CN105543457A - 一种淬火冷却装置及车钩及其加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种淬火冷却装置,包括淬火水槽;所述淬火水槽设置有淬火区,所述淬火区内设置有用于向待处理工件喷水的多个水射流喷嘴,所述水射流喷嘴与冷却水装置连通。应用本发明提供的淬火冷却装置,通过水射流喷嘴向待处理工件喷水,在水压作用下,对于刚刚入水的处于较高温度下的工件,其表面的气膜被冲破,进而工件直接与冷却水接触,由于水的导热系数明显高于空气,能够更快的将待处理工件冷却,获得较多的马氏体组织,回火后工件的力学性能更为优异。同时,水射流喷嘴喷水的速度、位置、水压等易于控制,避免了工件冷却不均匀。本发明的还公开了一种采用上述淬火冷却装置进行淬火的车钩加工工艺及一种由该车钩加工工艺加工而成的车钩。
Description
技术领域
本发明涉及热处理技术领域,更具体地说,涉及一种淬火冷却装置,还涉及一种采用上述淬火冷却装置进行淬火的车钩加工工艺及由此加工而成的车钩。
背景技术
随着世界铁路货车提速、重载的不断发展,保证铁路货车运行的安全可靠性、提高关键大部件尤其是车钩的疲劳寿命显得十分重要。
现有材料车钩的制造工艺多通过造型-制芯-冶炼-浇注-清理而进行整体成型。热处理一般采用连续式热处理炉,工艺为一次预备正火+调质(淬火+高温回火)。淬火工序采用淬火水槽,其内的冷却介质一般为清水,冷却时采用高压风搅拌冷却。钢淬火热处理的目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体组织,然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。
然而,采用高压风搅拌,压缩空气向上逸出时,将使刚刚入水的处于较高温度下的车钩表面一直处于气膜的包围之中,由于空气导热系数很低,不仅严重影响车钩的冷却,而且因为气泡逸出和破裂时间无法控制,易造成冷却不均匀。而淬火时工件降温最关键的时段是开始淬火阶段的冷却速度,决定了最终获得马氏体组织的多少。因而,高压风搅拌淬火过程中,由于在工件表面形成蒸气膜,厚度不均,无法迅速的将工件热量带走,淬火烈度不足,没有获得足够多的马氏体组织。马氏体组织的不足导致经高温回火后车钩力学性能低于标准值。
综上所述,如何有效地解决高压风搅拌淬火烈度不足造成热处理工件硬度及综合机械性能低于标准等问题,是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的第一个目的在于提供一种淬火冷却装置,该淬火冷却装置的结构设计可以有效的解决高压风搅拌淬火烈度不足造成热处理工件硬度及综合机械性能低于标准的问题,本发明的第二个目的是提供一种采用上述淬火冷却装置进行淬火的车钩加工工艺,本发明的第三个目的是提供一种由上述车钩加工工艺加工而成的车钩。
为了达到上述第一个目的,本发明提供如下技术方案:
一种淬火冷却装置,包括淬火水槽;所述淬火水槽设置有淬火区,所述淬火区内设置有用于向待处理工件喷水的多个水射流喷嘴,所述水射流喷嘴与冷却水装置连通。
优选地,上述淬火冷却装置中,所述水射流喷嘴包括设置于所述淬火区四周的多个侧壁水射流喷嘴和设置于所述淬火区底部的底部水射流喷嘴。
优选地,上述淬火冷却装置中,所述水射流喷嘴包括设置于所述淬火区四周的多个侧壁水射流喷嘴和设置于所述淬火区底部的底部水射流喷嘴。
优选地,上述淬火冷却装置中,包括多个所述底部水射流喷嘴,还包括连接于所述底部水射流喷嘴与所述冷却水装置之间的截止阀,各所述截止阀分别控制两个所述底部水射流喷嘴的开闭。
