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塑料挤出机螺杆机筒失效分析与改性技术

 

武汉理工大学

本科生毕业设计(论文)

 

塑料挤出机螺杆、机筒失效分析与表面改性技术

 

学院(系):

材料学院

专业班级:

材料成型及控制工程专业三班

学生姓名:

胡嘉浩

指导教师:

李爱农

学位论文原创性声明

本人郑重声明:

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:

胡嘉浩

2013年5月28日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。

本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于1、保密囗,在年解密后适用本授权书

2、不保密囗。

(请在以上相应方框内打“√”)

作者签名:

2013年5月28日

导师签名:

年月日

目录

摘要4

Abstract5

1绪论6

1.1塑料挤出机国内发展现状6

1.2塑料挤出机国际发展现状6

1.3塑料挤出机耐磨耐蚀性的方法7

2塑料挤出机螺杆机筒失效分析9

2.1螺杆机筒磨损、腐蚀的原因及对策9

2.2双金属机筒的特点、制造及应用10

2.3强化耐磨损、耐腐蚀螺杆11

2.3.1螺杆及螺杆组件的氮化11

2.3.2镀铬、镀钼螺杆11

2.3.3塑堆焊合金螺杆12

3塑机筒与螺杆的设计与制造13

3.1螺杆设计13

3.1.1螺杆的结构形式13

3.1.2螺杆的几何结构参数14

3.2机筒的设计14

4螺杆与机筒的修复18

4.1修复热喷涂18

4.2修复电镀21

4.2.1电镀铬21

4.2.2复合电镀22

4.3熔覆修复23

5展望与总结23

参考文献24

致谢25

摘要

本文是在查阅大量国内外资料的基础上进行选择,分析了塑料挤出机的磨损原因,以及防止磨损的对策。

对螺杆与机筒的设计与修复提出了可行性办法。

所得结果对于研究制造塑料挤出机螺杆与机筒具有重要的指导意义。

论文主要研究了塑料挤出机的磨损原理以及防止措施,提高塑料挤出机的螺杆与机筒的耐磨耐蚀性。

研究结果表明:

经过表面强化处理的螺杆与机筒的寿命大大提高,所以在传统工艺的基础上使用符合经济性的新工艺往往可以取得较好的效果,国外的新技术完全可以作为我们的借鉴和参考,甚至是指导。

本文的特色在于:

所提出的方案是现阶段完全可行的方案,而且是符合经济性的方案,在最后的螺杆与机筒的修复中不仅符合经济性,也符合节约资源和能源的特色。

关键词:

塑料挤出机;螺杆;磨损原理;机筒;电镀,表面处理

Abstract

Thisarticleisbasedonalargenumberofdomesticandinternationaldata,analysiscausesofthewearplasticextruder,andcountermeasurestopreventwearandtear.Screwandbarrelforthedesignandfeasibilityofproposedrestorationmeasures.Theresultsforthestudyofmanufacturingplasticextruderscrewandbarrelofimportantguidingsignificance.

Thesis,wearplasticextruderprincipleandpreventivemeasurestoimprovetheplasticextruderscrewandbarrelwearandcorrosionresistance.

Theresultsshowthat:

Aftersurfacehardeningofscrewandbarreloflifeisgreatlyimproved,sothetraditionalprocessbasedontheuseofnewtechnologyinlinewitheconomiccanoftenachievebetterresults,newtechnologiesabroadcanbeusedasreferencestousandreferences,andevenguidance.

Thisfeatureisthat:

Theproposedschemeisentirelyfeasiblesolutionatthisstage,butisinlinewitheconomicprogramsinthelastscrewandbarrelrepairnotonlyeconomically,butalsomeetresourceandenergysavingfeatures.

Keywords:

plasticextruder,screw,wearprinciple,Barrel,electroplating,surfacetreatment

1绪论

1999年我国塑料机械具有年产10万台套的生产能力。

预测2000年我国塑机产量达12万台套,到2010年将达30万台套,其中挤出机、注塑机约占80%以上。

因螺杆、机筒的磨损、腐蚀,造成的经济损失是十分可观的。

据一项权威估计,1986年北美塑机用户因塑机筒体、螺杆磨损、腐蚀而造成的损失超过25亿美元。

若能防止和减缓螺杆、机筒磨和腐蚀,提高塑机使用寿命,将会大大降低产品成本,给塑机用户带来巨大的经济效益。

这是1999年的一份报告[1]。

我国塑料机械生产产量2011年达到29.0427万台,与预测值相差无几!

