JP2020204091A - 大入熱溶接用高強度鋼板 - Google Patents
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
Description
本発明は、このような実情に鑑みなされたものであり、新たな成分設計の指針を提案し、これに基づいて、大入熱溶接用高強度鋼板を提供することを課題とするものである。
その結果、鋼板の焼入れ性を一定以上に高めることにより、HAZの結晶粒が顕著に微細化することがわかった。具体的には、焼入れ倍数DIを17以上とすることで、HAZの結晶粒が顕著に微細化することを見いだした。また結晶粒の微細化に伴いMAも微細化することが確認された。すなわち、焼入れ性を向上させることにより、結晶粒の微細化とMAの微細化がともに達成されることがわかった。
加えて、焼入れ性を高める元素として、Niが極めて有効であることがわかった。一般的に焼入れ性を高めるとMAの生成量は増加することが知られているが、Niは他の元素に比べてMA生成量をそれほど増加させずに焼入れ性を向上させることができる。具体的にはNiを2.5%以上含有させることで、焼入れ性向上による細粒化効果とMA微細化効果とが得られる。
これらNiとMnとの違いは、ミクロ偏析のしやすさや、セメンタイト生成に及ぼす効果の違いに起因しているものと推察される。
本発明では、鋼板表面のビッカース硬度320Hv以下、鋼板表面と板厚1/4位置との硬度差を70以下とすることができる。
DI(inch)=0.5×fB×C0.5×(1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+0.27×Cu)×(1+0.52×Ni)×(1+2.33×Cr)×(1+3.14×Mo) …(1)
CeqWES(%)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 …(2)
CeqIIW(%)=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 …(3)
ここで、上記(1)〜(3)式中のC、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V、Cuは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、含有しない元素の項には0を代入する。fBはB量により以下のように定義する。B量が0.0004%以下のときはfB=1.0とし、B量が0.0004%超0.0050%以下のときはfB=1.3とする。
[2] [1]に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、質量%で、Ti:0.003〜0.020%を含有してもよい。
[3] [1]又は[2]に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、質量%で、B:0.0004〜0.0050%を含有してもよい。
[4] [1]〜[3]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、質量%で、Cu:0.1〜2.0%、Cr:0.1〜2.0%、Mo:0.1〜2.0%からなる群から選択されるいずれか1種または2種以上を含有してもよい。
[5] [1]〜[4]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、質量%で、Nb:0.003〜0.03%、V:0.01〜0.10%、W:0.10〜1.0%からなる群から選択されるいずれか1種または2種以上を含有してもよい。
[6][1]〜[5]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、質量%で、Ca:0.0005〜0.005%、Mg:0.0005〜0.005%、REM:0.0005〜0.005%、Zr:0.0005〜0.005%以下からなる群から選択されるいずれか1種または2種以上を含有してもよい。
[7] [1]〜[6]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、質量%で、Pの含有量が0.003〜0.010%であってもよい。
[8] [1]〜[7]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、鋼板表面を起点として深さ方向に3mmまでの領域において、ビッカース硬度の最大値Hvsが320以下であってもよい。
[9] [1]〜[8]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、ビッカース硬度の最大値Hvsと鋼板1/4厚位置におけるビッカース硬度Hvqとの差ΔHvが70以下であってもよい。
[10] [1]〜[9]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、降伏強度が630〜750MPa、引張強さが780〜930MPa、降伏比が85%以下であってもよい。
[11] [1]〜[10]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、溶接入熱が600kJ/mm以上の溶接継手において、溶接部のHAZにおける0℃シャルピー吸収エネルギーが平均100J以上であってもよい。
