KR100561995B1 - 금속 재료의 질화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 강의 재질을 구분 제조나 고기능 강재의 제조에 관하여 효율적으로 질화를 행하는 방법을 제공하는 것이다. 가스 분자의 구성 원소 중 하나가 N인 가스(N₂ 가스를 제외함)를 포함한 실온 이상 800 ℃ 이하의 질화 분위기 속에서 600 ℃ 이상 또한 질화 분위기의 온도보다도 20 ℃ 이상 높은 금속 재료를 질화하는 공정을 포함하는 금속 재료의 질화 방법이다.

가열로, 질화로, 레일강, 강판, 유도 가열 장치

Description

금속 재료의 질화 방법 {NITRIFICATION METHOD OF METAL MATERIAL}

도1은 본 발명의 질화법 A를 나타내는 도면.

도2는 본 발명의 질화법 B를 나타내는 도면.

도3은 본 발명의 질화법 C를 나타내는 도면.

도4는 본 발명의 질화법 D를 나타내는 도면.

도5는 본 발명의 질화법 E를 나타내는 도면.

본 발명은 용기, 자동차, 가전, 건재 분야 등에서 이용되는 강판 및 강재의 제조 공정에 있어서, 강도, 피로 특성, 내마모 특성, 인성 등에 관하여 바람직한 특성을 부여할 목적으로 재료를, 질화 가스를 포함하는 질화 분위기를 유지하는 질화로 속에서 질화하는 방법에 관한 것으로, 특히 질화 분위기의 취급에 기인한 질화로의 변질을 억제하면서 효율적으로 재료를 질화하는 방법에 관한 것이다.

다양한 방면에서 이용되는 강제품에 있어서는 각종 특성(예를 들어, 구조 부재로서의 강도나 부재를 형성하기 위한 가공성, 다른 부재와의 접합시 및 접합부의 강도로서의 용접성, 사용중인 인성, 장기간 사용 중에 다른 부재와 접촉하는 부위 에서의 내마모성, 각종 환경에 있어서의 내식성, 전기 기기 부재로서의 자기 특성 또는 내식성이나 의장성)을 부여하는 것이 요구된다.

본 발명자는, 종래에서는 생각할 수 없을 만큼 다량의 N을 함유한 고N강에 대해 강도, 가공성이나 인성, 내마모성, 자기 특성이나 내식성 등의 향상을 고려한 재질 제어를 행하여 종래의 C 대신에 N을 농축시킴으로써 조직 제어한 강이나, 강 속의 질화물 형태를 제어한 전자 강판 등을 개발하였다. 이들은 예를 들어 일본 특허 공개 2002-020834호 공보, 일본 특허 공개 2002-012948호 공보 등에 개시되어 있다. 이들 강의 큰 특징은 Cr, Ni의 다량의 함유를 필수로 하지 않고, 종래의 용강에 있어서 성분 조정이 이루어지는 제조법으로는 도달할 수 없을 정도의 다량의 N(질소)을 함유시키는 것이다. 이를 위해서는 고체 상태의 강에 대해 성분 조정하는 방법이 필요해지고, 그로 인한 독점법으로서 가스 분위기 속에서 재료를 질화하는 방법을 채용하는 것이 유효하다고 생각된다. 그러나, N 함유량이 0.1 ％를 초과할 정도의 다량의 N을 함유시키기 위해서는, 종래의 수법으로는 생산 효율이 낮아 실용화의 장해가 되므로, 본 발명자는 매우 효율적인 가스 질화 방법을 일본 특허 출원 2002-90647호에서 제안하고 있다.

또한, 0.1 ％까지 다량이 아니라도 0.01 ％ 정도의 질화에 의해 제조 공정의 아래의 공정에서 성분을 변화시킬 수 있으면 동일한 재료를 이용하여 다양한 재질을 갖는 재료를 구분 제조할 수 있고, 반제품의 재고 삭감 등, 철강 제조 프로세스의 대폭적인 효율화도 기대된다. 이와 같은 경우에도 효율적인 질화가 가능하면 질화 시간의 단축, 질화 설비의 간략화가 가능해져 질화 프로세스의 실용화가 촉진 되는 것이라 생각된다.

