CN110139942A - 高硬度耐磨钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一方面旨在提供一种厚度为40t(mm)的具有优异耐磨性以及高强度和冲击韧性的高硬度耐磨钢及其制造方法。
Description
技术领域
本公开涉及用于建筑机械的耐磨钢,更具体地涉及高硬度耐磨钢及其制造方法。
背景技术
在用于如建筑、土木工程、采矿工业、水泥工业等的许多工业中的建筑机械、工业机械等的情况下,可能在操作期间由于摩擦而引起严重的磨损,因此有必要使用具有耐磨特性的材料。
通常,钢的耐磨性与硬度之间存在相关性,因此有必要增大可能被磨损的钢的硬度。为了确保更稳定的耐磨性,从钢板表面沿厚度方向直达板内部(大约t/2,t=厚度)有必要具有均匀的硬度(即,在钢板的表面和内部中具有相同水平的硬度)。
根据相关技术,为了在一个具有高于一定水平的厚度的钢板中获得高硬度,广泛使用一种在轧制后在Ac3或更高的温度下再加热之后进行淬火的方法。
作为实例,在专利文献1和2中,公开了一种通过增加C的含量和添加大量用于提高淬透性的元素如Cr和Mo来增大表面硬度的方法。
然而,为了制造具有一定厚度的钢板,有必要添加更大量的淬透性元素以确保钢板的中心区域中的淬透性。在这种情况下,当添加大量的C和淬透性合金时,制造成本增加并且可焊性和低温韧性劣化。
因此,在不可避免地添加淬透性合金以确保淬透性的情况下,用于通过确保高硬度而具有优异耐磨性以及确保高强度和冲击韧性的方法是必需的。
(专利文献1)日本专利公开公报No.1996-041535
(专利文献2)日本专利公开公报No.1986-166954
发明内容
技术问题
本公开的一方面可以提供厚度为40mm或更小的具有优异耐磨性以及高强度和冲击韧性的高硬度耐磨钢及其制造方法。
技术方案
根据本公开的一方面,高硬度耐磨钢包含0.08重量%至0.16重量%的碳(C)、0.1重量%至0.7重量%的硅(Si)、0.8重量%至1.6重量%的锰(Mn)、0.05重量%或更少(不包括0重量%)的磷(P)、0.02重量%或更少(不包括0重量%)的硫(S)、0.07重量%或更少(不包括0重量%)的铝(Al)、0.1重量%至1.0重量%的铬(Cr)、0.01重量%至0.1重量%的镍(Ni)、0.01重量%至0.2重量%的钼(Mo)、50ppm或更少(不包括0ppm)的硼(B)、以及0.04重量%或更少(不包括0重量%)的钴(Co),该高硬度耐磨钢还包含0.1重量%或更少(不包括0重量%)的铜(Cu)、0.02重量%或更少(不包括0重量%)的钛(Ti)、0.05重量%或更少(不包括0重量%)的铌(Nb)、0.02重量%或更少(不包括0重量%)的钒(V)、和2ppm至100ppm的钙(Ca)中的一者或多者,该高硬度耐磨钢包含余量的铁(Fe)和其他不可避免的杂质,并且满足关系1,并且
显微组织包含面积分数为97%或更多的马氏体和面积分数为3%或更少的贝氏体。
[关系1]
360≤(869×[C])+295≤440
在此,[C]表示重量%。
根据本公开的另一方面,一种制造高硬度耐磨钢的方法包括:制备满足上述合金组成和关系1的钢坯;将钢坯再加热至1050℃至1250℃的范围内的温度;对经再加热的钢坯进行粗轧至950℃至1050℃的范围内的温度;在粗轧之后,通过在750℃至950℃的范围内的温度下进行精轧来制造热轧钢板;在将热轧钢板空冷(air-cooled)至室温之后,以20分钟或更长的炉时间(furnace time)再加热热处理至850℃至950℃的范围内的温度;以及在再加热热处理之后,以满足关系2的冷却速率对热轧钢板进行淬火至100℃或更低。
[关系2]
CR≥0.2/[C]
在此,CR是再加热热处理之后的淬火期间的冷却速率(℃/s),并且[C]表示重量%。
有益效果
