Accurate controlled atmosphere nitriding technology and equipment - 4

1. 第 36 卷 第 7 期
2011 年 7 月 HEAT TREATMENT OF METALS
Vol. 36 No. 7
July 2011
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设 备
精密可控气氛渗氮技术及其设备
董小虹
1
，王桂茂
1
，陈志强
1
，梁先西
1
，常玉敏
1
，钱初钧
2
，王 婧
2
，魏兴钊
3
（ 1． 广东世创金属科技有限公司，广东 佛山 528313； 2． 上海交通大学 材料科学与工程学院，上海 200030；
3. 华南理工大学 材料科学与工程学院，广东 广州 510641）
Accurate controlled atmosphere nitriding technology and equipment
DONG Xiao-hong1
，WANG Gui-mao1
，CHEN Zhi-qiang1
，LIANG Xian-xi1
，
CHANG Yu-min1
，QIAN Chu-jun2
，WANG Jing2
，WEI Xing-zhao3
（ 1． Guangdong Strong Metal Technology Co． ，Ltd． ，Foshan Guangdong 528313，China；
2． Institute of Material Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China；
3. Institute of Material Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510641，China）
中图分类号： TG155. 1 文献标志码： B 文章编号： 0254-6051（ 2011） 07-0115-06
收稿日期： 2010-10-30
作者简介： 董小虹（ 1964—） ，男，福建漳州人，工程师，总经理，全国热处理
学会常务理事，主要从事金属热处理与表面工程技术的研发和产业化工
作，发表论文 10 余篇。通讯作者： 常玉敏，电话： 0757-23322622，传真：
0757-23322619，E-mail： cym@ strongmetal． com． cn
气体渗氮是重要的热处理表面强化工艺，适用
于汽车、能源等动力机械、有色金属型材、电子资讯
产品、家用电器、医疗器械、家具、五金制品和各种机
械设备等制造业的热处理生产。但传统气体渗氮工
艺，无法对氮势与渗氮层组织实现精确控制，严重制
约了渗氮质量的提高，影响机件的力学性能和服役
寿命，并且重现性差，设备自动化程度低，可靠性不
足，在清洁生产和节能方面也达不到要求。目前国
际上对可控气氛热处理技术的研究高度重视，努力
向智能化、精密化、绿色化和低成本化的渗氮技术方
向发展，着重采用信息技术和先进适用技术对传统
技术进行改造，以达到合理选用气体原料、精确控制
热处理质量、确定合理的工艺方法和技术标准的目
的。精密可控气氛渗氮技术成为当今可控气氛热处
理生产中重要的发展方向之一，因此，研究开发并推
广应用精密可控气氛渗氮技术及其设备，有重要的
应用价值和现实意义。
精密可控气氛渗氮以氨 + 氨分解气等为气源，通
过氮势传感器、氮势控制仪和质量流量计等组成的氮
势控制系统，运用集散式计算机系统控制技术和动态
可控渗氮技术，实施对氮势的精确控制，从而精确控制
渗氮层组织，实现对机件的精密渗氮。精密可控气氛
渗氮技术在氮势控制、精密生产、节能减排及其设备研
制上的创新，是对传统渗氮工艺的重大突破，是现代先
进热处理技术“更精、更省、更净”的发展方向。
1 气体渗氮基本原理
气体渗氮的基本过程是工件在一定的渗氮温度和
渗氮气氛氮势条件下，氨与金属表面发生化学反应所
生成的氮原子被金属吸收并向金属内部扩散，在工件
表面形成渗氮层的组织结构。
在渗氮温度下，氨与钢表面发生如下反应：
