CN107502786B - 一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:15‑20%,Cu:5‑10%,Al:1‑5%,Ti:0.2‑1%,Si:1‑3%,W:0.5‑1.5%,余量为Co。与现有技术相比,本发明所具有的优点在于:以金属杯代替传统粉状催化剂,首先,从制备工艺讲,金属杯的纯度和稳定性都高于粉状催化剂,还避免了金属粉偏析情况的出现,使得合成的PDC性能更均匀稳定,也可以提高产品成品率。其次,实现了金属杯同时向两侧金刚石微粉实现催化或者两侧金属杯同时向中间金刚石微粉实现催化的情形,保证了锥形或弧形的每一处被催化的均匀性,也改善了锥形或弧形PDC的应力分布,相应的也提高了PDC的耐磨性能、耐热性能和抗冲击性能。
Description
技术领域
本发明属于超硬材料制品技术领域,具体涉及一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯及其制备方法。
背景技术
金刚石复合片(简称PDC)是由金刚石微粉和催化剂(如Co粉、Ni粉等)混合,再配以硬质合金基体经预压后在超高温、超高压下烧结而成的一种复合超硬材料。它既有金刚石的硬度与耐磨性,又有硬质合金的抗冲击性和可焊接性,已被广泛应用于地质勘探、石油(气)钻探、工程钻进、机械加工等领域。
锥形或弧形PDC主要以冲击破岩为主,这要求其具有较高的抗冲击性且不易脱层,而在目前锥形或弧形PDC的合成中,聚晶金刚石部分普遍采用单层或多层(增设过渡层)粉末填料后进行预压烧结,此方式合成的PDC内部残余应力大,抗冲击性差、耐磨性低,同时该方式存在着以下问题:1. 金属粉与金刚石微粉在机械混合中易出现偏析;2. 多层粉料堆积预压时易产生密度梯度,无法保证每一层聚晶层的均匀;3. 金属粉比表面积大,极易吸附气体或杂质。这些问题极大的影响了催化剂的催化效果。
发明内容
本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯及其制备方法,利用本发明金属杯制得的金刚石复合片,其内部残余应力小,聚晶层分布均匀,具有抗冲击性强,耐磨性高等优点,特别适用于锥形或弧形等对残余应力要求严格或增设有过渡层的金刚石复合片的制作。
本发明的目的是以下述方式实现的:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:15-20%,Cu :5-10%,Al:1-5%,Ti:0.2-1%,Si:1-3%,W:0.5-1.5%,余量为Co。
以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:15%,Cu :5%,Al:1%,Ti:1%,Si:3%,W:1.5%,余量为Co。
以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:17.5%,Cu :7.5%,Al:3%,Ti:0.6%,Si:2%,W:1%,余量为Co。
以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:20%,Cu :10%,Al:5%,Ti:1%,Si:3%,W:0.5%,余量为Co。
所述各合金成分均为600目以下的粉末。
如上述锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照权利要求1所述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1400-1500℃,熔化后保持15-30min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为10-2-10-3MPa的高真空熔炼炉中在1450-1550℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持20-30min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为0.5-1.0mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为900-1000℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.02-0.3mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工。
所述的步骤g中冲压的形状为锥形或弧形。
在本发明添加适量的W,其作为异质成核粒子,可有效降低晶体成核的驱动力,促进形成金刚石核,避免了个别晶粒过于长大。添加的Si主要以Si-C、Si-H等键合形式存在于C=C键中,从而可以达到提高金刚石聚晶层中金刚石颗粒之间相互生长连接的能力。而加入适量的Al、Ti则可降低金刚石聚晶生长条件,提高金刚石聚晶层中金刚石微粉颗粒之间相互生长连接的能力,从而相应的提高金刚石复合片的抗冲击性和耐磨性能。而加入适量的Cu,可使催化剂局部丧失活性,从而控制金刚石颗粒的生长速度,提高晶核分布的均匀性,减少或避免个别晶粒过于长大。
与现有技术相比,本发明所具有的优点在于:以金属杯代替传统粉状催化剂,首先,从制备工艺讲,金属杯的纯度和稳定性都高于粉状催化剂,还避免了金属粉偏析情况的出现,使得合成的PDC性能更均匀稳定,也可以提高产品成品率。其次,实现了金属杯同时向两侧金刚石微粉实现催化或者两侧金属杯同时向中间金刚石微粉实现催化的情形,保证了锥形或弧形的每一处被催化的均匀性,也改善了锥形或弧形PDC的应力分布,相应的也提高了PDC的耐磨性能、耐热性能和抗冲击性能。
附图说明
图1是本发明的剖视图。
其中,1是金刚石微粉;2是金属杯;3是硬质合金。
具体实施方式
实施例1:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:15-20%,Cu :5-10%,Al:1-5%,Ti:0.2-1%,Si:1-3%,W:0.5-1.5%,余量为Co。
以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:15%,Cu :5%,Al:1%,Ti:1%,Si:3%,W:1.5%,余量为Co。
以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:17.5%,Cu :7.5%,Al:3%,Ti:0.6%,Si:2%,W:1%,余量为Co。
以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:20%,Cu :10%,Al:5%,Ti:1%,Si:3%,W:0.5%,余量为Co。
所述各合金成分均为600目以下的粉末。
如上述锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照权利要求1所述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1400-1500℃,熔化后保持15-30min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为10-2-10-3MPa的高真空熔炼炉中在1450-1550℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持20-30min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为0.5-1.0mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为900-1000℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.02-0.3mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工。
所述的步骤g中冲压的形状为锥形或弧形。
实施例2:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:15%,Cu :5%,Al:1%,Ti:0.2%,Si:1%,W:0.5%,余量为Co。
所述各合金成分均为600目以下的粉末。
如上述锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照权利要求1所述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1400℃,熔化后保持15min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为10-3MPa的高真空熔炼炉中在1450℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持20min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为0.5mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为900℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.02mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工。
所述的步骤g中冲压的形状为锥形。
