KR100852497B1 - 내식내마모성 철계 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내식내마모성 철계 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Cr: 14.1 내지 14.7 중량%, C: 1.41 내지 1.47 중량%, Ti: 1.78 내지 5.46 중량%, Al: 0.11 내지 0.39 중량% 및 V: 0.07 내지 0.27 중량%를 포함하고, 잔부는 Fe을 함유하는 내식내마모성 철계 합금에 관한 것이다.
본 발명의 내식내마모성 철계 합금은 내식성은 물론 내마모성이 우수하고, 티탄 합금 스크랩을 이용하므로 제조단가가 절감되어 경제적이며, 자원 재활용에 따른 친환경적인 효과도 얻을 수 있다.
내마모성, 내식성, 철계 합금, 티탄 합금 스크랩

Description

내식내마모성 철계 합금 및 그 제조방법{FE BASED ALLOY HAVING CORROSION RESISTANCE AND ABRASION RESISTANCE AND PREPARATION METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명에 따른 발명강 1의 미세조직을 관찰한 광학현미경(200배) 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 발명강 1의 미세조직을 관찰한 광학현미경(500배) 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 발명강 1을 X-Ray 회절 분석기(X-Ray Diffractometry, XRD)를 이용하여 상 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 발명강 1 및 비교강 1 내지 비교강 3을 ASTM G65에 의거하여 연삭마모 테스트를 하고 그 손실 중량을 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 발명강 1 및 비교강 1 내지 비교강 4를 ASTM D1141에 의거하여 제조한 인공 해수용액에서 침지 테스트를 하고 그 단위 면적당 손실 중량을 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 내식내마모성 철계 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상 세하게는 내마모성은 물론 내식성이 우수하고, 티탄 합금 스크랩을 재활용하여 경제적이고 친환경적인 내식내마모성 철계 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
내식내마모성 철계 합금재료는 기계요소 중 마모가 쉬운 부품에 사용되는 것으로, 특히 제철소, 광산 및 석산 등지에서 사용되는 라이너, 해수용 펌프, 임펠러 및 자동차 드럼용 재료로 널리 사용된다.
이러한 내식내마모성 재료로 열처리를 통한 마르텐사이트계 강이나 고크롬고탄소 강이 주를 이루고 있다. 그러나 마르텐사이트계 강의 경우 탄소 함량이 낮기 때문에 내식성은 비교적 우수하지만 연삭 마모 특성이 열악한 단점이 있다. 이와 반대로 고크롬고탄소 강의 경우 크롬카바이드의 형성으로 인해 내마모성은 우수하나 내식성이 취약한 단점이 있다.
따라서, 이러한 기존 내식내마모성 철계 합금의 단점을 해결하기 위한 연구가 널리 진행되고 있다. 그 예로, 철(Fe)에 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 티탄(Ti), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등의 고가의 첨가원소를 배합시켜 합금화를 통한 고경도의 금속을 얻는 방법과 철(Fe)이나 니켈(Ni) 등을 결합제를 모재로 사용하고 상기 모재에 경질의 합금, 텅스텐(W), 탄화물(carbide), 산화물(oxide)을 부착시켜 사용하는 방법이 개발되어있다.
그러나, 철(Fe)을 소지금속으로 사용하고 몰리브덴(Mo), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W) 등의 합금원소를 첨가원소로 다량 첨가하면 내식내마모성은 향상시킬 수 있으나, 첨가원소의 가격이 너무 비싸 제조원가가 상승하는 단점이 있다. 또한, 인성이 있는 금속과 경질의 재료를 부착하게 되면 경질재료의 내식내마모성은 개선할 수 있으나 제조가 곤란해 제조단가가 필연적으로 상승하는 문제가 발생한다.
따라서, 제조원가가 저렴하면서 내식성은 물론 내마모성을 갖는 소재의 개발이 요구되고 있다.
