KR100922619B1 - 고강도 강재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인장강도를 향상시킬 수 있는 강재를 제공하기 위한 것으로, 극저탄소강으로 이루어진 제1층; 및 상기 제1층에 접하여 위치하고, 상기 제1층에 반대되는 측에 제1표면을 가지며, 상기 극저탄소강에 질소가 고용된 고용체로 이루어진 것으로, 상기 제1층의 조직과 실질적으로 동일한 조직을 갖는 제2층;을 포함하는 강재에 관한 것이다.

Description

고강도 강재 및 그 제조방법{Steel having high strength and methode for manufacturing the same}

본 발명은 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강도를 더욱 향상시킨 고강도 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차 분야, 공구 및 각종 구조물 등에 사용되는 강재는 다양한 합금 기술 및 열처리 기술을 통해 사용 분야에 맞게 처리되고 있다.

강재의 강도를 향상시키기 위한 대표적인 방법은 강재에 포함되는 탄소의 함량을 높인 고탄소강을 사용하는 것이다. 그리고, 이 외에도 인장강도 400MPa 이상의 고강도강으로는 DP(Dual Phase)강, CP(Complex Phase)강, TRIP(TRansformation Induced Plasticity)강, TWIP(TWinning Induced Plasticity)강 등이 있다.

그런데, 이러한 고탄소강 및 고강도강을 이용하여 원하는 부품의 형상으로 가공하기 위해서는 해당 강재의 강도에 맞는 특수 가공방법을 선택해야 한다. 뿐만 아니라, 강재의 강도에 맞도록 이를 가공하는 성형장치의 금형 등도 더 높은 강도로 이루어져 있어야 한다. 따라서, 이러한 고탄소강 및 고강도강은 이를 사용하는 부품이나 구조물의 생산성을 저하시키고 원가를 상승시키는 문제가 있다.

종래에 강재에 대하여 경도를 향상시키고, 내식성 및 내마모성을 향상시키기 위한 또 다른 방법으로서, 강재 내부로 질소를 확산시키고, 동시에 강재 표면에 철-질소 화합물을 형성하는 방법이 사용되어 왔다.

그런데, 이러한 방법은 질소가 강재의 표면에서 철과 화합물을 형성하기 위해 소모되어 강재의 내부로 확산되는 양이 적어지며, 이에 따라 표면의 경도, 강도 및 내식성 등은 향상되지만 강재의 전체적인 강도는 충분히 향상되지 못하는 한계가 있다. 그래서 이렇게 형성된 강재는 공구나 엔진 부품 등에 사용되며, 자동차의 외장 부품 등에 사용하기에는 한계가 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 강도를 향상시킬 수 있는 강재를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 극저탄소강으로 이루어진 제1층; 및 상기 제1층에 접하여 위치하고, 상기 제1층에 반대되는 측에 제1표면을 가지며, 상기 극저탄소강에 질소가 고용된 고용체로 이루어진 것으로, 상기 제1층의 조직과 실질적으로 동일한 조직을 갖는 제2층;을 포함하는 강재를 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 제2층의 적어도 상기 제1표면에 인접한 영역에는 철과 질소의 화합물을 포함하지 않는다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제2층 상에 형성되고 상기 제1표면 에 접하는 제2표면을 가지며 상기 제1표면의 부식을 방지하도록 구비된 제3층을 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제2층 상에 형성되고 상기 제1표면에 접하는 제3표면을 가지며 철과 질소의 화합물로 구비된 제4층을 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제2층의 적어도 상기 제1표면에 인접한 영역에는 철과 질소의 화합물이 포함된다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 극저탄소강은 탄소 함량이 0.01 중량% 이하(0중량%를 포함하지 않음)인 강이다.

