EP0529476A1 - Rollerbearing for building structures and process for its manufacture - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Rollenlager für Bauwerke, insbesondere Brückenbauwerke, bestehend aus wenigstens einer zylinderischen Rolle, die zwischen planparallelen Abrollflächen einer oberen und einer unteren Lagerplatte innerhalb eines begrenzten Wälzerbereichs abrollen, bei denen die Wälzerbereiche der Rollen einen Werkstoffverbund aufweisen, der im Wege eines eine intermetallische Grenzschicht ausbildenden Verbindungsverfahrens zwischen einem Grundwerkstoff und einem Arbeitsflächenwerkstoff hergestellt ist.The invention relates to a roller bearing for structures, in particular bridge structures, consisting of at least one cylindrical roller, which roll between plane-parallel rolling surfaces of an upper and a lower bearing plate within a limited tome area, in which the tome areas of the rollers have a composite material which by way of a an intermetallic boundary layer connecting method between a base material and a work surface material is produced.
Derartige Rollenlager sind bekannt, beispielsweise durch die europäische Patentschrift 0 293 648. Die Beanspruchung solcher Rollenlager besteht hauptsächlich in hohem Druck wie auch durch Korrosion. Die Druckbelastung wird in der sog. Hertz'schen Pressung ausgedrückt; die Korrosion wird hauptsächlich durch Wettereinflüsse, besonders bei tiefen Temperaturen, und durch chemischen Angriff z.B. durch aufgesprühtes Salz oder ähnlichen Chemikalien verursacht.Roller bearings of this type are known, for example from European patent 0 293 648. The stress on such roller bearings mainly consists of high pressure and also of corrosion. The pressure load is expressed in the so-called Hertzian pressure; corrosion is mainly caused by weather influences, especially at low temperatures, and by chemical attack e.g. caused by sprayed salt or similar chemicals.
Bekannte Lager dieser Art bestehen aus einem Verbund von einem Grundwerkstoff, der gut schweißbar sein muß, beispielsweise St 52-3 nach DIN 17 100, mit einem Arbeitsflächenwerkstoff, der 0,20 bis 0,35 % C und 12 bis 18 % (Cr + Mo) enthält, beispielsweise X 40 Cr 13. Lager dieses Typus sind für eine Hertz'sche Pressung von 1900 N/mm² (amtlich) zugelassen.Known bearings of this type consist of a composite of a base material that must be easy to weld, for example St 52-3 according to DIN 17 100, with a work surface material that Contains 0.20 to 0.35% C and 12 to 18% (Cr + Mo), for example X 40 Cr 13. Bearings of this type are approved for a Hertzian pressure of 1900 N / mm² (official).
Es besteht seit langem das Bestreben, derartige Lager für höhere Hertz'sche Pressungen herzustellen, und nach weiteren Untersuchungen hat man erkannt, daß die Herstellung höher beanspruchbarer Rollenlager sowohl eine besser zielgerichtete Werkstoffwahl wie auch den Belastungsverhältnissen angepaßtere Stahlbehandlungsverfahren, insbesondere der Rollenkörper erfordert.There has long been an effort to produce such bearings for higher Hertzian pressures, and after further investigations it has been recognized that the production of roller bearings that can withstand higher loads requires both a more targeted choice of material and steel treatment processes adapted to the load conditions, in particular the roller body.
Die Rolle des Lagers ist nicht nur der Hertz'schen Pressung (Druck pro Fläche) ausgesetzt, sondern auch anderen Spannungen. Die Variation der Spannung ist etwas kompliziert. Wenn eine Rolle auf eine Platte gedrückt wird, ergibt sich eine Kontaktfläche, die so lang ist wie die Rolle und mit der Breite 2a (siehe Figur 1). In der Oberfläche ist die maximale Druckspannung p0(=Hertz'sche Pressung). Darüberhinaus gibt es eine Schubspannung Tau. An der Oberfläche ist Tau null und nimmt zu bis auf einen Maximalwert Tau max. unter der Oberfläche. Der Abstand des Punktes mit Tau max. zur Oberfläche ist 0,78 a. Zwischen der Last P des Lagers und p0 oder a existieren die folgenden Beziehungen.