한편, 티탄 합금은 그 표면이 산화 피막으로 덮여 부동태화 하기 때문에 다른 금속재료에 비해 뛰어난 내식성이 있다. 특히 스테인리스 강의 결점인 응력 부식에 의한 파괴가 거의 없다는 이점이 있어 생체재료로 주목받고 있다. 그 중 Ti-6Al-4V 합금이 정형외과 분야에서 골절부분의 고정용과 인공골 인공관절 등의 보철용 생체재료로 주로 사용되고 있다.
철은 ㎏당 1,000원인 반면, 티탄은 50∼100 만원을 호가하는 고가품이므로 티탄 합금은 제조단가가 높다. 그러나, 생체재료 생산 후 발생하는 고가의 티탄 합금 스크랩은 재활용 처가 없어 폐기되거나, 해외로 값싸게 재수출되는 등 사장되고 있다.
따라서, 경제적인 면 및 환경적인 면을 고려할 때 티탄 합금 스크랩의 재활용 방안이 요구되고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 철을 기본조성으로 하되 비교적 저렴한 합금원소인 크롬 및 탄소 원소를 첨가하고, 티탄 합금 스크랩의 재활용을 통해 티탄, 알루미늄 및 바나듐의 합금원소의 조성비를 그대로 구현하여 내식성 및 내마모성이 우수하고, 제조원가 절감하여 경제성이 우수하며, 친환경적인 내식내마모성 합금 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은
Cr: 14.1 내지 14.7 중량%, C: 1.41 내지 1.47 중량%, Ti: 1.78 내지 5.46 중량%, Al: 0.11 내지 0.39 중량% 및 V: 0.07 내지 0.27 중량%를 포함하고, 잔부는 Fe을 함유하는 내식내마모성 철계 합금을 제공한다.
이때 상기 Ti : Al : V의 중량비는 89~91 : 5.5~6.5 : 3.5~4.5인 것이 바람직하다.
또한 본 발명은
(a) Cr: 14.1 내지 14.7 중량%, C: 1.41 내지 1.47 중량%, Ti: 1.78 내지 5.46 중량%, Al: 0.11 내지 0.39 중량% 및 V: 0.07 내지 0.27 중량%를 포함하고, 잔부는 Fe을 함유하도록, 94 내지 98 중량%의 Fe-Cr-C 합금 및 2 내지 6 중량%의 Ti-Al-V 합금을 평량하는 단계;
(b) 상기 평량된 원재료를 1600 내지 1800 ℃에서 용해하는 단계;
(c) 용해가 완료된 후 그 용탕을 1500 내지 1600 ℃에서 출탕하는 단계; 및
(d) 상기 출탕된 용탕을 주형에 주입하여 주조하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 내식내마모성 철계 합금의 제조방법을 제공한다.
이때 상기 Ti-Al-V 합금은 Ti-6%Al-4%V 합금 스크랩을 사용한다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 철계 합금은 내식성 및 내마모성이 우수할 뿐만 아니라 티탄 합금 스크랩을 재활용하므로 친환경적이고, 고가의 합금원소의 첨가 없이 내식내마모이 향상되므로 제조 비용이 절감된다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 %는 특별한 기재가 없는 한 중량%를 의미한다.
본 발명의 내식내마모성 철계 합금은 철(Fe)을 기본으로 하는 철계 합금으로, 상기 철에 첨가원소로서 크롬(Cr) 14.1 내지 14.7 중량%, 탄소(C) 1.41 내지 1.47 중량%, 티탄(Ti) 1.78 내지 5.46 중량%, 알루미늄(Al) 0.11 내지 0.39 중량%, 바나듐(V) 0.07 내지 0.27 중량% 및 불가피한 불순물이 포함되도록 한 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 내식내마모성 철계 합금 성분의 조성범위는 다음과 같은 사항에 의해 설정하였다.
