KR20110068963A - 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성가공 방법 - Google Patents

저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성가공 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성 가공 방법은, 장비세팅단계(S100)와, 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo) 중 하나 이상으로 이루어진 고반응성 금속분말을 저밀도판재로 압연하는 분말압연단계(S200)와, 불활성분위기로 내부에 안내된 상기 저밀도판재에 저항을 발생시키는 급속가열수단을 동작시켜 저밀도판재를 가열하는 저항가열단계(S300)와, 가열된 저밀도판재를 압연하여 압연품을 제조하는 열간압연단계(S400)와, 상기 불활성분위기로 외부로 안내된 압연품을 400℃이하로 급속 냉각하여 표면 산화를 제한하는 급속냉각단계(S500)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성가공 방법 {A method for plastic forming of high reactivity metal powders use of plastic forming apparatus having a rapid heating system using resistance heating}
본 발명은 금속분말을 압연하여 저밀도판재를 성형하고, 저밀도판재에 급속가열수단의 저항 및 압력을 제공하여 가열 및 압연함으로써 열간압연이 가능하도록 한 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성가공 방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속소재의 경우 고온으로 가열하게 되면 소성가공을 위한 유동응력이 낮아지게 되어 성형이 용이하게 된다. 그러나, 금속소재 중에서 고온강도가 높고 고온에서 대기와의 반응성이 큰 소재의 경우 열간성형 방법을 쉽게 적용하기 어렵다.
이 경우 대부분 소재자체의 대기와의 반응을 줄이기 위한 다양한 방법이 소개되어 이용되고 있는 데, 전통적인 방법은 아래와 같다.
첫째 방법은 비교적 표면산화가 일어나지 않는 금속소재로 외부를 얇은 이종의 금속판재 등으로 포장하고, 내부를 진공으로 만든 후 밀폐한 후 열간압연 등을 수행하고, 마무리 공정으로 표면 포장재를 기계적 혹은 화학적 방법을 이용하여 제거하는 방법이다.
즉, US Patent 4,917,858에서는 Ti와 Al 분말을 이용하여 TiAl을 제조하기 위해 정량된 분말소재를 캔에 넣고 열간 혹은 냉간상태에서 압연한 후 외부의 캔소재를 제거하는 방법을 소개하고 있다.
그러나, 이 방법에 의하면 외부 피복재가 반드시 필요하고, 가공 후에는 외부 피복재를 다시 제거해야하는 어려움이 있으며, 외부피복재로 인해 치수제어에도 어려움이 있다.
둘째 방법은 열간성형하기 전에 성형재 표면에 합금의 표면에 유리섬유 등 산화방지제를 도장하고 열간성형하는 방법이다.
그러나, 이러한 방법에서는 표면산화 방지 효과가 완벽하지 않아 도장된 산화방지층이 성형중 제거 혹은 파손되며 연속성형중 표면이 고온에서 대기에 노출되어 표면산화가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
또한, 별도의 코팅 공정을 통해 표면에 균일한 코팅층을 형성시키고 압연 후에는 코팅층을 제거하기 위한 후공정이 요구되며, 앞서 설명한 metal packing법과 비교하면 산화방지 효과는 떨어지는 문제점이 있다.
마지막으로, 소성가공 분위기 자체를 진공 혹은 불활성 분위기로 하여 판재를 성형하는 방법이다.
이러한 방법은 국제특허 공개번호 WO08/122075에 게시되어 있으며, 보다 상세히 살펴보면, 대기중에서 분말압연한 분말파우더 스트립을 알곤분위기에서 유도가열한 후 고온에서 열간압연하여 고밀도 판재를 제조하는 방법이다.
그러나 이러한 방법에서 사용되는 유도 가열은 열효율이 상대적으로 낮고, 자체 만으로는 이론밀도를 얻기가 어렵다. 즉, 원천적으로 strip 자체 내에 존재하는 기포를 제거할 수 있는 방법이 없어 초기에 형성된 분말입자 사이의 폐기공에 의해서 형성된 공동부위가 후공정 후에도 그대로 남아있고 이를 후공정에 의해서 압착한다 하더라도 closed pore 형태로 존재하는 공동에 의해서 최종 판재의 특성은 떨어지게 된다.