实施例3:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:15.5%,Cu :5.5%,Al:1.4%,Ti:0.25%,Si:1.2%,W:0.6%,余量为Co。
所述各合金成分均为600目以下的粉末。
如上述锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照权利要求1所述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1410℃,熔化后保持16min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为2×10-3MPa的高真空熔炼炉中在1460℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持21min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为0.55mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为910℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.05mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工。
所述的步骤g中冲压的形状为弧形。
实施例4:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:16%,Cu :6%,Al:1.8%,Ti:0.3%,Si:1.4%,W:0.7%,余量为Co。
所述各合金成分均为600目以下的粉末。
如上述锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照权利要求1所述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1420℃,熔化后保持18min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为3×10-3MPa的高真空熔炼炉中在1470℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持22min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为0.6mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为920℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.08mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工。
所述的步骤g中冲压的形状为弧形。
实施例5:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:16.5%,Cu :6.5%,Al:2%,Ti:0.35%,Si:1.6%,W:0.8%,余量为Co。
所述各合金成分均为600目以下的粉末。
如上述锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照权利要求1所述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1430℃,熔化后保持20min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为4×10-3MPa的高真空熔炼炉中在1480℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持23min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为0.65mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为930℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.1mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工。
所述的步骤g中冲压的形状为锥形。
实施例6:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:17%,Cu :7%,Al:2.5%,Ti:0.4%,Si:1.8%,W:0.9%,余量为Co。
所述各合金成分均为600目以下的粉末。
如上述锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照权利要求1所述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1440℃,熔化后保持22min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为5×10-3MPa的高真空熔炼炉中在1490℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持24min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为0.7mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为940℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.12mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工。
所述的步骤g中冲压的形状为弧形。
实施例7:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:17.5%,Cu :7.5%,Al:3%,Ti:0.5%,Si:2%,W:1%,余量为Co。
所述各合金成分均为600目以下的粉末。
如上述锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照权利要求1所述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1450℃,熔化后保持24min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为6×10-3MPa的高真空熔炼炉中在1500℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持25min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为0.75mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为950℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.15mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工。
所述的步骤g中冲压的形状为锥形。
实施例8:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:18%,Cu :8%,Al:3.3%,Ti:0.6%,Si:2.2%,W:1.1%,余量为Co。
所述各合金成分均为600目以下的粉末。
如上述锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照权利要求1所述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1460℃,熔化后保持25min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为7×10-3MPa的高真空熔炼炉中在1510℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持26min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为0.8mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为960℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.18mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工。
所述的步骤g中冲压的形状为弧形。
实施例9:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:18.5%,Cu :8.5%,Al:3.6%,Ti:0.7%,Si:2.4%,W:1.2%,余量为Co。
所述各合金成分均为600目以下的粉末。
