CN111373060A - 具有高的耐边缘开裂性且同时具有高的烘烤硬化潜力的高强度热轧扁钢产品、用于制造这种扁钢产品的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高的耐边缘开裂性且同时具有高的烘烤硬化潜力的高强度热轧扁钢产品,其由具有660‑820MPa的屈服点Rp0.2、高于30MPa的BH2值和高于30%的扩孔比例以及一种组织的钢构成,该组织由两种主要成分构成,其中,该组织的第一主要成分具有至少50%的份额,其由铁素体、回火的贝氏体和回火的马氏体(分别带有少于5%的碳化物)单组成成分中的一种或多种构成,其中,该组织的第二主要成分具有5%至50%的份额,其由马氏体、残余奥氏体、贝氏体或珠光体单组成成分中的一种或多种构成,具有钢的如下化学成分(按重量百分比):C:0.04‑0.12;Si:0.03‑0.8;Mn:1‑2.5;P:最大0.08;S:最大0.01;N:最大0.01;Al:至多0.1;Ni+Mo:至多0.5;Nb:至多0.08;Ti:至多0.2;Nb+Ti:至少0.03;Cr:至多0.6;剩余的为铁,包括不可避免的钢伴生元素在内。本发明还涉及一种用于制造这种扁钢产品的方法。
Description
本发明涉及一种具有高的耐边缘开裂性且同时具有高的烘烤硬化潜力的高强度热轧扁钢产品。本发明还涉及一种用于制造这种扁钢产品的方法。
本发明尤其涉及由具有多相组织且具有在660-820MPa范围内的抗拉强度Rp0.2的钢构成的扁钢产品,该多相组织通常含有回火的贝氏体,所述扁钢产品特别是用于汽车制造部件的生产,这些部件除了必须具有至少760MPa的高的抗拉性和至少10%的断裂延伸率A80外,还必须具有高的扩孔能力(扩孔比例高于30%)以及高的烘烤硬化潜力(BH2值高于30MPa)。
烘烤-硬化效果(BH)通常是指一种受控的老化过程,该老化过程归因于在钢溶液中存在的碳和/或氮并且伴随着屈服强度的提高。烘烤-硬化效果可以用BH2值来描述,其被定义为在2%的塑性预延展和随后的热处理之后屈服强度的提高。采用烘烤-硬化效果例如可以实现增大部件的抗弯强度,其方式为,在成型为部件之后进行合适的热处理。
根据EN 10346,贝氏体钢是以下述为特征的钢:对于冷成型工艺,在延伸率足够高的情况下,屈服强度和抗拉强度比较高。由于化学组成,产生了良好的可焊接性。该组织通常由具有铁素体成分的贝氏体构成。在组织中零星地会含有少量其它相,比如马氏体和残余奥氏体。这种钢尤其例如在公开文献DE 10 2012 002 079 A1中被公开。但在此不利的是,扩孔能力还不够高。
竞争激烈的汽车市场迫使制造商不断地寻求在保持尽量大的舒适性和乘员安全性的情况下降低最大油耗和CO2废气排放的解决方案。在此,一方面全部车辆组件的重量减轻起到关键作用,但另一方面,无论在汽车使用期间、还是在碰撞情况下在高的静态的和动态的负荷时各部件的尽量好的特性也起到关键作用。
通过提供高强度的乃至最高强度的钢(强度高达1200MPa或以上)和减小钢板厚度,可以减小车辆的重量,同时改善所用钢材的成型特性以及在制造时和工作中的部件特性。
高强度的乃至最高强度的钢因此特别是在其加工比如冲制、热成型和冷成型时,在热调质(例如空气硬化、压力硬化)、焊接和/或表面处理例如金属调处、有机涂层或喷漆时,在其强度、延展性和能耗方面必须满足比较高的要求。
因此,除了因钢板厚度减小而要求重量减轻外,在加工性能如可成形性和可焊接性良好的情况下,新开发的钢还必须对屈服点、抗张强度、固化特性和断裂伸长率提出增大的材料要求。
对于这种钢板厚度减小,因此必须采用高强度的乃至最高强度的钢,其具有单相的或多相的组织,以便保证汽车部件的足够的强度,并且在韧性、边缘开裂敏感性、改善的弯曲角度和弯曲半径、能量吸收以及固化能力和烘烤-硬化效果方面满足高的成型要求和部件要求。
