16MnCr5는 침탄 및 열처리 후 내마모성 표면과 거친 연성 코어 사이의 탁월한 균형을 제공하는 저합금 케이스 경화강으로 기어, 샤프트, 캠샤프트 및 기타 접촉 피로와 슬라이딩 마모에 노출되는 부품에 선호되는 소재입니다. 이 등급은 일반적으로 강화 마르텐사이트 표면과 탄력 있는 코어를 갖춘 단단한 외부 케이스를 생성하며, 올바르게 가공하면 구동되거나 하중을 받는 기계 부품에서 긴 수명을 제공합니다.
16MnCrS5란 무엇인가요?
화학 성분 및 각 원소의 역할
대부분의 유럽 공장에서 16MnCr5(EN 1.7131)에 사용하는 공칭 화학 성분 범위는 아래와 같습니다. 이 값은 열처리 중 거동과 탄소로 표면 농축 후 성능의 기초를 형성합니다.
표 1: 일반적인 화학 성분(중량 퍼센트)
| 요소 | 일반적인 범위(wt%) | 주요 야금 역할 |
|---|---|---|
| C(탄소) | 0.14 - 0.19 | 탄화 후 경화 가능한 케이스를 지지하는 기본 탄소 수준; 낮은 코어 탄소는 인성을 유지하는 데 도움이 됩니다. |
| Si(실리콘) | ≤ 0.40 | 탈산제; 강도 및 템퍼링 저항에 미치는 영향이 적습니다. |
| Mn(망간) | 1.00 - 1.30 | 경화성과 인장 강도를 개선하고 케이스와 코어에 마르텐사이트를 형성하는 데 도움을 줍니다. |
| P(인) | ≤ 0.025 | 낮은 레벨로 제어하여 취성을 방지하고 인성을 개선합니다. |
| S(유황) | ≤ 0.035 | 인성을 위해 낮게 유지되며, 제어된 자유 가공 변형은 더 높은 S와 변경된 명칭을 갖습니다. |
| Cr(크롬) | 0.80 - 1.10 | 경화성을 높이고 코어 강도와 표면 근처의 내마모성에 기여합니다. |
합금 균형에 대한 참고 사항: Mn/Cr 조합은 침탄 및 코어 경화에 대한 예측 가능한 반응을 제공합니다. 크롬은 담금질 및 템퍼링 사이클 후 견고하고 튼튼한 코어를 생성하는 데 도움이 되며 망간은 케이스 경화를 돕습니다. 모강의 탄소 함량이 낮아 고온 공정 후 코어가 부서지는 것을 방지합니다.
기계적 특성: 배송 상태 및 처리 후
기계적 특성은 섹션 크기, 납품 시 밀링 상태, 특정 열처리 주기에 따라 달라집니다. 아래 값은 정규화 또는 소프트 어닐링 납품과 침탄, 담금질 및 강화 부품에 대해 생산자 데이터시트에서 일반적으로 관찰되는 한계를 보여줍니다.
표 2: 대표적인 기계적 특성
| 조건 | 인장 강도 Rm(MPa) | 항복 강도 Rp0.2(MPa) | 연신율 A (%) | 경도 HB |
|---|---|---|---|---|
| 소프트 어닐링(+A), 작은 바 | ~550(일반) | ~420 | ≥21 | 170-230 HB(치료에 따라 다름) |
| 정규화 | 600-800(구간에 따라 다름) | 350-600 | 10-20 | 200-300 HB |
| 침탄 및 담금질(케이스) | 케이스 경도 최대 58-62 HRC(얇은 케이스) | 설계 강도를 위해 템퍼링 후 일반적으로 코어 인장 800-1100 MPa | 코어 연신율은 감소했지만 부품 기능에 적합함 | 완료 후 HRC에서 측정한 케이스 경도입니다. |
중요 사례 참고: 침탄 부품의 기계적 특성 검증에는 표면 경도 프로파일과 코어 인성 검사가 모두 포함되어야 합니다. 대표 코어에 대한 인장 시험, 동적 적용을 위한 샤피 충격 시험, 경도 깊이 프로파일은 모두 구매 사양에서 일반적인 승인 테스트입니다.
