KR100467715B1 - 표면산화층이 없는 금형가공 냉각 경화강의 제조방법 - Google Patents

표면산화층이 없는 금형가공 냉각 경화강의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면산화층이 없는 금형가공 냉각 경화강의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세히는 자동차의 차체의 보강재나 구조부재에 적용하는 열처리성이 우수한 강판을 제조하여 고온에서 가공을 행하여 금형에 의해서 가공과 냉각이 함께 일어나도록 하여 최종제품에서 인장강도140kgf/mm2이상의 초고강도강을 제조할 수 있는 열연강판 또는 냉간압연판으로 이루어지는 소지강판을 제조하는 방법에 관한 것이다. 화학성분에 있어서 중량비로 탄소 0.18 ~ 0.3%, 실리콘 0.5% 이하, 황 0.02% 이하, 질소 0.005%이하, 알루미늄 0.02 ~ 0.06%, 인 0.02% 이하, 망간 1.0 ~ 2.0%, 보론 0.002 ~ 0.006%, 몰리 또는 크롬을 0.1 ~ 0.5%을 첨가하되 B/N원자비를 1 이상 조절하고 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄킬드강을 1050 ~ 1300oC에서 균질화 처리하는 단계와; Ar3변태점 직상인 850 ~ 950oC에서 마무리 열간압연하는 단계와; 500 ~ 750oC의 온도범위에서 열연권취하는 단계와; 상기 귄취된 열연강판을 이용하여 냉간 압하율을 30 ~ 80%로 하여 압연을 실시하는 단계와; 용융아연도금 실시하는 단계와;로 이루어진 표면산화층이 없는 금형가공 냉각 경화강의 제조방법을 요지로 한다.

Description

표면산화층이 없는 금형가공 냉각 경화강의 제조방법{method of manufacturing steel strip for the press hardening process without oxidation}
본 발명은 표면산화층이 없는 금형가공 냉각 경화강의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세히는 자동차의 차체의 보강재나 구조부재에 적용하는 열처리성이 우수한 강판을 제조하여 고온에서 가공을 행하여 금형에 의해서 가공과 냉각이 함께 일어나도록 하여 최종제품에서 인장강도140kgf/mm2이상의 초고강도강을 제조할 수 있는 열연강판 또는 냉간압연판으로 이루어지는 소지강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
즉 본 발명은 고온에서 가공을 하기 때문에 가공이 어려운 형상의 부품도 쉽게 가공할 수 있을 뿐만 아니라, 강판에 표면처리를 실시하여 고온으로 가열 시 대기중에서도 산화층이 형성되지 않기 때문에 산세설비나 숏블라스트와 같은 표면산화층 제거장치가 필요 없는 금형냉각 경화형 고장력강의 소지강판을 제조하는 것이다.
종래의 자동차 보강재용 고강도강은 다량의 합금원소를 함유한 저탄소강으로연속소둔설비를 이용하여 100kgf/mm2까지 제조하여 왔다. 이 경우 강판의 미세조직 중에 마르텐사이트나 베이나이트와 같은 경질의 상을 많이 생성시키기 때문에 가공성이 매우 낮기 때문에 형상이 복잡한 부품에는 적용하기 어렵다. 그리고 강도 한계도 120kgf/mm2을 초과하지 못하고 있다. 그리고 저탄소강에 미량의 보론을 첨가하여 강의 경화능을 높여 고온에서 가공하면서 금형으로 냉각하는 방법이 개발되어 인장강도 150kgf/mm2이상의 부품을 제조할 수 있지만 고온에서의 가공을 위해서 가열하는 도중에 강판표면에 산화가 일어나기 때문에 강판표면에 발생하는 산화막을 제거하기 위해서 가열장치에 환원분위기를 만들어 주는 장치가 필요하다. 이 경우에도 강판을 가공하기 위해서 금형으로 이송하는 도중에 대기와 접촉하기 때문에 강판에 형성되는 산화막의 형성은 피할 수 없다. 