材料加工原理之半固态铸造成形
半固态铸造成形装备
第2章
2.9.5 半固态铸造生产线及自动化
金属液态成形装备及自动化
（3）半固态流变铸造生产线及自动化 由铝合金熔化炉、挤压铸造机、转盘式制浆装置、自动浇注装置、坩埚自动清扫、喷涂料
装置等组成。
工艺过程为：
首先，浇注机械手3将铝液从 熔化炉2中浇入制浆机4的金属 容器中冷却；以此同时浆料搬 运机械手5从制浆机的感应加 热工位抓取小坩埚，搬运至挤 压铸造机并浇入压射室中成形。
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第2章
金属液态成形装备及自动化
2.9.3 半固态铸造成形装备
（2）半固态流变注射成形机
与触变注射成形不同点 在于加入料为液态镁合金； 在垂直安装的螺旋的搅拌作 用下冷却至半固态。积累至 一定量后，由注射装置注射 成形。
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第2章
金属液态成形装备及自动化
图2-105 流变注射成形原理示意图 1—金属液输入管 2—保温炉 3—螺杆 4—筒体 5—冷却管 6—绝热管 7—加热器 8—浆料累积腔 9—绝热层 10—射嘴
随后，继续旋转将空坩埚返回
送至回转式清扫装置上的空工
位；并从另一个工位抓去一个
清扫过的小坩埚旋转放置到制
浆机上。然后制浆机和清扫机
同时旋转一个角度，进入下一
个循环。
精品课程
图2-110 新流变铸造自动化生产线
1—取件机械手 2—熔化炉 3—浇注机械手4—转盘式浆料制 备装置 5—浆料搬运/浇注机械手 6—转盘式自动清扫和喷涂 料装置 7—挤压铸造机
第2章
2.9.5 半固态铸造生产线及自动化
金属液态成形装备及自动化
（4）新流变铸造法的半固态浆料制备原理 新流变铸造法的核心是采用冷却控制法的半固态浆料制备装置。其结构示意图如图2-110中
3~4半固态成型
半固态铸造生产线及自动化
半固态流变成形生产线 该系统由铝合金熔化炉、挤压铸造机、转盘式制 浆机、自动浇注装置、坩埚自动清扫、喷涂料装置等 组成。其工艺过程为：浇注机械手3将铝液从熔化炉2 中浇入制浆机4的金属容器中冷却；同时浆料搬运机 械手5从制浆机的感应加热工位抓取小坩埚，搬运至 挤压铸造机并浇人压射室中成形；随后继续旋转将空 坩埚返回送至回转式清扫装置上的空工位，并从另一 个工位抓去一个清扫过的小坩埚旋转放置到制浆机上； 制浆机和清扫机同时旋转一个角度，进入下一个循环。
半固态铸造成形装备
半固态铸造成形装备主要包括半固态浆料 制备装备、半固态成形装备、辅助装置等。 按流变铸造和触变铸造分类，又有流变铸 造装备和触变铸造装备。 半固态浆料的制备方法主要有机械搅拌、 电磁搅拌、单辊旋转冷却、单／双螺杆法等。 其基本原理都是利用外力将固液共存体中的固 相树枝晶打碎、分散，制成均匀弥散的糊状金 属浆料。最新发展的还有倾斜冷却板法、冷却 控制法、新MIT法等。
半固态铸造成形装备
一步法— 流变铸造 半固态铸造成形是在液态金属凝固的过程中进行强烈 的搅动，使普通铸造凝周易于形成的树枝晶网络骨架被打 碎而形成分散的颗粒状组织形态，从而制得半固态金属液， 然后将其铸成坯料或压成铸件。 根据其工艺流程的不同，半固态铸造可分为流变铸造 二步法— 和触变铸造两大类。 触变铸造 流变铸造是将从液相到固相冷却过程中的金属液进行 强烈搅动，在一定的固相分数下将半固态金属浆料压铸或 挤压成形，又称“一步法”； 触变铸造是先由连续铸造方法制得具有半固态组织的 锭坯，然后切成所需长度，再加热到半固态状，再压铸或 挤压成形，又称“二步法”。
半固态铸造的其他装置
流变铸造采用“一步法”成形，半 固态浆料制备与成形联为一体，装备 较为简单； 触变铸造采用“二步法”成形，除 有半固态浆料制备及坯料成形装备外， 还有下料装置、二次加热装置、坯料 重熔测定控制装置等。
半固态铸造工艺应用
半固态铸造工艺应用半固态铸造工艺是指在金属熔体中掺入半固态剂，通过特定的工艺条件，使金属熔体部分凝固成半固态状态，再进行铸造制造。
半固态铸造有着许多优点，例如成形良好、缩短加工周期、提高产品性能等。
以下将从原理、工艺、优缺点和应用等方面介绍半固态铸造。
一、原理半固态铸造工艺的原理在于铸造时将金属熔体掺入半固态剂，控制好半固态熔体的比例和凝固温度，使其部分凝固成良好的半固态状态。
半固态状态下的金属材料不仅具有良好的流动性，而且还具有较高的塑性和较小的收缩率，使得铸件成形更加均匀、精准。
二、工艺1、原料准备：将金属熔体和半固态剂按比例配制，控制好加热和冷却的速度。
2、熔体搅拌：在混合后的金属熔体中通过机械搅拌或气体喷吹等方式来控制其凝固和防止熔化。
3、控制温度：控制金属熔体的加热温度和冷却温度，使其快速凝固成为良好的半固态熔体，保持其流动性。
4、铸造：将半固态熔体注入模型中进行铸造，在适当的时间内完成金属熔体的凝固和冷却，取出铸件进行二次加工或直接使用。
三、优缺点1、优点：半固态铸造工艺可以有效提高铸件的成形精度和表面质量，并且能够缩短加工周期，提高产品的性能和使用寿命。
