CN113481428B - 一种高抗拉强度的含铝或铝硅涂覆钢板及其热成形钢构件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高抗拉强度的含铝或铝硅涂覆钢板及其热成形钢构件的制造方法,涉及高抗拉强度热成型钢技术领域。本发明的一种高抗拉强度的含铝或铝硅涂覆钢板及其热成形钢构件的制造方法,所述基体钢板包含以下成分:C:0.29~0.35%,Si≤0.5%,Mn:0.8~1.2%,P≤0.020%,S≤0.010%,Cr:0.1~1.0%,Al:0.01~0.06%,Nb:0.01~0.06%,V:0.01~0.06%,Mo:0.1~0.2%,其余为Fe和不可避免的杂质,以生产出抗拉强度≥1800MPa的含铝或铝硅涂覆热成形钢;上述钢板热成型后,提高了成品冷弯性能,保证其基体具有良好的抗延迟断裂性能。
Description
技术领域
本发明涉及高抗拉强度热成型钢技术领域,更具体地说是一种高抗拉强度的含铝或铝硅涂覆钢板及其热成形钢构件的制造方法。
背景技术
热成形技术出现之前,白车身零件均为冷成形件,且强度较低(≤1000MPa),近几年开发出的高强度(≥1000MPa)冷成形钢,由于强度高,成形性能极差;因此,基于成本、安全性能、以及轻量化等需求,越来越多的主机厂开始大量设计使用热成形零件。
目前用量最大的1500MPa级热成形钢在制作成零件后,其强度相比冷成形钢有较大幅度的提升。有研究表明,当钢的强度大于1000MPa以上,在使用过程中必须要考虑氢致延迟断裂的风险。
实际使用过程中发现,氢致延迟断裂的风险主要是针对铝硅镀层热成形钢产品,对于裸板产品,在热成形过程中几乎不会发生冲压开裂的风险;因此,热成形零部件厂在生产铝硅涂层热成形钢产品时,会对加热炉内的露点进行控制(一般要求<-5℃)。对于强度更高的(抗拉强度≥1800MPa)热成形钢产品,由于其含碳量增加,热成形后的马氏体硬度更高,因此内应力也越大,对氢致延迟断裂的敏感性也越高。
经检索,针对如何提高热成形零件的抗延迟断裂性能,有很多人对此进行了研究,如中国专利申请号为:201710169429.7、申请日为:2017年3月21日、授权公告日为:2020年1月4日,公开了一种高韧性热成形钢及其生产方法,其化学成分重量百分比为:C:0.1~0.25;Si:0.1~0.5;Mn:1.0~2.0;P:≤0.020;S:≤0.010;Al:0.01~0.06;Cr:0.1~0.5;Nb:0.01~0.06,余量为Fe和不可避免的杂质。还涉及所述高韧性热成形钢的生产方法,生产工艺采用炼钢→热轧→酸轧→连退。本专利的发明人在研究过程中发现,若在22MnB5热成形钢的基础上添加Nb微合金元素,其中部分Nb元素会在炼钢过程中吸附在TiN颗粒上析出,形成大颗粒的复合析出物,这种析出物尺寸可能会达到5μm以上,甚至10μm,这种析出物一方面对冷弯性能不利;由于Nb的吸附析出,会减少Nb的有效利用,从而需要加大Nb的投入量,从而加大成本。另一方面,通过单Nb微合金元素的添加,对于解决1500MPa级热成形钢的抗延迟断裂性能可能已经足够,但本专利研究发现对于强度更高(热成形后抗拉强度≥1800MPa)的铝硅镀层热成形钢,仅仅添加Nb元素无法保证基体具有良好的抗延迟断裂性能,在冲压过程中或热成形零件使用过程中出现延迟断裂现象。
又如中国专利申请号为:202010173441.7、申请日为:2020年3月12日、申请公布日为:2020年6月5日,公开了一种铌钒复合微合金化热成形钢及其生产、热冲压成形方法,其化学成分重量百分比为:C:0.23-0.29;Si:0.2-1.0;Mn:1.0-2.5;P≤0.020;S≤0.010;Al:0.02-0.06;Cr:0.2-1.0;B:0.001-0.003;Ti:0.01-0.03;Nb和V均为0.03-0.08;N≤30ppm,余量为Fe和其他不可避免的杂质。针对上述问题,进行了相应的改进。但是本专利的发明人在研究过程中发现了一个非常重要的现象:采用常规的原材料制备和热成形工艺,很难在成品组织中获得V元素的析出物,从而无法有效利用V元素的析出作用来提高抗延迟断裂性能。同理,对于热成形后抗拉强度≥1800MPa的铝硅镀层热成形钢也一样。