열처리 실습: 침탄, 담금질, 템퍼링 및 미세구조
목표 개요
침탄은 확산에 의한 탄소 농축을 통해 표면 근처 화학을 변화시켜 저탄소 연성 코어와 결합된 단단하고 내마모성이 강한 케이스를 제공합니다. 적절한 처리 후의 일반적인 최종 미세 구조는 공정 및 단면 두께에 따라 케이스에 강화 마르텐사이트, 코어에 강화 마르텐사이트 또는 베이나이트가 포함됩니다.
일반적인 프로세스 창 및 매개 변수
표 3: 침탄 처리된 16MnCr5의 일반적인 열처리 파라미터
| 스테이지 | 온도(°C) | 목적 / 참고 사항 |
|---|---|---|
| 사전 청소 및 검사 | 주변 200 | 표면 준비, 스케일 및 오염 물질 제거 |
| 침탄(가스) | 880-980 | 효과적인 탄소 확산을 위한 일반적인 온도 범위, 시간은 원하는 케이스 깊이에 따라 다릅니다. |
| 이퀄라이제이션 | 20-60분 | 담금질 전 섹션을 통해 균일한 케이스 형성 보장 |
| 담금질(오일 또는 폴리머) | 침탄 온도에서 | 빠른 냉각으로 마르텐사이트를 형성하는 경우, 담금질 선택은 왜곡 및 잔류 응력에 영향을 미칩니다. |
| 템퍼링 | 높은 표면 경도의 경우 150-200, 코어 특성 최적화 시 150-560 | 저온 템퍼링은 응력을 완화하고 표면 인성을 조정하는 데 도움이 되며, 연성을 개선해야 하는 경우 코어 템퍼링이 더 높은 경우가 많습니다. |
프로세스 제어 지점:
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용광로의 탄소 전위는 담금질 중 오스테나이트 잔류 또는 균열을 유발할 수 있는 과도한 케이스 카본을 방지하기 위해 엄격하게 제어되어야 합니다.
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최종 템퍼링 선택은 표면 인성과 피로 수명에 영향을 미치며, 케이스 파손 저항성과 함께 적절한 케이스 경도를 유지하려면 균형이 필요합니다. 과학적 연구에 따르면 침탄 후 열처리 일정은 코어 인성, 잔류 오스테나이트 함량 및 전반적인 미세 구조 안정성에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
미세 구조 세부 정보
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Case: 일반적으로 탄화 또는 부적절한 템퍼링이 발생하는 경우 탄화물이 포함된 마르텐사이트를 템퍼링합니다. 원하는 미세 구조는 저잔류 오스테나이트와 미세하게 템퍼링된 마르텐사이트가 결합되어 케이스 경도를 제공하면서 부서지기 쉬운 골절에 저항하는 것입니다.
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Core: 탄소 함량이 낮을수록 연성 코어가 생성됩니다. 담금질 및 템퍼링 후 코어 경도와 강도는 담금질 정도와 템퍼링 온도에 따라 달라지며, 많은 엔지니어링 부품의 일반적인 코어 인장 목표는 800-1100MPa 범위에 속합니다.
왜곡, 제어 방법 및 잔여 스트레스 관리
왜곡 제어는 치수가 중요한 부품의 생산 계획에 포함되어야 합니다. 일반적인 완화 기법에는 다음이 포함됩니다:
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담금질 스트레스를 완화하는 템퍼링 사이클 사용
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오일에 비해 심각도를 줄이기 위한 폴리머 담금질제 선택
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잔류 오스테나이트 감소가 필요한 경우에만 영하 처리 적용
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균일한 냉각과 최소한의 구부러짐을 허용하는 고정 장치 설계
제조업체는 열처리 후 반복 가능한 형상을 보장하기 위해 담금질 매체, 교반, 부품 방향 및 픽스처 세부 정보를 문서화해야 합니다.
가공성, 성형 및 접합
기계 가공성
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어닐링된 상태에서 16MnCr5는 기존 툴링을 사용하여 쉽게 가공할 수 있습니다. 대량 생산을 위해 공급되는 봉재에 대한 공급업체의 M-처리(칩 제어를 개선하는 미세 합금/가공 변형)를 통해 가공성을 개선할 수 있습니다.
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침탄 및 경화 후 최종 가공은 일반적으로 연삭, 비경화 코어에 카바이드 인서트를 사용한 선삭, 타이트한 형상이 필요한 경우 케이스 마무리 연삭으로 제한됩니다.
