CN112828296A - 一种铬粉的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铬粉的制备方法,涉及3D打印技术领域,以解决制备的铬粉中杂质含量高且效率低的问题。所述铬粉的制备方法包括:提供一铬棒。利用进给机构将所述铬棒进给至熔化起始工位。利用高频感应线圈开始对所述铬棒进行熔化,得到铬液。利用所述进给机构将剩余的所述铬棒从所述熔化结束工位提拉至下料起始工位。所述提拉的速度大于所述进给的速度。利用环缝式雾化装置对所述铬液进行雾化处理,得到铬粉。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域,尤其涉及一种铬粉的制备方法。
背景技术
经过近30年的快速发展,3D打印技术已成为当前最受关注的先进制造技术之一。但在金属3D打印工艺中,对金属粉末要求很高,如要求高球形度、低含氧量、粒度分布窄等。因此,高品质金属粉末的制备是拓展金属粉末应用的关键因素。
现有技术中通常使用机械破碎法和球化法对铬块进行破碎以获取铬粉,但制得的铬粉杂质含量高、粒径大且效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铬粉的制备方法,用于制备杂质含量低的铬粉,且制得的铬粉的粒径小,效率高,成本低。
为了实现上述目的,本发明提供了一种铬粉的制备方法,用于制备杂质含量低的铬粉。本发明提供的铬粉的制备方法包括:
提供一铬棒。
利用进给机构将所述铬棒进给至熔化起始工位。当所述铬棒到达所述熔化起始工位,所述铬棒与所述高频感应线圈处在接触状态。
利用高频感应线圈开始对所述铬棒进行熔化,得到铬液。当所述进给机构将所述铬棒从熔化起始工位进给至熔化结束工位时,所述高频感应线圈结束对所述铬棒进行熔化。所述高频感应线圈的加热功率为50kW~200kW。
利用所述进给机构将剩余的所述铬棒从所述熔化结束工位提拉至下料起始工位。所述提拉的速度大于所述进给的速度。
利用环缝式雾化装置对所述铬液进行雾化处理,得到铬粉。所述雾化装置包括具有拉瓦尔结构的待雾化铬液通道,所述环缝式雾化装置的雾化气体的压力为2Mpa~8Mpa。
与现有技术相比,本发明提供的铬粉的制备方法中,通过进给机构带动铬棒由熔化起始工位进给至熔化结束工位后,又由熔化结束工位提拉至下料起始工位的过程中,由于铬棒从熔化结束工位提拉至下料起始工位时,已经结束对铬棒的熔化,此时,提拉的速度大于进给的速度可以提高工作效率。另外,由于铬棒中铬的含量高,使得铬棒的熔点较高,因此,使用加热功率为50kW~200kW,频率为50kHz~300kHz的高频感应线圈对铬棒进行熔化,可以加速铬棒的熔化,提高铬液的过热度,从而更有利于得到粒径小的铬液滴,且可以降低铬液中的气体含量,使得制得的铬粉中气体含量降低,从而降低了偏析,降低了制得的铬粉中的杂质含量。使用环缝式雾化装置对铬液进行雾化处理,可以保证气体聚于一点作用在铬液上,使得得到的铬粉的粒径更小。同时,环缝式雾化装置包括具有拉瓦尔结构的待雾化铬液通道,有利于铬液的破碎,降低了铬液堵塞雾化装置的风险,且增加了铬液表面波强度,使得铬液表面更容易产出液膜或液带,更有利于铬液的雾化破碎,从而提高工作效率。又由于铬液的粘度较大,充入环缝式雾化装置中的雾化气体的压力为2Mpa~8Mpa,增加了雾化气体的流速,使得粘度大的铬液更容易被雾化。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明实施例中的环缝式雾化装置的部分结构示意图;