따라서 이러한 강판을 이용하는 경우에는 강판의 고온가공 후에 표면의 산화막을 제거하기 위한 또 다른 설비가 필요하게 되어 제조원가 뿐만 아니라 초기 설비투자비를 상승시키는 요인이 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열처리 시 강의 경화능이 높아 강판을 가열하여 고온에서 가공 시 차가운 금형과 가열된 강판의 접촉에 의해서 냉각과 가공이 동시에 이루어 짐으로써 완성된 최종제품에서 140kgf/mm2이상의 인장강도를 확보할 수 있고, 고온가공 시에도 강판표면이 용융아연도금 표면처리가 되어 있기 때문에 표면에 산화막이 형성되지 않아 냉각성능도향상될 뿐만 아니라, 산세설비나 숏블라스트 설비 같은 표면산화막 제거 장치가 필요 없기 때문에 초고장력강의 제조 시 원가를 크게 절감 시킬수 있는 표면산화가 없는 금형가공 냉각 경화강의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 특수원소가 함유된 강의 높은 경화특성과 고온에서의 강판의 높은 가공성을 이용하여, 강판을 가열하고 고온에서 가공 시 차가운 금형과 가열된 강판이 접촉함으로써 성형과 동시에 급속냉각을 가능하게 하는 금형냉각 경화법을 적용하여 최종제품에서 초고강를 얻을수 있는 소지강판의 제조에 관한 것으로, 그 제조방법은 화학성분에 있어서 중량비로 탄소 0.18 ~ 0.3%, 실리콘 0.5% 이하, 황 0.02% 이하, 질소 0.005%이하, 알루미늄 0.02 ~ 0.06%, 인 0.02% 이하, 망간 1.0 ~ 2.0%, 보론 0.002 ~ 0.006%, 몰리 또는 크롬을 0.1 ~ 0.5%을 첨가하되 B/N원자비를 1 이상 조절하고 강의 제조 시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄킬드강을 1050 ~ 1300oC에서 균질화 처리 후 마무리 열간압연온도를 Ar3변태점 직상인 850 ~ 950oC로 하며, 열연권취는 500 ~ 750oC의 온도범위에서 실시하여 열연강판을 제조하고, 그 열연강판을 이용하여 냉간압하율을 30 ~ 80%로 하여 압연을 실시하는 것으로 구성되어 있다. 그리고 열연강판 및 냉간압연된 강판은 용융아연도금을 하는 것을 특징으로 한다.
강판의 제조에 있어서 탄소의 첨가는 고온에서 금형가공 시 냉각이 일어날때 강의 경화능을 향상시켜 최종 제품의 강도를 높이는 역할을 한다. 그리고 냉각과정에서 형성된 마르텐사이트의 강도를 향상시키는 역할을 하기 때문에 강도 향상에 한층 더 기여를 한다. 실리콘은 첨가량이 0.5% 이상 되면 용융아연도금 시 강판의 도금성을 저하시킴으로 가능한 낮게 첨가한다. 보론은 경화능이 큰 원소이기 때문에 소량 첨가하여도 큰 경화능을 얻을 수 있다. 그러나 질소가 많이 함유된 강에는 보론나이트라이드(BN)을 형성하기 때문에 보론에 의한 경화가 크게 감소된다. 따라서 보론의 첨가량은 B/N원자비가 항상 1 이상이 되도록 첨가하여야 한다. 몰리브덴 또는 크롬은 경화능이 큰 원소이기 때문에 첨가하여 강의 강도를 향상시킨다. 용융아연도금을 하는 것은 고온에서의 가공을 위해서 900oC이상 고온으로 가열할 때 강판의 표면에 형성되는 산화층을 방지하기 위해서 이다. 가열 시 용융아연도금된 강판은 표면의 아연도금층이 소지강판의 철과 반응을 하면서 새로운 합금층을 형성하기 때문에 900oC이상의 고온에서도 표면의 아연도금층이 증발하지 않고 잔류한다. 강판표면에 산화층이 형성되지 않으면 금형냉각 경화강 제조 시 다음과 같은 잇점이 있다. 표면에 두꺼운 산화층이 형성되면 산화층의 낮은 열전도율 때문에 고온 가공 시 강판과 금형의 접촉에 의한 냉각이 급격히 감소되어 가공 후에 충분한 강도를 확보하기가 어렵다. 그리고 표면에 두꺼운 산화층이 형성될 경우 이 산화층을 제거하기위한 추가설비가 필요하기 때문에 제조원가가 크게 상승하는 것을 해결할 수 있다. 그리고 두꺼운 산화층을 제거한 후 표면의 형상이 나빠지는 것을 방지할 수 있다. 표면의 산화층 형성을 억제하기 위하여 가열할 때 환원성 분위기를 만들어 주지만 가열 후 금형가공 시 대기중에 또 다시 노출되기 때문에 근본적을 강판표면의 산화층이 형성되는 것을 막는 것은 불가능 하다. 이 경우에도 산화층 제거를 위한 설비가 필요하다.
