KR20020062329A - 용접 구조용 Cr 함유 강 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 C 0.020질량% 이하, Si 1.00질량% 이하, Mn 1.0 내지 5.0질량%, P 0.050질량% 이하, S 0.020질량% 이하, Cr 6.00 내지 15.0질량%, Ni·1.0질량% 이하, Al 0.100질량% 이하, N 0.020질량% 이하, V 0.03 내지 0.30질량%, 및 잔여량의 Fe 및 불가피한 불순물의 화학적 조성을 갖되 하기 수학식 1에 의해 산출된 F 값이 13.50 이하인 것을 특징으로 하는 용접 구조용 Cr 함유 강에 관한 것이다.
수학식 1
Description
종래, 자동차의 타이어 부착 영역 주변에 배치되는 부재로서는 보통강(plain steel)을 용접, 가공한 후 도장한 도장 강이 주로 사용되었다.
자동차의 타이어 부착 영역 주변에 배치되는 부재는 강성(剛性)을 확보하기 위해 높은 강도를 갖는 것이 요구되고, 상기 부재는 차체 등에 용접되는 용접 구조 부품으로서 사용되므로 용접부인 비드 및 용접열 영향부(이하「HAZ」라고 한다)에서 양호한 인성과 높은 강도를 갖는 것이 요구되고, 자동차의 타이어 부착 영역 주변에 배치되는 부재는 노면에서의 되튀긴 물 등에 직접 노출되는 위치에 배치되기 때문에 뛰어난 내식성을 갖는 것이 요구된다.
용접 비드는 적절한 용접 와이어를 선택하면 강도, 인성 및 내식성의 확보가 가능하기 때문에 문제가 없지만, HAZ의 강도, 인성 및 내식성 등의 특성은 소재 그 자체의 특성에 의해 영향 받기 쉽기 때문에, HAZ의 특성을 개선시키는 것이 중요하다.
종래, 자동차의 타이어 부착 영역 주변에 배치되는 부재의 소재로서 보통강을 사용하고, 이 경우에는 용접, 가공 후에 반드시 도장공정을 거칠 필요가 있고, 이로 인해 제조성 및 생산성을 현저히 악화시켰다.
따라서, 도장공정을 생략하거나 간략화할 수 있는 자동차의 타이어 부착 영역 주변에 배치되는 부재의 소재로서 Cr 함유 강이 주목되게 되었고, 각종의 검토가 진행되었다.
자동차의 타이어 부착 영역 주변에 배치되는 부재로는 금속 불활성 가스(MIG: Metal Inert Gas) 용접 또는 금속 활성 가스(MAG: Metal Active Gas) 용접에 의해 형성된 비드의 용착 단부(weld toe)에 응력이 집중되기 쉽고, 이 용착 단부가 피로파괴의 기점이 되는 경향이 있기 때문에 용착 단부 주변, 즉 HAZ의 기계적 특성, 특히 강도와 인성을 확보하는 것이 중요하다. 용접부의 강도와 인성을 향상시킨 Cr 함유 강으로서는 예컨대 일본 특허공개공보 제 80-21566호에 개시되어 있는 용접성 및 가공성이 우수한 구조용 마르텐사이트(martensite)계 스테인레스 강을 들 수 있고, 이러한 스테인레스 강을 자동차의 타이어 부착 영역 주변에 배치되는 부재로서 사용하는 것이 당초부터 검토되었다.
상기 마르텐사이트계 스테인레스 강은 저탄소-저질소 마르텐사이트와 저니켈을 함유한 성분계를 제조함으로써 HAZ의 인성을 현저히 개선할 수 있지만, HAZ의 내식성을 충분히 얻을 수 없기 때문에, 모재의 내식성이 양호해도 HAZ에는 종래의 도장을 실시할 필요가 생겨서 결국 스테인레스 강을 채용하는 장점이 감소된다.
