KR20170005838A - 내부식성 금속 코팅이 제공된 강 부품을 제조하는 방법, 및 강 부품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 50 내지 80 중량% Fe, 바람직하게는 50 내지 65 중량% Fe, 0 내지 30 중량% Mg, 0 내지 5 중량% Al, 0 내지 5 중량% Ti, 0 내지 10 중량% Si, 0 내지 10 중량% Li, 0 내지 10 중량% Ca, 0 내지 30 중량% Mn, 잔여부의 Zn 및 불가피한 불순물을 함유하는 철-기반 합금을 강 기재에 직접 적용하고, 철-기반 합금으로 코팅된 강 기재를 열간 성형시켜 강 부품을 수득하는 것인, 매우 우수한 기계적 성질을 나타내는, 내부식성 금속 코팅이 제공된 강 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법을 사용하여, 특별히 열간 성형 공정에 의해 제조될 강 부품을 위한 내부식성 금속 코팅을 달성할 수 있다.
Description
본 발명은 매우 우수한 기계적 성질을 가지며 금속성 부식 보호 코팅이 제공된 강 부품을 제조하는 방법, 및 또한 이러한 유형의 강 부품에 관한 것이다.
수년 동안 알려져 있었고 입증된, 부식에 대해 강 기재를 보호하는 방법은 아연 또는 아연 합금을 함유하는 용융조에서의, 얇은 금속 시트의, 특히 스트립 형태의 얇은 강 시트의 용융 침지 코팅이다. 아연 코팅의 층 두께는 통상적으로 스트리핑 노즐에 의해 조절되는 데, 이는 용융조 위에 배치되며, 용융조로부터 본질적으로 수직으로 위쪽으로 연장된 강 스트립의 일부 쪽을 향한다. 이러한 코팅 공정은 고온 갈바나이징(hot galvanizing)이라고도 지칭된다.
마찬가지로 수년 동안 공지되어 있는 고온 갈바나이징된 얇은 금속 시트의 변형물은 "갈바닐링된(galvannealed)" 것이다. 이러한 변형물은 강 스트립이 스트리핑 노즐을 지나 퍼니스에서 열 처리될 때 철이 기본 재료로부터 아연 층 내로 확산하고 후자가 아연-철 합금 층으로 전환됨으로써 수득된다.
EP 1 143 029 B1에는 특정 크기로 절단된 금속 시트의 열간 딥 드로잉(hot deep drawing)에 의해 형성된 매우 우수한 기계적 성질을 갖는 작업편의 수득 방법이 기술되어 있다. 특정 크기로 절단된 금속 시트는 "갈바닐링된" 유형의 강 스트립으로부터 절단된다. 특정 크기로 절단된 금속 시트의 열간 딥 드로잉 전에, 부식 및 탈탄에 대한 강의 보호를 보장하도록 설계된 금속간 합금 화합물이 시트의 표면 상에 제조된다. 이러한 목적을 위해, 아연 또는 아연에 기반한 합금으로 코팅된 강 스트립은 열 처리되며, 여기서 코팅된 강 스트립은 700℃ 초과의 온도에 노출된다.
그러나, 금속성 부식 보호 코팅에서의 가시적 균열 및 기공이 실제로 "갈바닐링된" 유형의 얇은 강 시트 상에서 흔히 발견되고, 이들은 심지어 얇은 금속 시트의 표면 코팅 후에도 눈에 띄며, 따라서 특히 표면 코팅 표면이 충족시켜야 하는 엄격한 요건을 충족시키지 못 한다.
이를 볼 때, 본 발명의 목적은 특별히 열간 성형 공정에 의해 제조될 강 부품을 위해 부식 보호 금속 코팅을 수득할 수 있는 방법을 제공하는 것이었다. 코팅은 캐소드화 보호 작용을 달성하기 위해 아연을 함유해야 한다. 부가적으로, 코팅은 (아연 코팅 및 갈바닐링된 코팅의 경우와는 달리) 심지어 비교적 짧은 가열 시간 후에도 결정립 경계를 따라 아연이 침투할 위험 및 따라서 부품의 기계적 안정성이 제한될 위험이 더 이상 없다는 성질을 가져야 한다.