根据本公开中的示例性实施方案,具有高硬度和高强度的耐磨钢被提供成具有4至40t(mm)的厚度的钢材。
附图说明
图1是根据实施方案的本发明例8的显微组织的测量图像。
具体实施方式
本公开的发明人已经对可以适当地应用于建筑机械等的材料进行了深入研究。具体地,为了提供具有高硬度以确保耐磨性——实际上所需的材料性能——并且具有高强度和高韧性的钢材,对作为合金组成的淬透性元素的含量进行优化,同时对制造条件进行优化。因此,确认提供了具有有利于确保上述材料性能的显微组织的耐磨钢,并且已经实现了本公开。
在下文中,将详细说明本公开。
根据本公开的一方面的高硬度耐磨钢优选地以重量%计包含0.08%至0.16%的碳(C)、0.1%至0.7%的硅(Si)、0.8%至1.6%的锰(Mn)、0.05%或更少(不包括0%)的磷(P)、0.02%或更少(不包括0%)的硫(S)、0.07%或更少(不包括0%)的铝(Al)、0.1%至1.0%的铬(Cr)、0.01%至0.1%的镍(Ni)、0.01%至0.2%的钼(Mo)、50ppm或更少(不包括0ppm)的硼(B)、以及0.04%或更少(不包括0%)的钴(Co)。
在下文中,将详细描述对如上所述的本公开中提供的高硬度耐磨钢的合金组成进行控制的原因。在这种情况下,除非另有说明,否则每种成分的含量表示重量%。
碳(C):0.08%至0.16%
碳(C)对于利用马氏体组织提高钢的强度和硬度是有效的,并且是有效提高淬透性的元素。
为了充分确保上述效果,优选地以0.08%或更多的量添加C。然而,如果C的含量超过0.16%,则可焊性和韧性可能劣化。
因此,在本公开中,优选地将C的含量控制为0.08%至0.16%,并且更优选地以0.10%至0.14%的量被包含。
硅(Si):0.1%至0.7%
硅(Si)是有效改善脱氧并通过固溶强化来提高强度的元素。
为了有效地获得该效果,优选地以0.1%或更多的量添加Si。然而,如果Si的含量超过0.7%,则可焊性可能劣化,这不是优选的。
因此,在本公开中,优选地将Si的含量控制为0.1%至0.7%。更优选地,Si可以以0.2%至0.5%的量被包含。
锰(Mn):0.8%至1.6%
锰(Mn)是用于抑制铁素体形成并降低Ar3温度以有效提高淬透性从而提高钢的强度和韧性的元素。
在本公开中,为了确保具有40mm或更小厚度的钢材的硬度,优选地以0.8%或更多的量添加Mn。然而,如果Mn的含量超过1.6%,则促使在中心区域中产生如MnS的偏析区域,这不仅增加了切割操作期间断裂的可能性,而且还使可焊性劣化。
因此,在本公开中,优选地将Mn的含量控制为0.8%至1.6%。
磷(P):0.05%或更少(不包括0%)
磷(P)是钢中不可避免地包含的元素,然而,磷(P)抑制钢的韧性。因此,优选地将P的含量控制为尽可能低至0.05%或更少。然而,考虑到不可避免地添加的水平,P的含量不包括0%。
硫(S):0.02%或更少(不包括0%)
硫(S)是通过在钢中形成MnS夹杂物而抑制钢的韧性的元素。因此,将S的含量控制为尽可能低,优选地为0.02%或更少,并且更优选地为0.01%或更少。然而,考虑到不可避免地添加的水平,S的含量不包括0%。
铝(Al):0.07%或更少(不包括0%)
铝(Al)——作为钢的脱氧剂——是有效降低熔融钢中的氧含量的元素。如果Al的含量超过0.07%,则钢的洁净度可能劣化,这不是优选的。
因此,在本公开中,优选地将Al的含量控制为0.07%或更少。另外,考虑到炼钢过程期间的载荷、制造成本的增加等,Al的含量不包括0%。
铬(Cr):0.1%至1.0%
铬(Cr)是通过提高钢的淬透性来提高强度并且有利于确保硬度的元素。
对于上述效果,优选地以0.1%或更多的量添加Cr。然而,如果Cr的含量超过1.0%,则可焊性可能较低,这可能增加制造成本。
因此,在本公开中,优选地将Cr的含量控制为0.1%至1.0%。
