CN108754256A - 非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金及其制备方法;该压铸铝镁硅合金中各组分的重量百分比为:Mg:6.0‑8.0wt.%;Si:2.0‑3.6wt.%;Mn:0.6‑0.9wt.%;Ti:0.15‑0.20wt.%;Be:0.004‑0.006wt.%;Ca:0.003‑0.01wt.%;V:0.03‑0.1wt.%;Zr:0.02‑0.1wt.%;RE:0.01‑0.2wt.%;其他杂质总量和小于或等于0.4wt.%,余量为Al。该合金在铸态条件下就具有高强高韧的特点,并且可实现良好的压铸性能,极大地满足了汽车行业大型薄壁车身结构件的应用需求。

Description

非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域,具体涉及一种非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金及其制备方法。
背景技术
近年来,随着汽车、航空航天等行业的快速发展,对汽车、航空航天用材料的性能要求更加苛刻。另外,由于节能减排,环境污染等社会压力,轻量化成为发展战略需求。因此,汽车、航空航天等行业进行零件设计时要求有更高的强度,在变形时要求有高的延伸率、优良的冲击韧性,以便实现轻量化的目标。绝大部分压铸铝合金强度中等、且韧性较差(延伸率<5%),例如ADC12、A380等传统压铸铝合金。近年来为满足市场需求,高强高韧压铸铝合金的开发得到越来越多关注,例如,德国莱茵公司开发的Silafont-36合金(专利公开号:US6364970B1),该合金具有良好的力学性能。但该合金需要采用特殊的高真空压铸,随后进行热处理强化方可达到提高铸件综合力学性能的要求。而高真空与热处理工艺导致整个工艺流程加长,成本消耗大,合格率低。上海交通大学开发了非热处理强化高强韧压铸Al-Mg系合金(专利公开号:CN104805322A),该合金在铸态就具有优异的力学性能,但是Al-Mg系合金铸造性能较差,对于一些大型车身结构件并不适用。另外,德国莱茵公司开发了Magsimal-59合金(专利公开号:EP0853133B1),该合金标准拉伸试棒性能为屈服强度160MPa左右,延伸率12-15%,抗拉强度300MPa左右。由于在Al-Mg系合金中引入Si元素,合金铸造性能得到很大程度的改善。但是随着轻量化战略的越来越深入,对车身结构件用压铸铝合金的性能要求越来越高。例如,汽车公司提出车身结构件减震塔用压铸铝合金的性能需要满足屈服强度>180MPa,延伸率>10%,且希望铸件在压铸态就具有该力学性能。而目前现有的压铸铝合金中,很难找到合适的材料。因此,开发一种非热处理强化高强高韧压铸铝合金,并研究其制备与压铸工艺,以满足汽车行业日益提高的优质高性能铝合金压铸件的实际使用要求,成为压铸领域追求的目标之一。本发明即是在这样的背景下,提供一种非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金及其制备与压铸工艺。在保证具有良好铸造性能的前提下,压铸件在非热处理条件下就具有优异的综合力学性能,从而满足车身结构件,特别是大型薄壁车身结构件的苛刻性能要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非热处理强化高强韧压铸铝镁硅合金及其制备与压铸工艺。在保证合金具备良好铸造性能的前提下,非热处理态铸件就具有优异的综合力学性能,从而满足车身结构件的性能要求,特别是大型薄壁车身结构件。
