CN117062922A - 曲轴及其制造方法 - Google Patents

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末安遥子
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Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
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Abstract

提供具有优异的疲劳强度的曲轴。曲轴(10)具备轴颈部(11)、销部(12)和圆角部(14)，其中，圆角部(14)具有从表面到至少300μm的深度位置的范围的残余应力为压缩残余应力的残余应力分布，压缩残余应力的最大值为1000MPa以上，表面粗糙度Rz小于3.00μm。

Description

曲轴及其制造方法
技术领域
本发明涉及曲轴及其制造方法。
背景技术
以世界性的排气限制为背景谋求曲轴的疲劳强度的提高。在高频淬火曲轴中，通过使C含量增加来提高硬度，从而提高疲劳强度。但是，若使C含量增加，则容易产生淬火裂纹。
在国际公开第2013/15085号中公开了耐淬火裂纹性优异的高频淬火用钢及使用该高频淬火用钢制造的曲轴。
在日本特许第4000648号公报中记载有如下的高强度齿轮的制造方法：在实施了高频淬火或渗碳淬火之后进行两个阶段以上的喷丸硬化，接着仅磨削齿面。
在日本特开2000-337345号公报中公开了如下的曲轴的制造方法：在对曲轴的曲柄销和轴颈与曲柄臂的接合部分处的圆角R部进行高频加热之后使其骤冷而进行淬火，然后实施曲轴整体的低温回火处理，之后进而对圆角R部实施滚压加工。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2013/15085号
专利文献2：日本特许第4000648号公报
专利文献3：日本特开2000-337345号公报
发明内容
发明要解决的问题
由于在高频淬火中产生淬火裂纹，因此在形状复杂且容易产生淬火裂纹的曲轴中不能大幅度地提高C含量。利用高频淬火获得的最高硬度依赖于C含量，利用高频淬火获得的最高硬度存在极限。
本发明的课题在于提供具有优异的疲劳强度的曲轴及其制造方法。
用于解决问题的方案
本发明的一实施方式的曲轴具备轴颈部、销部和圆角部，其中，所述圆角部具有从表面到至少300μm的深度位置的范围的残余应力为压缩残余应力的残余应力分布，所述压缩残余应力的最大值为1000MPa以上，表面粗糙度Rz小于3.00μm。
本发明的一实施方式的曲轴的制造方法是制造上述的曲轴的方法，其中，该曲轴的制造方法包括以下工序：准备所述曲轴的中间制品；对所述中间制品进行淬火；对进行了所述淬火的中间制品进行磨削；以及对于进行了所述磨削的中间制品以550kgf/mm2以上的赫兹应力对所述圆角部进行滚压加工。
发明的效果
根据本发明，能获得具有优异的疲劳强度的曲轴。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的曲轴的概略图。
图2是轴颈部和销部的局部的放大图。
图3是表示本发明的一实施方式的曲轴的制造方法的一例的流程图。
图4是试验轴的俯视图。
具体实施方式
本申请发明人对提高曲轴的疲劳强度的方法进行研究，而得到了以下的见解。
为了提高曲轴的疲劳强度，对施加最大应力的圆角部的表层部赋予压缩残余应力的做法是有效的。另一方面，为了防止内部破坏，不仅是圆角部的最表层，而且对于从圆角部的表面到一定程度的深度的区域的范围也需要预先赋予压缩残余应力。具体而言，只要从表面到至少300μm的深度位置的范围的残余应力为压缩残余应力且压缩残余应力的最大值为1000MPa以上，就能获得优异的疲劳强度。
作为对圆角部赋予较大的压缩残余应力的方法，在对曲轴进行了淬火之后以预定的大小以上的表面压力进行滚压加工(圆角滚压加工)的方式是有效的。认为其原因在于，通过对淬火后的组织(马氏体)施加较大的表面压力，从而使马氏体发生塑性变形。