Die Gleichungen 1 und 2 sind nur gültig, wenn die Materialien der Rolle und der Platte den gleicher, Elastizitätsmodul haben. Wenn nicht, muß E durch den Term (1/E1 + 1/E2) ersetzt werden.The role of the bearing is not only exposed to Hertzian pressure (pressure per surface), but also to other stresses. The variation of the tension is somewhat complicated. When a roller is pressed onto a plate, a contact surface results which is as long as the roller and with the width 2a (see FIG. 1). The maximum compressive stress in the surface is p0 (= Hertzian pressure). There is also a shear stress Tau. Tau is zero on the surface and increases to a maximum value of Tau max. under the surface. The distance of the point with rope max. to the surface is 0.78 a. The following relationships exist between the load P of the bearing and p0 or a.
Equations 1 and 2 are only valid if the materials of the roller and the plate have the same elastic modulus. If not, E must be replaced by the term (1 / E1 + 1 / E2).
Die anderen Größen stehen für
- p
- = Last pro Einheitslänge der Rolle (N/cm)
- r
- = Radius der Rolle (cm)
- 1/m
- = Poisson'sche Konstante
- E
- = Elastizitätsmodul (N/cm²)
Wenn das Rollenlager so ausgebildet wäre, daß die gesamte Beanspruchung der Rollen vollständig im elastischen Bereich bleiben würde, müßten die Rollen für hochbelastete Lager enorme Abmessungen erhalten. Deshalb ist es üblich, eine kleine plastische Verformung (bis zu 0,3 % des Rollendurchmessers) zuzulassen.The other sizes stand for
- p
- = Load per unit length of roll (N / cm)
- r
- = Radius of the roll (cm)
- 1 / m
- = Poisson's constant
- E
- = Modulus of elasticity (N / cm²)
If the roller bearing were designed in such a way that the entire load on the rollers would remain completely in the elastic range, the rollers would have to be given enormous dimensions for highly loaded bearings. Therefore, it is common to allow a small plastic deformation (up to 0.3% of the roll diameter).
Aus diesen Zusämmenhängen konnte eine zielführende Konzeption in dem Bestreben gefunden werden, die Beanspruchungsfähigkeit der Lager, vor allem der Rollen derart zu steigern, daß Hertz'sche Pressungen von min. 2500 N/mm², ja bis 3000 N/mm² zugelassen werden können. In Abkehr von der früheren Anschauungsweise besteht diese darin, daß für die Belastbarkeit des Lagers die Festigkeit oder Härte der äußeren Arbeits- oder Mantelschicht der Rolle bzw. von deren Panzerung oder der Arbeitsschicht der Platten nicht allein maßgeblich ist, sondern daß von entscheidender Bedeutung für die Belastbarkeit die Festigkeit des Grund- oder Kernwerkstoffs der Rolle und/oder der Grundschicht der Platten ist. Bei den früheren Betrachtungen war offenbar der Einfluß der dort auftretenden Kräfte unterschätzt worden.From these relationships, a goal-oriented concept could be found in the endeavor to increase the load capacity of the bearings, especially the rollers, in such a way that Hertzian pressures of min. 2500 N / mm², yes up to 3000 N / mm² can be approved. In a departure from the earlier view, this is that the strength or hardness of the outer working or jacket layer of the roller or its armor or the working layer of the plates is not the only decisive factor for the bearing capacity of the bearing, but that it is of crucial importance for the Resilience is the strength of the base or core material of the roll and / or the base layer of the plates. In the earlier considerations, the influence of the forces occurring there had apparently been underestimated.
