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1、PAGE PAGE 21工程材料與材料成型基礎(chǔ)(二)教案教師姓名王艷輝授課形式講授授課班級(jí)授課學(xué)時(shí)10授課章節(jié)名稱第一章 鑄 造1-1金屬的鑄造性能1-2砂型鑄造1-3鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1-4常用鑄件的生產(chǎn)1-5特種鑄造任務(wù)目的掌握合金鑄造性能對(duì)鑄件質(zhì)量的影響掌握合金鑄造性能對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的要求掌握鑄造工藝對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的要求了解常用鑄鐵件、鑄鋼件生產(chǎn)了解特種鑄造的種類和應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)合金的流動(dòng)性和收縮性砂型鑄造造型方法鑄造工藝圖鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄鐵的石墨化、分類、牌號(hào)、應(yīng)用鑄鋼的工藝特點(diǎn)特種鑄造的種類、特點(diǎn)和應(yīng)用能力點(diǎn)能分析合金鑄造性能和鑄造工藝對(duì)鑄件質(zhì)量的影響能合理設(shè)計(jì)鑄件的結(jié)構(gòu)其它第一章 鑄造概述鑄造將液態(tài)

2、金屬澆注到鑄型型腔中,待其冷卻凝固后,獲得一定形狀的毛坯或零件的方法。鑄造生產(chǎn)的特點(diǎn):優(yōu)點(diǎn)零件的形狀復(fù)雜;工藝靈活;成本較低。缺點(diǎn)機(jī)械性能較低;精度低;效率低;勞動(dòng)條件差。分類:砂型鑄造90%以上特種鑄造鑄件性能較好,精度低,效率高我國鑄造技術(shù)歷史悠久,早在三千多年前,青銅器已有應(yīng)用;二千五百年前,鑄鐵工具已經(jīng)相當(dāng)普遍。泥型、金屬型和失蠟型是我國創(chuàng)造的三大鑄造技術(shù)。1-1 金屬的鑄造性能合金的鑄造性能是表示合金鑄造成型獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。通常用流動(dòng)性和收縮性來衡量。一、合金的流動(dòng)性1、流動(dòng)性概念流動(dòng)性液態(tài)合金的充型能力。流動(dòng)性好的合金:易于澆注出輪廓清晰、薄而復(fù)雜的鑄件;有利于非金屬夾雜物和氣

3、體的上浮和排除;易于補(bǔ)縮及熱裂紋的彌合。合金的流動(dòng)性是以螺旋形流動(dòng)試樣的長(zhǎng)度來衡量。試樣越長(zhǎng),流動(dòng)性越好。、影響合金流動(dòng)性的因素a、合金性質(zhì)方面 純金屬、共晶合金流動(dòng)性好。(恒溫下結(jié)晶,凝固層內(nèi)表面光滑) 亞、過共晶合金流動(dòng)性差。 (在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶,凝固層內(nèi)表面粗糙不平)b、鑄型和澆注條件 提高流動(dòng)性的措施:提高鑄型的透氣性,降低導(dǎo)熱系數(shù);確定合理的澆注溫度;提高金屬液的壓頭;澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。C、鑄件結(jié)構(gòu) 鑄件壁厚最小允許壁厚二、合金的收縮1、收縮的概念收縮是鑄件中的縮孔、縮松、變形和開裂等缺陷產(chǎn)生的原因。收縮的三個(gè)階段:液態(tài)收縮 形成縮孔、縮松(體收縮率)凝固收縮固態(tài)收縮 產(chǎn)生變形和

4、裂紋(線收縮率)幾種鐵碳合金的體積收縮率合金種類含碳量(%)澆注溫度()液態(tài)收縮(%)凝固收縮(%)固態(tài)收縮(%)總體積收縮(%)線收縮率(%)碳素鑄鋼白口鑄鐵灰鑄鐵0.353.03.51610140014001.62.43.53.04.00.17.865.46.33.34.212.461212.96.97.81.382.01.352.00.81.02、鑄件的縮孔和縮松縮孔的形成:純金屬或共晶成分的合金易形成縮孔??s松的形成:結(jié)晶溫度范圍大的合金易形成縮松??s孔和縮松的防止:定向凝固在鑄件可能出現(xiàn)縮孔的厚大部位,通過增設(shè)冒口或冷鐵等工藝措施,使鑄件上遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固,爾后是靠近冒口的部位凝

