鄭州華菱超硬材料有限公司
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河南超硬材料研究方向及發(fā)展趨勢

來源:http://www.shawsweb.com      |      作者:華菱超硬      |      發(fā)布時(shí)間:19-08-13      |       次瀏覽

引言:我國超硬刀具材料的研究與應(yīng)用開始于70年代,并于1970年在貴陽建造了我國第一座超硬材料及制品的專業(yè)生產(chǎn)廠—第六砂輪廠,從1970~1990年整整20年中,超硬材料年產(chǎn)量僅從46萬克拉增至3500萬克拉。90年代前后不少超硬材料生產(chǎn)專業(yè)廠從國外引進(jìn)了成套的超硬材料合成設(shè)備及技術(shù),產(chǎn)量得到迅速發(fā)展,至1997年我國人造金剛石年產(chǎn)量就已達(dá)到5億克拉左右,CBN年產(chǎn)量達(dá)800萬克拉,躍居世界上超硬材料生產(chǎn)大國之首。 

    對于超硬材料行業(yè)來說,河南一直都有著領(lǐng)航者的作用。超硬材料企業(yè)在河南的發(fā)展可謂是枝繁葉茂,特別是近些年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)化水平的不斷提高,超硬材料也呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。企業(yè)實(shí)力不斷增強(qiáng),企業(yè)規(guī)模不斷壯大。河南超硬材料企業(yè)創(chuàng)造的產(chǎn)值占全國同領(lǐng)域產(chǎn)值的50%以上,占河南省的60%以上??梢哉f,自1963年我國第一顆人造金剛石在河南省誕生以來,河南便成了我國超硬材料研究開發(fā)中心和技術(shù)人才的輻射源。以其獨(dú)特的中原文化之風(fēng)采吸引著眾多中外客商。與其它產(chǎn)業(yè)比較,超硬材料在國民經(jīng)濟(jì)中的分量并不大,但在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中發(fā)揮著不可替代的作用。可以說,超硬材料行業(yè)雖小,卻屬于強(qiáng)勢行業(yè)。
    據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全省大概有200余家超硬材料及制品生產(chǎn)企業(yè)。這些企業(yè)大部分分布在鄭州市高新區(qū)超硬材料及制品產(chǎn)業(yè)園和鄭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。2008年,鄭州超硬材料實(shí)現(xiàn)銷售收入39億元,工業(yè)增加值12.8億元,利稅10.5億元。
河南超硬材料研究所及超硬材料協(xié)會(huì)針對河南超硬材料行業(yè)現(xiàn)狀作出以下發(fā)展目標(biāo):
1、明確發(fā)展目標(biāo)
    我們以為,首先應(yīng)有一個(gè)明確的目標(biāo)。目標(biāo)是獲得成功的基石,是成功路上的里程碑。沒有明確的目標(biāo),沒有目標(biāo)的努力,顯然如竹籃子打水,終將一無所有。有了目標(biāo),人們才會(huì)下定決心攻占事業(yè)高地;有了目標(biāo),深藏在內(nèi)心的力量才會(huì)找到“用武之地”。若沒有目標(biāo),絕不會(huì)采取真正的實(shí)際行動(dòng),自然與成功無緣。一個(gè)企業(yè)能否成功,確定目標(biāo)是首要的戰(zhàn)略問題。
那么,超硬材料工具發(fā)展目標(biāo)是什么? 發(fā)展超硬材料工具的目標(biāo)或努力方概括起來應(yīng)是:滿足環(huán)境保護(hù)的需要、滿足節(jié)資節(jié)能的需要、滿足高效加工的需要、滿足高精加工的需要、滿足特殊功能的需要。只有這樣才能創(chuàng)造出一個(gè)科學(xué)技術(shù)高度現(xiàn)代化、精神文明與和諧的社會(huì),而充分發(fā)揮作為材料之王的作用。具體來說:
  1.1.建立高素質(zhì)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)與實(shí)驗(yàn)中心。
  1.2.培育有專業(yè)特色的生產(chǎn)基地。
  1.3.擴(kuò)大繩鋸的品種規(guī)格,擴(kuò)大應(yīng)用范圍,進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量,向更專業(yè)化的方向發(fā)展。
  小直徑繩鋸(Ф8mm以下的串珠)是提高繩鋸切割效率、節(jié)省能源和成材率的有效途徑,為多繩大板切割機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展提供了有力支持;繩鋸專用鋼絲繩國產(chǎn)化是當(dāng)務(wù)之急,國產(chǎn)繩鋸使用進(jìn)口鋼絲制造,而進(jìn)口鋼絲繩價(jià)格是國產(chǎn)鋼絲繩的10倍;加快金剛石繩鋸制粒技術(shù)的研究;盡快研制金剛石繩鋸專用預(yù)合金粉;加快開采繩鋸機(jī)相關(guān)設(shè)備的研制步伐,提高繩鋸開采的配套水平。
  1.4.金剛石工具制造業(yè)的重心正在經(jīng)歷由制造費(fèi)用昂貴的歐、美國家向原材料、勞動(dòng)力成本相對低廉的中國和韓國轉(zhuǎn)移,基本完成。中、高檔專業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)向亞洲的轉(zhuǎn)移已開始啟動(dòng)。未來幾年里專業(yè)金剛石工具生產(chǎn)將迎來這一轉(zhuǎn)移高峰期,也是中國廠家面臨“跨越式發(fā)展”的歷史機(jī)遇[1]。
  1.5.電子信息產(chǎn)業(yè)在全球按摩爾定律高速發(fā)展,在我國國民經(jīng)濟(jì)中電子信息產(chǎn)業(yè)已成第一大支柱產(chǎn)業(yè),而電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)是集成電路(IC)產(chǎn)業(yè),目前95%以上半導(dǎo)體器件和99%只以上的集成電路(IC)是用硅材料制成的,因此,硅材料生產(chǎn)及其加工在半導(dǎo)體和集成電路生產(chǎn)中具有重大作用與地位。
  20世紀(jì)末,世界上共有芯片生產(chǎn)線949條,我國僅25條,占世界的2.6%。2000年世界半導(dǎo)體行業(yè)銷售總額達(dá)2221億美元,而我國僅有31.3億美元,為世界銷售額的1.4%。與我國作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步快速發(fā)展大國的地位極不協(xié)調(diào)。規(guī)劃到2010年我國集成電路產(chǎn)量要達(dá)到500億塊,其銷售額超過2000億元,中國占世界市場的份額為5%,滿足國內(nèi)市場需求達(dá)50%。這一形勢促使我國半導(dǎo)體集成電路行業(yè)發(fā)展提供了極大的市場與前景。
  為滿足芯片微型化、高密度化、高速化、高數(shù)字化和系統(tǒng)集成化的要求,對芯片直徑、平坦化、線寬和金屬互連層數(shù)提出了更高的要求,這樣對晶片的精密加工提出了更高要求。
  硅片屬于非常堅(jiān)硬的硬脆材料,又是良好的半導(dǎo)體材料,故在芯片加工中,在不同環(huán)節(jié)必須多次使用金剛石工具進(jìn)行高精密加工,這給金剛石工具制造者提出了新的任務(wù)、新的課題、新的方向。對于我國金剛石工具制造業(yè)來說,積極研究半導(dǎo)體硅材料加工用超精密金剛石工具是極其難巨而重要的任務(wù),國內(nèi)市場潛力巨大,但任重道遠(yuǎn)。
  半導(dǎo)體加工用金剛石工具屬于高精度加工工具,采用超細(xì)金剛石,超薄的切割刃,超高轉(zhuǎn)速磨削與鋸切,要求加工精度高。因此,制造難度大,技術(shù)門檻高,目前主要為國外金剛石工具制造商所控制[2]。