NH3 =［N］+ 3 /2H2 （ 1）
［N］+ 4Fe = Fe4 N （ γ'相） （ 2）
［N］+ 3Fe = Fe3 N （ ε 相） （ 3）
当式（ 1） 达到平衡时可得铁表面的氮活度：
aN = KP
PNH3
P3 /2
H2
（ 4）
aN 是与气相平衡的铁表面的氮活度，PNH3
、PH2
为
渗氮气氛中 NH3 和 H2 的分压，Kp 是与温度有关的平
衡常数。
1. 1 氮势与临界氮势
在公式（ 4） 中，令 NP =
PNH3
P3 /2
H2
，在一定温度下，其数
值和铁表面的平衡活度 aN 成正比，NP 称为炉气的氮
势或简称氮势，氮势是作为气体渗氮能力的度量
［1-2］
。
氮势的测定依据炉气中 NH3 和 H2 分压的测定。
在热力学平衡条件下，将在钢件表面形成化合物
层所需的最低氮势称为临界氮势，临界氮势与钢的成
分及渗氮温度有关。
渗氮过程看似简单，但诸多因素能对渗氮过程

2. 116 第 36 卷
产生重要影响，如工件材料类型、工件表面状况、渗
氮温度、氮势、渗氮时间、冷却时间以及操作者的技
术水平等。经研究发现，对渗氮温度、渗氮氮势和渗
氮时间等参数进行精确控制，可以实现对渗氮工艺
精确控制。其中，尤以氮势 NP 为渗氮控制的关键
因素。
1. 2 传统的氨分解率与氮势的关系
在传统的渗氮工艺中，炉气的氮势常以氨分解率
的大小来表示。氨分解率多用水吸收法或容量法来测
定。但是用普通的注水式氨分解率瓶所读出的读数，
与真实的氨分解率还是有区别的。
常压下进行渗氮时，氨分解率瓶的读数 V读 = 1 －
PNH3
（ PNH3
是炉气中的氨分压） 。可以证明，真实的氨
分解率 α 与氨分解率瓶读数 V读 之间的关系
［1］
如下：
α =
PNH3
－ 1 + V读
PNH3
（ 2 － V读 ）
（ 5）
式中： PNH3
为加入的混合气中氨的原始分压，α 为
真实的氨分解率，V读 为氨分解率瓶上的读数。
根据公式（ 5） 可作出 α = f（ V读 ） 的关系曲线
［1］
，如
图 1 所示。
图 1 氨分解率瓶读数 V读 与
真实分解率 α 之间的关系
Fig． 1 Relationship between reading point V读 and
real point α of ammonia decomposition rate
1. 3 氮势门槛值曲线
氮势门槛值是指在某特定温度下一定时间对应于
形成 γ' 相或 ε 相氮化物层气相中的氮势必须达到的
最低值
［2］
。其理论计算公式
［3］
可以写为：
Np（ t） =
Np（ c）
1 － exp（
β
2
t
D
） ． erfc（
β槡t
槡D
[ ]）
（ 6）
Np（ t） 为在渗氮时间 t 内能够出现 γ'相和 ε 相的条
件下，气相必须具备的氮势最低值； Np（ c） 为出现化合
物层的临界氮势； β 是气-固反应的传递系数； D 为按
活度计算的扩散系数。
把不同温度下的临界氮势与时间进行表征，形成
该钢种的氮势门槛值特征曲线。渗氮时间越长，氮势
门槛值越低。
图 2 为 38CrMoAlA 钢氮势门槛值理论曲线与试
验曲线
［4］
。
图 2 38CrMoAl 钢在氨分解气体中 510 ℃ 渗氮的氮势门槛值
Fig． 2 Nitrogen potential threshold value of
38CrMoAl steel nitriding at 510 ℃ under
ammonia decomposition atmosphere
1. 4 不同炉气成分下的氮势
前述讨论的是纯氨加氨分解气为原料气渗氮时的
氮势。在实际渗氮工艺中还有加入氮气来调整氮势。
据文献［3］可推演出下列气氛中的氮势计算公式：
1） 纯氨或氨-氨分解气的氮势
NP =
1 －
4
3
PH2
P3 /2
H2
或 NP =
PNH3
［0. 75（ 1 － PNH3
） ］3 /2
2） 氨-氮混合气的氮势
NP =
1. 5x － （ 1 + x） PH2
1. 5P3 /2
H2
或 NP = PNH3
［
1 + x
1. 5（ x － PNH3
）
］3 /2