크롬(Cr)은 탄소(C)와 탄화물을 형성하여(Cr7C3, CrxCy) 경도 및 내마모성을 개선시키고, 공기 중의 산소와 반응하여 Cr2O3를 형성하여 내식성을 향상시키며, 기지상의 강도를 향상시키므로 적정량을 첨가한다. 이때 그 함량이 14.1 중량% 미만이면 높은 탄소 함량으로 인해 내식성이 저해되고, 이와 반대로 14.7 중량%를 초과하면 인성 및 델타 페라이트의 형성으로 인해 가공성 및 부식성이 저해되므로 본 발명에서는 탄화물에 의한 내마모성 향상 및 내식성 향상을 고려하여 상기 범위로 제한한다.
탄소(C)는 일반적으로 Fe 소지에 고용되어 강도를 향상시키며, 합금 중의 원소와 반응하여 경한 탄화물을 만든다. 또한 오스테나이트 기지상을 안정화시킴과 동시에 오스테나이트 기지상의 구역을 확장시켜 내식성 향상을 위한 티탄(Ti), 알루미늄(Al), 바나듐(V) 등을 첨가할 수 있도록 하여주고, 델타 페라이트의 생성을 억제해준다. 그러나 이때 그 함량이 1.41 중량% 미만이면 탄화물의 생성이 저하되어 내마모성이 저해되는 문제가 발생하고, 이와 반대로 1.47 중량%를 초과하면 다량의 탄화물로 석출되어 취약하게 되며 인성 및 부식성을 저하한다.
티탄(Ti)은 탄소(C)와 결합하여 입상의 탄화물을 형성하여 경도 증가 및 내마모성 향상에 기여한다. 그 탄화물은 고온에서 고용되기 어려운 특징이 있으므로, 합금의 고온에서의 기계적 강도 및 내마모성을 향상시키고, 탄소(C)가 크롬(Cr)과 결합하여 탄화물을 형성하는 것을 방지하여 합금의 인성을 향상시킨다. 또한 기지상 내의 크롬(Cr)의 고갈을 방지하는데 유효하다. 이때 티탄의 함량은 입계 부식에 대한 저항성을 향상시키기 위하여 탄소량과의 관계를 고려하여 첨가한다. 만약 그 함량이 1.78 중량% 미만이면 그 효과가 미미하고, 이와 반대로 5.46 중량%를 초과하면 합금을 용해시 용탕의 주조성이 급격히 저하되고 산화가 극심해지므로 작업이 번거롭게 되며 생산원가가 고가로 되는 만큼 첨가효과는 증가하지 않기 때문에 비경제적이다.
알루미늄(Al)은 알루미늄 옥사이드 또는 알루미늄 나이트라이드를 형성하여 산소가스 또는 질소가스를 제거하며, 탄화물 핵생성 위치로 작용하여 결정립 미세화를 촉진한다. 또한 기지상의 강도를 향상시키며 충격흡수 에너지를 개선한다. 이 때 알루미늄의 함량이 0.11 중량% 미만이면 그 효과가 미미하며 이와 반대로 0.39 중량%를 초과하는 경우 취성이 현저히 증가하는 문제점이 있다.
바나듐(V)은 고온에서 탄화물을 정출시키는 강력한 탄화물 형성 원소로서, 티탄(Ti)과 함께 고경도 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시킨다. 또한 크롬(Cr)과 공존하는 형태로 첨가되면 부동태 피막이 더욱 안정화되고 염수 중에서의 내식성 향상시켜 주고 고온 강도 및 크립 저항성을 개선시킨다. 이때 바나듐의 함량이 0.07 중량% 미만인 경우 그 효과가 미미하며, 이와 반대로 0.27 중량%를 초과하는 경우 인성과 응력 부식 균열성이 현저히 증가되는 문제가 있다.
이때 상기 Ti : Al : V의 중량비는 89~91 : 5.5~6.5 : 3.5~4.5인 것이 바람직하다.