优选地,上述淬火冷却装置中,所述冷却水装置为设置于所述淬火水槽中的储水区,所述储水区的底部与所述淬火区的底部连通,所述储水区与所述水射流喷嘴之间连接有用于将所述储水区中的冷却水泵送至所述水射流喷嘴中的泵体。
优选地,上述淬火冷却装置中,还包括用于控制所述水射流喷嘴喷水压力的变频器。
优选地,上述淬火冷却装置中,还包括控制器和用于检测所述淬火区水温与所述储水区水温的温度检测装置,所述控制器上设置有能够显示所述淬火区水温与所述储水区水温的显示装置。
本发明提供的淬火冷却装置包括淬火水槽,淬火水槽的上端开口,且包括淬火区,淬火区内设置有多个水射流喷嘴,水射流喷嘴与冷却水装置连通,进而水射流喷嘴能够向待处理工件进行喷水搅拌。
应用本发明提供的淬火冷却装置,通过水射流喷嘴向待处理工件喷水,在水压作用下,对于刚刚入水的处于较高温度下的工件,其表面的气膜被冲破,进而使工件直接与冷却水接触,由于水的导热系数明显高于空气,能够更快的将待处理工件冷却,同时通过水射流搅拌避免了高压风搅拌引入的气体包覆工件对冷却速度的影响。而开始淬火阶段的冷却速度是淬火时工件降温最关键的时段,因而工件的淬火冷却速度整体明显提高。冷却速度越快,钢质工件的马氏体组织越多,而马氏体力学性能的显著特点是具有高硬度和高强度,工件淬火后硬度提高是获得马氏体的宏观表现,马氏体的多少与工件淬火过程中的冷却速度息息相关,也直接影响回火后工件的性能。故冷却速度的加快,使得马氏体增多,回火后工件的力学性能更为优异。同时,水射流喷嘴喷水的速度、位置、水压等易于控制,进而避免了工件冷却不均匀。
为了达到上述第二个目的,本发明还提供了一种车钩加工工艺,该车钩加工工艺包括步骤:采用如上所述的淬火冷却装置进行淬火。由于上述的淬火冷却装置具有上述技术效果,采用该装置进行车钩加工的车钩加工工艺也应具有相应的技术效果。
优选地,上述车钩加工工艺中,包括步骤:
正火,加热保温温度范围为930℃-960℃,保温时间范围为2.0h-3.0h,而后风冷;
淬火,加热保温温度范围为930℃-900℃,保温时间范围为2.0h-3.0h,而后采用如上所述的淬火冷却装置进行水冷;
回火,加热保温温度范围为530℃-600℃,保温时间范围为2.5h-3.5h,而后风冷。
为了达到上述第三个目的,本发明还提供了一种车钩,该车钩由上述的车钩加工工艺加工而成。因而其各项力学性能优异。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的淬火冷却装置一种具体实施方式的俯视结构示意图;
图2为图1的主视剖面结构示意图。
附图中标记如下:
淬火水槽1,淬火区2,水射流喷嘴3,侧壁水射流喷嘴31,底部水射流喷嘴32,储水区4,截止阀5,泵体6,车钩7。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种淬火冷却装置,以提高淬火烈度,使热处理工件硬度及综合机械性能符合标准。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2,图1为本发明提供的淬火冷却装置一种具体实施方式的俯视结构示意图;图2为图1的主视剖面结构示意图。
在一种具体实施方式中,本发明提供的淬火冷却装置包括淬火水槽1。淬火水槽1一般为上端开口,且包括淬火区2,淬火区2即用于对工件进行淬火处理的区域,淬火处理时淬火区2内预先填充有淬火水。淬火区2的大小需根据待处理工件的形状大小等设置,以使其能够对待处理工件快速充分降温,淬火区2内冷却介质水的量也需相应的进行设置,其具体淬火水量此处不做具体限定。
