KR101204509B1 - Titanium or zirconium displacement Nitriding Heat Treatment - Google Patents

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KR101204509B1
KR101204509B1 KR1020110124943A KR20110124943A KR101204509B1 KR 101204509 B1 KR101204509 B1 KR 101204509B1 KR 1020110124943 A KR1020110124943 A KR 1020110124943A KR 20110124943 A KR20110124943 A KR 20110124943A KR 101204509 B1 KR101204509 B1 KR 101204509B1
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zirconium
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윤종오
이승주
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윤종오
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    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34Methods of heating
    • C21D1/44Methods of heating in heat-treatment baths
    • C21D1/46Salt baths

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Abstract

PURPOSE: A titanium or zirconium displacement nitriding heat-treatment method is provided to manufacture a nitride product at low costs by using anatase-based titanium dioxide and zirconium dioxide finally plasticized at low temperatures. CONSTITUTION: A titanium or zirconium displacement nitriding heat-treatment method comprises the steps of: selecting a metal base material from a group comprising iron and alloys including iron, preparing a salt bath including one or more salts selected from a group comprising sodium cyanide and potassium cyanide, dispersing either titanium dioxide or zirconia in the salt bath, heating the salt bath to a temperature of 563.7-851°C, and dipping the metal base material in the salt bath for 10 minutes to 10 hours.

Description

티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법{ Titanium or zirconium displacement Nitriding Heat Treatment}Titanium or zirconium displacement Nitriding Heat Treatment}

본 기술은 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법에 관한 것이다.
This technology relates to a titanium or zirconium substituted salt bath thermal treatment method.

질화 열처리, 특히 염욕에서의 열처리에 있어서 티타늄을 이용하려 한 시도는 오래 전부터 시작되었다.Attempts to use titanium in nitriding heat treatment, particularly in salt baths, have been a long time in the making.

대한민국 특허 출원번호 10-1984-0004403호에는 전기 정련된 금속티탄분말 0.005-0.01중량%를 첨가한 500 ~ 580℃의 염욕에 3 ~ 6시간 침지하여 질화처리하는 것을 특징으로 하는 고경도 줄의 제조방법을 제시하고 있다. Korean Patent Application No. 10-1984-0004403 discloses the production of a hardened string characterized in that nitriding treatment is carried out for 3 to 6 hours in a salt bath at 500 to 580 ° C. to which 0.005-0.01% by weight of an electrically refined metal titanium powder is added. Here's how.

이 특허의 내용에 의하면, 이 기술은 도금 처리된 소재는 촉매로서 전기 재련된 Ti분말을 첨가한 청화 화합염과 제 3차적인 탄산 혼합염 속에서 단시간 내에 100미크론 이상의 두꺼운 질화층을 형성하여 소망의 고경도 스테인레스 조줄을 얻는 것을 예시하고 있다.According to the contents of this patent, this technique is desirable to form a thick nitride layer of 100 microns or more in a short time in a sintered compound salt and a third carbonic acid mixed salt in which the plated material is added with re-sintered Ti powder as a catalyst. It illustrates the obtaining of a high hardness stainless steel file.

상기 특허는, 시안화합물과 기타 염을 가열하여 용탕을 만들고 그 용탕에, 열처리를 필요로 하는 철 합금 등을 침적하여 열처리를 하는 과정에서 좀 더 높은 강도와 내구성 및 내식성을 확보하기 위해 티타늄이 촉매로써 사용되어진 기술이라 할 수 있었다.The patent claims that titanium is catalyzed to ensure higher strength, durability, and corrosion resistance in the process of heating cyanide compounds and other salts to form molten metal and depositing ferrous alloys that require heat treatment on the molten metal. It was a technology used as.

이 기술은 다시 대한민국 특허 출원번호 10-2003-0026285호 티탄 존재 하에서의 금속 모재의 질화 열처리방법이라는 특허로 발전하였다고 보인다. 이 특허에서도 발명자는 전해된 금속티탄을 촉매로 사용한다 하였으나, 전해된 금속티탄 이라는 물질에 대한 명확한 설명을 하고 있지 않다.This technology is further developed into a patent called a method for nitriding heat treatment of a metal base material in the presence of titanium patent No. 10-2003-0026285 in Korea. In this patent, the inventor uses electrolytic metal titanium as a catalyst, but does not give a clear description of the material of electrolytic metal titanium.

다만, 특허 내에서 미국특허 제 4,332,653호에 개시된 내용에 티탄 촉매의 존재 하에 고온 전해를 요구하는 특허가 티탄 촉매를 사용한 특허임을 명시하고, 발명자의 특허는 이러한 촉매를 사용함에 있어서 염욕 열처리시 전해를 하지 않는 차이점과 금속 모재의 차이점이 있음을 주장하면서 전해된 금속티탄을 인용하고 있다. However, the contents disclosed in US Pat. No. 4,332,653 in the patent states that the patent requiring high temperature electrolysis in the presence of a titanium catalyst is a patent using a titanium catalyst, and the inventor's patent does not provide electrolysis during salt bath heat treatment in using such a catalyst. It quotes electrolytic metal titanium, claiming that there is a difference between the metal base and the non-existing difference.

