KR20180008798A - 미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베어링용 강철 및 그 제조방법 - Google Patents

미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베어링용 강철 및 그 제조방법 Download PDF

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펭 리
칭 인
지아롱 자이
케 겡
지안펭 장
젠 황
지안 바오
시아오지앙 루안
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지앙인 싱쳉 스페셜 스틸 웍스 코., 엘티디.
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Abstract

일종의 미세 합금화 승용차 타이어 휠 베어링 용 강철의 화학성분은 C 0.45~0.70%,Si 0.10~0.50%,Mn 0.30~0.70%, Cr 0.20~0.60%,P≤0.025%,S0.003~0.030%,Mo≤0.1%,Ni≤0.2%,Al≤0.04%,Cu≤0.3%,Ca≤0.001%,Ti≤0.003%,O≤0.001%,As≤0.04%,Sn≤0.03%,Sb≤0.005%,Pb≤0.002%이고 잔량은Fe 및 불가피한 혼합물이다. 제조 과정은 전기로 또는 전로- 로외정련 - VD 또는 RH 진공탈기 - 연속주조압연 - 쏘잉 - 냉각 - 마무리 - 표면 및 내부탐지 - 포장이다.

Description

미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베어링용 강철 및 그 제조방법{MICROALLOYED STEEL FOR CAR CARBON WHEEL HUB BEARING AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
본 발명은 일종의 강철 제련의 기술 영역에 관한 것으로서, 구체적으로는 승용차 탄소 타이어 휠 베어링용 강철 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
타이어 휠 베어링의 주요 작용은 하중과 타이어 휠의 회전에 대한 정확한 안내를 제공하는 것이고, 이는 축 방향의 하중을 견딜 뿐만 아니라 반경 방향 하중을 모두 견딜 수 있는 아주 중요한 부품이다. 때문에 타이어 휠 베어링을 제조하는 원재료인 타이어 휠 베어링용 강철 성능에 대한 요구가 점점 높아지고 있으,며 특히 재료의 내마모성, 담금질성, 순도 및 조직 균일성 등 성능에 대해 모두 엄격한 요구사항을 충족해야 한다. 현재 국내외의 타이어 휠 베어링용 강철 G55, C56E2 등 제품은 제품 품질의 한계로 인해 고급 승용차 사용자들이 타이어 휠 베어링용 강철의 수요에 대해 완전히 만족시킬 수 없었기에 제품 성능이 더욱 우수한 타이어 휠 베어링용 강철의 개발이 시급하다.
타이어 휠 베어링의 사용 조건에 근거하여 타이어 휠 베어링용 강철은 반드시 아래의 성능을 구비하여야 한다: 높은 피로 강도, 탄성 강도, 항복 강도, 인성 그리고 높은 내마모성과 높고 균일한 경도와 일정 수준의 내부식성을 가져야 한다. 이외에 사용자가 재료에 대해 가공할 때 타이어 휠 베어링의 홈 표면 경화에 대한 표면 담금질이 필요하기에 강철 재료의 담금질 성능에 대한 요구도 필요하다.
강철 중의 비금속 혼합물이 금속의 연속성과 균일성을 파괴한다. 베어링의 사용조건에 근거하여 교대 응력의 작용하에서 혼합물은 쉽게 응력집중을 일으켜 피로 균열의 원인이 되어 베어링의 피로수명을 단축한다. 특히 쉽게 부서지는 혼합물 예를 들어 압연 방향을 따라 배열된 꼬치 모양 혹은 사슬 모양의 Al2O3 혼합물(B류), 불변형의 점모양 혹은 구 모양의 혼합물 (D류)과 큰 입자 점모향 혹은 구모양의 혼합물 (Ds류)은 가소성을 지니고 있지 않아 가공과 사용과정 중에 변형되기 어렵고 응력 집중을 구성하여 피로 균열의 발생시작 기간을 단축하여 피로성능의 향상에 영향을 준다. 최종 제품 타이어 휠 베어링의 사용 수명을 높이기 위하여 강철 재료의 순도가 매우 중요하기에 반드시 최대한 강철 중의 비금속 혼합물을 감소시키고 특히 불변형의 쉽게 부서지는 혼합물의 크기와 수량을 감소시켜야 한다.