Im Gegensatz zu den bisherigen Werkstoffpaarungen von Grund-und Arbeitsschichtwerkstoff geht die Erfindung von der neuen Erkenntnis aus, daß der Grundwerkstoff aus einem hochfesten, zähen Vergütungsstahl mit einer Zugfestigkeit von etwa 1000 N/mm², einer Mindestdehnung von 10 % und einer Kerbschlagarbeit von ca. 50 J bestehen sollte, während für den Werkstoff der Arbeitsflächen ein hochverschleiß- sowie korrosionsfester, härtbarer Stahl in Betracht kommt, vorzugsweise X 40 Cr 13, X 105 CrCoMo 18 2 oder X 190 Cr VW 18 4. In Abwandlung hiervon ist es nach der neuen Lehre auch möglich, einen kaltverfestigbaren Stahl, etwa X 120 Mn 12 oder einen vergleichbaren Werkstoff für die Arbeitsschicht zu verwenden.In contrast to the previous material pairings of base and working layer material, the invention is based on the new finding that the base material is made of a high-strength, tough heat-treatable steel with a tensile strength of about 1000 N / mm², a minimum elongation of 10% and a notched impact energy of approx. 50 J should exist, while a highly wear-resistant and corrosion-resistant, hardenable steel is suitable for the material of the work surfaces, preferably X 40 Cr 13, X 105 CrCoMo 18 2 or X 190 Cr VW 18 4. In a modification of this, it is the new one Teaching also possible to use a work hardenable steel, such as X 120 Mn 12 or a comparable material for the working layer.
Ein wesentlicher Teil der erfindungsgemäßen Lehre bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung des Rollenlagers. Dabei kommen für das Verbinden des Grundwerkstoffs mit dem Arbeitsflächenwerkstoff das schon bisher bekannte Auftragsschweißen und / oder das Heißwalzen in Betracht, vorzugsweise jedoch das Diffusionsschweißen, weil dieses Verfahren sehr unempfindlich auf den Kohlenstoffgehalt der verbundenen Stahlwerkstoffe reagiert.An essential part of the teaching according to the invention relates to a method for producing the roller bearing. For the connection of the base material to the work surface material, the previously known build-up welding and / or hot rolling can be considered, but preferably diffusion welding, because this method reacts very insensitively to the carbon content of the connected steel materials.
Das erfindungsgemäße Verfahren schreibt in einem ersten Verfahrenssschritt vor, ausgehend von dem Rollendurchmesser und der Rollenlänge auf Grund der Formeln 1 und 2 und aus der Graphik Fig. 1 die größte Scherspannung (in N/mm²) und deren Lage ( in mm unter der Arbeitsoberfläche) zu ermitteln und daraus für den Rohdurchmesser der Rolle die Mindestdicke der Schicht des Arbeitsflächenwerkstoffs zu bestimmen, die wenigstens das Doppelte des Abstandes der maximalen Scherspannung von der Arbeitsoberfläche betragen soll, woraus sich der Rohdurchmesser der Rolle bestimmt, die aus einem hochfesten, zähen Vergütungsstahl mit etwa 1000 N/mm² Zugfestigkeit hergestellt wird; als gut geeignet hat sich 34 CrNiMo 6 Stahl erwiesen. Die Schichtdicke des Arbeitsflächenwerkstoffs soll im Mittel d/8 bis d/10 betragen, wobei "d" der Enddurchmesser ist. Bei der Bestimmung des Rohdurchmesser der Rolle und der Schichtdicke des Arbeitsflächenwerkstoffs sind ferner die technologischen Bedingungen des gewählten Verbindungsverfahrens zu berücksichtigen.The process according to the invention prescribes in a first process step, starting from the roll diameter and the roll length on the basis of the formulas 1 and 2 and from the graph in FIG. 1, the greatest shear stress (in N / mm²) and its position (in mm below the working surface) to determine and from this to determine the minimum thickness of the layer of the working surface material for the raw diameter of the roll, which should be at least twice the distance of the maximum shear stress from the working surface, from which the raw diameter of the roll is determined, which is made from a high-strength, tough tempered steel with approximately 1000 N / mm² tensile strength is produced; 34 CrNiMo 6 steel has proven to be well suited. The layer thickness of the worktop material should be on average d / 8 to d / 10, where "d" is the final diameter. When determining the raw diameter of the roll and the layer thickness of the worktop material, the technological conditions of the selected joining method must also be taken into account.