그러나, 본 발명자가 출원한 일본 특허 출원 2002-90647호에 기재된 기술에 있어서도, 다른 질화 효율의 향상도 요구되고 있다.

강재를 질화하기 위해서는 강재를 고온의 질화 분위기 속에서 유지할 필요가 있지만, 그 때에 질화 분위기를 유지하는 질화로 자체도 질화되어 변질되어 버릴 가능성이 있다. 특히 질화 효율이 높은 고온, 고농도 암모니아 분위기에서의 장시간 사용에 있어서, 강재를 노 속을 통과시키기 위해 설치되어 있는 가이드 롤이나 노 부재 또는 버너 등이 질화되어 물러져 파손되어 버릴 가능성이 있다. 질화는 고온의 금속 표면에서 일어나므로, 이들 부재를 금속 이외의 소재로 씌우거나, 또는 금속 이외의 소재로 제작하거나, 또는 통수된 튜브 등으로 노 부재를 냉각하는 것이 해결책이 되지만, 노의 제조 비용을 생각하면 실용적이라고는 할 수 없다.

또한, 노 자체가 질화되어 있다는 것은 질화로 인해 노 내로 도입한 가스 성분이 강재의 질화에 효율적으로 소비되고 있지 않은 것을 의미하고 있다.

또한, 질화 효율을 상승시키기 위해 질화로 내의 질화 분위기의 온도를, 재료를 질화하는 데 필요해지는 온도보다 고온으로 하면, 노 부재의 질화도 촉진되어 버릴뿐만 아니라, 가스 그 자체가 질화 대상 재료의 존재없이 분해되어 버려 질화 능력이 떨어져 버리므로 질화 효율이 기대한 바와 같이 향상되지 않는다.

이상과 같이, 종래 기술에 있어서는 고N재의 효율적인 생산에 적합하게 질화 방법의 개선이 강하게 요구되고 있었다.

[특허 문헌 1]

일본 특허 공개 2002-020834호 공보

[특허 문헌 2]

일본 특허 공개 2002-012948호 공보

본 발명은, 전술한 바와 같은 종래 기술의 과제를 해결하여 강의 재질을 구분 제조나 고기능 강재의 제조에 관하여 생산성의 관점으로부터 유리한 질화법을 적용할 때에, 고질화 효율로 질화를 행하는 방법을 제공하는 것이고, 이에 의해 효율적인 고N재의 제조를 가능하게 하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은 전술한 과제를 해결하기 위해, 질화 분위기 속에 있어서의 재료의 질화 조건 및 질화를 행하는 설비의 구조에 대해 예의 검토를 행하여 이하의 지견을 얻었다. 즉, 질화 분위기 자체는 비교적 저온이라도 질화 분위기에 둘 수 있는 금속 재료 자체의 온도를 질화 분위기의 온도 이상으로 유지함으로써, 금속 재료를 질화할 수 있는 것이다. 이 방법에 따르면 분위기를 유지하는 노 및 노 부재의 온도를, 재료를 질화하는 데 필요해지는 온도 이하로 억제할 수 있으므로, 노 자체의 질화를 억제하는 것이 가능해져 보다 고농도의 질화 분위기의 사용이 가능해진다.

또한, 질화 분위기 자체를 비교적 저온으로 유지함으로써 질화 가스 그 자체가 분해되어 버리는 것을 억제할 수 있으므로, 금속 재료 온도를 종래 이상으로 높게 설정하여 높은 질화 효율을 실현하는 것이 가능해진다.