고급 타이어 휠 베어링 강철은 조직 균일성과 성분 분리에 대해 매우 민감하고 특히 중심 탄소의 분리에 대해 아주 민감하며, 이는 베어링 조직의 불균형을 초래하여 제품의 성능에 엄중한 영향을 주고 베어링의 사용 수명을 감소시킨다. 때문에 강철재료의 조직 균일성을 보장하고 강철 재료의 중심 탄소의 분리를 줄이는 것이 필요하다.
CN 101376948 A CN 1745188 A WO 2013084864 A1
본 발명은 타이어 휠 베어링용 강철재료의 강도, 경도, 강인성, 내마모성 및 담금질성의 요구를 만족시키기 위한 것이고 본 발명은 강철재료 화학성분에 대해 합리한 설계를 통하여 일종의 새로운 미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베어링용 강철 C56E2XS를 제공하는 것이다.
본 발명 C56E2XS 강철 종류가 요구하는 비금속 혼합물에 대한 요구는 아래 표1 참조 바람:
종류 A B C D DS
가는 계열 굵은 계열 가는 계열 굵은 계열 가는 계열 굵은 계열 가는 계열 굵은 계열
등급 2.0 1.5 1.5 0.5 0 0 1.0 0.5 1.0
비금속 혼합물은 GB/T 10561 A법 검증에 근거하여 각각의 종류의 혼합물의 최대치는 표1의 요구를 초과하지 않는다.
본 발명 C56E2XS이 요구한 강철시험센터의 중심 탄소 분리 영역의 탄소 함량은 정상적인 제련 탄소함량의 10%를 초과하지 않고, 기존의 중심 탄소 분리 함량보다 휠씬 낮다.
본 발명의 상술한 문제를 해결하기 위하여 채용한 기술방안은: 일종의 미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베어링용 강철과 화학성분을 질량 백분비를 C:0.45~0.70%,Si:0.10~0.50%,Mn:0.30~0.70%,Cr:0.20~0.60%,P≤0.025%,S:0.003~0.030%,Mo≤0.1%,Ni≤0.2%,Al≤0.04%,Cu≤0.3%,Ca≤0.001%,Ti≤0.003%,O≤0.001%,As≤0.04%,Sn≤0.03%,Sb≤0.005%,Pb≤0.002%로 산정하고, 여분은 Fe이며, 피할 수 없는 불순물로 이루어진다.
본 발명의 타이어 휠 베어링 강철의 화학성분 설계 근거는 아래와 같다:
1) C 함량의 확정
C는 강철 중에 제일 경제적이고 제일 기본적인 강화 원소이며 고용강화와 석출 경화를 통하여 강철의 강도를 분명하게 높일 수 있다. 하지만 C가 과도하게 높으면 강철의 인성 및 연성에 불리한 영향을 가져올 수 있다. 본 발명 C함량의 범위는 0.45~0.70%로 확정하고 본 발명은 강철재료는 중탄소 강철의 범주에 속한다.
2) Si 함량의 확정
강철 중에 Si를 넣어 페라이트를 강화할 수 있고 강도, 탄성 한계 및 경도를 높일 수 있다. 하지만 Si는 강철 중의 과열 민감감성, 균열 및 탈탄소 성향을 커지도록 할 수 있다. 본 발명의 Si함량의 범위는 0.10-0.50%로 한다.