再如中国专利申请号为:201580041638.2、申请日为:2015年7月29日、授权公告日为2018年6月15日,公开了一种用于模压淬火的钢板的制造方法和通过此方法获得的部件,其化学成分重量百分比为:0.24≤C≤0.38,0.40≤Mn≤3,0.10≤Si≤0.70,0.015≤Al≤0.070,0≤Cr≤2,0.25≤Ni≤2,0.015≤Ti≤0.10,0≤Nb≤0.060,0.0005≤B≤0.0040,0.003≤N≤0.010,0.0001≤S≤0.005,0.0001≤P≤0.025,其中所述化学组成任选地包含以下元素中的一种或更多种:0.05≤Mo≤0.65,0.001≤W≤0.30,0.0005≤Ca≤0.005,余量由铁和由冶炼产生的不可避免的杂质形成,其中在所述钢的所述板的表面附近深度Δ内的任意点处,所述板包含的镍含量Nisurf为使得:Nisurf>Ninom,其中Ninom表示钢的标称镍含量。然而,据调研,通过在钢的基体中添加Ni元素来提高材料的抗延迟断裂性能,从成本角度考虑是不可取的。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术中对于生产高强度铝硅镀层热成形钢,无法保证其基体具有良好的抗延迟断裂性能等问题,本发明提出一种高抗拉强度的含铝或铝硅涂覆钢板及其热成形钢构件的制造方法,采用炼钢→铸坯→热轧→酸洗冷轧→退火→涂镀→光整→落料→热成形等工艺流程,并控制钢材基体的化学成分,以生产出抗拉强度≥1800MPa的含铝或铝硅涂覆热成形钢,并提高了成品冷弯性能,保证其基体具有良好的抗延迟断裂性能。
2.技术方案
为达到上述目的,本发明提供的技术方案为:
一种高抗拉强度含铝或铝硅涂覆钢板,所述基体钢板以质量百分比计包含以下成分:C:0.29~0.35%,Si:≤0.5%,Mn:1.21~1.25%,Ti:≤0.03,P:≤0.020%,S:≤0.010%,Cr:0.1~1.0%,Al:0.01~0.06%,Nb:0.01~0.06%,V:0.01~0.06%,其余为Fe和不可避免的杂质。由于添加的NbV合金元素,从而有助于基体组织均匀细化,成品析出物弥散均匀分布。
进一步的技术方案,所述基体钢板以质量百分比计包含以下成分:C:0.29~0.35%,Si:≤0.5%,Mn:0.8~1.2%,P:≤0.020%,S:≤0.010%,Cr:0.1~1.0%,Al:0.01~0.06%,Nb:0.01~0.06%,V:0.01~0.06%,Mo:0.1~0.2%,其余为Fe和不可避免的杂质,其基础钢组织均匀细化,其中尺寸<20nm的析出物占比≥90%。由于不含Ti元素,从而节约了合金成本,并避免了大颗粒的TiN析出,提高了成品冷弯性能;采用低Mn加Mo的成分设计使得成品成分均匀分布,减轻了带状组织风险。
一种高抗拉强度含铝或铝硅涂覆钢板的制造方法,采用炼钢→铸坯→热轧→酸洗冷轧→退火→涂镀→光整→落料→热成形等工艺流程,主要包括如下步骤:
步骤一、热轧:出炉温度:1000~1250℃、终轧温度:850~900℃、卷取温度:500~650℃,在热轧段V和Mo元素均以固溶态存在于钢基体中,由于卷取温度不得高于650℃,从而保证V和Mo元素的充分析出,且由于所述基体钢板中添加了NbV合金元素,并结合热轧低温卷取工艺,使得基体组织均匀细化,成品析出物弥散均匀分布,尺寸<20nm的析出物占比≥90%,可以起到很好的“氢陷阱”作用;
