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技能訓(xùn)練應(yīng)知篇
項(xiàng)目三、刀具材料技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第1頁(yè)在切削過程中,刀具直接負(fù)擔(dān)切除工件余量和形成已加工表面任務(wù)。刀具切削性能優(yōu)劣,取決于組成刀具切削部分材料、幾何形狀和刀具結(jié)構(gòu)。其中,刀具材料對(duì)刀具使用壽命、加工質(zhì)量、加工效率和加工成本影響極大。應(yīng)該重視刀具材料正確選擇和合理使用,重視新型刀具材料研制。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第2頁(yè)第一節(jié)
刀具材料應(yīng)具備性能刀具由切削部分和夾持部分組成。刀具材料是指刀具切削部分材料。刀具切削能力直接影響生產(chǎn)率、加工質(zhì)量和加工成本等。刀具切削性能,主要取決于刀具材料。刀具切削時(shí),切削部分要與切屑、工件相互接觸,承受很大壓力和強(qiáng)烈摩擦、高溫、切削力、沖擊和振動(dòng)。工作環(huán)境十分惡劣,所以,刀具材料必須具備以下性能:技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第3頁(yè)1.高硬度和耐磨性以滿足刀具抵抗機(jī)械摩擦磨損需要。硬度普通在HRC60以上。耐磨性是材料硬度、強(qiáng)度、化學(xué)成份、顯微組織等綜合效果。2.足夠強(qiáng)度和韌性以滿足刀刃在承受重載荷及機(jī)械沖擊時(shí)不致破損需要。為防止崩刃和折斷,刀具材料應(yīng)含有足夠強(qiáng)度和韌性。3.高耐熱性以滿足刀具熱穩(wěn)定性需要。高溫下應(yīng)有高硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性,才能完成切削。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第4頁(yè)4.良好導(dǎo)熱性和較小膨脹系數(shù)是提升加工精度需要。導(dǎo)熱系數(shù)大,有利于降低切削溫度;線膨脹系數(shù)小,加工誤差小。5.穩(wěn)定化學(xué)性能和良好抗粘結(jié)性能是提升刀具抗化學(xué)磨損需要。良好性能能保障刀具在高溫、高壓下保持抗擴(kuò)散、抗氧化能力,與工件材料親和力小,粘結(jié)磨損小。6.良好工藝性能和經(jīng)濟(jì)性是便于使用和推廣需要。良好工藝性能滿足各種加工需要;良好綜合經(jīng)濟(jì)性使得刀具價(jià)格不高,獲取方便,有利于推廣使用。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第5頁(yè)刀具材料種類很多,慣用刀具材料主要有工具鋼(包含碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼)、硬質(zhì)合金(包含超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、涂層刀具)、陶瓷和超硬刀具材料(金剛石、立方氮化硼)等四大類。當(dāng)前最慣用刀具材料是各類高速鋼和各種硬質(zhì)合金,其中硬質(zhì)合金刀具使用量占刀具使用總量60%以上。碳素工具鋼和合金工具鋼是早期使用刀具材料,因?yàn)槟蜔嵝院懿?,現(xiàn)在主要用于手工工具或低速切削刀具,已較少使用。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第6頁(yè)第二節(jié)高速鋼一、高速鋼特點(diǎn)高速鋼是加入了鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)等合金元素高合金工具鋼。含有很好耐磨性和較高熱硬性,可在500650℃溫度下進(jìn)行切削加工;還含有高強(qiáng)度和高沖擊韌性,以及很好工藝性能,刃磨時(shí)能取得尖銳刃口,被稱為鋒鋼,另有鎢鋼和白鋼之稱。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第7頁(yè)1.高速鋼中添加元素作用特點(diǎn)高速鋼含有較高硬度和很好耐磨性,主要是在原有材料中添加W、Mo、Cr、V等合金元素與C化合形成了高硬度碳化物,并經(jīng)近熔點(diǎn)淬火和低溫回?zé)霟崽幚斫Y(jié)果。(1)鎢(W)W和C原子結(jié)協(xié)力很強(qiáng),WC能夠提升馬氏體受熱時(shí)分解穩(wěn)定性,使高速鋼在550~600℃時(shí)仍能保持高硬度,增加了高速鋼熱硬性。