CN102041367A - 薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法 - Google Patents
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Abstract
薄带连铸冷轧无取向电工钢薄板的制造方法,包括如下步骤:冶炼出温度和成分满足要求的钢水,浇铸到一对高速旋转水冷结晶辊形成的熔池内,经过后续二次冷却、热轧、三次冷却、卷取、冷却到室温、酸洗、冷轧、最终退火,获得高磁感低铁损的冷轧无取向硅钢薄板。本发明采用薄带连铸工艺可以省略传统工艺中热轧减薄工序,避免因热轧工艺不当引起的质量缺陷,同时减少了设备损耗,降低了设备维护检修成本;通过控制凝固过程,提高铸带中等轴晶比例,从而改善产品冷轧过程中的瓦楞状缺陷;通过薄带连铸快速凝固的特点,放宽了无取向硅钢冶炼的成分范围,降低了冶炼成本。本发明工艺流程短、能耗低、效率高、生产成本低、制造方法简单、节能降耗明显。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工领域,涉及一种薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法。
背景技术
硅钢是一种重要的软磁材料,约占磁性材料总量的90~95%,又被称作是电工钢,是发展电力和电讯工业的基础材料之一,被用来制造电机、变压器和镇流器铁芯以及各种电器元件,是电力、电子和军事工业中不可缺少的重要软磁合金。硅钢又分为取向硅钢和无取向硅钢;无取向硅钢可分为冷轧无取向硅钢和热轧无取向硅钢。目前热轧无取向硅钢很少,主要是冷轧无取向硅钢。
现有传统工艺典型的冷轧无取向硅钢的生产流程为:连铸(一般大于200mm厚板坯)-热轧(加热,除磷,侧压,粗轧,精轧,层流冷却,卷取)-酸洗-冷轧-热处理。
现有工艺存在主要问题如下:
生产流程复杂,生产工序多、耗能大、控制困难;
在传统连铸工艺中,由于拉速低(一般小于2m/min),凝固时间长,对于碳小于50ppm,硅含量1.5~2.5%的电工钢来说,由于基本不发生铁素体-奥氏体相变,柱状晶的比例通常达到80%以上,对于碳小于50ppm,硅含量大于2.5%Si的电工钢来说,无取向硅钢柱状晶基本达到100%,且柱状晶粗大,成品产生严重的瓦楞状缺陷,用户无法使用。
传统工艺生产超低碳中高硅含量的无取向硅钢通常增设电磁搅拌装置,提高铸坯等轴晶比例,消除瓦楞状缺陷。这就增加的设备投资成本和使用成本。
铸坯在轧线上轧制时,轧线温度降较大,终轧温度保证能力较弱,磁性波动较大。
利用短流程的低成本及快速凝固优势生产电工钢是世界各国冶金工作者追求的目标。随着薄板坯连铸连轧技术的发展,硅钢也可以用薄板坯连铸连轧工艺生产。目前世界利用薄板坯连铸连轧工艺生产电工钢的厂家有:AST、TKS、Hylsa、Nucor的Crawfordsville、西班牙的ACB、中国本钢、马钢等。典型的工艺流程为:电炉或转炉提供钢水→薄板坯连铸→均热炉均热→热连轧→卷取-酸洗-冷轧。该工艺与传统工艺相比最大的特点是连铸的铸坯厚度为50~90mm,由于原始铸坯薄,热轧机组不需要粗轧机(若坯厚50mm),或只需要1台粗轧机(坯厚70~90mm)。而传统工艺中粗轧机要反复轧几个道次才能将铸坯减薄至精轧前需要的规格。另外传统工艺中铸坯要先经过冷却后再加热,再进粗轧机,而薄板坯连铸连轧工艺中铸坯不经冷却直接轧制,因此热轧机组前的均热炉只需要补温。因此该工艺比上述传统工艺大大缩短了流程,降低了能耗,节省了能源,具有一定的优势。
比薄板坯连铸连轧更新的连铸技术是薄带连铸连轧技术,其生产工艺的主要特点就是钢水通过一对内部具有循环冷却作用的铸轧辊,经过快速凝固后直接浇铸出1~5mm厚的铸带,铸带经过一道次在线热轧后卷取直接生产出热轧卷。薄带连铸连轧工艺由于省去了高温加热和热轧工序,在生产成本三具有优势,同时也有利于节约能源和保护环境。