한편, 금속분말 소재를 이용하여 판재, 봉재, 형재를 압연하고자 할 때 금속분말이 고온에서 대기와의 반응성이 큰 금속 Ti, Zr, Nb, Mo 등이라면, 전술한 다양한 방법으로 성형하더라도 표면의 산화를 방지하는데 어려움이 있으며, 다수 공정이 요구됨에 따라 연속 성형이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 산소와의 반응성이 높은 Ti, Zr, Nb, Mo 금속분말을 압연하여 저밀도판재를 성형하고, 저밀도판재에 급속가열수단의 저항 및 압력을 제공하여 급속 가열 및 압연함으로써 열간압연이 가능하도록 한 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성 가공 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 열간압연된 압연품을 급속냉각하여 산화반응을 억제함으로써 압연품의 품질이 향상되도록 한 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성 가공 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의한 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성 가공 방법은, 장비세팅단계와, 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo) 중 하나 이상으로 이루어진 고반응성 금속분말을 저밀도판재로 압연하는 분말압연단계와, 불활성분위기로 내부에 안내된 상기 저밀도판재에 저항을 발생시키는 급속가열수단을 동작시켜 저밀도판재를 가열하는 저항가열단계와, 가열된 저밀도판재를 압연하여 압연품을 제조하는 열간압연단계와, 상기 불활성분위기로 외부로 안내된 압연품을 400℃이하로 급속 냉각하여 표면 산화를 제한하는 급속냉각단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 저항가열단계는, 상기 급속가열수단을 구성하는 제1가열롤러부와 제2가열롤러부에 (-)극과 (+)극 중 서로 다른 극을 인가하는 과정임을 특징으로 한다.
상기 장비세팅단계에서, 상기 제2가열롤러부는 다수로 구비되며, 상기 다수 제2가열롤러부는 제1가열롤러부에 대하여 동일한 방향으로 서로 다른 이격 거리를 갖도록 배치됨을 특징으로 한다.
상기 장비세팅단계는, 상기 제2가열롤러부와 제1가열롤러부의 이격거리 및 회전속도를 조정하여 상기 저항가열단계 중 저밀도판재에 발생하는 저항의 크기를 세팅하는 과정임을 특징으로 한다.
상기 분말압연단계는 60 내지 95%의 밀도를 가지며, 개방형 기공이 다수 형성된 저밀도판재를 성형하는 과정임을 특징으로 한다.
상기 열간압연단계는 열간압연롤러의 외주면에 형성된 성형홈을 이용하여 저밀도판재를 선재, 판재, 형재 중 어느 하나로 압연하는 과정임을 특징으로 한다.
상기 저항가열단계에서, 상기 제2가열롤러부와 제1가열롤러부는 저밀도판재를 선택적으로 압연하는 것을 특징으로 한다.
상기 급속냉각단계 이후에는, 압연품을 절단하는 절단단계가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에서는, 산소와의 친화력이 크고 고온압연이 어려운 Ti, Zr, Nb, Mo 등의 괴상 분말소재를 저항을 이용하여 연속적으로 가열 및 압연 가능하도록 구성하였다.
따라서, 공정이 간소하여 생산성이 향상되므로 제조 원가가 절감되는 이점이 있다.
또한, 제1가열롤러부와 제2가열롤러부의 이격 거리 및 통전량을 조절하여 다양한 종류의 금속분말에 변경 적용이 가능하므로 사용편의성이 향상되는 이점이 있다.
뿐만 아니라, 불활성 분위기에서 대기와의 반응을 줄이며 소재의 저항 가열 방식을 취하여 급속가열 함으로써 표면산화층의 생성을 최대한 억제할 수 있게 되므로, 압연품의 밀도와 기계적 강도를 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 의한 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치의 구성을 보인 개략도.
도 2 는 본 발명에 의한 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성가공 방법을 나타낸 제조 공정도.
본 발명에 의한 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치(이하 '소성가공장치'라 칭함)는 가공시 분위기와의 반응으로 인해 대기 가열이 어려운 Ti, Zr, Nb, Mo 등의 금속분말을 보다 용이하게 성형하기 위한 장치이다.
즉, 상기 소성가공장치는 가열시 급속한 표면 산화가 발생되는 금속분말을 저밀도판재로 압연한 후 저항을 이용하여 급속가열하고, 후공정으로 소성 변형을 부과하는 장치이다.
이하 상기 소성가공장치(100)의 구성을 첨부된 도 1을 참조하여 설명한다.