5、固,冒口本身最后凝固。結(jié)果使鑄件各個(gè)部分的凝固收縮均能得到液態(tài)金屬的補(bǔ)充,而將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口之中3、鑄造應(yīng)力鑄造內(nèi)應(yīng)力有熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力,是鑄件產(chǎn)生變形和開裂的基本原因。熱應(yīng)力的形成熱脹冷縮不均衡機(jī)械應(yīng)力的形成收縮受阻 減少和消除應(yīng)力的措施: 結(jié)構(gòu)上壁厚均勻,圓角連接,結(jié)構(gòu)對(duì)稱。 工藝上同時(shí)凝固,去應(yīng)力退火。同時(shí)凝固和定向凝固比較定向凝固用于收縮大或壁厚差距較大,易產(chǎn)生縮孔的合金鑄件,如鑄鋼、鋁硅合金等。定向凝固補(bǔ)縮作用好,鑄件致密,但鑄件成本高,內(nèi)應(yīng)力大。同時(shí)凝固用于凝固收縮小的灰鑄鐵。鑄件內(nèi)應(yīng)力小,工藝簡(jiǎn)單,節(jié)省金屬,組織不致密。4、鑄件的變形對(duì)于厚薄不均勻、截面不對(duì)稱及具有細(xì)長(zhǎng)特點(diǎn)的桿件

6、類、板類及輪類等鑄件,當(dāng)殘余鑄造應(yīng)力超過鑄件材料的屈服強(qiáng)度時(shí),產(chǎn)生翹曲變形。用反變形法防止箱體、床身導(dǎo)軌的變形。5、鑄件的裂紋鑄鋼件熱裂紋(改善型芯的退讓性,大的型芯制成中空的或內(nèi)部填以焦碳)輪形鑄件的冷裂(減少鑄件應(yīng)力,降低合金的脆性)1-2 砂型鑄造一、砂型鑄造造型方法套筒的砂型鑄造過程:造型方法:手工造型 單件、小批量生產(chǎn)機(jī)器造型 中、小件大批量生產(chǎn)機(jī)器造芯 中、小件大批量生產(chǎn)柔性造型單元 各種形狀與批量生產(chǎn)手工造型手工造型方法和特點(diǎn)造型方法特點(diǎn)整模造型整體模型,分型面為平面分模造型分開模型,分型面多是平面活塊造型將模樣上有妨礙取摸的部分做成活動(dòng)的挖沙造型造型時(shí)須挖去阻礙取模的型砂刮板造

7、型和鑄件截面形狀相適應(yīng)的板狀模樣三箱造型鑄件兩端截面尺寸較大,需要三個(gè)沙箱(二)機(jī)器造型機(jī)器造型是將填砂、緊實(shí)和起模等主要工序?qū)崿F(xiàn)了機(jī)械化,并組成生產(chǎn)流水線。機(jī)器造型生產(chǎn)率高,鑄型質(zhì)量好,鑄件質(zhì)量高,適用于中小型鑄件的大批量生產(chǎn)。機(jī)器造型方法:振壓造型、高壓造型、拋砂造型。振壓造型工作原理a) 填砂 b) 振實(shí) c) 壓實(shí) d) 起模多觸頭高壓造型拋砂機(jī)(三)機(jī)器造芯在大批量生產(chǎn)中,常用型芯制作設(shè)備是射芯機(jī)和殼(吹)芯機(jī)。射芯機(jī)工作原理和殼(吹)芯制造原理(四)柔性制造單元柔性制造單元通過在造型自動(dòng)線上加設(shè)模板庫及模板快換機(jī)構(gòu)等,由計(jì)算機(jī)集中控制模板的調(diào)運(yùn)與更換、造型機(jī)工作參數(shù)、鑄型質(zhì)量的檢驗(yàn)