[12] [1]〜[11]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、板厚tが40mm以上100mm以下であってもよい。
[13] [1]〜[12]のいずれか一態様に記載の大入熱溶接用高強度鋼板は、高層ビルの建築鉄骨ボックス柱用鋼板であってもよい。
CeqIIW(%)=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 …(5)
DI(inch)=0.5×fB×C0.5× (1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+0.27×Cu)×(1+0.52×Ni)×(1+2.33×Cr)×(1+3.14×Mo) …(6)
ここで、上記(4)〜(6)式中のC、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V、Cuは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、含有しない元素の項には0を代入する。fBはB量により以下のように定義する。B含有量が0.0004%以下のときはfB=1.0とし、B含有量が0.0004%超0.0050%以下のときfB=1.3とする。
Cは、鋼の焼入れ性を高めて高強度化に寄与する元素である。そのため、本実施形態ではC含有量は0.08%以上である。しかし、C含有量の過度な増加は、MAやセメンタイトの増加を招き靱性を低下させるため、その上限は0.14%以下である。
Siは、脱酸や強度のために鋼に含有される場合があるが、MAの生成を促進させる元素でもある。本発明者らが、MAに及ぼすSiの有害性について検討した結果、大入熱HAZのミクロ偏析部におけるMA生成にSiが極めて大きな影響を及ぼすことを確認した。したがって、大入熱HAZの靭性を確保するため、本実施形態ではSi含有量は0.30%以下である。Si含有量は、好ましくは0.25%以下であり、より好ましくは0.20%以下であり、さらに好ましくは0.15%以下である。Siの含有量の下限は特に限定されないが、製造コストの観点からSi含有量は0.01%以上が好ましい。
Mnは、鋼の焼入れ性を高めて高強度化に寄与する元素であり、本実施形態ではMnの含有量は0.3%以上である。しかし、Mnの含有量が過度に増加すると、大入熱HAZのMAを増加させ、靱性を著しく劣化させるため、本実施形態ではMn含有量の上限は1.0%以下である。
Pは、靭性に有害な不純物である。P含有量が過剰に増大すると、大入熱HAZで粒界割れを起こし、靭性を著しく劣化させる。従って、本実施形態ではPの含有量は0.010%以下とする。Pの含有量の下限は特に限定されないが、製造コストの観点からPの含有量は0.001%以上であってもよい。一方、Pは適度に含有させることにより、大入熱HAZの焼入れ性を高めて、結晶粒径を細粒化させ、大入熱HAZの靭性を向上させる。従って、本実施形態では0.003〜0.010%であることが好ましく、0.004〜0.010%であってもよく、0.007〜0.010%であってもよい。
Sは、不純物であり、多量に含有すると粗大な介在物を形成して靭性を低下させる場合がある。したがって、Sの含有量は、大入熱HAZの靱性を安定的に確保するために制限する必要があり、本実施形態ではSは0.005%以下である。Sの含有量の下限は特に限定されないが、製造コストの観点からSの含有量は0.0001%以上であってもよい。
Niは、鋼の焼入れ性を高めて高強度化に寄与する元素であり、同時に、大入熱HAZの靱性を高める元素でもある。また本発明者らの調査から、大入熱HAZでは、NiはMnに比べてMAを生成しにくい特徴があることが分かっている。これらのことから、本実施形態では、Niの含有量は2.5%以上である。一方、Niは高価な元素であり、製造コストの上昇を抑制するという観点から、本実施形態では、Niの含有量は7.0%以下である。
Alは、脱酸元素として重要であり、またBを添加する際は、AlNを形成してNを固定することで、BNの析出を抑制して、鋼の焼入れ性に有効な固溶Bを確保するために含有させる重要な元素である。この効果を発揮させるため、本実施形態においてAlの含有量は0.03%以上である。一方、破壊起点となり靱性を低下させる粗大なアルミ系酸化物の生成を抑制するという観点から、本実施形態ではAlの含有量は0.100%以下である。
Nは、不純物であり、粗大な窒化物は、母材及び大入熱HAZの靭性を低下させる。粗大な窒化物の形成を防止し、靱性を確保するという観点から、本実施形態では、Nの含有量が0.0060%以下である。また、Bを添加する際は、N量の過剰な増加はBNを生成して焼入れ性向上に寄与する固溶Bを大幅に低下させるおそれもある。そのためNの含有量は少ないほうが望ましいが、製造コストの観点から、Nの含有量は0.0001%以上であってもよい。
Oは、不純物であり、粗大なアルミ系酸化物が大入熱HAZのミクロ偏析部に重畳して存在すると、破壊起点として作用し極めて低い靱性を示す。そのため、本実施形態ではOの含有量は0.0060%以下である。Oの含有量は少ない方が望ましく、0%であってもよいが、製造コストの観点から、本実施形態では、Oの含有量は0.0001%以上であってもよい。