이러한 목적은 청구항 제1항에 명시된 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 방법의 유리하고도 바람직한 실시양태는 종속항에 명시되어 있다.
본 발명의 방법은
50 내지 80 중량%의 Fe, 바람직하게는 50 내지 65 중량%의 Fe,
0 내지 30 중량%의 Mg,
0 내지 5 중량%의 Al,
0 내지 5 중량%의 Ti,
0 내지 10 중량%의 Si,
0 내지 10 중량%의 Li,
0 내지 10 중량%의 Ca,
0 내지 30 중량%의 Mn,
잔여부의 Zn 및 불가피한 불순물
을 함유하는 철-기반 합금을 강 기재에 직접 적용하고, 철-기반 합금으로 코팅된 강 기재를 열간 성형시켜 강 부품을 수득하는 것을 특징으로 한다.
사내 실험을 통해 놀랍게도, 본 발명에 따라 제조된 금속성 코팅은 심지어 열간 성형 후에도 캐소드화 보호 작용을 포함하는 탁월한 부식 보호를 발휘한다는 것을 알게 되었다. 특히, 아연 코팅 및 갈바닐링된 코팅의 경우에서 전형적인 바와 같은 코팅 내의 균열 및 기공이 본 발명의 방법에 의해 회피된다는 것이 밝혀졌다.
부가적으로, 본 발명의 방법은 본 발명에 따라 코팅되고 열간 성형된 강 기재 상에서 후속적으로 균열 형성이 발생하지 않게 하면서 열간 성형 공정의 가열 상 동안의 가열 시간(유지 시간)의 현저한 단축을 허용한다는 것이 밝혀졌다. 가열 시간(유지 시간)의 단축은 또한 상응하는 에너지 절감을 의미하거나 기존의 열간 성형 설비의 생산 능력을 증진시킬 수 있게 한다. 게다가, 본 발명의 방법 및 가열 시간의 단축은 강 기재 상에서의 스케일의 형성을 상당히 회피하게 한다. Fe-Zn 합금의 높은 열 안정성 덕분에, 열간 성형 공정의 가열 상 동안의 퍼니스 부품 상에서의 증착물이 또한 회피된다.
본 발명의 방법의 유리한 실시양태에서는 철-기반 합금에 의해 형성되는 코팅이 1 ㎛ 초과, 바람직하게는 2 ㎛ 초과의 층 두께를 갖도록, 철-기반 합금이 강 기재에 적용된다. 예를 들어, 철-기반 합금으로부터 본 발명에 따라 제조된 코팅은 2 내지 30 ㎛의 범위, 특히 5 내지 20 ㎛ 범위의 층 두께를 갖는다. 이러한 방식으로 특히 신뢰성 있는 부식 보호가 달성될 수 있다.
본 발명의 방법의 추가의 유리한 실시양태는 철-기반 합금이 물리 증착(PVD 공정) 또는 전해 증착 또는 그의 조합에 의해 강 기재에 적용되는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로, 철-기반 합금으로 구성된 부식 보호 코팅이 강 기재(얇은 시트) 상에 매우 균일하게 형성될 수 있다. 미시적으로, 이러한 방식으로 제조된 부식 보호 금속성 코팅은 후속적으로 열 처리되는 아연-농후한 예비코팅으로부터 수득되는 코팅과는 현저하게 상이하다. 바람직하게는 특별히 고-융점 금속의 증발을 위해 조정되고 빠른 증착 속도를 갖는 PVD 공정, 예를 들어 전자 빔 증착이 철-기반 합금을 강 기재(얇은 시트)에 직접 적용하기에 적합하다.