经济总量上,工业总产值达到464.51亿元,同比增长16%,与国内生产总值9.2%的增速相比,高出6.8个百分点;工业销售产值达到444.46亿元,同比增长17%。

  出口方面,2011年,行业出口交货值达到80.59亿元人民币,与上年相比增长33%,创造了历史最好成绩。

通过以上材料不难看出,塑料机械在国民经济增长中起到重要作用!

而且由于塑机磨损腐蚀造成的损失也是相当可观的,所以对于塑机抗磨损和抗腐蚀的研究是很有必要的。

1.1塑料挤出机国内发展现状

目前国内机筒主要使用38CrMoAlA钢。

38CrMoAlA为国标推荐的机筒用优质氮化钢,其强化渗氮后,表面硬度可达HV900-1100。

氮化层深度一般为0.4-0.7mm,经氮化后,机筒可具有较高的耐磨性和耐疲劳强度。

渗氮层的硬度随深度的增加而迅速下降。

当表面层一旦开始磨损,其磨损量就会随深度的增加而加快。

值得注意的是渗氮层厚度不等于耐磨层厚度[14]。

1.2塑料挤出机国际发展现状

国际上主要的发达国家使用的是双金属机筒。

所谓的双金属机筒即是在氮化钢、40Cr和45#钢制造的机筒内镶入耐磨损和耐腐蚀的合金内筒。

该合金内筒是在普通钢材的表面离心浇铸厚度1.6-3.2mm的镍、铬、钴和硼等高强度合金。

常用的耐磨性合金为铁-镍-硼(Fe-Ni-B),其硬度为HRC58-64;常用的耐蚀性合金为镍-钴-铬-硼(Ni-Co-Cr-B),其硬度为HRC50-56;而耐磨损和耐腐蚀性兼有的合金为铁-铬-镍-硼+碳化物(Fe-Cr-Ni-B+C),其硬度可达HRC58~65。

通常内筒经离心浇铸合金后,直接进行研磨,内筒内表面粗糙度小于Ra0.8。

双金属内、外筒镶套的装配通常采用热压法或冷压法。

热压法是将外筒加热至500℃左右(根据膨胀系数计算出膨胀量),使内孔膨大,再将冷的内筒压入,其公差配合为H7/P5。

也可采用二段式的冷压法,内孔前段为动配合H7/h6,后段为过渡配合H7/js6。

实践表明,虽然双金属机筒的价格比氮化钢38CrMoAlA机筒高出近1倍,但双金属机筒的使用寿命却为氮化钢机筒的3-6倍[7]。

据报道,兰泰塑机公司最新研制的CBNiCr金属陶瓷双金属衬套比Fe-Ni-B双金属筒体的使用寿命又提高3倍。

该双金属衬套在450℃时的硬度可达HRC61,双金属结合面的剪切强度为210MN/m2,使用寿命可比38CrMoAlA氮化钢机筒提高近8倍[7]。

1.3提高塑料挤出机耐磨耐蚀性的方法

目前关于螺杆的表面耐磨处理有以下几种方法。

目前提高螺杆耐磨损和耐腐蚀的方法主要有两个方面:

一是通过热处理提高螺杆表面硬度;二是使用硬质合金螺杆表面。

当前主要使用的提高螺杆寿命的工艺有:

表面氮化、镀硬铬、表面火焰淬硬、高频淬硬、表面喷涂、喷焊、堆焊、真空镀覆和激光处理等。

其各具特点[10]。

1、表面氮化工艺螺杆推荐钢38CrMoAlA的氮化技术有:

盐溶液氮化、气体氮化和离子氮化。

离子氮化最佳,经离子氮化的螺杆使用寿命比气体氮化螺杆长1-2倍。

螺杆氮化时,其表面硬度HV900-1100,螺杆具有高耐磨损性。

2、电镀硬铬工艺镀硬铬是提高单螺杆和锥形双螺杆表面耐

磨性的一种方法。

螺杆材料可选用40Cr或45#钢。

镀铬层厚一般为0.05-0.2mm,表面硬度HV1000-1100。

电镀硬铬层的优点是:

摩擦系数低、硬度高、化学稳定性好,在高温下能保持镀层硬度。

螺杆镀铬后,应进行热处理,这样有利于提高镀铬层的韧性和结合强度。

3、高速钢整体淬火工艺目前制造螺杆常用牌号有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。

经球化退火后其切削性能好,淬火后整体具有较高的硬度(HV930-950)和耐磨性。

相比之下,W6Mo5Cr4V2的韧性和耐磨性优于W18Cr4V。

淬火后组织的晶粒度在10-11.5之间,目前常采用一次分级等温淬火工艺。

4、等离子喷镀工艺等离子喷镀工艺常用的螺杆基料一般为45#钢、40Cr和氮化钢。

表面的涂层通常是铬、钼和镍的合金。

镀层厚度大约为0.2~0.3mm[6]。

这样可使螺杆的耐磨和耐腐蚀性更好。

5、堆焊合金工艺螺杆堆焊合金有两种形式:

一种是在螺杆螺棱上堆焊合金层,另一种是螺杆表面全部堆焊合金。

螺杆上堆焊合金可用电孤焊和等离子氩弧焊等。

螺杆基体材料为38CrMoAlA和40Cr,先进行调质处理,硬度HV250-270。

焊机可采用直流钨极氩弧焊机。

实验证明表面堆焊钨、铬和钴合金层的螺杆,可比38CrMoAlA氮化螺杆的使用寿命提高3-6倍。

6、氧-乙炔喷焊工艺氧-乙炔喷焊合金螺杆的常用基料为45#钢或38CrMoAlA。

这种技术是把火焰熔融的合金粉末与螺杆相互熔敷形成一种组织致密、具有镜面光泽的合金层。

使用不同的合金粉末,可达到耐磨、耐腐蚀、耐高温和耐冲击等不同性能的表面层。

7、化学镀Ni-P合金层工艺[11]Ni-P合金镀层具有优异的耐磨性和抗蚀性,在螺杆表面处理中已得到广泛应用。

进行化学镀Ni-P表面处理的螺杆基料为45#钢或40Cr。

Ni-P镀层的高硬度是镍和磷合金化的结果,在225-300℃时,磷化镍开始产生,随着温度的提高镀层可达到不同的硬度值。

从硬度与温度关系图中可知当温度达到350-400℃时,镀层硬度可达最大值HRC69。

据国外有关资料表明:

通过热处理调整Ni-P镀层硬度可得到所需要的韧性,这是Ni-P合金镀层在螺杆应用中的一个显著优点。

根据从Taber研磨机测得的Ni-P镀层研磨磨损结果Ni-P镀层的耐磨性随热处理温度升高而提高。

在650℃热处理后,耐磨性最优,但此时镀层硬度有所下降,而低磷含量的Ni-P镀层能承受高负荷,不需要为提高硬度而进行热处理。

8、激光熔覆工艺[12]激光熔覆技术由于能精确控制光束,可以处理沟、孔和槽等常规方法难以处理的螺杆表面,而且激光熔覆工艺螺杆变形小,合金层与基体材料结合强度高,因此采用这种方法进行螺杆的局部修复最为理想。

合金粉末为一些镍、铬和钴的合金(如Ni60)[15]。

激光处理步骤为:

黑化处理-预热工件-激光重熔-熔覆后立即置于炉中缓冷-研磨表面。

激光熔覆法的不足是一次加工的表面积较小,不适用于整个螺杆加工。

9、真空镀覆工艺真空镀覆是基于气态沉积原则发展起来的,分为化学蒸发沉积(CVD,chemicalvapourdeposition)和物理蒸发沉积(PVD)。

这种覆层为超硬覆层,硬度大于HV2000,并具有陶瓷的化学惰性,很难和其他物质反应。

CVD处理需要高温,易导致螺杆变形,所以需要后续热处理。

而PVD技术则不需要后续热处理,但镀层结合力不如CVD高CVD处理是在800-1100℃下将涂覆合金沉积到螺杆表面,沉积层厚度6-30um[12]。

螺杆和机筒的表面处理技术可以大幅提高螺杆机筒的耐磨耐腐蚀性,从而可扩大注射机、挤出机的应用范围和延长其使用寿命。

螺杆机筒表面处理的方法除上述已工业化应用的外,新的工艺也在继续开发涌现出来。

掌握和合理利用这些工艺无疑对用户降低生产成本和提高产品的市场竞争力有益。

这些技术将对我国刚刚起步的导电塑料和磁性塑料等特殊性能塑料制品的加工起到积极的推动作用,将对我国的塑料工业作出重大贡献。

总而言之,对于塑料挤出机机筒和螺杆耐磨性的研究很具有经济意义和技术储备意义。

国内外的焦点也都放在了表面改性方面,能在这方面改进就要认真研究表面改性的方法与其工艺特点。

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2塑料挤出机螺杆机筒失效分析

2.1螺杆机筒磨损、腐蚀的原因及对策

由于塑料的日益广泛应用,各种新型塑料不断涌现,主要有增强、改性、填充及功能塑料,其促进了塑料工业的蓬勃发展。

为了提高塑料制品的强度,往往在高强度增强塑料中,加入玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维和硼纤维。

纤维的加入大大提高了对机械的磨损,因为其硬度远远大于塑料的硬度,一般而言,短纤维比长纤维对螺杆的磨损要大一些,同时与之相反的是腐蚀的情况则要相对好一些。

在工业上往往出于对经济性的考虑,同时给予塑料一些特殊性能,往往会在塑料中添加添加剂,而添加剂的加入会大大提高对螺杆的磨损,因为这些添加剂的硬度甚至与螺杆相差无几。

例如,碳酸钙、滑石粉、云母、红泥、陶土、硅石灰粉、重结晶粉、金属粉等等。

这些物质的莫氏硬度为[7]:

轻质碳酸钙的为2.5,重质碳酸钙的为3(相当于HV348),滑石粉的为1-2,云母的为2-3.5,高岭土的为2-2.5,二氧化硅的为7,二氧化钛的为6-6.5(相当于HV696-754),硅藻石的为6,硅灰石的为4.5,玻璃微珠的有6.5,玻璃纤维的为6.9(相当于HV800),这已经很接近螺杆的表面硬度了,至于铁磁粉的为8.8,三氧化二铝的为8.8,则远远大于了螺杆的表面硬度了。

磨损在此种情况下十分剧烈。

往往在塑料中添加各种助剂来制备功能塑料制品,如加入抗氧剂、偶联剂、阻燃剂、防雾滴剂、抗静电剂、着色剂等等。

而这些物质的加入,在挤出过程中往往伴随着机械变化和温度变化,会产生卤化物和硫化物等,这些物质都属于腐蚀性介质。

正是由于抗氧剂、偶联剂、阻燃剂、防雾滴剂、抗静电剂、着色剂的加入,导致了塑料挤出机的机筒和螺杆的腐蚀和磨损或二者兼有的腐蚀磨损。

磨损和腐蚀大致可概况为:

物料磨损(磨损)和化学磨损(腐蚀)。

物料磨损主要包括两个方面,一方面是螺杆表面与机筒之间的磨损(粘着磨损);另一方面是塑料或填充剂和机筒螺杆的磨损。

一般而言,磨损的原因是螺杆或者机筒的表面由于摩擦产生细小的金属颗粒或合计颗粒,它在排出的过程中沿机筒和螺杆表面之间的物料移动;两表面由于分子级的粘附、胶合;沿螺杆和机筒表面运动的硬颗粒(填料和增强