像日本特许第4000648号公报所记载的那样，在齿轮等中通过在高频淬火后实施喷丸硬化来提高表面的硬度。但是，相对于通过高频淬火而导入的硬化层的厚度为几毫米级，通过喷丸硬化而导入的硬化层的厚度为几十微米级，相较于追加的工序而言，疲劳强度的提高效果并不充分。相对于此，在滚压加工中，能够对几百微米级的区域赋予压缩残余应力。
由于淬火后的组织的缺口敏感性较高，因此为了提高疲劳强度，需要减小表面粗糙度。尽管也依赖于加工前的表面粗糙度的程度，但若进行滚压加工，则表面粗糙度变大。因此，为了减小滚压加工后的表面粗糙度，在滚压加工前的阶段需要预先充分地减小表面粗糙度。
本发明是基于以上的见解而完成的。以下参照附图详细地说明本发明的实施方式。对图中相同或相当的部分标注相同的附图标记并且不重复其说明。各图所示的构成构件间的尺寸比未必表示实际的尺寸比。
[曲轴]
图1是本发明的一实施方式的曲轴10的概略图。曲轴10具备轴颈部11、销部12和臂部13。
曲轴10例如由机械构造用钢材制成。曲轴10不限定于此，能够使用由JIS G 4051：2016的机械构造用碳钢钢材、JIS G 4053：2016的机械构造用合金钢钢材等制成的曲轴。在这些钢材中，优选的是JIS G 4051：2016的S45C和S50C以及JIS G 4053：2016的SMn438，另外特别优选的是在这些钢材中添加了S的钢材，以提高切削性。
曲轴10的化学组成以质量％计例如为C：0.10％～0.55％、Si：0.05％～1.00％、Mn：0.80％～1.50％、P：0.030％以下、S：0.005～0.100％、Cr：0.05～0.30％、Al：0.005～0.050％、N：0.0050～0.0200％、Ni：0～0.20％、Mo：0～0.45％、V：0～0.20％、剩余部分：Fe和杂质。
另外，C含量的下限以质量％计优选为0.30％，更优选为0.35％，进一步优选为0.37％，更进一步优选为0.40％。
轴颈部11支承于缸体(未图示)。销部12与连杆(未图示)连结。臂部13将轴颈部11和销部12连接。轴颈部11和销部12分别相对于形成于缸体和连杆的轴承滑动。
图2是曲轴10的轴颈部11和销部12的局部的放大图。曲轴10还具备形成于轴颈部11与臂部13的交界以及销部12与臂部13的交界的圆角部14。在本说明书中，不对与轴颈部11相邻的圆角部和与销部12相邻的圆角部进行区分，将两者称为圆角部14。
圆角部14是曲轴10中的施加最强应力的部分。曲轴10的疲劳特性受到圆角部14的疲劳强度较大的影响。
本实施方式的曲轴10的圆角部14具有从表面到至少300μm的深度位置的范围的残余应力为压缩残余应力的残余应力分布，压缩残余应力的最大值为1000MPa以上。
通过对圆角部14的表层赋予压缩残余应力，从而抑制成为裂纹的起点的开裂的发生，能够增大疲劳强度。开裂通常在施加最大应力的表面发生。但是，根据圆角部14的残余应力分布、硬度分布，存在发生以内部为起点的破坏(内部破坏)的情况。为了抑制内部破坏，不仅是圆角部14的最表层的区域，而且对于从圆角部14的表面到一定程度的深度的区域也需要预先赋予压缩残余应力。具体而言，只要圆角部14具有从表面到至少300μm的深度位置的范围的残余应力为压缩残余应力的残余应力分布且压缩残余应力的最大值为1000MPa以上，就能获得优异的疲劳强度。
圆角部14的残余应力分布能够使用X射线衍射(XRD)测量通过cosα法来计算。具体而言，通过电解研磨将圆角部14的表面溶解至想要测量的深度，对得到的表面照射X射线，从而能够计算该深度的残余应力。另外，最表层的残余应力能够通过向圆角部的14的表面直接照射X射线来计算。
圆角部14的残余应力分布优选的是从表面到至少400μm的深度位置的范围的残余应力为压缩残余应力。圆角部14的残余应力分布更优选的是从表面到至少500μm的深度位置的范围的残余应力是压缩残余应力，进一步优选的是从表面到至少600μm的深度位置的范围的残余应力为压缩残余应力，更进一步优选的是从表面到至少650μm的深度位置的范围的残余应力为压缩残余应力。