즉, 미국특허 제 4,332,653호는 티탄 촉매의 존재하에서 10-100 A/dm2의 전기를 인가하는 반면 발명자의 특허는 그러한 전기를 인가하지 않고, 상대적으로 저온에서 염욕 질화 열처리를 행한다는 이점이 있다는 것이다.That is, while US Patent No. 4,332,653 applies electricity of 10-100 A / dm 2 in the presence of a titanium catalyst, the inventor's patent does not apply such electricity and has the advantage of performing salt bath nitriding heat treatment at a relatively low temperature. will be.

이 특허는 미국특허 6,645,660호에 근거를 두고 있는 것으로 보이며, 이 특허를 통해 사용하는 티타늄이 티타늄 화합물의 전기분해에 의해 형성된 금속성 티타늄이며 분산시킨다는 단어로 보아 분말임을 알 수 있으며, 이 특허는 이러한 전기분해된 금속 티타늄을 얻는 방법을 제시하지 않고, 미국특허 제 4,332,653호를 인용하여 설명하고 있다. This patent appears to be based on US Pat. No. 6,645,660, which shows that the titanium used is metallic titanium formed by the electrolysis of titanium compounds and is powder in terms of dispersing. Rather than presenting a method for obtaining decomposed metal titanium, it is described by citing US Patent No. 4,332,653.

또한 같은 발명자가 발명한 미국 특허번호 제 7,438,769호에서도 티타늄 화합물의 전기 분해에 의해 형성된 금속성 티타늄을 분산시켜 열처리를 행하지만, 정작 어떻게 티타늄 화합물의 전기 분해에 의해 형성된 금속성 티타늄을 얻는지에 대하여는 설명되어 있지 않다. In addition, U.S. Patent No. 7,438,769, which was invented by the same inventor, also disperses metallic titanium formed by electrolysis of titanium compound, but does not explain how to obtain metallic titanium formed by electrolysis of titanium compound. not.

또한 같은 발명자가 발명한 미국 특허번호 제 7,732,014호는 상기의 발명이 조금 더 구체화되고, 모재 또한 더 다양화된 측면이 있으며, 나노코팅, 세라믹 코팅, 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD) 그리고 이온 Assisted 코팅(IAC)등의 방법으로 표면이 형성된 제품에 대한 열처리를 설명하고 있으나, 이 특허 또한 티타늄 화합물의 전기 분해에 의해 형성된 금속성 티타늄이 어떻게 얻어지는지에 대하여는 설명되어 있지 아니하다.In addition, US Patent No. 7,732,014, which was invented by the same inventor, has a more specific aspect of the above invention, and also has a more diversified base material, nano coating, ceramic coating, physical vapor deposition (PVD), and chemical vapor deposition (CVD). And heat treatment of the surface-formed product by ion assisted coating (IAC), etc., but this patent also does not describe how metallic titanium formed by electrolysis of titanium compounds is obtained.

뿐만 아니라. 미국특허 7,438,769호 및 7,732,014호는 티타늄의 확산에 대한 주장도 하고 있다. As well as. U.S. Patents 7,438,769 and 7,732,014 also claim the diffusion of titanium.

이러한 티타늄을 열처리에 이용한 특허에서 최초로 인용되어진 미국특허 제 4,332,653 호는 낮은 그레이드의 지르코늄 또는 티타늄 옥사이드를 수용한 용융된 시안화물 용탕 안에서, 전기를 인가하여 고온 전기분해 질화열처리를 주장하는 특허였다.U.S. Patent No. 4,332,653, first cited in a patent using titanium for heat treatment, claims a high temperature electrolytic nitriding heat treatment by applying electricity in molten cyanide molten metal containing low grade zirconium or titanium oxide.

즉 전기 정련된 티타늄 금속분말이나 지르코늄 금속 분말을 용융된 시안화물 용탕에 넣으면 용탕안에서 낮은 그레이드의 티타늄 또는 지르코늄 옥사이드로 변화된다고 발명자는 주장했다.In other words, the inventors claim that the addition of electrorefined titanium metal powder or zirconium metal powder into molten cyanide molten metal turns into low grade titanium or zirconium oxide in the molten metal.

상기 특허는 신조 사토 ( Shinzoh Satoh )에 의하여 발명된 기술로써 760 내지 850℃의 온도에서 1dm2 당 10 내지 100 A의 전류를 인가하는 전해식 염욕 열처리 특허였다.The patent is a technique invented by Shinzoh Satoh, which is 1dm 2 at a temperature of 760-850 ° C. It is an electrolytic salt bath heat treatment patent applying a current of 10 to 100 A per sugar.