中国专利CN1463811公开了一种采用双辊薄带连铸生产无取向硅钢的方法,其主要的技术特征为硅含量为0~3.5%的钢水经过双辊连铸机形成铸带,并经过5%~25%的在线热轧后在540~750℃卷取。
中国专利CN1611616公开了一种冷轧无取向电工钢的制造方法,该专利的主要特点是连铸坯的厚度120~170mm。
中国专利CN1665943A、美国专利US7140417B2、US7011139B2公开了一种用薄板或者薄带工艺经过热轧、冷轧生产钢带产品的方法。该公开文献公布的成分为最多6.5%硅,最多5%铬、最多0.05%碳、最多3%Al,最多3%锰,其余为铁。在其说明书中强调了其中铬含量的优选范围0.5%~2%,并且强调铬的添加目的是提高体积电阻率。为了保持所要求的相平衡和微观组织特征,提高强韧性而必须加入。
美国专利US5482107公开了一种用薄带连铸方法生产电工钢的方法。由于薄带连铸铸带的组织是沿着(100)面择优生长,该方向是提高磁感的有利织构。该发明的主要特征是保留铸态组织中的有利织构,因此后续要轻微冷轧、并且去应力退火的工艺要避免破坏铸态组织,因此该发明专利中薄带连铸的厚度最多是成品厚度的120%,减少冷轧道次,而且退火的温度500~650℃,这些工艺的目的都是为了避免再结晶,保留铸带的有利织构。该发明的主要缺点是难以生产薄规格的冷轧产品。
发明内容
针对上述传统的连铸一热轧生产方式和薄板坯连铸连轧方式存在的不足,本发明的目的在于提供一种薄带连铸冷轧无取向电工钢薄板的制造方法,运用薄带连铸能够浇铸薄规格带钢,可以省略热轧工序,避免因热轧工艺不当引起的质量缺陷,同时减少了设备损耗,降低了设备维护检修成本;通过控制凝固过程,提高铸带中等轴晶比例,从而改善产品冷轧过程中的瓦楞状缺陷;通过薄带连铸快速凝固的特点,放宽了无取向硅钢冶炼的成分范围,降低了冶炼成本。本发明工艺流程短、能耗低、效率高、生产成本低、制造方法简单、节能降耗明显。
为达到上述目的,本发明的技术解决方案如下:
薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法,包括如下步骤:
1)冶炼,钢水成分重量百分比为:C≤0.01%,Si≤3.5%,Mn≤2%,Al≤1%,P≤0.1%,S≤0.01%,N≤0.01%,O≤0.02%,余铁和不可避免杂质;
2)浇铸,钢水通过一对内部具有循环冷却作用的结晶辊,经过快速凝固后直接浇铸出1~5mm厚的铸带;对于硅含量<2.5wt%的中低牌号硅钢,过热度不大于25℃,带厚不小于1.5mm,控制等轴晶比例大于50%;对于硅含量>2.5wt%的高牌号无取向硅钢,过热度不大于15℃,带厚不小于1.8mm,控制等轴晶比例大于85%;
3)二次冷却,铸带从结晶辊浇铸出来后,经过密闭室,在密闭室内安装二次冷却装置,冷却速度大于20℃/s,二次冷却的控制温度范围为:1350℃~1000℃;
4)三次冷却,冷却速度不大于30℃/s,三次冷却的温度范围是1000℃~600℃;
5)卷取,卷取温度大于600℃,优选大于680℃;
6)酸洗,除磷;
7)冷轧,根据产品的厚度要求以及钢种的成分,可以一道次冷轧或者带中间退火的二次冷轧;
8)最终退火处理,退火温度850℃~1080℃,优选950℃~1080℃;退火在可控气氛如氢气或者氢气氮气混合气体中进行。
进一步,步骤3)二次冷却后还可以热轧,热轧的压下率不大于15%,热轧温度900~1200℃,优选压下率不大于10%。
钢水成分中还包含Sn、Sb、Cu、Cr和Ni中的一种或多种,单个元素的含量不超过0.1%,总量不超过0.2%,重量百分比计。