스테인레스 강에 있어서 HAZ의 내식성을 개선하기 위한 수단으로서는 Ti 첨가가 효과적이라는 것이 페라이트(ferrite)계 스테인레스 강에 있어서 종래부터 알려져 있지만, Ti를 첨가하면 HAZ 중의 마르텐사이트상이 감소하거나 마르텐사이트상 자체의 강도가 저하되고 HAZ의 강도 및 인성이 저하된다는 문제가 있다. 또한, 통상 HAZ의 강도는 직접 측정할 수 없기 때문에 SAE J417에 규정된 방법에 의해 비커즈(Vickers) 경도를 측정함으로써 강도로 환산할 수 있다.
상술한 바와 같이 당해 분야에는 (1) HAZ의 인성, (2) HAZ의 강도(경도), 및 (3) HAZ의 내식성 모두를 만족시키는 자동차의 타이어 부착 영역 주변에 배치되는 부재에 적합한 Cr 함유 강은 존재하지 않았다.
따라서, 본 발명의 목적은 HAZ의 인성, 강도(경도) 및 내식성 모두를 만족시키는 자동차 타이어 부착 영역 주변에 배치되는 부품에 적합한 Cr 함유 강을 제공하는데 있다.
발명의 요약
발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해 강에 첨가되는 다양한 원소의 영향에 관해서 상세히 조사하였다. 그 결과, V를 적정량 첨가함으로써 HAZ의 내식성을 현저히 개선시킬 수 있다는 것을 발견하였다.
일례로서 Fe-12질량% Cr-2질량% Mn-0.5질량% Ni를 기본으로 하고, V 첨가량이 다른 다양한 Cr 함유 강을 제조하고, 제조된 각 샘플에 대해 MIG 용접을 수행하고, 그 후 HAZ의 강도(실제로는 경도)를 측정함과 동시에 용접후의 샘플의 내식성을 평가한 결과를 도 1에 나타낸다. 또한, 상기 샘플의 용접 조건과 HAZ의 경도 측정방법 및 HAZ의 내식성 평가방법은 후술하는 실시예와 동일하게 실시하였다.
도 1의 결과치로부터 강에 V를 예비결정된 양 이상 첨가하면 HAZ의 내식성이 현저히 향상되지만, V 함유량이 0.30질량%를 초과하면 경도가 현저히 저하된다.
따라서, 상술한 내용에 따라 강에 적정량의 V를 첨가하면 HAZ의 경도, 즉 강도 및 내식성을 높은 수준으로 동시에 성취할 수 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 양호한 HAZ의 인성 및 강도를 얻기 위해서는 후술하는 수학식 1 또는 2에 강에 함유하는 각 성분의 함유량의 값을 대입하여 산출했을 때의 F 값 또는 F' 값이 예비결정된 값 이하가 되도록 하면 바람직하다는 것도 알 수 있다.
따라서, 상기 내용에 근거하여 본 발명의 요지는 이하와 같다. 본 발명은 C 0.020질량% 이하, Si 1.00질량% 이하, Mn 1.0 내지 5.0질량%, P 0.050질량% 이하, S 0.020질량% 이하, Cr 6.0 내지 15.0질량%, Ni 1.00질량% 이하, Al 0.100질량% 이하, N 0.020질량% 이하, V 0.03 내지 0.30질량%, 및 잔여량의 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 각 성분의 함유량 값을 하기 수학식 1에 대입하여 산출한 F 값이 13.50이하인 것을 특징으로 하는 용접 구조용 Cr 함유 강에 관한 것이다.
추가로, 본 발명은 Cu 2.0질량% 이하 및 Mo 3.0질량% 이하를 함유하고, 상기 각 성분의 함유량 값을 하기 수학식 2에 대입하여 산출한 F' 값이 13.50 이하인 것을 특징으로 하는 용접 구조용 Cr 함유 강에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 B 0.0003 내지 0.0050질량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 용접 구조용 Cr 함유 강이다.
본 발명은 용접 구조용, 특히 자동차의 타이어 부착 영역 주변에 배치되는 부재로 사용하기에 적합한 Cr 함유 강에 관한 것이다.
도 1은 기본 성분으로서 Fe, 12질량%의 Cr, 2질량%의 Mn 및 0.5질량%의 Ni를 함유하는 Cr 함유 강에서 V 함유량(질량%)에 대한 HAZ의 경도 및 내식성의 관계를 도시한 그래프이다.