圆角部14的压缩残余应力的最大值优选为1200MPa以上，更优选为1300MPa以上，进一步优选为1500MPa以上，更进一步优选为1700MPa以上再进一步优选为1900MPa以上。圆角部14的压缩残余应力的最大值的上限没有特别的限定，但例如为2300MPa。
压缩残余应力赋予至越深的区域，越能抑制内部破坏，越能提高疲劳强度。压缩残余应力最大的位置优选为距圆角部14的表面的距离为250μm以上的深度位置。压缩残余应力最大的位置更优选为距表面的距离为300μm以上的深度位置，进一步优选为距表面的距离为350μm以上的深度位置，更进一步优选为距表面的距离为400μm以上的深度位置。
进而，在本实施方式的曲轴10中，圆角部14的表面粗糙度Rz小于3.00μm。即使圆角部14具有上述的残余应力分布，若圆角部14的表面粗糙度不恰当，则有时也不能获得充分的疲劳强度。
在本实施方式中，使用最大高度粗糙度Rz而不是算术平均粗糙度Ra对表面粗糙度进行评价。设想疲劳破坏是从最弱部位发生的。该情况下的最弱部位推测为粗糙度的谷切入得最深的部位。相对于算术平均粗糙度Ra表示评价长度的平均粗糙度，Rz表示评价长度的最大高度(Rp)+最大深度(Rv)。在对疲劳破坏进行评价的情况下，认为Rz比Ra更易于表达相关。
表面粗糙度Rz(最大高度粗糙度Rz)是在JIS B 0601：2013中定义的表面粗糙度。测量表面粗糙度Rz时的基准长度设为1.25mm，截止值λs设为2.5μm，截止值λc设为0.25mm。测量方向设为曲轴10的轴向。
圆角部14的表面粗糙度Rz优选为2.80μm以下，更优选为2.50μm以下，进一步优选为2.00μm以下，更进一步优选为1.50μm以下，再进一步优选为1.20μm以下。
本实施方式的曲轴10优选的是，距圆角部14的表面的距离为250μm的深度位置的硬度为HV650以上。距圆角部14的表面的距离为250μm的深度位置的硬度的下限优选为HV680，更优选为HV750。距圆角部14的表面的距离为250μm的深度位置的硬度的上限没有特别的限定，但例如为HV900。
就圆角部14的硬度而言，能够通过采集将与曲轴10的轴向平行的截面(纵向截面)作为测量面的样品并依照JIS Z 2244：2020对测量面进行测量。试验力设为100gf(0.981N)。
圆角部14的表层部的组织优选为包含马氏体的组织。更具体而言，圆角部14的表层部的组织优选为包含80体积％以上的马氏体的组织。圆角部14的表层部的马氏体的体积率更优选为90体积％以上，进一步优选为95体积％以上。圆角部14既可以是仅表层部包含马氏体的组织，也可以是直到芯部都包含马氏体的组织。包含马氏体的区域的厚度优选为1.0mm以上，更优选为2.0mm以上，进一步优选为3.0mm以上。
[曲轴的制造方法]
接下来说明曲轴的制造方法的一例。图3是表示曲轴的制造方法的一例的流程图。该制造方法包括准备原材料的工序(步骤S1)、热锻工序(步骤S2)、氧化皮去除工序(步骤S3)、粗加工工序(步骤S4)、淬火工序(步骤S5)、精磨削工序(步骤S6)和滚压加工工序(步骤S7)。
准备曲轴的原材料(步骤S1)。原材料例如能够通过对具有预定的化学组成的钢水进行连续铸造或初轧来制造。
对原材料进行热锻而形成曲轴的粗略形状(步骤S2)。热锻也可以分为粗锻和精锻来实施。
在热锻之后进行喷丸硬化等，将在热锻时形成的氧化皮去除(步骤S3)。
对曲轴的粗制品进行粗加工(机械加工)(步骤S4)。粗加工是切削加工、磨削加工、开孔加工等。通过该工序来制造具有接近最终产品的形状的中间制品。
对进行了粗加工的曲轴的中间制品进行淬火(步骤S5)。具体而言，在加热到预定的加热温度之后使其骤冷。此时，既可以利用高频感应加热装置局部地进行加热，也可以利用热处理炉对中间制品整体进行加热。更优选为高频淬火。加热温度优选为Ac3点以上。具体而言，加热温度优选为850℃以上，更优选为900℃以上，进一步优选为950℃以上。