图2为实施例1中制得的铬粉的光学显微镜图一;
图3为实施例1中制得的铬粉的光学显微镜图二;
图4为实施例1中制得的铬粉的电镜图;
图5为实施例1中制得的铬粉的粒度分布图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
纯铬是一种纯度越高延展性越好的材料,近年来,在含铬的合金材料的制备、小型部件注射成形等粉末冶金领域,球形铬粉已进入工业应用阶段。在热喷涂领域,由于具备流动性好,涂层组织结构致密等优点,球形铬粉的需求也与日俱增。
目前的铬粉制备工艺是通过机械破碎法和球化法两种。其中,机械破碎法主要通过破碎机械对铬块进行破碎以获取铬粉,但由于破碎过程中会不可避免的引入含有氧、氮元素的气体以及固体夹杂物,导致得到的铬粉的纯度较低。球化法一般采用射频等离子体对非球形铬粉的表面进行局部熔化,且利用铬液的表面张力实现球形铬粉的制备,但是球化法首先需要获取非球形铬粉,且制备工序繁多,产量偏低,成本较高。
本发明实施例提供了一种铬粉的制备方法,使用本发明实施例提供的铬粉的制备方法制得的铬粉的杂质含量低,且粒径小,成本低,效率高。本发明的铬粉的制备方法应用于铬粉制备设备中。该铬粉制备设备可以包括进料机构、高频感应线圈、雾化装置、排气系统、惰性气体供应装置以及真空系统。其中,进料机构带动铬棒进行自转并沿轴向向上或者向下做直线运动。高频感应线圈用于对铬棒进行熔化处理。雾化装置用于对铬液进行雾化处理。排气系统用于将位于雾化装置下部的腔体中的气体排出。惰性气体供应装置用于向铬粉制备设备中供应惰性气体。真空系统用于对铬粉制备设备抽真空处理。由于铬粉制备设备为现有设备,因此,再此不做过多的介绍。
本发明实施例提供的铬粉的制备方法包括:
S200:提供一铬棒。需要注意的是,为了保证制备的铬粉中的杂质含量低,保证铬粉制备工艺的稳定,这里的铬棒的密度应为铬棒理论密度的85%~90%。
S210:利用进给机构将铬棒下料至熔化起始工位。当铬棒到达熔化起始工位,铬棒与高频感应线圈处在接触状态。
在实际应用中,由进给机构将铬棒下料至熔化起始工位,在下料过程中,铬棒可以进行自转且自转的速度可以为40r/min~200r/min。当铬棒到达熔化起始工位时,铬棒进入高频感应线圈的锥形高频感应线圈区域,即铬棒与高频感应线圈处在接触状态。
S220:利用高频感应线圈开始对铬棒进行熔化,得到铬液。当进给机构将铬棒从熔化起始工位进给至熔化结束工位时,高频感应线圈结束对铬棒进行熔化。高频感应线圈的加热功率可以为50kW~200kW,高频感应线圈的加热频率可以为50kHz~300kHz。
在实际应用中,当铬棒和高频感应线圈处于接触状态时,可以由高频感应线圈开始对铬棒进行熔化,得到铬液。为了提高铬棒的熔化效率,这里的高频感应线圈的为锥形高频感应线圈,该锥形高频感应线圈的锥角可以为45°~120°,锥形高频感应线圈的匝数可以为3匝~6匝,锥形高频感应线圈的顶部(远离环缝式雾化装置的一端)的内径可以为45mm~130mm,锥形高频感应线圈的底部的内径可以为25mm~45mm。该高频感应线圈的锥形高频感应线圈可以与环缝式雾化装置的待雾化铬液通道同轴设置,且同轴度≤2mm,轴向距离可以为5mm~30mm。需要注意的是,铬棒从熔化起始工位进给至熔化结束工位的过程中,铬棒可以进行自转,自转的速度可以为40r/min~200r/min。