도 2는 HAZ의 경도 측정위치를 나타낸 것이다.
도 3은 샤르피(Charpy) 충격 시험편의 채취위치를 나타낸 것이다.
도 4는 염수 분무 시험용으로 채취한 시험편을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따른 Cr 함유 강(이하, 간단히 「본 발명의 강」이라 한다)의 각 성분을 상기 범위로 한정한 이유에 대해서 상세히 설명한다.
·C: 0.020질량% 이하 및 N: 0.020질량% 이하
본 발명의 강에 있어서 C 및 N은 HAZ의 내식성에 악영향을 초래하는 성분이며, 이들은 모두 강중의 함유량이 0.020질량%를 초과하면 내식성이 현저히 저하되기 때문에 C 및 N의 함유량은 모두 0.020질량% 이하로 한다.
또한, C 및 N은 HAZ의 강도(경도)를 높이기 때문에 모두 0.005질량% 이상인 것이 바람직하다.
·Si: 0.05질량% 내지 1.00질량%
Si는 탈산소 작용이 있고, 제강상 필요한 성분이다. 이 때문에, 제강처리 후의 용강에는 보통 0.05질량% 이상이 포함된다. 본 발명의 성분계에서 Si 함유량이 1.00질량%를 초과하면, HAZ에 생성된는 마르텐사이트상이 현저히 감소하기 때문에 1.00질량% 이하로 한정한다.
·Mn: 1.0 내지 5.0질량%
Mn은 고온에서의 γ(오스테나이트(austenite))상을 안정시켜 담금질성을 얻는 데에는 필수적인 성분이며, Mn 함유량의 하한을 1.0질량%로 한다. 한편, Mn 함유량이 5.0질량%를 초과하면 HAZ의 인성이 열화하기 때문에 Mn 함유량의 상한을 5.0질량%로 한다.
·P: 0.050질량% 이하
P 함유량은 가공성 측면에서 가능한 한 낮게 하는 것이 바람직하지만, 제강시의 P 성분 제거 비용을 발생시키므로 그 상한을 0.050질량%로 한다.
·S: 0.020질량% 이하
S 함유량은 내식성 측면에서 가능한 한 낮게 하는 것이 바람직하지만, 제강시의 S 성분 제거 비용을 발생시키므로 그 상한을 0.020질량%로 하였다.
·Cr: 6.0 내지 15.0질량%
Cr은 내식성을 향상시키는 데 유효한 성분이며, Cr 함유량을 6.0질량% 이상으로 하면 내식성이 현저히 향상되기 때문에 그 하한을 6.0질량%로 한다. 한편, Cr 함유량이 15.0질량%를 초과하면 HAZ에 마르텐사이트상을 생성시키기 위해서 Ni가 다량으로 필요해져 비용이 높아지기 때문에 그 함유량의 상한을 15.0질량%로 한다. 바람직하게는 10.0 내지 15.0질량%로 한다.
·Ni: 0.10 내지 1.00질량% 이하
Ni는 고온에서 γ상을 안정화시키는 성분이기 때문에 그 효과를 얻기 위해서는 0.10질량% 이상의 양으로 첨가하는 것이 필요하다. 그러나, Ni는 고가이기 때문에 다량의 첨가는 비용 상승을 초래하므로 그 상한을 1.00질량%로 한다.
·Al: 0.100질량% 이하
Al은 제강상 탈산소제로서 필요한 성분이다. 이로 인해 제강처리 후의 용강에는, 보통 0.02질량% 이상이 포함된다. 그러나, 탈산소제로서 사용하지 않는 경우는 보통 0.002질량% 이상이 불가피하게 포함된다. Al 함유량이 0.100질량%를 초과하는 과량의 첨가는 개재물이 생성되기 쉽게 되어 인성이 열화하기 때문에 Al 함유량의 상한은 0.100질량%로 한다.