  1.6. 開發(fā)高效、高精加工用磨具與刀具。
  PcBN是模具、航天航空、汽車業(yè)高效、高精的最有潛力的刀具材料。
  PcBN刀具適用于有色/黑色金屬及其合金的切削加工:目前,廣泛用于淬火鋼、冷硬鑄鐵、熱噴涂材料、純鎳等難加工材料和精密加工中。
  PcBN立銑刀高速銑削HRC60以上的高硬鋼時(shí),可實(shí)現(xiàn)超過2000m/min的超高速高精切削。
  意大利SAID公司認(rèn)為,現(xiàn)代刀具制造技術(shù)正迎來一場深刻的、革命性變革。精密五軸數(shù)控工具磨床和磨削中心的采用和普及,為新世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)對高精密、高效率刀具的廣泛需求提供了答案,也給世界砂輪制造業(yè)帶來了空前的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
  PCD是加工石墨、合成材料等非金屬難加工材料唯一適用的高效刀具。
2、把握發(fā)展趨勢
  2.1.隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的不斷推進(jìn),世界制造業(yè)中心向中國以至亞洲轉(zhuǎn)移,歐美的磨具生產(chǎn)商和銷售商正在把目光投向亞洲市場。
  2.2.超硬材料及制品技術(shù)創(chuàng)新的方向應(yīng)圍繞世界制造技術(shù)發(fā)展的四大趨勢“綠色制造、與高新技術(shù)相融合、基于網(wǎng)絡(luò)的制造技術(shù)、極端制造”。
  2.3.我國的磨料磨具新產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)該注重市場需求、技術(shù)需求,圍繞磨削技術(shù)的發(fā)展方向,做好產(chǎn)品開發(fā)的定位,配套高水平的數(shù)控磨床、復(fù)合機(jī)床和加工中心,圍繞“高速、精密、柔性、復(fù)合、環(huán)保”的方向進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)。
  2.4.應(yīng)考慮節(jié)能(鋒利性好的磨具)、降耗(使用壽命長、高速、高效磨具)和環(huán)境保護(hù)(如多研制一些無冷卻液磨削的磨具),積極應(yīng)用其他領(lǐng)域的新技術(shù)、新工藝來提高磨具產(chǎn)品的質(zhì)量水平和技術(shù)水平。
  2.5.高品級PCBN與PCD的“四化”
  2.5.1.規(guī)格尺寸日益大型化。目前,國外最大的金剛石復(fù)合片的直徑已超過100mm,投放市場的主流產(chǎn)品的直徑為60~80mm。
  國外一直在努向大直徑圓形復(fù)合體,再切割成各種所需形狀和尺寸的刀片,這給制造者和用戶均帶來極大的方便。復(fù)合體直徑越大,不僅單位面積產(chǎn)品成本降低(如進(jìn)口Ф50.8mm產(chǎn)品的單位面積售價(jià)僅為Ф13.2mm的67%),而且由于大部分刀片以直線為棱邊,片徑越大,切割分離損失的周邊部位弓形面積比例越小,即材料利用率越高,進(jìn)一步降低了最終使用成本,這就必然使其具有更強(qiáng)的市場競爭力。直徑的大小,決不是一個(gè)尺寸問題,直徑本身就是一個(gè)綜合技術(shù)水平的標(biāo)志,需要解決一系列技術(shù)上的難題,包括設(shè)備的大型化問題。因而可以說向大直徑發(fā)展是中國PcBN材料研究領(lǐng)域及行業(yè)技術(shù)持續(xù)進(jìn)步的一個(gè)帶有方向性的課題。
    2.5.2.晶粒細(xì)化、質(zhì)量優(yōu)化、性能均一化?,F(xiàn)在發(fā)展到使用2μm甚至0.5μm以下的金剛石。元素六公司提供的直徑70mm產(chǎn)品的中心點(diǎn)與邊緣點(diǎn)耐磨性和耐熱性指標(biāo)的偏差控制在30%范圍內(nèi),基本上均勻一致。
  2.5.3.形狀、界面結(jié)構(gòu)多樣化。