Das weitere Herstellverfahren kann erfindungsgemäß unterschiedlich ausgestaltet sein, und die zu wählende Verfahrensweise hängt weitestgehend von den Dauerbeanspruchungs-Anforderungen des Rollenlagers ab. Die geringsten Dauerbeanspruchungen dürften wohl bei dem Aufbringen der Schicht aus dem Arbeitsflächenwerkstoff durch Auftragsschweißung oder durch Heißaufwalzen bzw. Aufschmieden erbringen, bei welchem darauffolgend ein Härten und Tempern erfolgt. Für das Aufschweißen oder Heißaufwalzen (oder Aufschmieden) eignet sich nach den bisherigen Versuchen der Stahl X 40 Cr 13 sehr gut.The further manufacturing process can be designed differently according to the invention, and the procedure to be chosen largely depends on the continuous load requirements of the roller bearing. The slightest permanent stresses are likely when the layer is applied from the Provide work surface material by build-up welding or by hot rolling or forging, which is subsequently hardened and tempered. According to previous tests, the steel X 40 Cr 13 is very suitable for welding or hot rolling (or forging).
Die Warmbehandlungsproblematik besteht dabei darin, eine optimale Warmbehandlung durchzuführen, weil die Härtetemperatur beim Grundwerkstoff ca. 830 bis 860°C und beim Arbeitsflächenwerkstoff 1000 bis 1050°C beträgt, während das Tempern beim Grundwerkstoff bei 540 bis 680°C und beim Arbeitsflächenwerkstoff bei 100 bis 200°C erfolgen soll. Daher erscheint es nicht möglich für die Wärmebehandlung der insoweit fertiggestellten Rolle eine für jeden der Werkstoffe bestmögliche Temperaturführung zu erzielen. Wie Versuche ergeben haben, können derartig hergestellte Lager jedoch mit Hertz-Pressungen von 2400 bis 2500 N/mm² ohne weiteres belastet werden, was gegenüber dem Stand der Technik eine Erhöhung um 20 bis 25 % bedeutet.The heat treatment problem here is to carry out an optimal heat treatment because the hardening temperature for the base material is approx. 830 to 860 ° C and 1000 to 1050 ° C for the worktop material, while the tempering for the base material is 540 to 680 ° C and for the worktop material at 100 to 200 ° C should take place. Therefore, it does not seem possible to achieve the best possible temperature control for each of the materials for the heat treatment of the roll that has been completed to this extent. As tests have shown, bearings manufactured in this way can, however, be easily loaded with Hertz pressures of 2400 to 2500 N / mm², which means an increase of 20 to 25% compared to the prior art.
Durch genauere Untersuchungen wurde erkannt, daß die Rollenlager nach dem eingangs genannten Stand der Technik mit den im Oberflächenbereich gehärteten Rollen, beispielsweise aus X 40 Cr 13 zu Rissen und Brüchen neigten. Dies ist auf die Forderung zurückzuführen, daß der Grundwerkstoff schweißbar sein, also einen geringen Kohlenstoffanteil haben muß; daher kommen nur Stähle mit niedriger Zugfestigkeit in Betracht. Um den Abbau der Scherspannungen innnerhalb der Arbeitsschicht zu halten, sollte diese ziemlich dick sein. Dicke Aufschweißschichten können eine Vielzahl von Defekten wie Luftlöcher, Schlackeneinschlüsse, Schrumpfdefekte und dergleichen mehr haben.It was recognized by more precise investigations that the roller bearings according to the prior art mentioned at the outset, with the rollers hardened in the surface area, for example made of X 40 Cr 13, tended to crack and break. This is due to the requirement that the base material be weldable, ie must have a low carbon content; therefore only steels with low tensile strength can be considered. In order to keep the shear stresses reduced within the working layer, it should be quite thick. Thick weld layers can have a variety of defects such as air holes, slag inclusions, shrink defects and the like.