본 발명의 내식내마모성 철계 합금은 가장 널리 상용화된 티탄 합금인 Ti-6Al-4V 합금의 조성비가 그대로 구현된다. 따라서, 티탄 및 바나듐이 상기 중량비로 첨가되어 탄소와의 결합을 통해 탄화물을 형성하기 때문에 기지상 내에 크롬의 고갈을 방지하고 부식속도를 현저히 지연시켜 해수에서의 내식성을 향상시킨다. 또한 미세한 탄화물이 고르게 분포되어 내마모성이 개선된다.
본 발명에 따른 내식내마모성 철계 합금은 ASTM G65에 따라 측정한 손실 중량이 200mg 이하이고, ASTM D1141에 의해 제조된 인공 해수에서 측정한 100시간 침지 후 단위 면적당 손실 중량이 0.02×10-3g/cm2 이하로 내식성 및 내마모성이 우수하다.
이하, 상기한 조성을 갖는 본 발명의 내식내마모성 철계 합금의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
(1) 평량단계
우선, Cr: 14.1 내지 14.7 중량%, C: 1.41 내지 1.47 중량%, Ti: 1.78 내지 5.46 중량%, Al: 0.11 내지 0.39 중량% 및 V: 0.07 내지 0.27 중량%를 포함하고, 잔부는 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지도록, 94 내지 98 중량%의 Fe-Cr-C 합금 및 2 내지 6 중량%의 Ti-Al-V 합금을 평량한다.
이때 상기 Fe-Cr-C 합금은 철을 기본조성으로 하되 비교적 저렴한 합금원소인 크롬 및 탄소 원소를 첨가하고, 합금 원소의 조성을 조절하여 내식성 및 내마모성을 향상하기 위해 Fe-15%Cr-1.5%C 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제조방법은 Ti-Al-V 합금 스크랩을 이용하여 제조단가를 줄일 수 있으므로 경제적이고 이와 동시에 자원 재활용에 따른 친환경적인 효과도 얻을 수 있다. 이때 바람직하게 Ti-Al-V 합금 스크랩은 내마모성 및 내식성을 고려할 때 Ti-6%Al-4%V 합금 스크랩을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 Fe-15%Cr-1.5%C 합금의 함량이 94 중량% 미만이면 상대적으로 크롬의 함량이 감소하여 내부식성이 저하되고, Ti-Al-V 합금이 다량으로 첨가되므로 주조성 및 합금의 제조단가가 상승하는 문제가 있고, 이와 반대로 98 중량%를 초과하면 Ti-Al-V 합금이 소량 첨가되므로 내부식성 및 내마모성에 미치는 효과가 미미한 문제가 있다. 그리고, 상기 Ti-Al-V 합금 스크랩의 함량이 2 중량% 미만이면 탄화물 생성량이 감소하고 기지상 내 크롬 고갈을 방지하는 효과가 미약하여 내마모성 및 내부식성을 향상 효과가 미미한 문제가 있고, 이와 반대로 6 중량%를 초과하면 다량의 티탄 합금의 첨가로 인해 용탕의 유동성 및 합금 제조단가가 상승하는 문제가 있다.
(2) 용해단계
이어서, 상기 평량된 원재료를 용해한다. 용해방법은 본 발명에서 특별히 한정하지는 않으며, 대표적으로 대기 또는 진공용해방법을 사용한다. 구체적으로 고주파진공유도용해로에 평량된 94 내지 98 중량%의 Fe-Cr-C 합금 및 2 내지 6 중량%의 Ti-Al-V 합금 스크랩을 장입한다. 그 후 용해로 내부의 진공도가 3.0×10-1torr 내지 4.0×10-1 torr가 되었을 때 아르곤 가스를 60 torr 내지 80 torr가 되도록 주입한 후 고주파출력 45 내지 50A, 용해온도 1600 내지 1800 ℃에서 원재료를 용해한다.
이때 용해온도가 1600 ℃ 미만이면 장입한 원재료의 용해가 용이하지 못한 문제가 있고, 이와 반대로 1800 ℃를 넘으면 원재료의 증발 및 산화가 심각하게 되어 합금의 조성을 제어하기 어려운 문제가 있다.
