JP2002263854A - 液相拡散接合によって組み立て接合された機械部品 - Google Patents
液相拡散接合によって組み立て接合された機械部品Info
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Abstract
用の管路を有する機械部品の組み立て時の液相拡散接合
による金属製精密機械部品の製造方法を提供する。 【解決手段】 2つ以上の部品から、Ni基またはFe
基の液相拡散接合用合金を用いて、液相拡散接合によっ
て組み立てられた機械部品であり、Ni或いはSiを1
%以上含有する接合金属(それぞれの元素の被接合材料
中への拡散層を含む)の幅が接合面に垂直な方向の長さ
で片側50μm以内であり、被接合材料の組織が低温変
態生成組織に分類される、マルテンサイトあるいはベイ
ナイトであり、かつ接合金属内に接合金属と被接合材料
金属との融合によって生成された合金化により、被接合
材料と同一の低温変態生成組織を一部または全部に有す
る液相拡散接合によって組み立て接合された機械部品。
Description
いて製造した各種機械部品に関し、特に、従来、素材か
ら切削、削りだし、穿孔、型抜き等の機械加工、或いは
直接溶融金属から鋳造、または鍛造等で環状ないし中空
形状を有する機械部品の加工に代わる液相拡散接合によ
り製造した機械部品に関するものである。
特に耐磨耗性、耐食性、耐疲労性の諸特性を個々に、或
いは同時に、かつ長時間にわたって要求される機械部
品、例えば、回転部品の軸受け、ベアリング、シリンダ
ーの摺動管などは、要求品質を満足するために、比較的
合金比率が高い、例えば、JIS−SUJに代表される
軸受け鋼ではC:1%、Cr:1%に加え、更にMn,
Moを含有した鋼材を使用しているが、部品同士を溶接
等により組み立てることは困難である場合が多い。その
ために、複雑な形状を有する機械部品については塊状の
鋼塊から削りだし、或いは熱間鍛造や穿孔によって概略
成形し、更に仕上げ加工を施した後、要求仕様に応じて
球状化処理、浸炭処理を行なって製造している。従っ
て、原材料の鋼塊価格よりも寧ろ製造工程における各種
加工工程コストが製品価格の大半を占めている。一方
で、自動車をはじめとする信頼性の要求される精密機械
部品では、同時に長時間の耐久性が要求され、長期間で
の仕様コスト低減を指向している。従って、例え高価で
あっても塊状金属から従来の製造方法で製造したこれら
精密機械部品が多用され、多くの部品価格、牽いては最
終製品価格の上昇を引き起こしている。
とする方法のうち、最も量産性が高く、低コストの方法
として熱間圧延、プレス成型が採用されているが、これ
らの技術は単一の形状、多くの場合は板などの簡単な形
状を有しており大量生産に好適であるも、中空形状の機
械部品、環状部品を上述の圧延やプレス成型で歩留まり
よく直接製造することはその形状の制約から難しく、現
在では全く工業化されていない実情にある。従って、環
状或いは中空形状を有する複雑な精密機械部品を効率よ
く大量生産する技術は工業的に確率されている状況にな
く、一方コスト低減の観点からも従来とは全く異なる製
造プロセスの開発が切望されている。
が脚光を浴びている。この液相拡散接合技術は、接合し
ようとする材料の接合面、すなわち開先間に、被接合材
料に比較して低い融点を有する合金、例えば、結晶構造
の50%以上が実質的に非晶質であり、かつ拡散律速の
等温凝固過程を経て継ぎ手を形成能を有する元素、例え
ばB,P,Ni,Feなどの多元合金を介在させ、継ぎ
手を挿入した低融点合金の融点以上の温度に加熱保持
し、等温凝固過程で継ぎ手を形成する技術である。
と異なり、溶接残留応力が殆どないこと、或いは溶接の
ような余盛りを発生しない平滑かつ精密な継ぎ手を形成
できるなどの特徴を有している。しかもこの技術は面接
合であるため接合面の面積によらず接合時間が一定で、
かつ比較的短時間で接合が完了する利点を有し、従来の
溶接とは全く異なる接合技術である。従って、開先さえ
挿入して低融点金属以上の温度に所定時間保持できれ