이에 의해, 금속 재료 표면에서의 질화 가스의 분해가 촉진되어 질화 효율이 상승할 뿐만 아니라, 금속 재료 표면으로부터 침입한 N 원자의 금속 재료의 중심을 향한 확산 속도도 상승하므로, 용도에 따라서는 필요해지는 성분적으로 균질한 강재를 얻는 것이 용이해지는 동시에, 저온에서의 질화에 의해 문제가 되는 경우가 있는 금속 재료 표면에서의 Fe 질화물 막의 형성도 억제할 수 있다. 또한, 금속 재료 온도를 종래 이상으로 높게 설정할 수 있으므로, 금속 재료 표면에서 분해되는 질화 가스로서 암모니아 가스 이외의 열적으로 보다 안정된 다양한 종류의 가스의 사용이 가능해진다. 본 발명은 이상의 지견을 기초로 기존에 있어서의 통상의 금속 재료 제조 공정 및 설비 능력을 염두로, 가장 적절한 질화 조건과 질화 설비를 검토하여 이루어진 것이고, 그 요지로 하는 바는 하기와 같다. ① 금속 재료의 가열 방법으로서, 질화 분위기로부터의 열전도 이외의 방법을 열전도와 맞추거나, 혹은 열전도에 의한 가열없이 채용한다. ② 질화 분위기의 온도를 금속 재료의 온도보다 낮게 설정한다. ③ 상기와 같은 상태에서 최고의 질화 효율을 얻을 수 있도록 질화 분위기를 제어한다.

구체적으로는, 본 발명의 요지는 특허 청구의 범위에 기재한 바와 같이 하기 내용이다.

(1) 가스 분자의 구성 원소 중 하나가 N인 가스(N₂ 가스를 제외함)를 포함한 실온 이상 800 ℃ 이하의 질화 분위기 속에서 600 ℃ 이상 또한 질화 분위기의 온도보다도 20 ℃ 이상 높은 금속 재료를 질화하는 공정을 포함하는 금속 재료의 질화 방법.

(2) 가스 분자의 구성 원소 중 하나가 N인 가스가 분위기의 0.5 내지 100 ％(체적율)인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 금속 재료의 질화 방법.

(3) 가스 분자의 구성 원소 중 하나가 N인 가스 중 적어도 1종류가 암모니아 가스인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 금속 재료의 질화 방법.

(4) 질화 분위기가 체적율 1.0 ％ 이상인 수소 가스를 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 금속 재료의 질화 방법.

(5) 질화 분위기가 암모니아와 질소를 포함하는 혼합 가스이고, 질소 가스가 질화 분위기의 10 ％ 이상(체적율)이고, 또한 질소 가스량/(질소 가스량 ＋ 수소 가스량)이 0.60 이상인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 금속 재료의 질화 방법.

(6) 질화 분위기 가스의 이슬점이 -10 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 금속 재료의 질화 방법.

(7) 금속 재료를 질화 분위기로부터의 열전도 이외의 방법에 의해 가열하고, 계속해서 상기 금속 재료를 질화 분위기 속에 장입하여 금속 재료를 그 온도가 장입시의 온도보다 50 ℃ 이상 낮아질 때까지의 동안 질화 분위기 속에서 유지하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 금속 재료의 질화 방법.

(8) 질화 분위기 속에서 금속 재료를 질화 분위기로부터의 열전도와는 다른 수단으로 가열하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 금속 재료의 질화 방법.

(9) 금속 재료를 통전 가열 또는 유도 가열을 이용하여 가열하는 것을 특징 으로 하는 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 금속 재료의 질화 방법.

(10) 금속 재료를 질화하는 공정에 의해, N 함유량을 질량 ％로 0.0002 ％ 이상 증가시키는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 금속 재료의 질화 방법.

(11) 금속 재료가 강재인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 금속 재료의 질화 방법.

이하에 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 모든 성분을 갖는 금속 재료에의 적용이 가능하지만, 이하 주로 강재에의 적용을 염두로 설명을 행한다.

우선, 본 발명에 있어서의 분위기 성분의 한정 이유를 이하에 상세하게 설명한다. 분위기 속에 가스 분자의 구성 원소 중 하나가 N인 가스가 존재하는 것이 본 발명의 필수적인 조건이다. 이 가스는, 예를 들어 암모니아 가스, 이산화질소 가스 등을 들 수 있다. 이하, 본 명세서 중에서는 이들 가스를「질화 가스」라 기술한다. 본 발명에 있어서의 질화는 고온의 금속 표면에서의 질화 가스의 분해에 수반하여 생성되는 원자형 N이 강에 침입하는 것이 주된 기구이고, 본 발명은 질화 가스의 분해 및 강 표면과의 반응을 제어하는 것이다. 단, 본 발명에 있어서 질소는 질화 가스에는 포함되지 않는 것으로 한다. 이는, 질소는 비교적 안정적으로 분해되기 어렵기 때문에 질화 효율을 높이게 되는 본 발명의 취지에 적합하지 않기 때문이다.

