KR20120033005A - 홀확장성 및 용접성이 우수한 저탄소 초고강도 열연강판 및 그 제조 방법 - Google Patents

홀확장성 및 용접성이 우수한 저탄소 초고강도 열연강판 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

홀확장성 및 용접성이 우수한 저탄소 초고강도 열연강판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 저탄소 초고강도 열연강판 제조 방법은 탄소(C) : 0.03 ~ 0.08 중량%, 실리콘(Si) : 0.001 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn) : 1.0 ~ 2.0 중량% 및 알루미늄(Al) : 0.001 ~ 0.1 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.05 중량%, 보론(B) : 0.003 중량% 이하를 포함하며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 마무리 압연 온도(FDT) : 850±100℃로 열간 압연하는 단계; 상기 열간 압연된 판재를 100 ~ 250 ℃/sec의 냉각 속도로 마르텐사이트 온도 역까지 냉각하는 단계; 및 상기 마르텐사이트 온도 역에서 상기 냉각된 판재를 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

홀확장성 및 용접성이 우수한 저탄소 초고강도 열연강판 및 그 제조 방법{ULTRA-HIGH STRENGTH LOW CARBON HOT-ROLLED STEEL SHEET WITH EXCELLENT HALL EXPANSIBILITY AND WELDABILITY AND METHOD OF MANUFACTURING THE LOW CARBON HOT-ROLLED STEEL}
본 발명은 자동차의 구조부재, 샤시류 등에 적용되는 고강도 열연강판 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 홀확장성 및 용접성이 우수한 저탄소 초고강도 열연강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자동차 업계는 나날이 경쟁이 심화됨에 따라 자동차 품질에 대한 고급화, 다양화 요구가 높아지고 있다. 또한, 강화되고 있는 승객 안전 및 환경 규제에 대한 법규를 만족시키고 아울러 연비 효율을 향상시키기 위하여, 경량화 및 고강도화를 추구하고 있다.
자동차 구조부재, 샤시류 등에 적용되는 고강도 열연강판은 열간압연(hot-rolling) 과정 및 권취(coiling) 과정을 통하여 제조된다.
열간압연 과정에서는 압연롤을 이용하여 반제품 상태의 슬라브를 정해진 압하율로 열간 압연한다.
권취 과정에서는 압연이 마무리된 강판을 냉각(cooling)한 후, 특정한 권취 온도(Coiling Temperature : CT)에서 권취한다.
본 발명의 목적은 합금성분 및 공정 제어를 통하여 홀확장성 및 용접성이 우수한 저탄소 초고강도 열연강판 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 저탄소 합금성분계이면서도 인장강도 780MPa 이상의 우수한 강도를 가지며, 홀확장성 및 용접성이 우수한 저탄소 초고강도 열연강판 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 홀확장성 및 용접성이 우수한 저탄소 초고강도 열연강판 제조 방법은 탄소(C) : 0.03 ~ 0.08 중량%, 실리콘(Si) : 0.001 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn) : 1.0 ~ 2.0 중량% 및 알루미늄(Al) : 0.001 ~ 0.1 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.05 중량%, 보론(B) : 0.003 중량% 이하를 포함하며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 마무리 압연 온도(FDT) : 850±100℃로 열간 압연하는 단계; 상기 열간 압연된 판재를 100 ~ 250 ℃/sec의 냉각 속도로 마르텐사이트 온도 역까지 냉각하는 단계; 및 상기 마르텐사이트 온도 역에서 상기 냉각된 판재를 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 홀확장성 및 용접성이 우수한 저탄소 초고강도 열연강판은 탄소(C) : 0.03 ~ 0.08 중량%, 실리콘(Si) : 0.001 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn) : 1.0 ~ 2.0 중량% 및 알루미늄(Al) : 0.001 ~ 0.1 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.05 중량%, 보론(B) : 0.003 중량% 이하를 포함하며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 마르텐사이트 단일상 혹은 마르텐사이트를 주상으로 하는 복합조직을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법으로 제조된 초고강도 열연강판은 탄소 함량이 0.08 중량% 이하의 저탄소 열연강판임에도 인장강도 780MPa 이상의 초고강도를 가지며, 아울러 50% 이상의 홀확장성 및 0.45 이하의 탄소당량(Ceq)을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 열연강판은 합금원소 저감 및 냉연-소둔열처리 공정을 거치지 않고 열연공정 제어로만으도 목표로 하는 강도 및 홀확장성 등의 특성을 갖는 강판의 생산이 가능하여, 강판 제조 비용을 크게 절감할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 열연강판은 고강도와 함께 우수한 홀확장성과 용접성을 가질 수 있어서, 자동차의 구조부재, 샤시류 등에 유용하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저탄소 초고강도 열연강판 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저탄소 초고강도 열연강판 제조 방법에서 열간압연 종료 후 권취까지의 냉각 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀확장성 및 용접성이 우수한 저탄소 초고강도 열연강판 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 홀확장성 및 용접성이 우수한 저탄소 초고강도 열연강판은 탄소(C) : 0.03 ~ 0.08 중량%, 실리콘(Si) : 0.001 ~ 0.6 중량%, 망간(Ms) : 1.0 ~ 2.0 중량% 및 알루미늄(Al) : 0.001 ~ 0.1 중량%를 기본 조성으로 한다. 여기에는 인(P) : 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.01 중량% 이하 및 질소(N) : 0.01 중량% 이하가 포함되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 저탄소 초고강도 열연강판에는 강도 향상 등을 위하여, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.05 중량% 및 보론(B) : 0.003 중량% 이하를 더 포함한다.