8、等。二、砂型鑄造工藝設(shè)計(jì)鑄造工藝圖包括:鑄件的澆注位置鑄型分型面鑄造工藝參數(shù)支座的零件圖、鑄造工藝圖、模樣圖及合型圖(一)澆注位置的選擇澆注位置澆注時(shí)鑄件在鑄型中的空間位置。澆注位置的選擇原則:鑄件的重要加工面應(yīng)朝下或位于側(cè)面;鑄件的大平面應(yīng)朝下;面積較大的薄壁部分置于鑄型下部或側(cè)面;鑄件厚大部分應(yīng)放在上部或側(cè)面。(二)鑄型分型面的選擇三通的分型方案:四箱造型、三箱造型、兩箱造型分型面的選擇原則:便于起模,使造型工藝簡(jiǎn)化;盡量使鑄件全部或大部置于同一砂箱;盡量使型腔及主要型芯位于下型。(三)工藝參數(shù)的確定機(jī)械加工余量和最小鑄出孔;起模斜度;鑄造收縮率;型芯頭設(shè)計(jì)。(四)澆、冒口系統(tǒng)(五)鑄造工

9、藝設(shè)計(jì)的一般程序(五)鑄造工藝設(shè)計(jì)的一般程序項(xiàng)目用途設(shè)計(jì)程序鑄造工藝圖 是制造模樣、模底板、芯盒等工裝以及進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備和驗(yàn)收的依據(jù)。1.產(chǎn)品零件的技術(shù)條件和結(jié)構(gòu)工藝性分析2.選擇造型方法3.確定分型面和澆注位置4.選用工藝參數(shù)5.設(shè)計(jì)澆冒口、冷鐵等6.型芯設(shè)計(jì)鑄件圖 是鑄件驗(yàn)收和機(jī)加工夾具設(shè)計(jì)的依據(jù)。7.在完成鑄造工藝圖的基礎(chǔ)上,畫出鑄件圖鑄型裝配圖是生產(chǎn)準(zhǔn)備、合型、檢驗(yàn)、工藝調(diào)整的依據(jù)。8.在完成砂箱設(shè)計(jì)后畫出鑄造工藝卡片是生產(chǎn)管理的重要依據(jù)。9.綜合整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容(五)實(shí)例分析氣缸套方案,軸線處于水平位置,鑄件易產(chǎn)生缺陷;用分開模兩箱造型,分型面通過圓柱面,有飛邊,易錯(cuò)箱。方案,軸線處于垂直

10、位置,鑄件是順序凝固;分型面在鑄件一端,毛刺易清理,不會(huì)錯(cuò)箱支座方案,沿底版中心分型。軸孔下芯方便,但底版上四個(gè)凸臺(tái)必須采用活塊且鑄件在上、下箱各半。方案,沿底面分型,鑄件全部在下箱,不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)箱,鑄件易清理。但軸孔內(nèi)凸臺(tái)必須采用活塊或下芯且軸孔難以鑄出。C6140車床進(jìn)給箱體方案,能鑄出軸孔,型芯穩(wěn)定性好。但基準(zhǔn)面朝上易產(chǎn)生缺陷且型芯數(shù)量較多,槽C妨礙起模需用活塊或型芯。方案,從基準(zhǔn)面分型,鑄件大部分在下型,基準(zhǔn)面朝上,軸孔難以鑄出,且凸臺(tái)E和槽C妨礙起模,需用活塊或型芯。方案,鑄件全部置于下型,基準(zhǔn)面朝下,鑄件最薄處在鑄型下部。但凸臺(tái)EA和槽C都需用活塊或型芯,內(nèi)型芯穩(wěn)定性差。大批量生產(chǎn)時(shí)

