CN112638565B - 涂层刀具及切削刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明的涂层刀具具备具有第一面的基体、和位于基体的至少第一面之上的涂层。涂层具有：第一层，其位于第一面之上且含有钛化合物；以及第二层，其位于与第一层之上相接的位置且含有氧化铝。第二层的利用X射线衍射分析而得到的取向系数Tc(0012)为3.0以上。在涂层中，在与第一面正交的剖面中，沿着第一层和第二层的边界存在多个空孔，空孔在沿着边界的方向上的宽度的平均值比相邻的空孔的间隔的平均值小。本发明的切削刀具具有：刀柄，其为从第一端朝向第二端延伸的棒状，且具有位于第一端侧的刀槽；以及上述涂层刀具，其位于刀槽内。

Description

涂层刀具及切削刀具
技术领域
本发明涉及用于切削加工的涂层刀具。
背景技术
作为用于象车削加工及铣削加工那样的切削加工的涂层刀具，例如已知有专利文献1所记载的涂层刀具。专利文献1所记载的涂层刀具构成为在由硬质合金等构成的基体的表面形成有涂层，该涂层具备含有钛(Ti)的化合物的层(钛化合物层)以及含有氧化铝(Al2O3)的层(氧化铝层)。另外，在专利文献1所记载的涂层刀具中，在钛化合物层和氧化铝层的边界形成有多个空孔。记载了利用这些多个空孔能够得到缓和冲击效果。
另外，在专利文献2中记载了通过在MTCVD TiCN层与氧化铝层的组合中，控制氧化铝层的组织化系数Tc(hkl)和TiCN层的I220/I311，从而成为适于对钢进行切削的涂层刀具。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-182209号公报
专利文献2：日本专利第6026468号公报
发明内容
本发明的涂层刀具具备具有第一面的基体、和位于该基体的至少所述第一面之上的涂层。所述涂层具有：第一层，其位于所述第一面之上且含有钛化合物；以及第二层，其位于与该第一层之上相接的位置且含有氧化铝。所述第二层的利用X射线衍射分析而得到的取向系数Tc(0012)为3.0以上。在所述涂层中，在与所述第一面正交的剖面中沿着所述第一层和所述第二层的边界存在多个空孔，所述空孔在沿着所述边界的方向上的宽度的平均值比相邻的所述空孔的间隔的平均值小。
本发明的切削刀具具有：刀柄，其为从第一端朝向第二端延伸的棒状，且具有位于所述第一端侧的刀槽；以及上述涂层刀具，其位于所述刀槽内。
附图说明
图1是示出本发明的涂层刀具的立体图。
图2是图1所示的涂层刀具的A-A剖面的剖视图。
图3是图2所示的涂层刀具的涂层附近的放大图。
图4是示出图3所示的区域B1的一例的放大图。
图5是示出图3所示的区域B1的另一例的放大图。
图6是示出本发明的切削刀具的俯视图。
图7是图6所示的区域B2的放大图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的涂层刀具进行详细说明。但是，以下所参照的各图为了便于说明，仅简化示出了在说明实施方式的方面所需的主要构件。因此，涂层刀具能够具备未在参照的各图中示出的任意的结构构件。另外，各图中的构件的尺寸并未如实地表示实际的结构构件的尺寸及各构件的尺寸比率等。
＜涂层刀具＞
如图1及图2所示，本发明的涂层刀具1具备基体3及涂层5。基体3具有第一面7(图2中的上表面)、与第一面7相邻的第二面9(图2中的侧面)、以及位于第一面7与第二面9相交的棱线的至少一部分的切削刃11。
在图1所示的例子中，基体3为四角板形状，第一面7为四边形。因此，第二面9的数量为4个。第一面7的至少一部分为前刀面区域，第二面9的至少一部分为后刀面区域。需要说明的是，作为基体3的形状，不限定于四角板形状，例如第一面7也可以是三角形、五边形、六边形或圆形。另外，基体3不限定于板形状，例如也可以是柱形状。