냉간 성형 및 열간 성형
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열간 단조는 대형 부품의 최종 열처리 전에 일반적으로 사용됩니다. 권장 단조 온도는 일반적으로 과도한 입자 성장을 방지하기 위해 제어된 냉각과 함께 1100°C 이상에서 시작됩니다. 열간 가공 후 정규화는 최종 가공 전에 미세 구조를 개선합니다.
용접성 및 접합
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저탄소 공급 조건에서 16MnCr5의 용접은 적절한 용가재와 예열/예열 루틴을 사용하면 가능하지만 침탄강은 표면 강화용으로 설계된 것이지 무거운 용접 수리가 아니므로 주의가 필요합니다. 일치하거나 약간 더 높은 합금 필러 와이어를 사용하고, 수소 균열을 방지하기 위해 예열을 제공하며, 용접 부위를 템퍼링하여 인성을 회복합니다. 침탄 처리된 부품의 용접은 표면 케이스의 이점을 무효화하고 국부적인 연화 또는 왜곡을 유발하므로 일반적으로 가능하면 피하는 것이 좋습니다.
일반적인 애플리케이션 및 설계 지침
16MnCr5로 제조된 일반적인 부품
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변속기용 스퍼 및 헬리컬 기어
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롤링 접촉 피로에 노출되는 샤프트 및 피니언
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중간 부하 애플리케이션용 캠축 및 피스톤 로드
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하드 케이스와 연성 코어가 필요한 베어링 슬리브, 기어 블랭크, 스플라인 샤프트.
설계 고려 사항
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케이스 깊이 선택: 케이스 깊이는 연삭으로 인한 예상되는 제조 손실을 고려하여 응용 분야의 접촉 응력을 전달할 수 있도록 선택해야 합니다. 표준 케이스 깊이는 경량의 경우 0.5mm부터 무거운 기어 애플리케이션의 경우 수 밀리미터까지 다양합니다.
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코어 강도 및 연성: 코어 경도 목표는 충격 하중에 대한 충분한 인성을 보장해야 합니다. 일반적인 조달 사양은 케이스 깊이 전체에 걸친 경도와 중심선 근처의 최소 코어 인장 또는 경도 값을 모두 정의합니다.
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표면 마감: 침탄 처리 후에는 엄격한 공차를 위해 연삭이 필요한 경우가 많습니다. 연삭 매개변수는 케이스가 템퍼링되거나 열 손상이 발생하지 않도록 해야 합니다.
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표면 처리: 질화 침탄, 샷 피닝 및 코팅 시스템은 침탄만으로는 달성할 수 없는 피로 수명을 늘릴 수 있습니다.
일반적인 장애 모드 및 예방
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표면 피팅/롤링 접촉 피로: 표면 경도와 압축 잔류 응력을 제어하고 샷 피닝과 케이스 경도 프로파일을 제어하여 위험을 줄입니다.
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케이스 크래킹: 과도한 탄소, 빠른 담금질 또는 불충분한 템퍼링으로 인해 발생하며 용광로 탄소 전위, 담금질 강도 및 적절한 템퍼링을 제어하여 방지합니다.
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코어 취성 골절: 올바른 베이스 화학, 표준화된 미세 구조, 신중하게 선택한 템퍼링 주기를 통해 예방할 수 있습니다.
표준, 네이밍 및 국제적으로 통용되는 명칭
기본 참조 표준
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16MnCr5는 케이스 경화강에 대한 EN 10084(과거) 및 DIN EN ISO 683 시리즈와 같은 유럽 재료 사양의 적용을 받습니다. 공급업체 데이터시트 및 스트립 제품 정보는 일반적으로 기술 납품 조건에 대해 DIN EN ISO 683-3 또는 ISO 683 제품군을 참조합니다.
일반적인 등가물 및 상호 참조
표 4: 일반적인 국제 등가물
| EN 지정 | 스틸넘버 ID | SAE / AISI | 기타 참고 자료 |
|---|---|---|---|
| 16MnCr5 | 1.7131 | SAE 5115(일반적으로 인용됨) | 17MnCr5(근접), 20MnCr5 제품군(변형) |
공급업체마다 약간의 화학적 또는 가공적 차이로 인해 경화성, 가공성 또는 특정 공정에 대한 적합성이 달라질 수 있다는 점을 명심하세요. 항상 구매 주문서에 정확한 표준, 배송 조건 및 추가 처리를 명시하세요.