镍(Ni):0.01%至0.1%
镍(Ni)是与Cr一起通过提高钢的淬透性来有效提高钢的韧性和强度的元素。
对于上述效果,优选地以0.01%或更多的量添加Ni。然而,如果Ni的含量超过0.1%,则Ni——相对昂贵的元素——可能增加制造成本。
因此,在本公开中,优选地将Ni的含量控制为0.01%至0.1%。
钼(Mo):0.01%至0.2%
钼(Mo)是有效提高钢的淬透性、尤其是提高钢的硬度的元素。
为了充分获得上述效果,优选地以0.01%或更多的量添加Mo。然而,如果Mo——相对昂贵的元素——的含量超过0.2%,则不仅制造成本增加,而且可焊性也变低。
因此,在本公开中,优选地将Mo的含量控制为0.01%至0.2%。
硼(B):50ppm或更少(不包括0ppm)
硼(B)是即使少量添加B时也可以通过有效提高钢的淬透性来有效提高强度的元素。
然而,如果B的含量过多,则钢的韧性和可焊性可能劣化。因此,优选地将B的含量控制为50ppm或更少,并且B的含量不包括0ppm。
钴(Co):0.04%或更少(不包括0%)
钴(Co)是通过提高钢的淬透性而有利于确保钢的硬度和强度的元素。
然而,如果Co的含量超过0.04%,则钢的淬透性可能降低。另外,Co——相对昂贵的元素——可能会增加制造成本。
因此,在本公开中,优选地以0.04%或更少且不包括0%的量添加Co。此外,更优选地以0.005%至0.035%的量、甚至更优选地以0.01%至0.03%的量添加Co。
除了上述合金组成之外,本公开的耐磨钢还可以包括有利于确保本公开所需的材料性能的元素。
具体地,耐磨钢还可以包含选自由0.1%或更少(不包括0%)的铜(Cu)、0.02%或更少(不包括0%)的钛(Ti)、0.05%或更少(不包括0%)的铌(Nb)、0.02%或更少(不包括0%)的钒(V)和2ppm至100ppm的钙(Ca)组成的组中的一者或多者。
铜(Cu):0.1%或更少(不包括0%)
铜(Cu)是用于提高钢的淬透性并通过固溶强化来提高钢的强度和硬度的元素。
如果Cu的含量超过0.1%,则可能产生表面缺陷,并且热加工性可能劣化。因此,当添加Cu时,优选地以0.1%或更少的量添加Cu。
钛(Ti):0.02%或更少(不包括0%)
钛(Ti)是显著增强B的效果的元素,B是有效提高钢的淬透性的元素。具体地,Ti与钢中的氮(N)结合形成TiN析出物,从而抑制BN的形成。因此,固溶B增加,因此可以显著增强淬透性的提高。
然而,如果Ti的含量超过0.02%,则会形成粗大的TiN析出物,使得钢的韧性可能较低。
因此,在本公开中,当添加Ti时,优选地以0.02%或更少的量添加Ti。
铌(Nb):0.05%或更少(不包括0%)
铌(Nb)溶解在奥氏体中以提高奥氏体的淬透性,并形成碳氮化物、如Nb(C,N)以增大钢的强度并抑制奥氏体晶粒的长大。
然而,如果Nb的含量超过0.05%,则可能形成粗大的析出物,并且该粗大的析出物可能成为脆性断裂的起点,从而使韧性劣化。
因此,在本公开中,当添加Nb时,优选地以0.05%或更少的量添加Nb。
钒(V):0.02%或更少(不包括0%)
钒(V)是通过在热轧之后的再加热时形成VC碳化物而有利于抑制奥氏体晶粒的长大并提高钢的淬透性以确保强度和韧性的元素。
然而,如果V——相对昂贵的元素——的含量超过0.02%,则可能增加制造成本。
因此,在本公开中,当添加V时,优选地将V的含量控制为0.02%或更少。
钙(Ca):2ppm至100ppm
钙(Ca)由于与S的强结合力而可以通过产生CaS来抑制在钢材的厚度方向上的中心区域处偏析的MnS的形成。此外,通过添加Ca而产生的CaS可以增强在高湿度环境下的耐腐蚀性。
对于上述效果,优选地以2ppm或更多的量添加Ca。然而,如果Ca的含量超过100ppm,则由于在炼钢操作期间引起水口堵塞的问题而不是优选的。
因此,在本公开中,当添加Ca时,优选地将Ca的含量控制为2ppm至100ppm。