3) Mn 함량의 확정
Mn은 강철 제련 과정의 탈산소 원소로서 강철의 담금질성을 높이고 Mn은 고정 강철 중의 황의 형태를 고정하고 강철의 성능에 덜 해로운 MnS와 (Fe,Mn)S를 형성하고 FeS의 생산을 감소 혹은 억제한다. 때문에 강철 중에 소량의 망간(Mn의 함량이 0.10-0.70%)은 강철의 순도와 성능을 향상시킬 수 있다. 하지만 강철 중의 Mn의 함량이 과도하게 높으면 비교적 선명한 탬퍼 취성 현상이 나타나고 Mn은 결정입이 커지는 것을 촉진하는 작용이 있다. 때문에 강철의 과열 민감성과, 균열 경향이 증가하고 치수 안정성을 낮추어 고객의 사용에 불리한 영향을 초래한다. 그외에 Mn 함량이 높으면 강철재료의 내 부식성을 낮추어 최종제품인 베어링의 사용성능에 영향을 준다. 현재 국내외 중탄소 타이어 휠 베어링 강철(예:G55, C56E2 등)은 Mn의 함량은 일반적으로 0.70-0.90%를 요구하고 실제 제어는 약 0.80% 내외이다. Mn함량이 비교적 높기에 강철재료의 표면 균열이 많고 고객이 가열 단조할 때 쉽게 갈라져 고객의 사용에 영향을 줄 뿐만 아니라 제품 베어링의 사용수명도 낮아지게 된다. 이러한 제품의 단점을 보완하기 위하여 강철 중에 일정한 량의 Mn원소를 추가하여 이로써 강철재료의 담금질성과 순도 등 유리한 요소를 유지하고 향상시키며, 동시에 Mn함량을 적당하게 하여 불리한 영향을 최대한 낮추어야 하며, 본 발명의 Mn함량의 범위는 0.30-0.70%로 확정한다.
4) Cr 함량의 확정
Cr은 탄화물 형성원소이고 강철의 담금질성, 내마모성과 내부식성을 향상시킬 수 있다. 강철 중의 Cr의 일부분은 철을 대체하여 합금 침탄체(세멘타이트)를 형성하여 강철재료의 탬퍼링 안정성을 향상시키고, 일부분은 철소체(페라이트) 중에 녹아들어 고용강화가 발생하여 철소체의 강도 및 경도를 향상시킨다. 그외에 Cr은 강철의 과열성향과 표면의 탈탄소 속도를 감소시킬 수 있다. 하지만 Cr의 함량이 과도하게 높으면 강철 중의 탄소와 결합하여 쉽게 큰 덩어리의 탄화물을 형성할 수 있고 이런 용해가 쉽지않은 탄화물은 강철의 인성을 감소 시키고 베어링의 수명을 낮추며 Cr의 함량이 과도하게 높으면 강철의 경도가 과도하게 켜져 고객이 가공 사용(고객이 일반적으로 요구하는 탄소 타이어 휠 베어링용 강철의 경도≤255HBW)에 불리하다. 현재 국내외의 탄소 타이어 휠 베어링 강철은 Cr를 모두 강철 중의 잔여 원소로 하고 일반적인 요구는 ≤0.2%으로 특별히 첨가하지 않는다. 하지만 본 발명은 강철 중의 Cr원소의 첨가는 강철의 강도, 경도, 내마모성과 내부식성을 향상시켜서 베어링의 사용수명을 높이고 Mn의 함량이 비교적 낮아서 초래하는 강철재료의 경도 감소의 불리한 영향을 보충할 수 있다. 하지만 첨가한 Cr원소가 과도하게 높으면 강철재료의 경도가 과도하게 커져 고객이 가공에 불리하고 용해가 어려운 탄화물이 쉽게 형성한다. 상술한 것을 고려하여 본 발명은 Mn의 설계 함량에 근거하여 Cr 함량의 범위를 0.20-0.60%로 확정한다.
5) Al 함량의 확정
Al은 강철 중의 탈산 원소로서 용강 중의 용존산소를 감소시키는 외에 Al과 N가 확산되는 작은 질화 알루미늄을 형성하여 뒤섞여 결정립을 세분화할수 있다. 하지만 Al의 함량이 크면 용강 중에 Al2O3 등 취약성 분순물을 쉽게 형성하여 용강의 순도를 낮춘다. 본 발명은 Al 함량의 범위를 ≤0.04%로 확정한다.