对进行了淬火的中间制品进行精磨削(步骤S6)。在精磨削中，使滚压加工前的圆角部14的表面粗糙度Rz小于1.00μm。由于存在通过以下的滚压加工工序(步骤S7)而使表面粗糙度Rz变大的情况，因此与不进行滚压加工的情况相比需要预先减小圆角部14的表面粗糙度Rz。在精磨削后的圆角部14的表面粗糙度Rz为1.00μm以上的情况下，使滚压加工工序(步骤S7)后的圆角部14的表面粗糙度Rz小于3.00μm变得困难。
精磨削工序(步骤S6)包含抛光磨削(步骤S6-2)和利用磨石进行的磨削(步骤S6-1)。利用磨石进行的磨削例如能够使用白刚玉磨石、SG磨石、CBN磨石等。抛光磨削根据需要进行多次。具体而言，第1次利用赋予了氧化铝磨粒的膜进行抛光，在Rz不足够小的情况下，利用赋予了金刚石磨粒的膜进行第2次以后的抛光。
对进行了精磨削的中间制品进行在使辊与圆角部14接触的同时使曲轴10旋转的滚压加工(圆角滚压加工)(步骤S7)。此时，使圆角部14与辊的接触表面压力(赫兹应力)成为550kgf/mm2以上。在圆角部14与辊的接触表面压力小于550kgf/mm2的情况下，使压缩残余应力的最大值成为1000MPa以上变得困难。圆角部14与辊的接触表面压力的下限优选为600kgf/mm2。圆角部14与辊的接触表面压力的上限没有特别的限制，但例如为900kgf/mm2。
这样，通过利用淬火工序(步骤S5)和滚压加工工序(步骤S7)进行复合表面处理，从而获得具有从表面到至少300μm的深度位置的范围的残余应力为压缩残余应力的残余应力分布且压缩残余应力的最大值为1000MPa以上的圆角部14。
以上对本发明的一实施方式的曲轴的结构及其制造方法的一例进行了说明。根据本实施方式，能获得疲劳强度优异的曲轴。
实施例
以下通过实施例来更具体地说明本发明。本发明不限定于这些实施例。
以具有表1所示的化学组成的钢为原材料，制作出No.1～No.11的试验轴。
[表1]
具体而言，将直径120mm的钢坯加热至1100℃，进行热锻以成为直径70mm的圆柱状。之后，通过机械加工而从直径的1/4的位置削出直径15mm且长度120mm的轴。对该轴进行用于组织均匀化的热处理。具体而言，加热至900℃，实施油淬火，冷却至500℃，然后将其从油取出而进行空冷。之后进而进行机械加工而制作出试验轴。之后，进行了在利用高频感应加热装置加热至Ac3点以上的温度之后水冷的高频淬火。
图4是试验轴20的俯视图。关于试验轴20，外径D0为12mm，长度L为116mm，抓持部的长度L1为37mm，平行部的直径D为8mm，平行部与抓持部的连接部分的曲率半径R为24mm。试验轴20具有模拟圆角部的环状的槽部21。槽部21的深度为0.5mm，曲率半径为1.5mm。
在高频淬火后对除了No.9和No.10以外的试验轴进行精磨削。精磨削进行抛光磨削和利用磨石进行的磨削。利用磨石进行的磨削使用#100～#220的粒度的白刚玉磨石。关于抛光磨削，第1次利用赋予了氧化铝磨粒的膜进行，在表面粗糙度Rz没有充分减少的情况下利用赋予了金刚石磨粒的膜进行第2次以后的抛光。
使用在相同条件下制作的其他试验片并利用接触式粗糙度试验机(株式会社三丰制SJ-412)来测量精磨削工序后的槽部21的表面粗糙度Rz。针对未进行精磨削工序的No.9和No.10测量高频淬火后的槽部21的表面粗糙度Rz。将测量得到的表面粗糙度Rz在表1中示出。
在对No.1～No.4及No.9～No.11的试验轴进行了精磨削之后(No.9及No.10是在高频淬火之后)，对试验轴的槽部21进行模拟圆角滚压加工的滚压加工。具体而言，在使槽部21和辊以表1的“滚压赫兹应力”的栏中的接触表面压力接触的同时使试验轴旋转。
对No.5的试验轴不进行滚压加工而仅进行精磨削。
对No.6和No.7的试验轴进行喷丸硬化而代替滚压加工。在喷丸硬化中，作为投射材料，使用直径0.3mm的铁球(HV800以上)，在使试验轴旋转的同时向槽部21的底垂直地投射。投射时间为15秒钟，弧高设为0.227mmA，覆盖率设为500％。
对No.8的试验轴进行锤击硬化而代替滚压加工。锤击硬化使用被称为超声波冲击处理(UIT)的方法。UIT法是通过在进行超声波振动的工具和对象物之间配置金属销并利用超声波的冲击来击打对象物而使对象物发生塑性变形的方法。本次对试验轴的槽部21实施UIT。UIT的条件是销材质设为SUJ2(HRC62以上)，销径设为0.5mm，销顶端曲率半径设为0.5mm，超声波频率设为27kHz。