Daher wird für das weitere Herstellverfahren auch hier vorgeschlagen, als Grundwerkstoff einen hochfesten Vergütungsstahl, zweckmäßigerweise den bereits als gut erkannten 34 CrNiMo 6 zu verwenden, jedoch den Arbeitsflächenwerkstoff auf den Grundwerkstoff durch Diffusionsschweißen aufzubringen. Es wurde gefunden, daß sich hierfür am besten die Stahlsorten X 190 CrVW 18 4 und X 120 Mn 12 eignen. Das Diffusionsschweißen ist nahezu unabhängig vom Kohlenstoffgehalt und eignet sich daher auch für Grundwerkstoffe hoher Festigkeit, d.h. mit hohem Kohlenstoffgehalt. Beim Diffusionsschweißen werden Fehlstellen nahezu vollständig vermieden, und die Arbeitsflächenschicht kann - muß jedoch nicht - nachträglich noch durch Hämmern oder Strahlhämmern verbessert werden.Therefore, it is also proposed here for the further manufacturing process that a high-strength tempered steel is used as the base material, It is advisable to use the 34 CrNiMo 6, which has already been recognized as good, but to apply the worktop material to the base material by diffusion welding. It was found that the steel grades X 190 CrVW 18 4 and X 120 Mn 12 are best suited for this. Diffusion welding is almost independent of the carbon content and is therefore also suitable for base materials with high strength, ie with a high carbon content. With diffusion welding, imperfections are almost completely avoided, and the work surface layer can - but does not have to - be subsequently improved by hammering or jet hammering.
Bei Anwendung des austenitischen Stahls X 120 Mn 12 ist ein nachträgliches Kaltverfestigen (Hämmern oder Walzen) zweckmäßig, um eine optimale Oberflächenstruktur und Härte zu erreichen.When using the austenitic steel X 120 Mn 12, a subsequent work hardening (hammering or rolling) is advisable in order to achieve an optimal surface structure and hardness.
Es hat sich gezeigt, daß bei Rollen von 90, 130 und 180 mm Durchmesser Oberflächenhärtewerte zwischen 662 und 695 HV 20 erreicht werden. Es hat sich ferner dabei gezeigt, daß die guten Erbebnisse, nämlich zulässige Hertz'sche Pressungen oberhalb 2800 N/mm² bis 3600 N/mm² erprobt in statischen Druckversuchen, auf die Erkenntnisse zurückzuführen sind, daß in der Oberflächenschicht hohe Oberflächenhärte und mittlere Festigkeit und im Grundwerkstoff mittlere Härte und hohe Festigkeit die größte Belastbarkeit ergibt.It has been shown that surface hardness values between 662 and 695 HV 20 can be achieved with rolls 90, 130 and 180 mm in diameter. It has also been shown that the good results, namely permissible Hertzian pressures above 2800 N / mm² to 3600 N / mm², tested in static pressure tests, can be attributed to the knowledge that in the surface layer high surface hardness and medium strength and in Base material medium hardness and high strength which gives the greatest resilience
Als Verfahrensbeispiel wird eine Rolle von 130 mm Durchmesser herangezogen aus dem wärmebehandelbaren Stahl 34 CrNiMo 6 in abgeschrecktem und getempertem Zustand. Die Arbeitsflächenschicht aus X 190 Cr VW 18 4 mit einer Dicke von 15 mm wurde durch Diffusionsschweißen aufgebracht und durch anschließende Wärmebehandlung gehärtet.As a process example, a roll with a diameter of 130 mm is used from the heat-treatable steel 34 CrNiMo 6 in the quenched and tempered state. The work surface layer made of X 190 Cr VW 18 4 with a thickness of 15 mm was applied by diffusion welding and hardened by subsequent heat treatment.
Die hier genannten und erzielten Werte sind ziemlich unabhängig vom Werkstoff der Arbeitsschicht der Rollen, wenn einer der hier als bevorzugt bezeichneten Stahlwerkstoffe verwendet wird.The values mentioned and achieved here are quite independent of the material of the working layer of the rollers if one of the steel materials designated here as preferred is used.
Für die Lagerplatten ist ebenfalls die geschilderte Herstellverfahrensweise vorteilhaft, bei der die Stahlsorten X 40 Cr 13 und X 105 CrCoMo 18 2 zu bevorzugen sind. Es können auch voll durchgehärtete Lagerplatten aus X 40 Cr 13 gepaart werden. Bei Versuchen mit Rollen nach der beschriebenen Herstellmethode mit einer Arbeitsschicht aus 105 CrCoMo 18 2 und durchgehärteten Lagerplatten ergaben sich die höchsten Belastbarkeitswerte um 3600 N/mm² Hertz'sche Pressung.The described manufacturing procedure is also advantageous for the bearing plates, in which the steel grades X 40 Cr 13 and X 105 CrCoMo 18 2 are preferred. Fully hardened bearing plates made of X 40 Cr 13 can also be paired. Experiments with rollers using the manufacturing method described with a working layer made of 105 CrCoMo 18 2 and hardened bearing plates gave the highest load values of around 3600 N / mm² Hertzian pressure.