본 발명은 또한 전술한 목적을 달성하기 위하여, 탄소 함량이 0.01 중량% 이하(0중량%를 포함하지 않음)인 강으로 구비되고 표면을 갖는 모재; 및 상기 표면으로부터 상기 모재의 내측에 구비된 것으로, 상기 모재의 침입형 자리에 질소가 고용되고, 상기 모재의 조직과 실질적으로 동일한 조직을 갖는 고용체층;을 포함하는 강재를 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 고용체층의 적어도 상기 표면에 인접한 영역에는 철과 질소의 화합물을 포함하지 않는다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 고용체층 상에 상기 표면과 접하여 형성되고 상기 고용체층의 부식을 방지하는 제1피막을 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 고용체층 상에 상기 표면에 접하여 형성되고 철과 질소의 화합물로 구비된 제2피막층을 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 고용체층의 적어도 상기 표면에 인 접한 영역에는 철과 질소의 화합물이 형성된다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 또한, 극저탄소강으로 구비되고 표면을 갖는 모재를 성형하는 단계; 상기 표면으로부터 상기 모재의 내측에, 상기 모재의 침입형 자리에 질소가 고용되고 상기 모재의 조직과 실질적으로 동일한 조직을 갖는 고용체층을 형성하는 단계; 상기 표면을 덮고, 철산화물로 구비된 산화피막을 형성하는 단계; 및 상기 산화피막을 제거하는 단계;를 포함하는 강재의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 고용체층과 산화피막의 형성은 동시에 진행된다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 고용체층 및 산화피막을 형성하는 단계는, KNO₃, KNO₂, Ca(NO₃)₂, NaNO₃ 및 NaNO₂ 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 염을 포함하는 용융염을 준비하는 단계; 상기 용융염을 가열하는 단계; 상기 용융염에 상기 모재를 침지하는 단계; 및 상기 모재를 상기 용융염으로부터 취출하여 급냉하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 산화피막을 제거한 후에, 상기 고용체층 상에 상기 표면과 접하여 형성되고 상기 고용체층의 부식을 방지하는 제1피막을 형성하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 산화피막을 제거한 후에, 상기 고용체층 상에 상기 표면에 접하여 형성되고 철과 질소의 화합물로 구비된 제2피막층을 형성하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 모재는 탄소 함량이 0.01 중량% 이하(0중량%를 포함하지 않음)인 강이다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 강재 내부로 충분한 깊이의 질소 고용층을 형성함으로써 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 이에 따라 경량 고강도 자동차 부품 및 각종 구조재 등 여러 분야에 적용 가능한 효과가 있다.

또, 질소가 확산된 제2층의 조직이 제1층의 조직과 동일하기 때문에 균일한 조직으로 인해 동일한 물리적 성질을 얻을 수 있고, 이에 따라 크랙이나 파단을 방지할 수 있다.

그리고 표면에 철-질소 화합물을 형성하지 않으므로 더욱 많은 양의 질소가 강 중으로 확산될 수 있고 이에 따라 강중에 질소가 고용된 층의 두께를 더욱 두껍게 형성할 수 있다.

표면에 제3층 또는 제4층을 형성함으로써 제2층의 표면이 부식되는 것을 방지할 수 있고, 제4층을 형성할 경우 내마모성을 증대시킬 수 있다.

비시안계 염을 이용해 질소를 강중에 고용시킴으로써 환경 오염문제를 해결하고 처리 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 극저탄소강을 이용하여 먼저 성형한 후에 강도를 높이기 때문에 부품의 성형성, 생산성 등을 향상시킬 수 있다.

탄소의 함량이 0.01중량% 이하로 포함되어 형성되는 제2층의 두께를 더욱 두 껍게 할 수 있다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 강재의 단면을 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 강재는 제1층(1), 상기 제1층(1)에 인접하여 위치하는 제2층(2)을 포함한다.

상기 제1층(1)은 강으로 이루어진 모재가 그대로 유지되어 있는 부분이다. 이 제1층(1)은 철-질소 화합물을 포함하지 않는 것이 바람직하다. 제1층(1)에는 특수 용도를 위해 합금원소로서 질소가 극미량 첨가된 것일 수 있다.