为了达到这一目的,本发明在长期压铸铝镁硅合金研究中发现,通过调控Mg、Si元素的含量和相对比例可以对铝镁硅系合金组织和性能有明显的影响。但需要注意的是,Mg、Si元素含量增加会在合金组织中生成更多的共晶Mg2Si。更多的共晶Mg2Si组织有利于铸造性能的提高,但是也会造成共晶Mg2Si尺寸较为粗大,对性能特别是延伸率造成不好的影响。为解决这一问题,本发明引入与Ti、Zr、V细晶元素改善合金组织,与此同时,创造性的引入RE/Ca复合变质元素,对共晶Mg2Si组织进行细化,从而获得主要由基体α-Al相和细小Mg2Si共晶相组成的理想的微观组织。在保证优良的铸造性能的前提下,极大地提高压铸铝镁硅合金的机械性能,获得强度与塑形兼顾的高强度、高韧性的综合力学性能。据此,本发明采用的技术方案如下:
第一方面,本发明涉及一种非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金,所述压铸铝镁硅合金中各组分重量百分比为:Mg:6.0wt.%-8.0wt.%;Si:2.0wt.%-3.6wt.%;Mn:0.6-0.9wt.%;Ti:0.15wt.%-0.20wt.%;V:0.03wt.%-0.1wt.%;Zr:0.02wt.%-0.1wt.%;Be:0.004wt.%-0.006wt.%;Ca:0.003wt.%-0.01wt.%;RE:0.01wt.%-0.2wt.%;其他杂质总量和小于或等于0.4wt.%,余量为Al。
第二方面,本发明还涉及一种前述的非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金的制备方法,所述方法包括如下步骤:
S1、备料:按各合金元素的重量百分比备料;其中,Mg、Al以纯铝、纯Mg形式备料,Si以工业晶体硅、Mg-Si或Al-Si中间合金形式备料,Mn、Ti、V、Zr、Be、Ca、RE以含镁或含铝中间合金形式备料;
S2、熔炼:先将纯铝进行熔化,随后升温至750-800℃添加Al-V或Mg-V中间合金、Al-Zr或Mg-Zr中间合金,待中间合金熔化后降温至720-750℃,随后添加Al-Mn或Mg-Mn中间合金,工业晶体硅、Mg-Si或Al-Si中间合金进行熔化,熔化完毕后降温至680-700℃,对熔体进行保护,随后加入纯Mg,Al-Be或Mg-Be中间合金,并将其压入坩埚底部区域进行熔化;
S3、精炼、变质:将步骤S2的熔体升温至710-740℃,在熔体中通入带有精炼剂粉末的气体进行喷粉精炼除渣除气处理;随后加入Al-Ti或Mg-Ti中间合金,Mg-Ca或Al-Ca中间合金,Al-RE或Mg-RE中间合金进行细化、变质处理;
S4、浇铸或压铸:待步骤S3精炼、变质后的熔体达到浇铸温度进行浇铸合金锭操作或压铸工序操作,最终完成合金锭生产或者压铸件生产。
优选的,步骤S1中,还包括将备好的原料预热到180-240℃,进行烘干处理的步骤。
优选的,步骤S2中,所述对熔体进行保护是在熔体表面撒上不含Na离子、溶剂密度<2.7g/cm3的覆盖剂或向炉内通入Air+SF6的混合气体或者类SF6的保护气体。
优选的,步骤S2中,还包括待熔化搅拌均匀后,静置并进行炉前成分分析,检测合金溶体的成分含量,对含量存在偏差的熔体进行补料或者冲淡,使其成分达到合格的范围的步骤。
优选的,步骤S3中,所述精炼剂为不含Na离子的盐类熔剂。
优选的,步骤S3中,所述气体包括:氮气或氩气。
优选的,步骤S3中,细化、变质处理后,还包括静置,并再进行炉前成分分析测试的步骤。
更优选的,所述静置的时间为15-20min。
优选的,步骤S4中,所述浇铸温度为680-710℃。
优选的,步骤S4中,使用所述压铸铝镁硅合金进行压铸件生产时,压射速度范围为1.5-3m/s。
优选的,步骤S4中,使用所述压铸铝镁硅合金进行压铸件生产时,铸造压力(增压)范围为100-150Mpa。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1、本发明制备的非热处理强化高强韧压铸铝镁硅合金具有重要的工业应用价值。