본 발명에 따라, 철-기반 합금은 부식에 대해 보호될 강 기재(얇은 시트)에 직접 적용된다. 따라서 이는, 아연-코팅된 또는 "갈바닐링된" 유형의 얇은 금속 시트의 경우에서와 같이, 열 처리 퍼니스 또는 열간 성형 설비의 퍼니스에서의 열 처리 동안의 철의 확산에 의해서만 형성되어서는 안 된다. 그러나, 다양한 이유 때문에 철-기반 합금을 열 처리된 강 기재에 적용하는 것이 유리할 수 있다. 강 기재를 250℃ 내지 350℃ 범위의 온도로 가열하는 것이 특히 유리한 것으로 밝혀졌다. 그러므로 본 발명의 방법의 바람직한 실시양태에서 강 기재는 철-기반 합금의 적용 전에 가열되어, 강 기재는 철-기반 합금의 적용 동안에 250 내지 350℃, 바람직하게는 280 내지 320℃ 범위의 온도를 갖는다.
본 발명의 방법의 추가의 실시양태에서, 철-기반 합금은 임의로 2 내지 30 중량%의 Mg 및/또는 2 내지 5 중량%의 Al 및/또는 2 내지 5 중량%의 Ti 및/또는 2 내지 10 중량%의 Si 및/또는 2 내지 10 중량%의 Li 및/또는 2 내지 10 중량%의 Ca 및/또는 2 내지 30 중량%의 Mn (잔여부의 Zn)을 함유할 수 있다. 상기에 언급된 합금 구성 성분은 연속 산화 및 확산 공정을 둔화시키며, 이로써 프레스 경화된 코팅에서의 캐소드화 보호 상의 형성을 돕는다.
부식 보호 금속성 코팅의 특히 유리한 실시양태는 철-기반 합금이 50 내지 65 중량% 범위의 Fe 함량 및 20 내지 30 중량%의 Mg 함량, 잔여부의 Zn을 갖는 경우에 수득된다. 20 중량% 초과의 Mg 함량에서는, 심지어 50 중량% 초과의 Fe 함량에서도 현저한 캐소드화 보호 작용이 관찰된다. 그러므로 본 발명의 방법의 바람직한 실시양태에서 철-기반 합금은 20 내지 30 중량%의 Mg를 함유한다.
아연 함량의 보호를 보장하기 위해 알루미늄 및/또는 티탄이 철-기반 합금에 첨가될 수 있다. 왜냐하면 이들 원소는 열간 성형되는 강 기재(얇은 시트)의 가열 또는 오스테나이트화 동안에 아연의 증발을 막기 때문이다. 마그네슘 외에도, 리튬 및 칼슘이 특히 또한 캐소드화 부식 보호를 개선할 수 있다.
매우 높은 기계적 강도를 갖는 감소된 중량의 강 부품을 수득하기 위해, 본 발명의 방법의 추가의 바람직한 실시양태에서는 강 부품이 켄치(quench) 경화를 겪도록 열간 성형에 의해 수득되는 강 부품을 열간 성형 동안에 및/또는 그 후에 냉각시킨다.
본 발명은 또한 청구항 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 방법에 의해 제조된, 금속성 부식 보호 코팅을 갖는 강 부품을 제공한다.
본 발명은 하기에 실시예에 의해 더 상세하게 설명될 것이다. 도면에서,
도 1은 최대 변형 영역에서 균열을 갖는, 정면투시도로서 나타내어진, 갈바닐링된 얇은 시트로부터 열간 딥 드로잉에 의해 제조된 둥근 컵을 도시하고;
도 2는 연직 또는 수직으로 연마된 구역에서 최대 변형 영역을 갖는 열간 딥 드로잉에 의해 제조된 둥근 컵의 일부를 도시하고;
도 3은 각 경우에 다양한 온도 및 유지 시간(가열 시간)에서 열간 딥 드로잉에 의해, 갈바닐링된 얇은 시트로부터 또는 본 발명에 따른 철-기반 합금으로 코팅된 얇은 시트로부터 제조된 둥근 컵 상에서의 거시적 균열 평가의 결과를 도시하고;
도 4는 각 경우에 880℃ 및 다양한 유지 시간에서 열간 딥 드로잉에 의해, 갈바닐링된 얇은 시트(GA)로부터 또는 본 발명에 따라 철-기반 합금(Fe-Bas.)으로 코팅된 얇은 시트로부터 제조된 둥근 컵 상에서의 미세균열 평가를 도시한다.