也日益要求改善的接合适用性,其形式为改善的通常的可焊接性,比如在电阻点焊时较大的可用焊接区域,和在机械负荷下焊缝的改善的失效特性(断裂形式),以及足够的抵抗因氢脆化所致的延迟的裂纹形成的耐受性。
扩孔能力是一种材料特性,其描述了材料在成型操作时在靠近边缘的区域中比如在拉环情况下抵抗出现裂纹和裂纹扩展的耐受性。
扩孔能力例如在ISO 16630中被标准化地予以规定。据此,在钢板中冲制的孔眼借助芯棒予以扩宽。测量参数是相对于初始直径的孔眼直径变化,其中,在孔眼边缘处出现了穿过钢板的第一裂缝。
改善的边缘开裂敏感性意味着钢板边缘的提高的成型能力,且可以通过提高的扩孔能力予以描述。这种事实情况的已知同义词为“低边缘断裂(Low Edge Crack)”(LEC)或“高孔扩展(High Hole Expansion)”(HHE)以及
基于此,本发明的目的在于:提出一种具有良好的成型特性、特别是具有高的耐边缘开裂性和高的烘烤硬化潜力的高强度热轧扁钢产品以及一种用于制造这种扁钢产品的方法,其针对所述钢提供了强度特性和成型特性的良好组合。
该目的通过一种具有权利要求1的特征的高强度热轧扁钢产品和一种具有权利要求9的特征的用于制造扁钢产品的方法得以实现。本发明的有利设计在从属权利要求中给出。
根据本发明,提出一种具有高的耐边缘开裂性的高强度热轧扁钢产品,其由具有660-820MPa的屈服点Rp0.2、高于30MPa的BH2值和高于30%的扩孔比例以及由两种主要成分构成的组织的钢构成,其中,该组织的第一主要成分具有至少50%的份额,其由铁素体、回火的贝氏体和回火的马氏体(分别带有少于5%的碳化物)的单组成成分中的一种或多种构成,其中,该组织的第二主要成分具有5%至最高50%的份额,其由马氏体、残余奥氏体、贝氏体或珠光体单组成成分中的一种或多种构成,具有钢的如下化学成分(按重量百分比):
C:0.04-0.12
Si:0.03-0.8
Mn:1-2.5
P:最大0.08
S:最大0.01
N:最大0.01
Al:至多0.1
Ni+Mo:至多0.5
Nb:至多0.08
Ti:至多0.2
Nb+Ti:至少0.03
Cr:至多0.6
剩余的为铁,包括不可避免的钢伴生元素在内,提供了强度特性、延展特性和成型特性的良好组合。此外,基于合金元素C、Si、Mn、Nb和/或Ti来制造根据本发明的该扁钢产品比较便宜。
根据本发明的扁钢产品的特征优选还有,30%以上的高的扩孔比例,同时有760-960MPa的高的抗拉强度和30MPa以上的高的烘烤硬化潜力BH2。
在本发明的一种有利的改进中,为了实现特别有利的特性组合,该扁钢产品包含如下合金组分(按重量百分比):C:0.04-0.08、Si:0.03-0.4、Mn:1.4-2.0、P:最大0.08、S:最大0.01、N:最大0.01、Al:至多0.1、Ni+Mo:至多0.5、Nb:至多0.08、Ti:至多0.2、Nb+Ti:最小0.03;特别有利地:C:0.04-0.08、Si:0.03-0.4、Mn:1.4-2.0、P:最大0.08、S:最大0.01、N:最大0.01、Al:至多0.1、Ni+Mo:至多0.5、Nb:至多0.05、Ti:至多0.15且Nb+Ti:最小0.03。
在含量范围的定义中使用术语“至”例如0.01至1%(重量)的含义是,包括边界值,在本例中为0.01和1。组织由两种主要成分构成,其中,第一主要成分占有的份额为>=50%,且具有铁素体和回火的贝氏体和回火的马氏体(分别带有<5%的碳化物)中的一种或多种组织成分,第二主要成分占有的份额为5%-50%,且由马氏体、残余奥氏体、贝氏体或珠光体中的一种或多种组织成分构成,并且优选具有平均地比第一主要成分更高的碳含量。