6) Ca 함량의 확정
Ca함량은 강철 중의 큰 크기의 점 모양의 산화물의 수량과 크기를 증가시키는 동시에, 점 모양의 산화물의 경도가 높고 가소성이 낮기에 강철이 변형될 때 이는 변형되지 않고 쉽게 계면에서 보이드를 형성하여 강철의 성능을 낮춘다. 본 발명은 Ca 함량의 범위를 ≤0.001%로 확정한다.
7) Ti 함량의 확정
Ti는 베어링에 대한 손상은 질화 티타늄, 질화 탄소 티타늄 혼합물의 형식으로 강철 중에 잔류하는 것이다. 이런 혼합물은 단단하고 모서리가 있는 모양을 띠고 있으며 베어링의 피로수명에 심각한 영향을 주고, 특히 순도가 현저히 향상되고 기타 산화물의 섞인 수량이 아주 적은 상황에서 티타늄을 함유한 혼합물의 해로움은 더욱 분명하다. Ti를 함유한 혼합물은 베어링의 피로수명을 낮출 뿐만 아니라 베어링의 조도에 영향을 준다. 본 발명은 Ti 함량의 범위는 ≤0.003%로 확정한다.
8) O 함량의 확정
대량의 실험이 나타내는 바에 따르면, 산소 함량의 감소는 베어링의 피로수명을 높이는데 확실한 도움이 있다. 본 발명은 O 함량의 범위를 ≤0.001%로 확정한다.
9) P, S 함량의 확정
P는 강철 중에서 응고시의 분리를 일으키고 P는 철소체(페라이트)에 용해되어 결정립을 왜곡되고 거칠어지고 냉취성을 증가시킨다. 본 발명은 P의 함량의 범위는 ≤0.025%로 확정한다. S는 강철로 하여금 열취성으로 하여 강철의 연성과 강성을 낮추지만 강철 중에 정당한 량의 S를 첨가하면 절삭 가공성을 개선할 수 있다. 본 발명은 S의 함량 범위를 0.003-0.030%으로 확정한다.
10) As, Sn, Sb, Pb 함량의 확정
As, Sn, Sb, Pb 등 미량원소는 저융점의 비철금속에 속하고 베어링 강철 중에 존재하여 베어링 부품 표면에 부드러운 표면이 나타나도록 하여 경도가 불균일하게 된다. 때문에 이것들은 강철 중의 유해 원소로 보고 본 발명은 이 원소들의 함량 범위를 As≤0.04%,Sn≤0.03%,Sb≤0.005%,Pb≤0.002%로 확정한다.
상술한 미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베어링용 강철의 제조방법은 전기로 혹은 전로 - 로외정련- VD 또는 RH 진공탈기 - 연속주조 - 롤링 - 쏘잉- 냉각 - 마무리- 표면 및 내부 탐지 - 포장이다.
주요 생산공정의 특징은 아래와 같습니다.
1. 고품질의 고온금속, 폐강철 및 원료를 사용하여 용강 중의 유해 원소 함량을 낮춘다.
2. 정련 과정의 탈 산소를 강화하고 강철 중의 알류미늄의 잔량을 보증하고 용강 중의 양호한 동력학 조건을 이용하여 미리 탈산소와 VD 진공탈기 처리를 집중적으로 하여 비금속 혼합물로 하여금 충분이 떠오르게 하고 비교적 낮은 기체 함량을 제어한다.
3. 강철 중의 혼합물의 함량과 크기 및 조성형태를 제어하고 전기로 컨트롤 스탠다드 기술을 채용, 정련조성 및 컨트롤, 탈산소제의 선택과 공정 최적화, 진공처리 공정 최적화, 중간 야금패킷, 스탠다드 검측기술를 채용하여 연속 주조압 산화 방지 보호를 통하여 강철 중의 혼합물의 수량을 감소시키고 우수한 내화물 재료를 선택하여 외부로부터 오는 혼합물을 감소하여 용강의 오염을 제어하는 기술을 채용하여 생산과정에서의 컨트롤을 강화하고 이로써 혼합물의 형태와 조성을 제어한다.
4. 연속주조 과정 중에 주입하는 과열도는 35℃를 초과하지 말아야 하고 동시에 일정하게 냉각강도와 속도를 올려 연속 주조압의 조직 성장을 보장한다.