涂层5位于基体3的至少第一面7之上。涂层5既可以仅位于第一面7之上，另外，也可以位于基体3中第一面7以外的其他面之上。除了第一面7之外，涂层5也位于第二面9之上。为了提高切削加工中的涂层刀具1的耐磨损性及耐崩损性等特性而具备涂层5。
如图3所示，涂层5具有第一层13及第二层15。第一层13位于第一面7之上，且含有钛化合物。另外，第二层15位于与第一层13之上相接的位置，且含有氧化铝(Al2O3)。
作为第一层13所含有的钛化合物，例如可以举出钛的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物及碳氮氧化物。第一层13既可以是仅含有上述化合物中任一种化合物的结构，另外，也可以是含有上述化合物中多种化合物的结构。
另外，第一层13是含有钛化合物的结构即可，既可以是单层的结构，另外，也可以是层叠了多个层而成的结构。例如，第一层13也可以是层叠了氮化钛层17和碳氮化钛层19而成的结构。在第一层13具有氮化钛层17作为与基体3相接的层的情况下，基体3与第一层13的接合性高。需要说明的是，氮化钛层17及碳氮化钛层19分别以氮化钛及碳氮化钛为主成分，也可以含有其他成分。需要说明的是，上述的“主成分”是指与其他成分相比质量％的值最大的成分。
需要说明的是，涂层5可以仅由第一层13及第二层15构成，另外，也可以具有这些层以外的层。例如，可以在基体3和第一层13之间存在其他的层，另外，也可以在第二层15之上存在其他的层。
另外，碳氮化钛层19也可以是层叠了组成相互不同的多个区域而成的结构。例如，碳氮化钛层19也可以是层叠了所谓的MT(moderate temperature)-第一区域19a、和所谓的HT(high temperature)-第二区域19b而成的结构。
在第一层13具有第一区域19a及第二区域19b的情况下，第一层13也可以在第一区域19a和第二区域19b之间还具有中间区域19c。
需要说明的是，上述的层及区域的边界例如能够通过观察电子显微镜照片(扫描型电子显微镜(SEM：Scanning Electron Microscope)照片或透射电子显微镜(TEM：Transmission Electron Microscope)照片)来确定。该确定可以根据构成各层的元素的比例、结晶的大小、取向性的差异来进行。
另外，第二层15所含有的氧化铝是α-氧化铝(α-Al2O3)。通过对第二层15使用α-氧化铝，能够提高涂层刀具1的耐热性。第二层15既可以是仅含有上述化合物中任一种化合物的结构，另外，也可以是含有上述化合物中多种化合物的结构。
第二层15所含有的氧化铝的晶体例如可以通过使用CuKα放射线及θ～2θ扫描进行X射线衍射(XRD：X-Ray Diffraction)分析，并观察峰值的分布来进行评价。
第一层13也可以含有钛化合物以外的成分，另外，第二层15也可以含有氧化铝以外的成分。例如，在第一层13含有氧化铝的情况、第二层15含有钛化合物的情况下，第一层13与第二层15的接合性提高。
如图4所示，涂层5在第一层13的内部具有空孔21。具体而言，在与基体3的第一面7正交的剖面中，涂层5在第一层13具有多个空孔21，该多个空孔21以在沿着第一层13和第二层15的边界16的方向上排列的方式配置。
在本发明的涂层刀具中，在与第一面7正交的剖面中，空孔21在与第一面7平行的方向上的宽度w1的平均值比相邻的空孔21的间隔、即第一部分X的宽度w2的平均值小，因此能够抑制第一部分X的强度降低，并且在空孔21中得到高的耐冲击性。因此，能够抑制第一层13与第二层15的接合性的降低，并且利用空孔21得到缓和冲击的效果。
另外，在本发明的涂层刀具1中，作为第二层15的氧化铝的组织化系数Tc(0012)超过3。由此，第二层15具有高的耐磨损性。需要说明的是，从第二层15的上表面进行CuKα射线及θ～2θ的X射线扫描来测定Tc(0012)。
本发明的涂层刀具1通过具有上述第一层13和上述第二层15，从而具有高的耐冲击性和高的耐磨损性。