이 과정에서, 발명자인 신조 사토는 티타늄 또는 지르코늄의 낮은 그레이드 옥사이드의 형성을 위해 사용하는 전기 정련시의 소재인 티타늄 화합물에 대하여 기술하고 있다. 그것은 다름 아닌 미국특허 번호 제 3,074,860호의 실시예에 기술된 것처럼 티타늄 2염화물(Titanium dichloride) 또는 지르코늄 2염화물(Zirconium dichloride)의 수용액의 전기분해에서 얻을 수 있음을 명기하고 있다.In this process, inventor Shinzo Sato describes a titanium compound which is a material for electrorefining used for the formation of low grade oxides of titanium or zirconium. It specifies that it can be obtained from the electrolysis of aqueous solutions of titanium dichloride or zirconium dichloride as described in the examples of US Pat. No. 3,074,860.

이와 함께 낮은 그레이드의 옥사이드란, 상기 티타늄2염화물 또는 지르코늄2염화물에서 얻은 금속성 티타늄 또는 지르코늄을 용융된 시안화물 용탕 속에 넣으면, TiO2가 아닌 TiO의 형태의 산화물이 되는 것을 주장하고 있는 것이다.In addition, a low grade oxide is claimed to be an oxide in the form of TiO rather than TiO 2 when metal titanium or zirconium obtained from the titanium dichloride or zirconium dichloride is put into molten cyanide molten metal.

이와 관련하여 발명자들은 다음과 같은 화학식으로 이것을 설명하고자 하고 있다.In this regard, the inventors intend to explain this by the following formula.

Ti + 1/2O2 = TiOTi + 1 / 2O 2 = TiO

즉 이염화티타늄 또는 이염화지르코늄을 일정한 수용액 상태에서 전기 분해를 이용하여 금속 티타늄 또는 금속지르코늄을 제조하고 이 금속 티타늄과 금속 지르코늄을 용융된 시안화물 용탕 속에 넣으면 TiO 또는 ZrO가 된다고 발명자들은 당시에 생각했던 것으로 판단되고, 이것을 낮은 그레이드의 옥사이드라 주장했다.That is, the inventors thought that when titanium titanium or zirconium dichloride is produced in a constant aqueous solution using electrolysis to produce metal titanium or metal zirconium, and the metal titanium and metal zirconium are put into molten cyanide molten metal, it becomes TiO or ZrO. It is believed that this is a low grade oxide.

이러한 주장은 대한민국 특허 출원번호 10-1984-0004403호에도 똑같이 주장하고 있으며, 염욕 중에 첨가한 Ti 분말은 전기 정련된 금속 분말로써 염욕의 표면에서 공기와 접촉하여 TiO(일산화티탄)으로 욕중에 존재하면서 질화 처리에 고도의 촉매 작용을 하여 질화처리를 촉진시킨다고 주장하고 있다.This claim is similarly claimed in Korean Patent Application No. 10-1984-0004403, wherein the Ti powder added in the salt bath is an electrorefined metal powder that is present in the bath as TiO (titanium monoxide) in contact with air at the surface of the salt bath. It is claimed to promote nitriding by highly catalyzing the nitriding process.

즉, 질화 염욕 열처리 관련 티타늄의 사용은 일관되게 전기 정련된 티타늄 금속 분말을 사용함을 주장하고 있으며, 이 전기 정련된 티타늄 금속분말과 관련된 종래기술의 출처는 일관되게 미국 특허 제 4,332,653호이고, 이 미국 특허에서 전기 정련된 티타늄 금속 분말을 사용하게 된 것은 다시 미국 특허 제 3,074,860호에 기인한 것임을 가리키고 있다.That is, the use of titanium nitride salt heat treatment-related titanium claims to use a consistently refined titanium metal powder, the source of the prior art associated with this electro-refined titanium metal powder is consistently US Patent No. 4,332,653, The use of the electrorefined titanium metal powder in the patent indicates that it is again due to US Pat. No. 3,074,860.

그러나 염욕 속에서 전기 정련된 티타늄 금속분말이 낮은 그레이드의 티타늄 산화물이라 불리우는 TiO로 변화하여 존재할 가능성은 없다. However, there is no possibility that the titanium metal powder electrorefined in the salt bath will change into TiO, which is called a low grade titanium oxide.

화학식 TiO. 화학식량 63.9g인 일산화티탄은 녹는점 1,750℃, 끓는점 3,000℃ 이상이며 비중 4.93인 황흑색의 등축결정계이다. Formula TiO. Titanium monoxide having a formula weight of 63.9 g is a yellowish black equiaxed crystal system with a melting point of 1,750 ° C and a boiling point of 3,000 ° C or higher and a specific gravity of 4.93.

산화티탄(Ⅳ) 즉, TiO2와 금속티타늄을 진공 중에서 1,550 ~ 1,750℃로 가열할 때 생기는 검은색 결정인데, 정확하게 TiO의 조성을 얻기는 곤란하다. Titanium (Ⅳ) oxide that is, inde black crystals generated upon heating the titanium metal to TiO 2 and 1,550 ~ 1,750 ℃ in vacuo to obtain a composition of TiO precisely is difficult.