(2)鉬(Mo)與W作用基本相同,1%鉬可替換2%鎢。鉬能細(xì)化碳化物晶粒,提升鋼中碳化物均勻性,提升高速鋼韌性。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第8頁(yè)(3)鉻(Cr)在高速鋼中主要作用是提升淬透性,也能夠提升回火穩(wěn)定性,并能抑制碳化物晶粒長(zhǎng)大。(4)釩(V)V與C結(jié)協(xié)力比W更強(qiáng),以穩(wěn)定VC形式存在,VC晶粒細(xì)小,分布均勻,硬度很高。釩使鋼熱硬性提升作用比W更強(qiáng)烈,并能阻止高溫時(shí)晶粒長(zhǎng)大。2.高速鋼分類高速鋼依據(jù)切削性能,可分為普通高速鋼和高性能高速鋼;依據(jù)化學(xué)成份,可分為鎢系、鎢鉬系和鉬系高速鋼;依據(jù)制造方法,可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第9頁(yè)二、普通高速鋼普通高速鋼工藝性能好,切削性能可滿足普通工程材料常規(guī)加工要求。慣用品種有:1.W18Cr4V鎢系高速鋼也稱18-4-1,其中W、Cr、V質(zhì)量分?jǐn)?shù)(即質(zhì)量含量,下同)分別為18%、4%、和1%。它含有很好綜合性能和刃磨工藝性,可制造各種復(fù)雜刀具,但強(qiáng)度和韌性不夠,精加工壽命不高,且熱塑性差,正在降低應(yīng)用。2.W6Mo5Cr4V2鎢鉬系高速鋼也稱6-5-4-2,其中W、Mo、Cr、V質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%、5%、4%和2%。它含有很好技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第10頁(yè)綜合性能和刃磨工藝性。因?yàn)镸o作用,其碳化物呈細(xì)小顆粒且均勻分布,故刀具抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性都高于鎢系高速鋼,并含有很好熱塑性,適于制作熱軋刀具和大尺寸刀具。但有脫碳敏感性大和淬火溫度窄、熱處理工藝較難掌握等缺點(diǎn)。3.W9Mo3Cr4V鎢鉬系高速鋼也稱9-3-4-1,W、Mo、Cr、V質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9%、3%、4%和1%。這是依據(jù)我國(guó)資源研制牌號(hào)。其抗彎強(qiáng)度與韌性均比6-5-4-2好。高溫?zé)崴苄砸埠?,而且淬火過熱、脫碳敏感性小,有良好切削性能。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第11頁(yè)三、高性能高速鋼高性能高速鋼是在普通高速鋼中增加碳、釩(C、V),添加鈷、鋁(Co、Al)等合金元素新鋼種。耐磨性和耐熱性有顯著提升,其常溫硬度可達(dá)HRC67~70,能被用于不銹鋼、耐熱鋼和高強(qiáng)度鋼等難加工材料切削加工。主要有以下幾個(gè):1.W6Mo5Cr4V3高釩高速鋼因?yàn)閷⒑C(V)量提升到3%~5%,從而提升了鋼耐磨性。普通用于切削高強(qiáng)度鋼。但其刃磨性能比普通高速鋼差。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第12頁(yè)2.W2Mo9Cr4VCo8鈷高速鋼它含有良好綜合性能,加入鈷后可提升鋼高溫硬度和抗氧化能力,所以能夠提升切削速度。用于切削高溫合金、不銹鋼等難加工材料。但含鈷量高,故價(jià)格昂貴。3.
W6Mo5Cr4V2Al鋁高速鋼鋁高速鋼是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)新型高速鋼種,它是在普通高速鋼中加入了少許鋁,可提升了高速鋼耐熱性和耐磨性,含有良好切削性能和較持久使用壽命,且價(jià)格低廉。但其磨削性差、淬火溫度范圍窄、氧化脫碳傾向大、熱處理工藝要求較嚴(yán)格。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第13頁(yè)四、粉末冶金高速鋼粉末冶金高速鋼是把高頻感應(yīng)爐熔煉好高速鋼鋼水置于保護(hù)氣罐中,用高壓惰性氣體(如氬氣)霧化成細(xì)小粉末,然后用高溫(1100℃)、高壓(100MPa)壓制、燒結(jié)而成。它克服了普通熔煉方法產(chǎn)生粗大共晶偏析,熱處理變形小,韌性、硬度較高,耐磨性好。用它制成刀具,可切削各種難加工材料。