铸带厚度优选小于3mm。
又,二次冷却采用喷气冷却,冷却气体为氩气、氮气或氦气,或者是几种混合气体,冷却速度大于35℃/s。
如果钢水成分中的碳含量高于0.003%时,无取向硅钢必须经过脱碳退火,退火温度850℃~1080℃,优选950℃~1080℃,使碳含量低于0.003%;退火在可控气氛如氢气或者氢气氮气混合气体中进行。
在本发明的薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法中:
浇铸,钢水通过一对内部具有循环冷却作用的结晶辊,经过快速凝固后直接浇铸出1~5mm厚的铸带,优选小于3mm。该步骤一方面要将钢水在结晶辊内快速凝固成一定厚度规格的铸带,还要通过合理的工艺来控制柱状晶和等轴晶的比例。我们知道对于电工钢,在(100)晶面上有两个易磁化的<001>轴,因此该(100)面铁损会降低。而薄带连铸铸带的柱状晶的生产方向恰恰是沿着(100)晶面生长的,因此柱状晶比例高则有利于硅钢性能的提高。硅钢的使用状态都是冷轧薄板,其厚度规格为0.3~0.5mm。如果铸态组织中柱状晶比例高,则在后续的轧制过程中容易产生严重的瓦楞状缺陷,影响用户使用。因此合理控制柱状晶和等轴晶比例是本步骤的关键。在本发明中对于硅<2.5wt%的中低牌号硅钢,过热度不大于25℃,带厚不小于1.5mm,控制等轴晶比例大于50%;对于硅大于2.5wt%的高牌号无取向硅钢,过热度不大于15℃,带厚不小于1.8mm,控制等轴晶比例大于85%。
二次冷却,铸带从结晶辊浇铸出来后,经过密闭室,在密闭室内安装二次冷却装置,以控制铸带的冷却速度,使其冷却速度大于20℃/s。这是因为铸带在高温晶粒长大很快,必须控制晶粒长大的速度。
热轧,本发明可以经过热轧和不经过热轧两种工艺。热轧的压下率不大于15%。热轧温度900~1200℃。如果热轧压下率大于15%,则热轧工艺会使硅钢发生再结晶,使铸态中有利织构被破坏,同时由于边部和中心温度不均匀,热轧后的再结晶组织会不均匀,这导致产品的性能不稳定。不大于15%的热轧目的是平整作用,改善铸带的板形和厚度差,并不是为了减薄铸带或者改善内部质量。优选压下率不大于10%。
三次冷却,冷却速度不大于30℃/s。不经过或者经过不大于15%的热轧后的铸带,通过控制冷却,达到控制温度和微观组织的目的。随着硅含量的增加,钢种脆性相增加,很容易形成表面裂纹,尤其在快速冷却的条件下,为了提高表面质量,减少裂纹发生,采取缓慢冷却。三次冷却采取喷水、喷射气-水混等冷却系统,通过喷嘴设计、喷射角度、流速、喷水密度等可以实现对冷却速度的控制。三次冷却的温度范围是1000℃~600℃,优选的冷却速度不大于15℃/s。
卷取,卷取温度大于600℃。当卷取温度低时,容易产生裂纹。另外铸造并热轧的钢带的退火可以借助自退火进行。在自退火中热轧钢带由其保留的热量进行退火。优选卷取温度大于680℃。冷却到室温。为了避免裂纹,卷取后的钢带缓慢冷却到室温。
酸洗,是最普通的除磷方法。一种或者多种无机酸的水溶液对金属表面进行化学清洗处理。
冷轧,根据产品的厚度要求以及钢种的成分,可以一道次冷轧或者带中间退火的二次冷轧。
脱碳,如果钢水成分中的碳含量高于0.003%时,无取向硅钢必须经过脱碳退火,使碳含量低于0.003%,这样最终退火钢带将不会发生磁退化。退火的温度高于850℃,但低于1080℃;优选方案高于950℃;退火在可控气氛,例如氢气或者氢气氮气混合气体中进行。
退火,对铸造并轧制的钢带进一步进行最终退火处理,在退火处理中,获得所要求的磁性能。退火的温度高于850℃,但低于1080℃;优选方案高于950℃;退火在可控气氛,例如氢气或者氢气氮气混合气体中进行。