·V: 0.03 내지 0.30질량%
V는 강에 적량 첨가함으로써 HAZ의 내식성을 향상시키는 성분이며, V 함유량이 0.03질량% 이상인 경우 내식성 개선 효과가 탁월하지만 V 함유량이 0.30질량%를 초과하는 과량으로 첨가되는 경우에는 HAZ의 강도 및 인성을 저하시키므로 V 함유량을 0.03 내지 0.30질량%로 하였다. 또한, V 함유량은 HAZ의 내식성 및 강도(경도)를 둘 다 높은 수준으로 만족시키기 위해서는 0.06 내지 0.15질량%로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 상기 강 조성에서 한정하는데 추가로 HAZ의 인성 및 강도(경도)를 확보하기 때문에 상기 각 성분의 함유량 값을 하기 수학식 1에 대입하여 산출한 F 값이 13.50 이하인 것을 본 발명의 필수적인 구성으로 한다.
수학식 1
상기 수학식 1에 있어서 Cr, Si, Al, P 및 V는 소위 페라이트 생성 원소이며 고온으로 γ상의 생성을 저해한다. 한편, Mn, Ni, C 및 N은 소위 오스테나이트 생성원소이며 고온으로 γ상의 생성을 촉진한다. 상기 F 값은 커질수록 고온에서 γ상이 생성되기 어렵게 되어서 HAZ의 인성 및 강도가 충분히 얻어질 수 없다는 것이 판명되고, 추가로 상세히 조사한 결과 상기 F 값이 13.50 이하이면 HAZ에 미세한 연질 마르텐사이트상이 석출됨으로써 용접부의 인성 및 강도를 확보할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
이로 인해, 본 발명에서 상기 성분계에서 F 값은 13.50 이하로 한정된다.
본 발명은 상기 구성을 채용함으로써 HAZ의 인성, 강도(경도) 및 내식성 모두를 만족시키는 용접 구조용, 특히 자동차의 타이어 부착 영역 주변에 배치되는 부품에 적합한 Cr 함유 강을 개발하는 데 성공할 수 있었다.
또한, 본 발명에서는 기타 성분으로서 필요에 따라 Cu 및 Mo를 강에 첨가할 수도 있다.
·Cu: 0.10 내지 2.00질량%
Cu는 내식성을 향상시키는데 유효한 성분임과 동시에 고온에서의 γ상을 안정화시키는 성분이며, 상기 내식성 및 안정성을 동시에 성취하기 위해서는 0.10질량% 이상의 양으로 첨가하는 것이 필요하다. Cu 함유량이 2.00질량%를 초과하도록 과량으로 첨가하면, 강의 열간 가공성을 열화시키기 때문에 Cu 함유량의 상한을 2.00질량%로 한다. 또한, Cu 함유량은 바람직하게는 1.00질량% 이하로 한다.
·Mo: 0.40 내지 3.00질량% 이하
Mo는 내식성을 개선하는데 유효한 성분이기 때문에 그 효과를 얻기 위해서는 0.40질량% 이상의 양으로 첨가하는 것이 필요하다. 페라이트 생성 원소이기 때문에 Mo 함유량이 3.00 질량%를 초과하도록 과량으로 첨가하면 소재를 취화시키므로 Mo 함유량의 상한을 3.00질량%로 제한한다.
또한, 강중에 Cu 및 Mo를 함유하는 성분계에서는 상기 F 값의 대신에 Cu 및 Mo 성분의 함유량 가미를 고려한 상기 각 성분의 함유량 값을 하기 수학식 2에 대입하여 산출한 F' 값이 13.50이하인 것을 본 발명의 필수적인 구성으로 한다.
수학식 2
또한, 상기 Cr 함유 강에 있어서 필요에 따라 강에 B를 첨가할 수도 있다.