式中 x 是 NH3 的摩尔分数，PH2
、PNH3
值可用氢探
头和氨红外气体分析仪来测定。
2 动态可控渗氮技术
可控渗氮技术可分为氮势定值渗氮、分段可控渗
氮、氮势门槛值控制渗氮和动态可控渗氮等几种。
氮势定值可控渗氮时氮势控制值不变。参照氮势
门槛值选择氮势的控制值
［2］
，能够按要求控制表面化
合物层的厚度。
分段可控渗氮
［4-5］
在渗氮初期采用与传统渗氮相
当的高氮势，由氮势门槛值曲线判断在高氮势下开始
出现化合物层的时间，并在此时间之前将氮势降低到
与渗氮总时间对应的氮势门槛值。若每一段的保温时
间略短于氮势门槛值曲线所对应的时间，则可实现无
白层可控渗氮。若适当延长高氮势和中氮势阶段的时
间，使工艺曲线略超过氮势门槛值曲线，则可以实现单

3. 第 7 期 董小虹，等： 精密可控气氛渗氮技术及其设备 117
相 γ'可控渗氮或带有薄化合物层的可控渗氮。分段
可控渗氮的渗氮速度高于氮势定值可控渗氮，略低于
传统渗氮。
氮势门槛值控制渗氮是按氮势门槛值与渗氮时间
的关系曲线实施可控渗氮。
对于动态可控渗氮
［4，6］
，则是将工艺过程分为两
个阶段： 第一阶段尽可能提高气相氮势，一旦工件表面
的氮浓度达到预先的设定值，立即转入第二阶段； 令氮
势按照“动态氮势控制曲线”连续下降，使工件表面的
氮浓度不再升高也不下降。动态氮势控制曲线的数学
表达式
［3］
如下：
NP（ g） = NP（ D） （ 1 +
1
π（
β槡t
槡D槡
）
）
式中： NP（ g） 为气相氮势调节值； NP（ D） 为目标氮势。
目标氮势取临界渗氮，可实现无白层可控渗氮； 目
标氮势高于 γ'相的临界氮势而低于 ε 相的临界氮势，
可实现单相 γ'可控渗氮； 目标氮势略高于 ε 相临界氮
势，可实现薄化合物层的可控渗氮。单相 γ'可控渗氮
与薄化合物层可控渗氮的脆性呈略大于无白层可控渗
氮，但比传统渗氮低得多，可以直接投入使用，并且具
有优异的耐磨性。
3 精密可控渗氮设备
精密可控渗氮技术的实现必须通过精密可控渗氮
设备的运行来实现。
精密可控渗氮炉突破了传统气体渗氮炉的设计模
式，对炉内气体流场和温度场进行数值模拟，改进渗氮
炉的内部结构； 应用渗氮数学模型和计算机辅助预测
进行最优化工艺的设计和实现； 通过集散式热处理计
算机控制系统，对温度、氮势和时间等进行智能化的最
优关联控制，实现炉内动态氮势精确控制； 同时能对尾
气进行净化处理或二次利用，强化节能效果和洁净生
产效果。
3. 1 炉膛结构的模拟设计
渗氮炉在较低温度范围内使用，对炉内气氛均匀
性和炉温均匀性要求较高，炉内气体的流动和热量的
传递比高温炉复杂，气氛和炉温均匀性常常难以保证。
因此如何改进炉内结构设计，以适应对炉内气氛和炉
温均 匀 性 的 要 求 显 得 尤 其 关 键。实 践 证 明，应 用
FLUENT 流体动力学分析软件，采用有限体积法对炉
子进行模拟设计，各参数和设计理念都可以在计算机
上提前模拟，进行数值试验，以更全面更有针对性地综
合考虑各种因素，从而达到炉子结构的优化。
图 3 所示为设计后的各种精密渗氮炉结构。
图 3 各种精密气体渗氮炉结构示意图
（ a） 复合式渗氮炉； （ b） 井式渗氮炉； （ c） 底装料式渗氮炉
Fig． 3 Scheme of various kinds accurate controlled atmosphere nitriding furnace
（ a） combined type nitriding furnace； （ b） pit-type nitriding furnace； （ c） bell-type multi-purpose furnace
3. 1. 1 气氛均匀性方面（ 炉内气体流场） 的模拟
以复合式渗氮炉为例，在炉膛顶部设置若干导流
板，通过计算机模拟了解炉内气体流动的状况。
复合渗氮炉工作区域中心 X-Y 平面速度云图如图
4 所示。从图 4 中炉体纵切面可以看出，与原始炉型
（ 图 4（ a） ） 相比，加入导流板以后提高了气体速度，也
就是引导了气流更好地向下流动，避免产生更多的涡