需要说明的是，取向系数Tc(hkl)通过下式算出。
Tc(hkl)＝{I(hkl)/I0(hkl)}/〔(1/8)×Σ{I(HKL)/I0(HKL)}〕
在此，(HKL)是(012)、(104)、(110)、(113)、(116)、(300)、(214)、(0012)的晶面。I(HKL)及I(hkl)是在所述第一层的钛化合物的X射线衍射分析中检测出的归属于各晶面的峰的峰强度。I0(HKL)及I0(hkl)是JCPDS卡No.00-010-0173所记载的各晶面的标准衍射强度。
需要说明的是，在评价空孔21的与第一面7平行的方向上的宽度w1的平均值时，不需要评价在与第一面7正交的剖面中存在的所有空孔21的宽度w1，而根据在剖面中排列配置的5～10个程度的空孔21的宽度w1的平均值来进行评价即可。例如，在与第一面7正交的剖面中提取包含第一层13和第二层15的边界16在内的10μm方形区域，并测定该区域中的空孔21的宽度w1即可。另外，第一部分X的宽度w2的平均值根据在剖面中排列配置的5～10个程度的空孔21之间的间隔的平均值来进行评价即可。需要说明的是，在本发明中，除此之外还存在确定平均值的情况。这些情况下均优选为5～10程度的值的平均值。
空孔21存在于第一层13即可。例如，不仅可以如图4所示那样是位于第一层13内的结构，也可以如图5所示那样是分别位于第一层13内及第二层15内的结构。在图5中，用单点划线表示沿着第一层13和第二层15的边界16的假想线段，位于第二层15内的空孔21也可以沿着第一层13和第二层15的边界16配置。
需要说明的是，空孔21沿着第一层13和第二层15的边界16配置，是指多个空孔21到第一层13和第二层15的边界16的间隔相对于其平均值收敛在±20％的范围内。
出于涂层刀具1的耐热性及耐久性的观点考虑，在第一层13含有碳氮化钛作为钛化合物，而且第二层15含有α-氧化铝作为氧化铝的情况下，在多个空孔21位于第一层13内时，能够进一步提高涂层刀具1的耐久性。
这是因为，与α-氧化铝相比，碳氮化钛虽然硬度高，但是耐冲击性低，因此在空孔21位于第一层13内的情况下，能够在第一层13中提高由空孔21带来的耐冲击性，并能够进一步提高涂层刀具1的耐久性。
作为空孔21的大小，没有被特别限定，例如可以设定为20～200nm。在空孔21的大小为20nm以上的情况下，能够提高由空孔21带来的缓和冲击的效果。另外，在空孔21的大小为200nm以下的情况下，容易维持第一层13的强度。需要说明的是，空孔21的大小是指该空孔21在与第一面7正交的剖面中的宽度w1的最大值。
另外，作为空孔21的形状，没有被特别限定，但在与第一面7正交的剖面中，在与第一面7平行的方向上的宽度w1比与第一面7正交的方向上的高度h1大的情况下，换言之，在空孔21的与第一面7平行的方向上的宽度w1的平均值比空孔21的与第一面7正交的方向上的高度h1的平均值大的情况下，能够抑制空孔21的比率并进一步提高耐冲击性。这是基于以下的理由。
在为了制造切削加工物而对被切削件进行切削加工时，容易在与第一面7正交的方向上对涂层5施加切削负荷。此时，在空孔21为与第一面7平行的方向上的宽度w1比与第一面7正交的方向上的高度h1大的形状的情况下，不将空孔21增大至所需以上，就能够在空孔21的大范围内吸收切削负荷。因此，能够抑制空孔21的比率并进一步提高耐冲击性。需要说明的是，空孔21在与第一面7正交的方向上的高度h1是空孔21在与第一面7正交的方向上的高度h1的最大值。
具体而言，在空孔21的与第一面7正交的方向上的宽度w1的平均值相对于空孔21的与第一面7平行的方向上的高度h1的平均值的比率为1.2以上的情况下，容易在空孔21的大范围内吸收切削负荷。另外，在上述比率为2以下的情况下，容易确保空孔21在与第一面7正交的方向上的变形量，因此在空孔21中容易稳定地吸收切削负荷。