和熔煉高速鋼比較,粉末冶金高速鋼含有以下優(yōu)點(diǎn):(1)可取得細(xì)小均勻結(jié)晶組織,完全防止了碳化物偏析,提升了鋼硬度和強(qiáng)度;技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第14頁(yè)(2)鋼物理力學(xué)性能各向同性,可降低熱處理變形與應(yīng)力,可用于制造精密刀具;(3)鋼中碳化物細(xì)小均勻,使磨削加工性得到顯著改進(jìn);(4)粉末冶金高速鋼提升了材料利用率。粉末冶金高速鋼當(dāng)前應(yīng)用較少,其原因主要在于其成本較高,其價(jià)格相當(dāng)于硬質(zhì)合金。所以主要用來(lái)制成各種精密刀具和形狀復(fù)雜刀具,如拉刀、切齒刀具,以及加工高強(qiáng)度鋼、鎳基合金、鈦合金等難加工材料用刨刀、鉆頭、銑刀等刀具。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第15頁(yè)五、高速鋼刀具表面涂層高速鋼刀具表面涂層處理目標(biāo)是為了在刀具表面形成硬度高、耐磨性好表面層,提升刀具切削性能。涂層方法有蒸汽處理、低溫氣體氮碳共滲、輝光離子滲氮等。另外還可采取真空濺射方法在刀具表面沉積一層TiC或TiN(約10μm),使刀具表面形成一層高硬度薄膜。涂層高速鋼基體是強(qiáng)度、韌性好高速鋼,表層是含有高硬度、高耐磨性耐磨材料。刀具切削力小,切削溫度可下降約25%,切削速度、進(jìn)給量和使用壽命得到顯著提升。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第16頁(yè)幾個(gè)慣用高速鋼牌號(hào)與物理力學(xué)性能見下表。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第17頁(yè)第三節(jié)硬質(zhì)合金一、硬質(zhì)合金組成與性能硬質(zhì)合金是由高硬度、高熔點(diǎn)碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鈮NbC、碳化鉭(t?n)TaC等金屬碳化物粉末,用鈷Co、鉬Mo或鎳Ni等金屬作粘結(jié)劑,經(jīng)高溫、高壓、燒結(jié)而成粉末冶金制品。慣用硬質(zhì)合金中含有大量WC、TiC,硬度、耐磨性、耐熱性均高于高速鋼。常溫硬度達(dá)HRA89~94,熱硬溫度高達(dá)800~1000℃。切削鋼速度可達(dá)220m/min。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第18頁(yè)硬質(zhì)合金物理力學(xué)性能取決于合金成份、粉末顆粒粗細(xì)以及合金燒結(jié)工藝。其中,金屬碳化物所占百分比大,硬質(zhì)合金硬度就高,耐磨性也好;反之,若粘結(jié)劑含量高,硬質(zhì)合金硬度就見面降低,抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性就有所提升。當(dāng)粘結(jié)劑含量一定時(shí),金屬碳化物晶粒越細(xì),硬質(zhì)合金硬度越高。合金中加入TaC、NbC有利于細(xì)化晶粒,提升了硬質(zhì)合金耐熱性,使熱硬溫度提升到1000~1100℃,使切削鋼速度能夠提升到200~300m/min。不過,硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度低、韌性差,怕沖擊振動(dòng),工藝性能較差,不易做成形狀復(fù)雜整體刀具。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第19頁(yè)二、普通硬質(zhì)合金分類和使用性能
普通硬質(zhì)合金按其化學(xué)成份與使用性能分為四類:即鎢鈷類、鎢鈷鈦類、鎢鈷鈦鉭(鈮)類和碳化鈦基類。1.鎢鈷類(WC-Co,GB為YG類)硬質(zhì)合金相當(dāng)于ISO標(biāo)準(zhǔn)K類,主要由硬質(zhì)相WC和粘結(jié)劑Co組成,常溫硬度為HRA88~91,切削溫度可達(dá)800~900℃,抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性很好,不易崩刃,適宜加工鑄鐵等脆性材料、有色金屬和纖維層壓等非金屬材料,普通不用于普通碳鋼等塑性材料切削加工。慣用牌號(hào)主要有YG3、YG6、YG8等。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第20頁(yè)2.鎢鈷鈦類(WC-Tic-Co,YT類)硬質(zhì)合金相當(dāng)于ISO標(biāo)準(zhǔn)P類,主要由硬質(zhì)相WC、TiC和粘結(jié)劑Co組成,常溫硬度為HRA89~93,切削溫度可達(dá)800~1000℃,YT類硬質(zhì)合金中加入了TiC,使其硬度、耐熱性、抗粘結(jié)性和抗氧化能力都有所增加,從而提升了刀具切削速度和刀具耐用度。