流而导致能量耗散，而且加入的导流板越多，导流效果
就越好，如图 4（ b） 所示。因此，加入导流板对该炉工
作区域内速度场有一定的改善。与此同时，对炉内的
导流倒圆锥、导流十字板、圆台和格栅等构件对炉内气
体流场的影响也进行了数字模拟。

4. 118 第 36 卷
图 4 复合渗氮炉工作区域中心 X-Y 平面速度云图
（ a） 原始炉型； （ b） 加入导流板后
Fig． 4 X-Y planar speed nephogram of the
composition nitriding furnace working region
（ a） original furnace； （ b） with guiding plates
3. 1. 2 温度均匀性方面的模拟
以炉内放置档板位置对工件温度的影响为例进行
数值模拟。
为了了解气体流动对工件传热的影响，设计了几
种不同的挡板放置在工件顶部。工件依然放置在料盘
上，加热体温度相同均为 650 ℃，挡板厚度为 20 mm，
模拟计算结果见表 1。加入挡板可以显著提高工件温
度的均匀性，挡板的存在阻挡了内筒上部热的气体直
接吹到工件上，并使大量的热气体沿着工件侧面流动，
对工件下部加热，如图 5（ a） 所示； 工件上部气体的温
度较低，如图 5（ b） 所示，结果使工件侧面上下温差减
小到 18 ℃，达到了很好的效果。
表 1 挡板对工件侧面温度的影响
Table 1 Influence of the baffle plate on
temperature of workpiece side
状态 挡板 最低温度 /℃ 最高温度 /℃ 温度差/℃
1 无 491 524 33
2
半径等于工件半径，距
离工件顶部 20 mm
505 523 18
3
半径增大 40 mm，距离
工件顶部 20 mm
505 519 14
4
半径增大 40 mm，距离
工件顶部 60 mm
504 525 21
图 5 加入挡板后内罩 X-Y 平面速度
矢量图（ a） 和平面温度云图（ b）
Fig． 5 X-Y plane speed vectorgraph （ a） and
plane temperature nephogram （ b） with baffle plate
在此基础上，又做了两种挡板的计算。一种是表
1 中的状态 3，即增大挡板半径 40 mm，此时工件的侧
面温差减少到 14 ℃。与状态 2 相比，工件上部温度降
低更多，所以工件温度更加均匀； 另一种是表 1 中的状
态 4，即挡板半径增大 40 mm 后，同时也增大了挡板与
工件顶部的距离。与状态 2 和状态 3 相比，这种设计
不妥当，因为增大挡板与工件顶部的距离后，内筒上部
的热气体会更多地进入挡板与工件之间，导致工件上
下温差加大。所以对内筒上部的热气体做一定的阻
隔，使其尽可能多地流到工件下部，这是一种比较有效
的改善工件温度均匀性的办法。
此外，还对炉底法兰盘、循环风机转速、分段加
热体温度差，以及热量传导、对流和辐射方式等情况
进行模拟。情况表明，炉内对流加热实际上起着关
键性的作用。
模拟结果表明，不同的风扇转速对炉温均匀性影
响不大。在炉内满料的理想状态下，分别从辐射、传导
和对流 3 种加热方式上寻找影响工件温度均匀性的因
素。结果发现，从辐射传热角度出发，要想提高工件温
度均匀性，加热体与炉膛的最大温差要达到 200 ℃，但
该方案不推荐使用； 从传导传热角度来分析，把工件提
升 300 mm，按照加热体温度均为 650 ℃ 计算，从内罩
内的温度模拟云图来看，工件内温度梯度仍然十分

5. 第 7 期 董小虹，等： 精密可控气氛渗氮技术及其设备 119
明显，且从工件侧面温度差比不提升工件时的值还
大。工件提升后整体温度虽然有所升高，但与工件
下部相比上部温度增加很多，导致温度差反而增大，
这可能是由于工件上部处在内筒的涡流区，从加热
体流过来的热的气体在那里停留，加热工件上部，使
那里温度很高，所以提升工件的方案并不能有效改
善工件温度的均匀性； 而且传导传热并不是影响工
件温度梯度的主要因素。从对流传热角度来分析，