步骤二、酸洗:去除热轧过程中产生的氧化铁皮;
步骤三、冷轧:冷轧压下量≥50%;
步骤四、退火:包括如下各段:
预热段:带钢由室温被加热至140~180℃;
加热段:带钢由预热段温度被加热至760℃~790℃;
均热段:带钢在目标温度760℃~790℃下进行均热处理,从而避免均热温度过低导致轧硬态的基体组织无法实现回复再结晶,以及温度过高容易导致已经存在的V和Mo的析出物回溶等问题;
缓冷段:带钢从均热温度冷却至700℃左右,冷速≤10℃/s,以保证V和Mo的析出物充分析出;
过缓冷段后:带钢从缓冷温度冷却至645℃~665℃,以保证后续带钢的涂镀质量;
步骤五、涂镀:带钢入铝硅液前,温度降低至640℃~670℃,且炉内露点控制在-40℃以下,避免出现“漏镀”风险。
进一步的技术方案,步骤四中,带速为1.2~2.0m/s,以避免带速过慢造成在炉时间过长,出现脱碳且氧化严重的问题,不利于镀层表面质量,易形成“漏镀”缺陷;同时避免带钢速度过快,造成在加热和冷却过程中析出物无法充分析出。
一种高抗拉强度含铝或铝硅涂覆钢板制成的热成形钢构件,钢构件组织中马氏体含量占比≥95%,残余奥氏体组织体积比≥3.5%,残余奥氏体组织的出现对于提高抗延迟断裂性能也有一定的提升。
一种高抗拉强度含铝或铝硅涂覆钢板制成的热成形钢构件的制造方法,包括热成形工艺,其中加热温度:900~960℃,加热时间:3~10min,平均加热速率不得低于5℃/s,平均加热速率不得低于5℃/s,避免基体无法完全奥氏体化;达到均热温度后,均热时间要求≤60s,避免均热时间过长,初始态析出的V、Mo的碳化物、氮化物或者碳氮化物会进一步回溶等问题。
进一步的技术方案,加热炉内的露点控制≤-10℃,避免出现冲压开裂风险。
进一步的技术方案,在出炉后,出炉温度在800℃范围内,冷却速率为≤15℃/s;料片在转移过程中通过增加保温罩或感应加热进行保温,以确保合适的冷速;冷却速率不得>15℃/s,以避免基体中部分固溶态的V和Mo元素无法充分析出等问题。
进一步的技术方案,出炉后,在800℃~200℃范围内,冷却速率要求≥50℃/s,确保热成形后基体组织中马氏体组织占比≥95%;成品组织中还出现了少量(体积比≥3.5%)的残余奥氏体组织,残余奥氏体组织的出现对于提高抗延迟断裂性能也有一定的提升。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案,与现有技术相比,具有如下有益效果:
(1)本发明的一种高抗拉强度的含铝或铝硅涂覆钢板及其热成形钢构件的制造方法,所述基体钢板以质量百分比计包含以下成分:C:0.29~0.35%,Si:≤0.5%,Mn:0.8~1.2%,P:≤0.020%,S:≤0.010%,Cr:0.1~1.0%,Al:0.01~0.06%,Nb:0.01~0.06%,V:0.01~0.06%,Mo:0.1~0.2%,其余为Fe和不可避免的杂质,其基础钢组织均匀细化,其中尺寸<20nm的析出物占比≥90%,以起到很好的“氢陷阱”作用。由于不含Ti元素,从而节约了合金成本,并避免了大颗粒的TiN析出,提高了成品冷弯性能;采用低Mn加Mo的成分设计使得成品成分均匀分布,减轻了带状组织风险;由于添加的NbV合金元素,从而有助于基体组织均匀细化,成品析出物弥散均匀分布;
(2)本发明的一种高抗拉强度的含铝或铝硅涂覆钢板及其热成形钢构件的制造方法,所述基体钢板采用炼钢→铸坯→热轧→酸洗冷轧→退火→涂镀→光整→落料→热成形等工艺流程,以生产出抗拉强度≥1800MPa的含铝或铝硅涂覆热成形钢,并提高了成品冷弯性能,保证其基体具有良好的抗延迟断裂性能;