淬火区2内设置有多个水射流喷嘴3,水射流喷嘴3与冷却水装置连通,一般可通过管路连通,进而水射流喷嘴3能够向待处理工件进行喷水搅拌。水射流喷嘴3用于向工件喷出一定压力的水流,其喷嘴的喷口朝向一般可以根据待处理工件的位置进行设置,以使得喷口对准待处理工件,其喷出的水流可以喷射至工件表面。如位于工件侧上方的水射流喷嘴3,可以设置其喷口斜向下倾斜,而位于工件侧下方的水射流喷嘴3,可以设置其喷口斜向上倾斜等。冷却装置用于为水射流喷嘴3提供冷却水源,根据需要其可以为冷却水槽或者外接水管等,只需使其能够向水射流喷嘴3提供足够的供水量即可。为保证对工件的冷却速度,水射流喷嘴3设置多个,根据工件的形状及尺寸等设置于工件对应位置处。
应用本发明提供的淬火冷却装置,通过水射流喷嘴3向待处理工件喷水,在水压作用下,对于刚刚入水的处于较高温度下的工件,其表面的气膜被冲破,进而工件直接与冷却水接触,由于水的导热系数明显高于空气,能够更快的将待处理工件冷却,同时通过水射流搅拌避免了高压风搅拌引入的气体包覆工件对冷却速度的影响。而开始淬火阶段的冷却速度是淬火时工件降温最关键的时段,因而工件的淬火冷却速度整体明显提高。冷却速度越快,钢质工件的马氏体组织越多,而马氏体力学性能的显著特点是具有高硬度和高强度,工件淬火后硬度提高是获得马氏体的宏观表现,马氏体的多少与工件淬火过程中的冷却速度息息相关,也直接影响回火后工件的性能,故冷却速度的加快,使得马氏体增多,回火后工件的力学性能更为优异。同时,水射流喷嘴3喷水的速度、位置、水压等易于控制,进而避免了工件冷却不均匀。
具体的,水射流喷嘴3可以包括设置于淬火区2内四周的多个侧壁水射流喷嘴31和设置于淬火区2底部的底部水射流喷嘴32。以对车钩7的热处理为例,侧壁水射流喷嘴31设置于车钩7的四周,进而对车钩7的四周进行喷水搅拌。底部水射流喷嘴32可以设置于车钩7的钩体型腔正下方,从底部向车钩7喷水,进而车钩7的各个方向上均能够受水射流的作用,其表面的气膜被冲破,直接与冷却水接触而迅速降温。且通过各个方向同时喷水,使得各个位置的水温能够保持相对平衡,有效避免了局部水温过高,进而对车钩7的处理更为均匀。根据具体待处理工件的结构等,也可以仅设置多个侧壁水射流喷嘴31或者仅设置底部水射流喷嘴32,如工件的侧壁力学性能要求较高而底部无特殊要求时,可以单独设置多个侧壁水射流喷嘴31。但一般的通过侧壁水射流喷嘴31与底部水射流喷嘴32的共同作用,能够对整个淬火区2内的淬火水搅拌,对淬火水的搅拌作用更强,工件冷却效果更好,更利于奥氏体转化为马氏体,提高工件的力学性能。
进一步地,侧壁水射流喷嘴31可以在淬火区2四周均匀设置多列,且各列均由上至下设置有多个,也就是水射流喷嘴3在淬火区2四周呈多排多列排列,相邻的两列间按照一定的预设间距设置。多排多列的设置能够从四周各个方向上对待处理工件进行喷水,增强搅拌效果,且使得待处理工件各个位置受水流作用更为均匀,避免冷却不均造成的局部淬火烈度不足,力学性能不达标。具体的预设间距可以为20mm-30mm,当然对于某一淬火冷却装置而言,上述预设间距应为一确定的值,且该值在上述数值范围内,如对于车钩7淬火而言,可以设置预设间距为30mm。