  2.5.4.產(chǎn)品品種系列化。發(fā)達(dá)國家的PcBN產(chǎn)品,已形成多個(gè)系列上百個(gè)品種,而國內(nèi)PcBN產(chǎn)品尚未形成系列產(chǎn)品,可供刀具制造業(yè)使用的產(chǎn)品非常少,很難適應(yīng)市場需求。國外PcBN的供貨規(guī)格一般為Ф50mm以上,PcBN最大規(guī)格達(dá)Ф101.6mm;國內(nèi)已開發(fā)出Ф33mm的產(chǎn)品,但供應(yīng)市場的主要還是片徑為Ф10mm、Ф12mm、Ф14mm的產(chǎn)品。
  如所周知,PcBN刀具刃口質(zhì)量的好壞直接影響到PcBN的使用效果,而PcBN組織結(jié)構(gòu)的不均勻?qū)⒅苯佑绊慞cBN刀具刃口的質(zhì)量,最終反映為PcBN切削性能的不穩(wěn)定。國外PcBN合成一般使用單粒度的cBN微粉和粒度很細(xì)的結(jié)合劑,結(jié)合劑在PcBN中基本以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布,不僅提高了PcBN的導(dǎo)電性能,易于切割,更重要的是PcBN組織結(jié)構(gòu)的均勻,綜合切削性能良好。
  國產(chǎn)PcBN普遍存在“硬度有余而韌性不足”的問題,這主要是國產(chǎn)PcBN生產(chǎn)一般使用高cBN含量的配方及合成時(shí)間過短有關(guān)。國外PcBN合成時(shí)間一般較長,觀察顯示,其PcBN中cBN顆粒部分實(shí)現(xiàn)了直接結(jié)合,因而達(dá)到了硬度與韌性的同時(shí)兼顧。
  產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定是國產(chǎn)PcBN存在比較突出的問題,也是行業(yè)中一直未能得到很好解決的問題,這個(gè)問題的存在嚴(yán)重阻礙了國產(chǎn)PcBN的快速推廣應(yīng)用,致使大量國外PcBN產(chǎn)品進(jìn)入國內(nèi)市場[3]。
  PCD刀具在木材加工工業(yè)中的潛在市場很大。
  2.6. 某所針對硅片超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢,開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的硅片超精密加工磨削用金剛石砂輪,對提高我國超精密磨具的制造水平和超精密磨削技術(shù),結(jié)束我國半導(dǎo)體行業(yè)使用金剛石制品全部依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀,促進(jìn)該行業(yè)的國產(chǎn)化進(jìn)程,縮小與國際先進(jìn)水平的差距,均有重要意義。
  2.7 高速砂輪的開發(fā)
  目前,在實(shí)際應(yīng)用中,磨削速度在100m/s以上的磨削被稱為高速磨削[10]。高速磨削是一種集高效、優(yōu)質(zhì)于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。與普通磨削相比,高速磨削具有以下優(yōu)越性[4~7]:
  (1).材料去除率高,加工效率高;
  (2).磨削力和工件受力變形小,加工精度和加工質(zhì)量好;
  (3).砂輪磨損減少,壽命提高;
  (4).可實(shí)現(xiàn)硬脆性和難加工材料的高性能加工。
  因此,德國著名磨削專家T.Tawakoli博士將其譽(yù)為“現(xiàn)代磨削技術(shù)的最高峰” 。
  國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)將他定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。