상기와 같은 제1층(1)은 탄소 함량이 0.01중량%이하(0을 포함하지 않음)로 이루어진 극저탄소강을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 제1층(1)이 후술하는 제2 층(2)의 형성을 위한 모재가 되는 것이기 때문에 후술하는 바와 같이 제2층(2)이 보다 용이하게 두껍게 형성되도록 하기 위한 것이다.

상기 제2층(2)은 모재인 강재의 주원소인 철의 침입형 자리(Interstitial site)에 질소가 고용된 고용체층(solid solution layer)으로 구비된 부분이다. 이러한 제2층(2)은 제1층(1)에 대해 반대측에 제1표면(21)을 구비하며, 제2층(2)의 내부 및 제1표면(21)에는 Fe₂N, Fe₃N, Fe₄N과 같은 철-질소 화합물이 존재하지 않는다.

이 제2층(2)이 철-질소 화합물을 포함하지 않으므로 질소는 제1표면(21)으로부터 충분한 깊이까지 확산될 수 있고, 이에 따라 제2층(2)의 두께(t1)가 충분히 두껍게 형성되어 인장강도가 크게 향상될 수 있다.

상기 제2층(2)의 두께(t1)는 원하는 인장강도에 따라 적정하게 조절될 수 있다. 즉, 비교적 높은 인장강도를 요하는 경우에는 제2층(2)의 두께(t1)가 두껍게 되도록 하고, 비교적 낮은 인장강도를 요하는 경우에는 제2층(2)의 두께(t1)를 얇게 형성하면 된다.

상기와 같은 제2층(2)은 상기 모재의 표면으로부터 질소가 확산되어 철의 침입형 자리에 고용되어 있는 고용체층이다.

상기 제2층(2)도 상기 제1층(1)과 마찬가지로 탄소의 함량이 0.01중량%이하(0을 포함하지 않음)로 이루어진 극저탄소강을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 전술한 바와 같이 상기 제2층(2)이 모재의 표면으로부터 질소가 확산되어 형성된 고용체층이기 때문으로, 탄소의 함량이 0.01중량%를 초과하게 되면 제2층(2)의 두께(t1)를 충분히 두껍게 얻을 수 없고, 이에 따라 강재의 인장강도도 향상시키기 어렵기 때문이다.

도 2는 모재의 탄소 함량에 따른 강재의 인장강도 증가율을 나타낸 것이다. 이 때, 인장강도 증가율이란 제2층(2)을 형성하기 전과 제2층(2)을 형성한 후의 인장강도의 증가율을 나타낸다. 도 2에서는 각각 탄소 함량이 0.002중량%, 0.008중량%, 0.01중량%, 0.015중량%, 0.05중량%, 0.1중량%인 강재들을 후술하는 바와 같이 650℃의 NaNO₃ 용융염에 12시간동안 침지시킨 후 냉각수로 급랭시킨 다음 표면의 산화피막을 제거한 후, 인장시험을 한 것이다.

도 2에서 볼 수 있듯이, 탄소의 함량이 0.01중량%이하에서는 강재의 인장강도 증가율이 100% 이상, 즉, 모재의 인장강도 대비 2배 이상의 인장강도를 나타내고 있으나, 탄소의 함량이 0.01중량%를 초과한 경우에는 인장강도 증가가 나타나긴 하나 100% 미만이어서 인장강도의 증가를 위해 제2층(2)을 형성할 실익이 떨어지게 된다.

이러한 현상이 나타나는 이유는 탄소가 철 내부에 고용되는 위치가 질소가 철 내부에 고용되는 위치와 비슷하고, 탄소와 질소의 원자크기도 비슷하기 때문에 철 내부에 탄소가 이미 어느 정도 고용되어 있는 경우에는 그 탄소의 양 만큼 질소가 고용되기 어려워지기 때문인 것으로 보여진다. 그러나, 반드시 이러한 이유에 기인하는 것으로 한정되지는 않으며, 그 외의 복합적인, 그리고 밝혀지지 않은 다 른 이유에 의해서도 위와 같은 제2층(2)의 두께(t1) 저하 및 강재의 인장강도 향상율의 저하가 나타날 수 있을 것이다.