·B: 0.0003 내지 0.0050질량%
B는 담금질성을 높이는 성분임과 동시에 HAZ의 경도를 향상시키기 위해서 유효한 성분이기도 하고, 추가로 균열성에 대한 개선 효과도 갖고 그 효과는 B 함유량이 0.0003질량% 이상에서 나타나고 0.0050질량%를 초과하면 인성이 저하되기 때문에 B 함유량을 0.0003 내지 0.0050질량%로 한다. 또한, B 함유량은 0.0005 내지 0.0015질량%로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 Cr 함유 강의 제조방법에 관해서는 특별히 한정하지 않는다. 예컨대, 스테인레스 강 등의 Cr 함유 강의 제조에 일반적으로 채용되고 있는 방법을 거의 그대로 적용할 수도 있다. 제조방법의 일례에 관해서 이하에서 설명한다.
우선, 연속 주조하여 얻은 강 소재는 필요에 따라 예비결정된 온도로 가열되고, 다음으로 열간 압연에 의해 원하는 판 두께의 열연판으로 만들고, 이어서 이 열연판은 필요한 강도 수준에 따라 600 내지 900℃의 상자 어닐링을 실시한 후, 그대로 또는 산 세정하여 사용하도록 공급되거나, 냉간 압연에 의해 원하는 판 두께의 냉간 압연판으로 만들고, 냉간 압연판은 바람직하게는 700 내지 900℃에서의 연속 어닐링 및 산 세정 공정을 거침에 따라 냉간 압연 어닐링판인 Cr 함유 강을 제조할 수 있다.
또한, 상술한 제조 공정은 본 발명의 실시형태의 일례를 예시한 것에 불과하고, 그 용도에 따라 다양한 공정을 가할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 50kg 철강 주괴를 진공 용해화로로 제조하고, 통상의 열간 압연조건에 의해 두께 4mm의 열연판을 제조하였다. 그 후, 700℃에서 8시간동안 어닐링하고, 하기 용접 조건에 의해서 MIG 용접을 수행한 후 HAZ의 강도 평가로서 비커즈 경도를 평가하고, 또한 인성 및 내식성을 평가하였다.
(용접 조건)
맞댐 용접
용접 와이어: 와이어 입경 1.2mmΦ, 재질: SUS309S(JIS G4309)
봉인 가스: 95 부피% Ar-5부피% 산소
용접 전류: 170A, 용접 전압: 24V, 용접 속도: 400mm/min
(1) HAZ의 경도 측정방법
HAZ가 경도는 JIS(Japanese Industrial Standard) Z 2244-1992에 규정되는 비커즈 경도 시험방법에 의해서 HAZ 경도를 측정하였다. 또한, 시험하중은 9.8N(1kgf)로 하고, HAZ의 경도는 도 2으로 나타내는 위치의 3개 지점(0.8mm 피치)에서 측정하고, 이들의 측정한 경도의 값의 평균치로부터 HAZ의 경도를 평가하였다. 표 1에 그 측정 결과를 나타낸다.
(2) HAZ의 인성 평가방법
HAZ의 인성은 도 3에서 나타내는 위치로부터 채취된 JIS Z 2202-1980에 규정되는 4호 시험편(단, 시험편은 표면 및 이면을 절삭 및 연삭하여 두께를 2mm로 마무리한 서브사이즈 시험편이며, HAZ 위치에 용접 방향과 평행하게 연장되는 2mm의 V 노치를 갖는다)를 3장 제조하고, 이 시험편을 샤르피 충격 시험기에 설치하여 JIS Z 2242-1993에 규정되는 샤르피 충격 시험방법에 의해서 시험을 실시하고, 이 때 시험편을 파단하는데 필요한 흡수 에너지를 산출하고, 이 흡수 에너지의 값의 3장의 평균치에 의해서 평가하였다. 또한, 시험 온도는 0℃로 하였다. 표 1에 각 시험편에서 산출한 흡수 에너지의 값을 표 1에 나타낸다.