在将与第一面7正交的剖面中第一面7和第二面9的边界的最大高度设为Rz时，当空孔21的与第一面7正交的方向上的高度h1的平均值比Rz小的情况下，容易抑制涂层5的耐久性的降低。
通过第一层13中位于相邻的空孔21之间的第一部分X以及多个空孔21的变形，本发明的涂层刀具1具备高的耐冲击性。在此，在空孔21的与第一面7正交的方向上的宽度的平均值比Rz小的情况下，连结相邻的空孔21的假想线由以比弯曲得比空孔21的宽度大的锯齿形状表示。
在假想线由上述形状表示时，即使是假设在一个第一部分X产生了裂纹的情况，裂纹也难以向位于与产生了该裂纹的第一部分X相邻的位置的第一部分X进展。因此，涂层5的耐久性难以降低。
另外，在与第一面7正交的剖面中，即使在从空孔21到第一层13和第二层15的边界16的距离d1的平均值比第一部分X的宽度w2的平均值大的情况下，涂层5的耐久性也难以降低。需要说明的是，从空孔21到第一层13和第二层15的边界16的距离d1是空孔21中到边界16的距离的最小值。
这是因为，在上述情况下，与第一部分X相比，能够充分确保从空孔21到第一层13和第二层15的边界16的距离，因此即使是假设在一个第一部分X产生了裂纹的情况，该裂纹也难以到达第一层13和第二层15的边界16。由于上述裂纹难以到达第一层13和第二层15的边界16，因此第一层13与第二层15的接合性难以降低。
空孔21位于第一层13，且位于远离第一层13和第二层15的边界的位置。在此，在与第一面7正交的剖面中，在从空孔21到第一层13和第二层15的边界16的距离d1的平均值比空孔21的与第一面7正交的方向上的高度h1的平均值大的情况下，提高了涂层5中的耐冲击性，并且第一层13与第二层15的接合性难以降低。
这是因为，与空孔21的大小相比，能够充分确保从空孔21到第一层13和第二层15的边界16的距离，因此即使在由于吸收切削负荷而使得空孔21变形的情况下，第一层13和第二层15的边界16也不变形、或者变形量变得足够小。由于第一层13和第二层15的边界16难以较大地变形，因此第一层13与第二层15的接合性难以降低。
作为基体3的材质，例如可以举出硬质合金、金属陶瓷及陶瓷等无机材料。需要说明的是，作为基体3的材质，不限定于这些材料。
作为硬质合金的组成，例如可以举出WC(碳化钨)-Co、WC-TiC(碳化钛)-Co及WC-TiC-TaC(碳化钽)-Co。在此，WC、TiC及TaC是硬质粒子，Co是粘结相。另外，金属陶瓷是使金属与陶瓷成分复合而成的烧结复合材料。具体而言，作为金属陶瓷，可以举出以TiC、TiCN、TiN(氮化钛)为主成分的化合物。
基体3具有将第一面7以及位于第一面7的相反侧的面贯通的贯通孔23。能够使用贯通孔23来供用于将涂层刀具1固定于刀柄的固定构件插入。作为固定构件，例如可以举出螺钉及夹紧构件。
基体3的大小没有被特别限定，例如将第一面7的一边的长度设定为3～20mm程度。另外，将从第一面7到位于第一面7的相反侧的面的高度设定为5～20mm程度。
＜制造方法＞
接下来，说明本发明的涂层刀具的制造方法的一例。
首先，在从可通过烧成来形成成为基体3的硬质合金的碳化物、氮化物、碳氮化物以及氧化物等中选择的无机物粉末中，适当添加金属粉末、碳粉末等并混合，来制作混合粉末。接下来，通过使用公知的成形方法将该混合粉末成形为规定的刀具形状，来制作成形体。作为成形方法，例如可以举出冲压成形、浇铸成形、挤压成形以及冷等静压冲压成形等。通过将上述的成形体在真空中或非氧化性气氛中进行烧成，来制作基体3。需要说明的是，根据需要，也可以对基体3的表面实施研磨加工及珩磨加工。
接下来，在基体3的表面通过化学气相蒸镀(CVD)法来使涂层5成膜。
首先，使第一层13中的氮化钛层17(基底层)成膜。在氢(H2)气体中混合0.5～10体积％的四氯化钛气体和10～60体积％的氮气体，来制作作为反应气体使用的第一混合气体。将第一混合气体以10～20kPa的气体分压导入炉膛，在830～870℃的温度域下使氮化钛层17成膜。