이러한 본 발명에 있어, 상기 제1층(1)과 제2층(2)은 실질적으로 동일한 조직을 갖도록 구비되는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 제1층(1)과 제2층(2)의 조직이 실질적으로 동일하다는 것은 제1층(1)의 조직과 제2층(2)의 조직이 비연속성이 없이 동일한 모폴로지(morphology)를 갖는다는 것을 의미한다.

도 3a 및 도 3b는 제1층(1)과 제2층(2)의 광학 현미경 사진으로, 도 3a 및 도 3b에서 볼 수 있듯이, 서로 동일한 조직을 가짐을 알 수 있다. 이에 따라 강재는 제1층(1)과 제2층(2)에 걸쳐 균질한 조직을 갖게 되고, 이로 인해 동일한 물리적 성질을 가질 수 있고, 크랙이나 파단을 방지할 수 있다.

다음으로 상기 제2층(2)의 형성 방법의 일 예를 설명한다.

먼저, 용융염을 준비한다. 상기 용융염은 종래의 시아나이드(Cyanide,CN) 즉, 시안계가 함유된 KCN, NaCN 등의 용융염이 아닌, 비시안계 용융염, 더욱 상세하게는 NaNO₃, NaNO₂, KNO₃, KNO₂, 및 Ca(NO₃)₂ 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 염을 포함한다.

이러한 염욕을 400℃ 내지 800℃범위 내의 일정한 온도로 유지시킨다.

그러면 상기 염욕 내에서 상기 염들은 하기와 같은 질소생성반응을 하게 된다.

아래의 반응식1은 NaNO₃, NaNO₂의 용융 염욕의 질소 생성반응을 나타낸 것이 다.

NaNO₃ → NaNO₂ + 1/2O₂

2NaNO₂ → Na₂O + NO₂ + NO

2NaNO₂ + 2NO → 2NaNO₃ + N₂

아래의 반응식2는 KNO₃, KNO₂의 용융염욕의 질소 생성반응을 나타낸 것이다.

KNO₃ → KNO₂ + 1/2O₂

2KNO₂ → K₂O + NO₂ + NO

2KNO₂ + 2NO → 2KNO₃ + N₂

아래의 반응식3은 Ca(NO₃)₂의 용융염욕의 질소 생성반응을 나타낸 것이다.

Ca(NO₃)₂ → CaO + 2NO₂ + 1/2O₂

2NO₂ → 2O₂ + N₂

이처럼, 상기 용융염욕 내에서 NO와 NO₂가 발생하게 되며, 이 NO와 NO₂가 후술하는 바와 같이 철과의 반응에 따라 활성화 질소 N을 생성시켜 모재로 질소 확산을 일으키게 된다.

이후, 상기 염욕 내에 전술한 바와 같이 탄소 함량이 0.01중량% 이하인 강으로 이루어진 모재를 일정 시간 예를 들어, 1분 내지 24시간 동안 침지시킨다.

이 때, 상기 모재는 사용자가 원하는 형상으로 성형되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 상기 모재는 탄소 함량이 0.01중량% 이하인 극저탄소강이기 때문에 인장강도가 작고 연성이 높아 가공성이 매우 우수하다. 이러한 극저탄소강을 이용해 원하는 형상으로 성형하는 것은 매우 용이하게 된다. 또한, 성형장치의 금형의 수명도 길어질 수 있다.

이렇게 간단하게 성형된 모재를 염욕 내에 침지하면, 염욕 내에 발생된 NO와 NO₂가 모재의 표면에서 Fe와 아래 반응식 4 내지 9와 같이 반응하게 된다.