2、该压铸铝镁硅合金在压铸态(非热处理状态)条件下获得屈服强度:180-220MPa,抗拉强度360-400MPa,延伸率10-15%的优异性能,并且可实现良好的压铸性能,极大地满足了汽车行业大型薄壁车身结构件的应用需求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为压铸铝镁硅合金铸件的SEM组织观察对比图;其中,(1)B1铸件对应的微观组织;(2)B2铸件对应的微观组织;(3)B3铸件对应的微观组织;(4)B4铸件对应的微观组织;
图2为B1、B2、B3、B4、B5铸件室温下压铸态拉伸应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例的一种非热处理高强韧压铸铝镁硅合金的各组分重量百分比为:Mg:6.5wt.%;Si:2.2wt.%;Mn:0.7wt.%;Ti:0.15wt.%;V:0.04wt.%%;Zr:0.03wt.%;Be:0.005wt.%;Ca:0.005wt.%;RE:0.03wt.%;其他杂质总量和小于或等于0.4wt.%,余量为Al。
本实施例的一种非热处理高强韧压铸铝镁硅合金的制备及其压铸工艺包括以下步骤:
1)烘干:将备好的原料纯铝、纯Mg、Al-20Si中间合金、Al-10Mn中间合金、Al-10Ti中间合金、Al-5V中间合金、Al-5Zr中间合金、Mg-20Ca中间合金、Al-10RE以及Al-5Be中间合金预热到200℃进行烘干处理;
2)熔炼:选用坩埚电阻炉进行熔炼,先将电阻炉预热至200℃,然后再向坩埚内壁均匀涂覆涂料;待烘干后,先将称好的纯铝进行熔化,待纯铝熔化完毕后,升温至780℃,加入称好的Al-5V、Al-5Zr中间合金,待合金熔化完毕后,降温至740℃,添加称好的Al-10Mn、Al-20Si中间合金;熔化完毕后降温至690℃,并在溶体表面撒上覆盖剂(不含Na离子、溶剂密度<2.7g/cm3),随后加入称好的纯Mg、Al-5Be中间合金。待熔化完毕后充分搅拌,静置并进行炉前成分分析,检测合金溶体的成分含量,对含量存在偏差的溶体进行补料或者冲淡,使其成分达到合格的范围。
3)精炼、变质:把合金成分合格的熔体升温至720℃,在熔体中通入压力为0.2MPa的氮气,带入熔体总重量0.8%的精炼剂(不含Na离子的盐类熔剂)粉末,然后继续通气10min除渣除气。随后加入称好的Al-10Ti、Mg-20Ca以及Al-10RE中间合金进行细化、变质处理。随后静置15min,并再进行炉前成分分析测试,成分合格后在690℃-700℃进行高压铸造生产。压射速度为2m/s,铸造压力为104MPa。生产过程中使用的模具为压铸试棒模,获得铸件记为B1。
对比例1
本对比例的一种非热处理高强韧压铸铝镁硅合金的各组分重量百分比为:Mg:6.5wt.%;Si:2.2wt.%;Mn:0.7wt.%;Ti:0.15wt.%;V:0.04wt.%%;Zr:0.03wt.%;Be:0.005wt.%;其他杂质总量和小于或等于0.4wt.%,余量为Al。
本对比例的一种非热处理高强韧压铸铝镁硅合金的制备以及压铸工艺包括以下步骤:
1)烘干:将备好的原料纯铝、纯Mg、Al-20Si中间合金、Al-10Mn中间合金、Al-10Ti中间合金、Al-5V中间合金、Al-5Zr以及Al-5Be中间合金预热到200℃进行烘干处理;
2)熔炼:选用坩埚电阻炉进行熔炼,先将电阻炉预热至200℃,然后再向坩埚内壁均匀涂覆涂料;;待烘干后,先将称好的纯铝进行熔化,待纯铝熔化完毕后,升温至780℃,加入称好的Al-5V、Al-5Zr中间合金,待合金熔化完毕后,降温至740℃,添加称好的Al-10Mn、Al-20Si中间合金;熔化完毕后降温至690℃,并在溶体表面撒上覆盖剂,随后加入称好的纯Mg、Al-5Be中间合金。待熔化完毕后充分搅拌,静置并进行炉前成分分析,检测合金溶体的成分含量,对含量存在偏差的溶体进行补料或者冲淡,使其成分达到合格的范围。