S230:利用进给机构将剩余的铬棒从熔化结束工位提拉至下料起始工位。提拉的速度大于进给的速度。例如,提拉的速度可以为1000mm/min~2000mm/min,进给的速度可以为20mm/min~150mm/min。由于进给机构将剩余的铬棒从熔化结束工位提拉至下料起始工位的过程中,不存在铬棒的熔化,仅仅是位置的改变,因此,设置提拉的速度大于进给的速度可以提高工作效率。
S240:利用环缝式雾化装置对铬液进行雾化处理,得到铬粉。环缝式雾化装置包括具有拉瓦尔结构的待雾化铬液通道,环缝式雾化装置的雾化气体的压力为2Mpa~8Mpa。
图1示例出本发明实施例提供的环缝式雾化装置的部分结构示意图。如图1所示,上述具有拉瓦尔结构的待雾化铬液通道的开口处的直径A可以为15mm~25mm,喉部直径B可以为10mm~15mm,下口直径C可以为20mm~25mm。
在实际应用中,铬液通过环缝式雾化装置的待雾化铬液通道的开口处落入环缝式雾化装置中。此时,可以利用惰性气体供应装置向环缝式雾化装置中通入雾化气体,对铬液进行雾化处理,得到铬粉。为了保证雾化气体对铬液的破碎力度,得到粒径更小的铬液,这里通入的惰性气体的压力可以为2Mpa~8Mpa。需要说明的是,为了保证雾化气体对铬液的破碎力度,得到粒径更小的铬液,还可以通过提高通入的惰性气体的温度来实现。具体的,可以使用加热装置对通入环缝式雾化装置中的惰性气体进行加热来实现。应理解,当通入的惰性气体的温度高于室温时,相应的,通入的惰性气体的压力可以适应性的减小。例如,当惰性气体的温度为50℃~300℃时,通入的惰性气体的压力可以为2Mpa~4Mpa。又例如,当惰性气体的温度为室温或者低于室温时,通入的惰性气体的压力可以为5Mpa~8Mpa,以保证对铬液的破碎效果。
本发明实施例提供的铬粉的制备方法中,通过进给机构带动铬棒由熔化起始工位进给至熔化结束工位后,又由熔化结束工位提拉至下料起始工位的过程中,由于铬棒从熔化结束工位提拉至下料起始工位时,已经结束对铬棒的熔化,此时,提拉的速度大于进给的速度可以提高工作效率。另外,由于铬棒中铬的含量高,使得铬棒的熔点较高,使用加热功率为50kW~200kW的高频感应线圈对铬棒进行熔化,可以加速铬棒的熔化,提高铬液的过热度,从而更有利于得到粒径小的铬液滴,且可以降低铬液中的气体含量,从而使得制得的铬粉中气体含量降低,降低了偏析,降低了制得的铬粉中的杂质含量。使用环缝式雾化装置对铬液进行雾化处理,可以保证气体聚于一点作用在铬液上,使得得到的铬粉的粒径更小。同时,环缝式雾化装置包括具有拉瓦尔结构的待雾化铬液通道,有利于铬液的破碎,降低了铬液堵塞雾化装置的风险,且增加了铬液表面波强度,使得铬液表面更容易产出液膜或液带,更有利于铬液的雾化破碎,从而提高工作效率。又由于铬液的粘度较大,充入环缝式雾化装置中的雾化气体的压力为2Mpa~8Mpa,增加了雾化气体的流速,使得粘度大的铬液更容易被雾化。
在一种可能的实施方式中,在提供一铬棒后,本发明实施例提供的铬粉的制备方法还包括:
S200-1:沿着铬棒的延伸方向,将铬棒的一端加工为直径逐渐减小的圆台状。例如,上述铬棒的一端可以加工为顶部锥角为45°~135°,头部直径为10mm~20mm。棒料直径为20mm~105mm,长度100mm~1000mm。由于在实际应用中的高频感应线圈通常被设计为圆锥形,因此,为了与锥形线圈更加贴合,本发明实施例中的铬棒的一端可以加工为圆台状。且圆台状的铬棒可以提高铬棒的熔化效率的同时,材料利用率也更高。