정확하게 TiO 조성을 얻기 곤란한 이유는 티타늄은 공기와 접촉하거나 수분과 접촉하면 표면에 가장 안정한 피막인 O2 피막을 형성하게 되는데. 진공중에 TiO2와 금속 Ti를 아주 정확하게 계량하여 넣기도 쉽지 않고, 금속 Ti의 표면에 일부 O2 피막이 형성되는 것을 막기도 어렵기 때문이다. 티타늄은 별도의 어떠한 조치를 취하지 않아도 표면에 대기중에서 O2 피막이 형성된다.The reason why it is difficult to obtain TiO composition accurately is that titanium forms O 2 film, which is the most stable film on the surface when it comes into contact with air or moisture. This is because it is difficult to accurately measure TiO 2 and metal Ti in a vacuum and prevent the formation of some O 2 film on the surface of the metal Ti. Titanium forms an O 2 film on the surface in the air without any action.

이렇게 만들어지기 어려운 것이 일산화티탄(TiO)이며, 따라서, 염욕의 열처리 온도가 일산화 티탄을 형성시키기 위한 온도에 도달하지 못하는 상황이고, 그것도 표면의 공기와 접촉하는 상태에서 TiO의 생성을 기대하는 것은 무리가 있다.Titanium monoxide (TiO) is difficult to make in this way, therefore, the heat treatment temperature of the salt bath does not reach the temperature for forming titanium monoxide, and it is unreasonable to expect the formation of TiO in contact with the surface air. There is.

즉, 티타늄이나 지르코늄 금속 분말을 염욕에 넣었을 때, 낮은 그레이드의 티타늄 지르코늄 산화물이라 특허에서 주장하는 TiO 또는 ZrO는 염욕 내에서 생성되기는 물리적으로 불가능하다.That is, when titanium or zirconium metal powder is added to the salt bath, TiO or ZrO claimed in the patent as a low grade titanium zirconium oxide is physically impossible to be produced in the salt bath.

또한 특허는 전기 정련된 티타늄 금속 분말을 설명하기 위하여 미국특허 제3,074,860호를 인용하고 있다. 이 특허는 1960년 Shinzoh Satoh가 출원한 특허로서 티타늄 화합물의 수용액으로부터 금속 티타늄의 생산을 위한 전해 과정 {ELECTROLYTIC PROCESS FOR THE PRODUCTION OF METALLIC TITANIUM FROM AQUEOUS SOLUTION OF TITANIUM COMPOUNDS}에 관한 특허이며, 지르코늄에 대하여는 어떠한 설명도 하고 있지 않다. The patent also cites US Pat. No. 3,074,860 to describe the electrorefined titanium metal powder. This patent was filed by Shinzoh Satoh in 1960 and is a patent for the electrolytic process for the production of metallic titanium from aqueous solutions of titanium compounds. There is no explanation.

이 발명자는 미국 특허 제 4,332,653호의 발명자와 동일인으로 보여지며, 이 특허에 의하면, 티타늄이 단일 금속으로 수용액 속에서 도금(Plating)이 가능하다고 주장하며, 수용액으로 상업상 구매 가능한 포름알데히드 용액이나 히드라진 용액과, Pyrogallic acid의 조합을 사용한다고 주장하고 있다.This inventor appears to be the same as the inventor of U.S. Patent No. 4,332,653, which claims that titanium can be plated in aqueous solution with a single metal, and commercially available formaldehyde or hydrazine solutions in aqueous solution. It is claimed to use a combination of and Pyrogallic acid.

이 특허의 주장대로 실시된다는 것은 티타늄이 수용액 속에서 단일금속으로 전기도금이 가능하다는 것을 의미하는 것이지만, 수용액 속에서 티타늄이 단일금속으로 전기도금이 되는 것을 구현하지는 못했다.Implementing as claimed in this patent means that titanium can be electroplated into a single metal in an aqueous solution, but it has not been realized that titanium is electroplated into a single metal in an aqueous solution.

이 특허의 대표적인 실시예인 실시예 1의 조성대로 수성 포름알데히드 용액(37%)원액에 Titanium dichloride 35g을 용해하거나, 또는 TiCl4로부터 얻은 Ti 이온을 첨가하고, pyrogallic acid (CAS No. 87-66-1) 10g을 추가하자 액상은 짙은 밤색이 되면서, pyrogallic acid가 분해되는 현상이 발생하며, 이 용액에 알칼리성의 변화를 위해 암모니아를 추가하자 유기산이 대부분 분해되어 용액 표면에 응집되어 나타나는 현상을 보였다. 그럼에도 불구하고 여기에 7A/dm2의 전기를 인가하여 결과를 확인하였지만, 특허권자가 주장하는 순수 티타늄 도금은 일어나지 아니하였다.Dissolve 35 g of Titanium dichloride in an aqueous formaldehyde solution (37%) stock solution according to the composition of Example 1, a representative example of this patent, or add Ti ions obtained from TiCl 4 and add pyrogallic acid (CAS No. 87-66- 1) When 10g was added, the liquid became dark brown, and pyrogallic acid was decomposed. When ammonia was added to the alkaline solution, most of the organic acid was decomposed and aggregated on the surface of the solution. Nevertheless, 7A / dm 2 of electricity was applied to confirm the result, but the pure titanium plating claimed by the patent holder did not occur.