本发明薄带连铸冷轧无取向硅钢薄板的钢水成分重量百分比为:C≤0.01%,Si≤3.5%,Mn≤2%,Al≤1%,P≤0.1%,S≤0.01%,N≤0.01%,O≤0.02%,余铁和不可避免杂质。成分中还包含Sn、Sb、Cu、Cr和Ni中的一种或多种,单个元素的含量不超过0.1%,总量不超过0.2%。
碳:0.01%以下。碳是强烈地阻碍晶粒长大的元素,引起铁损增加和磁时效。超过0.01%将给脱碳带来严重负担。优选控制在0.003%以下,如果碳的范围大于0.003%小于0.01%,则增加脱碳步骤。
硅:小于3.5%。硅是硅钢片中的重要合金元素,对硅钢的电磁性能有明显的影响。硅能显著减少硅钢内的涡流损失,从而减少总铁芯损失,减少晶体各向异性和磁阻,使磁化容易;硅还能减轻钢中其它杂质的危害,使碳石墨化,降低对磁性的有害影响。但硅是脆性元素,当含量大于3.5%,加工性很差,使后续轧制变得很困难。
锰:小于2%。锰的主要改善电工钢的表面状态,锰的作用与硫含量有密切关系,锰与硫形成MnS,可防止沿晶界形成低熔点的FeS所引起的热脆现象。锰含量高于2%将使钢板加工性裂化。
铝:小于1%。铝是增加电阻元素,是电工钢最重要的合金元素。铝在铁中的作用与硅相似,缩小奥氏体区和促使晶粒长大,会提高体积电阻率,降低铁损,提高硬度。但若存在颗粒形状的Al2O3,将会破坯磁性。另外,铝在凝固之后的冷却期间会与其它元素结合,形成加工期间可能会抑止晶粒长大的析出物。但铝超过1%,使浇铸困难。
磷:小于0.2%。在钢中添加一定的磷可以改善钢板的加工性,但超过0.2%时,反而使钢板冷加工性裂化。
硫:0.01%以下。超过0.01%将使MnS等S化物析出量大大增加,强烈阻碍晶粒长大,铁损劣化。
氧:0.02%以下。氧形成SiO2、Al2O3和MnO等氧化物夹杂,超过0.02%将使氧化夹杂量大大增加,强烈阻碍晶粒长大,同时使夹杂引起的的退磁场增加,铁损和磁感劣化。
氮:0.01%以下。氮为有害元素,使矫顽力升高,导磁率降低。超过0.01%将使ALN等氮化物析出量大大增加,强烈阻碍晶粒长大,铁损劣化。
其他元素:钢水中允许存在一定量的Sn、Sb、Cu、Cr、Ni、B等元素。这些元素主要是钢中的残余元素,单个元素的含量范围不超过0.1%,累计总和不超过0.2%,可以改善成品板的织构。但含量增加后,使磁性降低。
与中国专利CN1463811的主要区别在于实施技术方案不同。该发明的实施方案只有结晶辊凝固,热轧和卷取三个主要步骤。本发明为了进一步控制组织和性能,达到发明的目的,在解决方案中尤其增加了二冷和三冷的控制。
与中国专利CN1611616的主要区别在于本发明铸带的厚度1~5mm。
与中国专利CN1665943A、美国专利US7140417B2、US7011139B2的主要区别在于:1)熔体的成分不同。该公开文献公布的成分为最多6.5%硅,最多5%铬、最多0.05%碳、最多3%Al,最多3%锰,其余为铁。在其发明说明书中强调了其中铬含量的优选范围0.5%~2%,并且强调铬的添加目的是提高体积电阻率。为了保持所要求的相平衡和微观组织特征,提高强韧性而必须加入。本发明的成分设计中不含铬,铬作为钢种的残余元素要控制其含量。对比文献的实施例中虽然给出了不经过热轧直接冷轧的实施例,其技术方案是通过控制铸带从结晶辊出来后的带钢的冷却速度,达到控制组织和相组成的目的,从而得到良好的产品性能。而本发明中通过控制等轴晶的比例,消除了冷轧产品中的瓦楞状缺陷,对于硅<2.5wt%的中低牌号硅钢,过热度不大于25℃,带厚不小于1.5mm,控制等轴晶比例大于50%;对于硅大于2.5wt%的高牌号无取向硅钢,过热度不大于15℃,带厚不小于1.8mm,等轴晶比例大于85%。将冷却过程分为二次冷却和三次冷却过程,二次冷却采取快冷,控制晶粒度;三次冷却采取缓慢冷却的控制方案,可减少裂纹的产生。
与美国专利US5482107相比,本发明无需保留铸带的有利织构,依然可以获得高磁感低铁损满足用户要求的薄规格的冷轧产品。