Fe + NO → FeO + N

3/4Fe + NO → 1/4Fe₃O₄ + N

2/3Fe + NO → 1/3Fe₂O₃ + N

2Fe + NO₂ → 2FeO + N

3/2Fe + NO₂ → 1/2Fe₃O₄ + N

4/3Fe + NO₂ → 2/3Fe₂O₃ + N

아래 수학식 1 내지 6은 각각 위 반응식 4 내지 9의 깁스 프리 에너지(Gibbs free energy)를 계산한 것이다. 하기 깁스 프리 에너지의 계산은 R.C. Weast (Ed.), Handbook Chemistry and Physics, 49th ed., The Chemical Rubber co., 1968, P.D-22에 따른 것이다.

위의 수학식 1 내지 6을 참조하면, 온도가 400℃ 내지 800℃범위 (절대온도 673.25K 내지 1073.25K) 내에서 모든 깁스 프리 에너지 값(ΔG°)이 음의 값을 갖는다. 따라서 각 수학식들에 대응되는 반응식 4 내지 9는 위 온도 범위 내에서 자발적인 반응이라는 것을 알 수 있다.

그러므로 결국, Fe와 반응한 NO, NO₂ 는 위 반응식 4 내지 9에 따라 모재 표면에서 Fe-O의 화합물, 즉, 철산화물을 형성하며 발생기 N을 생성하여 철 내부의 침입형 자리(Interstitial site)로 상기 N을 확산시켜 고용강화시키게 된다.

한편, 상기 용융 염욕 내에는 질소(N₂)와, 산소(O₂)가 더 존재하게 되어 이 질소 및 산소는 각각 철과 하기 반응식 10 내지 13과 같이 반응하게 된다.

4Fe + 1/2N₂ → Fe₄N

Fe + 1/2O₂ → FeO

2Fe + 3/2O₂ → Fe₂O₃

3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄

위 반응식 10 내지 13의 깁스 프리 에너지(ΔG°)는 ΔH˚-TΔS˚로 구해질 수 있는 데, 각각 하기 수학식 7 내지 10으로 구해질 수 있다. 하기 깁스 프리 에너지의 계산은 Thermodynamics of Materials(재료열역학), David V. Ragone에 따른 것이다.

위 수학식 7 내지 10은 본 발명의 온도 범위 내에서 ΔG₇°은 모두 20,000 이상의 양의 값을 가지나, ΔG₈°내지 ΔG₁₀°은 모두 -200,000 이하의 음의 값을 갖는다. 따라서, 위 반응식 10 내지 13 중 반응식 10은 비자발적 반응이 되고, 반응식 11 내지 13은 자발적 반응이 된다. 이에 따라 반응식 10에 따라 생성될 철-질소 화합물은 전술한 바와 같이 외부에서 특수한 처리를 해 주지 않는 한 본 발명에 따른 질소 고용체층인 제2층에는 발생되지 않게 된다.

상기와 같이 모재를 400℃ 내지 800℃범위의 염욕 내에서 처리한 후에는 물이나 오일 등으로 급속히 냉각시킨다.

이렇게 용융 염욕 내에서 처리되던 모재를 급냉시키게 되면 전술한 바와 같이 질소 고용체층인 제2층(2)의 조직을 도 3b와 같이 얻을 수 있어 모재의 조직(도 3a 참조)과 동일하게 되도록 할 수 있다. 도 3c는 용융 염욕 내에서 처리되던 모재를 상온 중에 방치시켜 서서히 냉각시킨 경우의 제2층(2)의 조직을 나타내는 광학 현미경 사진이다. 도 3c에서 볼 수 있듯이, 용융 염욕 내에서 처리되던 모재를 서서히 냉각시킬 경우 고용체층인 제2층의 조직은 제2층(1)과는 다르게 침상 조직이 나타난다. 따라서, 이 경우에는 전술한 바와 같은 균질한 조직으로 인한 크랙 및 파단 방지 효과를 얻기가 어렵다.