此外,根据本公开的耐磨钢还可以包含0.05%或更少(不包括0%)的砷(As)、0.05%或更少(不包括0%)的锡(Sn)、和0.05%或更少(不包括0%)的钨(W)中的一者或多者。
As对于提高钢的韧性是有效的,而Sn对于提高钢的强度和耐腐蚀性是有效的。另外,W是通过增大淬透性而有效增大强度并提高高温下的硬度的元素。
然而,如果As、Sn和W中的每一者的含量超过0.05%,不仅可能增加制造成本,而且还可能使钢的材料性能劣化。
因此,在本公开中,当耐磨钢还包含As、Sn和W中的一者或多者时,优选地将其含量控制为0.05%或更少。
本公开的其余元素是铁(Fe)。只是在通常的制造过程中,非预期的杂质可能不可避免地从周围环境混合,因此,可能不排除杂质。由于这些杂质对于普通制造过程方面的技术人员是已知的,因此在本说明书中将不特别描述所有的包含物。
优选的是,根据本公开的耐磨钢满足以下关系1。
[关系1]
360≤(869×[C])+295≤440
在此,[C]表示重量%。
如果关系1的值小于360,则可能难以确保本公开中提供的耐磨钢的表面硬度为HB400等级(优选地为360HB至440HB)。另一方面,如果关系1的值超过440,则不是优选的,这是因为可能发生焊接材料与最终产品中一起使用的其他构件之间的不匹配。
根据本公开的耐磨钢满足上述合金组成和关系1,优选地包含马氏体相的显微组织作为基体组织。
更具体地,根据本公开的耐磨钢包含面积分数为97%或更高(包括100%)的马氏体相,并且可以包含贝氏体相作为其他组织。该贝氏体相优选地以3%或更小的面积分数被包含,或者可以以0%的面积分数形成。
如果马氏体相的分数小于97%,则难以确保目标水平的强度和硬度。
在下文中,将详细描述本公开的另一方面的一种制造高硬度耐磨钢的方法。
简而言之,优选地制备满足上述合金组成的钢坯,然后用钢坯通过再加热-粗轧-精轧-空冷-再加热热处理-淬火的过程来制造高硬度耐磨钢。在下文中,将详细描述每个工艺条件。
首先,制备满足本公开中所提出的合金组成和关系1的钢坯,然后优选地将钢坯加热至1050℃至1250℃的范围内的温度。
如果加热期间的温度低于1050℃,则Nb等的再固溶是不充分的。另一方面,如果加热期间的温度超过1250℃,则奥氏体晶粒粗化,因此可能形成不均匀的组织。
因此,在本公开中,当加热钢坯时,优选地将加热进行至1050℃至1250℃的范围内的温度。
优选地对经加热的钢坯进行粗轧和精轧以制造热轧钢板。
首先,对经加热的钢坯进行粗轧至950℃至1050℃的范围内的温度以制造条钢,然后优选地对条钢进行精热轧至750℃至950℃的范围内的温度。
如果粗轧期间的温度低于950℃,则轧制载荷增加并且相对较弱地进行压制。在这种情况下,变形不能充分地施加至板坯厚度方向的中心,使得可能不会除去诸如孔隙之类的缺陷。另一方面,如果粗轧期间的温度超过1050℃,则在轧制的同时发生再结晶后晶粒长大,因此初始奥氏体晶粒变得相当粗大。
如果精轧温度范围小于750℃,则进行两相区轧制,因此可能产生铁素体显微组织。另一方面,如果该温度超过950℃,则轧辊载荷增加,因此轧制性能可能较差。
将如上所述制造的热轧钢板空冷至室温,然后优选地以20分钟或更长的炉时间进行再加热热处理至850℃至950℃的范围内的温度。
提供再加热热处理以将由铁素体和珠光体形成的热轧钢板反向转变为奥氏体单相。在此,如果再加热热处理期间的温度低于850℃,则不能充分进行奥氏体化,并且粗大的软的铁素体与奥氏体混合,使得最终产品的硬度可能降低。另一方面,如果再加热热处理期间的温度超过950℃,则奥氏体晶粒粗化,因此淬透性可能增大,但是钢的低温韧性可能降低。
如果在上述温度范围内再加热期间的炉时间小于20分钟,则奥氏体化可能进行得不充分,使得可能无法充分获得由随后的快速冷却导致的相转变,即马氏体组织。另一方面,如果炉时间超过60分钟,则奥氏体晶粒变得粗大,并且钢的低温韧性可能变低。