ば、開先形状を選ばず面同士の接合を実現できる。ま
た、一方では、従来の非酸化性雰囲気でのみ実現可能な
液相拡散接合について、酸化性雰囲気下でも適用可能な
液相拡散接合用合金箔が知られている。(特許第189
1618号、同第1891619号、同第183757
2号公報)。しかしながら、現状では、この液相拡散接
合技術は、接合面の面積が比較的大きい部材の接合にの
み適用され精密機械部品等の接合には用いられていな
い。
中空形状を有する耐磨耗性、耐食性、耐疲労性の諸特性
を同時に満足する複雑な精密機械部品を高効率で、かつ
低コストで大量生産可能な液相拡散接合機械部品を提供
することを目的とする。
決するためになされたものであって、その要旨は次のと
おりである。 (1)2つ以上の部品から、Ni基の液相拡散接合用合
金を用いて、液相拡散接合によって組み立ておよび接合
された機械部品であり、その接合部においてNiを1%
以上含有する接合金属の幅が接合面に垂直な方向で片側
50μm以内であることを特徴とする液相拡散接合によ
って組み立て接合された機械部品。 (2)2つ以上の部品から、Fe基の液相拡散接合用合
金を用いて、液相拡散接合によって組み立ておよび接合
された機械部品であり、液拡散接合に用いる合金の組成
が鉄を主体とし、該合金の液相拡散接合を可能とするた
めに必要な低融点維持、または実質的に50%以上が非
晶質となる構造維持に必要なSiが1%以上含有されて
いる接合金属の幅が、組み立て接合の際に被接合材料中
に拡散して形成された拡散層の幅を含めて、接合面に垂
直な方向の長さで片側50μm以内であることを特徴と
する液相拡散接合によって組み立て接合された機械部
品。 (3)前記被接合材料の組織が低温変態生成組織に分類
される、マルテンサイトあるいはベイナイトであり、か
つ接合金属内に前記接合金属と被接合材料金属との融合
によって生成された合金化により、被接合材料と同一の
低温変態生成組織を一部または全部に有することを特徴
とする上記(1)または(2)記載の液相拡散接合によ
って組み立て接合された機械部品。 (4)前記液相拡散接合が酸化性雰囲気中で行われるこ
とを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかの項に記
載の液相拡散接合によって組み立て接合された機械部
品。
とする機械部品の材質は特に限定しない。液相拡散接合
ができると考えられる金属材料は全て本発明の技術を適
用することができる。例えば、通常の炭素鋼、高炭素
鋼、低炭素鋼など通常の溶接が適用困難な材質であって
も液相拡散接合は接合継ぎ手を実現可能である。また、
Cr或いはNiを種々の割合で含有するステンレス鋼、
高耐食合金鋼、Niを基材とするNi基合金やその他の
合金および非鉄材料であるAl,Ti,Znおよびその
他の実用金属などもそれらに適した接合用合金を用いれ
ば全て液相拡散接合が可能となる。また、液相拡散接合
を実現する非晶質合金組成としてもとくだんの制限がな
く、米国特許第4,144,058号公報に記載の合金
を始め、特開昭49−91014号公報に記載のP,
B,C等を拡散原子として含有する液相拡散接合用合金
を使用することができる。
液相拡散接合用合金を用いて、内部に流体搬送用、重量
軽減用、或いは摺動部品通過のため等の目的を有する管
路を備えた、元来一体成型で製造していた精密機械部品
を、最初に管路を含む面で複数に分割した部品毎に、例
えば、プレス成形或いは圧延、研削、研磨など従来の一
体成型と機械加工の組み合わせに対して安価な製造工程
を経て製造し、それらを液相拡散接合用合金を介して組
み立て、液相拡散接合によって一体化する工程を経るこ
とが必要である。
の対比で、内部に存在する管路を通過する面で分割して
あることが必要で、これによって各部品をプレス成形な
どの安価でかつ簡便な方法で製造可能ならしめる。ま
た、この分割は2以上であれば幾つでも可能であって、
製造が簡易化し、かつ製造工程が煩雑或いは多数となる
結果、従来製造工程に対して高価とならない範囲で適宜