本发明的有益效果
(1)本发明运用薄带连铸能够浇铸薄规格带钢,以及铸态组织中的柱状晶是有利织构面的特点,可以省略热轧工序或者在小热轧变形量的条件,生产出满足用户需求的产品。这样不仅减少了工序,避免因热轧工艺不当引起的质量缺陷,同时减少了设备损耗,降低了设备维护检修成本。
(2)本发明通过提高铸带中等轴晶比例,从而改善产品冷轧过程中的瓦楞状缺陷,无须增加电磁搅拌以及其他设备,节省投资和设备维护成本。
(3)本发明通过薄带连铸快速凝固的特点,放宽了无取向硅钢冶炼的成分范围,降低了冶炼成本。
(3)本发明工艺流程短、能耗低、效率高、生产成本低、制造方法简单、节能降耗明显。
附图说明
图1为本发明薄带连铸连轧工艺流程示意图;
图2为本发明的一种薄带连铸工艺流程;
图3为本发明另一种薄带连铸工艺流程;
图4a~图4c为本发明实施例A1、B1、C1涉及的铸带凝固组织示意图。
具体实施方式
本实施例中无取向硅钢冷轧薄板的制造流程为:经过转炉或者电炉冶炼、经过精炼工序后,冶炼出温度和成分满足要求的钢水,经过双辊薄带连铸,二次冷却、热轧(不大于15%)、三次冷却、卷取、冷却到室温、酸洗、冷轧、(脱碳)、最终退火,获得满足用户需求的高磁感低铁损的冷轧无取向硅钢薄板。
更具体地,如图1所示,经过转炉或者电炉冶炼、经过精炼工序后,冶炼出温度和成分满足要求的钢水。达到本发明实施例的钢水冶炼成分见表1,有A、B、C、D四个成分,单位为质量百分数%。钢水从钢包1经过长水口2、中间包3和浸入式水口4浇入到由两个相向旋转的水冷结晶辊5、5’和侧封板6形成的熔池7内,经过水冷结晶辊5、5’的冷却形成1~5mm铸带8,铸带经过在密闭室14内的二次冷却装置15控制其冷却速度,通过摆动导板9、夹送辊10将铸带8送至热轧机11,再经三次冷却装置12,直至卷取机13。密闭室14内的气体是惰性气体的保护性气氛。二次冷却由气喷嘴和支架等组成,其压力、流量和位置可以调节和控制。冷却气体可以是氩气、氮气、氦气等惰性气体,或者是几种气体的混和气体。三次冷却采用水冷、气雾冷却、层流冷却或者喷淋冷却等。将钢卷从卷取机取下后,经过缓慢冷却至室温,经过酸洗、冷轧、脱碳、退火等工艺。主要的工艺流程见图2和图3。在该流程中,可以不经过热轧直接冷轧;也可以小于15%热轧。如果成分中碳含量低于0.003%,不需要经过图2和图3的脱碳退火工序。冷轧可以一次冷轧,也可以采取带中间退火的二次冷轧。主要的工艺参数见表2。不同成分典型的铸带组织见图4a~图4c。
实施例1
采用电炉或者转炉熔炼钢水,经过精炼工序后,将满足表1中的A成分要求,余为Fe的钢水,浇铸成铸带。由于该成分中碳含量小于0.003%,因此不需要经过脱碳处理。实施例A1生产的工艺流程选择图2流程中无热轧、无脱碳流程;实施例A2的生产工艺流程选择图2流程中有热轧、无脱碳流程,主要的工艺参数和产品的性能见表2中的A1和A2。
实施例2
采用电炉或者转炉熔炼钢水,经过精炼工序后,将满足表1中的B成分要求,余为Fe的钢水,浇铸成铸带。由于该成分中碳含量小于0.003%,因此不需要经过脱碳处理。B1生产的工艺流程选择图2流程中无热轧、无脱碳流程;B2选择图2中有热轧、无脱碳流程,主要的工艺参数和产品的性能见表2中的B1和B2。
实施例3
采用电炉或者转炉熔炼钢水,经过精炼工序后,将满足表1中的C成分要求,余为Fe的钢水,浇铸成铸带。由于该成分中碳含量小于0.003%,因此不需要经过脱碳处理。C1生产的工艺流程选择图2流程中无热轧、无脱碳流程;C2选择图3中有热轧、无脱碳流程,主要的工艺参数和产品的性能见表2中的C1和C2。
实施例4
