CN102574273A - 钢材制品的喷丸处理法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供在对热硬化处理后的钢材制品即被加工品的被处理面进行喷丸(以下简称为“SP”)处理的方法中,能够使上述钢材制品的处理面的耐久性(尤其是耐热循环性)显著提高的SP处理法。在对热硬化处理后的钢材制品即被加工品进行SP处理的方法中,包括除去由热硬化处理产生的化合物层(白层)的第一SP处理、及对该第一SP处理后的第一SP处理面赋予压缩残留应力的第二SP处理,对于第一SP处理面的化合物层是否被除去,经过基于非破坏检查的合格与否判定,仅对合格品进行上述第二SP处理。

Description

钢材制品的喷丸处理法
技术领域
本发明涉及对热硬化处理后的钢材制品即被加工品进行赋予压缩残留应力的喷丸(以下简称为“SP”)处理的钢材制品的喷丸处理法。
在此,作为热硬化处理,采用氮化(nitriding)处理后的模具(钢材制品)为例进行说明。就模具、尤其是轻合金(Al、Mg)的模铸用模具而言,每次成型都会反复进行加热和冷却,从而导致产生小的裂纹(热裂,heat check)。因此,对上述模具的赋形面要求耐热裂性(耐热应力疲劳龟裂性)和高精度。
但是,本发明对其它锻造用模具(冷、热)也适用,进而自不必说对要求高度耐久性的齿轮、弹簧等钢材制品也适用。
应予说明,本说明书中“维氏硬度(HV)”基于“JIS Z 2244”。
另外,在技术用语“喷丸”中,即使不以本来的“喷砂”为目的,也与“喷丸”同样地还包括将由丸粒所代表的投射材(包括砂粒、切制钢丝)投射到被加工物上并以“磨削/研磨”为目的的喷射加工法(冷加工法)。
背景技术
如上所述,以往,为了尽可能地防止模具(钢材制品)的热应力疲劳龟裂(热裂纹),进行赋予压缩残留应力的SP处理,这是公知的(例如,参照专利文献1、2)。
在专利文献1中记载有利用规定硬度、粒径的球状投射材(丸粒)适当改变其硬度、粒径地对热处理后的模具(钢材制品)进行多次喷砂处理(权利要求3等)。
在专利文献2中记载有在专利文献1的喷砂处理中使用高硬度且低杨氏模量的非晶型投射材(丸粒)(权利要求3等)。
但是,专利文献1、2均以锻造乃至压制用模具为对象(专利文献1的第0001段、专利文献2的第0002段),并非以本发明最适对象制品的模铸用模具作为预定对象。进而,在专利文献1、2中未对如下内容给予任何公开或启示:在积极地除去由热处理(热硬化处理)产生的化合物层(高碳化物层)后进行赋予压缩残留应力的SP处理。
另一方面,在专利文献3~5等中记载有如下技术:其并非与对模具赋形面进行SP处理有关的技术,但是在SP处理之前在作为氮化处理后的钢材制品的螺旋弹簧、齿轮中除去表面异常层(白层、化合物层)的技术。表面异常层的除去用于使赋予压缩残留应力的SP处理效果增大。
在专利文献3中记载有用电解处理除去氮化处理后卷曲成型品的白层后,实施SP处理的螺旋弹簧的制造方法(参照权利要求1等)。在本专利文献中所记载的化合物层(白层)的除去技术与本发明不同,不是利用丸粒的除去。
在专利文献4中记载有对包括氮化处理的热硬化处理后的齿轮的齿底和齿根投射(发射)尖角形状的高硬度粒材并除去后进行喷丸的技术(权利要求1等)。在本专利文献中未记载与利用氮化处理层除去方式提高耐久性有关的信息。
在专利文献5中记载有对于氮化处理后的钢制齿轮(钢材制品)齿轮的齿面通过使用维氏硬度为100以上的硬丸粒粒子而除去化合物层,使氮扩散层在齿轮的齿面露出的技术(专利权利要求的范围等)。在该专利文献中记载的技术与像本发明这样的进行清楚区别用于除去化合物层的喷丸和赋予压缩残留应力的喷丸的二阶段处理的技术不同。
进而,在非专利文献1的第103~104页的“4.2.3表面处理模具要求的特性”一项中,关于模铸用模具的氮化处理,有下述记载。