選択すればよい。また、分割面は平面でも曲面でも、連
続或いは不連続の多面ないしは曲面であってもよく、そ
の形状は分割することで各部品の製造が容易になるよう
に適宜選択すればよい。なお、最終形状の部品が内部に
有する管路は連続した一つの経路でも、複数の独立した
経路でもよく、管路自体の形状は自由で、単に組み立て
時に接合する面が対応すればよく、特に制限はない。管
路は外表面に対して開口していても、いなくても組み立
ては可能である。なお、被接合材料と液相拡散接合用合
金の組み合わせで接合部の特性は種々に変化する。
管路を有する複数に分割された精密機械部品、例えば、
図1に示すようなCr:1.0%、Mo:0.5%を含
有する高炭素鋼からなる自動車燃料噴射弁の管路に平行
な面で2分割した分割面にNi基の液相拡散接合用合金
を介して組み立て、固相線以上の温度に加熱し、100
0〜1300℃の温度で、加熱開始から90〜120秒
の間、接合面に2MPa以上の応力を負荷し続け、その後
負荷応力を減じて低応力ないし無負荷として1分以上保
持する液相拡散接合する方法が採用される。この液相拡
散接合により、上記Ni基の液相拡散接合用合金と被接
合材料の融合によって生成した接合金属と、Niの被接
合材中への拡散で生じたNiが1%以上含まれる領域の
幅が接合面に垂直な方向の長さで片側50μm以内に拡
散させることが可能であれば強固な接合面が得られるこ
とになる。
拡散接合用合金を用いた場合には、液相拡散接合用合金
の液相拡散接合を可能とするために必要な低融点維持、
または実質的に50%以上が非晶質となる構造維持に必
要なSiが1%以上含有されている接合金属の幅が、組
み立て接合の際に被接合材料中に拡散して形成された拡
散層の幅を含めて、接合面に垂直な方向の長さで片側5
0μm以内に拡散させることが可能であれば強固な接合
面が得られることになる。
度および加熱時間は通常液相拡散接合において用いられ
る条件であるが、本発明においては、精密機械部品に必
要な接合強度を得るために、加熱下において、接合面、
即ち、被接合材料に外部から接合に必要な押力を付与し
ながら接合することが重要である。この押力は加熱開始
から液相拡散接合用合金中に含有されるNi或いはSi
が被接合材料中に拡散しうる温度、即ち、1000〜1
300℃間で液相拡散が開始する条件下で押力付与を行
う必要があり、この押力は、接合面に2MPa 以上の応力
を付加する。次いで、徐々に負荷応力を減じて低応力な
いし無負荷として5分以上保持することが必要条件とな
る。仮に、上記液相拡散接合が無負荷の状態で行われた
場合には液相拡散接合用の合金の溶融があったとして
も、等温凝固が完了しないなどの原因で健全な継手が得
られないため、必要な接合強度が得られない。なお、被
接合部材に付与される応力負荷の位置は部材サイズによ
って異なるが、1箇所であっても良いし複数箇所であっ
ても差し支えない。
素0.01質量%以上を含む酸化性雰囲気中、好ましく
は大気中で、N2 或いはArを被接合材料の内外面表面
に吹きつけて接合作業を行うことが好ましい。また、接
合部でNi含有量が1%以上である接合金属幅を50μ
m以内に制限した理由は、これ以上の幅になる場合は、
必然的に十分な押し力が得られないか、或いは接合面同
士の突合せに不備があった結果であり、実験的および経
験的に接合部は健全でないことが判明したためである。
一方、前述の拡散接合の幅が余りにも小さい場合には、
拡散接合に必要な接合金属が十分に接合面に供給されな
かった場合などの結果であるため、拡散相幅の好ましい
範囲は2〜50μmである。
は、以下の詳細な実験結果に基づいて決定した。図2
は、構造用炭素鋼、機械構造用鋼、低合金鋼などの市販
鋼材を液相拡散接合にて接合した場合の、接合時、接合
面に垂直な方向に負荷した押力と、その結果形成された
接合継手における接合金属の幅、すなわち接合金属中の
Niの拡散層(Ni含有量が1質量%以上である領域)
を含めた合金の領域との関係を示した図である。接合時
の押力が増加すると、接合時に溶融した元非晶質金属