采用电炉或者转炉熔炼钢水,经过精炼工序后,将满足表1中的D成分要求,余为Fe的钢水,浇铸成铸带。由于该成分中碳含量大于0.003%,因此需要经过脱碳处理。D1生产的工艺流程选择图2流程中无热轧、有脱碳流程;D2选择图2中有热轧、有脱碳流程,主要的工艺参数和产品的性能见表2中的D1和D2。
Claims (10)
1.薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法,包括如下步骤:
1)冶炼,钢水成分重量百分比为:C≤0.01%,Si≤3.5%,Mn≤2%,Al≤1%,P≤0.1%,S≤0.01%,N≤0.01%,O≤0.02%,余铁和不可避免杂质;
2)浇铸,钢水通过一对内部具有循环冷却作用的结晶辊,经过快速凝固后直接浇铸出1~5mm厚的铸带;对于硅含量<2.5wt%的中低牌号硅钢,过热度不大于25℃,带厚不小于1.5mm,控制等轴晶比例大于50%;对于硅含量>2.5wt%的高牌号无取向硅钢,过热度不大于15℃,带厚不小于1.8mm,控制等轴晶比例大于85%;
3)二次冷却,铸带从结晶辊浇铸出来后,经过密闭室,在密闭室内安装二次冷却装置,冷却速度大于20℃/s,二次冷却的控制温度范围为:1350℃~1000℃;
4)三次冷却,冷却速度不大于30℃/s,三次冷却的温度范围是1000℃~600℃;
5)卷取,卷取温度大于600℃;
6)酸洗,除磷;
7)冷轧,根据产品的厚度要求以及钢种的成分,可以一道次冷轧或者带中间退火的二次冷轧;
8)最终退火处理,退火温度850℃~1080℃;退火在可控气氛如氢气或者氢气氮气混合气体中进行。
2.如权利要求1所述的薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法,其特征是,步骤3)二次冷却后还可以热轧,热轧的压下率不大于15%,热轧温度900~1200℃。
3.如权利要求2所述的薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法,其特征是,热轧压下率不大于10%。
4.如权利要求1所述的薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法,其特征是,钢水成分中还包含Sn、Sb、Cu、Cr和Ni中的一种或多种,单个元素的含量不超过0.1%,总量不超过0.2%,重量百分比计。
5.如权利要求1所述的薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法,其特征是,铸带厚度优选小于3mm。
6.如权利要求1所述的薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法,其特征是,二次冷却采用喷气冷却,冷却气体为氩气、氮气或氦气,或者是几种混合气体,冷却速度大于35℃/s。
7.如权利要求1所述的薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法,其特征是,卷取温度优选大于680℃。
8.如权利要求1所述的薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法,其特征是,最终退火温度950℃~1080℃。
9.如权利要求1所述的薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法,其特征是,如果钢水成分中的碳含量高于0.003%时,无取向硅钢必须经过脱碳退火,退火温度850℃~1080℃;使碳含量低于0.003%;退火在可控气氛如氢气或者氢气氮气混合气体中进行。
10.如权利要求9所述的薄带连铸冷轧无取向电工钢的制造方法,其特征是,脱碳退火退火温度优选950℃~1080℃。
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