在一种可能的实施方式中,本发明实施例的铬粉制备方法中的铬粉的制备环境为惰性气体环境,且惰性气体环境的气压为-0.005Mpa~0.005Mpa。使用惰性气体环境作为制备环境,可以减少使用本发明实施例的铬粉的制备方法制备的铬粉中的氮、氧杂质的含量,提高制备得到的铬粉的纯度。且在惰性气体环境的气压为-0.005Mpa~0.005Mpa的微负压状态下时,可以保证熔化的铬液在气压和自身重力的作用下,迅速进入待雾化铬液通道中,减少铬液的聚集,从而以减少卫星粉的形成。应理解,这里的惰性气体可以为氮气、氩气、氦气中的一种或几种的组合。
在实际应用中,上述惰性气体环境是通过真空系统对铬粉制备设备进行抽真空处理后,当真空度符合10-2Pa~10Pa时,再由控制器控制惰性气体供应装置向铬粉制备设备中通入惰性气体后得到的。
在一种可能的实施方式中,上述利用进给机构将铬棒进给至熔化起始工位包括:
S210-1:利用进给机构将铬棒从下料起始工位下料至熔化起始工位。当铬棒到达熔化起始工位,铬棒与高频感应线圈处在接触状态。下料的速度大于进给的速度。以减少下料的时间,提高工作效率。这里的下料的速度可以为1000mm/min~2000mm/min。由于下料过程中不存在铬棒的熔化,仅仅是铬棒位置的改变,因此,设置下料的速度大于进给的速度,可以提高铬粉的制备效率。这里需要注意的是,铬棒在下料过程中可以自转,自转的速度可以为40r/min~200r/min。铬棒也可以仅在由熔化起始工位至熔化结束工位的过程中进行自转,以保证铬棒均匀的熔化,且可以通过转动带动熔化的铬液尽可能快的掉落进入环缝式雾化装置中。
在一种可能的实施方式中,当铬棒到达熔化起始工位后,本发明实施例提供的铬粉的制备方法还包括:
S210-1:利用排气系统对环缝式雾化装置下部的腔体进行排气处理。
在实际应用中,可以利用排气系统对环缝式雾化装置下部的腔体进行排气处理,使得环缝式雾化装置的下部的腔体气压与大气压基本一致。这里的排气系统可以包括排气管道、排风风机以及排气阀等。排风风机的功率可以为15kW~22kW,排风压力可以为10000Pa~20000Pa,排风风量可以为1000m3/h~2000m3/h。
S210-2:利用惰性气体供应装置向环缝式雾化装置上部的腔体通入惰性气体。惰性气体的进气压力为0.1Mpa~0.3Mpa,进气流量为流量为20m3/h~100m3/h。
在实际应用中,可以利用惰性气体供应装置向环缝式雾化装置上部的腔体内通入具有压力的惰性气体,以使得环缝式雾化装置的上、下腔体之间产生一定的压差,使得熔化的铬液在环缝式雾化装置的上、下腔体之间的压差、自身的重力以及环缝式雾化装置的出气口的抽吸力的作用下加速运动至雾化气体汇聚点,以提高铬粉的制备效率。且在铬液的加速运动过程中,表面液膜在雾化气体的湍流作用下更容易被剥落、并分散成为粒径较小的铬液。
在一种可选方式,当进给机构将铬棒从熔化起始工位进给至熔化结束工位时,本发明实施例提供的铬粉的制备方法还包括:
S220-1:停止排气系统对环缝式雾化装置下部的腔体进行排气,停止惰性气体供应装置向环缝式雾化装置上部的腔体供应惰性气体。当铬棒进给至熔化结束工位时,需要更换料棒。此时,为了节省成本,排气系统和惰性气体供应装置可以停止工作,等待更换铬棒后,在继续按照上述步骤S210、S220工作。