상기 합금성분들 이외의 나머지는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 저탄소 초고강도 열연강판에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
탄소(C)는 강의 강도 증가에 기여하는 원소로서, 본 발명에 따른 열연강판은 충분한 성형성 및 홀확장성을 확보하기 위하여 상대적으로 저탄 영역의 탄소를 함유한다.
이러한 탄소는 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.03 ~ 0.08 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소 함량이 0.03 중량% 미만인 경우, 원하는 강도를 확보하기 어렵다. 반대로, 탄소 함량이 0.08 중량%를 초과하여 과다하게 첨가되면 성형성 및 홀확장성이 저하되는 문제점이 있다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 강도 확보에 기여하며, 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제 역할을 한다.
상기 실리콘은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.001 ~ 0.6 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 함량이 0.001 중량% 미만일 경우 실리콘 첨가에 따른 탈산 효과 및 강도 향상 효과가 불충분하다. 반대로 실리콘의 함량이 0.6 중량%를 초과할 경우 용접성이 저하될 가능성이 높으며, 열간압연 시에 적 스케일(red scales)을 생성시킴으로써 표면 품질을 저하시키는 문제점이 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 강의 강도 및 인성을 증가시키고 강의 소입성을 증가시키는 원소로서, 망간의 첨가는 탄소의 첨가보다도 강도 상승시 연성의 저하가 적다.
상기 망간은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 1.0 ~ 2.0 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간이 함량이 1.0 중량% 미만일 경우, 탄소 함량이 높아도 목표로 하는 인장강도 780 MPa 이상의 초고강도를 확보하기 어렵다.
그러나, 망간의 함량이 2.0 중량%를 초과하여 과다하게 첨가될 경우, MnS계 비금속개재물을 과다하게 생성하여, 용접시 크랙 발생 등 용접성을 저하시키는 문제점이 있다.
알루미늄(Al)
본 발명에서 알루미늄(Al)은 실리콘(Si)이나 망간(Mn)에 비해 우수한 탈산능을 가짐으로써 강 중 산소 제거에 효과적인 원소이다.
상기 알루미늄은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.001 ~ 0.1 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄의 함량이 0.001 중량% 미만일 경우, 탈산 효과가 불충분하다. 반대로, 알루미늄의 함량이 0.1 중량%를 초과할 경우 제조되는 구조용 강재의 인성을 저해시킬 수 있다.
니오븀(Nb)
니오븀(Nb)은 석출물 형성원소로서 초고강도 확보에 유효하게 작용한다.
특히, 니오븀계 석출물들은 1200℃ 정도의 가열로에서 고용된 후 열간압연 중 미세하게 석출하여 강의 강도를 효과적으로 증가시킨다.
상기 니오븀은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.01 ~ 0.05 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 니오븀의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우 니오븀 첨가에 따른 효과가 불충분하다. 반대로, 니오븀의 함량이 0.05 중량%를 초과할 경우 과다한 석출로 인하여 연주성, 압연성, 연신율 등을 저하시킬 수 있다.
보론(B)
보론(B)은 강력한 소입성 원소로서, 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.001 중량% 정도의 미량을 첨가한 경우에도 마르텐사이트 형성에 크게 기여한다.
다만, 보론이 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.003 중량%를 초과하여 첨가될 경우, 인성을 저해하는 문제점이 있으므로, 상기 보론은 0.003 중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.
인(P)
인(P)은 강도 향상에 일부 기여하나, 강판 제조시 편석 가능성이 큰 원소로서, 중심 편석은 물론 미세 편석도 형성하여 재질에 좋지 않은 영향을 주며, 또한 용접성을 악화시킬 수 있다.
따라서, 인(P)의 함량은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.05 중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다.