3)精炼、变质:把合金成分合格的熔体升温至720℃,在熔体中通过压力为0.2MPa的氮气,带入熔体总重量0.8%的精炼剂粉末,然后继续通气10min除渣除气。随后加入Al-10Ti中间合金进行细化处理。静置15min,并再进行炉前成分分析测试,成分合格后在690℃-700℃即可进行高压铸造生产。压铸工艺参数与压铸使用模具与实施例1中相同,获得铸件B2。
对比例2
本对比例的一种非热处理高强韧压铸铝镁硅合金的各组分重量百分比为:Mg:6.5wt.%;Si:2.2wt.%;Mn:0.7wt.%;Ti:0.15wt.%;V:0.04wt.%%;Zr:0.03wt.%;Be:0.005wt.%;RE:0.03wt.%其他杂质总量和小于或等于0.4wt.%,余量为Al。
本对比例的一种非热处理高强韧压铸铝镁硅合金的制备以及压铸工艺包括以下步骤:
1)烘干:将备好的原料纯铝、纯Mg、Al-20Si中间合金、Al-10Mn中间合金、Al-10Ti中间合金、Al-5V中间合金、Al-5Zr、Al-10RE以及Al-5Be中间合金预热到200℃进行烘干处理;
2)熔炼:选用坩埚电阻炉进行熔炼,先将电阻炉预热至200℃,然后再向坩埚内壁均匀涂覆涂料;;待烘干后,先将称好的纯铝进行熔化,待纯铝熔化完毕后,升温至780℃,加入称好的Al-5V、Al-5Zr中间合金,待合金熔化完毕后,降温至740℃,添加称好的Al-10Mn、Al-20Si中间合金;熔化完毕后降温至690℃,并在溶体表面撒上覆盖剂,随后加入称好的纯Mg、Al-5Be中间合金。待熔化完毕后充分搅拌,静置并进行炉前成分分析,检测合金溶体的成分含量,对含量存在偏差的溶体进行补料或者冲淡,使其成分达到合格的范围。
3)精炼、变质:把合金成分合格的熔体升温至720℃,在熔体中通过压力为0.2MPa的氮气,带入熔体总重量0.8%的精炼剂粉末,然后继续通气10min除渣除气。随后加入Al-10Ti以及Al-10RE中间合金进行细化处理。静置15min,并再进行炉前成分分析测试,成分合格后在690℃-700℃即可进行高压铸造生产。压铸工艺参数与压铸使用模具与实施例1中相同,获得铸件B3。
对比例3
本对比例的一种非热处理高强韧压铸铝镁硅合金的各组分重量百分比为:Mg:6.5wt.%;Si:2.2wt.%;Mn:0.7wt.%;Ti:0.15wt.%;V:0.04wt.%%;Zr:0.03wt.%;Be:0.005wt.%;Ca:0.005wt.%,其他杂质总量和小于或等于0.4wt.%,余量为Al。
本对比例的一种非热处理高强韧压铸铝镁硅合金的制备以及压铸工艺包括以下步骤:
1)烘干:将备好的原料纯铝、纯Mg、Al-20Si中间合金、Al-10Mn中间合金、Al-10Ti中间合金、Al-5V中间合金、Al-5Zr、Mg-20Ca以及Al-5Be中间合金预热到200℃进行烘干处理;
2)熔炼:选用坩埚电阻炉进行熔炼,先将电阻炉预热至200℃,然后再向坩埚内壁均匀涂覆涂料;;待烘干后,先将称好的纯铝进行熔化,待纯铝熔化完毕后,升温至780℃,加入称好的Al-5V、Al-5Zr中间合金,待合金熔化完毕后,降温至740℃,添加称好的Al-10Mn、Al-20Si中间合金;熔化完毕后降温至690℃,并在溶体表面撒上覆盖剂,随后加入称好的纯Mg、Al-5Be中间合金。待熔化完毕后充分搅拌,静置并进行炉前成分分析,检测合金溶体的成分含量,对含量存在偏差的溶体进行补料或者冲淡,使其成分达到合格的范围。
3)精炼、变质:把合金成分合格的熔体升温至720℃,在熔体中通过压力为0.2MPa的氮气,带入熔体总重量0.8%的精炼剂粉末,然后继续通气10min除渣除气。随后加入Al-10Ti以及Mg-20Ca中间合金进行细化处理。静置15min,并再进行炉前成分分析测试,成分合格后在690℃-700℃即可进行高压铸造生产。压铸工艺参数与压铸使用模具与实施例1中相同,获得铸件B4。
实施例2