具体的,淬火区2的横截面可以为矩形,也就是淬火区2呈矩形,故侧壁水射流喷嘴31包括设置于矩形四边的多列水射流喷嘴3。如在矩形的长度方向也就是车钩7的左右方向上可以设置6-8列侧壁水射流喷嘴31,如以30mm为间隔设置7列;在矩形的宽度方向也就是车钩7的前后方向上可以设置4-6列侧壁水射流喷嘴31,如以30mm为间隔设置5列侧壁水射流喷嘴31。如此设置能够使得从侧壁四周各个方向上向车钩7喷水,使各个位置水温保持平衡,避免局部水温过高。当然,根据具体工件的需要,也可以设置淬火区2为圆形区域等,相应的侧壁水射流喷嘴31可以沿周向均匀分布。对于工件不同位置对力学性能要求不同的情况,也可以根据工件具体需求相应的在力学性能要求高处的水射流喷嘴3排列相对较密;而在力学性能要求低处的水射流喷嘴3排列相对较稀疏。但一般的设置其均匀排列即可。
更进一步地,为了便于批量化处理,可以设置多个底部水射流喷嘴32,具体可以设置每个底部水射流喷嘴32对应于一个待处理工件,也可以设置每两个底部水射流喷嘴32对应一个待处理工件,具体根据实际需要进行设置。在设置有多个底部水射流喷嘴32的情况下,若一次处理的工件数小于对应的底部水射流喷嘴32的个数,则若全部水射流喷嘴3打开,易造成水流上喷出淬火水槽1的问题,故可以在底部水射流喷嘴32与冷却水装置之间设置截止阀5独立控制各个底部水射流喷嘴32。具体可以为底部水射流喷嘴32与截止阀5一一对应,也可以设置每两个水射流喷嘴3与同一截止阀5连接,即一个截止阀5同时控制两个底部水射流喷嘴32。以车钩7处理为例,批量淬火时,可能同时处理两件、四件或六件车钩7,故可在淬火区2底部设置六个底部水射流喷嘴32,且两两一组,每一个均对应于一个车钩7的钩体型腔正下方,两个底部水射流喷嘴32共用一个截止阀5,即通过一个截止阀5控制,也就是分三路独立控制,因此通过截止阀5可以控制开启两个、四个或六个底部水射流喷嘴32以对相应数量的工件进行处理。具体的,截止阀5可以采用手动截止阀,以手动控制其开启或关闭。截止阀5可以安装于地面上方,以方便操作。
对于侧壁水射流的控制,也可以设置为通过设置多个截止阀5分别控制各列侧壁水射流喷嘴31,但一般的结合成本及工艺需求等考虑,侧壁水射流喷嘴31可以通过一个截止阀5控制即可,控制侧壁水射流喷嘴31同时开启或关闭。当水射流喷嘴3与自来水龙头等连接时,也可以不在管路中增设截止阀5,通过外接水管的开关控制也可。
在上述各实施例的基础上,可以在淬火水槽1中进一步设置储水区4,储水区4内储存冷却水,也就是淬火水槽1包括储水区4和淬火区2,冷却水装置为储水区4。储水区4的底部与淬火区2的底部连通,储水区4与水射流喷嘴3之间连接有用于将储水区4中的冷却水泵送至水射流喷嘴3中的泵体6,进而通过泵体6能够将储水区4中的冷却水泵送至水射流喷嘴3中,通过喷嘴喷出对工件进行降温。同时由于二者底部是连通的,有效保证了淬火区2中的冷却水容量一定。对于冷却水装置为外接水管等情况,可以在淬火区2上设置溢流管等结构,防止由于喷水导致水量过大而溢出,当然在淬火区2容积足够大对工件处理过程并不会水流溢出的前提下也可以不设置溢流管。具体泵体6与水射流喷嘴3的对应关系,可以设置侧壁水射流喷嘴31均通过管路与同一泵体6连接,而底部水射流喷嘴32均通过管路与同一泵体6连接。也可以将各个水射流喷嘴3分别各自对应一个泵体6,单独形成泵送管路,或者一定数量的水射流喷嘴3对应一个泵体6,具体可根据需要进行设置。
具体的,淬火区2与储水区4可以通过在淬火水槽1中设置隔板而分开,隔板一端为储水区4另一端为淬火区2,如此设置结构简单。当然,也可以单独设置储水区4与淬火区2,并将二者底部通过管路等连通也可。为避免喷射时使水喷到淬火水槽1外,可以在淬火区2周边设置折流板,以阻挡水流外溅。也可以加高槽体以使水流不能喷出。
为根据需要调整搅拌强度,可以进一步设置用于控制水射流喷嘴3喷水压力的变频器。通过变频器的控制,根据具体需要控制水射流喷嘴3喷水压力,使其能够充分发挥搅拌作用,以适应不同的工艺参数需要。