도 3에 제시된 거시적 균열 평가 및 도 4에 제시된 미세균열 평가의 결과는, 각 경우에 열간 딥 드로잉에 의해, 한 경우에는 합금화된 Zn-Fe 코팅을 갖는 갈바닐링된 얇은 시트(GA)로부터 및 다른 경우에는 본 발명에 따라 철-기반 합금(Fe-Bas.)으로 코팅된 얇은 시트로부터 제조된 둥근 컵(N)에 대한 것이다.
사용된 얇은 시트의 기본 재료는 각 경우에 프레스 경화 가능한 강, 예를 들어 유형 22MnB5의 강으로 이루어진다. 갈바닐링된 얇은 시트의 합금화된 Zn-Fe 코팅은 약 11 중량%의 Fe, 약 0.3 중량%의 Al 및 잔여부의 아연을 함유한 반면에, PVD 공정에서 전자 빔 증발에 의해 직접 적용된 Fe-기반 합금(Fe-Bas.)은 약 51 중량%의 Fe, 약 22 중량%의 Mg 및 약 27 중량%의 Zn을 함유하였다.
특정 크기로 절단된 각각의 금속 시트는 열간 딥 드로잉 전에 약 880℃, 900℃ 또는 920℃로 가열되었고 각각의 언급된 온도에서 3분, 5분 또는 10분의 기간 동안 유지되었다.
이러한 방식으로 가열된, 특정 크기로 절단된 금속 시트는 펀치 및 다이를 갖는 프레스에 의해 둥근 컵(N)을 제공하도록 성형되었다.
3분의 유지 시간을 사용하여 가열된 갈바닐링된 얇은 시트로부터 성형된 둥근 컵(N)은 각 경우에 최대 변형을 겪은 영역에서, 즉 둥근 컵의 바닥부로부터 원주의 원통형 표면으로 전이하는 영역에서 가시적 균열을 가졌다(도 1 및 도 3을 참조). 게다가, 5분 동안 가열된 갈바닐링된 얇은 시트로부터 성형된 둥근 컵(N)은 또한 상기 영역에서 균열의 징후를 나타내지 않았다(도 3을 참조). 끝으로, 10분 동안 가열된 갈바닐링된 얇은 시트로부터 성형된 둥근 컵(N)의 경우에, 가시적 균열 또는 임의의 균열 증거가 발견될 수 없었다. 따라서, 갈바닐링된 얇은 시트의 열간 성형 동안의 균열 형성은 비교적 긴 유지 시간에 의해서만 저감될 수 있다. 대조적으로, 언급된 3가지 온도 및 3가지 유지 시간에서 Fe-기반 합금(Fe-Bas.)으로 코팅된 얇은 시트로부터 본 발명에 따라 성형된 둥근 컵 상에서 최대 변형 처리된 영역에서는 균열이 발견될 수 없었다(도 3을 참조).
미세균열 평가에 있어서, 각 경우에 약 880℃로 가열되고 이러한 온도에서 3분, 5분 또는 10분 동안 유지된, 한 경우에는 갈바닐링된 얇은 시트로부터 및 다른 경우에는 Fe-기반 합금(Fe-Bas.)으로 코팅된 얇은 시트로부터 성형된 둥근 컵을 수직으로 절단하고 갈아서, 둥근 컵의 바닥부로부터 그의 원주의 원통형 표면으로의 전이 영역에서 수직으로 연마된 구역을 수득하였다(도 2를 참조). 최대 변형 위치는 도 2에서 Bmax로서 표시되어 있다. 연마된 구역을, 최대 변형 위치로부터 출발하여, 각 경우에 4 ㎜의 평가 거리에 걸쳐 양방향으로, 검사하였다. 여기서, Fe-기반 합금(Fe-Bas.)으로 코팅된 얇은 시트로부터 성형된 둥근 컵 상에서는 어떤 인지 가능한 균열이 발견될 수 없었다. 한편, 갈바닐링된 얇은 시트로부터 성형된 둥근 컵의 경우에, 현저한 균열 깊이가 발견되었다. 열간 딥 드로잉 전에 880℃의 온도에서 3분 동안 유지된 갈바닐링된 얇은 시트로 만들어진 둥근 컵(N)의 경우에 약 120㎛의 균열 깊이가 발견되었다. 균열 깊이는 유지 시간이 연장됨에 따라 감소하였다. 따라서, 열간 딥 드로잉 전에 880℃의 온도에서 5분 동안 유지된 갈바닐링된 얇은 시트로 만들어진 둥근 컵(N)의 경우에 균열 깊이는 단지 약 40 ㎛였다. 열간 딥 드로잉 전에 880℃의 온도에서 10분 동안 유지된 갈바닐링된 얇은 시트로 만들어진 둥근 컵의 경우에, 인지 가능한 균열이 발견될 수 없었다.