在再加热热处理完成后,优选以满足以下关系2的冷却速率进行淬火至100℃或更低。
[关系2]
CR≥0.2/[C]
在此,CR是再加热热处理之后的淬火期间的冷却速率(℃/s),并且[C]表示重量%。
如果淬火期间的冷却速率小于关系2的值或冷却终止温度超过100℃,则可能形成铁素体相,或者在淬火期间可能形成过量的贝氏体相。
可以有利地以1.25℃/s或更高、更有利地以2.5℃/s或更高、并且更有利地以5.0℃/s或更高的冷却速率进行淬火。在此,冷却速率的上限没有特别限制,并且可以考虑设备规格来适当选择冷却速率。
根据上述制造条件制造的本公开的热轧钢板包含马氏体相的显微组织作为主要相,并且可以具有高硬度,如360HB至440HB的布氏硬度值。
在下文中,将通过实施方案详细说明本公开。然而,提供这些实施方案以使得更透彻地理解本发明,而不旨在限制本发明的范围。基于所附权利要求中要求保护的事项和由其合理地推导出的变型来确定本发明的范围。
发明实施方式
(实施例)
制备具有表1和表2中所示的合金组成的钢坯,然后将各个钢坯加热至1050℃至1250℃的范围内的温度,然后进行粗轧至950℃至1050℃的范围内的温度以制造条钢。然后,在表3中所示的温度下对各个条钢进行精轧以制造热轧钢板,然后进行冷却(空冷)至室温。然后,对热轧钢板进行再加热处理,然后进行淬火至100℃或更低。在这种情况下,再加热热处理和淬火条件被示于表3中。
然后,测量相对于各个热轧钢板的显微组织和机械性能,并且结果示于表4中。
在显微组织中,将试样切割成任意尺寸以制造抛光表面,并且使用硝酸溶液蚀刻(etched)抛光表面,然后使用光学显微镜(optical microscope)和电子扫描显微镜(electron scanning microscope)对在厚度方向上距表面层2mm的位置进行观测。
此外,使用万能拉伸试验机(universal tensile tester)、布氏硬度试验机(Brinell hardness tester)(3000kgf的载荷、具有10mm直径的钨压头)和夏比冲击试验机(Charpy impact tester)分别测定抗拉强度、硬度和韧性。在这种情况下,在拉伸试验中,使用总厚度的板作为试样,并且布氏硬度被提供为通过在试样上进行磨削处理之后对在厚度方向上距表面2mm的位置测量三次而获得的平均值。此外,夏比冲击试验(Charpy impacttest)的结果被提供为通过在-40℃下测量三次而获得的平均值。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
如表1至表4中所示,在比较例1至9的情况下,不满足钢合金组成、关系1和制造条件中的一者或多者,确认热轧钢板的硬度(HB)值不满足本公开的水平。
具体地,在使用C含量不足的比较钢1的比较例1至3的情况下,硬度值低。另一方面,在使用C含量过多的比较钢2或3的比较例4至9的情况下,确认硬度值非常高。
在比较例10的情况下,满足钢合金组成和关系1,并且在再加热热处理之后的淬火期间冷却终止温度高,不能充分形成马氏体相,因此硬度值是差的。此外,在再加热热处理期间的炉时间不足的比较例11和再加热温度低的比较例12的情况下,不能充分形成马氏体相,因此硬度值是非常差的。
另一方面,在满足所有钢合金组成、关系1和制造条件的发明例1至9的情况下,马氏体相形成为97%或更高,获得了高强度和高韧性(在-40℃下为30J或更高),并且获得了目标水平的硬度值。
图1示出了发明例8的中心区域的显微组织的观察结果,并且用肉眼可以确认马氏体相的形成。
Claims (6)