进一步地,为便于控制,可以进一步设置控制器,具体如控制柜等。并分别设置用于检测淬火区2水温与储水区4水温的温度检测装置,控制器上设置有能够显示淬火区2水温与储水区4水温的显示装置。进而能够实时监测淬火区2水温及储水区4水温,并根据淬火区2水温及储水区4水温调整水射流喷嘴3喷水压力。具体的,温度检测装置可以为温度传感器或温度计等,显示装置一般为显示器或显示屏。
更进一步地,为避免淬火水中铸造砂和氧化皮堵塞喷嘴,可以进一步设置过滤器,如复合滤芯杯式过滤器,以确保淬火水的清洁。具体过滤器可以设置于淬火冷却装置的水路中,根据需要可以设置两台或多台复合滤芯杯式过滤器。
本发明还公开了一种车钩加工工艺,在一种具体实施方式中,本发明公开的车钩加工工艺包括步骤:采用如上述各实施例提供的淬火冷却装置进行水冷。即将工件置于淬火区的淬火水中冷却,并通过水冷时开启水射流喷嘴喷水进行搅拌,能够更快的将待处理工件冷却,以获得更多的马氏体,提高车钩的各项力学性能。关于车钩加工工艺中的其他各步骤具体请参考现有技术,此处不再赘述。
具体的,上述车钩加工工艺中热处理工艺具体可以包括步骤:
S101:正火,加热保温温度范围为930℃-960℃,保温时间范围为2.0h-3.0h,而后风冷;具体保温时间可以为2.5h。具体工艺过程可参考现有技术,此处不再详述。
S102:淬火,加热保温温度范围为930℃-900℃,保温时间范围为2.0h-3.0h,而后采用如上述各实施例提供的淬火冷却装置进行水冷;具体保温时间可以为2.5h。水冷过程中,通过水射流喷嘴向车钩喷水,在水压作用下,对于刚刚入水的处于较高温度下的工件,其表面的气膜被冲破,进而工件直接与冷却水接触,由于水的导热系数明显高于空气,能够更快的将待处理工件冷却,以获得更多的马氏体,提高车钩的各项力学性能。
S103:回火,加热保温温度范围为530℃-600℃,保温时间范围为2.5h-3.5h,而后风冷;具体保温时间可以为3h。对于车钩加工工艺中的其他各步骤具体请参考现有技术,此处不再赘述。
采用上述的淬火冷却装置能够明显提高工件的力学性能,以下以对车钩加工为例进行说明。
随着列车载重需求的增加,对车钩的性能也提出了新的标准要求,即热处理过程中,车钩淬火后的硬度≥470HBW,同时车钩力学性能符合表1的要求。
表1车钩的力学性能标准(基尔试棒)
与原有AAR标准相比,新标准的屈服强度指标提高了30%,抗拉强度指标提高了20%,断面收缩率提高了33%,冲击功提高了1倍以上。对车钩的综合性能要求提高。
然而,现有材料车钩经造型-制芯-冶炼-浇注-清理整体成型,并经一次预备正火+调质(淬火+高温回火)的热处理工艺。淬火工序的冷却介质是清水,冷却时采用高压风搅拌冷却。采用上述工艺经热处理后车钩的力学性能检测数据如表2所示。对10件车钩淬火后的硬度进行检测,硬度检测值如表2所示。对随车钩一起进行热处理的基尔试棒进行力学性能检测,检测结果如表3所示。
表2现有技术中车钩淬火冷却后硬度(BHW)
表3车钩的力学性能标准(基尔试棒)
由表1和表2可见,采用传统热处理技术,车钩淬火后硬度检测值远低于470HBW,其中最高值为423HBW,最低值仅为374HBW。虽然延伸率、断面收缩率符合标准要求,但强度值均低于标准值,且-40℃V型缺口冲击功部分数值未到达标准要求。因此并不能满足新型重型车的使用要求。
而在车钩材料不变的前提下,采用本发明提供的淬火冷却装置及车钩加工工艺,淬火后对10件车钩进行淬火后硬度检测,检测结果如表4所示,并对随车钩一起进行热处理的基尔试棒进行力学性能检测,测试值如表5所示。