“在明确地形成氮化物层的处理的情况下,处理阶段中表面由于氮化处理层中的压缩应力的影响而纵向弯曲,残留应力降低,之后取得成为最大应力的分布形态。另外,气体氮化物的形成少时,显示出从最表面起取得压缩残留应力最大值并缓慢降低的分布形态。该状态是具有倾斜功能的表面处理的形态,在承受热循环的模铸模具中由氮化物分解而导致的残留应力的变化少,即使在加热-冷却的热循环时表面层的应力梯度也会缓慢地变化而显示出良好的结果。应予说明,在形成有厚氮化物的处理中,认为在热循环过程中伴随着表面氮化物的分解,拉伸应力发生变化。因此氮化部分增厚的氮化处理模具在操作过程中裂纹产生时间早,在模具表面会被认为是缺陷。但是,在分解过程中裂纹没有明确地扩大、发展,即使循环数增加开口宽度也未明确地发生变化”。
如上所述,至少在模具中,未看到与积极地利用丸粒处理除去化合物层有关的现有技术文献。
进而,模具自不必说,即使在包括齿轮、线圈的钢材制品中,对于用丸粒处理是否充分地除去了化合物层,也未确立其判定、确认方法,查明是否充分地除去化合物层的信息也未在实用水平上得到使用。
专利文献
专利文献1:日本特开平10-217122号公报
专利文献2:日本特开2003-191166号公报
专利文献3:日本特开平5-156351号公报
专利文献4:日本特开2002-166366号公报
专利文献5:日本特开2006-131922号公报
非专利文献
非专利文献1:日原政彦著“模铸用模具的寿命对策”日刊工业新闻社,2003年,第103~104页
附图说明
[图1]是用于说明本发明的喷丸处理法的流程图。
[图2]是分别表示本发明中使用的喷丸装置的一例即空气式加速装置中的(A)吸入式(重力式)、(B)直压式的模型图。
[图3]是涡电流传感器的涡电流产生原理图及表示在正常状态和异常状态中的涡电流形态的模型图。
[图4]同是在检测时正常状态和异常状态的检测波形的模型图。
[图5]是示出利用涡电流检查装置判别是否除去化合物层的3σ判定圆和2.5σ判定圆的显示模型图。
[图6]是表示本发明的喷丸处理系统的一例的平面模型图。
[图7]同是正面模型图。
[图8]是表示耐热循环性的试验方法的模型图。
[图9]是用于上述试验方法的热循环的模型图。
[图10]是表示耐热循环性试验结果的截面照片。
发明内容
于是,近来在模铸用模具等中期望着进一步提高耐热应力疲劳龟裂性(耐热裂性)。
鉴于上述,本发明的目的(课题)在于,提供在对热硬化处理后的钢材制品即被加工品的被处理面进行喷丸(以下简称为“SP”)处理的方法中,能够使上述钢材制品的处理面的耐久性(尤其是耐热循环性)显著提高的SP处理法。
因此,本发明人等尝试如下:在模铸用模具等中,在赋予压缩残留应力的喷丸之前,通过使用高硬度丸粒乃至锐角状投射材(砂粒)的喷丸而除去氮化处理后的氮化物层(化合物层)。
然后,本发明人等在对于模具的热应力疲劳龟裂(热裂)深入研究喷丸造成的现象的过程中认识到在第一次丸粒处理中充分除去化合物层(实质上未观测到化合物层的痕迹)是重要的,想到本发明所涉及的下述构成的钢材制品的喷丸处理法。
其特征在于,是一种对热硬化处理后的钢材制品即被加工品进行喷丸(以下简称为“SP”)处理的方法;
包括:
除去由热硬化处理产生的化合物层的第一SP处理、和
对该第一SP处理后的第一SP处理面赋予压缩残留应力的第二SP处理,
对于第一SP处理面的化合物层是否被除去,经过基于非破坏检查的合格与否判定,仅对合格品进行上述第二SP处理。
就本发明的钢材制品的喷丸处理方法而言,经过化合物层是否由第一SP处理充分地除去的合格与否判定,从而如后述实施例所示,能够与以往相比显著地防止模具发生起因于热裂(热应力疲劳)的龟裂(热裂)。例如,如后述实施例所示,即使进行了第一SP处理,如果其不充分,则与不进行第一SP处理时相比,龟裂(裂纹)数停留在约1/4,与此相对,如果利用第一SP处理完全除去,则龟裂数变为约1/30(参照图10)。