本实施例的一种非热处理强化高强韧压铸铝镁硅合金的各组分重量百分比为:Mg:6.0wt.%;Si:2.0wt.%;Mn:0.6wt.%;Ti:0.15wt.%;V:0.03wt.%%;Zr:0.02wt.%;Be:0.004wt.%;Ca:0.003wt.%;RE:0.01wt.%;其他杂质总量和小于或等于0.4wt.%,余量为Al。
本实施例的一种非热处理高强韧压铸铝镁硅合金的制备及其压铸工艺与实施例1相同,获得铸件B5。
实施例3
本实施例的一种非热处理强化高强韧压铸铝镁硅合金的各组分重量百分比为:Mg:7.5wt.%;Si:2.5wt.%;Mn:0.7wt.%;Ti:0.15wt.%;V:0.04wt.%%;Zr:0.03wt.%;Be:0.005wt.%;Ca:0.005wt.%;RE:0.03wt.%;其他杂质总量和小于或等于0.4wt.%,余量为Al。
本实施例的一种非热处理高强韧压铸铝镁硅合金的制备及其压铸工艺与实施例1相同,获得铸件B6。
实施例4
本实施例的一种非热处理强化高强韧压铸铝镁硅合金的各组分重量百分比为:Mg:8.0wt.%;Si:3.6wt.%;Mn:0.9wt.%;Ti:0.2wt.%;V:0.1wt.%%;Zr:0.1wt.%;Be:0.006wt.%;Ca:0.01wt.%;RE:0.2wt.%;其他杂质总量和小于或等于0.4wt.%,余量为Al。
本实施例的一种非热处理高强韧压铸铝镁硅合金的制备及其压铸工艺与实施例1相同,获得铸件B7。
将上述实施例1和对比例1、2、3中获得的铸件进行微观组织观察。为了更加清晰地看到共晶Mg2Si的形貌,采用NaOH溶液对试样进行20min腐蚀。SEM结果表明,添加了RE、Ca元素的铸件,共晶Mg2Si组织得到了明显的细化。不添加RE/Ca,或者单独添加RE元素、单独添加Ca元素均未达到与同时添加RE/Ca元素带来的变质细化效果。微观组织如图1所示:(1)为实施例1中铸件B1微观组织;(2)为对比例1中铸件B2微观组织;(3)为对比例2中铸件B3微观组织;(4)为对比例3中铸件B4微观组织;通过上述微观组织对比,也证明了本发明中所添加微量元素对细化组织具有重要作用。
将上述实施例以及对比例中所获的铸件进行室温拉伸力学性能测试。铸件B1-B7试棒拉伸应力-应变曲线如图2所示。室温拉伸力学性能具体数据归纳如表1所示。
表1各实施例、对比例中获得铸件的室温拉伸力学性能
名称 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(%)
B1 185 380 14.2
B2 190 370 6.3
B3 189 390 8.4
B4 193 349 7.3
B5 188 386 15.2
B6 213 399 11.9
B7 225 407 10.5
通过对比B1、B2、B3以及B4铸件室温拉伸力学性能对比可以说明本发明中所添加RE/Ca微量元素能够明显改善材料性能,特别是延伸率。通过上述B1、B5、B6以及B7铸件性能的对比可以说明,本发明中调控Mg、Si含量能够对合金性能产生重要影响。Mg、Si含量低时,强度较低,但延伸率高。Mg、Si含量高时,强度高,延伸率较低。当合金成分范围在本专利权利1要求成分范围内时。铸件室温拉伸力学性能范围为:屈服强度180-220MPa,抗拉强度360-400MPa,延伸率10-15%。
以上所述仅为本发明的实施例,并非限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书所做的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金,其特征在于,所述压铸铝镁硅合金中各组分重量百分比为:Mg:6.0wt.%-8.0wt.%;Si:2.0wt.%-3.6wt.%;Mn:0.6-0.9wt.%;Ti:0.15wt.%-0.20wt.%;V:0.03wt.%-0.1wt.%;Zr:0.02wt.%-0.1wt.%;Be:0.004wt.%-0.006wt.%;Ca:0.003wt.%-0.01wt.%;RE:0.01wt.%-0.2wt.%;其他杂质总量和小于或等于0.4wt.%,余量为Al。