と、被接合材料の溶融によって生じた合金は接合界面か
ら外部に押し出され、接合継ぎ手で計測できる接合金属
の幅、この場合接合金属中から被接合材料に拡散したN
iが、接合後に1質量%以上に達した領域を含める合金
の幅は、結果的に減少する。押力が2MPa の場合、接合
金属幅は50μmに達する場合があることがわかる。な
お、接合面の凹凸は、接合前において最大100μmに
達している継ぎ手の接合結果を含んでいる。また、上記
Ni含有量1%以上の領域幅は、接合後の継ぎ手断面
を、元素定量分析可能な走査型電子顕微鏡にて線分析あ
るいは面分析した結果をもとに、組織との対応で測定
し、決定した。すなわち、接合時の押力と接合金属の幅
の間には密接な関係が存在している。
と接合継ぎ手の垂直方向の引張強さの関係を示してい
る。接合試験および引張試験に供した材料は0.3%C
−1%Cr−0.5%Moの組成を有する低合金鋼であ
り、接合後の継ぎ手は1℃/分の速度で冷却し、ここか
ら6mm直径の円形断面を有する引張試験片を採取し、室
温で引張強さを測定した。また、当該材料が、実使用時
に接合部に負荷される応力は最大180MPa であること
が判明しているため、ここでは継ぎ手に必要な目標強さ
を180MPa と仮定し、その値を図中に示してある。
し、接合金属幅が50μmを超えると目標強度は達成で
きないことが明白である。以上の傾向は、接合金属幅と
してNiの拡散層を考慮する代わりに、鉄基接合金属箔
を用いた場合には、同箔中に含まれるSiの拡散層を考
慮した場合でも全く同様であった。また、接合温度は1
000〜1300℃の範囲でほぼ同様な傾向を示し、接
合温度依存性は強く顕れなかった。さらに、この温度範
囲では通常の鋼材はほぼ同様な強度特性を有することか
ら、鋼材間での差異もまた明確ではなかった。なお、接
合に用いた接合金属の化学成分は、Ni基についてはS
i=3%、B=3.5%、V=3%であり、Fe基につ
いてはSi=4.5%、B=3.0%、V=5.0%で
あった。質量%で同等なPをBの代わりに含有する箔を
用いた場合も同様であった。
被接合材料の組織が低温変態生成組織に分類される、マ
ルテンサイトあるいはベイナイトであり、かつ接合金属
内に前記接合金属と被接合材料金属との融合によって生
成された合金化により、被接合材料と同一の低温変態生
成組織を一部または全部に有する組織が得られれば組織
の均質化によって強度的にも均質な接合部が得られるこ
とになる。
ては、被接合材料の組織がベイナイト変態開始温度以上
の温度まで焼き割れを防止するために5℃/sec 以上の
冷却速度で急冷し、続いて放冷して変態が終了するまで
この放冷を維持した後、室温まで1℃/sec 以上の冷却
速度で急冷する条件を採用することで目的とする接合組
織および接合強度が得られる。
品の仕様によって接合面の特性を自由に変えることがで
き、接合継ぎ手としての特性は特に制限がない。継ぎ手
効率は1である必要はなく、かつ組織的にも完全に均質
化している必要もない。勿論、継ぎ手効率が1で完全均
質体であることは機械部品の特性上好ましいが、部品の
製造コストに応じて決定することができる。また、組み
立て終了後に機械部品に対して種々の熱処理、化成処
理、加工を施すことが可能であり、例えば、鋼材であれ
ば焼き入れ、焼き戻し、焼準、焼鈍などの熱処理工程を
単独で、或いは複合で、場合によっては繰り返し施すこ
とも、部品としての特性を向上させるのに有効であっ
て、本発明の効果を何ら妨げない。また、浸炭処理、窒
化処理、メッキ、或いは塗装、粉末などの吹きつけ処
理、ショットブラストなどの表面加工も有効である。
供給用管路を有す自動車燃料噴射弁の製造について述べ
る。この自動車燃料噴射弁は、図1に示すようなCr:
1.0%、Mo:0.5%を含有する高炭素鋼からなる
鍛造にて管路に平行な面で2分割した半割り部品の分割
面1,2の間に厚さ30μmのB,Pを少量含むNi基
の非晶質合金からなる液相拡散接合用合金を挟み、前記
部品を突合せ、前記部品を外部上下面から押さえ治具で
押さえ、次いで、部品全体を高周波誘導加熱コイルを有