作为结果,能够尽可能稳定地解决由热循环导致的热裂(热应力疲劳龟裂)产生的问题。
可以将合格与否判定后的不合格品预先收集、汇总,进行第一SP处理,但是也能将不合格品连续地退回至第一SP处理。
优选通过利用涡电流传感器的非破坏检查法进行上述合格与否判定。其具有可对被加工品的全部点进行判定这样的优点。即,在是否残留化合物层的检查中存在破坏检查和非破坏检查,但破坏检查不适合实用。原因是在实用水平上需要进行全部点的检查而在使用破坏性的测量方法中不能进行全部点的检查的缘故。例如,如果测定硬度,则会在测定时残留压痕。
进而,通过利用涡电流传感器非破坏地进行检查,从而具有能够减少工时数、装置变得简易这样的优点。例如,作为非破坏检查,还考虑到组织检查,但在像模具这样的大型制品中组织观察存在耗费工时数这样的问题。另外,X射线检查中存在装置变得非常大规模这样的问题。
应予说明,虽然公知非破坏地测量压缩残留应力是公知的,但本发明人等确认压缩残留应力与化合物层的残留率无相关关系。
另外,钢材制品不限定于经氮化处理的钢材制品,也能适用于经渗碳、淬火等热硬化处理的钢材制品。
具体实施方式
下面,对用于实施本发明的方式进行说明。
在此,作为热硬化处理后的钢材制品即被加工品,采用氮化处理后的轻合金模铸用模具(例如SKD制造)为例进行说明。
在本发明中,“氮化处理”是指通过将含有Al、Cr、Mo、Ti和V中的任意一种以上的合金钢在NH3气中于500℃附近的低温进行加热而在其表面获得极其坚硬的氮化层的热处理。
目前,氮化法有气体法、盐浴法、等离子体(离子)法。
各氮化处理法根据处理物的加热方法和氮化中所需活性氮的供给法不同而有很大的不同。
氮化与渗碳淬火和高频淬火不同,其特征是在NH3气中加热至约500℃,使氮渗透到钢的表面而使氮化铁的硬化层生成,之后不需要淬火等操作。
因此,氮化的处理温度与其它表面硬化法不同,由于是500~600℃的低温、是α-Fe区域的处理,因此即使实施氮化处理,由氮化导致的直接尺寸变形也少,此外由于在氮化层的最表面层存在稳定的压缩应力,因此具有耐磨损性和耐疲劳性,即使温度上升到接近约600℃也不会引起软化,对热也比较稳定,耐腐蚀性也比较良好,因此在工业上得到广泛应用。
气体氮化法利用活性氮的扩散在钢表面获得高硬度的扩散层,其氮化机理为使得通过以如下反应:
Figure BDA0000147931530000071
分解NH3气而产生的生成气体中的N扩散至钢材中,获得氮化层。
钢即使在分子状的氮气(N2)中也进行极其微量地吸收,但其量不过0.0005%左右。因此可以认为在分子状的氮气中事实上完全未氮化。NH3在氮化的处理温度下容易分解,由此产生的N扩散到钢上而制成氮化物。含有纯铁、碳钢或者Ni、Co等金属元素的合金钢即使氮化也不硬化,但含有Al、Cr、Mo、Ti、V等金属元素的合金钢制成稳定的坚硬氮化物而硬化。即,与N化合而生成高硬度氮化物的金属元素的合金钢被确认有显著的硬度增大。
换言之,氮化法不是通过组织改变而进行硬化,而是通过制成硬度高的氮化物而显著地硬化的现象,因此氮化处理后也与淬火等不同,不需要骤冷。
在此,“化合物层(白层)”是指比氮的扩散层更靠近表面地形成的以氮化物、碳化物、氮碳化等为主体的层,具有非常硬、脆的特征。
并且,如图1所示,本发明的SP处理基本上包括除去化合物层(白层)的第一SP处理、及对该第一SP处理后的第一SP处理面赋予压缩残留应力的第二SP处理,经过化合物层是否由第一SP处理除去的基于非破坏检查的合格与否判定,仅对合格品进行上述第二SP处理。
在此,“第一SP处理”为以磨削除去在进行氮化处理时生成的表面的化合物层(白层)为目的,使用刚铝石、金刚砂之类的硬质、尖锐形状的投射材(砂粒、切制钢丝)、高硬度的球状投射材(丸粒)进行的处理。