通过加入挡板来阻隔热气体直接吹到工件上部的方
法，引导更多的热气体沿工件侧面流向工件下部进
行加热，能较好地缩小工件内部温度差。由此得知，
在渗氮炉内工作区域在 500 ℃ 左右的范围内，对流
加热是影响工件温度均匀性的重要因素。最终，决
定设计一组挡板作为炉子附件。
3. 2 精密可控气氛渗氮炉系统组成
精密可控气氛渗氮炉结构框图如图 6 所示，由炉
体、测量控制系统、计算机系统、真空脉冲控制系统和
执行部件等组成。
图 6 精密可控气氛渗氮炉组成框图
Fig． 6 Composition of controlled atmosphere nitriding furnace
1） 炉体结构
炉体采用全纤维板保温结构，确保炉子的保温
性能优 异，炉 罐 及 炉 罐 内 所 有 受 热 金 属 材 料 采 用
Inconel 600 镍基高温合金制造。炉盖与炉罐之间的
密封采用两道密封，炉盖与炉罐采用水冷结构以保
护橡胶密封圈的正常使用； 炉盖锁紧采用齿轮锁紧
结构或手轮锁紧结构，确保密封可靠并具有足够的
耐压强度。
炉内气体循环结构采用导风筒、底部莲花托盘、
上部导风板等组成的结构。循环风扇为离心式，强
制炉气先由导风筒外壁与炉罐内壁之间向下流动并
通过底部莲花托盘再由导风筒内部向上循环，以保
证炉膛内部温度和渗氮气氛的均匀性。
井式渗氮炉所具有抽真空结构系为满足低压脉冲
渗氮工艺而设计，氢探头具备自密封性能，进行脉冲渗
氮抽真空时，可以将氢探头隔离保护起来。
渗氮炉具备快速冷却结构和不锈钢渗氮的预氧化
功能和钝化膜去除剂的通入孔。
2） 控制系统和供气系统
炉内氮势测量采用进口 PE 氢探头或 SIEMENS
公司氨红外气体分析仪，采用瑞士 SOLO 渗氮气氛控
制系统能对炉气的氮势 NP 值进行精确测量和控制。
控制软件具有工艺文件的显示、编辑、存储及备份
功能。
氨裂解炉用于提供调整氮势所需的稀释气体，通
入炉内的氨气、氨裂解气采用进口质量流量计进行精
密流量控制； 通入炉内的氮气采用高精度玻璃转子流
量计控制。
3） 尾气的环保排放
尾气（ 废气） 裂解炉用于将渗氮炉排出的废气进
行再次裂解，将残余废气的氨气转换为氢气和氮气，从
尾气出口燃烧排放。尾气排放口的烧嘴在炉子使用状
态下保持点燃状态，若熄灭有故障显示。
4 精密可控渗氮技术应用实例
4. 1 精密可控渗氮工艺试验
在长春某航空厂底装料式渗氮炉进行了精密可
控渗氮工艺试验。试验材料为 25Cr3MoA 钢，其工艺
执行为：
第一段的氮势 NP = 5 ～ 10，属高氮势。经过一定
时间，恰好出现白亮层，从而在渗层中建立较大的浓度
梯度； 第二段氮势下降到 NP = 0. 5 ～ 1. 0，在原先已建
立的高浓度梯度驱使下，使氮继续向内扩散，而此时工
件的表面含氮量不再随时间的延长而继续升高。
图 7 所示为 25Cr3MoA 钢渗氮工艺试验所获得
的渗层显微组织。按该试验方案可以获得无白亮层
的渗氮层，见图 7（ a） 。适当调整氮势（ NP ） 和相对应
的时间，也可以获得只有薄的白亮层，而扩散层较
厚，硬度分布平缓的渗氮层，见图 7 （ b） 。工艺试验
证明，底装料立式渗氮炉能够实现氮势连续测定和
自动调整，氮势控制精度在 1% 以内，从而较好地实
现精密可控渗氮。
4. 2 炉温均匀性和渗层控制精度测试
精密可控渗氮技术试验的温度均匀性和渗层控制
精度测试结果如表 2 所示。

6. 120 第 36 卷
图 7 25Cr3MoA 钢可控渗氮渗层无白亮层（ a） 和有少量白亮层（ b） 的显微组织
Fig． 7 Microstructure of no-white layer （ a） and little white layer （ b） for the 25Cr3MoA steel controlled nitrided case
表 2 炉温均匀性和渗层控制精度测试结果
Table 2 Testing result of the temperature uniformity and nitrided case controlling precision
炉型 规格及指标
炉温均匀性测试按 HB 5425—1989