11、選用方案,單件、小批量生產(chǎn)時(shí)選用方案或方案。車床進(jìn)給箱體鑄造工藝圖1-3 鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性,是指所設(shè)計(jì)的零件在滿足使用性能的前提下,鑄造成形的可行性和經(jīng)濟(jì)性,即鑄造成形的難易程度。良好的鑄件結(jié)構(gòu)性應(yīng)與金屬的鑄造性能和鑄造工藝相適應(yīng)。大批量生產(chǎn)時(shí),鑄件的結(jié)構(gòu)應(yīng)便于采用機(jī)器造型;單件、小批量生產(chǎn)時(shí),則應(yīng)使所設(shè)計(jì)的鑄件盡可能適應(yīng)現(xiàn)有生產(chǎn)條件。一、合金鑄造性能對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的要求(一)鑄件的壁厚鑄件壁厚應(yīng)合理鑄件壁厚應(yīng)均勻致密鑄件應(yīng)符合順序凝固原則(二)壁的連接應(yīng)有結(jié)構(gòu)圓角應(yīng)避免交叉、銳角接頭不同壁厚連接應(yīng)逐漸過渡(三)避免變形和開裂的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)稱合理設(shè)置加強(qiáng)肋應(yīng)有利于自由收縮二、鑄造工藝對(duì)

12、鑄件結(jié)構(gòu)的要求(一)鑄件的外形1、盡量避免外表面內(nèi)凹2、盡量示分型面為平面3、盡量減少分型面的數(shù)量4、應(yīng)具有結(jié)構(gòu)斜度(二)鑄件的內(nèi)腔不用或少用型芯和活塊有利于型芯的定位、排氣和清理三、組合鑄件 對(duì)于某些大型復(fù)雜鑄件,在生產(chǎn)條件不允許整體鑄造時(shí),可采用組合鑄件。1-4 常用鑄件的生產(chǎn)一、鑄鐵件的生產(chǎn)鑄鐵是含碳量超過2.11的鐵碳合金。工業(yè)用鑄鐵實(shí)際上是以Fe、C、Si為主要元素的多元合金。鑄鐵中碳的存在形式: 滲碳體化合狀態(tài) 石墨游離狀態(tài)鑄鐵分類:白口鑄鐵 灰鑄鐵(片狀石墨) 灰口鑄鐵 可鍛鑄鐵(團(tuán)絮狀石墨) 麻口鑄鐵 球墨鑄鐵(球狀石墨)(一)鑄鐵的石墨化1、石墨化過程石墨化鑄鐵中析出石墨的過

13、程。 石墨化形式:緩慢冷卻時(shí),L(A) 石墨 加熱時(shí), Fe3C 石墨因此石墨是穩(wěn)定相,是亞穩(wěn)定相。 石墨是碳的一種結(jié)晶形態(tài),具有六方晶格。原子呈層狀排列,同一層面上的碳原子呈共價(jià)鍵,結(jié)合力強(qiáng);層與層之間呈分子鍵,結(jié)合力弱。因此,石墨結(jié)晶形態(tài)常易發(fā)展為片狀,強(qiáng)度、硬度、塑性極低。2、影響石墨化的因素(1)化學(xué)成分碳和硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化元素。碳是石墨的基礎(chǔ),硅促進(jìn)石墨析出(C:2.73.6% , Si:1.12.5%)。碳和硅含量高時(shí),石墨量多、尺寸大、鐵素體多,因此強(qiáng)度、硬度低。 錳是微弱阻止石墨化元素,可促進(jìn)珠光體基體形成,提高鑄鐵強(qiáng)度和硬度(Mn : 0.41.2%)。硫和磷是有害元素(S

14、0.10.15%,P0.2)。 碳當(dāng)量:CE = C + (Si+P)/3 %CE =4.28% ,共晶成分;CE4.28% ,亞共晶成分;CE4.28% ,過共晶成分。(2)冷卻速度同一鑄件厚壁處為灰口組織,而薄壁處為白口組織,這說明:緩慢冷卻有利于石墨化過程的進(jìn)行??梢?,當(dāng)鐵水的碳當(dāng)量較高,結(jié)晶過程中緩慢冷卻時(shí),易形成灰口鑄鐵;相反易形成白口組織(二)灰鑄鐵灰鑄鐵的組織和性能特點(diǎn)灰鑄鐵的組織:鐵素體灰鑄鐵鐵素體+珠光體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵、灰鑄鐵的性能:機(jī)械性能較差強(qiáng)度低、塑性低、韌性低且壁厚敏感;抗壓強(qiáng)度、硬度與相同基體碳鋼相近。(2)其它性能 耐磨性好、減震性好 、缺口敏感性小、鑄造性能