(3) 출탕단계
용해가 완료된 후 그 용탕을 출탕한다. 구체적으로 출탕은 내장된 응고 온도 측정기로 응고 온도를 측정한 후 응고 온도 보다 100 내지 200 ℃ 높은 온도에서 래들로 출탕한다. 이때 출탕온도가 1500 ℃ 미만이면 유동성이 낮아져 주형에 주입 하기 전 용탕 표면에서 응고가 시작될 수 있는 문제가 있고, 이와 반대로 1600 ℃를 초과하면 용해된 합금이 산화 및 증발될 수 있어 합금의 조성제어가 곤란한 문제가 있다.
(4) 주조단계
그 다음, 상기 용탕을 적정한 온도에서 주형에 주입하여 주조물을 얻는다. 주입 온도는 상기 용탕의 액상 온도보다 100 내지 2000 ℃ 높은 온도로 하는 것이 바람직하다. 이때 상기 용탕의 액상 온도는 열전대가 내장된 응고온도 측정기로 측정할 수 있다.
이와 같이 제조된 본 발명의 내식내마모성 합금은 ASTM G65에 의거한 손실 중량이 200mg 이하, ASTM D1141에 의거하여 제조된 인용 해수용액에서 100 시간 침지 후 단위 면적당 손실 중량이 0.02×10-3g/cm2 이하로 내식성은 물론 내마모성이 우수하므로 내식성과 내마모성이 동시에 요구되는 광물 및 광석 채광 장비의 소모성 채굴부품, 해수용 펌프, 임펠러 등에 매우 적합하다.
이하 본 발명을 하기 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하겠는 바, 이러한 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예시일 뿐 이들에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
표 1은 본 발명에 따른 철계 합금과 비교예에 따른 합금에 대한 화학조성을 나타낸 것이다.
Fe-15%Cr-1.5%C 합금 965g, Ti-6%Al-4%V 합금 35g을 고주파진공유도 용해로에 장입한 후, 용해로 내부의 진공도가 3.0×10-1torr가 되었을 때 아르곤 가스를 60 torr가 되도록 주입한 후 장입된 합금을 1700 ℃에서 용융하였다. 열전대가 내장된 응고 온도 측정기로 응고 온도를 측정한 다음 1500 ℃에서 출탕하였다. 출탕한 용탕을 주형에 주입하여 합금을 제조하였다.
[표 1]
구분 화학조성(중량%) 비고
Cr C Ti Al V Mo Ni W Si
발명강 1 14.5 1.44 2.97 0.19 0.12 - - - -
비교강 1 15 1.5 - - - - - - - Fe-15%Cr-1.5%C
비교강 2 15 0.68 - - - - - - - 마르텐사이트 강 (Fe-15%Cr-0.68%C
비교강 3 30 2 - - - 6 5 6 - 고크롬고탄소 강
비교강 4 20 1.7 - - - - - - 1 Fe-20%Cr-1.7%C-1%Si
(실험예)
실험예 1 - 광학현미경에 의한 미세조직 관찰
상기 실시예에서 제조한 발명강 1을 산화크롬 10g 과 증류수 100 ㎖를 혼합한 용액에서 5초간 5V로 전해 에칭한 후 광학현미경으로 미세조직을 관찰하였다.
도 1은 본 발명에 따른 발명강 1의 미세조직을 관찰한 광학현미경 200배 사진이고, 도 2는 500배 사진이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 내식내마모성 철계 합금인 발명강 1은 오스테나이트 기지상에 미세한 석출물이 고르게 분산되어 있는 미세조직을 갖음을 확인할 수 있다.
실험예 2 - X-Ray 회절 분석기 및 페라이트스코프를 이용한 상의 분석
도 3은 본 발명에 따른 발명강 1을 X-Ray 회절 분석기(X-Ray Diffractometry, XRD)를 이용하여 상 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 발명강 1의 상은 오스테나이트와 마르텐사이트로 형성된 것을 알 수 있다.