(3)本发明的一种高抗拉强度的含铝或铝硅涂覆钢板及其热成形钢构件的制造方法,在热轧段V和Mo元素均以固溶态存在于钢基体中,由于卷取温度不得高于650℃,从而保证V和Mo元素的充分析出,且由于所述基体钢板中添加了NbV合金元素,并结合热轧低温卷取工艺,使得基体组织均匀细化,成品析出物弥散均匀分布,尺寸<20nm的析出物占比≥90%,可以起到很好的“氢陷阱”作用;
(4)本发明的一种高抗拉强度的含铝或铝硅涂覆钢板及其热成形钢构件的制造方法,带钢在目标温度760℃~790℃下进行均热处理,从而避免均热温度过低导致轧硬态的基体组织无法实现回复再结晶,以及温度过高容易导致已经存在的V和Mo的析出物回溶等问题;
(5)本发明的一种高抗拉强度的含铝或铝硅涂覆钢板及其热成形钢构件的制造方法,带钢入铝硅液前,温度降低至640℃~670℃,且炉内露点控制在-40℃以下,避免出现“漏镀”风险;
(6)本发明的一种高抗拉强度的含铝或铝硅涂覆钢板及其热成形钢构件的制造方法,带钢在退火炉中的带速为1.2~2.0m/s,以避免带速过慢造成在炉时间过长,出现脱碳且氧化严重的问题,不利于镀层表面质量,易形成“漏镀”缺陷;同时避免带钢速度过快,造成在加热和冷却过程中析出物无法充分析出;
(7)本发明的一种高抗拉强度的含铝或铝硅涂覆钢板及其热成形钢构件的制造方法,热成形平均加热速率不得低于5℃/s,避免基体无法完全奥氏体化;达到均热温度后,均热时间要求≤60s,避免均热时间过长,初始态析出的V、Mo的碳化物、氮化物或者碳氮化物会进一步回溶等问题;
(8)本发明的一种高抗拉强度的含铝或铝硅涂覆钢板及其热成形钢构件的制造方法,在出炉后,出炉温度在800℃范围内,冷却速率为≤15℃/s;料片在转移过程中通过增加保温罩或感应加热进行保温,以确保合适的冷速;冷却速率不得>15℃/s,以避免基体中部分固溶态的V和Mo元素无法充分析出等问题;在800℃~200℃范围内,冷却速率要求≥50℃/s,确保热成形后基体组织中马氏体组织占比≥95%;成品组织中还出现了少量(体积比≥3.5%)的残余奥氏体组织,残余奥氏体组织的出现对于提高抗延迟断裂性能也有一定的提升。
附图说明
图1为热轧材料基体组织图;
图2为退火涂镀后基体组织图;
图3为热成形后基体组织图;
图4为Nb-Ti合金成分体系,成品析出物图;
图5为Nb-V-Mo合金成分体系,成品析出物图;
图6为1.4mm厚度材料的VDA冷弯角实测值变化图;
图7为浸泡120h后的材料状态图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容,结合附图对发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种高抗拉强度含铝或铝硅涂覆钢板,所述基体钢板以质量百分比计包含以下成分:C:0.29~0.35%,Si:≤0.5%,Mn:0.8~1.2%,P:≤0.020%,S:≤0.010%,Cr:0.1~1.0%,Al:0.01~0.06%,Nb:0.01~0.06%,V:0.01~0.06%,Mo:0.1~0.2%,其余为Fe和不可避免的杂质。由于不含Ti元素,从而节约了合金成本,并避免了大颗粒的TiN析出,提高了成品冷弯性能;采用低Mn加Mo的成分设计使得成品成分均匀分布,减轻了带状组织风险。
实施例2
本实施例的一种高抗拉强度含铝或铝硅涂覆钢板,基本结构同实施例1,不同和改进之处在于:所述基体钢板以质量百分比计包含以下成分:C:0.29~0.35%,Si:≤0.5%,Mn:0.8~1.2%,P:≤0.020%,S:≤0.010%,Cr:0.1~1.0%,Al:0.01~0.06%,Nb:0.01~0.06%,V:0.01~0.06%,Mo:0.1~0.2%,其余为Fe和不可避免的杂质,其基础钢组织均匀细化,其中尺寸<20nm的析出物占比≥90%,以起到很好的“氢陷阱”作用。由于不含Ti元素,从而节约了合金成本,并避免了大颗粒的TiN析出,提高了成品冷弯性能;采用低Mn加Mo的成分设计使得成品成分均匀分布,减轻了带状组织风险。