如上述锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照权利要求1所述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1470℃,熔化后保持26min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为8×10-3MPa的高真空熔炼炉中在1520℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持27min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为0.85mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为970℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.2mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工。
所述的步骤g中冲压的形状为弧形。
实施例10:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:19%,Cu :9%,Al:4%,Ti:0.8%,Si:2.6%,W:1.3%,余量为Co。
所述各合金成分均为600目以下的粉末。
如上述锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照权利要求1所述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1480℃,熔化后保持27min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为9×10-3MPa的高真空熔炼炉中在1530℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持28min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为0.9mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为980℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.24mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工。
所述的步骤g中冲压的形状为弧形。
实施例11:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:19.5%,Cu :9.5%,Al:4.5%,Ti:0.9%,Si:2.8%,W:1.4%,余量为Co。
所述各合金成分均为600目以下的粉末。
如上述锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照权利要求1所述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1490℃,熔化后保持28min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为10-2MPa的高真空熔炼炉中在1540℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持29min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为0.95mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为990℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.28mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工。
所述的步骤g中冲压的形状为锥形。
实施例12:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:20%,Cu :10%,Al:5%,Ti:1%,Si:3%,W:1.5%,余量为Co。
所述各合金成分均为600目以下的粉末。
如上述锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照权利要求1所述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1500℃,熔化后保持30min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为10-2MPa的高真空熔炼炉中在1550℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持30min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为1.0mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为1000℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.3mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工。
所述的步骤g中冲压的形状为弧形。
实施例13:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:15%,Cu :5%,Al:1%,Ti:1%,Si:3%,W:1.5%,余量为Co。
其他同实施例2。
实施例14:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:17.5%,Cu :7.5%,Al:3%,Ti:0.6%,Si:2%,W:1%,余量为Co。
其他同实施例2。
实施例15:
一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:20%,Cu :10%,Al:5%,Ti:1%,Si:3%,W:0.5%,余量为Co。
其他同实施例2。
利用本发明制备的金属杯制得的金刚石复合片组装步骤如下:
首先,在金刚石微粉1中添加低温临时粘结剂并混合均匀,然后将混匀的金刚石微粉填入钼杯中,并用一形状与所制得PDC 外形相仿的模具对金刚石微粉1进行旋转挤压,使其均匀粘贴在钼杯内壁,再放入本发明所制备的金属杯2,此时,完成第一层金刚石微粉1的填料。采用同样方法完成第二层金刚石微粉1的填料,最后再扣上硬质合金基体3经预压后可放在超高温、超高压下进行烧结。
此方式得到的金刚石复合片内部残余应力小,聚晶层分布均匀,具有抗冲击性强,耐磨性高等优点,特别适用于锥形或弧形等对残余应力要求严格或增设有过渡层的金刚石复合片的制作。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明整体构思前提下,还可以作出若干改变和改进,这些也应该视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,其特征在于:以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:15-20%,Cu :5-10%,Al:1-5%,Ti:0.2-1%,Si:1-3%,W:0.5-1.5%,余量为Co;
如上述的锥形或弧形金刚石复合片用金属杯的制备方法,具体步骤如下:
a、按照上述的重量百分比称取各合金成分,将其置于中频炉中进行熔炼,熔炼温度为1400-1500℃,熔化后保持15-30min,然后浇铸成合金锭;
b、将步骤a中得到合金锭送入真空度为10-2-10-3MPa的高真空熔炼炉中在1450-1550℃进行精炼,期间通入氩气进行保护,熔化后保持20-30min,然后再次浇铸成合金锭;
c、将步骤b中得到的合金锭进行刨锭,铣刨尺寸为0.5-1.0mm;
d、将步骤c中得到的锭材进行回火热轧,回火温度为900-1000℃;
e、将步骤d中得到金属带进行冷轧加工;
f、将步骤e冷轧后的金属带进行精轧加工,精轧后得到的金属带厚度为0.02-0.3mm;
g、对步骤f中的金属带进行冲压加工;
步骤g中冲压的形状为锥形或弧形。
2.根据权利要求1所述的锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,其特征在于:以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:15%,Cu :5%,Al:1%,Ti:1%,Si:3%,W:1.5%,余量为Co。
3.根据权利要求1所述的锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,其特征在于:以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:17.5%,Cu :7.5%,Al:3%,Ti:0.6%,Si:2%,W:1%,余量为Co。
4.根据权利要求1所述的锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,其特征在于:以重量百分比表示,由下述合金成分组成:Ni:20%,Cu :10%,Al:5%,Ti:1%,Si:3%,W:0.5%,余量为Co。
5.根据权利要求1-4任一所述的锥形或弧形金刚石复合片用金属杯,其特征在于:所述各合金成分均为600目以下的粉末。
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