질화 가스로서는 질화 효율, 즉 고온 금속 표면에서의 분해 반응 속도나 작 업 환경에 있어서의 사용의 간편함 등으로부터 암모니아 가스로 하는 것이 바람직하다. 물론 여러 종류의 질화 가스를 혼합하여 사용해도 본 발명의 효과를 손상시키는 것은 아니다. 질화가 행해지는, 질화 가스를 포함하는 분위기를 이하, 본 명세서 중에서는「질화 분위기」라 기술한다. 질화 분위기 속의 질화 가스의 농도는 질화 효율에 큰 영향을 미치게 한다. 질화 가스가 조금이라도 존재하면 적지 않게 강재의 질화가 일어날 가능성이 있지만, 공업적으로 효율적인 질화를 일으키기 위한 농도를 체적율 0.5 ％ 이상으로 한다. 이 농도의 상한은 필요하지 않고, 완전한 질화 가스 분위기, 100 ％로 하는 것도 가능하다.

질화 분위기 속에 있어서의 질화 가스 이외의 가스 성분에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니다. 아르곤 등의 불활성 가스, 통상의 강재의 열처리에서 사용되는 수소나 질소를 포함하는 것이 가능하다.

질화 효율을 높이기 위해서는, 이들 질화 가스 이외의 가스 성분의 농도나 불가피적으로 포함되는 수분의 양, 즉 분위기 이슬점의 제어도 유효한 경우도 있다. 특히, 수소를 1 ％ 이상, 또는 이슬점을 -10 ℃ 이상으로 함으로써 높은 질화 효율을 얻게 되는 경우가 있다. 그 이유는 명확하지는 않지만, 강판 표면에서의 수증기의 분해나 산소의 상태가 강재 표면에서의 질화 가스의 분해 및 그 분해에 의해 생긴 N의 강에의 침입에 영향을 미칠 가능성이 있다. 또한, 수증기의 분해에 의해 수소가 공급되는 것도 어떠한 원인이 되고 있을 가능성이 있지만, 수소의 공급원은 이외에도 외부로부터의 수소 가스의 도입, 암모니아 가스 등의 질화 가스의 분해 등이 중첩되어 있어, 현상은 매우 복잡하다고 생각된다.

질화 분위기가 암모니아 가스와 질소와 수소를 포함하는 경우의 이들 농도에 대해 이하에 나타낸다. 이 경우, 강재의 질화는 주로 암모니아 가스의 분해에 의해 일어나지만, 이에 수반하여 원자형 질소 및 원자형 수소를 생성하기 위해 질화 분위기 속의 질소 가스와 수소 가스의 존재비도 적지 않게 변화한다. 이 경우는 체적율 질소 가스 10 ％ 이상, 수소 가스 1 ％ 이상, 또한 질소 가스량/(질소 가스량 ＋ 수소 가스량)을 0.60 이상으로 하면 매우 고효율의 질화가 가능해진다. 질화 분위기의 농도는 거시적으로는 질화로 속의 장소나, 미시적인 의미에서는 확실히 질화 반응이 일어나고 있는 강재의 표면 근방이나 노 부재의 표면 근방 등, 또는 가스의 분해나 합성이 일어나는 경우나 연속적으로 질화가 진행하고 있는 경우 등, 실조업에 있어서는 공간적 및 시간적으로 모두 일정하다는 것은 있을 수 없지만, 강재의 질화 효율을 제어하는 지침으로서 타당하다고 생각되는 질화 분위기의 평균적인 농도의 결정이 곤란한 경우는 질화로에의 도입 가스의 유량을 기준으로 결정하는 것도 가능하다.