이하 본 발명의 조성범위 한정이유를 설명한다.
탄소(C) 의 양이 0.18 중량%(이하 %라고 함) 이하가 되면 고온으로 가열 후 금형에서 가공할 때 강의 충분한 경화능을 확보하기 어렵기 때문에 금형냉각 경화법을 적용하여도 높은 인장강도를 갖는 제품을 제조할 수 없다. 그리고 탄소의 양이 너무 낮으면 금형냉각에 의해서 형성된 마르텐사이트의 강도가 충분히 높지 않기 때문에 제품의 인장강도 역시 낮아 진다. 탄소의 양이 0.3%이상이 되면 마르텐사이트의 강화와 경화능의 향상에 의해서 금형냉각 가공된 최종제품의 강도는 높지만 연성이 낮기 때문에 제품이 쉽게 파괴되는 단점이 있다. 그리고 강판의 제조 시 산세와 압연공정에서 연속작업을 위한 강판의 용접을 어렵게 한다. 생산된 열연강판의 강도가 크게 상승하여 열간압연 자체를 어렵하기 때문에 생산성을 크게 떨어뜨리는 단점이 있다. 따라서 탄소의 첨가량을 0.18 % ~ 0.3%로 제한 하였다.
실리콘(Si)은 강판의 경화능을 다소 향상시키고 고용강화효과에 의해서 제조된 강판의 강도는 다소 증가 시키지만 그 효과가 크지 않다. 그러나 실리콘이 다량 첨가된 강에서는 열연단계에서 표면에 페이야라이트(FeSiO4)와 같은 단단한 화합물이 형성되어 산세를 어렵게 한다. 표면에 존재하는 실리콘 산화물은 용융아연도금 시 강판의 도금특성을 나쁘게 한다. 따라서 첨가되는 실리콘의 양은 0.5% 이하로제한하였다.
망간(Mn)은 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 지연시키고 오스테나이트에서 페라이트로의 변태온도를 낮추는 효과가 크기 때문에 첨가량이 적절히 조절되어야 한다. Mn의 첨가량이 1.0% 이하가 되면 금형냉각 경화강 제조공정에서 가열 시 강판의 미세조직을 완전히 오스테나이트화 하는 온도가 상승한다. 즉 최종제품에서 충분한 강도를 얻기 위해서는 강판의 가열온도를 높여 주어야 한다. 이 경우 강판의 표면에 도금된 아연도금층이 용해 또는 증기화 되어 가열중에 표면도금층이 없어지고 그 결과 강판표면은 산화된다. 충분한 오스테나이트화가 되지 못하면 고온가공 후 제품의 충분한 강도를 얻었을 수 없다. 그러나 망간이 2.0% 이상 다량 첨가되면 제조원가가 크게 상승하고, 열연판의 산세 및 압연 시 연속작업을 위한 용접을 어렵게 한다. 따라서 망간의 첨가량을 1.0 ~ 2.0%로 제한 하였다.
보론(B)은 경화능이 큰 원소이기 때문에 미량 첨가하여도 금형냉각 경화강의 제품에서 큰 강도를 얻을 수 있다. 그러나 강중에 질소(N)이 존재하면 열연단계에서 질소와 결합하여 BN화합물을 형성하기 때문에 B/N원자비를 1 이상 되도록 첨가해주어야 한다. 따라서 강중에는 대부분 고용질소가 0.001 ~ 0.005% 존재하기 때문에 보론의 하한 첨가량은 0.002% 하였다. 보론의 첨가량이 계속 증가하여도 경화효과가 크게 증가하지 않기 때문에 상한 첨가량을 0.010%로 제한 하였다.
