auf der geringen
Neigung dieser gebildeten komplexen Oxidschicht zum
Abplatzen bei Temperaturwechselbeanspruchung. Die bekannten
hitzebeständigen Nickelbasislegierungen haben die folgende
durchschnittliche Zusammensetzung:
Die hohen Kosten der verwendeten Nickelbasislegierung werden
hauptsächlich durch den hohen und zudem teuren Nickelanteil
von über 60% hervorgerufen.
DE-OS-25 28 521 betrifft ein Verfahren zum Plattieren metalli
scher Träger mit Co-Ni, wobei zunächst ein Träger mit einer
Nickellegierung beschichtet und dann bei einer Temperatur zwi
schen Solidus- und Liquidustemperatur der Nickellegierung so
lange geglüht wird, bis sich durch ein Anschmelzen der Nickel
legierung eine metallurgische Bindung zwischen dem Träger und
der Nickellegierung ergibt.
DE-37 42 539 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von plattier
tem Warmband, bei dem eine Stahlbramme mit einer Auflage aus
einem korrosionsbeständigen Werkstoff versehen und der entstan
dene Verbundkörper anschließend warmgewalzt wird.
In DE-37 01 815 wird ein Verfahren zum Herstellen eines plattier
tem Formkörpers beschrieben, wobei auf einem Grundwerkstoff
mindestens ein hochlegierter nichtrostender Auflagewerkstoff
aufgebracht wird. Der Formkörper ist hoch korrosionsbeständig.
DE-37 33 481 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von plat
tierten Stahlblechen, deren Trägerwerkstoff hochfest und hoch
zäh ist, durch Warmwalzen von Brammen, die mit einer Auflage
aus einem austenitischen Plattierwerkstoff belegt sind. Die
Bleche werden als korrosionsbeständige Leitungsrohre einge
setzt.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines metallischen Ver
bundkörpers mit einem Grundmetall aus Eisen oder einer Eisenle
gierung und einem davon unterschiedlichen Plattiermetall ist in
DE-OS-15 77 105 beschrieben. Hierbei wird das Grundmetall in ei
ner Stärke von weniger als 12,7 mm und das Plattiermetall in ei
ner Stärke von weniger als 6,35 mm verwendet, das Grundmetall
wird mit dem kalten Plattiermetall erst zwischen Walzen zusam
mengeführt, dann die Vorerhitzung auf eine Temperatur zwischen
149 und 732°C vorgenommen und ein Einschlußwinkel zwischen
Grund- und Plattiermetall von größer als 5 und höchstens 22°C
gewählt. Das Plattiermetall wird bereits vor der Berührung mit
dem Grundmetall in Anlage mit der entsprechenden Walze gebracht,
wobei das Plattiermetall in einem Stich unter Verminderung der
Ausgangsstärke vom 35 bis 75% zum Verbundkörper gewalzt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde,
einen Werkstoff zur Verfügung zu stellen, welcher die für
den Einsatz in Brennöfen geforderte hohe Warmzugfestigkeit
und Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion aufweist
und kostengünstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Mehrschichtverbundwerkstoff gelöst, der aus zwei ganzseitig
verbundenen Schichten mit der Folge:
hitzebeständige Nickelbasislegierung/hitzebeständiger Edelstahl, aufgebaut ist,
worin die hitzebeständige Nickelbasislegierung die folgende Zusammensetzung hat:
hitzebeständige Nickelbasislegierung/hitzebeständiger Edelstahl, aufgebaut ist,
worin die hitzebeständige Nickelbasislegierung die folgende Zusammensetzung hat:
C: 0,02-0,25 Gew.-%
Cr: 14,0-27,0 Gew.%
Ni: 57,0-78,0 Gew.-%
Si: 0-1,0 Gew.-%
Mn: 0-1,0 Gew.-%
Al: 0-2,2 Gew.-%
Ti: 0-0,6 Gew.-%
Cu: 0-1,0 Gew.-%
Zr: 0-0,2 Gew.-%
B: 0-0,008 Gew.-%
Cr: 14,0-27,0 Gew.%
Ni: 57,0-78,0 Gew.-%
Si: 0-1,0 Gew.-%
Mn: 0-1,0 Gew.-%
Al: 0-2,2 Gew.-%
Ti: 0-0,6 Gew.-%
Cu: 0-1,0 Gew.-%
Zr: 0-0,2 Gew.-%
B: 0-0,008 Gew.-%
und Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als
Rest, und
worin der hitzebeständige Edelstahl eine Eisenbasislegierung mit folgender Zusammensetzung ist:
worin der hitzebeständige Edelstahl eine Eisenbasislegierung mit folgender Zusammensetzung ist:
C: 0,02-0,20 Gew.-%
Si: 0,2-2,5 Gew.-%
Cr: 17,0-28,0 Gew.-%
Ni: 11,0-35,0 Gew.-%
Mn: 0-2,5 Gew.-%
Al: 0-0,80 Gew.-%
Ti: 0-0,80 Gew.-%
Si: 0,2-2,5 Gew.-%
Cr: 17,0-28,0 Gew.-%
Ni: 11,0-35,0 Gew.-%
Mn: 0-2,5 Gew.-%
Al: 0-0,80 Gew.-%
Ti: 0-0,80 Gew.-%
und Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als
Rest.