  高速磨削可以大幅度地提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量并降低成本,德國、美國、日本等國家已經(jīng)把該技術(shù)應(yīng)用在航空、汽車、模具等領(lǐng)域。超硬磨料砂輪已經(jīng)在高速磨削中得到廣泛應(yīng)用,帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益。其中,釬焊超硬砂輪是一種很好的具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦透咚偕拜啠裟苁蛊洚a(chǎn)業(yè)化,將大大推進(jìn)高速磨削技術(shù)的應(yīng)用。
2.8 超硬材料砂帶
  砂帶作為一種柔性磨削工具,與固結(jié)磨具砂輪相比,具有磨削熱量小、磨削效率高以及形狀保持性好等優(yōu)點(diǎn)。西方發(fā)達(dá)國家從對人體健康和環(huán)保的目的出發(fā),已經(jīng)興起使用超硬材料砂紙、砂帶等涂附磨具取代剛玉、碳化硅等普通磨料涂附磨具。超硬材料制作的砂布、砂帶等涂附磨具,在使用中不但壽命長且粉塵極少,符合對人體健康和環(huán)保越來越嚴(yán)格的要求。
  隨著現(xiàn)代機(jī)械加工工業(yè)的不斷發(fā)展及各種新型材料的不斷出現(xiàn),對制品、零件的加工精度和表面粗糙度的要求越來越高,這就要求相應(yīng)的先進(jìn)的磨削技術(shù)和磨具,尤其是涂附磨具向更高效、高壽命和超精密的方向發(fā)展。
  專用布基的研究,應(yīng)用聚脂布作為超硬砂帶基材,能充分發(fā)揮超硬磨料耐磨性高、保形性的特點(diǎn),使加工精度、表面粗糙度達(dá)到很好的效果。因此,聚脂纖維布基應(yīng)用于超硬材料砂輪是未來發(fā)展的一個(gè)趨勢。有用嗎不錯(cuò)補(bǔ)水面霜排行榜瘦腿25歲用什么眼霜好日霜隔離哪個(gè)好祛斑什么牌子的眼線筆眼線液眼線膠好用
  由于其較普通布基價(jià)格昂貴很多,因而找到能替代聚脂纖維布且價(jià)格相對較低的新布基應(yīng)用于超硬材料砂帶的生產(chǎn)實(shí)踐使之達(dá)到高效、超精密,是將來的研究方向之一。
  現(xiàn)代材料加工總體朝著高精度、高效率和專用的方向發(fā)展,特別是在國工業(yè)、集成電路、信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域,精密和超精密磨削加工對提高產(chǎn)品性能具有很大作用。因此,研制精密與超精密磨削專用超硬材料砂帶必然是未來的主要研究方向。
  2.9 陶瓷結(jié)合劑超硬磨具
  如果說普通磨料磨具是工業(yè)的“牙齒”,他們的使用標(biāo)志著一個(gè)國家工業(yè)化水平的話,那么,超硬磨具的使用,可以說是一個(gè)國家工業(yè)化發(fā)達(dá)水平的標(biāo)志。
  近年來,在一些發(fā)達(dá)國家陶瓷結(jié)合劑磨具的發(fā)展非常迅速,其發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過樹脂結(jié)合劑和金屬結(jié)合劑,具體表現(xiàn)在產(chǎn)品的系列化、品牌化和普及化,陶瓷結(jié)合劑cBN磨具已普遍使用,陶瓷結(jié)合劑金剛石磨具也得到了快速發(fā)展,使我們看到了陶瓷結(jié)合劑超硬磨具應(yīng)有的光明前途。
  超硬材料的應(yīng)用比例在不斷增大,應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)展,超硬磨具取代普通磨具的趨勢越來越明顯,越來越快。超硬磨具中樹脂結(jié)合劑仍占主導(dǎo)地位,但陶瓷磨具比例在明顯上升。超硬磨具特別是陶瓷超硬磨具迎合了當(dāng)今機(jī)械加工中高速、高效、長壽命、少修整等要求,滿足和推動(dòng)了機(jī)械工業(yè)不斷進(jìn)步,這是磨具不懈追求的發(fā)展方向。
  3.0 聚晶金剛石的發(fā)展趨勢。
  (1).規(guī)格尺寸日益大型化。目前,國外最大的金剛石復(fù)合片的直徑已超過100mm,投放市場的主流產(chǎn)品的直徑為60~80mm。
  (2).晶粒細(xì)化、質(zhì)量優(yōu)化、性能均一化?,F(xiàn)在發(fā)展到使用2μm甚至0.5μm以下的金剛石。元素六公司提供的直徑70mm產(chǎn)品的中心點(diǎn)與邊緣點(diǎn)耐磨性和耐熱性指標(biāo)的偏差控制在30%范圍內(nèi),基本上均勻一致。