相比而言更富含碳的第二主要成分有利地呈岛形地嵌入到相比而言更贫碳的、形成基质的第一主要成分中。岛尺寸为,直径约1μm,但在任何情况下都<2μm,比较小,这些岛有利地均匀地沿着钢带厚度分布。岛的小尺寸和第二主要成分的均匀分布在此有助于决定性地实现高的扩孔比例。
通过岛形地嵌入在基质中的更富含碳的第二主要成分的份额,第一在所述范围内调节屈服强度,第二调节烘烤硬化潜力。冶金的机理在于:随着形成亚稳的组织成分马氏体、残余奥氏体和贝氏体,产生大量的错缝,这些错缝引起低的屈服点。在烘烤硬化过程中,溶解的碳从亚稳的组织成分马氏体、残余奥氏体和贝氏体扩散到先前产生的错缝中,并且引起已知的强度提高。由于在珠光体中没有溶解的碳可供使用,岛形地嵌入在基质中的富含碳的组成部分含有亚稳的组织成分马氏体、残余奥氏体和贝氏体中的至少之一。
根据本发明的热轧扁钢产品可以设有金属的或非金属的覆层,并且尤其适合于在汽车工业中产生用于汽车制造的部件,但也可考虑在造船、设备制造、基础设施建设的领域中、在航空航天和家用电器中的应用。
按有利的方式,钢沿着轧制方向具有760-960MPa的抗拉强度Rm、660-820MPa的屈服点Rp0.2、大于10%优选大于12%的断裂延伸率A80、30%以上的扩孔比例以及30MPa以上的BH2值。
通常给钢添加合金元素,以便有针对性地影响某些特性。在此,不同钢中的合金元素会影响不同的特性。效果和相互作用通常明显取决于其它合金元素的量、存在情况和在材料中的溶解状态。这些关系是多方面的,并且复杂。下面将详述在本发明的合金中的合金元素作用。随后介绍根据本发明采用的合金元素的积极效果。
碳C:需要用来形成碳化物,特别是与所谓的微合金元素Nb、V和Ti相结合,促进了马氏体和贝氏体的形成,稳定了奥氏体并通常提高了强度。较高的C含量使得焊接特性变差,并且导致延展特性和韧性恶化,因此设定最大含量小于0.12%(重量),有利地小于0.08%(重量)。为了达到足够的材料强度,需要0.04%(重量)的最小添加量。
锰Mn:稳定了奥氏体,提高了强度和韧性,并且在再结晶停止温度以下提高了用于热轧的温度窗口。大于2.5%(重量)的较高含量的Mn提高中间偏析的风险,中间偏析显著减小延展性,因而显著降低产品质量。小于1.0%(重量)的较低含量在力求分析成本适中的情况下不允许达到所需要的强度和韧性。有利地,Mn的含量在1.4重量%至2.0重量%的范围之间。
铝Al:用于炼钢过程中的去氧化。所用的铝量取决于工艺。因此未说明最小Al含量。大于0.1%(重量)的Al含量使得连续铸造中的铸造性能显著恶化。由此产生较高的浇铸代价。
硅Si:属于能以成本低廉的方式实现通过混合晶体固化来提高钢强度的元素。然而,由于促进在再热的板坯上牢固地附着铁鳞,Si降低了热轧带材的表面质量,在Si含量高时,只有付出高昂的代价才能或者只能不充分地将铁鳞去除。这尤其在随后的镀锌时是不利的。因此把Si含量限定至最大0.8%,有利地0.4%。如果由于表面问题而在很大程度上放弃了Si,则可将0.03的下限视为有益,因为在进一步降低Si含量时在钢厂会出现比较高的工艺成本。
铬Cr:改善了强度,减小了腐蚀率,延缓了铁素体和珠光体的形成,并且形成了碳化物。最大含量确定为小于0.6%(重量),因为较高的含量导致延展性恶化。
钼Mo:提高淬透性或降低临界冷却速率,进而促进细微的贝氏体组织的形成。此外,采用少量Mo就已经延迟了细小析出物的粗化,这些析出物应尽量细小地形成,以便提高微合金组织的强度。
镍Ni:采用已经少量的Ni促进了延展性,且强度保持不变。由于成本比较高,把Ni+Mo的含量限制为0.5%(重量)。