实施例3
本实施例的一种高抗拉强度含铝或铝硅涂覆钢板的制造方法,基本结构同实施例2,不同和改进之处在于:采用炼钢→铸坯→热轧→酸洗冷轧→退火→涂镀→光整→落料等工艺流程,主要包括如下步骤:
步骤一、热轧:出炉温度:1000~1250℃、终轧温度:850~900℃、卷取温度:500~650℃,在热轧段V和Mo元素均以固溶态存在于钢基体中,由于卷取温度不得高于650℃,从而保证V和Mo元素的充分析出,且由于所述基体钢板中添加了NbV合金元素,并结合热轧低温卷取工艺,使得基体组织均匀细化,成品析出物弥散均匀分布,尺寸<20nm的析出物占比≥90%,可以起到很好的“氢陷阱”作用;
步骤二、酸洗:去除热轧过程中产生的氧化铁皮;
步骤三、冷轧:冷轧压下量≥50%;
步骤四、退火:包括如下各段:
预热段:带钢由室温被加热至140~180℃;
加热段:带钢由预热段温度被加热至760℃~790℃;
均热段:带钢在目标温度760℃~790℃下进行均热处理,从而避免均热温度过低导致轧硬态的基体组织无法实现回复再结晶,以及温度过高容易导致已经存在的V和Mo的析出物回溶等问题;
缓冷段:带钢从均热温度冷却至700℃左右,冷速≤10℃/s,以保证V和Mo的析出物充分析出;
过缓冷段后:带钢从缓冷温度冷却至645℃~665℃,以保证后续带钢的涂镀质量;
步骤五、涂镀:带钢入铝硅液前,温度降低至640℃~670℃,且炉内露点控制在-40℃以下,避免出现“漏镀”风险。
本实施例中,步骤四中,带速为1.2~2.0m/s,以避免带速过慢造成在炉时间过长,出现脱碳且氧化严重的问题,不利于镀层表面质量,易形成“漏镀”缺陷;同时避免带钢速度过快,造成在加热和冷却过程中析出物无法充分析出。
实施例4
本实施例的一种高抗拉强度含铝或铝硅涂覆钢板制成的热成形钢构件的制造方法,基本结构同实施例3,不同和改进之处在于:包括热成形工艺,其中加热温度:900~960℃,加热时间:3~10min,平均加热速率不得低于5℃/s,平均加热速率不得低于5℃/s,避免基体无法完全奥氏体化;达到均热温度后,均热时间要求≤60s,避免均热时间过长,初始态析出的V、Mo的碳化物、氮化物或者碳氮化物会进一步回溶等问题。
本实施例中,加热炉内的露点控制≤-10℃,避免出现冲压开裂风险;在出炉后,出炉温度在800℃范围内,冷却速率为≤15℃/s;料片在转移过程中通过增加保温罩或感应加热进行保温,以确保合适的冷速;冷却速率不得>15℃/s,以避免基体中部分固溶态的V和Mo元素无法充分析出等问题。
进一步的,如图3所示,出炉后,在800℃~200℃范围内,冷却速率要求≥50℃/s,确保热成形后的钢构件基体组织中马氏体组织占比≥95%;残余奥氏体组织体积比≥3.5%,残余奥氏体组织的出现对于提高抗延迟断裂性能也有一定的提升。
如表1和表2所示,选用不同的成分体系的1800MPa级热成形钢,分别对比了不同工艺对成品组织和性能的影响。结合图4~5,结果表明,Nb-V-Mo合金成分体系热成形钢成品组织细小均匀,且析出物细小,无异常析出物,同时具有良好的冷弯性能和抗延迟断裂性能。如图1~3、6所示,从处理前后的显微组织来看,热成形后为完全的淬火态马氏体组织,且冷弯角≥60°
通过上述步骤获得的热成形零件(材料厚度1.4mm)原材料屈服强度为505MPa,抗拉强度为752MPa,延伸率≥15.5%,热成形后零件屈服强度1380MPa,抗拉强度1915MPa,延伸率5.6%,实测热成形后零件冷弯角可以达到61°。
表1 钢板化学成分,wt%
表2 原材料生产及热成形工艺
表3 热成形后性能