在一种可能的实施方式中,在利用环缝式雾化装置对铬液进行雾化处理,得到铬粉后,本发明实施例提供的铬粉的制备方法还包括:
S240-1:对铬粉按照粒径进行筛分,筛选出不符合要求的铬粉。应理解,这里的粒径筛分的要求可以包括:当铬粉应用于激光选取熔化工艺时,符合要求的粒径为15μm~53μm,当铬粉应用于激光熔覆工艺时,符合要求的粒径为53μm~150μm,当铬粉应用于激光注射成形工艺时,符合要求的粒径为0μm~15μm等。
S240-2:利用不符合要求的铬粉制备铬棒。由于使用本发明实施例中的方法制得的铬棒的密度为铬棒理论密度的85%~90%,因此,可以直接应用于本发明实施例的铬粉制备方法中制备铬粉,以节省成本,减少资源的浪费。
在一种可选方式,上述利用不符合要求的铬粉制备铬棒包括:
S240-2A:利用液压装置对不符合要求的铬粉进行压制,得到铬棒。由于铬粉的硬度较高,因此,液压装置的压力可以为80吨~150吨,以保证可以将铬粉压制得到铬棒。该液压装置的有效工作面积应不小于650mm×650mm,模具直径可以为50mm~150mm。应理解,这里的液压装置可以为液压机等其他满足本发明要求的液压装置,具体的型号等在此不做具体限定,只要能满足工作要求的都在可选范围之内。
为了便于理解,下面以具体实施例结合本发明中的方法进行详细的说明。
实施例1
将铬棒的密度为铬棒理论密度的85%~90%的铬棒原料在机床上加工成直径为40mm,长度为600mm,且一端具有圆台的铬棒后,将加工好的铬棒安装在进给机构上。然后使用真空系统对铬粉制备设备进行抽真空处理,确定真空度满足要求时,再使用惰性气体供应装置向铬粉制备设备中充入氩气保护气,得到惰性气体环境。此时,由进给机构带动铬棒以140r/min的自转速度和1000mm/min的下料的速度进给至熔化起始工位,开启排气风机及排气阀门,维持系统内部微负压状态,同时使用惰性气体供应装置向环缝式雾化器上部腔体充入气体,使环缝式雾化装置的上下腔体之间的压差保持在0.03MPa~0.05MPa。开启加热电源,并调整电源功率至55kW,铬棒的尖端在锥形高频感应线圈中受到加热而逐渐熔化成铬液并汇聚至棒材顶部。使用惰性气体供应装置向环缝式雾化装置中通入高压氩气作为雾化气体,其中,高压氩气的压力3.5MPa。熔化的铬液在重力以及环缝式雾化装置的抽吸力的作用下流入锥形高频感应线圈下方的待雾化铬液通道内,在环缝式雾化装置的出气口的下方,雾化气体与铬液发生交互作用,将铬液破碎成小液滴,小液滴在向下飞行的过程中,通过自身表面张力球化凝固,得到铬粉。
图2和图3为本实施例制备得到的铬粉的光学显微镜图。图4为本实施例制备得到铬粉的电镜图。由图2、图3和图4可以看出,本发明实施例中的方法制得的铬粉的球形度好,几乎呈球形或者近球形现象,且卫星粉末极少,粉末之间几乎不存在粘连现象。图5为使用本实施例中的铬粉的制备方法制备的铬粉的粒度分布图。由图5可以看出,经激光粒度检测,本发明实施例制得的铬粉的中值粒径在40μm~50μm之间,铬粉的粒径分布为0μm~130μm,即通过本发明实施例中的方法制得的铬粉的粒径较小,且粉末粒径较为均匀。通过对本发明实施例制得的铬粉中的气体含量检测得知,在15μm~53μm的粒度段的铬粉的氧含量为350ppm,氮含量为25ppm,皆符合业内标准,即通过本发明实施例中的方法制得的铬粉的气体等杂质含量较少,可以减少偏析。综上,使用本发明实施例中的方法制得的铬粉的球形度好,卫星粉少且杂质含量少,粒径小。