接下来，使第一层13中的第一区域19a成膜。在氢气体中混合0.5～10体积％的四氯化钛气体、5～60体积％的氮气体、以及0.1～3体积％的乙腈气体，来制作第二混合气体。将第二混合气体以6～12kPa的气体分压导入炉膛，在830～870℃的温度域下使MT-第一区域19a成膜。
接下来，使中间区域19c成膜。在氢气体中混合3体积％～30体积％的四氯化钛气体、3体积％～15体积％的甲烷气体、5体积％～10体积％的氮气体、以及0.5体积％～10体积％的二氧化碳(CO2)气体，来制作第三混合气体。将第三混合气体以6～12kPa的气体分压导入炉膛，在980～1050℃的温度域下使厚度为50～300nm程度的中间区域19c成膜。通过第三混合气体含有二氧化碳气体，从而在该中间区域19c形成空孔21。若设为上述条件，则能够制作如下涂层刀具1：在与第一面7正交的剖面中，空孔21在与第一面7平行的方向上的宽度w1的平均值比相邻的空孔21的间隔w2的平均值小。
另外，此时由于中间区域19c的厚度薄至50～300nm程度，因此能够将形成于中间区域19c的空孔21以在沿着第一层13和第二层15的边界16的方向上排列的方式配置。
接下来，使第一层13的第二区域19b成膜。在氢气体中混合1～4体积％的四氯化钛气体、5～20体积％的氮气体、0.1～10体积％的甲烷气体、以及0.5体积％～10体积％的二氧化碳气体，来制作第四混合气体。将第四混合气体以5～45kPa的气体分压导入炉膛，在950～1050℃的温度域下使厚度为0.3～3μm程度的HT-第二区域19b成膜。
接下来，使第二层15成膜。首先，在成膜温度950℃～1050℃、5.5kPa的气体分压下，对于反应气体的组成，在氢气体中使用1.0～1.4体积％的三氯化铝(AlCl3)气体、4.5～5.0体积％的二氧化碳(CO2)气体、以及1.7～1.9体积％的氯化氢(HCl)气体来制作第五混合气体，并形成厚度约0.1μm的氧化铝层，进而，在相同的成膜温度和气体分压下，对于反应气体的组成，在氢气体中使用1.1～1.3体积％的三氯化铝(AlCl3)气体、4.5～5.0体积％的二氧化碳(CO2)气体、2.0～3.4体积％的氯化氢(HCl)气体、以及0.5～0.7体积％的硫化氢(H2S)气体来制作第六混合气体，并形成约5μm的氧化铝层。这样，形成了第二层15。当在上述条件下形成第二层15时，取向系数Tc(0012)为3.0以上。
之后，根据需要，对切削刃11在成膜后的涂层5的表面所处的部分进行研磨加工。在进行了这样的研磨加工的情况下，由于容易抑制被切削件向切削刃11的粘结，因此成为耐崩损性更优异的涂层刀具1。
需要说明的是，上述制造方法是制造涂层刀具1的方法的一例。因此，不言而喻的是，涂层刀具1不限定于由上述制造方法制作成的涂层刀具。例如，也可以在第二层15之上另外使含有TiN的第三层成膜。
需要说明的是，对于制作在与第一面7正交的剖面中空孔21的与第一面7平行的方向上的宽度w1的平均值比相邻的空孔21的间隔w2的平均值小的涂层刀具1而言，优选的是，在中间区域19c成膜时将二氧化碳气体调整为0.5体积％～5体积％。
对于制作在与第一面7正交的剖面中空孔21的与第一面7平行的方向上的宽度w1的平均值比空孔21的与第一面7正交的方向上的高度h1的平均值大的涂层刀具1而言，优选的是，在中间区域19c成膜时进行时间调整，并将中间区域19c成膜为50～150nm程度的厚度。
对于制作在与第一面7正交的剖面中从空孔21到边界16的距离d1的平均值比空孔21的与第一面7正交的方向上的高度h1的平均值大的涂层刀具1而言，优选的是，在中间区域19c成膜时进行时间调整，并在成膜为50～150nm程度的厚度后，使第一层13中的第二区域19b成膜为0.5～3μm程度的厚度。
对于制作以下涂层刀具1，即在与第一面正交的剖面中，从空孔21到边界16的距离d1的平均值比相邻的空孔21的间隔w2的平均值大的涂层刀具1而言，优选的是，使第一层13中的第二区域19b以比相邻的空孔21的间隔w2的平均值厚的方式成膜。