表4本发明的车钩淬火冷却后硬度(BHW)
表5车钩的力学性能标准(基尔试棒)
从表4和表5可以看出,车钩淬火后硬度值均在470HBW以上,最低为478HBW,最高达到502HBW,其硬度显著提高。试棒的屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率均符合要求。试棒的-40℃V型缺口冲击功最低值为63J,最高值为90J,平均值满足不低于60J要求。由此可见,采用本发明提供的淬火冷却装置及车钩加工工艺加工而成的车钩,各项力学性能均能满足新标准,综合性能显著提高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。且对于水射流喷嘴的分布设置、关于底部水射流喷嘴的启停控制方式、冷却水装置为储水区的限定以及变频器、控制器等的增加,均可以单独限定或增加其中的一项或多项,由此组成的新的技术方案也应属于本申请保护的范围内。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种淬火冷却装置,包括淬火水槽(1);其特征在于,所述淬火水槽(1)设置有淬火区(2),所述淬火区(2)内设置有用于向待处理工件喷水的多个水射流喷嘴(3),所述水射流喷嘴(3)与冷却水装置连通。
2.根据权利要求1所述的淬火冷却装置,其特征在于,所述水射流喷嘴(3)包括设置于所述淬火区(2)四周的多个侧壁水射流喷嘴(31)和设置于所述淬火区(2)底部的底部水射流喷嘴(32)。
3.根据权利要求2所述的淬火冷却装置,其特征在于,所述淬火区(2)内四周均匀设置有多列所述侧壁水射流喷嘴(31),且各列均由上至下设置有多个所述侧壁水射流喷嘴(31)。
4.根据权利要求2所述的淬火冷却装置,其特征在于,包括多个所述底部水射流喷嘴(32),还包括连接于所述底部水射流喷嘴(32)与所述冷却水装置之间的截止阀(5),且各所述截止阀(5)分别控制两个所述底部水射流喷嘴(32)的开闭。
5.根据权利要求1-4任一项所述的淬火冷却装置,其特征在于,所述冷却水装置为设置于所述淬火水槽(1)中的储水区(4),所述储水区(4)的底部与所述淬火区(2)的底部连通,所述储水区(4)与所述水射流喷嘴(3)之间连接有用于将所述储水区(4)中的冷却水泵送至所述水射流喷嘴(3)中的泵体(6)。
6.根据权利要求5所述的淬火冷却装置,其特征在于,还包括用于控制所述水射流喷嘴(3)喷水压力的变频器。
7.根据权利要求5所述的淬火冷却装置,其特征在于,还包括控制器和用于检测所述淬火区(2)水温与所述储水区(4)水温的温度检测装置,所述控制器上设置有能够显示所述淬火区(2)水温与所述储水区(4)水温的显示装置。
8.一种车钩加工工艺,其特征在于,包括步骤:采用如权利要求1-7任一项所述的淬火冷却装置进行淬火。
9.根据权利要求8所述的车钩加工工艺,其特征在于,包括步骤:
正火,加热保温温度范围为930℃-960℃,保温时间范围为2.0h-3.0h,而后风冷;
淬火,加热保温温度范围为930℃-900℃,保温时间范围为2.0h-3.0h,而后采用如权利要求1-7任一项所述的淬火冷却装置进行水冷;
回火,加热保温温度范围为530℃-600℃,保温时间范围为2.5h-3.5h,而后风冷。
10.一种车钩,其特征在于,通过如权利要求8或9所述的车钩加工工艺加工而成。
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