磷P:是一种由铁矿构成的微量元素,并且作为取代原子溶解在铁晶格中。磷通过混合晶体固化而提高了硬度,并且改善了淬透性。但通常试图尽量降低磷含量,因为磷含量尤其非常易于偏析,并且高程度地减小韧性。通过在结晶界限处沉积磷,在热轧时沿着结晶界限会出现裂纹。另外,磷使得从韧性到脆性的转变温度提高高达300℃。但是,通过有针对性的在工艺方面精确的控制措施,采用少量P也可以实现成本低廉地提高强度。出于前述原因,把磷含量限制为小于0.08%(重量)。
硫S:如同磷一样,作为微量元素结合在铁矿石中。硫在钢中通常是并非所愿的,因为它导致并非所愿地夹杂MnS,由此恶化了延展特性和韧性特性。因此试图在熔融物中达到尽量少量的硫,且必要时通过所谓的Ca-处理把拉长的夹杂物转变为更有利的几何形状。出于前述原因,把硫含量限制为小于0.01%(重量)。
氮N:同样是一种源自于钢铁生产的伴生元素。含有自由氮的钢倾向于严重的老化效应。氮在低温时就已经扩散至错缝,并且阻塞这些错缝。氮因而引起强度提高,牵涉到迅速的韧性损失。例如可以通过加入铝、铌或钛的合金来使得氮以氮化物的形式化合。但结果,所述的合金元素不再可供用来在以后的工艺中重新形成小的、在强度方面非常有效的离析物。出于前述原因,把氮含量限制为小于0.01%(重量)。
微合金元素通常仅仅以很少的量予以添加(小于0.2重量%/元素)。但与合金元素主要通过离析物形成来影响特性相反,微合金元素也可以在溶解状态下影响特性。尽管少量添加,微合金元素却明显影响目标制造条件以及产品的加工特征和最终特性。
典型的合金例如是铌和钛。这些元素可以溶解在铁晶格中,并与碳和氮形成碳化物、氮化物和碳氮化物。
铌和钛的作用尤其取决于热轧时和后续冷却过程中的工艺控制。通过添加微合金元素,力求在工艺期间实现晶粒细化,并且产生纳米尺寸范围内的离析物。因此,Nb+Ti的0.03%(重量)的最低含量是实现所力求的强度和延展特性的前提条件。
铌Nb:添加合金铌特别是通过形成碳化物而起到细化晶粒的作用,由此同时改善了强度、韧性和延展特性。在含量超过0.08%(重量)时,出现饱和特性,因此规定最大含量小于等于0.08%(重量)。
钛Ti:作为碳化物形成剂起到细化晶粒的作用,由此同时改善了强度、韧性和延展特性。超过0.2%(重量)的Ti含量由于形成很粗大的主要是TiN的离析物而恶化了延展性和扩孔能力,因此规定最大含量为0.2%(重量)。
用于制造前述根据本发明的热轧扁钢产品的本发明的方法包括如下步骤:
-熔化钢液,该钢液含有(按重量百分比):
C:0.04-0.12
Si:0.03-0.8
Mn:1-2.5
P:最大0.08
S:最大0.01
N:最大0.01
Al:至多0.1
Ni+Mo:至多0.5
Nb:至多0.08
Ti:至多0.2
Nb+Ti:至少0.03
Cr:至多0.6
剩余的为铁,包括不可避免的钢伴生元素在内;
-采用水平的或竖直的板坯或薄板坯浇铸法将钢液浇铸成板坯或薄板坯;
-把板坯或薄板坯再加热到1050℃-1270℃,随后把板坯或薄板坯热轧成热轧带材,并且任选地在热轧的各个轧制道次之间进行中间加热;
-在最后一个轧制道次中在小于950℃且大于Ar1+50K、优选小于950℃且大于Ar3的终轧温度情况下进行轧制,其中,Ar3在冷却时表示从奥氏体到铁素体的转变开始,Ar1表示该转变结束;
-在低于650℃的卷取温度情况下,优选在450℃-600℃的温度范围内,对热轧带材予以卷取;
-在Ac1以上且在Ac1+100℃以下对热轧带材予以退火,退火时长为至少1s,优选5s-40s,平均冷却速率在退火温度和500℃之间为0.1K/min-150K/s、优选5K/s-20K/s;
-在退火并冷却至≤500℃之后对加热的热轧带材进行可选的热浸涂层。
作为要点,在当前的研究中已发现,铁素体-贝氏体微合金化的热轧带材基本保持了机械特性,尽管它不像通常那样在低于Ac1的温度下退火,而是在Ac1<T<Ac1+100℃的情况下退火。