1.一种高硬度耐磨钢,包含:0.08重量%至0.16重量%的碳(C)、0.1重量%至0.7重量%的硅(Si)、0.8重量%至1.6重量%的锰(Mn)、0.05重量%或更少且不包括0重量%在内的磷(P)、0.02重量%或更少且不包括0重量%在内的硫(S)、0.07重量%或更少且不包括0重量%在内的铝(Al)、0.1重量%至1.0重量%的铬(Cr)、0.01重量%至0.1重量%的镍(Ni)、0.01重量%至0.2重量%的钼(Mo)、50ppm或更少且不包括0ppm在内的硼(B)、以及0.04重量%或更少且不包括0重量%在内的钴(Co),所述高硬度耐磨钢还包含0.1重量%或更少且不包括0重量%在内的铜(Cu)、0.02重量%或更少且不包括0重量%在内的钛(Ti)、0.05重量%或更少且不包括0重量%在内的铌(Nb)、0.02重量%或更少且不包括0重量%在内的钒(V)、和2ppm至100ppm的钙(Ca)中的一者或多者,所述高硬度耐磨钢包含余量的铁(Fe)和其他不可避免的杂质,并且满足关系1,
其中,显微组织包含面积分数为97%或更多的马氏体和面积分数为3%或更少的贝氏体。
[关系1]
360≤(869×[C])+295≤440
其中,[C]表示重量%。
2.根据权利要求1所述的高硬度耐磨钢,其中,所述耐磨钢还包含0.05重量%或更少且不包括0重量%在内的砷(As)、0.05重量%或更少且不包括0重量%在内的锡(Sn)、和0.05重量%或更少且不包括0重量%在内的钨(W)中的一者或多者。
3.根据权利要求1所述的高硬度耐磨钢,其中,所述耐磨钢具有40mm或更少的厚度和360HB至440HB的布氏硬度。
4.一种制造高硬度耐磨钢的方法,所述方法包括:
制备钢坯,所述钢坯包含0.08重量%至0.16重量%的碳(C)、0.1重量%至0.7重量%的硅(Si)、0.8重量%至1.6重量%的锰(Mn)、0.05重量%或更少且不包括0重量%在内的磷(P)、0.02重量%或更少且不包括0重量%在内的硫(S)、0.07重量%或更少且不包括0重量%在内的铝(Al)、0.1重量%至1.0重量%的铬(Cr)、0.01重量%至0.1重量%的镍(Ni)、0.01重量%至0.2重量%的钼(Mo)、50ppm或更少且不包括0ppm在内的硼(B)、以及0.04重量%或更少且不包括0重量%在内的钴(Co),所述高硬度耐磨钢还包含0.1重量%或更少且不包括0重量%在内的铜(Cu)、0.02重量%或更少且不包括0重量%在内的钛(Ti)、0.05重量%或更少且不包括0重量%在内的铌(Nb)、0.02重量%或更少且不包括0重量%在内的钒(V)、和2ppm至100ppm的钙(Ca)中的一者或多者,所述高硬度耐磨钢包含余量的铁(Fe)和其他不可避免的杂质,并且满足关系1;
将所述钢坯加热至1050℃至1250℃的范围内的温度;
对经再加热的钢坯进行粗轧至950℃至1050℃的范围内的温度;
在所述粗轧之后,通过在750℃至950℃的范围内的温度下进行精轧来制造热轧钢板;
在将所述热轧钢板空冷至室温之后,以20分钟或更长的炉时间进行再加热热处理至850℃至950℃的范围内的温度;以及
在所述再加热热处理之后,以满足关系2的冷却速率对所述热轧钢板进行淬火至100℃或更低,
[关系1]
360≤(869×[C])+295≤440
其中,[C]表示重量%,
[关系2]
CR≥0.2/[C]
其中,CR是再加热热处理之后的淬火期间的冷却速率,并且[C]表示重量%。
5.根据权利要求4所述的制造高硬度耐磨钢的方法,其中,在所述再加热热处理之后,所述淬火是以1.5℃/s或更高的冷却速率进行的。
6.根据权利要求4所述的制造高硬度耐磨钢的方法,其中,所述钢坯还包含0.05重量%或更少且不包括0重量%在内的砷(As)、0.05重量%或更少且不包括0重量%在内的锡(Sn)、和0.05重量%或更少且不包括0重量%在内的钨(W)中的一者或多者。
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