즉, 미국특허 제 3,074,860호의 수용액 속에서의 티타늄 도금은 실현되지 않는 특허로 보이며, 이 방법으로 티타늄을 전기재련을 시도하여 보았지만 재현할 수는 없었다. In other words, titanium plating in the aqueous solution of U.S. Patent No. 3,074,860 appears to be a non-realized patent, and attempted to re-titanium by this method, but could not be reproduced.

따라서, 이 특허를 인용한 미국 특허 제 4,332,653호의 수용액 속에서의 전기정련에 의한 티타늄 금속 분말은 존재할 수 없다. 만일 티타늄 도금이 되었다 하더라도 금속 덩어리로 나오게 되지 분말로 나올 수는 없다.Therefore, titanium metal powder by electrorefining in the aqueous solution of US Pat. No. 4,332,653 citing this patent cannot be present. Even if titanium is plated, it will come out as a metal mass and not as a powder.

또한 티타늄이 석출되었다 하더라도 알칼리 용액속에서 TiO(OH)2 형태로 침전될 수 밖에 없으며, 이것이 음극 표면에 발명자의 주장처럼 도금(Plating)될 가능성은 희박하다.In addition, even if titanium is precipitated, it is inevitably precipitated in the form of TiO (OH) 2 in an alkaline solution, which is unlikely to be plated on the surface of the cathode as the inventors claim.

그러나, 티타늄 금속 분말의 전해 환원 기술이 아주 없는 것은 아니다. However, the electrolytic reduction technique of titanium metal powder is not without much.

2007년 2월 대한민국 원자력 연구소의 연구 보고서 전해환원 기술을 이용한 탄탈륨 금속분말 제조기술 개발 {Preparation of Tantalum Metal Powder by Electrolytic Reduction Technology in High Temperature Molten Salt}의 50page 이후에서 탄탈륨 분말 제조기술이 Ti, Nb등의 고부가가치 금속분말 제조에 응용 가능한지 여부를 확인하기 위하여 자세히 실험되고 기술되어 있다. Research Report of the Korea Atomic Energy Research Institute February 2007 Development of tantalum metal powder manufacturing technology using electrolytic reduction technology After 50 pages of {Preparation of Tantalum Metal Powder by Electrolytic Reduction Technology in High Temperature Molten Salt} It has been tested and described in detail to determine whether it is applicable to the manufacture of high value metal powders.

보고서에 의하면, 티타늄의 전해 환원은 Ca염욕 또는 LiCl 염욕 환경하에서 행하여지며 수용액에서 행하여지지 아니한다. 수용액 환경하에서 Ti의 표면에 O2 피막의 발생을 억제할 수 없기 때문이다. According to the report, the electrolytic reduction of titanium is carried out in Ca salt bath or LiCl salt bath environment and not in aqueous solution. Under aqueous environment it is because it is not possible to suppress the generation of O 2 film on the surface of Ti.

따라서 티타늄의 전해환원 실험은 비활성 기체 분위기이고 염욕 환경하에서 수행되어야 함을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the electrolytic reduction experiment of titanium should be performed under an inert gas atmosphere and a salt bath environment.

다만 보고서에서, 제조된 티타늄은 재산화를 막기 위하여 공기 중에서는 200℃ 이하의 온도에서 취급되어야만 한다는 부분에 대하여는 잘 못 이해한 부분이 없지 않았다. 티타늄은 200℃ 미만에서도 공기 중에 방치만 하면 대기중에 안정한 산화피막을 형성한다. In the report, however, there was no misunderstanding of the fact that manufactured titanium should be handled at temperatures below 200 ° C in air to prevent reoxidation. Titanium forms a stable oxide film in the atmosphere even if it is left in the air even below 200 ° C.

이것이 티타늄이 내식성이 좋은 이유이기 때문이다.This is why titanium has good corrosion resistance.

1960년도에 수용액 속에서 티타늄이 단일금속으로 도금된다는 특허가 있었음에도 2007년도에 수용액이 아닌 염욕환경 하에서 티타늄 금속 분말의 전해환원에 관한 특허가 출원되고 있음을 상기해보면 당시의 특허의 실현가능성을 쉽게 짐작할 수 있다.Although there was a patent on titanium plating single metal in aqueous solution in 1960, the patent on electrolytic reduction of titanium metal powder is applied in 2007 under salt bath environment, not aqueous solution. You can guess.