질소(N)는 강중에 불가피하게 첨가되는 원소이지만 첨가량이 너무 많게 되면 조대한 BN석출물을 형성시켜 강의 경화능을 크게 떨어뜨린다. 따라서 질소의 하한 첨가량을 0.005% 이하로 제한 하였다.
몰리브덴(Mo)과 크롬(Cr)은 저속냉각에서도 경화능을 크게 하기 때문에 첨가한다. 고온에서 금형가공 시 금형과 직접 접촉하지 않는 부분은 다른 부분에 비해 냉각속도가 느리기 때문에 몰리브덴과 크롬 같은 원소를 첨가함으로써 금형과 비접촉부의 강도저하를 방지 할 수 있다. 몰리브덴 또는 크롬의 첨가량이 0.1% 이하에서는 충분한 경화능을 얻을 수 없기 때문에 하항 첨가량을 0.1%로 하였다. 몰리브덴 또는 크롬의 첨가량이 계속 증가하여도 그 경화능은 크게 증가하지 않고 강판제조에 필요한 제조원가를 크게 상승시키기 때문에 상한 첨가량을 0.6%로 제한 하였다.
알루미늄(Al)은 강의 탈산을 위하여 첨가되는데 알루미늄의 첨가량이 0.02% 이하가 되면 강중에 산소가 존재하여 제강 시 망간, 실리콘, 보론, 크롬등의 산화물 형성원소가 첨가될 경우 망간산화물, 실리콘 산화물, 보론산화물, 크롬산화물 등을 형성하기 때문에 망간, 실리콘, 보론, 크롬 등의 성분제어가 힘들게 된다. 그리고 알루미늄의 양이 0.06% 이상이 되면 알루미늄의 양이 필요이상으로 첨가되어 제조원가가 상승하고 강판의 표면결함을 다량 발생시키므로 알루미늄의 상한 첨가량을 0.06% 로 제한하였다.
일반적으로 황(S)과 인(P)은 강의 제조 시 불가피하게 함유되는 원소이므로 그 첨가범위를 0.02%이하로 제한하였다.
본 발명에서는 상기의 조성으로 용해된 강을 통상의 조건과 유사하게 1050 ~ 1300oC 정도에서 균질화 처리를 실시하고, 균질화 처리가 끝난 시편은 Ar3온도 직상인 850 ~ 950oC범위에서 통상의 조건으로 마무리 열간압연을 실시하고, 500 ~ 750oC에서 권취하는 열간압연을 실시한다. 열연권취온도가 너무 높으면 조대한 탄화물의 형성되어 금형냉각 경화강 제조공정에서 가열 시 탄화물이 충분히 분해되지 않기 때문에 열연권취온도를 750oC로 제한하였다. 열간압연이 끝나면 강판의 형상과 두께를 맞추기 위해서 냉간압연을 실시한다. 자동차용 부품은 높은 두께의 균일성을 요구함으로 균일한 두께의 냉간압연판을 제작하여야 한다. 최종제품의 강도가 금형냉각 경화강 제조공정에서 결정되기 때문에 압하율이 재질에 미치는 영향은 크지않다. 그러나 압하율이 증가하면 생산성이 떨어지기 때문에 압하율 상한을 80%로 제한 하였다.
압연이 끝난 강판 또는 열연판은 최종적으로 용융아연욕조를 통과하는 용융아연도금을 하여야 한다. 강판에 도금을 하지 않으면 금형냉각 경화강 제조공정 중 가열단계에서 강판표면에 두꺼운 산화층을 형성하기 때문에 고온에서 금형가공 시 냉각속도를 크게 떨어뜨려 경화능을 감소시켜 목표강도를 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 산화층 제거를 위한 후처리 공정이 필요하다. 따라서 고온가공 후 산화층 제거공정을 줄이고 강판의 냉각능을 크게 하여 목표강도를 얻기 위해서는 용융아연도금을 한 냉간압연판 또는 열연판을 소지강판으로 사용하여야 한다. 금형냉각 경화강 제조공정에서는 온도가 900oC이상 상승하기 때문에 냉연강판을 미리 소둔할 필요는 없다.