《热处理炉测定方法》进行
设定温度/℃ 最高偏差/℃ 最低偏差 /℃
渗层控制精度
复合式渗氮炉
最高使用温度： 700 ℃
有效加热尺寸： 800 mm × 1500 mm
氮势控制精度： NP ≤ ± 1%
氨分解率波动： ≤ ± 1%
450 + 3. 3 － 1. 5
550 + 2. 8 － 0. 5
600 + 2. 7 － 0. 4
材料： 38CrMoAl 钢
最深： 0. 32 mm
最浅： 0. 31 mm
符合 HB 5354—1994《热处理工艺质量控制》
精密多功能
井式渗氮炉
最高使用温度： 700 ℃
有效加热尺寸： 400 mm × 600 mm
氮势控制精度： NP ≤ ± 1%
氨分解率波动： ≤ ± 1%
极限真空度： ≤26. 6 Pa
配有低压真空脉冲渗氮装置
400 + 4. 7 － 3. 7
550 + 0. 4 － 3. 9
700 + 2. 0 － 4. 3
材料： 38CrMoAl 钢
最深 0. 43 mm
最浅 0. 36 mm
符合 HB 5354—1994《热处理工艺质量控制》
底装料立式渗氮炉
最高使用温度： 700 ℃
有效加热尺寸： 400 mm × 600 mm
氮势控制精度： NP ≤ ± 1%
氨分解率波动： ≤ ± 1%
450 + 3. 0 － 1. 2
500 + 2. 9 － 2. 0
550 + 2. 3 － 1. 4
600 + 2. 7 － 0. 6
材料： 25Cr3MoA 钢
最深： 0. 36 mm
最浅： 0. 33 mm
符合 HB 5354—1994《热处理工艺质量控制》
5 结语
1） 精密可控渗氮技术的发展是对传统气体渗氮技
术的创新，通过对渗氮炉开展流场动力学数值模拟研究，
改进渗氮炉的内部结构，实现炉内动态氮势精确控制。
2） 通过运用 FLUENT 流体动力学分析软件对渗
氮炉进行模拟设计，从硬件上满足精密可控气氛渗氮
炉对气氛和温度均匀性要求，可完全实现可控气氛渗
氮，工艺重现性好。
3） 精密可控渗氮设备工艺效果良好，能够实现对
渗氮层化合物层和渗层深度的精确控制，可以实现炉
尾气二次处理，环保排放或二次利用，符合节能减排
要求。
参考文献：
［1］潘健生，胡明娟，毛立忠，等． 试论氮势［J］． 金属热处理，1980，5
（ 8） ： 37-43．
［2］Bell T，Birch B J，Korotchenko V，et al． Controlled nitriding in
ammoniahydrogen mixtures ［C］/ /Heat Treatment Committee of the
Metal Society． Heat Treatment' 73，London，1975： 51-57．
［3］GB /T 18177—2008，钢件的气体渗氮［S］．
［4］潘健生，胡明娟． 热处理工艺学［M］． 北京： 高等教育出版社，2009．
［5］夏立方，高彩桥． 钢的渗氮［M］． 北京： 机械工业出版社，1989．
［6］胡明娟，潘健生． 钢铁化学热处理原理［M］． 修订版． 上海： 上海交
通大学出版社，
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殜
殜
殜
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1996．
好消息 应广大读者及广告客户的强烈要求，《金属热处理》杂志 2010 年合订本出炉，该合订本除了全年刊登的文章外还有大量行业及广告信
息，欢迎订购。订购价为 200 元（ 含挂号邮费） 。另本编辑部珍藏 1984 ～1999 年（ 每本 100 元） ； 2003 ～ 2007 年（ 每本 130 元） ； 2008、2009 年（ 每本
180 元） 合订本，数量有限，请速与本编辑部联系。汇款后，请将邮局或银行汇款底单及联系人姓名、电话和详细通信地址发传真，以便准确投递。
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