따라서 사토 신조가 출원한 미국특허 제 3,074,860호는 실현 불가능한 특허로 보이며, 이 특허를 인용한 미국 특허 제 4,332,653호의 근원물질인 수용액 속에서 전기 정련한 티타늄 금속 분말을 제조할 수 없으므로, 이 또한 실현 불가능한 특허로 볼 수 있다.Therefore, U.S. Patent No. 3,074,860, filed by Shinto Sato, appears to be an infeasible patent, and since it is impossible to produce an electrorefined titanium metal powder in an aqueous solution, which is the source material of U.S. Patent No. 4,332,653, which is also cited, this also is not feasible. It can be seen as a patent.

또한 다른 발명자에 의하여 발명된 미국 특허 미국 특허 [6,645,566], [7,438,769], [7,732,014] 3건의 특허를 보았을 때, 6,645,566호는 상기 4,332,653호를 인용은 하고 있지만, 특별히 수용액 속에서의 티타늄 전기 분해를 지칭하지 않고 있으며, 나머지 두 특허 및 한국특허를 포함한 모든 특허는 단지 전기 분해로 형성된 금속 티타늄{metallic titanium formed by electrolysis of a titanium compound}을 사용하는 것을 특징으로 하고 있다.In addition, US Patents [6,645,566], [7,438,769], and [7,732,014] in which three patents were invented by other inventors, 6,645,566 cited 4,332,653, but specifically for titanium electrolysis in aqueous solution. All other patents, including the remaining two patents and Korean patents, are characterized by the use of metallic titanium formed by electrolysis of a titanium compound.

그러나, 상기 특허에서 사용되어 졌다고 쓰여져 있는 전기 정련된 금속 티타늄 분발에 대하여는 지금까지도 이견이 계속되고 있다. 즉, 티타늄 금속 분말을 생산하는 과정에서 어떠한 전기 정련 방식으로 티타늄 금속 분말을 어떻게 만들었는지에 대하여 아직까지 알려진 바 없기 때문이다.However, disagreements continue to this day with respect to the electro-refined metallic titanium powder which has been used in the above patents. That is, it is not yet known how the titanium metal powder was produced by the electrorefining method in the process of producing the titanium metal powder.

뿐만 아니라 발명의 중요한 포인트인 열처리 중 전기를 사용하지 않는다는 부분도 미국 특허 3,639,641에 이미 명기되어 있는 기술에 불과했다. 이 특허는 실시 예에서 모두 티타늄 존재하에 600℃의 온도에서 전기를 전혀 사용하지 않고 열처리를 실시하였다.In addition, the important point of the invention is that the use of electricity during heat treatment was only a technique already described in US Patent 3,639,641. In this patent, all of the examples were heat-treated without any electricity at a temperature of 600 ° C. in the presence of titanium.

이 미국특허 3,639,641호는 상당히 중요한 내용을 포함하고 있다. 바로, 티타늄 금속 분말을 어떤 방법으로 염욕에 형성시켜 넣었는가에 대한 단서를 제공한다.This US Pat. No. 3,639,641 contains significant material. This gives clues as to how the titanium metal powder was formed in the salt bath.

발명자는 다음과 같이 설명하고 있다.The inventor explains as follows.

[ In the method of ( U.S Pat. No. 3,074,860) , activated pure titanium manufactured by electrolysis of an aqueous solution of a water soluble compound is made to be present, in which electroplated articles are dipped several times and in a considerable quantity into a salt bath of 550 ~ 600℃ untilthe desired contant is obtained. 미국 특허번호 3,074,860 에서는, 수용성 혼합물의 수용액의 전기분해에 의해 제도된 활성화 순수 티타늄이 전기 도금된 제품을 원하는 contant 를 얻을 때까지 550 ~ 600℃의 염욕에 상당량을 몇 번씩 담그면서 제시되었다.][In the method of (US Pat. No. 3,074,860), activated pure titanium manufactured by electrolysis of an aqueous solution of a water soluble compound is made to be present, in which electroplated articles are dipped several times and in a considerable quantity into a salt bath of 550 ~ 600 ° C until the desired contant is obtained. In US Pat. No. 3,074,860, activated pure titanium, drawn by electrolysis of an aqueous solution of an aqueous mixture, is presented several times in a salt bath at 550-600 ° C. several times until a desired contant is obtained for the electroplated product.]

즉, 도금된 제품을 몇 번씩 염욕에 몇 번씩 담그는 방법으로 티타늄 금속이 염욕에 들어갈 수 있게 했다는 것이다. 그리고, 그 제품에 대하여는 다음과 같이 설명하고 있다.That is, the titanium metal can enter the salt bath by immersing the plated product several times in the salt bath. In addition, the product is demonstrated as follows.