질화시의 온도 조건은 본 발명의 가장 중요한 요인이다. 본 발명의 특징은 강재의 온도를 질화 분위기의 온도보다 높게 하는 것이다. 종래의 질화법에서는 질화 분위기를, 재료를 질화하는 데 필요한 온도까지 가열해 두고, 그 속에서 강재를 유지함으로써 강재의 가열, 보온과 동시에 질화하는 것이었다. 이로 인해, 질화로 자체의 질화나, 금속 재료 표면 이외에 있어서의 질화 가스 그 자체의 분해에 의한 금속 재료 질화 효율의 저하가 장해가 되어, 질화 분위기의 온도의 상한, 재료를 질화시키는 온도의 상한은 겨우 800 ℃였다.

본 발명에서는 강재를 질화 분위기로부터의 열전도에 따르지 않는 방법에 의해 가열하고, 질화 분위기 그 자체는 가열된 강재에 비해 낮은 온도로 하므로, 질화로 자체의 질화나 금속 재료 표면 이외에 있어서의 질화 가스 그 자체의 분해에 의한 금속 재료 질화 효율의 저하 등의 문제를 회피할 수 있다. 강재를 효율적으로 질화하기 위해서는, 강재의 온도를 600 ℃ 이상으로 할 필요가 있다. 바람직하게는 700 ℃ 이상, 더욱 바람직하게는 800 ℃ 이상, 900 ℃ 이상이면 매우 신속한 질화가 가능해진다. 동시에, 강재 표면으로부터 강 속에 침입한 N의 강 속에서의 확산도 빠르게 일어나므로, 강 속 N 농도의 균일화나 표면에 생성되어 특성을 저해하는 경우가 있는 Fe 질화물의 형성을 억제하는 것이 가능해진다. 단, 예를 들어 냉연 공정에서 강재의 집합 조직 등을 제어한 재료에서는 매우 고온이 되면 변태에 의해 제어된 집합 조직을 잃게 되는 경우도 있고, 또한 강재의 두께 방향에 의식적으로 농도차를 형성함으로써 어떠한 특성을 향상시킬 목적으로는 특성 향상 효과가 작아지는 경우가 있으므로 주의가 필요하다. 특히 질화 효율만을 생각하면 1000 ℃ 이상으로의 가열도 가능하다.

한편, 질화 분위기의 온도는 800 ℃를 상한으로 하는 것이 바람직하다. 이는, 전술한 바와 같이 고온의 질화 분위기를 열처리로 속에 유지하면 노 자체를 질화함으로써 질화 효율 저하를 초래할 뿐만 아니라, 고온이 된 질화 가스가 불안정해져 질화 대상물이 존재하지 않은 상태에서 분해해 버려, 역시 질화 효율 저하를 초래하기 때문이다. 질화 분위기의 온도는, 바람직하게는 750 ℃ 이하, 더욱 바람직하게는 650 ℃ 이하이고, 550 ℃ 이하로 하면 노 자체의 질화는 거의 일어나지 않게 된다. 물론 아무런 가열을 하지 않고 실온 정도로 해도 본 발명의 효과를 손상시키는 것은 아니다.

질화시 중 적어도 일시기에 강재의 온도를 질화 분위기의 온도보다 20 ℃ 이상 높게 하는 것이 본 발명의 중요한 특징이다. 20 ℃ 이상의 차가 없으면, 노의 질화나 질화 가스 그 자체의 분해를 억제하면서 금속 재료의 질화 효율을 향상시킨다는 본원 발명의 효과를 달성할 수 없다. 단, 이 온도차는 질화 공정의 전체에 걸쳐서 있을 필요는 없다. 즉, 예를 들어 질화 분위기 속에 이 분위기보다 20 ℃ 이상 온도가 높은 강재를 삽입하여 질화를 진행시키면, 후술하는 바와 같은 질화 분위기 속에서의 강재의 가열 수단을 강구하지 않는 경우에는 질화와 함께 강재의 온도는 저하되고, 곧 분위기 온도에 가까워진다. 이와 같은 경우도 질화 전단계에서의 고효율인 질화의 장점을 얻을 수 있으므로 본 발명에 포함되는 것으로 한다.