품질 관리, 검사 방법 및 승인 기준
중요 부품에 대한 권장 승인 테스트:
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화학 분석: 합금 범위를 확인하기 위한 분광학적 검사.
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경도 프로필: 케이스 깊이와 코어 경도를 검증하기 위한 표면 및 스텝 코어링 경도 테스트. 표면에서 코어까지 프로파일링하는 데 자주 사용되는 미세 경도 트래버스.
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미세 구조 시험: 케이스, 전이 및 코어에서 금속 조직 검사를 통해 마르텐사이트 또는 강화 미세 구조를 확인하고 원치 않는 탄화물 또는 잔류 오스테나이트를 식별합니다.
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기계적 테스트: 대표 쿠폰에 대한 인장 테스트, 동적 하중 애플리케이션을 위한 코어 충격 테스트(Charpy V-노치), 필요한 경우 피로 테스트.
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비파괴 테스트: 표면 파손 결함에 대한 자기 입자 검사, 더 큰 섹션의 표면 아래 결함에 대한 초음파 검사.
문서에는 용광로 탄소 전위 기록, 담금질 매체 및 온도, 템퍼 기록, 처리 전후 공차를 보여주는 치수 제어 보고서가 포함되어야 합니다.
지정업체를 위한 조달 및 공급망 조언
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항상 다음을 지정하십시오. 등급 지정 + 필수 표준 + 배송 조건. 예를 들어: "16MnCr5, EN 1.7131, 정규화, 바 스톡, 화학은 EN 한도에 맞고 M 처리 옵션."
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열처리 부품이 완제품으로 공급되는 경우 제조업체의 열처리 프로토콜을 요구합니다. 구매 주문서에 자세한 승인 테스트를 포함하세요.
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대량 생산 또는 안전이 중요한 프로그램의 경우, 용광로 제어 방법, 담금질조 조절 및 배치 추적성을 검토하기 위해 공급업체 감사를 고려하세요.
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다른 공급업체와의 호환성이 중요한 경우, 계약서에 합의된 동등성 표를 포함하고 케이스 깊이, 잔류 오스테나이트 %, 코어 인장 강도 등의 중요 속성에 대한 인증을 요구하세요.
요약 표
표 5: 빠른 참조 요약
| 주제 | 키 포인트 |
|---|---|
| 기본 화학 | 저탄소 크롬-망간 합금으로 탄화를 지원합니다. |
| 주요 용도 | 기어, 샤프트, 스플라인, 하드 케이스와 견고한 코어가 필요한 부품. |
| 일반적인 케이스 경도 | 얇은 케이스의 경우 최대 58-62 HRC(공정에 따라 다름). |
| 핵심 강도 목표 | 많은 디자인에서 템퍼링 후 800-1100 MPa. |
| 표준 | 케이스 경화강용 EN / DIN / ISO 제품군, EN 10084 참조. |
자주 묻는 질문
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16MnCr5의 의미와 명칭은 어디에서 유래되었나요?
숫자 16은 공칭 탄소 등급을 나타내며 MnCr은 망간-크롬 합금을 의미합니다. 접미사 5는 DIN에서 파생된 명명법의 오래된 규칙이며, 전체 유럽 표준 번호는 EN 1.7131입니다. -
16MnCr5를 침탄 경화 대신 유도 경화할 수 있나요?
일부 형상에서는 표면의 유도 경화가 가능하지만, 복잡한 기어 톱니의 경우 침탄 경화를 통한 실제 케이스 깊이가 더 깊고 균일합니다. 유도 경화는 국부적인 표면 경화 작업에 적합합니다. -
기어에 어떤 케이스 깊이를 지정해야 하나요?
케이스 깊이 선택은 기어 모듈, 부하 스펙트럼, 예상 수명에 따라 달라집니다. 일반적인 값은 경량 기어의 경우 0.6mm에서 고하중 변속기 기어의 경우 3mm 이상이며, 연삭 허용치를 지정합니다. 엔지니어링 설계 표준 또는 접촉 피로 계산을 통해 정확한 선택을 해야 합니다. -
카부라이징 후 코어 인성은 어떻게 측정하나요?