15、和切削加工性能良好 ?;诣T鐵與碳鋼機(jī)械性能的比較性能指標(biāo)抗拉強(qiáng)度b (N/mm2)延伸率(%)沖擊韌性k(J/cm2)硬度(HBS)鑄造碳鋼40065010252060160230灰鑄鐵10035000.5051482982、灰鑄鐵的牌號(hào)與用途HT200表示灰鑄鐵,b200N/mm2(壁厚增加,強(qiáng)度降低)牌號(hào)基體組織用途HT100鐵素體低負(fù)荷和不重要的零件。如手柄、蓋板、重錘等。HT150鐵素體+珠光體受中等負(fù)荷的零件。如機(jī)座、支架、箱體、帶輪等。HT200珠光體受較大負(fù)荷的重要件。如汽缸、床身、活塞、中等壓力閥體、齒輪箱、飛輪等。3、灰鑄鐵的孕育處理孕育鑄鐵:HT250、HT300、H350

16、T 孕育處理:降低碳、硅含量,以提高鑄鐵的強(qiáng)度;澆注前向鐵水 中加入少量的孕育劑(75%硅鐵),可以細(xì)化組織,促進(jìn)石墨化。孕育鑄鐵的特點(diǎn):強(qiáng)度較高,冷卻速度對(duì)其組織和性能的影響甚小。特別適合生產(chǎn)厚大鑄件如重型機(jī)床、壓力機(jī)床身、高壓液壓件、活塞環(huán)、齒輪、凸輪等。(三)球墨鑄鐵球墨鑄鐵是在澆注前往鐵水中加少量的球化劑和孕育劑,獲得具有球狀石墨的鑄鐵。球墨鑄鐵的組織和性能球墨鑄鐵的組織:鐵素體球鐵鐵素體+珠光體球鐵珠光體球鐵2、球墨鑄鐵的牌號(hào)與用途QT500-7表示球墨鑄鐵,b500N/mm2, 7 %牌號(hào)基體組織用途QT450-10鐵素體農(nóng)機(jī)具零件、中低壓閥門、輸氣管道。QT600-3鐵素體+珠光

17、體負(fù)荷大、受力復(fù)雜的零件。如汽車、拖拉機(jī)曲軸,連桿,凸輪軸,蝸桿機(jī)床蝸桿、蝸輪,軋鋼機(jī)軋輥、大齒輪。QT700-2珠光體QT800-2珠光體高強(qiáng)度齒輪。3、球墨鑄鐵的生產(chǎn)特點(diǎn)嚴(yán)格控制化學(xué)成分(C、Si較高,Mn、P、S較低)較高的出鐵溫度(1400-1420)球化處理(獲得球狀石墨)孕育處理(促進(jìn)石墨化,細(xì)化均勻組織)熱處理退火鐵素體+球狀石墨 QT400-18, 正火索氏體+球狀石墨 QT600-3,調(diào)質(zhì)回火索氏體+球狀石墨 QT800-2等溫淬火下貝氏體+球狀石墨 QT900-24、球墨鑄鐵鑄造工藝特點(diǎn) (1)流動(dòng)性比灰鑄鐵差(2)收縮較灰鑄鐵大球墨鑄鐵件多應(yīng)用冒口和冷鐵,采用定向凝固原則