상기, 일시기는, 바람직하게는 1초 이상, 더욱 바람직하게는 3초 이상이다. 이 경우는 온도차가 너무 작으면 본 발명의 장점도 작아지므로, 온도차, 즉 질화에 수반하는 강재의 온도 저하를 50 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 단, 질화 분위기가 550 ℃ 이하로 낮은 경우에는 질화 효율은 매우 작아져 한없이 0에 가까워져 버리고, 본 발명의 효과를 보다 많이 얻기 위해서는 가능한 한 장시간, 또한 가능한 한 온도차를 유지한 상태에서 강재의 온도를 질화 분위기보다도 높은 온도로 유지하는 것이 바람직한 것은 물론이다. 이를 위해서는 질화 분위기 속에서 강재를 가열할 수 있는 설비를 적용하는 것이 바람직하다. 강재의 가열 수단으로서 분위기로부터의 열전도를 이용하는 것은 본 발명의 취지를 손상시키므로, 이 수단으 로서는 통전 가열이나 유도 가열 등의 수단을 이용하는 것이 바람직하다.

이와 같은 수단을 이용함으로써 질화 분위기 및 노 부재 등, 온도 상승이 불필요한 것의 온도 상승을 회피한 상태에서 강재만의 승온이 가능해진다. 이에 의해, 예를 들어 실온 정도의 질화 분위기 속에서 900 ℃ 이상의 강재를 장시간 유지하는 것도 가능해진다. 이 경우에는, 가열된 강재에 의해 질화 분위기의 온도가 상승하거나 노 부재의 온도가 상승하거나 하여 바람직하지 않은 장소에서의 질화 또는 질화 가스 그 자체의 분해가 일어나는 것도 생각할 수 있으므로, 불필요한 질화 분위기 온도 상승을 회피하기 위해 강재에 접촉하는 질화 분위기의 유량 등을 고려하는 것이 바람직하다. 즉, 고속의 가스를 가열하고 있는 강재의 표면에 다량으로 송풍함으로써 효율적인 질화를 일으키게 하는 동시에, 열량을 노로부터 제거하는 제어가 바람직하다. 또한, 강재의 가열 방법으로서는, 레이저 조사나 적외선 조사 등도 생각할 수 있지만, 이들 고에너지선은 강재에 도달하기 전에 질화 분위기 속의 질화 가스 분자와 충돌하여 가스 분자를 분해시켜 버리는 경우도 있으므로, 이에 의한 질화 효율의 저하를 고려할 필요가 있다.

다양한 분야에 있어서, 재료 중, 특히 표층에 N을 고농도로 함유시켜 표면 경화 등에 의해 고기능화되는 기술이 적용되어 있다. 질화량이 매우 작은 경우는 발명의 효과도 작아지므로, 질화에 의한 N 함유량의 상승이 질량 ％로 0.0002 ％ 이상인 경우에 적용되는 것이 바람직하다. 특히, 표면만의 질화에 적용한 경우는, 질화 부위에서의 질소 함유량의 상승은 상당히 커져 있는 경우도 고려되어 있고, 상기 0.0002 ％는 질화된 재료의 평균 값이다.

본 발명은 특히 다량의 N 첨가가 필요한 경우에 유효하고, 질화에 의한 N 함유량의 상승량은, 바람직하게는 0.01 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.1 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.3 ％ 이상이다. 강재의 경우는 Cr, Ni 등을 다량으로 함유한 이른바 스테인레스강도 아닌 한, 통상의 제법인 용강에 의한 성분 조정으로 얻을 수 있는 N의 상한은 겨우 0.03 ％ 정도이다. 특히, 본 발명자가 출원한 일본 특허 공개 2002-020834호 공보, 일본 특허 공개 2002-012948호 공보에 개시된 기술에 적용하면 공업적인 효과는 절대적이다.

또한 질화에 있어서의 질화 분위기 속에서의 유지 시간은 목적으로 하는 특성, N량과의 균형으로 결정되어, 특별히 한정되는 것은 아니다. 약간 수초의 유지로 목적이 달성되는 경우도 있고, 판 두께가 두꺼운 강판이나 큰 강재의 중심부까지 고농도의 N을 함유시킬 필요가 있는 경우에는 장시간의 유지가 필요해진다. 연속 어닐링의 경우에는 겨우 30분이 한도이지만, 상자 어닐링 등을 이용함으로써 수시간 이상, 수일의 처리도 가능해진다. 조업성이나 생산성을 고려하면 2초 내지 20일이 실용적인 범위이다. 질화의 타이밍은 주편(鑄片) 내지 제품의 어느 때나 가능하지만, 질화에서는 표면으로부터 강재 내부로의 N의 확산을 이용하고 있으므로 재료의 두께, 크기는 얇고 작을수록 고농도의 질화가 용이해진다. 통상은, 최종 제품에 가까운 형상으로 가공된 후에 질화하는 것이 유리해진다.