(3) HAZ의 내식성 평가방법
HAZ의 내식성은, 용접후 도 4에서 나타내는 위치로부터 채취된 60mm×80mm의 샘플을 2장 꺼내고, #400의 샌드페이퍼로 용접부 이면의 용접부를 포함하는 20mm 폭 부분을 연마한 후, 염수 분무 시험(SST)을 JIS Z 2371에 준거한 방법으로 4시간동안 수행하였다. 또한, 용접 비드를 중심으로 포함하는 10mm 폭 부분을 HAZ(10mmX80mm)로 간주하고, 이 부분의 녹 발생 면적의 대소를 측정함으로써 HAZ의 내식성을 평가하였다. 표 1에 그 평가 결과를 나타낸다. 또한, 표 1에서「○」는 녹 발생 면적이 2장의 평균치로 5질량%(녹 발생 면적 40mm2/HAZ 면적 800mm2) 이하인 경우, 「△」는 녹 발생면적이 2장의 평균치로 5질량% 내지 50질량%(녹 발생 면적 40mm2초과하여 400mm2)인 경우, 및 「×」는 녹 발생 면적이 2장의 평균치로 50질량% 초과(녹 발생 면적 400mm2초과)하는 경우를 의미한다.
표 1의 결과에서 본 발명의 강 1 내지 3 및 10은 강에 적정량의 V를 첨가하기 때문에 강에 함유하는 V량이 본 발명의 적정량의 범위를 벗어나는 비교용 강 A및 B에 비해 HAZ의 내식성이 현저히 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 강 4 및 5는 강에 적합한 범위의 B량을 추가로 첨가하기 때문에 담금질성이 향상됨으로써 HAZ 경도가 더욱 향상되고 있음을 알 수 있다. 본 발명의 강 6 내지 9 및 11은, 특히 Mo와 Cu 중 한 가지 이상을 강에 적당한 범위의 양을 첨가하기 때문에 첨가하지 않은 경우에 비해 피트 깊이가 얕고 내식성을 더욱 향상시키는 효과가 있고 HAZ의 인성, 경도 및 내식성의 모든 성능도 양호하다.
한편, 비교용 강 C는 V를 본 발명의 적정 범위보다도 다량으로 강에 첨가하기 때문에 HAZ의 경도 및 인성이 열화되고 있다. 비교용 강 D는 Mn을 본 발명의 적정범위보다도 다량으로 강에 첨가하기 때문에 HAZ의 인성이 열화되고, 비교용 강 E는 F 값이 본 발명의 적정 범위보다도 크기 때문에 HAZ의 인성이 열화된다.
본 발명에 따른 Cr 함유 강은 HAZ의 인성, 강도(경도) 및 내식성의 모든 성능이 우수하기 때문에 용접 구조용, 특히, 자동차 타이어 부착 영역 주변에 배치되는 용도에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 Cr 함유 강은 파이프 또는 판 등의 어느 형태로도 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 열연판을 사용한 경우를 나타내었지만, 냉간 압연판으로도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 Cr 함유 강을 HAZ의 내식성을 더욱 향상시키는 등의 목적으로, 필요에 따라 도장한 후에 사용해도, 본 발명을 벗어나는 것은 아니다.
Claims (5)
- C 0.020질량% 이하, Si 1.00질량% 이하, Mn 1.0 내지 5.0질량%, P 0.050질량% 이하, S 0.020질량% 이하, Cr 6.0 내지 15.0질량%, Ni 0.10 내지 1.00질량% 이하, Al 0.100질량% 이하, N 0.020질량% 이하, V 0.03 내지 0.30질량%, 및 잔여량의 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 각 성분의 함유량 값을 하기 수학식 1에 대입하여 산출한 F 값이 13.50 이하인 것을 특징으로 하는 용접 구조용 Cr 함유 강.수학식 1
- 제 1 항에 있어서,Cu 0.10 내지 2.00질량% 및 Mo 0.40 내지 3.00질량%, 및 잔여량의 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 각 성분의 함유량 값을 하기 수학식 2에 대입하여 산출한 F' 값이 13.50 이하인 것을 특징으로 하는 용접 구조용 Cr 함유 강.수학식 2
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,B 0.0003 내지 0.0050질량%를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 용접 구조용 Cr 함유 강.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,Cr 함유 강이 열연 강판인 것을 특징으로 하는 용접구조용 Cr 함유 강.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,Cr 함유 강이 열간 압연 후 냉간 압연된 냉연 강판인 것을 특징으로 하는 용접 구조용 Cr 함유 강.
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