18、。在鑄型剛度很好的條件下,也可采用同時(shí)凝固原則不用冒口或用小冒口。(四)鑄鐵的熔煉沖天爐的熔煉過程沖天爐的燃料為焦碳;金屬爐料有:鑄造生鐵錠、回爐料、廢鋼、鐵合金;熔劑為石灰石和氟石。在沖天爐熔煉過程中,高爐爐氣不斷上升,爐料不斷下降:底焦燃燒;金屬爐料被預(yù)熱、熔化和過熱;冶金反應(yīng)使鐵水發(fā)生變化。二、鑄鋼件的生產(chǎn)鑄鋼的應(yīng)用僅次于鑄鐵,其產(chǎn)量占鑄件總產(chǎn)量的15%。鑄鋼的主要優(yōu)點(diǎn)是力學(xué)性能高,特別是塑性和韌性比鑄鐵高得多,焊接性能良好,適于鑄焊聯(lián)合工藝制造重型機(jī)械。但鑄造性能、減震性和缺口敏感性都比鑄鐵差。鑄鋼主要用于制造承受重載荷及沖擊載荷的零件,如鐵路車輛上的搖枕、側(cè)架、車輪及車鉤,重型水壓機(jī)

19、橫梁,大型軋鋼機(jī)機(jī)架、齒輪等。常用鑄鋼:碳素鑄鋼、低合金鑄鋼、高合金鑄鋼。1、鑄鋼的鑄造工藝特點(diǎn)鑄鋼的鑄造性能差,鑄造工藝復(fù)雜:(1)對(duì)砂型性能如強(qiáng)度、耐火度和透氣性要求更高。(2)工藝上大都采用定向凝固原則(3)必須嚴(yán)格掌握澆注溫度2、鑄鋼的熱處理為了細(xì)化晶粒,改善組織,消除鑄造內(nèi)應(yīng)力,提高性能,鑄鋼件必須進(jìn)行退火和正火處理。3、鑄鋼的熔煉電弧爐煉鋼:鋼液質(zhì)量高,熔煉速度快,溫度容易控制。煉鋼的金屬材料主要是廢鋼、生鐵和鐵合金。其它材料有造渣材料、氧化劑、還原劑和增碳劑等。感應(yīng)電爐煉鋼感應(yīng)電爐是利用感應(yīng)線圈中交流電的感應(yīng)作用,使坩堝內(nèi)的金屬爐料(及鋼液)產(chǎn)生感應(yīng)電流,而發(fā)出熱量,使?fàn)t料熔化的

20、。(感應(yīng)電爐的優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快,熱量散失小;缺點(diǎn)是爐渣溫度較低,不能發(fā)揮爐渣在冶煉過程中的作用。)1-5 特種鑄造特種鑄造的分類:熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造特種鑄造特點(diǎn)(與砂型鑄造相比):鑄件精度和表面質(zhì)量高、鑄件內(nèi)在性能好;原材料消耗低、工作環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn);鑄件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、重量、材料種類往往受到一定限制。一、熔模鑄造熔模鑄造是在易熔模樣表面包覆若干層耐火材料,待其硬化后,將模樣熔去制成中空型殼,經(jīng)澆注而獲得鑄件的成形方法。熔模鑄造工藝過程:制造熔模、制模組、上涂料(及撒砂)、脫模、焙燒、澆注、落砂、切澆口。特點(diǎn):鑄件的形狀復(fù)雜、精度和表面質(zhì)量較高(IT1113,

21、Ra1.612.5);合金種類不受限制,鋼鐵及有色金屬均可適用;生產(chǎn)批量不受限制;工藝過程較復(fù)雜,生產(chǎn)周期長(zhǎng),成本高鑄件尺寸不能太大;應(yīng)用:熔模鑄造是一種少、無切削的先進(jìn)精密成形工藝,最適合25kg以下的高熔點(diǎn)、難加工合金鑄件的批量生產(chǎn)。如汽輪機(jī)葉片、泵輪、復(fù)雜刀具、汽車上小型精密鑄件。二、金屬型鑄造金屬型鑄造是在重力作用下將液態(tài)金屬澆入金屬鑄型的成形方法。金屬型的結(jié)構(gòu)可分為:水平分型式、垂直分型式及復(fù)合分型式等。鑄造鋁活塞的金屬型及金屬型芯優(yōu)點(diǎn):1、一型多鑄,生產(chǎn)效率高2、鑄件尺寸精度高,表面質(zhì)量好 (IT1214, Ra6.312.5)3、鑄件冷卻快,組織致密,機(jī)械性能好應(yīng)用:金屬型鑄造主要用于銅、鋁、鎂等

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