일반적인 공정에서 제조되는 강판의 경우는 열간 마무리 압연 이후의 공정에서 행하는 것이 바람직하고, 통상의 냉연 강판의 제조에 있어서는 재결정 어닐링 후의 냉각 과정의 일부로서 본 발명에 따라서 질화를 행하는 것이 생산 면에서 상 태가 좋다.

본 발명은 강재의 제조 공정의 전반에 채용하여 강재에 고농도의 N을 함유시키고, 그 후의 고온 처리 또는 적당한 온도에서의 보정에 의해 재질 제어나 조직 제어를 행하는 공정을 부가하는 것이나, 또는 질화층의 확산에 상태가 좋은 열이력을 부여하는 공정을 부가하는 것도 가능하고, 어닐링 공정의 최고 온도에의 도달에 의해 재결정 및 적당한 특성을 부여한 후에 본 발명에 의한 질화 공정을 채용하는 것도 가능하다.

본 발명의 용도는 그 형상 등에 의해 조금도 한정되는 것은 아니고, 소재로서의 금속 재료, 강재에의 적용뿐만 아니라, 자동차, 용기, 건축물 등에 사용되고 있는 가공 후의 부재에도 적용 가능하다.

(실시예)

도1 내지 도5에 모식도를 도시하는 실험 설비를 이용하여 질화 효율의 평가를 행하였다. 이용한 소재는 시중에서 입수가 가능한 통상의 강판 및 레일강이다. 도1은 냉연 강판의 코일의 통판 속에 있어서 유도 가열로 강판을 가열한 후, 즉시 질화로 속에서 질화 가스를 포함하는 가스를 송풍하여 질화를 행하였다. 도2는 롤을 전극으로 하여 전극 롤 사이의 강판을 통전 가열하고, 동시에 통전롤 사이는 질화 분위기가 충만한 질화로 속을 통판하도록 하였다. 도3은 레일강을 배치식 질화로 속에 두고, 통전 가열로 레일을 가열하였다. 도4는 통상의 배치식 가열로이다. 도5는 통상의 강판의 연속 어닐링 라인에 있어서 노 내 분위기와 분위기 온도를 제어하였다. 또한, 도시하고 있지 않지만, 질화가 행해지지 않는 위치에서의 강판의 표면 산화 등을 방지하여 통상의 철강 제조에서 얻을 수 있는 재료와 동등한 표면성형으로 하므로, 통상의 제법과 마찬가지로 질화로 이외의 부분도 적당한 분위기로 제어된 것으로 하는 것은 매우 바람직하다.

표 1에 질화로의 조건 및 질화 효율의 평가 결과를 나타낸다. 질화 분위기는 암모니아 가스, 질소 가스, 수소 가스의 혼합 가스로 하고, 조성 체적 ％로 표 1에 나타낸다. 또한, 질화법 D에 있어서의 가열로의 분위기는 질소 80 ％, 수소 가스 20 ％의 혼합 가스이다.

질화 효율은 질화 전후의 강재의 화학 분석에 의한 N 함유량으로 평가하였다. 본 발명의 조건에 합치하는 발명예에서는 동일 질화 분위기 또한 동일 또는 단시간의 질화 시간이라도 강 속 N 증가량이 높은 값을 나타내 본 발명의 질화 효율이 높은 것을 나타내고 있고, 노재 질화는「없음」또는「미량」으로 비교재보다 작아져 있다.