在上述实施方式的描述中,具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种铬粉的制备方法,其特征在于,包括:
提供一铬棒;
利用进给机构将所述铬棒下料至熔化起始工位;当所述铬棒到达所述熔化起始工位,所述铬棒与所述高频感应线圈处在接触状态;
利用高频感应线圈开始对所述铬棒进行熔化,得到铬液;当所述进给机构将所述铬棒从熔化起始工位进给至熔化结束工位时,所述高频感应线圈结束对所述铬棒进行熔化;所述高频感应线圈的加热功率为50kW~200kW,所述高频感应线圈的频率为50kHz~300kHz;
利用所述进给机构将剩余的所述铬棒从所述熔化结束工位提拉至下料起始工位;所述提拉的速度大于所述进给的速度;
利用环缝式雾化装置对所述铬液进行雾化处理,得到铬粉;所述环缝式雾化装置包括具有拉瓦尔结构的待雾化铬液通道,所述环缝式雾化装置的雾化气体的压力为2Mpa~8Mpa。
2.根据权利要求1所述的铬粉的制备方法,其特征在于,在所述提供一铬棒后,所述铬粉的制备方法还包括:
沿着铬棒的延伸方向,将所述铬棒的一端加工为直径逐渐减小的圆台状。
3.根据权利要求1所述的铬粉的制备方法,其特征在于,所述铬粉的制备环境为惰性气体环境,所述惰性气体环境的气压为-0.005Mpa~0.005Mpa。
4.根据权利要求1所述的铬粉的制备方法,其特征在于,所述利用进给机构将所述铬棒进给至熔化起始工位包括:
利用所述进给机构将所述铬棒从所述下料起始工位下料至熔化起始工位;当所述铬棒到达所述熔化起始工位,所述铬棒与所述高频感应线圈处在接触状态;所述下料的速度大于所述进给的速度。
5.根据权利要求1~4任一项所述的铬粉的制备方法,其特征在于,当所述铬棒到达所述熔化起始工位后,所述铬粉的制备方法还包括:
利用排气系统对所述环缝式雾化装置下部的腔体进行排气处理;
利用惰性气体供应装置向所述环缝式雾化装置上部的腔体通入惰性气体,所述惰性气体的进气压力为0.1Mpa~0.3Mpa,进气流量为流量为20m3/h~100m3/h。
6.根据权利要求5所述的铬粉的制备方法,其特征在于,当所述进给机构将所述铬棒从熔化起始工位进给至熔化结束工位时,所述铬粉的制备方法还包括:
停止所述排气系统对所述环缝式雾化装置下部的腔体进行排气,停止所述惰性气体供应装置向所述环缝式雾化装置上部的腔体供应惰性气体。
7.根据权利要求1所述的铬粉的制备方法,其特征在于,在所述利用环缝式雾化装置对所述铬液进行雾化处理,得到铬粉后,所述铬粉的制备方法还包括:
对所述铬粉按照粒径进行筛分,筛选出不符合要求的铬粉;
利用所述不符合要求的铬粉制备所述铬棒。
8.根据权利要求7所述的铬粉的制备方法,其特征在于,所述铬棒的密度为铬棒理论密度的85%~90%。
9.根据权利要求7或8所述的铬粉的制备方法,其特征在于,所述利用所述不符合要求的铬粉制备所述铬棒包括:
利用液压装置对所述不符合要求的铬粉进行压制,得到所述铬棒。
10.根据权利要求9所述的铬粉的制备方法,其特征在于,所述液压装置的压力为50吨~100吨。
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