Die chemische Zusammensetzung der verwendeten
hitzebeständigen Nickelbasislegierungen und Stähle ist in
Tabelle 1 aufgeführt.
Bei allen Werkstoffen ist der Rest, bezogen bis auf 100%, Eisen und
erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Hieraus geht hervor, daß die Nickelgehalte der
erfindungsgemäßen Stähle bis zu 40% unter dem Nickelgehalt
der bekannten Nickelbasislegierungen liegen, wodurch ein
Kostenvorteil bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen
Mehrschichtverbundwerkstoffes und daraus hergestellter Rohre
gegenüber üblichen Rohren aus einem der Werkstoffe 2.4851
oder 2.4816 erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Mehrschichtverbundwerkstoff ist die hitzebeständige
Nickelbasislegierung ausgewählt aus den Werkstoffen NiCr23Fe
(Werkstoffnummer 2.4851 gemäß DIN 17742) oder NiCr15Fe
(Werkstoffnummer 2.4816 gemäß DIN 17742), und die
hitzebeständige Eisenbasislegierung ist ausgewählt aus den
folgenden Edelstählen:
Der erfindungsgemäße Mehrschichtverbundwerkstoff ist äußerst
hitzebeständig. Er wird durch Plattieren, vorzugsweise
Walzplattieren der beiden Schichten hergestellt. Eine
besonders hohe und gleichmäßige Oberflächengüte des
Mehrschichtverbundwerkstoffes wird durch das
Kaltwalzplattierverfahren erreicht.
Von besonderer Bedeutung für die Funktionserfüllung ist die
ganzflächige und dauerhafte, durch Plattieren, vorzugsweise
Kaltwalzplattieren, erzeugte Verbindung der beiden Schichten
des Mehrschichtverbundwerkstoffes in allen
Temperaturbereichen.
Dies bedingt, insbesondere bei der Herstellung und
Verwendung von Rohren, insbesondere als Transportrollen in
Rollenherdöfen, aus den erfindungsgemäßen
Mehrschichtverbundwerkstoffen, daß der mittlere lineare
Wärmeausdehnungskoeffizient (zwischen 20°C und der
jeweiligen Anwendungstemperatur von maximal 1180°C) der
äußeren Schicht, d. h. der hitzebeständigen
Nickelbasislegierung, kleiner oder gleich dem entsprechenden
mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der
hitzebeständigen Eisenbasislegierung, d. h. der inneren
Schicht, ist.
In Tabelle 2 sind die mittleren linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20°C und 1180°C
beispielhaft für die hitzebeständigen Nickelbasislegierungen
NiCr23Fe und NiCr15Fe, sowie für die hitzebeständigen
Eisenbasislegierungen aufgelistet und in Fig. 3 graphisch
dargestellt.
Hieraus geht hervor, daß der mittlere lineare
Wärmeausdehnungskoeffizient der hitzebeständigen
Nickelbasislegierungen im gesamten Temperaturbereich von 20°C bis 1180°C kleiner als der vergleichbare mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient der hitzebeständigen Eisenbasislegierungen ist. Damit ist sichergestellt, daß eine Trennung der aufeinander plattierten Schichten im Einsatz z. B. als Transportrolle, bedingt durch unterschiedliche Wärmeausdehnung, unterbunden wird.