在表1的“复合表面处理方法”栏中汇总对各试验轴进行的表面处理。该栏的“IH”意味着高频淬火，“精加工”意味着精磨削，“滚压”意味着滚压加工，“SP”意味着喷丸硬化，“HP”意味着锤击硬化。
对制作的各试验轴进行槽部21的表面粗糙度Rz、残余应力分布以及距表面的距离为250μm的深度位置的硬度的测量。在残余应力分布测量中，使用CrKα线，准直直径设为直径0.3mm，来测量槽部21的底。
使用各试验轴进行疲劳试验。具体而言，使用小野式旋转弯曲疲劳试验机实施JISZ 2274所记载的旋转弯曲疲劳试验。试验轴的转速设为3600rpm。通过该疲劳试验而获取各试验轴的S-N线图，将经历反复次数1.0×107次未断裂的最大弯曲应力值设为该试验轴的疲劳强度。
将结果示出于表2。
[表2]
将各试验轴的槽部21的表面粗糙度Rz示出在表2的“Rz”栏，将槽部21的压缩残余应力的最大值示出在“压缩残余应力最大值”栏，将槽部21的压缩残余应力最大的位置(距表面的深度)示出在“压缩残余应力示出最大值的深度”栏，将槽部21的残余应力为压缩残余应力的最大深度示出在“残余应力为压缩应力的最大深度”栏，将距槽部21的表面的距离为250μm的深度位置的硬度示出在“距表面的距离为250μm的深度位置的硬度”栏。
将各试验轴的疲劳强度示出在表2的“疲劳强度”栏。进而将以No.5的试验轴的疲劳强度为基准的提高比例示出在“自基准的提高比例”栏。
如表2所示，关于No.1～No.3的试验轴，槽部21的表面粗糙度Rz小于3.00μm，槽部21的压缩残余应力的最大值为1000MPa以上，具有从表面到至少300μm的深度位置的范围成为压缩残余应力的残余应力分布。上述的试验轴与No.5的试验轴相比较疲劳强度提高了30％以上。
No.6～No.8的试验轴是实施喷丸硬化或锤击硬化而代替滚压加工的试验轴。关于这些试验轴，尽管压缩残余应力的最大值为1000MPa以上，但赋予了压缩残余应力的范围较浅。因此，与No.1～No.3的试验轴相比较疲劳强度的提高并不充分。
关于No.9和No.10的试验轴，槽部21的压缩残余应力的最大值为1000MPa以上，具有从表面到至少300μm的深度位置成为压缩残余应力的残余应力分布，但槽部21的表面粗糙度Rz为3.00μm以上。因此，与No.1～No.3的试验轴相比较疲劳强度的提高并不充分。
关于No.4和No.11的试验轴，槽部21的压缩残余应力的最大值小于1000MPa。因此，与No.1～No.3的试验轴相比较疲劳强度的提高并不充分。压缩残余应力的最大值小于1000MPa的原因认为是滚压加工时的接触表面压力过小。
以上对本发明的一实施方式进行了说明，但上述的实施方式只不过是用于实施本发明的例示。因此，本发明并不限定于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内对上述的实施方式进行适当变形来实施。
附图标记说明
10、曲轴；11、轴颈部；12、销部；13、臂部；14、圆角部。

Claims (5)

1.一种曲轴，其具备轴颈部、销部和圆角部，其中，
所述圆角部具有从表面到至少300μm的深度位置的范围的残余应力为压缩残余应力的残余应力分布，所述压缩残余应力的最大值为1000MPa以上，表面粗糙度Rz小于3.00μm。
2.根据权利要求1所述的曲轴，其中，
所述压缩残余应力最大的位置是距所述圆角部的表面的距离为250μm以上的深度位置。
3.根据权利要求1或2所述的曲轴，其中，
距所述圆角部的表面的距离为250μm的深度位置的硬度为HV650以上。
4.一种曲轴的制造方法，其制造权利要求1～3中任一项所述的曲轴，其中，
该方法包括以下工序：
准备所述曲轴的中间制品；
对所述中间制品进行淬火；
对进行了所述淬火的中间制品进行磨削；以及
对于进行了所述磨削的中间制品以550kgf/mm2以上的赫兹应力对所述圆角部进行滚压加工。