但YT類硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性較差,故主要用于普通呈帶狀長(zhǎng)切屑普通碳鋼及其合金鋼等塑性材料切削。合金中含TiC量較多者適合精加工;反之,含TiC較少者適合粗加工。慣用牌號(hào)主要有YT5、YT15、YT30等。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第21頁(yè)3.鎢鈷鈦鉭(鈮)類(WC-TaC(NbC)-Co,YW類)硬質(zhì)合金相當(dāng)于ISO標(biāo)準(zhǔn)M類,它是在普通硬質(zhì)合金中加入了TaC或NbC等稀有難熔金屬碳化物,從而提升了硬質(zhì)合金韌性和耐磨性,使其含有很好綜合切削性能。YW類硬質(zhì)合金主要用于不銹鋼、耐熱鋼加工,也適合用于普通碳鋼和鑄鐵切削加工,可覆蓋YG類(K類)和YT類(P類)硬質(zhì)合金應(yīng)用范圍,被稱為通用型硬質(zhì)合金,慣用牌號(hào)有YW1、YW2等。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第22頁(yè)4.碳化鈦基類(WC-TiC-TaC(NbC)-Co,YN類)硬質(zhì)合金相當(dāng)于ISO標(biāo)準(zhǔn)P類,又被稱為金屬陶瓷,它是以硬質(zhì)相TiC為主要成份,以Ni和Mo為粘結(jié)劑硬質(zhì)合金,含有很高硬度,與工件材料親和力較小,可采取較高切削速度。所以,它適合用于高速精加工普通鋼、工具鋼和淬火鋼。但YN類硬質(zhì)合金抗塑性變形能力差,抗崩刃性差,只適合連續(xù)切削。各種硬質(zhì)合金牌號(hào)及其應(yīng)用范圍見下頁(yè)表3-2。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第23頁(yè)3-2常用技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第24頁(yè)三、其它硬質(zhì)合金及其使用性能1.超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金相對(duì)于WC粒度為幾個(gè)微米普通硬質(zhì)合金,超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金中細(xì)化了WC粒度,其中WC粒度在0.2~1μm之間,大多數(shù)是在0.5μm以下。因?yàn)榫Я<?xì)化使得這種硬質(zhì)合金兼?zhèn)涓哂捕群透邚?qiáng)度性能,可用于間斷切削,尤其是難加工材料間斷切削;適合用于高速鋼刀具耐用度不夠,普通硬質(zhì)合金又易崩刃場(chǎng)所,非常適宜象切斷和端面車削這類切削速度改變范圍很寬加工需求。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第25頁(yè)因?yàn)槌?xì)晶粒硬質(zhì)合金材料制成刀具含有很高刀刃強(qiáng)度,允許使用高速鋼刀具幾何角度和切削用量(vc<50~60m/min)進(jìn)行切削加工,適合制作小尺寸鉆頭和銑刀等復(fù)雜形狀刀具;因?yàn)榭扇心コ龇浅<怃J切削刃和較小表面粗糙度,可用極小切削深度和進(jìn)給量進(jìn)行精細(xì)車削和制造精密刀具。因?yàn)槠湫阅芊€(wěn)定可靠,是當(dāng)前用于自動(dòng)車床上較理想刀具材料。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第26頁(yè)2.涂層硬質(zhì)合金在韌性很好硬質(zhì)合金基體(如YT5)上,采取化學(xué)或物理氣相沉積法涂覆上硬度、耐磨性極高難熔金屬化合物(TiC、TiN、Al2O3等)取得。涂層厚度為5~10m或更薄。處理了刀具強(qiáng)度與硬度、耐磨性與韌性之間矛盾。使刀具含有良好切削性能。在相同刀具使用壽命條件下,允許采取較高切削速度,或在相同切削速度下,能大幅度地提升刀具使用壽命。多用于普通鋼材精加工或半精加工。可分為單涂層(現(xiàn)已極少使用)、雙涂層和多涂層(三層和三層以上)等,品種規(guī)格繁多。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第27頁(yè)3.鋼結(jié)硬質(zhì)合金鋼結(jié)硬質(zhì)合金代號(hào)為YE。它以WC、TiC作為硬質(zhì)相(占質(zhì)量分?jǐn)?shù)30~40%),以高速鋼(或合金鋼)作粘結(jié)相(占質(zhì)量分?jǐn)?shù)60~70%)。