Nickelbasislegierungen im gesamten Temperaturbereich von 20°C bis 1180°C kleiner als der vergleichbare mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient der hitzebeständigen Eisenbasislegierungen ist. Damit ist sichergestellt, daß eine Trennung der aufeinander plattierten Schichten im Einsatz z. B. als Transportrolle, bedingt durch unterschiedliche Wärmeausdehnung, unterbunden wird.
Die exakte chemische Zusammensetzung der erfindungsgemäßen
hitzebeständigen Eisenbasislegierung wird hauptsächlich von
den beim späteren Einsatz auftretenden unterschiedlichen
atmosphärischen, korrosiven und thermischen Bedingungen
bestimmt, und wird vom Fachmann entsprechend ausgewählt.
Gleiches gilt für die Auswahl der erfindungsgemäßen
hitzebeständigen Nickelbasislegierung als Auflagewerkstoff.
Die Dicke der Auflagenschicht aus der hitzebeständigen
Nickelbasislegierung, beträgt zwischen 5% und 45% der
Gesamtdicke des Mehrschichtverbundwerkstoffes.
Die genannten Grenzwerte werden dadurch festgelegt, daß
Auflagenstärken unter 5% der Gesamtschichtdicken durch
Plattieren ganz flächig nicht sicher und reproduzierbar
herstellbar sind, während hingegen Auflagenstärken über 45%
der Gesamtschichtdicke keinen wirtschaftlichen Vorteil
gegenüber Produkten aus einer reinen hitzebeständigen
Nickelbasislegierung ergeben.
Das Verbinden der beiden hitzebeständigen Schichten zu einem
Mehrschichtverbundwerkstoff erfolgt dabei in einem einzigen
Stich oder Walzdurchgang, einer sogenannten
Einstichumformung. Der Gesamtverformungsgrad V beträgt
hierbei bevorzugt mindestens 45%. Der Gesamtverformungsgrad
V ist definiert durch die folgende Gleichung:
mit:
Ag = A₁ + A₂
A₁; A₂: Querschnittsflächen der beiden Ausgangsflächen
Ae: Querschnittsfläche des Mehrschichtverbundwerkstoffes.
Ag = A₁ + A₂
A₁; A₂: Querschnittsflächen der beiden Ausgangsflächen
Ae: Querschnittsfläche des Mehrschichtverbundwerkstoffes.
Die sich durch den Kaltwalzplattierprozeß ergebende hohe
Kaltverfestigung erfordert ein rekristallisierendes Glühen
bzw. Lösungsglühen des Mehrschichtverbundwerkstoffes vor dem
Einformen zum Längsnahtschweißen von Rohren. Während eines
solchen Glühprozesses wird zudem durch Diffusionsvorgänge im
Bereich der Grenzflächen der beiden aufeinanderplattierten
Schichten eine entscheidende Verbesserung der Haftung
bewirkt.
Eine schematische Darstellung eines zu einem Rohr in
Längsrichtung verschweißten Mehrschichtverbundwerkstoffes
zeigt Fig. 1. Die Bezugszeichen bedeuten:
(1) hitzebeständige Nickelbasislegierung
(2) hitzebeständige Eisenbasislegierung
(3) Schweißnaht (in Längsrichtung).
(2) hitzebeständige Eisenbasislegierung
(3) Schweißnaht (in Längsrichtung).
Das Längsnahtverschweißen des Mehrschichtverbundwerkstoffes
zu Rohren erfolgt durch die bei der Rohrherstellung üblichen
Schmelz- und Preßschweißverfahren, insbesondere durch das
WIG-, MIG-, MAG-, HF-, Plasma- und Laserschweißverfahren.
Die äußere Schicht des Rohres, welche den extremen
thermischen und korrosiven Belastungen ausgesetzt ist,
besteht, wie bei der nichtplattierten Rohrausführung,
erfindungsgemäß aus einer Nickelbasislegierung, vorzugsweise
aus der Legierung NiCr23Fe (Werkstoff-Nr. 2.4851) oder
NiCr15Fe (Werkstoff-Nr. 2.4816).