＜切削刀具＞
接下来，使用附图对本发明的切削刀具101进行说明。
如图6及图7所示，本发明的切削刀具101具备：刀柄105，其是从第一端(图6中的上)朝向第二端(图6中的下)延伸的棒状体，且具有位于第一端侧的刀槽103；以及上述涂层刀具，其位于刀槽103。在本发明的切削刀具101中，以棱线中作为切削刃使用的部分从刀柄105的前端突出的方式装配涂层刀具1。
刀槽103是供涂层刀具1装配的部分，且具有相对于刀柄105的下表面平行的坐落面、以及相对于坐落面倾斜的约束侧面。另外，刀槽103在刀柄105的第一端侧开口。
涂层刀具1位于刀槽103。此时，涂层刀具1的下表面可以与刀槽103直接相接，另外，也可以在涂层刀具1和刀槽103之间夹入片材。
涂层刀具1以棱线中作为切削刃使用的部分从刀柄105向外侧突出的方式进行装配。涂层刀具1通过螺钉107而装配于刀柄105。即，将螺钉107插入涂层刀具1的贯通孔23，并将该螺钉107的前端插入形成于刀槽103的螺孔(未图示)而使螺纹部彼此螺合，由此将涂层刀具1装配于刀柄105。
作为刀柄105，可以使用钢、铸铁等。特别是，优选在这些构件中使用韧性高的钢。
在图6、7所示的例子中，例示了在所谓的车削加工中使用的切削刀具。作为车削加工，例如可以举出内径加工、外径加工及开槽加工。需要说明的是，作为切削刀具，并不限定于在车削加工中使用。例如，也可以将上述实施方式的涂层刀具1使用于在铣削加工中使用的切削刀具。
附图标记说明：
1···涂层刀具
3···基体
5···涂层
7···第一面
9···第二面
11···切削刃
13···第一层
15···第二层
16···边界(第一层和第二层的边界)
17···氮化钛层
19···碳氮化钛层
19a··第一区域
19b··第二区域
19c··中间区域
21···空孔
23···贯通孔
101···切削刀具
103···刀槽
105···刀柄
107···固定螺钉。

Claims (7)

1.一种涂层刀具，其具备：
基体，其具有第一面；以及
涂层，其位于该基体的至少所述第一面之上，
其中，
所述涂层具有：第一层，其位于所述第一面之上且含有钛化合物；以及第二层，其位于与该第一层之上相接的位置且含有氧化铝，
所述第二层的利用X射线衍射分析而得到的取向系数Tc(0012)为3.0以上，
所述第一层具有MT-第一区域、位于比该MT-第一区域远离所述基体的位置的HT-第二区域、以及位于所述MT-第一区域与所述HT-第二区域之间的中间区域，
在所述涂层中，在与所述第一面正交的剖面中沿着所述第一层和所述第二层的边界，多个空孔存在于所述中间区域，所述空孔在沿着所述边界的方向上的宽度的平均值比相邻的所述空孔的间隔的平均值小。
2.根据权利要求1所述的涂层刀具，其中，
所述第一层含有碳氮化钛，所述第二层含有α-氧化铝。
3.根据权利要求1所述的涂层刀具，其中，
在与所述第一面正交的剖面中，所述空孔在与所述第一面平行的方向上的宽度的平均值比所述空孔在与所述第一面正交的方向上的高度的平均值大。
4.根据权利要求1所述的涂层刀具，其中，
在与所述第一面正交的剖面中，从所述空孔到所述边界的距离的平均值比所述空孔在与所述第一面正交的方向上的高度的平均值大。
5.根据权利要求1所述的涂层刀具，其中，
在与所述第一面正交的剖面中，从所述空孔到所述边界的距离的平均值比在与所述第一面平行的方向上相邻的所述空孔的间隔的平均值大。
6.根据权利要求1所述的涂层刀具，其中，
所述中间区域的厚度为50～300nm。
7.一种切削刀具，其中，
所述切削刀具具有：
刀柄，其为从第一端朝向第二端延伸的棒状，且具有位于所述第一端侧的刀槽；以及
权利要求1～6中任一项所述的涂层刀具，其位于所述刀槽内。
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