鋼結(jié)硬質(zhì)合金硬度、強(qiáng)度與韌性介于高速鋼和硬質(zhì)合金之間;能夠進(jìn)行鑄造、切削、熱處理與焊接等加工,工藝性良好,所以,可用于制造拉刀、銑刀等形狀復(fù)雜刀具,也可用來(lái)制造模具等,這也是模具制作材料一個(gè)新發(fā)展方向。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第28頁(yè)第四節(jié)其它刀具材料除了上述最慣用高速鋼和硬質(zhì)合金刀具材料外,刀具材料工業(yè)發(fā)展快速,已研制開發(fā)出多種超硬刀具材料,在制造業(yè)中得到推廣使用。以下介紹幾個(gè)當(dāng)前生產(chǎn)中慣用超硬刀具材料。一、陶瓷陶瓷材料化學(xué)穩(wěn)定性好,不易高溫氧化,含有很高高溫硬度和耐磨性,在1200℃高溫條件下仍含有很好切削性能,與金屬親和力小,不易發(fā)生粘結(jié)和擴(kuò)散。但抗彎強(qiáng)度低、沖擊韌性差、導(dǎo)熱性能差、線膨脹系數(shù)大。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第29頁(yè)陶瓷刀具材料主要用于冷硬鑄鐵、淬硬鋼、有色金屬等各種金屬材料精加工和半精加工。依據(jù)化學(xué)成份,陶瓷可分為高純氧化鋁陶瓷、復(fù)合氧化鋁陶瓷和復(fù)合氮化硅陶瓷等。1.純氧化鋁Al2O3陶瓷這類陶瓷主要成份是氧化鋁Al2O3,加入微量氧化鎂MgO(主要作用是細(xì)化晶粒),經(jīng)冷壓燒結(jié)而成。其常溫硬度為HRA92~94,抗彎強(qiáng)度僅為0.392~0.491GPa,因?yàn)檫@類陶瓷材料抗彎強(qiáng)度不及硬質(zhì)合金1/2~1/3,韌性更低得多,所以當(dāng)前已經(jīng)較少使用。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第30頁(yè)2.復(fù)合氧化鋁Al2O3-TiC陶瓷是在Al2O3基體中添加了TiC、Ni、W和Co等合金元素,經(jīng)熱壓燒結(jié)制成,常溫硬度為HRA93~94,抗彎強(qiáng)度為0.586~0.785GPa。這類陶瓷適合在中等切削速度下切削諸如冷硬鑄鐵、淬硬鋼等難加工材料。這類陶瓷還可用于加工高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼、鎳基或鈷基合金以及其它非金屬材料。因?yàn)門iC有效地提升了陶瓷強(qiáng)度與韌性,改進(jìn)了耐磨性及抗熱振性,所以這類陶瓷也可用于斷續(xù)切削條件下銑削或刨削。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第31頁(yè)3.復(fù)合氮化硅Si3N4-TiC-Co陶瓷這類陶瓷是將硅粉氮化、球磨后,添加助燒劑后,置于模腔內(nèi)熱壓燒結(jié)而成。其機(jī)械(力學(xué))性能與復(fù)合氧化鋁Al2O3-TiC陶瓷相近。其性能特點(diǎn)是:硬度高,可達(dá)HV1800~1900,耐磨性好;耐熱性、抗氧化性好,切削溫度可達(dá)1200~1300℃;氮化硅與碳和金屬元素化學(xué)反應(yīng)小,摩擦系數(shù)低,不易粘屑,提升了加工表面質(zhì)量。氮化硅陶瓷最大特點(diǎn)是能進(jìn)行高速切削灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵等材料。氮化硅陶瓷適合于精車、半精車、精銑或半精銑;還可用于精車鋁合金,實(shí)現(xiàn)以車代磨。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第32頁(yè)二、金剛石金剛石是人類已知地球上現(xiàn)有最硬材料,其硬度極高,靠近于HV10000,分為天然和人造兩種。天然單晶金剛石質(zhì)量好,但資源稀少,價(jià)格昂貴,用得較少;通常采取人造金剛石是在高溫高壓條件下由石墨轉(zhuǎn)化而成。1.天然單晶金剛石單晶金剛石結(jié)晶界面有一定方向性,不一樣晶面上硬度與耐磨性有較大差異,刃磨時(shí)需選定某一平面,不然影響刃磨與使用質(zhì)量。這類刀具材料主要用于非鐵族高硬度耐磨材料和有色金屬及其合金精密加工等主要場(chǎng)所。技能訓(xùn)練應(yīng)知篇之刀具材料第33頁(yè)2.人造聚晶金剛石(PCD)是將人造聚晶金剛石微晶在高溫高壓下再燒結(jié)而成,可制成所需尺寸與形狀,鑲嵌或焊接在刀桿上使用。聚晶金剛石結(jié)晶界面無(wú)固定方向,可自由刃磨。其抗沖擊強(qiáng)度被提升,可選取較大切削用量和刀具角度。主要用于刃磨硬質(zhì)合金、切割大理石等石材制
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