한편, 본 발명의 조건을 만족하고 있지 않은 비교예에서는 동일한 질화 분위기 또한 동일 또는 단시간의 질화 시간이라도 강 속 N 증가량이 낮은 값을 나타내어 질화 효율이 낮은 것을 나타내고 있고, 또한 질화량을 증대시키기 위해서는 강재 온도를 분위기 온도보다 20 ℃ 이상 높게 하는 본 발명의 조건으로부터 벗어난 고온 질화 분위기를 적용할 필요가 있으므로 노재 질화가「많음」으로 되어 있다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 강판 혹은 강재를 포함하는 금속 재료의 제조 공정에 있어서 강도, 피로 특성, 내마모 특성, 인성 등에 관하여 바람직한 특성을 부여할 목적으로 금속 재료를 질화할 수 있고, 즉 금속 재료의 재질의 구분 제조에 있어서 생산성의 관점으로부터 유리한 질화법을 적용하여 높은 질화 효율로 질화를 행할 수 있고, 보다 생산성이 높은 재질의 구분 제조가 가능해져 산업상 유 용하고 현저한 효과를 발휘한다.

Claims (23)

1. 가스 분자의 구성 원소 중 하나가 N인 가스(N₂ 가스를 제외함)를 포함한 실온 이상 800 ℃ 이하의 질화 분위기 속에서 600 ℃ 이상이면서 질화 분위기의 온도보다도 20 ℃ 이상 높은 금속 재료를 질화하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 재료의 질화 방법.
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12. 가스 분자의 구성 원소 중 하나가 N인 가스(N₂ 가스를 제외함)를 포함한 실온 이상 800 ℃ 이하의 질화 분위기 속에서, 1초 이상, 600 ℃ 이상이면서 질화 분위기의 온도보다도 20 ℃ 이상 높은 금속 재료를 질화하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 재료의 질화 방법.
13. 가스 분자의 구성 원소 중 하나가 N인 가스(N₂ 가스를 제외함)를 포함한 실온 이상 800 ℃ 이하의 질화 분위기 속에서, 3초 이상, 600 ℃ 이상이면서 질화 분위기의 온도보다도 20 ℃ 이상 높은 금속 재료를 질화하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 재료의 질화 방법.
14. 제1항, 제12항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 분자의 구성 원소 중 하나가 N인 가스가 질화 분위기의 0.5 내지 100 ％(체적율)인 것을 특징으로 하는 금속 재료의 질화 방법.
15. 제1항, 제12항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 분자의 구성 원소 중 하나가 N인 가스 중 적어도 1종류가 암모니아 가스인 것을 특징으로 하는 금속 재료의 질화 방법.
16. 제15항에 있어서, 질화 분위기가 체적율 1.0 ％ 이상의 수소 가스를 함유하는 것을 특징으로 하는 금속 재료의 질화 방법.
17. 제16항에 있어서, 질화 분위기가 암모니아와 질소를 포함하는 혼합 가스이고, 질소 가스가 분위기의 10 ％ 이상(체적율)이고, 또한 질소 가스량/(질소 가스량 ＋ 수소 가스량)이 0.60 이상인 것을 특징으로 하는 금속 재료의 질화 방법.
18. 제1항, 제12항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 분위기 가스의 이슬점이 -10 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는 금속 재료의 질화 방법.
19. 제1항, 제12항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 재료를 질화 분위기로부터의 열전도 이외의 방법에 의해 가열하고, 계속해서 상기 금속 재료를 질화 분위기 속에 장입하여 금속 재료를 그 온도가 장입시의 온도보다 50 ℃ 이상 낮아질 때까지의 동안 질화 분위기 속에서 유지하는 것을 특징으로 하는 금속 재료의 질화 방법.
20. 제1항, 제12항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 질화 분위기 속에서 금속 재료를 질화 분위기로부터의 열전도와는 다른 수단으로 가열하는 것을 특징으로 하는 금속 재료의 질화 방법.
21. 제20항에 있어서, 금속 재료를 통전 가열 또는 유도 가열을 이용하여 가열하는 것을 특징으로 하는 금속 재료의 질화 방법.
22. 제19항에 있어서, 금속 재료를 질화하는 공정에 의해 N 함유량을 질량 ％로 0.0002 ％ 이상 증가시키는 것을 특징으로 하는 금속 재료의 질화 방법.
23. 제1항, 제12항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 재료가 강재인 것을 특징으로 하는 금속 재료의 질화 방법.

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