5. 연속주조 과정에서 M-EMS와 F-EMS 이중 제련을 채용하여 연속주조 슬래브의 성분 분리를 효과적으로 개선하고 감소하며, 특히 고체화 말단에서 전자기 교반을 증가하여 주조 슬래브 응고조직의 밀도를 향상하였고, 주조 슬래브 중심의 이완과 수축이 효과적으로 제어되었으며, 수지상 결정 간격이 크게 개선되었으며, 중심 균등 그레인 율이 크게 개선되었고, 결정립이 세분화되었으며, 주조 슬래브의 질량이 현저하게 개선되었고, 성분 분리를 낮추었다.
6. 연속주조 전에 연속 주조 슬래브에 대해 고온 확산을 진행하고 가열온도를 1150~1250℃로 하고 가열 시간을≥3h로 한다. 강철재료의 분리(segregation)를 개선한다.
7. 강철재료의 표면과 내부에 대해 탐지하여 생산하는 강철재료의 품질을 보장한다.
종래기술과 비교할 때 본 발병의 이점은: 1) 화학성분의 설계를 합리적으로하여 강철재료의 강도, 경도, 강인성, 내마모성 및 담금질성(hardenability) 등 요구를 만족시켰다. 2) 강철재료의 비금속 혼합물의 크기 및 수량을 감소시켜 강철재료의 순도 요구를 보장하였다. 3) 강철재료의 중심탄소 분리를 낮추어 강철재료의 조직 균일성 요구를 보장하였다.
본 발명은 하기 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다.
본 발명 각 실시예 중 탄소 타이어 휠 베어링용 강철과(비교 결과) 현재 시장에서 사용하는 G55 및 국외의 C56E2 타이어 휠 베어링 강철의 화학성분(wt%)은 표2, 표3 참조바람
실시예 C Si Mn P S Cr Mo Ni Al
본발명 1 0.56 0.30 0.58 0.013 0.004 0.35 0.01 0.03 0.015
본발명 2 0.57 0.28 0.59 0.011 0.004 0.35 0.02 0.04 0.017
본발명 3 0.57 0.28 0.58 0.013 0.004 0.36 0.01 0.03 0.018
국내 G55 4 0.55 0.27 0.80 0.012 0.001 0.08 0.01 0.03 0.022
국외 C56E2 5 0.56 0.28 0.79 0.010 0.002 0.10 0.01 0.03 0.018
실시예 Cu As Sn Sb Pb Ca Ti O
본발명 1 0.06 0.0046 0.0067 0.0011 0.001 0.0001 0.0007 0.00058
본발명 2 0.07 0.0045 0.0067 0.0012 0.001 0.0002 0.0008 0.00059
본발명 3 0.06 0.0043 0.0067 0.0010 0.001 0.0001 0.0008 0.00058
국내 G55 4 0.05 0.0046 0.0050 0.0013 0.001 0.0004 0.0006 0.00057
국외 C56E2 5 0.06 0.0049 0.0044 0.0013 0.001 0.0003 0.0009 0.00062
각 실시예의 탄소 타이어 휠 베어링용 강철의 제조방법은 전기로 또는 전로 - 로외정련 - VD 또는 RH 진공탈기 - 연속주조 - 연속압연 - 쏘잉- 냉각 - 마무리 - 표면 및 내부 탐지 - 포장이다.
고품질의 고온급속, 폐강철 및 원료를 사용하요 용강(강철물) 중의 유해 원소 함량을 낮춘다; 정련 과정의 탈 산소를 강화하고 강철 중의 알류미늄의 잔량을 보증하고, 강철물(용강) 중의 양호한 동력학 조건을 이용하여 미리 탈산소와 VD 진공탈기 처리를 집중적으로 하여 비금속 혼합물로 하여금 충분이 떠오르게 하고 비교적 낮은 기체 함량을 제어한다; 강철 중의 혼합물의 함량과 크기 및 조성형태를 제어하고 전기로 컨트롤 스탠다드 기술 채용, 정련조성 및 컨트롤, 탈산소제의 선택과 공정 최적화, 진공처리 공정 최적화, 중간 야금패킷, 스탠다드 검측 기술를 채용하여 연속주조압 산화 방지 보호를 통하여 강철 중의 혼합물의 수량을 감소시키고 우수한 내화물 재료를 선택하여 외부로부터 오는 혼합물을 감소하여 강철물의 오염을 제어하는 기술을 채용하여 생산과정에서의 컨트롤을 강화하고 이로써 혼합물의 형태와 조성을 제어한다.