5.根据权利要求4所述的曲轴的制造方法，其中，
所述磨削的工序之后且是所述滚压加工的工序之前的所述圆角部的表面粗糙度Rz小于1.00μm。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118086822A (zh) * 2024-04-28 2024-05-28 泰尔重工股份有限公司 一种具有弧面转角的合金工件的制造方法及其制得的产品

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0912769B1 (en) * 1996-07-02 2007-08-29 The Timken Company Induction hardened microalloy steel having enhanced fatigue strength properties
JPH10317062A (ja) * 1997-05-16 1998-12-02 Toyota Motor Corp 高強度クランクシャフトの製造方法及びクランクシャフト
JP4198268B2 (ja) * 1999-05-12 2008-12-17 ヤマハ発動機株式会社 鉄合金部品
JP2000337345A (ja) 1999-05-31 2000-12-05 Mitsubishi Motors Corp クランクシャフトの製造方法
JP4284956B2 (ja) * 2002-09-27 2009-06-24 株式会社ジェイテクト 転がり摺動部材の製造方法
JP2005264331A (ja) 2005-03-11 2005-09-29 Yanmar Co Ltd 機械構造部品
JP4910654B2 (ja) 2006-11-20 2012-04-04 Ｊｆｅスチール株式会社 疲労強度の高いクランクシャフト
EP2269752B1 (en) * 2008-04-30 2016-07-27 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Surface coated cutting tool
JP5152504B2 (ja) * 2008-06-27 2013-02-27 トヨタ自動車株式会社 クランクシャフト
ES2731643T3 (es) * 2009-01-16 2019-11-18 Nippon Steel Corp Acero para endurecimiento de superficies para uso estructural en máquinas y componente para uso estructural en máquinas
WO2015174088A1 (ja) 2014-05-14 2015-11-19 新日鐵住金株式会社 非調質クランクシャフト用鋼及び非調質クランクシャフト
JP2017122500A (ja) * 2016-01-08 2017-07-13 株式会社神戸製鋼所 大型クランク軸
JP6740907B2 (ja) * 2017-01-10 2020-08-19 日本製鉄株式会社 高周波焼入れクランク軸
DE102018125617A1 (de) * 2018-10-16 2020-04-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kurbelwelle

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118086822A (zh) * 2024-04-28 2024-05-28 泰尔重工股份有限公司 一种具有弧面转角的合金工件的制造方法及其制得的产品
CN118086822B (zh) * 2024-04-28 2024-07-09 泰尔重工股份有限公司 一种具有弧面转角的合金工件的制造方法及其制得的产品

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