Die innere Schicht des Rohres, welche geringeren Belastungen
ausgesetzt ist; besteht erfindungsgemäß aus der
kostengünstigen Eisenbasislegierung, und ist vorzugsweise
ausgewählt aus den folgenden Edelstählen:
Fig. 2 zeigt an einem metallographischen Schliff die
Gefügeausbildung im Bereich der Schweißnaht eines
erfindungsgemäßen Rohres. (1) bedeutet die hitzebeständige
Nickelbasislegierung und (2) die hitzebeständige
Eisenbasislegierung. Die Vergrößerung beträgt 13 : 1.
Geschweißt wurde mit dem WIG-Verfahren ohne Schweißzusatz.
Wesentlich ist auch die im äußeren Schweißnahtbereich
vollständig durchgängige Schicht, bestehend aus der
hitzebeständigen Nickelbasislegierung, da deren
Hochtemperatureigenschaften die Standzeit von z. B.
Transportrollen entscheidend beeinflussen. Untersuchungen an
erfindungsgemäßen Ausführungsformen zeigen, daß im äußeren
Schweißnahtbereich keine sogenannte Aufmischung der
unterschiedlichen Legierungen (hitzebeständige
Nickelbasislegierung und hitzebeständiger Edelstahl)
miteinander auftritt. Diese Erscheinung beruht auf den
differierenden Schmelztemperaturen (Liquidiustemperaturen
TLiq) der beiden Komponenten. Beispiele hierfür sind:
Werkstoff 2.4851: TLiq ∼1350°C, und
Werkstoff 1.4841: TLiq < 1400°C
Werkstoff 1.4841: TLiq < 1400°C
Die Warmzugfestigkeiten im Temperaturbereich von 1000-1180°C
der hitzebeständigen Nickelbasislegierungen und der
hitzebeständigen Edelstähle unterscheiden sich nicht
wesentlich.
Ein Glühen der längsnahtgeschweißten Rohre kann vorgenommen
werden, damit sich vor einem Gebrauch die stabile,
schützende Oxidschicht aufgebaut hat, und dadurch ein
wirksamer Schutz des Rohres unmittelbar vom Beginn der
Verwendung an, z. B. als Transportrolle in
Rollenherdbrennöfen gegeben ist. Eine solche Wärmebehandlung
erfolgt zweckmäßigerweise unter oxidierender oder neutraler
Atmosphäre oder unter Schutzgas.
Die erfindungsgemäßen Rohre sind beständig gegen extreme
thermische, korrosive und mechanische Belastungen und werden
daher besonders vorteilhaft als Transport rollen in Brennöfen
mit einer Arbeitstemperatur bis zu 1180°C eingesetzt.
Typischerweise sind solche Brennöfen als Rollenherdöfen für
die Wärmebehandlung von Werkstoffen ausgebildet. Diese
Werkstoffe sind insbesondere metallische Produkte, Glas,
Keramik, Porzellan, Ziegel, Steine oder Steingut.
Claims (12)
1. Mehrschichtverbundwerkstoff aus zwei ganzseitig
verbundenen Schichten mit dem Aufbau:
hitzebeständige Nickelbasislegierung/hitzebeständiger Edelstahl,
worin die hitzebeständige Nickelbasislegierung die folgende Zusammensetzung hat:
C: 0,02-0,25 Gew.-%
Cr: 14,0-27,0 Gew.-%
Ni: 57,0-78,0 Gew.-%
Si: 0-1,0 Gew.-%
Mn: 0-1,0 Gew.-%
Al: 0-2,2 Gew.-%
Ti: 0-0,6 Gew.-%
Cu: 0-1,0 Gew.-%
Zr: 0-0,2 Gew.-%
B: 0-0,008 Gew.-%
und Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest, und
worin der hitzebeständige Edelstahl eine Eisenbasislegierung mit folgender Zusammensetzung ist:
C: 0,02-0,20 Gew.-%
Si: 0,2-2,5 Gew.-%
Cr: 17,0-28,0 Gew.-%
Ni: 11,0-35,0 Gew.-%
Mn: 0-2,5 Gew.-%
Al: 0-0,80 Gew.-%
Ti: 0-0,80 Gew.-%
und Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest.