[numerous iron products having pure titanium metal which has been electroplated by the water-soluble electrolytic process (U.S. patent No. 3,074,860) are charged into this and then removed. 수용성 전해과정 (미국 특허번호 3,074,860) 에 의해 전기도금된 순수 티타늄 금속을 가지고 있는 수많은 철강 제품들은 이에 투입되고 그 이후에 사라지게 된다.][numerous iron products having pure titanium metal which has been electroplated by the water-soluble electrolytic process (U.S. patent No. 3,074,860) are charged into this and then removed. Numerous steel products with pure titanium metal electroplated by a water soluble electrolysis process (US Pat. No. 3,074,860) are introduced into and subsequently disappeared.]

미국특허 3,074,860호에서 발명자는 음극(Cathode)에 구리 도금된 시편을 사용한다고 하였지만, 실제로 염욕 열처리에 있어서 염욕상에 티타늄 금속 분말이 존재하게 하기 위하여, 집어넣은 제품은 그리 도금된 시편이 아닌, 수많은 철강 제품이라고 주장한다. In the U.S. Patent No. 3,074,860, the inventors used copper plated specimens in the cathode, but in order to allow the titanium metal powder to be present on the salt bath in the salt bath heat treatment, the encased products were not so plated. Claim that it is a steel product.

이것이 전기 정련된 티타늄을 염욕에 금속 분말로 넣는 방법을 설명한 유일한 특허이다.This is the only patent that describes how to add electrorefined titanium to metal salts in a salt bath.

또한, 미국 특허 7,438,769호와 7,732,014호는 티타늄 확산을 주장하고 있다. 즉, 티타늄과 질소가 공공(void)을 발산시키고 충전함과 동시에 공공을 메운다고 주장하고 있는 것이다.U.S. Patents 7,438,769 and 7,732,014 also claim titanium diffusion. In other words, it claims that titanium and nitrogen dissipate and fill voids and fill the voids simultaneously.

일반적으로 확산은 금속간의 확산과 기체의 확산 방법이 다르다. 수소, 산소, 질소 같은 기체의 확산에는 침탄과 질화가 있으며 이를 단일 확산이라 한다. 이외에 탄소는 비금속 고체로써 질소처럼 침입형 확산 방식으로 확산된다.In general, diffusion is different from diffusion between metals and diffusion of gases. The diffusion of gases such as hydrogen, oxygen, and nitrogen includes carburization and nitriding, which is called single diffusion. In addition, carbon is a nonmetallic solid and diffuses in an invasive diffusion like nitrogen.

그러나, 금속끼리의 확산에는 상호확산 또는 불순물 확산이라는 방식이 적용된다. However, a method of mutual diffusion or impurity diffusion is applied to diffusion of metals.

상호 확산 또는 불순물 확산이라 불리우는 확산 방식은 금속 원자가 서로의 금속으로 확산되는 현상을 일컫는 용어로서, 일반적으로 이러한 확산이 일어나기 위해서는 양 금속사이에 원자적 접촉이 필요하다.A diffusion method called interdiffusion or impurity diffusion refers to a phenomenon in which metal atoms are diffused into each other metal. In general, atomic diffusion between two metals is required for such diffusion to occur.

이 원자적 접촉이 필요하다는 말은 매우 중요한 말로써, 원자적 접촉을 이끌어내려면, 이는 도금 또는 용착(금속의 일부가 녹아서 상대편 면에 눌어붙음 seizure)의 방법으로 해결할 수 있다. 이외에 온도가 높아지면 원자가 접촉하지 않더라도 침입하는 금속이 증발하여 용착되어 침입확산을 일으키는 수도 있겠지만, 본 발명에서 그것을 기대하기는 어렵다. 우선 사용되는 금속인 철의 녹는점이 1,538℃이고, 티타늄은 이보다 높은 1,675℃이기 때문이다. The fact that this atomic contact is necessary is very important, and in order to elicit an atomic contact, this can be solved by plating or welding (a part of the metal melts and seizures on the other side). In addition, if the temperature is high, even though the atoms do not contact, the metal invading may evaporate and be deposited to cause intrusion diffusion, but it is difficult to expect it in the present invention. This is because iron, the metal used, has a melting point of 1,538 ° C and titanium has a higher 1,675 ° C.

또한, 종래기술의 발명자가 1984년 7월 21을 대한민국에 출원하였던 특허 출원 번호 10-1984-0004403호의 주장과 정면으로 대치된다. 특허에서 발명자는 염욕중에 첨가한 Ti분말은 욕중액면에서 공기와 접촉하여 TiO(일산화티탄)으로 욕중에 존재하면서 질화 처리에 고도의 촉매 작용을 하여 질화를 촉진시킨다. 고 주장하였다. 그러나, Ti 금속 분말이 TiO로 존재하게 된다면, 금속 모재와 Ti사이에 산소가 존재하여 티타늄 확산이 이루어질 수 없다. In addition, the inventor of the prior art is face to face with the claims of patent application No. 10-1984-0004403 filed July 21, 1984 to the Republic of Korea. In the patent, the inventors added the Ti powder in the salt bath in contact with air at the surface of the bath, and is present in the bath as TiO (titanium monoxide), which catalyzes the nitriding treatment highly and promotes nitriding. Claimed. However, if the Ti metal powder is present as TiO, oxygen is present between the metal base material and Ti and titanium diffusion cannot be made.