본 발명은 하기에 3가지 실험의 결과에 의해 더 상세하게 설명된다:
실험 1:
기본 재료, 예를 들어 유형 22MnB5의 얇은 강 시트를 연속 코팅 공정에서 PVD를 통해 50 중량%의 Fe 및 49 중량%의 Zn 및 또한 1 중량%의 Ti로 코팅한다. 이를 전자 빔 증발기에 의한 Fe와 Ti의 동시 증착 및 별도의 코팅 단계에서 제트 PVD에 의한 Zn의 증착을 통해 달성한다. Fe와 Zn의 상이한 융점 및 비등점 때문에, 상기 2가지 원소들의 동시 증착은 어렵다. 약 8 ㎛의 층 두께가 초래된다. 이러한 층을 후속적으로 터널 가마에서 380℃에서 25초의 시간 동안에 열적으로 후-치밀화시킨다. 열적 후-치밀화는 층들의 접착을 개선하고 고체-상태 확산에 의한 초기 합금 형성을 초래하는 역할을 한다.
이러한 방식으로 연속 스트립 코팅 공정에서 제조된 재료를 후속적으로 추가의 가공을 수행하는 소비자의 공정과 유사한 방식으로 절단하여 평판을 형성하고 프레스 경화 공정에 보냈다. 실험실 프레스 경화 퍼니스에서 6분으로부터 3분으로 단축된 가열 상 동안에, 55 중량%의 Fe, 44 중량%의 Zn 및 1 중량%의 Ti를 포함하고 단지 1.5 ㎛ 두께의 Ti 산화물 및 아연 산화물 층을 갖는 코팅이 형성되었다.
프레스 경화에 의해 제조된 강 부품은 (유형 Z 또는 ZF (10 중량%의 Fe)의 얇은 시트로부터 제조된 강 부품과는 대조적으로) 심지어 20 내지 30% 범위의 변형 수준에서도 강 기재 내로 확장되는 균열을 갖지 않았다. 코팅 내의 금속성 아연의 잔류 함량은 능동적 부식 보호를 보장하기에 충분히 높다.
실험 2:
기본 재료, 예를 들어 유형 22MnB5의 얇은 강 시트를 연속 코팅 공정에서 PVD를 통해 50 중량%의 Fe 및 45 중량%의 Zn 및 또한 5 중량%의 Mg로 코팅한다. 이를 각 경우에 제트 PVD에 의한 Mg와 Zn의 증착, 및 또한 제2 코팅 단계에서 전자 빔 증발에 의한, 바람직하게는 미리 약 300℃로 가열된 기재 상에의 Fe의 적용을 통해 달성한다. 이러한 방식으로 수득된 총 층 두께는 약 8 ㎛였다.
이러한 방식으로 연속 스트립 코팅 공정에서 제조된 재료를 후속적으로 추가의 가공을 수행하는 소비자의 공정과 유사한 방식으로 절단하여 평판을 형성하고 프레스 경화 공정에 보냈다. 실험실 프레스 경화 퍼니스에서 6분으로부터 3.5분으로 단축된 가열 상 동안에, 65 중량%의 Fe, 32 중량%의 Zn 및 3 중량%의 Mg를 포함하고 1 내지 2 ㎛ 두께의 마그네슘 산화물 층을 갖는 코팅이 형성되었다.
프레스 경화된 강 부품은 열적으로 안정하지 않은 아연 코팅의 경우에 열간 성형 후에 발생하는 바와 같은 깊은 기재 균열을 갖지 않는다.