상기 소성가공장치(100)는, 금속분말을 저밀도판재(P)로 압연하는 분말압연롤러(110)와, 상기 저밀도판재(P)의 이송 방향을 안내하는 가이드롤러(120)와, 상기 가이드롤러(120)로부터 안내된 저밀도판재(P)에 저항을 발생시켜 가열하는 급속가열수단(130)과, 가열된 저밀도판재(P)를 압연하는 열간압연롤러(140)와, 상기 열간압연롤러(140)에서 압연된 압연품을 냉각하는 냉각수단(150)과, 냉각된 압연품을 보관하는 보관수단(160)을 포함하여 구성된다.
상기 분말압연롤러(110)는 한 쌍으로 구성되어 서로 반대방향으로 회전함으로써 금속분말을 저밀도판재(P)로 압연하는 구성이다.
따라서, 상기 분말압연롤러(110)의 상측에는 금속분말의 보관 및 공급을 수행하는 호퍼(112)가 구비된다.
상기 분말압연롤러(110) 하측에는 가이드롤러(120)가 구비된다. 상기 가이드롤러(120)는 분말압연롤러(110)에서 압연된 저밀도판재(P)를 우측 방향으로 안내하기 위한 구성이다.
상기 가이드롤러(120) 우측에는 급속가열수단(130)이 구비된다. 상기 급속가열수단(130)은 상/하 방향으로 인접하여 서로 회전하는 다수 롤러가 이격 배치된 것으로, 상기 가이드롤러(120)에서 이송된 저밀도판재(P)에 저항이 발생될 수 있도록 한다.
즉, 상기 급속가열수단(130)은 (-)극 또는 (+)극 중 어느 하나와 연결되는 제1가열롤러부(132)와, 상기 제1가열롤러부(132)와 이격 설치되고 제1가열롤러부(132)와 다른 극이 연결되는 제2가열롤러부(134)를 포함하여 구성된다. 그리고, 상기 급속가열수단(130)에는 전원을 공급하기 위한 전원공급수단(170)이 연결된다.
보다 상세하게는 상기 제1가열롤러부(132)에는 본 발명의 실시예에서 1개로 구성되며 (-)극이 연결된다. 그리고, 상기 제2가열롤러부(134)에는 본 발명의 실시예에서 2개로 구성되며 모두 (+)극이 연결된다.
따라서, 상기 전원공급수단(170)이 동작하여 상기 제1가열롤러부(132)와 제2가열롤러부(134) 에 서로 다른 극을 인가하게 되면 상기 제1가열롤러부(132)와 제2가열롤러부(134) 사이에서는 저밀도판재(P)를 통해 전류가 흘러 저항열이 발생될 수 있게 된다.
그리고, 상기 제2가열롤러부(134)는 본 발명의 실시예에서 2개로 구성된다. 따라서, 상기 2 개의 제2가열롤러부(134) 사이의 저밀도판재(P)에는 분말 접촉에 의한 높은 저항이 발생되어 급속한 가열이 가능하며, 상기 제1가열롤러부(132)와 인접한 제2가열롤러부(134) 우측에 위치한 곳에는 상대적으로 낮은 저항이 발생된다.
또한, 상기 제1가열롤러부(132)와 제2가열롤러부(134)는 이격 거리가 선택적으로 조정 가능하게 구성된다. 이것은 상기 제1가열롤러부(132)와 제2가열롤러부(134) 사이의 거리와 저항의 크기는 비례하게 되고 판재의 이송속도에 따라 가열시간이 결정되므로, 이러한 이격 거리와 저밀도판재(P)의 이송속도를 조절하여 가열온도와 유지시간을 조절하게 된다.
뿐만 아니라, 상기 제1가열롤러부(132)와 제2가열롤러부(134)는 저밀도판재(P)를 선택적으로 압연 가능하게 구성된다.
즉, 상기 2개의 제2가열롤러부(134) 중 좌측의 제2가열롤러부(134)를 지나온 저밀도판재(P)는 가열된 상태이므로 우측의 제2가열롤러부(134)와 제1가열롤러부(132)는 저밀도판재(P)를 선택적으로 압연하여 다수회에 걸쳐 압연되도록 구성할 수도 있다.
이때 상기 제1가열롤러부(132)와 제2가열롤러부(134)는, 전기전도도와 고온강도 및 내마모성이 높은 Cu-Cr계, Cu-Be 계 합금소재 등이 사용될 수 있다.