이하의 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예)
표 1은 본 발명강과 비교강의 화학성분을 나타낸 것으로 용해된 강의 강괴를 1250oC가열로에서 한시간 유지 후 열간압연을 실시하였다. 이때 열간압연 마무리 온도는 900oC, 권취온도는 620oC로 하였다. 냉간압하율은 50%로 하였다. 용해된 강중 4번강을 택하여 용융아연도금을 실시하였다. 냉간압연 및 용융도금이 끝난 시편을 이용하여 900oC 유지노에 장입하여 5분간 균질화 처리 후 공냉시키거나, 수냉시키고, 가열된 판재를 가공하기 위해서 금형으로 옮겨 강판이 가열된 상태에서 가공을 실시하였다. 가공이 끝난 후 인장시편의 절취가 가능한 부위를 절단하여 인장시편을 제작하여 만능인장시험기를 이용하여 인장시험을 실시하였다.
강번 화학성분 비고
C Si Mn P S Al N B Mo Cr
1 0.151 0.20 1.20 0.011 0.010 0.047 0.0021 0.0039 0.41 - 비교깅
2 0.202 0.20 1.21 0.011 0.011 0.041 0.0025 0.0041 0.38 - 발명강
3 0.198 0.20 1.20 0.011 0.011 0.041 0.0030 0.0041 - 0.391 발명강
4 0.237 0.20 1.19 0.010 0.009 0.043 0.0024 0.0043 0.40 발명강
5 0.237 0.20 1.48 0.009 0.013 0.039 0.0024 0.0042 0.19 - 발명강
6 0.199 0.20 0.70 0.012 0.009 0.043 0.0023 0.0045 0.028 - 비교강
7 0.195 0.20 1.21 0.010 0.011 0.043 0.0025 0.0036 - - 비교강
8 0.204 0.19 1.20 0.011 0.011 0.043 0.0021 - - - 비교강
표 2는 본 발명강과 비교강의 열처리조건 또는 제조조건에 따른 기계적성질의 변화를 나타낸 것이다. 본 발명강인 시료번호 2 ~ 5번강은 냉간압연판을 가열 후 금형가공을 실시할 경우 최종제품에서 항복강도 90kgf/mm2이상, 인장강도140kgf/mm2이상의 고강도를 나타낸다. 고온에서 강판이 가열된 상태로 가공되었기 때문에 복잡한 형상의 제품도 가공이 가능하다. 그리고 더 이상의 가공이 필요 없기 때문에 최종제품에서의 연신율은 크게 중요하지 않다. 복잡한 모양을 하는 부품을 가공할 수 있고 고강도를 확보할 수 있기 때문에 자동차의 구조부재와 보강재로 사용될 수 있다.
시료번호 1번강은 탄소의 첨가량이 낮기 때문에 열처리 및 금형가공 후 충분히 강한 마르텐사이트 조직을 얻지 못하기 때문에 제품에서 높은 인장강도를 확보할 수 없다.
시료번호 6번강은 강중에 망간의 첨가량이 적기 때문에 가열 시 충분한 양의 오스테나이트를 확보하지 못하고 금형가공 냉각시에도 오스테나이트에서 페라이트로의 상변태가 일어날수 있기 때문에 최종 제품에서 충분한 강도를 확보할 수 없다.
시료번호 7번강 및 8번강은 경화능이 매우 큰 몰리브덴과 보론이 첨가되지 않았기 때문에 고온에서 금형가공 후 최종제품에서 충분한 강도를 확보할 수 없다.