剂),使螺杆和机筒表面发生磨蚀或变形;与此同时,从螺杆或机筒表面上排出的金属微粒,从上述过程中的任何方式,混入物料熔体中,又进一步加剧螺杆和机筒的磨损。

而化学磨损指的就是某些塑料、助剂,其分解产生以卤化氢气体、二氧化硫气体及酸性物质甲酸等为主的腐蚀性介质,在混炼过程中容易造成螺杆机筒的腐蚀。

一般而言,温度与化学反应是呈正相关关系的,简而言之就是成型温度越高,腐蚀越剧烈。

就其腐蚀形式而言,主要有两大类,剥蚀和点蚀。

而腐蚀的程度则主要和成型温度、被加工塑料的种类、助剂的成分以及物料的形状等有关。

可知,螺杆机筒在磨损和腐蚀以后,之间导致螺杆与机筒的配合出现偏差,及所谓的间隙增大导致漏流增加,生产率降低,同时,产品的质量也大打折扣,能耗也成倍增加,机器也就不能正常工作了。

据相关资料介绍[5]:

一台挤出机,当其压缩段螺纹顶部磨损深度达1.3mm时,则产量由800kg/h降至500kg/h,其能耗增加38%。

为保证机器的正常工作,当螺杆磨损间隙达到槽深的15%时,报废旧螺杆更换新螺杆;当螺杆与机筒之间的间隙因磨损而间隙增大值达到新机间隙的2倍时,应更换螺杆或机筒,这些仅作为经验,提供参考。

而近年来的研究表明:

影响螺杆、机筒磨损的主要因素有:

螺杆的结构、螺杆与机筒的材质、加工塑料的性质、以及工艺操作条件等,国内外的塑料机械制造厂商,把提高挤出机、注塑机使用寿命的重点放在螺杆、机筒金属表面强化耐磨损、耐腐蚀的处理技术上,国内外普遍采用双金属机筒和螺杆金属表面硬化技术以提高塑机的使用寿命。

如美国98%的挤出机,75%的注塑机采用了双金属筒体和硬化螺杆。

我国也在积极推广应用这项技术。

2.2双金属机筒的特点、制造及应用

我国挤出机、注塑机的机筒大部分采用38CrMoAlA氮化技术,以增强机筒的耐磨损。

但是,由于这种处理方法所得的耐磨损深度有限,氮化层深度一般为0.4-0.7mm。

硬度HV=900-1100,渗氮层的硬度随深度的增加而迅速下降。

因此,当表面层一旦开始磨损,其磨损量就会随深度的增加而加快。

为克服这一缺点,普遍采用增强机筒耐磨损、耐腐蚀的强化技术。

双金属筒体,即在氮化钢、40Cr、55#钢制造的外筒内镶入耐磨损、耐腐蚀的合金内筒。

合金内筒是在普遍钢材或低合金钢坯的表面离心浇铸厚度1.6-3.2mm的镍、铬、钴、硼高强度合金。

如耐磨性合金采用铁-镍-硼-(Fe-Ni-B),其硬度HRC58~64;耐腐蚀性合金为镍-钴-铬-硼(Ni-Co-Cr-B),其硬度HRC50-56;耐磨损、耐腐蚀性的合金有铁-铬-镍-硼+碳化物(Fe-Cr-Ni-B+Carbide),其硬度HRC58-65。

内筒经离心浇铸合金后,直接进行珩磨,加工精度H7级,弯曲变形1/300mm,圆精度0.002mm,内筒内表面光洁度0.8。

双金属内、外筒的镶套可采用热压法或冷压法。

热压法是将外筒加热至500摄氏度左右(根据膨胀系数计算出膨胀量),使内孔膨大,再将冷的内筒压入,其公差配合H6/P5。

也可采用二段式的冷压法,内孔前段为动配合H7/h6,后段为过渡配合H7/JS6。

应用表明:

虽然双金属机筒的价格比氮化钢38CrMoAlA氮化机筒高出近1倍,但双金属机筒的使用寿命却是氮化钢机筒的3-6倍,且生产塑料制品的费用降低[7]。

兰泰塑机公司最新研制的CB-Ni-Cr金属陶瓷双金属衬套比Fe-Ni-B双金属筒体的使用寿命又提高3倍,且具有良好的耐腐蚀性能。

CB-Ni-Cr金属陶瓷双金属衬套,在室温至450􀀁时的硬度HRc61,双金属结合面的剪切强度为210MPa,其使用寿命比38CrMoAlA氮化钢筒体提高8倍。

根据国内外使用经验表明:

加工普通塑料38CrMoAlA氮化机筒的正常使用寿命一般为4a左右,而双金属筒体的使用寿命却达10-14a。

然而,加工玻璃纤维(莫氏硬度6.9相当于维氏硬度HV800)增强塑料,因磨损严重,使用寿命大大降低。

除玻璃纤维为强磨损材料外,高填充填料对螺杆、机筒的磨损也是相当严重的。

例如,生产填充60%重质碳酸钙的塑料地板的挤出机,由于重质碳酸钙的莫氏硬度为3(相当于HV348),磨损严重,螺杆使用3000h,机筒使用6000h报废。

由上述可见,为什么机筒的使用寿命高于螺杆呢?

这是由于物料在运转中,作用于机筒的磨擦力较小,且比较均匀,所以磨损状态呈圆周均匀性,另一原因是物料包裹螺杆加速螺杆磨损,而腐蚀性气体对机筒不起多大作用,故机筒的寿命长于螺杆1倍以上。

2.3强化耐磨损、耐腐蚀螺杆

强化螺杆耐磨损、耐腐蚀的方法,一是通过热处理提高金属表面硬度,二是使用硬质合金的表面。

需说明一点,螺杆表面硬度高并不等于耐磨性高。

磨损实验表明,38CrMoAlA氮化螺杆的硬度HV=900-1100,相当于HRC65-72,而铁-镍-硼(Fe-Ni-B)合金,硬度HRC58-64,虽然后者的硬度比前者低,但后者耐磨性却提高几倍。

这是因为铁-镍-硼合金的原子间结合强度好,有较高弹性模量的缘故。

我国挤出机螺杆大多采用38CrMoAlA氮化处理螺杆及螺杆组件(积木式螺杆的螺纹套、捏合块、齿形盘),为强化螺杆的耐磨损、耐腐蚀性,可通过氮化、镀铬、镀钼、表面火焰淬硬或高频淬硬、表面喷涂、喷焊和堆焊等方法,提高螺杆的耐磨、耐腐蚀性。

在此仅介绍几种常用的方法。

2.3.1螺杆及螺杆组件的氮化

38CrMoAlA螺杆氮化技术,有盐溶液体氮化、气体氮化或离子氮化,其中以离子氮化为最佳,经离子氮化的螺杆使用寿命比气体氮化螺杆长2-3倍。

螺杆氮化时,氮原子进入钢的表面层,并且和其中能形成氮化处的合金元素相结合形成坚硬的氮化物-氮化铝,其表面硬度HV900-1100,从而提高螺杆、机筒的耐磨损性,但耐腐蚀性不足[8]。

2.3.2镀铬、镀钼螺杆

镀硬铬是单螺杆、锥形双螺杆通常采用的方法。

螺杆材料可选用40Cr或45#钢,镀铬层一般为0.05-0.2mm,镀过硬铬的螺杆有良好的表面光洁度和较强的抵抗腐蚀的能力,耐磨性也较好。

镀层与螺杆金属基体的结合应很牢固,否则在摩擦力和撞击力的作用下容易剥落,它会加速磨料磨损,剥落处的凹坑会和镀层构成化学电池的两极,更加速了螺杆的腐蚀作用。

因此,螺杆镀铬前,一般要经过磨削加工,各处的锐边和尖角应倒圆,尤其是螺纹脊处必须制成小圆角,否则由于铬的边缘效应,沉积过快,产生粗精颗粒,成为铬层剥落的起点。

镀铬时首先用有机溶剂(苯、丙酮)或碱溶液清洗螺杆表面,然后进行弱酸蚀,清除表面上的极薄的氧化膜,并使表面受轻微浸蚀,呈现金属结构组织,以增强镀层与基体金属的结合力。

螺杆镀铬后,应进行热处理,如在热矿物油或空气中(180-250摄氏度)停留2-3h,这样有利于提高镀铬层的韧性和结合强度。

螺杆镀铬层厚度0.05-0.2mm,表面维氏硬度HV1000-1100相当于洛氏硬度HRC66-77镀铬的优点是:

磨擦系数低,硬度高,抗氧化的

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