연속주조 과정 중에 주입하는 과열도는 35℃를 초과하지 말아야 하고 동시에 일정하게 냉각강도와 속도를 올리는 동시에 M-EMS와 F-EMS 이중 조치를 채용하여 연속 주조 슬래브의 성분 분리를 효과적으로 개선하고 감소시킨다. 압연은 고온확산을 통하여 가열온도는 1150~1250℃로 하고 가열시간은≥3h 로하며 강철의 분리(segregation)를 개선한다.
각 실시예에 따른 강철재료의 기계 성능의 비교는 표4에 나타낸다.
실시예 항장력
MPa
경도
HBW
담금질J1.0
HRC
담금질J2.0
HRC
담금질J3.0
HRC
담금질J4.0
HRC
본 발명 1 835 241 62 61 60 58
본 발명 2 840 239 62 61.5 60 58
본 발명 3 837 240 62 61 59.5 57
국내 G55 4 794 230 61 60.5 59 55
국외 C56E2 5 805 234 61 60 59 56
표4에서 나타냈듯이, 본 발명은 상술한 실시예 중의 탄소 타이어휠 강철은 종래의 타이어 휠 강철과 비교할 때 강도, 경도, 강인성, 내마모성 및 비침성(담금질성) 등의 요구가 더 높고 현존하는 타이어 휠 강철보다 더 우월하다.
그외에 검측을 통하여 본 발명 실시예 중의 C56E2XS 강철재료는 검증 중심탄소 분리 구역의 탄소 함량이 정상적으로 정련 탄소함량의 10%를 초과하지 않고 중심 탄소 분리는 상당히 제한되어, 이로써 강철재료의 조직균형성을 보장한다.
실시예 중의 각 C56E2XS 강철재료의 비금속 혼합물은 표1의 엄격한 요구를 만족한다.

Claims (5)

  1. 화학성분을 질량 백분비를 C:0.45~0.70%,Si:0.10~0.50%,Mn:0.30~0.70%,Cr:0.20~0.60%,P≤0.025%,S:0.003~0.030%,Mo≤0.1%,Ni≤0.2%,Al≤0.04%,Cu≤0.3%,Ca≤0.001%,Ti≤0.003%,O≤0.001%,As≤0.04%,Sn≤0.03%,Sb≤0.005%,Pb≤0.002%로 산정하고 여분은 Fe 및 피할 수 없는 불순물인 것을 특징으로 하는 미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베어링용 강철.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베이링용 강철의 제조방법은,
    전기로 또는 전로(electric furnace or converter) - 로외정련(secondary refining) - VD 또는 RH 진공탈기(VD or RH degassing) - 연속주조(continuous casting) - 연속압연(continuous rolling) - 쏘잉(sawing) - 냉각(stack cooling) - 마무리(finishing) - 표면 및 내부탐지(surface and internal flaw detection) - 포장(packaging)인 것을 특징으로 하는 미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베어링용 강철의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베이링용 강철의 제조방법은,
    상기 연속주조 과정 중에 주입하는 과열도는 35℃를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베어링용 강철의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베이링용 강철의 제조방법은,
    상기 연속주조 과정 중에 M-EMS 및 F-EMS을 이중으로 사용하는 것을 특징으로 하는 미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베어링용 강철의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베이링용 강철의 제조방법은,
    상기 연속주조 전에 연속 주조 슬라브에 대해 고온 확산을 진행하고 가열온도를 1150~1250℃로 하고 가열 시간을≥3h로 하는 것을 특징으로 하는 미세 합금화 승용차 탄소 타이어 휠 베어링용 강철으 제조방법.
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