2、缺点：半固态铸造需要专业的设备和技术支持，在操作过程中需要精密控制温度和时间，成本较高。
四、应用由于半固态铸造具有许多优势，因此在航空、汽车、轨道交通、电力等重要领域的应用越来越多。
例如，航空设备制造中常采用半固态铸造工艺生产复杂形状的铝合金零部件，可以大大提高飞机的动力性能；汽车制造中，半固态铸造可用于生产大型铝制汽车零部件，如发动机缸体和曲轴；轨道交通制造方面，半固态铸造可用于生产高速列车的车架、车身等零部件，提高列车的运行速度和安全性。
综上所述，半固态铸造工艺具有成形精度高、减少加工周期、提高产品性能等优点，在各大领域的应用前景广阔。
同时，我们也要认识到半固态铸造存在一些技术难度，需要专业人士的支持和掌握。
我们期待半固态铸造技术的不断发展和改进，为我们的工业制造业带来更多的机遇和挑战。
半固态金属铸造工艺
半固态金属铸造工艺引言半固态金属铸造（Semi-Solid Metal Casting, SSMC）是一种新兴的金属加工技术，它结合了传统铸造和塑性加工的优点，在制造高性能金属零件方面展现出巨大的潜力。
本文将介绍半固态金属铸造工艺的基本原理、优势和应用领域。
工艺原理半固态金属铸造工艺是指将金属材料在半固态（呈半固态状态）下进行铸造制作零件的技术。
其基本原理是通过精确控制金属的温度和组织结构，在高温下使金属呈现出部分固态和部分液态的状态，以便于形成高质量的零件。
半固态金属铸造的关键是控制金属的固相含量和液相形态。
固态粒子的存在可以提供一定的支撑力，防止破裂或变形，同时液态相的存在有助于金属的流动和充填。
通常使用精确控制温度和加热时间的方式，使金属逐渐达到半固态状态，在此状态下进行铸造。
工艺步骤半固态金属铸造工艺的一般步骤如下：1.材料准备：选择适合的金属合金，准备所需的原材料。
2.加热处理：将原材料放入特定的熔炼设备中，进行加热处理，使金属逐渐达到半固态状态。
3.浇注：将半固态金属倒入铸模中，通过重力或压力使金属充填整个模型空腔。
4.冷却固化：待金属充填完成后，让金属在模具中冷却和凝固，形成所需零件的形状。
5.取模：将模具打开，取出冷却固化后的零件。
6.精加工：对取模零件进行必要的机加工和表面处理，以获得最终产品。
工艺优势相对于传统的铸造工艺，半固态金属铸造具有以下优势：1.高成形性：半固态金属在流动性上表现出类似于塑料的特性，可实现复杂零件的精确铸造。
2.优良表面质量：由于金属呈半固态状态，能够更好地填充模具空腔，从而获得更高的表面质量和精度。
3.减少缺陷：半固态金属铸造可以有效减少常见的铸造缺陷，例如气孔和收缩缺陷。
4.提高材料性能：半固态处理能够使金属材料的晶粒变细，提高材料的强度和耐热性，同时减少金属的残留应力。
5.快速生产周期：相对于传统的金属加工方法，半固态金属铸造能够大幅缩短生产周期，提高生产效率。
半固态金属铸造工艺
半固态金属铸造工艺1. 引言半固态金属铸造是一种先进的金属加工工艺，它结合了传统金属铸造和金属注射成型的优点。
该工艺通过控制金属的凝固过程，使金属在部分凝固的状态下进行铸造，从而获得具有优异性能的金属零件。
本文将详细介绍半固态金属铸造的工艺流程、优势以及在工业中的应用。
2. 半固态金属铸造的工艺流程半固态金属铸造的工艺流程主要包括以下几个步骤：2.1 材料准备半固态金属铸造使用的材料主要是半固态金属（SSM）合金。
这些合金通常由金属基体和固态渣滓相组成。
在铸造过程中，需要对材料进行预处理，以达到适合半固态铸造的状态。
2.2 熔化与凝固控制熔化是半固态金属铸造的关键步骤之一。
合金需要在高温熔炉中被加热，达到液态状态。
接下来，通过控制冷却速度和温度梯度，使合金在部分凝固的状态下进行铸造。
2.3 注射成型在凝固过程控制好后，将半固态合金注入到铸造模具中。
模具通常采用金属材料或陶瓷材料制成，以确保注射后的零件具有较高的精度和表面质量。
2.4 冷却与处理注射完成后，零件需要经过冷却和处理过程。
冷却过程可以使用冷却液或空气来加速金属的凝固。
处理过程则包括去除模具、清洁表面以及进行热处理等步骤。
2.5 后续加工与检测铸造完成后的零件可能需要进行后续加工，如切割、车削、铣削等，以达到最终的形状和尺寸要求。
同时，对零件进行必要的检测和质量控制，确保产品的合格率。
3. 半固态金属铸造的优势半固态金属铸造相比传统的金属铸造具有以下优势：3.1 高成形性半固态金属铸造能够在低温、低应力条件下进行，使得金属能够更易于塑性变形，提高了材料的成形性能。
相比之下，传统的铸造工艺通常需要高温和高应力条件下进行，容易导致材料变形和裂纹。
3.2 较高的力学性能半固态金属铸造制备的零件具有较高的力学性能。
由于半固态金属在凝固过程中保持有一定的流动性，较完全凝固的材料具有更细小的晶粒尺寸和更好的晶界组织。
这使得材料的硬度、强度和韧性等力学性能得到了显著提高。
半固态成型技术