Für die Bruchfestigkeit der Rollen ergaben sich bei Vergleichsmessungen für auftragsgeschweißte Rollen Werte um 1,8, für Rollen gemäß der EP 0 293 648 Werte um 2,8 und für erfindungsgemäße Rollen Werte über 4.For comparative measurements, the breaking strength of the rolls resulted in values of around 1.8 for welded rolls, around 2.8 for rolls according to EP 0 293 648 and values over 4 for rolls according to the invention.
Die Rollenlager mit dem erfindungsgemäßen Aufbau aus den vorgeschlagenen Stählen und entsprechend der vorgesehenen Herstellungsmethode ergeben gegenüber dem Stand der Technik Belastungsbereiche an Hertz'scher Pressung gegenüber den bisher bekannten und verwendeten Lagern die bis zu 150 % höher liegen.The roller bearings with the structure according to the invention made of the proposed steels and in accordance with the intended production method result in stress ranges of Hertzian pressure compared to the prior art compared to the previously known and used bearings, which are up to 150% higher.
Claims (5)
gekennzeichnet durch einen
characterized by a
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem ersten Verfahrensschritt, ausgehend von dem vorgegebenen Rollendurchmesser und der Rollenlänge auf Grund der nachstehenden Formeln 1 und 2 und aus der nachstehenden Grafik die größte Scherspannung (in N/mm²) und deren Lageverlauf (in mm unter der Arbeitsoberfläche) ermittelt und daraus die Schichtdicke des Arbeitsflächenwerkstoffs aus einem hochfesten, zähen Vergütungsstahl mit etwa 1000 N/mm² Zugfestigkeit und der Rohdurchmesser der Rolle von wenigstens dem doppelten Betrag des Abstandes der maximalen Scherspannung von der Arbeitsoberfläche bestimmt wird, und daß die Schicht aus dem Arbeitsflächenwerkstoff aus einem der Stähle X 40 Cr 13, X 105 CrCoMo 18 2, X 190 Cr VW 18 4 oder X 120 Mn 12 durch Auftragsschweißen, Diffusionsschweißen, Heißaufwalzen oder Aufschmieden aufgebracht und die Rolle vor der mechanischen Endbearbeitung durch Wärmebehandlung gehärtet und / oder kaltverfestigt wird.
characterized,
that in a first process step, based on the specified roll diameter and roll length based on formulas 1 and 2 below and from the graphic below, the greatest shear stress (in N / mm²) and its position (in mm below the working surface) are determined and from this the Layer thickness of the worktop material made of a high-strength, tough tempering steel with about 1000 N / mm² tensile strength and the raw diameter of the roll is determined by at least twice the distance of the maximum shear stress from the worktop, and that the layer of worktop material is made of one of the steels X 40 Cr 13, X 105 CrCoMo 18 2, X 190 Cr VW 18 4 or X 120 Mn 12 are applied by build-up welding, diffusion welding, hot rolling or forging and the roll is hardened and / or strain-hardened before the mechanical finishing by heat treatment.
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
DE4128166 | 1991-08-24 | ||
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EP92114041A Withdrawn EP0529476A1 (en) | 1991-08-24 | 1992-08-18 | Rollerbearing for building structures and process for its manufacture |
Country Status (2)
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Citations (3)
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EP0378986A1 (en) * | 1989-01-20 | 1990-07-25 | BÖHLER Gesellschaft m.b.H. | Bearing |
-
1991
- 1991-08-24 DE DE19914128166 patent/DE4128166A1/en not_active Withdrawn
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1992
- 1992-08-18 EP EP92114041A patent/EP0529476A1/en not_active Withdrawn
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Also Published As
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Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN |
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18D | Application deemed to be withdrawn |
Effective date: 19960520 |