hitzebeständige Nickelbasislegierung/hitzebeständiger Edelstahl,
worin die hitzebeständige Nickelbasislegierung die folgende Zusammensetzung hat:
C: 0,02-0,25 Gew.-%
Cr: 14,0-27,0 Gew.-%
Ni: 57,0-78,0 Gew.-%
Si: 0-1,0 Gew.-%
Mn: 0-1,0 Gew.-%
Al: 0-2,2 Gew.-%
Ti: 0-0,6 Gew.-%
Cu: 0-1,0 Gew.-%
Zr: 0-0,2 Gew.-%
B: 0-0,008 Gew.-%
und Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest, und
worin der hitzebeständige Edelstahl eine Eisenbasislegierung mit folgender Zusammensetzung ist:
C: 0,02-0,20 Gew.-%
Si: 0,2-2,5 Gew.-%
Cr: 17,0-28,0 Gew.-%
Ni: 11,0-35,0 Gew.-%
Mn: 0-2,5 Gew.-%
Al: 0-0,80 Gew.-%
Ti: 0-0,80 Gew.-%
und Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest.
2. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Nickelbasislegierung ausgewählt
ist aus den Werkstoffen NiCr23Fe (Werkstoffnummer 2.4851
gemäß DIN 17742). oder NiCr15Fe (Werkstoffnummer 2.4816
gemäß DIN 17742), und die Eisenbasislegierung ausgewählt
ist aus den folgenden Edelstählen:
3. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der mittlere lineare
Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen 20°C und 1180°C der
Nickelbasislegierung kleiner oder gleich dem
entsprechenden mittleren linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Eisenbasislegierung
ist.
4. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke der Auflagenschicht aus der
hitzebeständigen Nickelbasislegierung zwischen 5% und 45%
der Gesamtdicke des Schichtverbundwerkstoffes beträgt.
5. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die zwei Schichten durch
Walzplattieren ganzseitig miteinander verbunden sind.
6. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die zwei Schichten durch
Kaltwalzplattieren ganzseitig miteinander verbunden sind.
7. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die zwei Schichten durch Kaltwalzplattieren in einem Stich
oder Walzdurchgang mit einem Gesamtverformungsgrad
V 5% verbunden sind.
8. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch eine Diffusions- oder Rekristallisationsglühung
nach dem Plattiervorgang.
9. Verwendung eines Mehrschichtverbundwerkstoffes nach einem
der Ansprüche 1 bis 8 für längsnahtgeschweißter
Rohre.
10. Verwendung längsnahtverschweißter Rohre nach Anspruch 9 als Transportrollen für
Brennofen mit einer Temperatur bis zu 1180°C.
11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
der Brennofen zur Wärmebehandlung von Werkstoffen
ausgewählt aus metallischen Produkten, Glas, Keramik,
Porzellan, Ziegeln, Steinen oder Steingut eingesetzt
wird.
12. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
das Rohr vor Verwendung als Transportrolle in einem
Brennofen unter oxidierender oder neutral er Atmosphäre,
oder unter Schutzgas wärmebehandelt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944409004 DE4409004C2 (de) | 1994-03-16 | 1994-03-16 | Hitzebeständiger Mehrschichtverbundwerkstoff und seine Verwendung |
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---|---|---|---|
DE19944409004 DE4409004C2 (de) | 1994-03-16 | 1994-03-16 | Hitzebeständiger Mehrschichtverbundwerkstoff und seine Verwendung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4409004A1 DE4409004A1 (de) | 1995-09-21 |
DE4409004C2 true DE4409004C2 (de) | 1996-07-11 |
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ID=6512987
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---|---|---|---|
DE19944409004 Expired - Fee Related DE4409004C2 (de) | 1994-03-16 | 1994-03-16 | Hitzebeständiger Mehrschichtverbundwerkstoff und seine Verwendung |
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---|---|
DE (1) | DE4409004C2 (de) |
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-
1994
- 1994-03-16 DE DE19944409004 patent/DE4409004C2/de not_active Expired - Fee Related
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