半固态成形技术及其应用【摘要】本文介绍了半固态成形技术的基本原理、技术优点，重点论述了搅拌、非搅拌浆料制备方法的优缺点及触变、流变、注射成形工艺的特点，并阐述了半固态成形技术工业化应用的现状和发展前景.【关键词】半固态成形技术原理浆料制备成形方法应用1前言20世纪70年代，美国麻省理工学院的Flemimgs提出了金属半固态成形技术(SSM)，就是金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或控制固一液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相组分甚至可高达60%)，这种半固态金属浆料具有流变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种即非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态成形技术。
2半固态成形工艺的基本原理2.1半固态组织的形成机理2.1.1枝晶断裂机制在合金的凝固过程中，当结晶开始时晶核是以枝晶方式生长的。
在较低温度下结晶时，经搅拌的作用，晶粒之间将产生相互碰撞，由于剪切作用致使枝晶臂被打断，这些被打断的枝晶臂将促进形核，形成许多细小的晶粒。
随着温度的降低，这些小晶粒从蔷薇形结构将逐渐演化成更简单的球形结构。
2.1.2 枝晶熔断机制在剧烈的搅拌下，晶粒被卷入高温区后，较长的枝晶臂容易被热流熔断，这是由于枝晶臂根部的直径要比其它部分小一些，而且二次枝晶臂根部的溶质含量要比它表面稍微高一些，因此枝晶臂根部的熔点要低一些，所以搅拌引起的热扰动容易使枝晶臂根部发生熔断。
枝晶碎片在对流作用下，被带入熔体内部，作为新的长大核心而保存下来，晶粒逐渐转变为近球形。
2.1.3 晶粒漂移、混合—抑制机制在搅拌的作用下，熔体内将产生强烈的混合对流，凝固过程是就在激烈运动的条件下进行，因而是一种动态的凝固过程。
结晶过程是晶体的形核与长大的过程，强烈的对流使熔体温度均匀，在较短的时间内大部分熔体温度都降到凝固温度，再由于成分过冷，熔体中存有大量的有效形核质点，在适宜条件下能以非均匀形核的方式形成大量晶核，而混合对流引起的晶粒漂移又极大的增大了形核率。
半固态压铸工艺过程
半固态压铸工艺（ Semi-Solid（Metal（Casting，简称SSM或SSMC）是一种介于传统铸造和锻造之间的先进金属成型技术。
它利用金属在半固态状态下的流变特性进行成型，结合了铸造和锻造的优点。
半固态压铸工艺过程主要包括以下几个步骤：
1.（金属熔炼：首先将金属原料加热至熔点，形成液态金属。
2.（半固态处理：将液态金属冷却至半固态，即部分凝固状态。
这一过程可以通过搅拌、振动或其他方法实现，目的是使金属在半固态时形成均匀的微观结构，包括细小的固态颗粒和液态金属相。
3.（半固态金属的预热：将半固态金属加热至适当的温度，以确保其具有良好的流动性和可塑性。
这一步骤对于保证成型质量至关重要。
4.（压铸成型：将预热后的半固态金属注入压铸模具中。
由于半固态金属的流动性好，可以在较低的压力下填充模具，减少成型缺陷。
5.（冷却与凝固：半固态金属在模具中冷却并凝固，形成所需的零件形状。
6.（脱模与后处理：冷却后的零件从模具中取出，进行必要的后处理，如去毛刺、热处理、表面处理等，以满足最终产品的性能要求。
半固态压铸工艺的优点包括：
提高材料利用率：由于半固态金属的流动性好，可以减少材料浪费，提高材料利用率。
减少成型缺陷：半固态金属的流动性和可塑性有助于减少成型过程中的缺陷，如气孔、缩孔等。
提高生产效率：半固态压铸工艺可以在较低的压力下成型，缩短了生产周期，提高了生产效率。
改善产品性能：半固态压铸工艺可以产生细小的晶粒结构，提高材料的力学性能和耐磨性。
半固态压铸工艺广泛应用于汽车、航空航天、电子和消费品等领域，用于生产各种复杂的金属零件。
半固态金属压铸
原理：在合金液冷却过程中 施加剧烈的搅拌，使枝晶破 碎，得到一种悬浮一定量球 状固相的浆料，进行成形。
（一）流变压铸（Rheocasting） 金属锭→液态→制备浆料 （搅拌→ 冷却）→半固态浆 料→压铸
三、半固态成形方法
特点：
由于金属浆料的良好的流动性能，可以得到尺 寸精确、形状复杂、组织致密的高质量铸件；
半固态压铸工艺过程
特点： 充型平稳，铸件尺寸精度高，表 面质量优良，气孔、缩孔、缩松缺 陷少，组织致密。可以热处理、可 以焊接。压铸模寿命长。 但触变压铸首先需要生产半固态 金属坯料，成本高；另外，二次加 热能耗大，工艺过程较复杂，具有 触变性能的材料种类也不多等
三、射铸成形 （Injection Molding）
原理：把镁合金颗粒投入料斗，原 料经过加热到高温的料筒，螺杆的 转动对镁合金产生剪切作用，使其 成为具有触变物理性能的半固态浆 料，快速注射到模具内成形。
成形原理
射铸成形过程(1)
射铸成形过程(2)
射铸成形机
射铸成形产品图
完
由于在流变压铸中，半固态金属浆料的保持及 输控制严格而困难，目前的实际应用较少。 流变成形比触变成形工艺更简单、能耗更低 ， 流程短，铸件的成本也更低，是未来重要的发展 方向。
镁合金半固态流变压铸零件图
汽车制动器推盘 （已表面钝化处理）
（带浇注系统的零件）