炭素当量CeqWESは、鋼板(母材)の強度及びHAZの結晶粒径に大きな影響を及ぼす。HAZでの焼入れ性を確保し、結晶粒を細粒化させるため、本実施形態において炭素当量CeqWESは0.600%以上である。一方、炭素当量CeqWESが0.900%を超えるとHAZがマルテンサイトとなり、靱性が低下する。そのため、本実施形態においてCeqWESは0.900%以下である。なお、炭素当量CeqWESは、合金元素の含有量によって下記の(4)式で計算される。
ここで、式(4)中のC、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、Vは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、後述する選択元素Cr、Mo、Vを含有しない場合は各項に0を代入する。
炭素当量CeqIIWは、鋼板(母材)の強度及びHAZの結晶粒径に大きな影響を及ぼす。HAZでの焼入れ性を確保し、かつ、結晶粒を細粒化させるため、本実施形態において炭素当量CeqIIWは0.750%以上である。一方、炭素当量CeqIIWが1.100%を超えるとHAZがマルテンサイトとなり、靱性が低下する。そのため、本実施形態においてCeqIIWは1.100%以下である。炭素当量CeqIIWは、合金元素の含有量によって下記の(5)式で計算される。
ここで、式(5)中のC、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、Vは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、後述する選択元素Cr、Mo、Vを含有しない場合は各項に0を代入する。
焼入れ倍数DIは、鋼板(母材)の強度及びHAZの結晶粒径に大きな影響を及ぼす。
HAZでの焼入れ性を確保し、結晶粒を細粒化させるため、焼入れ倍数DIを17インチ以上とする。一方、焼入れ倍数DIが35インチを超えるとHAZがマルテンサイトとなり、靱性が低下するので、35インチ以下とする。焼入れ倍数DIは、合金元素の含有量によって下記の(6)式で計算される。
ここで、上記(6)式中、B含有量が0.0004%以下のときはfB=1.0とし、B含有量が0.0004%超0.0050%以下のときfB=1.3とする。
Cuは、スクラップ等から不純物として鋼板に混入する場合がある元素である。しかし、Cuの含有量の下限値は特に限定されず、0%であってもよい。また、Cuは、溶接性やHAZの靱性に対する悪影響が小さく、母材の強度や靱性を向上させる元素でもある。
そのため、本実施形態では、Cuの含有量は0.1%以上であってもよい。ただし、鋼板の熱間圧延時におけるCuクラックの発生抑制、大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化抑制の観点から、本実施形態では、Cuの含有量は2.0%以下である。
Crは、スクラップ等から不純物として鋼板に混入する場合がある元素である。しかし、Crの含有量の下限値は特に限定されず、0%であってもよい。また、Crは、母材の強度を向上させる元素でもある。そのため、本実施形態では、Crの含有量は0.1%以上であってもよい。ただし、大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化抑制の観点から、本実施形態では、Crの含有量は2.0%以下である。
Moは、スクラップ等から不純物として鋼板に混入する場合がある元素である。しかし、Moの含有量の下限値は特に限定されず、0%であってもよい。また、Moは、母材の強度及び靱性を向上させる元素でもある。そのため、本実施形態ではMoの含有量は0.1%以上であってもよい。ただし、大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化抑制、合金コストの上昇抑制の観点から、本実施形態では、Moの含有量は2.0%以下である。
Nbは、スクラップ等から不純物として鋼板に混入する場合がある元素である。しかし、Nbの含有量の下限値は特に限定されず、0%であってもよい。また、Nbは、母材の強度、靱性を向上させる元素でもある。そのため、本実施形態では、Nbの含有量は0.003%以上であってもよく、0.005%以上であってもよい。ただし、大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化抑制の観点から、本実施形態では、Nbの含有量は0.03%以下である。好ましくは、Nbの含有量は0.02%以下であり、より好ましくは0.01%以下である。
Vは、スクラップ等から不純物として混入する場合がある元素である。しかし、Vの含有量の下限値は特に限定されず、0%であってもよい。また、Vは、母材の強度を向上させる元素でもある。そのため、本実施形態では、Vの含有量は0.005%以上であってもよく、0.001%以上であってもよい。ただし、大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化抑制の観点から、本実施形態では、Vの含有量は0.10%以下である。好ましくは、Vの含有量は0.08%以下であり、より好ましくは0.06%以下である。
Wは、スクラップ等から不純物として混入する場合がある元素である。しかし、Wの含有量の下限値は特に限定されず、0%であってもよい。また、Wは、母材の強度及び靱性を向上させる元素でもある。そのため、本実施形態では、Wの含有量は0.1%以上であってもよい。ただし、大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化抑制、合金コストの上昇抑制の観点から、本実施形態では、Wの含有量は1.0%以下である。好ましくは、Wの含有量は0.5%以下である。