在用第一SP处理除去表面的化合物层时,需要选定投射材的硬度、粒径、及投射速度,以使得达到位于化合物层下部的扩散层时不进行除去。例如就投射材的硬度而言,从维氏硬度为(JISZ2244)HV1200~3000(优选为1700~3000)、粒度号码为(JISR6001)200~220(优选30~100)的范围中进行适宜选定。另外,就投射速度而言,例如在使用空气式加速装置投射上述投射材时,作为投射气压,从0.05~1MPa(优选为0.1~0.5MPa)的范围中进行适宜选定。
“第二SP处理”为以赋予压缩残留应力为目的的喷丸处理。就用于第二SP的丸粒而言,为通用的喷丸用丸粒,例如从硬度为HV500~1200(优选为HV900~1200)、粒径为0.02~1mm(优选为0.05~0.2mm)的范围中进行适宜选定。另外,就投射速度而言,例如使用空气式加速装置投射上述丸粒时,作为投射气压,从0.05~1MPa(优选为0.1~0.5MPa)的范围中进行适宜选定。
应予说明,作为用于第一SP处理和第二SP处理的SP装置,不特别限定。例如能够使用图2(A)、(B)所示的空气式加速装置(吸入式(重力式)、直压式(加压式))、未图示但向高速旋转的叶轮供给投射材而进行投射的离心式加速装置等。
“涡电流”是指通过将交流磁通量从线圈照在材料上而产生的涡状电流(图3(A))。该涡电流放出使来自线圈的磁通量抵消的磁通量(图3(B)),如果材料中存在不连续部分(损伤、开裂、应变等)的异常状态,则与正常状态不同绕过此处而流动(图3(C))。因此,在化学成分、晶体结构等与正常品相比存在不同变化时,输出的波形不同(图4)。因此,通过读取该输出的变化,能够判定判定对象是否进行所希望的处理。(引用自KAISEI ENGINEER株式会社主页“MDK传感器测定原理”)
表1是给与电导率和导磁率的组织影响因素的一览。
[表1]
  组织的状态   电导率   导磁率
  化学成分   ◎   ○
  晶体结构   ×   ◎
  组织构成   ○   ○
  内部应力   ○   ◎
  微小裂纹   ○   ○
  应变·变形   ×   ○
  残留奥氏体   ○   ◎
在表1中,◎表示影响的程度大。○表示给与影响。×表示未给与影响。
因此,可知化学成分对电导率给与大的影响。此外,可知晶体结构、内部应力、残留奥氏体对导磁率给与大的影响。即,能够在涡电流检查装置中间接地读取电导率、内部应力、残留奥氏体的变化。
因此,利用涡电流传感器,在多个点(例如20处)测量第一SP处理前的组织状态,同样在多个点(例如20处)测量第一SP处理后的组织状态时,能够判定显著差异(是否除去化合物层)。
即,对在被加工品中的未处理品或者处理完成品的非处理部位的多个点的由交流磁通量产生的电流中的振幅差(电压)和相位差(时间)两者进行测定,在介由计算电路与涡电流传感器连接的显示器上,使与随机变量(矢量)X的μ-nσ<X<μ+nσ(其中,μ:平均值,σ:标准偏差,n:2.5~~3.5)对应的上述相位差和振幅差的范围以判定圆的形式表示,将处理完成部分对应的多个点全部标绘在该判定圆的外侧的情况判定为合格品,从而能够容易地判定是否除去化合物层(参照图5)。
即,如果多处测定点全部表示在判定圆的外侧,则能够对与化合物层异质的组织状态(完全除去化合物层)作出结论。对于n=2.5、3、3.5,各判定圆内包含化合物层的期望值(P:区间概率)分别如下所述。
P(μ-2.5σ<X<μ+2.5σ)=0.9879;
P(μ-3σ<X<μ+3σ)=0.9973;
P(μ-3.5σ<X<μ+3.5σ)=0.9996
因此,为了避免错误判定,3σ的判定圆是合适的,但也能够使用以从n=2.5~3.5中进行适宜选择的随机变量(X)的范围表示的判定圆。
<喷丸系统>
在图6~7中,表示钢材制品的SP处理系统的一例。由第一传送装置10将被加工物(加工品)W传送到第一SP装置50的第一SP处理室51内,从投射喷嘴52对被加工物W喷射投射材,而实施第一SP处理。