코어 인성은 종종 코어의 시편을 사용한 Charpy V-노치 테스트 또는 대표적인 코어 재료의 인장 테스트를 통해 평가되며, 공급업체는 대리로 중심선 근처의 경도를 제공할 수도 있습니다. -
16MnCr5는 용접 어셈블리에 적합합니까?
적절한 예열 및 용접 후 열처리를 통해 용접이 가능하지만 용접된 부분은 원래의 침탄 표면 특성을 유지하지 못합니다. 중요한 부품의 경우 최종 케이스 경화 후 용접을 피하십시오. -
왜곡을 제어하기 위해 어떤 담금질 매체를 사용하는 것이 좋나요?
폴리머 담금질 또는 교반을 통해 신중하게 제어된 오일 담금질이 일반적인 선택입니다. 폴리머 담금질은 많은 생산 환경에서 충분한 경화성을 유지하면서 왜곡을 줄일 수 있습니다. -
케이스에 잔류된 오스테나이트를 확인하는 방법은 무엇인가요?
X-선 회절 또는 자기 포화 기술은 잔류 오스테나이트를 정량화합니다. 미세 경도 분석만으로는 잔류 오스테나이트 함량을 확실하게 파악할 수 없습니다. -
16MnCr5의 가공성이 더 높은 변형이 있나요?
예. 일부 밀에서는 칩 제어를 돕기 위해 M 처리된 바 등급 또는 변형된 황 함량 변형을 공급하며, 종종 등급(16MnCrS5) 또는 공급업체별 상품명에 S가 표시되어 있습니다. -
카부라이징 전에 어떤 표면 마감을 권장하나요?
깨끗하고 스케일이 없는 표면이 필요합니다. 연삭 또는 쇼트 블라스팅 후 탈지하면 균일한 침탄이 보장됩니다. 표면 거칠기는 배치의 모든 부품에서 일정해야 합니다. -
구매 주문서에서 참조해야 하는 표준은 무엇인가요?
관련 EN/DIN/ISO 표준(예: EN 10084 또는 DIN EN ISO 683 시리즈), 정확한 등급(16MnCr5 / 1.7131), 필요한 배송 상태, 화학 및 열처리 모두에 대한 승인 테스트를 인용합니다.
실용적인 예제 및 사례 노트
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산업용 감속기용 기어박스 피니언: 침탄 케이스 깊이 1.0-1.5mm, 표면 경도 최대 60 HRC, 코어 경도 ≤ 300 HB, 공급업체에서 제공하는 경도 깊이 프로파일 및 Charpy V-노치 코어 에너지가 작동 온도에서 지정된 값 이상인 것을 지정합니다. 공급업체는 전체 열처리 기록을 제공해야 합니다.
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스플라인이 있는 샤프트: 스플라인 피로 수명을 위해 최소 코어 인장 또는 항복률을 지정하고 침탄 전에 연삭 허용치를 지정하여 최종 형상이 공차를 충족하는지 확인합니다. 케이스 깊이가 깊지 않고 얕고 매우 단단한 표면이 필요한 경우에만 질화를 고려하세요.
수락을 위한 권장 테스트 매트릭스
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열별 화학 분석 보고서
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경도 프로필: 표면(HRC) 및 계단식 코어 경도(HB)
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케이스, 트랜지션, 코어의 미세 구조 사진(에칭)
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동적 애플리케이션을 위한 코어 소재의 샤피 V-노치
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문서화된 고정 장치 및 방향을 통해 열처리 전후의 치수 확인
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NDT: 표면 균열은 자성 입자, 심각한 표면 하부 결함은 초음파로 확인합니다.
사양 작성자를 위한 마무리 지침
16MnCr5 부품에 대한 사양을 작성할 때는 다음을 포함하세요:
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정확한 등급 및 표준 참조(16MnCr5 / EN 1.7131, EN/DIN/ISO 문서 번호 참조)
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배송 조건(소프트 어닐링, 노멀라이즈 또는 최종 탄화 및 템퍼링)
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필요한 케이스 깊이 및 경도 프로필과 측정 방법(미세 경도 단계 테스트 또는 지정된 경도에 대한 케이스 깊이)
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핵심 기계적 목표 및 인성 요구 사항
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수리가 허용되는 경우 용접 허용치 및 용접 후 열처리
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추적성 요구 사항, 승인 테스트 및 부적합 처분
KO 
EN 
AR 
JA 
DE 
IT 
ES