Tiは、母材の強度上昇や細粒化に有効な元素である。そのため、本実施形態ではTiの含有量は0.003%以上であってもよく、0.005%以上であってもよい。一方、Tiを添加しなくてもよいので、Tiの含有量は0%であってもよい。ただし、粗大なTiNが靱性に悪影響を及ぼすことを抑制する観点から、本実施形態ではTiの含有量は0.020%以下である。
Bは、炭素当量Ceqを制限しつつ、鋼の焼入れ性を確保するために含有させる重要な元素である。Bは、微量の含有であっても鋼の焼入れ性を顕著に向上させる元素であり、その効果を発揮させるために、Bの含有量は0.0003%以上であってもよく、0.0004%以上であってもよい。一方、と大入熱HAZの靱性や溶接性の劣化を抑制する観点から、本実施形態ではBの含有量は0.0050%以下である。
Caは、酸化物や硫化物、酸硫化物を形成して粗大介在物の生成を抑制し、母材及びHAZの靱性を高める元素である。そのため、本実施形態ではCaの含有量は0.0001%以上であってもよく、0.0005%以上であってもよい。ただし、脆性破壊の発生起点として作用する恐れがあるCa系介在物の増加を抑制するという観点から、本実施形態ではCaの含有量は0.005%以下である。好ましくは、Caの含有量は0.004%以下である。なお、Caの含有量は0%であってもよい。
Mgは、Caと同様に酸化物や硫化物、酸硫化物を形成して粗大介在物の生成を抑制し、母材及びHAZの靱性を高める元素である。そのため、本実施形態ではMgの含有量は0.0001%以上であってもよく、0.0005%以上であってもよい。ただし、脆性破壊の発生起点として作用する恐れがあるMg系介在物の増加を抑制する観点から、Mgの含有量は0.005%以下である。
好ましくは、Mgの含有量は0.003%以下である。なお、Mgの含有量は0%であってもよい。
REM(希土類元素)とは、Sc、Yの2元素と、La、CeやNdなどのランタノイド15元素の総称を意味する。本実施形態でいうREMとは、これら希土類元素から選択される1種以上で構成されるものであり、以下に説明するREMの含有量とは、希土類元素の含有量の合計量である。
Zrは、CaやMgやREMと同様に、酸化物、硫化物、酸硫化物を形成して粗大介在物の生成を抑制し、母材及びHAZの靱性を高める元素である。そのため、本実施形態ではZrの含有量は0.0001%以上であってもよく、0.0005%以上であってもよい。ただし、脆性破壊の発生起点として作用する恐れがあるZr系介在物の増加を抑制する観点から、本実施形態ではZrの含有量は0.005%以下である。好ましくは、Zrの含有量は0.003%以下である。
なお、Zrの含有量は0%であってもよい。
(降伏強度:630MPa以上、750MPa以下)
(引張強さ:780〜930MPa)
(降伏比:85%以下)
本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板は、特に、高強度で厚手の厚鋼板が必要とされる用途に好適で、特に、溶接施工能率の高い大入熱溶接が施された際に、HAZ靭性の要求レベルが高い用途に好適である。具体的には、高層ビルなどに用いられる建築鉄骨用の四面ボックス柱など、ダイヤフラム溶接HAZ(エレクトロスラグ溶接HAZ)の靱性が要求される高強度厚鋼板に好適である。
また、本実施形態に係る大入熱溶接用高強度鋼板は、ビッカース硬度の最大値Hvsと鋼板1/4厚位置におけるビッカース硬度Hvqとの差ΔHvが70以下であることが好ましい。
Ac3変態点(℃)=910−203√C+44.7Si−30Mn−400Al−15.2Ni+104V+31.5Mo+13.1W+11Cr+20Cu−700P−400Ti …(9)
ここで、上記(8)式及び(9)式中のSi、Mn、Ni、W、Cr、C、Al、V、Mo、Cu、P、Tiは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、含有しない元素の項には0を代入する。
母材の機械特性の評価、すなわち、引張試験及びシャルピー衝撃試験に用いた試験片は、厚鋼板の板厚の1/4の位置から採取された。
溶接継手のHAZ靱性の評価は、エレクトロスラグ溶接法(ESW)によって作製された各厚鋼板の溶接継手を用いて行われた。
比較例2はC量が高すぎるために、また、比較例8はDIが高すぎるために、引張強度が過剰であり、表層硬度及び硬度差が大きく、かつ、HAZ靱性が劣っていた。
比較例4はMn量及びP量が高すぎるためにHAZ靱性が劣っていた。
比較例5はS量及びAl量が高すぎるために、また、比較例6はN量が高すぎ、かつ、CeqWESが低すぎるためにHAZ靱性が劣っていた。
比較例7はCeqWES,CeqIIW及びDIが低すぎるために、また、比較例9はCeqWESが低すぎるために、表層硬度及び硬度差が大きく、かつ、HAZ靱性が劣っていた。
比較例10はC量及びCeqWESが高すぎるために、表層硬度及び硬度差が大きく、かつ、HAZ靱性が劣っていた。
比較例11はAl量が高すぎるために、HAZ靱性が劣っていた。
2・・・ダイヤフラム
3、4・・・裏当金
5・・・溶接金属部
6・・・溶接熱影響部(HAZ)
7・・・試験片
Claims (13)
- 質量%で、
C:0.08〜0.14%、
Mn:0.3〜1.0%、
Ni:2.5〜7.0%、
Al:0.03〜0.100%、