将实施了第一SP处理的被加工物W由第一传送装置10从第一SP装置50传送到合格与否判定装置70,判定是否适当地除去被加工物W表面的化合物层。
合格与否判定装置70具备探头(测量触头)71和解析装置72。介由探头71测定被加工物W的表面状态,将已判定为适当地除去表面化合物层的被加工物W由第二传送装置20传送到第二SP装置60的第二SP装置61内,从投射喷嘴62对被加工物W喷射投射材,而实施第二SP处理。该第二SP处理完成后,由第二传送装置20从第二SP装置60传送集聚到规定位置。这样就完成一系列的喷丸处理。
另一方面,就由合格与否判定装置70判定为未适当地除去被加工物W表面化合物层的“不合格品”的被加工物W而言,根据来自合格与否分配控制装置73的信号,由合格与否分配装置30分配到不合格品传送装置40,由不合格品传送装置40再次传送到第一SP装置50,而实施第一SP处理。就实施了第一SP处理的被加工物W而言,再次与上述同样利用合格与否判定装置70进行判定,如果是合格品则实施第二SP处理,而完成一系列的喷丸处理。
此外,对于各投射喷嘴52、62而言,其与成为投射动力源的压缩空气供给装置53、63进行连接,并且以能够从同一料斗54、64供给投射材的方式与投射料斗54、64进行连接。进而,为了将使用完的投射材进行再次使用,使投射材介由分级装置55、65循环到投射材料斗54、64,使其可部分循环使用。应予说明,图中56、66是集尘机。
应予说明,该喷丸系统不限定于图6~7,能够进行适当变更。
例如,就用合格与否判定装置70判定为不合格品的被加工物W而言,也能够不直接传送到第一SP装置50地暂时集聚在其它地方,在汇集到某种程度的数量的时候实施第一SP处理。另外,第一SP装置和第二SP装置也可兼用。
实施例
接着,基于实施例(是否除去化合物层的验证试验)对本发明进一步详细说明。
试验片使用气体氮化处理后(化合物层厚度:5μm)的SKD61材(直径15mm×高度20mm)。
第一SP处理、第二SP处理的各条件示于表2中。
[表2]
Figure BDA0000147931530000111
涡电流检查装置使用“MAGNATEST D HF PROBE”(JapanFoerster株式会社)。
然后,在第一SP处理中,实施例以0.56kg/min的投射量进行30s处理,比较例以相同的投射量进行15s处理。
然后,对于未处理品以及比较例、实施例的各第一SP处理品,使用上述涡电流装置,分别利用涡电流读取20处(测定间距5~10mm)的组织变化,将其结果表示在示出相位差(时间)和电压的二维坐标上,并且求得标准偏差(σ),使其表示如图5所例示的随机变量X与μ-3σ<X<μ+3σ的范围对应的判定圆。
因此,通过本验证实验可知能够效率良好地判别是否除去化合物层。
关于有无氮化化合物层和喷丸处理对热应力疲劳龟裂产生给与的影响,进行热裂试验来确认。
热裂试验是用于模拟重复受到因铝熔液和脱模材所致的加热、冷却的模铸模具的热疲劳的试验,是在将使用高频线圈在短时间内加热、水冷的循环重复规定次数时评价试验片中产生的龟裂的试验。将耐热裂性试验的概念图示于图8,将其加热曲线示于图9。
准备如下各试验片:1)直接氮化(有5~10μm的化合物层)、2)第一SP(化合物层除去不完全:上述比较例(参照第0070段))+第二SP、3)第一SP(上述实施例)+第二SP,在给予了1万次热疲劳后调查产生的龟裂数。龟裂数多的试验片可以说热疲劳特性差。将其结果示于图10。
由图10可确认:在直接进行了氮化的状态下的耐热裂性试验后的龟裂数为3490条,与此相对,通过实施喷丸处理,龟裂减少。特别是,可知在完全除去化合物层后经喷丸处理的试验片效果更高。