상기 열간압연롤러(140)에는 별도의 발열체가 구비되지 않으며, 상기 급속가열수단(130)의 작용에 의한 저항에 따라 발생된 열로서 저밀도판재(P)를 압연하는 구성이다.
따라서, 상기 열간압연롤러(140)는 제1가열롤러부(132)와 인접하게 배치되어 가열된 저밀도판재(P)가 냉각되기 전에 열간 압연이 될 수 있도록 구성됨이 바람직하다.
그리고, 상기 열간압연롤러(140)는 20-50%의 압하율로 저밀도판재(P)를 압연하게 되며, 이때 최종 압연품의 밀도는 99% 이상의 이론밀도에 이르게 된다
상기 열간압연롤러(140)는 저밀도판재(P)를 다양한 형상의 연속압연품으로 성형 가능하도록 구성된다.
즉, 상기 열간압연롤러(140)의 외주면에는 도시되진 않았지만, 저밀도판재(P)를 선재, 판재, 형재로 압연될 수 있도록 하는 성형홈이 구비될 수도 있다.
상기 가이드롤러(120)와, 급속가열수단(130) 및 열간압연롤러(140)는 불활성분위기로(180) 내부에 위치한다. 상기 불활성분위기로(180)는 내부에 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 수용하여 불활성분위기를 유지함으로써 저밀도판재(P)의 표면산화를 억제하는 역할을 수행한다.
상기 불활성분위기로(180)의 외측에는 냉각수단(150)이 구비된다. 상기 냉각수단(150)은 열간압연된 압연품을 급속하게 냉각하기 위한 구성이다.
즉, 상기 압연품은 온도가 높을 경우 대기와의 반응에 의해서 산화될 우려가 있으므로, 상기 불활성분위기로(180)를 빠져나온 직후에는 상기 냉각수단(150)을 이용하여 급속하게 냉각시키게 된다.
이때 상기 냉각수단(150)은 압연품을 공냉 또는 수냉으로 냉각시킬 수 있음은 자명하다.
상기 냉각수단(150) 우측에는 보관수단(160)이 구비된다. 상기 보관수단(160)은 열간 압연이 완료된 압연품을 외주면으로 권취하여 보관하기 위한 구성이다.
상기 보관수단(160) 좌측에는 절단기(도시되지 않음)를 더 구비될 수 있다. 상기 절단기는 압연품을 일정 길이만큼 절단하기 위한 구성으로, 상기 절단기가 구비되고 동작시에는 상기 보관수단(160)은 롤러 타입이 아닌 랙(rack)으로 대체될 수도 있음은 자명하다.
이하 상기와 같이 구성되는 소성가공장치(100)를 이용하여 고반응성 금속분말의 소성 가공 방법을 첨부된 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에는 본 발명에 의한 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성가공 방법을 나타낸 제조 공정도가 도시되어 있다.
도면과 같이, 고반응성 금속분말을 소성 가공하는 방법은, 장비세팅단계(S100)와, 금속분말을 저밀도판재(P)로 압연하는 분말압연단계(S200)와, 상기 저밀도판재(P)에 저항을 발생시키는 급속가열수단을 동작시켜 저밀도판재(P)를 가열하는 저항가열단계(S300)와, 가열된 저밀도판재(P)를 압연하는 열간압연단계(S400)와, 압연된 압연품을 냉각하는 급속냉각단계(S500)로 이루어진다.
상기 장비세팅단계는 상기 제2가열롤러부(134)와 제1가열롤러부(132)의 이격 거리와 회전속도를 조정하고, 상기 제1가열롤러부(132)와 제2가열롤러부(134)에 전원공급수단(170)의 다른 극성이 연결되도록 하는 과정이다.
그리고, 상기 호퍼(112) 내부에는 저밀도판재(P)로 성형하기 위한 금속분말이 장입된다.
상기 장비세팅단계가 완료되면, 상기 호퍼 내부의 금속분말을 하방향으로 낙하시켜 분말압연롤러(110)를 이용하여 저밀도판재(P)로 성형하게 된다(분말압연단계:S200).
이때 상기 저밀도판재(P)는 60 내지 95%의 저밀도를 갖는 상태가 된다.
이후 상기 저밀도판재(P)는 불활성분위기로(180)로 내부에 유입되고, 상기 가이드롤러(120)에 의해 우측 방향으로 안내된다.
이후 상기 저밀도판재(P)는 제2가열롤러부(134)를 지나면서 저항에 의해 급속하게 가열되는 저항가열단계(S300)가 실시된다.