황(S)
황(S)은 망간과 결합하여 MnS 와 같은 비금속개재물을 형성하여 용접성을 저해하는 요소이다.
따라서, 황(S)의 함량은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.01 중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다.
질소(N)
질소(N)는 불가피한 불순물로서, 다량 첨가시 고용 질소가 증가하여 제조되는 열연강판의 성형성 등을 저하시킨다.
따라서, 질소의 함량은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.01 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
이하, 상기 저탄소 합금성분계를 적용한 본 발명에 따른 홀확장성 및 용접성이 우수한 저탄소 초고강도 열연강판 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저탄소 초고강도 열연강판 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저탄소 초고강도 열연강판 제조 방법에서 열간압연 종료 후 권취까지의 냉각 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 도시된 열연강판 제조 방법은 열간압연 단계(S110), 냉각 단계(S120) 및 권취 단계(S130)를 포함한다.
열간압연 단계(S110)에서는 탄소(C) : 0.03 ~ 0.08 중량%, 실리콘(Si) : 0.001 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn) : 1.0 ~ 2.0 중량% 및 알루미늄(Al) : 0.001 ~ 0.1 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.05 중량%, 보론(B) : 0.003 중량% 이하를 포함하며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 반제품 상태의 슬라브 판재를 열간압연한다.
슬라브 판재에는 인(P) : 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.01 중량% 이하 및 질소(N) : 0.01 중량% 이하가 포함되어 있을 수 있다.
열간압연 전에, 상기 슬라브 판재를 슬라브 재가열 온도(SRT) : 1200±50℃에서 재가열하는 단계(S105)를 더 포함할 수 있다. 슬라브 재가열에 의하여 주조시 편석된 성분이 재고용될 수 있다.
한편, 열간압연 단계(S110)에서 마무리 압연 온도(FDT)는 열간압연후 냉각 전의 강판의 조직이 오스테나이트상이 되도록 850±100℃가 될 수 있다.
냉각 단계(S120)에서는 열간 압연된 판재를 Ms점 이하의 마르텐사이트 온도 역까지 급냉한다. 냉각 종료 온도는 마르텐사이트 온도역에 해당하는 300 ~ 200℃가 될 수 있다.
냉각 속도는 100 ~ 250 ℃/sec인 것이 바람직하다. 이 경우, 열간압연 종료 후 냉각 시작 시점부터 빠르게는 5초 이내에 마르텐사이트 온도역까지 강판을 냉각할 수 있어, 강판의 생산 속도를 향상시킬 수 있다. 한편, 냉각 속도가 100 ℃/sec 미만일 경우 마르텐사이트상이 단면조직 면적률로 50% 이상 확보하기 어려우며, 냉각 속도가 250 ℃/sec를 초과할 경우, 제조되는 강판의 홀확장성, 인성 등이 저하되는 문제점이 있다.
권취 단계(S130)에서는 냉각이 종료된 판재를 마르텐사이트 온도 역에서 권취한다.
상기 과정을 통하여 제조되는 열연강판의 최종 미세조직은 마르텐사이트를 주상으로 하며 목표재질에 따라 페라이트, 베이나이트, 잔류 오스테나이트를 1종 이상 포함할 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 최종 미세조직은 1상 ~ 4상으로 구성할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 초고강도 열연강판은 마르텐사이트가 단면조직 면적률로 50%이상 포함되는 것이 바람직하다. 마르텐사이트가 50% 미만일 경우, 탄소 등 합금성분 첨가량이 상대적으로 적은 것을 감안하면, 목표로 하는 인장강도 780MPa 이상을 확보하기 어렵다. 마르텐사이트가 단면조직 면적률로 50%이상 포함되는 경우, 페라이트, 베이나이트, 잔류 오스테나이트 등의 나머지 상은 50% 미만으로 포함된다.
또한, 본 발명에 따른 초고강도 열연강판은 펄라이트를 더 함유할 수 있는데, 펄라이트의 경우 재질의 강도는 증가시키지만 연신율 등 성형성을 저해하므로, 펄라이트는 단면조직 면적률로 5% 이하의 범위로 제한되는 것이 바람직하다.
상기의 합금성분 및 조직을 갖는 본 발명에 따른 저탄소 초고강도 열연강판은 780 MPa 이상, 대략 780 ~ 1050 MPa 정도의 인장강도(TS) 및 480 MPa 이상, 대략 480 ~ 640 MPa 정도의 항복강도(YP)를 가질 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 저탄소 초고강도 열연강판은 8% 이상, 대략 8 ~ 14% 정도의 연신율(El) 및 50% 이상, 대략 50 ~ 60% 정도의 우수한 홀확장성(HER)을 가질 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 열연시편의 제조
표 1에 기재된 조성을 갖는 각각의 슬라브를 1200℃의 온도에서 가열한 후, 850℃의 마무리 압연온도로 열간압연하고, 200℃의 냉각속도로 280℃까지 냉각후 권취하였다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure pat00001

2. 기계적 특성 평가
표 2는 제조된 열연시편 1 ~ 6 각각의 기계적 특성 평가 결과를 나타낸 것이다.