또한, 용융 염욕 내에서 처리된 모재의 냉각 조건에 따라 강재의 인장강도도 현저히 차이가 난다. 도 4는 탄소함량이 0.002 중량%인 IF강 2개를 650℃의 용융 NaNO₃에 5시간 동안 침지시킨 후 꺼내어 각각 급랭(I) 및 서냉(Ⅱ)시킨 후 스케일을 제거한 후 인장시험한 결과를 나타낸 것이다. 이 때, 급랭(I)의 조건은 일반적인 냉각수로 냉각시킨 것을 말하고, 서랭(Ⅱ)의 조건은 상온에서 방치시켜 둔 것을 말한다. 모재인 IF강이 300MPa급의 인장강도를 갖는 것인 데, 급랭시킨 경우(I)에는 750MPa까지 인장강도가 올라갔으나, 서랭시킨 경우(Ⅱ)에는 540MPa로 급랭시킨 경 우(I)에 비해 인장강도가 현격히 떨어짐을 알 수 있다.

이렇게 급랭된 강재는 도 5에서 볼 수 있듯이, 제1층(1)의 상부에 질소가 고용된 층인 제2층(2)이 형성되고, 제2층(2)의 제1표면(21) 상부로 철산화물로 구비된 산화피막(22)이 형성된 구조가 된다. 이러한 산화피막(22)의 형성은 전술한 바와 같이 자발적 반응이고, 철-질소 화합물의 형성은 비자발적 반응이 되므로, 모재에는 철-질소 화합물에 우선하여 질소가 고용된 질소 고용체층, 즉, 제2층(2)이 형성되고, 표면에 산화피막(22)이 형성되는 것이다.

한편, 모재의 표면에서 형성된 Fe-O 화합물인 산화피막(22)은 마찬가지로 분해될 수 있으며, 혹여 Fe-N 화합물이 형성될 경우에도 분해될 여지가 있다. 이 때, 분해는 하기 반응식 14 및 15와 같이 일어난다.

Fe₄N → 4Fe + 1/2N₂

FeO → Fe + 1/2O₂

그리고, 이 때의 분해에너지는 각각 하기 수학식 11 및 12로 구해질 수 있다. 하기 분해 시의 깁스 프리 에너지의 계산은 Metallurgical Thermo-chemistry 5th ed. -O. Kubaschewski and C.B.Alcock에 따른 것이다.

위 수학식 11 및 12는 본 발명의 온도 범위 내에서 ΔG₁₁°은 음의 값을 가지고, ΔG₁₂°는 양의 값을 갖는다. 따라서 위 반응식 14는 자발적 반응이 되고, 반응식 15는 비자발적 반응이 된다. 반응식 15에 따라 Fe-O 화합물은 자발적으로 분해가 되지 않고 Fe-O 화합물, 즉, 산화피막(22)을 형성하고 있으며, 반응식 14에 따라 Fe-N 화합물은 자발적으로 분해가 되므로, 모재에 미량의 Fe-N 화합물이 형성되더라도 자발적으로 분해가 된다.

이처럼 상기 제2층(2)의 적어도 표면 부근 및 산화피막(22)에는 철-질소 화합물은 존재하지 않게 되고, 설혹 존재한다 하더라도 그 양은 극히 미미하게 된다. 상기와 같은 제2층(2)과 산화피막(22)의 형성은 동시에 일어나게 된다.

이처럼 전술한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 제2층(2) 형성 공정에 있어 산화피막(22)의 형성은 필수적으로 수반하게 되며, 산화피막(22)의 형성으로 제2층(2)의 형성 정도를 가늠할 수도 있다.

다음으로, 표면 스케일 제거 작업을 통해 상기 산화피막(22)을 제거해 도 1과 같은 강재를 완성한다.