2.一种如权利要求1所述的非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
S1、备料:按各合金元素的重量百分比备料;其中,Mg、Al以纯铝、纯Mg形式备料,Si以工业晶体硅、Mg-Si或Al-Si中间合金形式备料,Mn、Ti、V、Zr、Be、Ca、RE以含镁或含铝中间合金形式备料;
S2、熔炼:先将纯铝进行熔化,随后升温至750-800℃添加Al-V或Mg-V中间合金、Al-Zr或Mg-Zr中间合金,待中间合金熔化后降温至720-750℃,随后添加Al-Mn或Mg-Mn中间合金,工业晶体硅、Mg-Si或Al-Si中间合金进行熔化,熔化完毕后降温至680-700℃,对熔体进行保护,随后加入纯Mg,Al-Be或Mg-Be中间合金,并将其压入坩埚底部区域进行熔化;
S3、精炼、变质:将步骤S2的熔体升温至710-740℃,在熔体中通入带有精炼剂粉末的气体进行喷粉精炼除渣除气处理;随后加入Al-Ti或Mg-Ti中间合金,Mg-Ca或Al-Ca中间合金,Al-RE或Mg-RE中间合金进行细化、变质处理;
S4、浇铸或压铸:待步骤S3精炼、变质后的熔体达到浇铸温度进行浇铸合金锭操作或压铸工序操作,最终完成合金锭生产或者压铸件生产。
3.如权利要求2所述的非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金的制备方法,其特征在于,步骤S1中,还包括将备好的原料预热到180-240℃,进行烘干处理的步骤。
4.如权利要求2所述的非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金的制备方法,其特征在于,步骤S2中,所述对熔体进行保护是在熔体表面撒上不含Na离子、溶剂密度<2.7g/cm3的覆盖剂或向炉内通入Air+SF6的混合气体或者类SF6的保护气体。
5.如权利要求2所述的非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金的制备方法,其特征在于,步骤S2中,还包括待熔化搅拌均匀后,静置并进行炉前成分分析,检测合金溶体的成分含量,对含量存在偏差的熔体进行补料或者冲淡,使其成分达到合格的范围的步骤。
6.如权利要求2所述的非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金的制备方法,其特征在于,步骤S3中,所述精炼剂为不含Na离子的盐类熔剂。
7.如权利要求2所述的非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金的制备方法,其特征在于,步骤S3中,所述气体包括:氮气或氩气。
8.如权利要求2所述的非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金的制备方法,其特征在于,步骤S4中,所述浇铸温度为680-710℃。
9.如权利要求2所述的非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金的制备方法,其特征在于,步骤S4中,使用所述压铸铝镁硅合金进行压铸件生产时,压射速度范围为1.5-3m/s。
10.如权利要求2所述的非热处理强化高强高韧压铸铝镁硅合金的制备方法,其特征在于,步骤S4中,使用所述压铸铝镁硅合金进行压铸件生产时,铸造压力范围为100-150Mpa。
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