[표 2]
Figure pat00002
표 2를 참조하면, 실시예에 해당하는 시편 2 ~ 4의 경우, 인장강도 : 780 MPa 이상, 연신율(El) : 8% 이상, 홀확장성(HER) : 50% 이상을 모두 만족하는 것을 볼 수 있다.
반면, 비교예에 해당하는 시편 1의 경우 인장강도가 780 MPa에 미달하였고, 시편 5, 시편 6의 경우 , 인장강도 및 연신율은 목표치에 부합하였으나, 홀확장성이 목표치에 미달하였다.
또한, 실시예에 해당하는 시편 2 ~ 4의 경우, 용접성에 관계되는 하기 식 1에 의할 때, 탄소당량(Ceq)이 0.45 이하로써 용접성 역시 우수함을 알 수 있다.
[식 1]
탄소당량(Ceq) = [C] + [Mn]/6 + ([Cu]+[Ni])/15 + ([V]+[Mo]+[Cr])/5
(식 1에서, [ ]는 각 성분의 중량%를 의미한다)
상술한 바와 같이, 본 발명에 해당하는 열연강판은 인장강도 780 MPa 이상의 초고강도를 가지면서도, 홀확장성 및 용접성이 매우 우수하다. 따라서, 본 발명에 따른 저탄소 초고강도 열연강판은 자동차 구조부재 및 샤시류 등에 유용하게 활용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S105 : 슬라브 재가열 단계
S110 : 열간압연 단계
S120 : 냉각 단계
S130 : 권취 단계

Claims (11)

  1. 탄소(C) : 0.03 ~ 0.08 중량%, 실리콘(Si) : 0.001 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn) : 1.0 ~ 2.0 중량% 및 알루미늄(Al) : 0.001 ~ 0.1 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.05 중량%, 보론(B) : 0.003 중량% 이하를 포함하며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 마무리 압연 온도(FDT) : 850±100℃로 열간 압연하는 단계;
    상기 열간 압연된 판재를 100 ~ 250 ℃/sec의 냉각 속도로 마르텐사이트 온도 역까지 냉각하는 단계; 및
    상기 마르텐사이트 온도 역에서 상기 냉각된 판재를 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저탄소 초고강도 열연강판 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열간 압연 전에, 상기 슬라브 판재를 슬라브 재가열 온도(SRT) : 1200±50℃에서 재가열하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저탄소 초고강도 열연강판 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슬라브 판재에는
    인(P) : 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.01 중량% 이하 및 질소(N) : 0.01 중량% 이하가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 저탄소 초고강도 열연강판 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각은
    300 ~ 200℃까지 실시되는 것을 특징으로 하는 저탄소 초고강도 열연강판 제조 방법.
  5. 탄소(C) : 0.03 ~ 0.08 중량%, 실리콘(Si) : 0.001 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn) : 1.0 ~ 2.0 중량% 및 알루미늄(Al) : 0.001 ~ 0.1 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.05 중량%, 보론(B) : 0.003 중량% 이하를 포함하며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지며,
    마르텐사이트 단일상 혹은 마르텐사이트를 주상으로 하는 복합조직을 갖는 것을 특징으로 하는 저탄소 초고강도 열연강판.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열연강판은
    인(P) : 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.01 중량% 이하 및 질소(N) : 0.01 중량% 이하가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 저탄소 초고강도 열연강판.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열연강판의 미세조직은
    상기 마르텐사이트의 비율이 단면조직 면적률로 50% 이상인 것을 특징으로 하는 저탄소 초고강도 열연강판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열연강판의 미세조직은
    합산 비율이 단면조직 면적률로 50% 미만인 범위에서,
    페라이트, 베이나이트 및 잔류 오스테나이트 중 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 저탄소 초고강도 열연강판.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열연강판의 미세조직은
    단면조직 면적률로 5% 이하의 범위에서, 펄라이트를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 저탄소 초고강도 열연강판.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 열연강판은
    780MPa 이상의 인장강도(TS)를 갖는 것을 특징으로 하는 저탄소 초고강도 열연강판.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열연강판은
    10% 이상의 연신율(El) 및 50% 이상의 홀확장률(HER)을 갖는 것을 특징으로 하는 저탄소 초고강도 열연강판.
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