Cu:0〜2.0%、
Cr:0〜2.0%、
Mo:0〜2.0%、
Nb:0〜0.03%、
V:0〜0.10%、
W:0〜1.0%、
Ti:0〜0.020%、
B:0〜0.0050%、
Ca:0〜0.005%、
Mg:0〜0.005%、
REM:0〜0.005%、
Zr:0〜0.005%、
Si:0.30%以下、
P:0.010%以下、
S:0.005%以下、
N:0.0060%以下、
O:0.0060%以下、
残部がFe及び不純物からなり、
下記式(1)で計算される焼入れ倍数DI(inch)が17〜35であり、
下記式(2)で計算される炭素当量CeqWESが0.600%〜0.900%であり、
下記式(3)で計算される炭素当量CeqIIWが0.750%〜1.100%であることを特徴とする大入熱溶接用高強度鋼板。
DI(inch)=0.5×fB×C0.5×(1+0.64×Si)×(1+4.1×Mn)×(1+0.27×Cu)×(1+0.52×Ni)×(1+2.33×Cr)×(1+3.14×Mo) …(1)
CeqWES(%)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 …(2)
CeqIIW(%)=C+Mn/6+Cu/15+Ni/15+Cr/5+Mo/5+V/5 …(3)
ここで、上記(1)〜(3)式中のC、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V、Cuは質量%で表した各元素の鋼板中の含有量であり、含有しない元素の項には0を代入する。Bの含有量が0.0004%以下のときはfB=1.0とし、Bの含有量が0.0004%超0.0050%以下のときはfB=1.3とする。 - 質量%で、
Ti:0.003〜0.020%
を含有することを特徴とする請求項1に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。 - 質量%で、
B:0.0004〜0.0050%
を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。 - 質量%で、
Cu:0.1〜2.0%、
Cr:0.1〜2.0%、
Mo:0.1〜2.0%、
からなる群から選択されるいずれか1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。 - 質量%で、
Nb:0.003〜0.03%、
V:0.01〜0.10%、
W:0.10〜1.0%
からなる群から選択されるいずれか1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。 - 質量%で、
Ca:0.0005〜0.005%、
Mg:0.0005〜0.005%、
REM:0.0005〜0.005%、
Zr:0.0005〜0.005%以下
からなる群から選択されるいずれか1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。 - 質量%で、Pの含有量が0.003〜0.010%であることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。
- 鋼板表面を起点として深さ方向に3mmまでの領域において、ビッカース硬度の最大値Hvsが320以下であることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。
- ビッカース硬度の最大値Hvsと鋼板1/4厚位置におけるビッカース硬度Hvqとの差ΔHvが70以下であることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。
- 降伏強度が630〜750MPa、
引張強さが780〜930MPa、
降伏比が85%以下であることを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。 - 溶接入熱が600kJ/mm以上の溶接継手において、溶接部のHAZにおける0℃シャルピー吸収エネルギーが平均100J以上であることを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。
- 板厚tが40mm以上100mm以下であることを特徴とする請求項1〜11の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。
- 高層ビルの建築鉄骨ボックス柱用鋼板であることを特徴とする請求項1〜12の何れか1項に記載の大入熱溶接用高強度鋼板。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2019112154 | 2019-06-17 | ||
JP2019112154 | 2019-06-17 |
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JP7506305B2 JP7506305B2 (ja) | 2024-06-26 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023246082A1 (zh) * | 2022-06-21 | 2023-12-28 | 育材堂(苏州)材料科技有限公司 | 热作模具钢、其热处理方法及热作模具 |
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