如表3和图7所示,利用四点弯曲方法进行的抗延迟断裂实验结果表明,在0.9倍屈服强度的应力状态下,在1mol/L的酸液中浸泡超过120h不开裂;综合性能达到目前市场上普遍使用的1500MPa级热成形钢冷弯性能水平。该发明为主机厂车身设计选材时提供一种轻量化效果和安全性能更好的原材料。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述,该描述没有限制性,附图中所示的也只是本发明的实施方式之一,实际的结构并不局限于此。所以,如果本领域的普通技术人员受其启示,在不脱离本发明创造宗旨的情况下,不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例,均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种高抗拉强度含铝或铝硅涂覆钢板,其特征在于:基体钢板以质量百分比计包含以下成分:C:0.29~0.35%,Si:≤0.5%,Mn:0.8~1.2%,P:≤0.020%,S:≤0.010%,Cr:0.1~1.0%,Al:0.01~0.06%,Nb:0.01~0.06%,V:0.01~0.06%,Mo:0.1~0.2%,其余为Fe和不可避免的杂质,其基础钢组织均匀细化,其中尺寸<20nm的析出物占比≥90%;其制备方法如下:
步骤一、热轧:出炉温度:1000~1250℃、终轧温度:850~900℃、卷取温度:500~650℃;
步骤二、酸洗:去除热轧过程中产生的氧化铁皮;
步骤三、冷轧:冷轧压下量≥50%;
步骤四、退火:带速为1.2~2.0m/s,包括如下各段:
预热段:带钢由室温被加热至140~180℃;
加热段:带钢由预热段温度被加热至760℃~790℃;
均热段:带钢在目标温度760℃~790℃下进行均热处理;
缓冷段:带钢从均热温度冷却至700℃,冷速≤10℃/s;
过缓冷段后:带钢从缓冷温度冷却至645℃~665℃;
步骤五、涂镀:带钢入铝硅液前,温度降低至640℃,且炉内露点控制在-40℃以下。
2.根据权利要求1所述的一种高抗拉强度含铝或铝硅涂覆钢板的制造方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、热轧:出炉温度:1000~1250℃、终轧温度:850~900℃、卷取温度:500~650℃;
步骤二、酸洗:去除热轧过程中产生的氧化铁皮;
步骤三、冷轧:冷轧压下量≥50%;
步骤四、退火:带速为1.2~2.0m/s,包括如下各段:
预热段:带钢由室温被加热至140~180℃;
加热段:带钢由预热段温度被加热至760℃~790℃;
均热段:带钢在目标温度760℃~790℃下进行均热处理;
缓冷段:带钢从均热温度冷却至700℃,冷速≤10℃/s;
过缓冷段后:带钢从缓冷温度冷却至645℃~665℃;
步骤五、涂镀:带钢入铝硅液前,温度降低至640℃,且炉内露点控制在-40℃以下。
3.一种由权利要求 1 的高抗拉强度含铝或铝硅涂覆钢板制成的热成形钢构件,其特征在于:钢构件组织中马氏体含量占比≥95%,残余奥氏体组织体积比≥3.5%。
4.一种如权利要求 3 所述的热成形钢构件的制造方法,其特征在于,包括热成形工艺,其中加热温度:900~960℃,加热时间:3~10min,平均加热速率不得低于5℃/s。
5.根据权利要求4所述的一种热成形钢构件的制造方法,其特征在于:热成型时加热炉内的露点控制≤-10℃。
6.根据权利要求4所述的一种热成形钢构件的制造方法,其特征在于:在出炉后,出炉温度在800℃范围内,冷却速率为≤15℃/s;料片在转移过程中通过增加保温罩或感应加热进行保温。
7.根据权利要求6所述的一种热成形钢构件的制造方法,其特征在于:出炉后,在800℃~200℃范围内,冷却速率要求≥50℃/s。
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