또한, 상기 저밀도판재(P)는 제1가열롤러부(132)와 제2가열롤러부(134)에 의해 가열 뿐만 아니라 압연 공정도 선택적으로 가능하게 된다.
이후 상기 급속가열수단(130)에 의해 가열된 저밀도판재(P)는 열간압연롤러(140)에 의해 20 내지 50%의 압하율로 압연되어 소재의 치밀도와 조직의 균질도를 높일 수 있으며, 99% 이상의 이론밀도를 가지는 압연품이 제조 가능하게 된다(열간압연단계:S400).
상기 압연품은 불활성분위기로(180) 외부로 인출되며 이와 동시에 상기 냉각수단(150)에 의해 400℃이하로 냉각된다(급속냉각단계:S500).
상기 급속냉각단계(S500) 이후에는 절단기를 이용하여 압연품을 일정 길이만큼 절단하거나, 도 1과 같은 롤러 타입의 보관수단(160)에 권취하여 보관하게 된다.
상기와 같은 과정에 따라 고반응성 금속분말의 연속적인 소성 가공이 완료되며, 100%의 밀도를 가지는 압연품을 생상하기 위해서는, 필요에 따라 진공소결 또는 냉간압연 공정을 추가하여 실시할 수도 있다.
이때 상기 저밀도판재(P)는 60 내지 95%의 저밀도를 갖도록 하고, 내부의 기공이 외부로 개방된 개방형 기공(open pore) 형태를 유지하도록 함으로써 진공소결시에 잔여 기공을 제거하는데 유리할 것이다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
100. 소성가공장치 110. 분말압연롤러
112. 호퍼 120. 가이드롤러
130. 급속가열수단 132. 제1가열롤러부
134. 제2가열롤러부 140. 열간압연롤러
150. 냉각수단 160. 보관수단
170. 전원공급수단 180. 불활성분위기로
P . 저밀도판재 S100. 장비세팅단계
S200. 분말압연단계 S300. 저항가열단계
S400. 열간압연단계 S500. 급속냉각단계

Claims (8)

  1. 장비세팅단계와,
    타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo) 중 하나 이상으로 이루어진 고반응성 금속분말을 저밀도판재로 압연하는 분말압연단계와,
    불활성분위기로 내부에 안내된 상기 저밀도판재에 저항을 발생시키는 급속가열수단을 동작시켜 저밀도판재를 가열하는 저항가열단계와,
    가열된 저밀도판재를 압연하여 압연품을 제조하는 열간압연단계와,
    상기 불활성분위기로 외부로 안내된 압연품을 400℃이하로 급속 냉각하여 표면 산화를 제한하는 급속냉각단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성 가공 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 저항가열단계는,
    상기 급속가열수단을 구성하는 제1가열롤러부와 제2가열롤러부에 (-)극과 (+)극 중 서로 다른 극을 인가하는 과정임을 특징으로 하는 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성 가공 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 장비세팅단계에서,
    상기 제2가열롤러부는 다수로 구비되며, 상기 다수 제2가열롤러부는 제1가열롤러부에 대하여 동일한 방향으로 서로 다른 이격 거리를 갖도록 배치됨을 특징으로 하는 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성 가공 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 장비세팅단계는,
    상기 제2가열롤러부와 제1가열롤러부의 이격거리 및 회전속도를 조정하여 상기 저항가열단계 중 저밀도판재에 발생하는 저항의 크기를 세팅하는 과정임을 특징으로 하는 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성 가공 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 분말압연단계는 60 내지 95%의 밀도를 가지며, 개방형 기공이 다수 형성된 저밀도판재를 성형하는 과정임을 특징으로 하는 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성 가공 방법.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 열간압연단계는 열간압연롤러의 외주면에 형성된 성형홈을 이용하여 저밀도판재를 선재, 판재, 형재 중 어느 하나로 압연하는 과정임을 특징으로 하는 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성 가공 방법.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 저항가열단계에서,
    상기 제2가열롤러부와 제1가열롤러부는 저밀도판재를 선택적으로 압연하는 것을 특징으로 하는 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성 가공 방법.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 급속냉각단계 이후에는, 압연품을 절단하는 절단단계가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 저항을 이용한 급속가열수단을 구비한 소성가공장치를 이용한 고반응성 금속분말의 소성 가공 방법.


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