（二）触变压铸（Thixocasting） 金属锭→液态→制备浆料 （搅拌→ 冷却）→半固态浆 料→淬冷→铸锭→ 切割胚料 → 重新加热→触变压铸
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追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月21日星期 三上午8时23分 0秒08:23:0020.10.21
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严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年10月 上午8时 23分20.10.2108:23Oc tober 21, 2020
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作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2020年10月21日星期 三8时23分0秒08:23:0021 October 2020
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安全在于心细，事故出在麻痹。20.10.2120.10.2108:23:0008:23:00October 21, 2020
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踏实肯干，努力奋斗。2020年10月21日上午8时23分 20.10.2120.10.21
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加强交通建设管理，确保工程建设质 量。08:23:0008:23:0008:23Wednesday, October 21, 2020
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踏实肯干，努力奋斗。2020年10月21日上午8时23分 20.10.2120.10.21
普通铸造 （T6）
半固态压铸 （T6）
ห้องสมุดไป่ตู้
310 提高量
27MP 337 a
屈服强度(MPa)
248 提高量 20MPa
268
延伸率（%）
3 提高量 300%
12
半固态成形技术应用
• 1978年，美国Alumax公司建成了世界上第一条 汽车零部件的触变生产线。
• 1988－1998年间，生产的铝合金汽缸，用于 Volve、BMW 、Audi等汽车
下直接送往成形设备进行成形加工，通常称为半固态金属 的流变成形(Rheoforming) 触变成形是将半固态金属浆料进一步凝固成坯料后，再按 需要将坯料分切成一定大小，把这种切分的半固态坯料重 新加热到半固态温度，然后将半固态坯料送往成形设备进 行成形加工 (Thixoforming)
高温合金半固态组织
着剪切速率的增加而降低的特性。
非常小的流动阻力和良好的成形性能。
技术核心： 固－液混合浆料获得非枝晶组织，固
相必须球化和细化，
近球形晶或等轴晶
枝晶
球形晶或 等轴晶
工艺如何实现？
半固态金属坯料制备方式
1、机械搅拌法： 是最早用于制备非枝晶组织金属的方法。
一种是由两个同心带齿的圆筒组成，内筒保持静 止，外筒旋转；另一种是在熔融的金属中利用搅 拌棒进行搅动。 存在问题：
a 铜合金 b 不锈钢 c 低合金钢
铝合金 铝基复合材料
SIMA加工过程组织变化
a 原始组织 b 挤压预变形后 C 挤压预变形后再加热 至半固态
ZL101A合金不同成型方式显微组织对比
半固态铸造
重力铸造
液态成形
半固态成形
ZL101A合金力学性能对比
合金
ZL101 A
状态 抗拉强度（MPa）
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好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午8时23分0秒 上午8时 23分08:23:0020.10.21
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一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.2120.10.2108:2308:23:0008:23:00Oc t-20
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牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年10月21日 星期三8时23分 0秒 Wednesday, October 21, 2020
设备投资大，工艺较复杂，成本高。
电磁搅拌示意图
3、应力诱发熔化激活工艺：S.I.M.A.(Strain Induced Metl Activated) 常铸锭经过20%左右的预形变，然后加热至 半固态。