接着,对于使用与μ-2.5σ<X<μ+2.5σ的范围对应的判定圆的情况,进行验证。其结果如图5所示,没有将未处理部位作为处理部位进行判定。由此可知,在不限于模具地应用于齿轮、弹簧等钢材制品时,可考虑到使用时的要求强度、要求精度等,在以μ-nσ<X<μ+nσ的范围表示随机变量X的判定圆中,从n=2.5~3.5中适当选定n的数值。
该申请基于在日本于2009年9月30日申请的特愿2009-227935号,将其内容作为本申请的内容而形成本申请的一部分。
另外,通过本说明书的详细说明会更加完全地理解本发明。但是,详细说明和特定实施例是本发明优选的实施方式,是仅用于说明的目的而记载的。这是由于对于本领域技术人员而言,从该详细说明可清楚明白各种变更、改变。
申请人并不意欲将记载的任一种实施方式均奉献给公众,在所公开的改变、代替方案之中,可能书面上未包含在专利保护范围内的内容也作为均等论下的发明的一部分。
在本说明书或者专利保护范围的记载中,就名词和同样的指示语的使用而言,只要不特别指示,或者只要根据文脉未明确否定,应该解释成包含单个和多个两者的词。在本说明书中提供的任何例示或者例示的用语(例如“等”)的使用也不过是仅意图易于说明本发明,只要不是特别记载于保护范围中就并非对本发明的范围加以限制。

Claims (8)

1.一种钢材制品的喷丸处理法,其特征在于,是对热硬化处理后的钢材制品即被加工品进行喷丸处理的方法,其中,喷丸以下简称为“SP”;
其包括:
除去由所述热硬化处理产生的化合物层的第一SP处理,及
对该第一SP处理后的第一SP处理面赋予压缩残留应力的第二SP处理;
对于第一SP处理面的化合物层是否被除去,经过基于非破坏检查的合格与否判定,仅对合格品进行所述第二SP处理。
2.根据权利要求1所述的钢材制品的喷丸处理法,其特征在于,进一步将所述合格与否判定后的不合格品退回第一SP处理。
3.根据权利要求1所述的钢材制品的喷丸处理法,其特征在于,用涡电流传感器进行用于所述合格与否判定的非破坏检查。
4.根据权利要求3所述的钢材制品的喷丸处理法,其特征在于,
所述合格与否判定如下进行:对被加工品中的未处理品或者处理完成品的非处理部位的多个点的交流电流的相位差(时间)和振幅差(电压)两者进行测定,将来自涡电流传感器的测定信号输入到介由计算电路连接的显示电路,将随机变量X为μ-nσ<X<μ+nσ的所述相位差和振幅差的范围在二维坐标中以判定圆的形式来表示,其中,μ:平均值,σ:标准偏差,n:2.5~~3.5;
将与处理完成部位对应的多个点的所述相位差、振幅差的测定点坐标全部被标绘在该判定圆的外侧的情况判定为合格品。
5.根据权利要求4所述的钢材制品的喷丸处理法,其特征在于,将随机变量X为μ-3σ<X<μ+3σ的所述相位差和振幅差的范围设为所述判定圆。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的钢材制品的喷丸处理法,其特征在于,所述热硬化处理后的钢材制品是含有Al、Cr、Mo、Ti及V中的任意一种以上的钢材制品的氮化处理品。
7.根据权利要求6所述的钢材制品的喷丸处理法,其特征在于,所述钢材制品是轻合金模铸用模具。
8.一种钢材制品的喷丸处理系统,其特征在于,是用于对热硬化处理后的钢材制品即被加工品进行喷丸处理的方法的喷丸处理系统,其中,喷丸以下简称为“SP”;
其包括:
在除去由所述热硬化处理产生的化合物层的第一SP处理中使用的第一SP装置,
在对所述第一SP处理后的第一SP处理面赋予压缩残留应力的第二SP处理中使用的第二SP装置,及
对于所述第一SP处理面的化合物层是否被除去进行合格与否判定的判定装置;
附设有如下装置:在所述判定装置中判定为合格时,将被加工品传送到第二SP装置的传送装置;及在判定为不合格时,将被加工品传送到第一SP装置的不合格品传送装置。
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