  (3).形狀、界面結(jié)構(gòu)多樣化。
3、抓住發(fā)展機(jī)遇:
  3.1目前,在部分發(fā)達(dá)國家市政工程施工中已明文規(guī)定在高速公路、機(jī)場跑道、公共廣場修復(fù)中必須用金剛石鋸片進(jìn)行切割,這一趨勢必將很快向其他國家和地區(qū)擴(kuò)展。
  3.2.當(dāng)前,歐、美等主要發(fā)達(dá)工業(yè)國家的高速公路和機(jī)場均有近百年的歷史,已進(jìn)入修補(bǔ)、重建高峰期。而亞洲等新興發(fā)展中國家則正開始高速公路、大型機(jī)場興建的高峰期。這一切都為金剛石工具提供了新的巨大市場需求,預(yù)計(jì)未來5~10年內(nèi)年內(nèi),金剛石工具的需求將仍保持每年10%以上的速度增長,對金剛石工具制造業(yè)來說,未來10年仍將面對巨大的市場空間。
  3.3.金剛石工具制造業(yè)的重心正在經(jīng)歷由制造費(fèi)用昂貴的歐、美國家向原材料、勞動(dòng)力成本相對低廉的中國和韓國轉(zhuǎn)移,其中中、低檔的DIY產(chǎn)品轉(zhuǎn)移已基本完成。中、高檔專業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)向亞洲的轉(zhuǎn)移已開始啟動(dòng)。未來幾年里專業(yè)金剛石工具生產(chǎn)將迎來這一轉(zhuǎn)移高峰期,也是中國廠家面臨“跨越式發(fā)展”的歷史機(jī)遇。
  3.4.電子信息產(chǎn)業(yè)在全球按摩爾定律高速發(fā)展,在我國國民經(jīng)濟(jì)中電子信息產(chǎn)業(yè)已成第一大支柱產(chǎn)業(yè)。而電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)是集成電路(IC)產(chǎn)業(yè)。目前,95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路(IC)是用硅材料做成的。硅屬于非常堅(jiān)硬的脆性材料,又是良好的半導(dǎo)體材料,故在晶圓(芯片)加工中,在不同的環(huán)節(jié)必須多次使用金剛石工具進(jìn)行高精密加工。
  3.5.以在世界金剛石工具行業(yè)排名的韓國新韓金剛石工具公司為例,2007年其生產(chǎn)銷售收入1.5億美元,其中激光焊接金剛石工具占總收入的55%左右。
  3.6.金剛石繩鋸是一種柔性切割工具,具有效率高、精度高、有利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),不僅在石材行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,而且在建筑行業(yè)也有巨大的潛力。
  中國是世界石材大國,石材資源、石材加工、產(chǎn)品消費(fèi)和國際貿(mào)易額均居世界首位。但是,石材開采卻十分落后,成材率低、規(guī)格小,嚴(yán)重浪費(fèi)資源、破壞環(huán)境,這種狀況必須盡快改變。金剛石繩鋸開采技術(shù)是當(dāng)今世界石材開采的主流,是石材礦山開采現(xiàn)代化的標(biāo)志。世界石材荒料生產(chǎn)大國,諸如巴西、印度、西班牙及歐洲各國,其繩鋸開采的配套率接近100%,而我國卻剛剛起步。
  2005年順應(yīng)國家對礦山開采提出節(jié)約資源、節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的要求,國產(chǎn)金剛石繩鋸和繩鋸機(jī)成功地開始應(yīng)用于花崗巖礦山開采,這將給中國落后的石材礦山開采帶來飛躍式技術(shù)革命,標(biāo)志著我國將擺脫石材礦山開采長期落后的面貌,就像有關(guān)專家所說:“我國石材荒料開采已進(jìn)入金剛石繩鋸時(shí)代”。

 

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