加热过程组织变化：
首先发生再结晶，然后部分熔化，使固相晶粒分散 在液相基体中，得到半固态金属成型所需的原材 料。
• 为Ford汽车公司生产的1500万件铝合金压缩机活 塞，成品率几乎为100％。
• 此外，应用于铝合金轮毂
生产效率与经济性
半固态主要特点
• 凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。 可适用于铸造、挤压、锻压、焊接多种加工工艺。
• 充型平稳，无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收 缩小。
• 铸件尺寸精度高，成形尺寸与成品零件几乎相同， 极大减少了机械加工量。
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安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.2108:23:0008:23Oc t-2021- Oct-20
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特点：
对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有其独特 的优越性，如不锈钢，铜合金。
增加了一道预变形工序，成本提高，锭坯尺寸 受限制。
• 4、等温处理
组织变化：
枝晶 短枝晶
枝晶碎块
颗粒
颗粒长大
均匀化
还有什么其它方法？
• 晶粒细化 • 超声波细化
半固态成形工艺
主要有两种：流变成形和触变成形 流变成形是将获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度
谢谢大家！
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树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.2120.10.21Wednes day, October 21, 2020
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人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。08:23:0008:23:0008:2310/21/2020 8:23:00 AM
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安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.2108:23:0008:23Oc t-2021- Oct-20
半固态铸造成形
铸造
• 砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失 模铸造、石膏型铸造等
• 重力铸造、低压铸造、挤压铸造
利用凝固结晶过程来控制组织的变化
金属液温度在液相线以上进行成形
铸造、 液态模锻
半固态成形
锻造、 挤压
• 20世纪70年代初，美国麻省理工学院Flemings 与Spencer等人发现了金属凝固过程中的特殊力 学行为，根据强力搅拌半凝固金属所呈现的流变 学性质．成功用搅拌方法制备出了半固态金属并 进行了铸造成形，称之为流变铸造 (Rheocasting)。
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• 凝固时间短，有利于提高生产效率。
• 主要缺点： 半固态成形技术对金属的合金成分有一定适用
范围。需具有足够大的半固态区间，并且固相率 随温度变化比较缓慢，以便于监控半固态合金的 固相率，从而实现对半固态材料制备与成形过程 的控制。
液一固相线区间范围小的合金不适合。 如纯金属、共晶合金
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相信相信得力量。20.10.212020年10月 21日星 期三8时23分0秒20.10.21
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安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.2108:23:0008:23Oc t-2021- Oct-20
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加强交通建设管理，确保工程建设质 量。08:23:0008:23:0008:23Wednesday, October 21, 2020
生产效率低、固相分数30%－60%、 搅拌棒会造成熔融金属的污染。
间歇式 连续式
2、电磁搅拌法： 利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，