在此,温度Ac1表示按照有关标准在缓慢加热时组织开始转变为奥氏体。Ac1通常通过膨胀测定的测量来确定。
根据本发明已认识到,在T<Ac1的退火情况下,虽然铁素体-贝氏体组织的均匀性在很大程度上得以保持,进而特别是保持了扩孔比例的在主要贝氏体的组织中比较高的水平。但是,在低于Ac1的退火情况下无法达到>30%的BH2值,并且形成了ReH>820MPa的明显的高屈服强度,该屈服强度对于使用者来说通常被视为有问题。原因是,在T<Ac1的退火情况下,或者在T>400℃的镀锌情况下,由于原子溶解的碳扩散,堵塞了错缝。
在本发明的范畴内已令人惊奇地发现,在Ac1<T<Ac1+100℃的温度范围内退火时,既可以实现>30%的高水平扩孔比例,又可以组合地实现>30MPa的BH2值。对于根据本发明的钢,小于650℃、最好在450℃-600℃的范围内的卷取温度HT有利地起作用,因为如此产生的主要贝氏体的组织为了在T>Ac1时转变为奥氏体而提供了大量的晶种点,进而嵌入的第二相的岛直径允许<1μm的平均值。在450℃以下,要考虑马氏体的比较高的份额,其在热处理之后由于内部结构而在延展性和扩孔能力方面是不利的。
根据本发明,这种刚的最终热轧温度介于950℃和Ar1+50K之间,其中,Ar1表示在冷却时从奥氏体到铁素体的转变开始。
板坯和薄板坯的通常的厚度范围介于35mm-450mm之间。规定,把板坯或薄板坯热轧成厚度为1.5mm-8mm、优选1.8mm-4.5mm的热轧带材。
根据本发明,热轧带材在热轧后,在优选450℃-650℃的卷取温度情况下予以卷取。为了针对扩孔比例、BH2值实现所要求的特性组合和其它机械特性,在Ac1<T<Ac1+100℃的温度范围内对热轧的扁钢产品予以根据本发明的热处理,且通常在该温度范围内保持10秒-10分钟,有可能保持至48h,其中,较高的温度指配给较短的处理时间,反之亦然。退火通常在连续退火(较短的退火时间)中进行,但也可以例如在罩式退火(较长的退火时间)中进行。
优选地,扁钢产品热浸地或电解地予以镀锌,或者金属地、无机地或有机地予以覆层。在热浸涂层时,优选在置于热浸涂层设备之前的连续退火设备中进行退火。
按照根据本发明的方法制得的热轧的扁钢产品具有扁钢产品的760-960MPa的抗拉强度和大于10%、优选大于12%的断裂延展度。在此,高强度和小的钢板厚度趋向于与较低断裂延展度对应,反之亦然。
至于其它优点,参见针对根据本发明的钢所做的前述说明。
借助根据本发明由两种钢制得的热轧带材,且根据表格1进行不同的分析A和B,已确定机械特征值以及烘烤-硬化的值(BH2)和扩孔的比例(HER-hole expansion ratio(扩孔比例))。
| 钢 | C | Si | Mn | P | S | N | Al | Mo | Ti | Nb |
| A | 0.08 | 0.5 | 1.9 | 0.01 | 0.001 | 0.006 | 0.08 | 0.15 | 0.13 | 0.05 |
| B | 0.06 | 0.6 | 1.9 | 0.01 | 0.004 | 0.004 | 0.06 | 0.19 | 0.11 | 0.04 |
表格1
表格2示出相比于在钢管炉(RTF)中在Ac1退火温度以下退火(对照),根据本发明在Ac1<T<Ac1+100℃情况下对热轧带材退火的结果。在根据本发明退火时,可靠地实现了全部所要求的特征值。
表格2
Claims (11)
1.一种具有高的耐边缘开裂性的高强度热轧扁钢产品,其由具有660-820MPa的屈服点Rp0.2、高于30MPa的BH2值和高于30%的扩孔比例以及一种组织的钢构成,该组织由两种主要成分构成,其中,该组织的第一主要成分具有至少50%的份额,其由分别带有少于5%的碳化物的回火的马氏体、回火的贝氏体和铁素体的单组成成分中的一种或多种构成,其中,该组织的第二主要成分具有5%至50%的份额,其由马氏体、残余奥氏体、贝氏体或珠光体的单组成成分中的一种或多种构成,具有钢的如下化学组分,按重量百分比:
C:0.04-0.12
Si:0.03-0.8
Mn:1-2.5
P:最大0.08
S:最大0.01
N:最大0.01
Al:至多0.1
Ni+Mo:至多0.5
Nb:至多0.08
Ti:至多0.2
Nb+Ti:至少0.03
Cr:至多0.6
剩余的为铁,包括不可避免的钢伴生元素在内。
2.根据权利要求1所述的扁钢产品,其特征在于,所述钢按重量百分比包含:
C:0.04-0.08
Si:0.03-0.4
Mn:1.4-2.0
P:最大0.08
S:最大0.01
N:最大0.01
Al:至多0.1
Ni+Mo:至多0.5
Nb:至多0.08
Ti:至多0.2
Nb+Ti:至少0.03。
3.根据权利要求1或2所述的扁钢产品,其特征在于,所述钢按重量百分比包含:
C:0.04-0.08
Si:0.03-0.4
Mn:1.4-2.0
P:最大0.08
S:最大0.01
N:最大0.01
Al:至多0.1
Ni+Mo:至多0.5
Nb:至多0.05
Ti:至多0.15
Nb+Ti:至少0.03。
4.根据权利要求1至3中至少一项所述的扁钢产品,其特征在于,所述组织的第二主要成分呈岛形地嵌入到所述组织的设计成基质的第一主要成分中。
5.根据权利要求4所述的扁钢产品,其特征在于,岛形的嵌入物具有小于2μm、优选小于1μm的尺寸。
6.根据权利要求1至5中至少一项所述的扁钢产品,其特征在于,所述扁钢产品的抗拉强度Rm为760-960MPa,所述扁钢产品的断裂延伸率A80大于10%,优选大于12%。
7.根据权利要求1至6中至少一项所述的扁钢产品,其特征在于,该扁钢产品热浸地或电解地予以镀锌,或者金属地、无机地或有机地予以覆层。
8.根据权利要求1至7中至少一项所述的扁钢产品,其特征在于,相比所述第一主要成分,所述第二主要成分具有更高的平均碳含量。
9.一种用于制造根据权利要求1至8中至少一项所述的热轧扁钢产品的方法,包括如下步骤:
-熔化为钢液,该钢液按重量百分比含有:
C:0.04-0.12
Si:0.03-0.8
Mn:1-2.5
P:最大0.08
S:最大0.01
N:最大0.01
Al:至多0.1
Ni+Mo:至多0.5
Nb:至多0.08
Ti:至多0.2
Nb+Ti:至少0.03
Cr:至多0.6
剩余的为铁,包括不可避免的钢伴生元素在内;
-采用水平的或竖直的板坯或薄板坯浇铸法将钢液浇铸成板坯或薄板坯;
-把板坯或薄板坯再加热到1050℃-1250℃,随后把板坯或薄板坯热轧成热轧带材,并且任选地在热轧的各个轧制道次之间进行中间加热;
-在最后一个轧制道次中在小于950℃且大于Ar3的终轧温度情况下进行轧制;
-在低于650℃的卷取温度情况下,优选在450℃-600℃的范围内,对热轧带材予以卷取;
-在Ac1以上且在Ac1+100℃以下对热轧带材予以退火,退火时长为10秒至10分钟,在退火温度和500℃之间的平均冷却速率为1K/s-150K/s、优选5K/s-20K/s;
-在连续热浸镀锌设备中在达到冷却停止温度的冷却过程后直接对热轧带材进行可选的热浸涂层。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,以大于Ac1+50℃的终轧温度对热轧带材予以轧制。
11.根据权利要求9或10所述的方法,其特征在于,把所述板坯热轧成厚度为1.5mm-8mm、优选1.8mm-4.5mm的热轧带材。
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