이처럼 상기와 같은 방법에 따르면, 강의 표면에서 질소가 철과 반응하여 화합물을 형성하지 않게 되므로, 더욱 많은 양의 질소가 철의 침입형 자리로 확산될 수 있게 되고, 이에 따라 질소의 확산 깊이도 깊게 할 수 있어 제2층(2)의 두 께(t1)를 표면에 철-질소화합물층을 형성시키는 종래의 방법에 비해 더욱 두껍게 형성할 수 있게 된다. 상기 제2층(2)의 두께(t1)는 용융 염욕의 온도 및 처리 시간과 어느 정도 비례 관계에 있으므로, 제2층(2)을 두껍게 형성하고자 할 경우에는 용융염욕의 온도를 위 허용 온도 범위에서 최대로 높이고, 처리 시간도 길게 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 모재 표면으로 확산되는 질소는 상기 반응식 4 내지 9에 따라 생성된 발생기 N이며, 이 N이 더욱 많아져야 강 중으로 확산되는 질소의 양도 많아지게 된다. 그런데, 결국 위 반응식 4 내지 9에서 N의 양은 Fe와 반응하는 NO 및 NO₂의 양과 관련이 있다.

따라서, 위와 같은 처리 동안에 고온의 에어를 상기 용융염욕에 취입하여 공기 중의 질소와 산소가 NO 및 NO₂를 형성해 위 반응식 4 내지 9와 같이 반응에 참여하도록 할 수 있다. 이 외에도 NO 및 NO₂를 포함하는 별도의 가스를 용융염욕에 취입할 수도 있다.

이상 제2층(2)의 형성 방법의 일 예를 설명하였으나, 전술한 제2층은 위 방법 외에도 다른 방법에 의해서도 형성될 수 있을 것이다.

상기와 같은 제2층(2)의 경우 제1표면(21)이 외부로 노출되기 때문에 강재가 부식에 취약할 수 있다.

따라서, 도 6에서 볼 수 있듯이, 상기 제2층(2) 상에 상기 제1표면(21)에 접하는 제2표면(31)을 가지며 상기 제1표면(21)의 부식을 방지하도록 구비된 제3 층(3)을 더 형성할 수 있다.

상기 제3층(3)은 제2층(2)의 부식을 방지하는 것으로, 인산염 피막이 사용될 수 있는 데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제2층(2)의 제1표면(21)에 대한 접착력이 우수하면서 제2층(2)이 부식되는 것을 방지할 수 있는 어떠한 물질, 예컨대 도금 및 도장 등도 적용 가능하다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것이다.

전술한 바와 같이 제2층(2)의 제1표면(21)이 외부로 노출될 경우 부식에 취약하다. 이를 방지하고, 표면의 내마모성을 더욱 높여주기 위해 상기 제2층(2)을 형성한 후 제2층(2)의 제1표면(21)을 덮도록 철-질소 화합물로 이루어진 제4층(4)을 더 형성할 수 있다. 따라서, 상기 제4층(4)은 제2층(2) 상에 제1표면(21)에 접하는 제3표면(41)을 가지며 제1표면(21)의 부식을 방지하도록 구비된 것이다.

이러한 제4층(4)은 제2층(2)의 제1표면(21)에 가스질화의 방법으로 형성할 수 있다. 상기 제4층(4)은 ε상의 Fe₂N, Fe₃N이나, γ상의 Fe₄N이 적어도 하나 이상의 층으로 존재하는 것일 수 있다.

그리고, 상기 제4층(4)에 인접한 제2층(2)의 제1표면(21) 부근에는 철-질소 화합물이 형성될 수 있다.

이렇게 질화층인 제4층(4)을 제2층(2)의 제1표면(21) 상에 형성할 경우에는 강재의 표면 경도가 더욱 높아질 수 있고, 내마모성 및 내부식성이 증대될 수 있다.

이처럼 본 발명은 극저탄소강을 이용해 손쉽게 원하는 형상으로 형성한 후, 전술한 바와 같은 처리에 의해 인장강도를 증대시킴으로써, 강재 부품의 양산성을 더욱 극대화할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 강재의 단면도,

도 2는 모재의 탄소 함량에 따른 강재의 인장강도 증가율을 나타낸 그래프,

도 3a는 도 1의 제1층의 단면 사진,

도 3b는 도 1의 제2층의 단면 사진,

도 3c는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 용융염에 침지된 모재를 서랭시켰을 때의 제2층의 단면을 나타내는 사진,

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 용융염에 침지된 모재를 급랭한 경우와 서랭한 경우의 인장강도 차이를 나타내는 그래프,

도 5는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 강재의 단면도,

도 6은 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 강재의 단면도,

도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따른 강재의 단면도.