더욱 정확한 분석을 위해 페라이트스코프를 이용한 자화(Magnetization) 방법으로 오스테나이트 분율을 측정하고, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
[표 2]
회수 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 평균 표준편차
수치 2.78 5.21 10.46 6.42 14.61 1.75 8.34 6.59 11.73 5.94 7.49 3.97
상기 표 2에 의거하여 마르텐사이트의 분율을 계산해볼 결과, 대부분이 10% 미만으로 본 발명에 따른 발명강 1의 주된 상은 오스테나이트임을 확인할 수 있었다.
실험예 3 - 연삭마모 테스트에 의한 내마모성 확인
발명강 1 및 비교강 1 내지 비교강 3을 미국재료시험협회 ASTM G65에 의거 연삭마모 테스트를 하여 그 손실 중량을 측정하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4를 참조하면, 마르텐사이트계 강인 비교강 2의 경우 내마모성이 현저히 취약하였고, 본 발명에 따른 발명강 1은 비교강 1 및 고가의 원소가 합금된 고크롬고탄소강인 비교강 3 보다 월등한 내마모성을 나타내었다.
실험예 4 - 인공 해수용액 침지 테스트에 의한 내식성 확인
발명강 1 및 비교강 1 내지 비교강 4를 미국재료시험협회 ASTM D1141에 의거 합성된 인공 해수용액을 부식환경으로 설정하여 25, 50, 100 시간 동안 침지하여 단위 면적당 손실 중량을 측정하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 발명강 1은 인공 해수용액에서 100시간 침지한 후에도 마르텐사이트계 강인 비교강 2에 비해 부식에 의한 손실 중량이 현저히 감소하였고, 녹(rust)의 발생도 없었다. 한편, 발명강 1은 고가의 원소가 합금된 고크롬고탄소강인 비교강 3과 비교하여 100시간 후 손실 중량은 유사하였으나, 제조가격과 비교하여 내마모성을 고려한다면 발명강 1이 보다 경제적이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 내식내마모성 철계 합금은 내식성은 물론 내마모성이 우수하고, 티탄 합금 스크랩을 이용하므로 제조단가가 절감되어 경제적이고, 자원 재활용에 따른 친환경적인 효과도 얻을 수 있다.

Claims (8)

  1. Cr: 14.1 내지 14.7 중량%, C: 1.41 내지 1.47 중량%, Ti: 1.78 내지 5.46 중량%, Al: 0.11 내지 0.39 중량% 및 V: 0.07 내지 0.27 중량% 및 잔부의 Fe을 함유하며, 이때 상기 Ti : Al : V의 중량비는 89~91 : 5.5~6.5 : 3.5~4.5인 것을 특징으로 하는 내식내마모성 철계 합금.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내식내마모성 철계 합금은 오스테나이트 상을 갖는 것을 특징으로 하는 내식내마모성 철계 합금.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. (a) Cr: 14.1 내지 14.7 중량%, C: 1.41 내지 1.47 중량%, Ti: 1.78 내지 5.46 중량%, Al: 0.11 내지 0.39 중량% 및 V: 0.07 내지 0.27 중량%를 포함하고, 잔부는 Fe을 함유하도록, 94 내지 98 중량%의 Fe-15%Cr-1.5%C 합금 및 2 내지 6 중량%의 Ti-6%Al-4%V 합금을 평량하는 단계;
    (b) 상기 평량된 원재료를 60 torr 내지 80torr의 압력조건 하에서 1600 내지 1800 ℃로 용해시키는 단계;
    (c) 상기 용해가 완료된 후 그 용탕을 1500 내지 1600 ℃에서 출탕하는 단계; 및
    (d) 상기 출탕된 용탕을 주형에 주입하여 주조하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 내식내마모성 철계 합금의 제조방법.
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