する雰囲気制御可能な高周波誘導加熱炉中で室温から加
熱を開始し液相拡散接合温度である1100℃から13
00℃の範囲に到達した時点で90〜120秒の間、接
合面に押さえ治具で2MPa 以上の負荷応力を負荷し続
け、その後負荷応力を減じて低応力ないし無負荷として
5分保持し、その後、被接合材料の組織がマルテンサイ
ト変態或いはベイナイト変態などの無拡散変態温度以上
の温度まで焼き割れを防止するために5℃/sec 以上の
冷却速度で急冷し、続いて放冷して変態が終了するまで
この放冷を維持した後、室温まで1℃/sec 以上の冷却
速度で急冷した。このような処理を行うことによって、
被接合材料の組織が低温変態生成組織に分類される、マ
ルテンサイトあるいはベイナイトであり、かつ接合金属
内に前記接合金属と被接合材料金属との融合によって形
成された接合金属においては、被接合材料と同一の低温
変態生成組織を一部または全部に有していた。そして、
Ni含有量が1%以上である接合金属の幅は接合面に垂
直な方向の長さで片側40μmであった。このようにし
て得た拡散接合面の強度は被接合材料強度と同等もしく
はそれ以上の強度を有していた。その後、最終の外形に
仕上げて自動車用燃料噴射弁の製品とした。これを実際
の自動車部品と組み込んで部品特性を評価したところ、
従来の機械加工した自動車用燃料噴射弁と同一の使用性
能が得られ、高温耐酸化特性、耐磨耗性、流体圧力に対
する接合面強度において何ら遜色のない値が得られた。
成型によって製造する、内部に複雑かつ精密な管路を有
する自動車用燃料噴射弁のような精密機械部品の製造
を、簡易に製造可能な分割部品から、それらを液相拡散
接合技術によって貼り合わせる工程を採用することで、
金属製精密機械部品を安価かつ効率的に製造することを
可能にしうるものである。
部に有する管路を通過する面で分割した場合の分割部品
形状を示す図で、特に流体噴射弁の例を示す図。
(Ni含有量が1%以上となる拡散層を含む)の幅の関
係を示す図。
合金属幅の関係を示す図。
Claims (4)
- 【請求項1】 2つ以上の部品から、Ni基の液相拡散
接合用合金を用いて、液相拡散接合によって組み立てお
よび接合された機械部品であり、その接合部においてN
iを1%以上含有する接合金属の幅が接合面に垂直な方
向で片側50μm以内であることを特徴とする液相拡散
接合によって組み立て接合された機械部品。 - 【請求項2】 2つ以上の部品から、Fe基の液相拡散
接合用合金を用いて、液相拡散接合によって組み立てお
よび接合された機械部品であり、液拡散接合に用いる合
金の組成が鉄を主体とし、該合金の液相拡散接合を可能
とするために必要な低融点維持、または実質的に50%
以上が非晶質となる構造維持に必要なSiが1%以上含
有されている接合金属の幅が組み立て接合の際に被接合
材料中に拡散して形成された拡散層の幅を含めて、接合
面に垂直な方向の長さで片側50μm以内であることを
特徴とする液相拡散接合によって組み立て接合された機
械部品。 - 【請求項3】 前記被接合材料の組織が低温変態生成組
織に分類される、マルテンサイトあるいはベイナイトで
あり、かつ接合金属内に前記接合金属と被接合材料金属
との融合によって生成された合金化により、被接合材料
と同一の低温変態生成組織を一部または全部に有するこ
とを特徴とする請求項1または2記載の液相拡散接合に
よって組み立て接合された機械部品。 - 【請求項4】 前記液相拡散接合が酸化性雰囲気中で行
われることを特徴とする請求項1〜3のいずれかの項に
記載の液相拡散接合によって組み立て接合された機械部
品。
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JP2001065557A JP2002263854A (ja) | 2001-03-08 | 2001-03-08 | 液相拡散接合によって組み立て接合された機械部品 |
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