강번 열처리조건 또는제조조건 기계적 성질 비 고
항복강도(kgf/mm2) 인장강도(kgf/mm2) 연신율(%)
1 가열 후 공냉할 경후 41.7 55.6 30.1 비교강
가열후 금형가공할 경우 88.3 127.0 7.5
가열후 수냉할 경우 90.2 135.1 6.0
2 가열 후 공냉할 경후 62.1 87.7 14.4 비교강
가열후 금형가공할 경우 96.7 142.0 7 발명강
가열후 수냉할 경우 109.2 156.2 4.7 비교강
3 가열 후 공냉할 경후 42.7 64.6 11.4 비교강
가열후 금형가공할 경우 98.2 145.0 7.1 발명강
가열후 수냉할 경우 108.3 155.4 5.6 비교강
4 가열 후 공냉할 경후 44.9 61.4 21.6 비교강
가열후 금형가공할 경우 111 153.0 6.8 발명강
가열후 수냉할 경우 117.6 168.5 5 비교강
5 가열 후 공냉할 경후 65.8 98.9 7.1 비교강
가열후 금형가공할 경우 100.4 150.5 6.4 발명깅
가열후 수냉할 경우 102.5 162.0 6.4 비교강
6 가열 후 공냉할 경후 36.2 50.4 27.9 비교강
가열후 금형가공할 경우 73.4 116.0 7.6
가열후 수냉할 경우 111 150.1 6.9
7 가열 후 공냉할 경후 37.7 51.6 30.0 비교강
가열후 금형가공할 경우 68.3 100.5 10.5
가열후 수냉할 경우 102.2 157.2 6.2
8 가열 후 공냉할 경후 31.1 53.7 29.5 비교강
가열후 금형가공할 경우 52.1 78.1 7.7
가열후 수냉할 경우 98.2 144.0 5.4
표 3은 강판의 표면상태에 따른 금형냉각 경화강 제조공정 후 표면상태을 나타낸다. 표 3에서 발명강과 비교강의 표면 특성에 따른 고온 금형가공 후의 표면특성의 변화를 알 수 있다. 시료번호4-1번 강과 같이 표면에 도금처리를 하지 않고 열처리 및 금형가공을 행하면 고온에서 두꺼운 산화층이 형성되기 때문에 가공 후 산화막을 제거하기 위한 산세나 숏블라스트 처리를 행하여야 한다. 그러나 시료번호 4-2의 본 발명강과 같이 표면에 용융아연도금을 실시한 경우에는 900oC이상 가열하는 동안과 금형가공공정에서도 표면에 산화막이 생성되 않는다. 따라서 본 발명강의 경우 산세나 쇼블라스트 같은 산화층 제거 설비가 필요 없다.
강번 강판표면상태 변화 비고
가공전 가공후
4-1 냉간압연판(무도금) 표면 산화층 생성 비교강
4-2 냉간압연 + 용융도금 표면 무산화 발명강
상술한 바와 같이, 이렇게 제조된 제품은 강도가 높고 고온에서 가공되었기 때문에 복잡한 형상의 부품도 가공할 수 있을 뿐만 아니라 제조된 부품의 치수가 매우 정확한 장점이 있다. 그리고 기존에 60kgf/mm2이상의 강은 경우 표면처리가 어렵고 가공이 어려웠기 때문에 자동차 구조부에 적용할 수 없었으나 본 발명강은 강도도 높은 뿐만 아니라 고온가공후에도 표면처리층이 변하지 않기 때문에 초고강도강임에도 불구하고 자동차의 보강재 뿐만 아니라 멤버나 필라 같은 구조부에도 적용 할 수 있는 효과를 지닌다.

Claims (1)

  1. 화학성분에 있어서 중량비로 탄소 0.18 ~ 0.3%, 실리콘 0.5% 이하, 황 0.02% 이하, 질소 0.005%이하, 알루미늄 0.02 ~ 0.06%, 인 0.02% 이하, 망간 1.0 ~ 2.0%, 보론 0.002 ~ 0.006%, 몰리 또는 크롬을 0.1 ~ 0.5%을 첨가하되 B/N원자비를 1 이상 조절하고 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄킬드강을 1050 ~ 1300oC에서 균질화 처리하는 단계와; Ar3변태점 직상인 850 ~ 950oC에서 마무리 열간압연하는 단계와; 500 ~ 750oC의 온도범위에서 열연권취하는 단계와; 상기 귄취된 열연강판을 이용하여 냉간 압하율을 30 ~ 80%로 하여 압연을 실시하는 단계와; 용융아연도금 실시하는 단계와;로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면산화층이 없는 금형가공 냉각 경화강의 제조방법.
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