코팅을 아무 문제 없이 세정, 포스페이트화 및 전기 영동 코팅(KTL coating)할 수 있었다. 심지어 저항 점 용접에 대한 적합성도 보장되었다.
또한 놀랍게도 부식 보호는 간접 프레스 경화 후에 출발 상태에서 10 ㎛의 두께를 갖는 순수한 아연 코팅의 것과 동일하다는 것이 밝혀졌다.
실험 3:
우선 약 5 ㎛ 두께의 Zn 층을 기본 재료, 예를 들어 유형 22MnB5의 얇은 강 시트에 전해를 통해 적용하였다. 후속적으로 약 5 내지 6 ㎛ 두께의 Fe 층을 PVD 공정에서 전자 빔 증발을 통해 적용하였다. 동시에 Al을 추가의 타겟을 사용하여 증착시켰다.
이러한 방식으로 수득된 층은 50 중량%의 Fe, 48 중량%의 Zn 및 2 중량%의 Al을 함유하였다. 층을 후속적으로 터널 가마에서 450℃에서 2분 동안 열적으로 후-치밀화시켰다. 이러한 처리 단계는 층들의 접착을 개선하고 고체-상태 확산에 의한 초기 합금 형성을 초래하는 역할을 한다.
이러한 방식으로 연속 스트립 코팅 공정에서 제조된 재료를 후속적으로 추가의 가공을 수행하는 소비자의 공정과 유사한 방식으로 절단하여 평판을 수득하고 프레스 경화 공정에 보냈다. 실험실 프레스 경화 퍼니스에서 6분으로부터 3.5분으로 단축된 가열 상 동안에, 65 중량%의 Fe, 33 중량%의 Zn 및 2 중량%의 Al을 포함하고 약 2 ㎛ 두께의 Al 산화물 및 아연 산화물 층을 갖는 코팅이 형성되었다.
부가적으로, 놀랍게도, 이러한 방식으로 제조된 강 부품은 전기화학적으로 감지 가능한, 강 기재의 능동적 부식 보호를 발휘한다는 것이 밝혀졌다.
Claims (8)
- 매우 우수한 기계적 성질을 가지며 금속성 부식 보호 코팅이 제공된 강 부품을 제조하는 방법으로서,
50 내지 80 중량%의 Fe, 바람직하게는 50 내지 65 중량%의 Fe,
0 내지 30 중량%의 Mg,
0 내지 5 중량%의 Al,
0 내지 5 중량%의 Ti,
0 내지 10 중량%의 Si,
0 내지 10 중량%의 Li,
0 내지 10 중량%의 Ca,
0 내지 30 중량%의 Mn,
잔여부의 Zn 및 불가피한 불순물
을 함유하는 철-기반 합금을 강 기재에 직접 적용하고, 철-기반 합금으로 코팅된 강 기재를 열간 성형시켜 강 부품을 수득하는 방법. - 제1항에 있어서, 강 기재에 철-기반 합금을, 철-기반 합금에 의해 형성되는 코팅이 1 ㎛ 초과, 바람직하게는 2 ㎛ 초과의 층 두께를 갖도록 적용하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 철-기반 합금을 물리 증착 또는 전해 증착 또는 그의 조합을 통해 강 기재에 적용하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 철-기반 합금을 적용하기 전에 강 기재를 가열하여, 철-기반 합금의 적용 동안에 강 기재가 250 내지 350℃ 범위의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 철-기반 합금이
2 내지 30 중량%의 Mg 및/또는
2 내지 5 중량%의 Al 및/또는
2 내지 5 중량%의 Ti 및/또는
2 내지 10 중량%의 Si 및/또는
2 내지 10 중량%의 Li 및/또는
2 내지 10 중량%의 Ca 및/또는
2 내지 30 중량%의 Mn
을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 철-기반 합금이 20 내지 30 중량%의 Mg를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 강 부품이 켄치 경화를 겪도록, 열간 성형에 의해 수득되는 강 부품을 열간 성형 동안에 및/또는 그 후에 냉각시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 방법에 의해 제조된, 금속성 부식 보호 코팅을 갖는 강 부품.
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