*도면부호의 간단한 설명*

1: 제1층 2: 제2층

21: 제1표면 22: 산화피막

3: 제3층 31: 제2표면

4: 제4층 41: 제3표면

Claims (17)

1. 극저탄소강으로 이루어진 제1층; 및

   상기 제1층에 접하여 위치하고, 상기 제1층에 반대되는 측에 제1표면을 가지며, 상기 극저탄소강에 질소가 고용된 고용체로 이루어진 것으로, 상기 제1층의 조직과 동일한 조직을 갖는 제2층;을 포함하는 강재.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2층의 적어도 상기 제1표면에 접한 영역에는 철과 질소의 화합물을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 강재.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제2층 상에 형성되고 상기 제1표면에 접하는 제2표면을 가지며 상기 제1표면의 부식을 방지하도록 구비된 제3층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강재.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2층 상에 형성되고 상기 제1표면에 접하는 제3표면을 가지며 철과 질소의 화합물로 구비된 제4층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강재.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제2층의 적어도 상기 제1표면에 접한 영역에는 철과 질소의 화합물이 포함된 것을 특징으로 하는 강재.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 극저탄소강은 탄소 함량이 0.01 중량% 이하(0중량%를 포함하지 않음)인 강인 것을 특징으로 하는 강재.
7. 탄소 함량이 0.01 중량% 이하(0중량%를 포함하지 않음)인 강으로 구비되고 표면을 갖는 모재; 및

   상기 표면으로부터 상기 모재의 내측에 구비된 것으로, 상기 모재의 침입형 자리에 질소가 고용되고, 상기 모재의 조직과 동일한 조직을 갖는 고용체층;을 포함하는 강재.
8. 제7항에 있어서,

   상기 고용체층의 적어도 상기 표면에 접한 영역에는 철과 질소의 화합물을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 강재.
9. 제8항에 있어서,

   상기 고용체층 상에 상기 표면과 접하여 형성되고 상기 고용체층의 부식을 방지하는 제1피막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강재.
10. 제7항에 있어서,

    상기 고용체층 상에 상기 표면에 접하여 형성되고 철과 질소의 화합물로 구비된 제2피막층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강재.
11. 제10항에 있어서,

    상기 고용체층의 적어도 상기 표면에 접한 영역에는 철과 질소의 화합물이 형성된 것을 특징으로 하는 강재.
12. 극저탄소강으로 구비되고 표면을 갖는 모재를 성형하는 단계;

    상기 표면으로부터 상기 모재의 내측에, 상기 모재의 침입형 자리에 질소가 고용되고 상기 모재의 조직과 동일한 조직을 갖는 고용체층을 형성하는 단계;

    상기 표면을 덮고, 철산화물로 구비된 산화피막을 형성하는 단계; 및

    상기 산화피막을 제거하는 단계;를 포함하는 강재의 제조방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 고용체층과 산화피막의 형성은 동시에 진행되는 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 고용체층 및 산화피막을 형성하는 단계는,

    KNO₃, KNO₂, Ca(NO₃)₂, NaNO₃ 및 NaNO₂ 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 염을 포함하는 용융염을 준비하는 단계;

    상기 용융염을 가열하는 단계;

    상기 용융염에 상기 모재를 침지하는 단계; 및

    상기 모재를 상기 용융염으로부터 취출하여 급냉하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 산화피막을 제거한 후에, 상기 고용체층 상에 상기 표면과 접하여 형성되고 상기 고용체층의 부식을 방지하는 제1피막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
16. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 산화피막을 제거한 후에, 상기 고용체층 상에 상기 표면에 접하여 형성되고 철과 질소의 화합물로 구비된 제2피막층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
17. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 모재는 탄소 함량이 0.01 중량% 이하(0중량%를 포함하지 않음)인 강인 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.

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