염욕 열처리는 질소와 탄소의 침투형 확산인 질화, 침탄에 의한 금속의 표면 개질을 목적으로 하는 표면처리의 방법이다.Salt bath heat treatment is a method of surface treatment aimed at surface modification of metals by nitriding and carburizing, which are penetration diffusion of nitrogen and carbon.

그러므로 미국특허 7,438,769호와 7,732,014호의 주장처럼 공공(void)를 발산시키고 메우는 역할을 질소나 탄소가 하지는 않는다.Thus, as claimed in US Pat. Nos. 7,438,769 and 7,732,014, nitrogen or carbon do not play a role in releasing and filling voids.

만일 이러한 공공(void)을 이용한 확산을 주장하려면, 금속간 원자적 접촉이 어떻게 일어나는지를 설명할 수 있어야 한다. 예를 들면 카로라이징(Calorizing) (알루미늄침투)나 쉐라다이징(Sherarding)(아연확산)처럼 명확한 근거가 제시되어야 한다. If we insist on diffusion using these voids, we need to be able to explain how atomic contact between metals occurs. Clear evidence should be given, for example, Calorizing (aluminum penetrating) or Shearding (zinc diffusion).

지금까지 살펴본 티타늄을 이용한 염욕 열처리 방법 관련 특허들을 살펴보면 표 1과 같다.Looking at the patents related to the salt bath heat treatment method using titanium so far as shown in Table 1.

출원연도Filing year 국국가Country 등록번호Registration Number 주요내용Main Content 문제점problem 19601960 usus 30748603074860 티타늄 습식 도금Titanium wet plating 재현성Reproducibility 19651965 usus 36396413639641 무전해염욕열처리
600-750
Electroless Salt Bath Heat Treatment
600-750
3074860 인용.
This electrolytically precipitated activated pure titanium gasifies readily at above 550. and is contained in the salt bath. ( 기화한다고 주장 )
Cited 3074860.
This electrolytically precipitated activated pure titanium gasifies readily at above 550. and is contained in the salt bath. (Claim to vaporize)
19811981 usus 43326534332653 전해염욕열처리Electrolytic Salt Bath Heat Treatment 3074860 인용.
TiO 생성 주장.
Cited 3074860.
TiO creation claim.
19841984 korkor 10-1984-000440310-1984-0004403 무전해염욕열처리Electroless Salt Bath Heat Treatment 4332653 인용
TiO 생성 주장.
4332653 citations
TiO creation claim.
20022002 usus 66455666645566 무전해염욕열처리
430-670
Electroless Salt Bath Heat Treatment
430-670
4332653 인용.
미국특허 3,639,641과 거의 유사
Cited 4332653.
Almost similar to U.S. Patent 3,639,641
20032003 korkor 10-1984-002628510-1984-0026285 무전해염욕열처리
430-670
Electroless Salt Bath Heat Treatment
430-670
4332653 인용.
미국특허 3,639,641과 거의 유사.
Cited 4332653.
Almost similar to US Pat. No. 3,639,641.
20062006 usus 74387697438769 티타늄확산Titanium Diffusion 티타늄 확산 주장 이론적 배경 없음.Titanium diffusion claims no theoretical background. 20062006 usus 77320147732014 카바이드티타늄확산Carbide Titanium Diffusion 티타늄 확산 주장 이론적 배경 없음.Titanium diffusion claims no theoretical background.

이렇듯, 티타늄이 현재 염욕 열처리에 사용되어지고는 있으나, 물리적 이론에 배치되는 TiO의 형성을 주장하거나, 수용액 속에서의 금속 티타늄 추출을 주장하거나, 혹은, 재현 불가능한 특허를 인용하는 등의 문제가 있고, 이것은 현재 티타늄을 이용한 열처리에 있어서, 올바른 물리 이론 위에 기술이 재현되고 있지 않음을 뜻한다고 볼 수 있다.
As such, titanium is currently being used in salt bath heat treatment, but there are problems such as insisting on the formation of TiO, which is based on physical theory, insisting extraction of metal titanium in aqueous solution, or citing non-reproducible patents. This means that the current technology is not being reproduced on the correct physical theory of heat treatment using titanium.

이러한 문제점으로 인하여, 티타늄 질화 열처리에 있어서 전기 정련에 의한 티타늄 금속 분말만이 사용가능한 것인지 알 수 없고, 이외에 더 구하기 쉽고 저렴한 티타늄 물질을 쓸 수 있는지 여부를 알고 싶었으나, 이론의 바탕 없이 기술이 구현됨으로 인하여 이 조차도 알기 쉽지 않고, 이로 인하여 쉽고 저렴하게 티타늄을 이용한 열처리 기술의 개발을 막아왔기 때문에, 다양한 산업 전반에 이용하기 어렵고, 고가의 가격이 형성되는 문제점이 있어왔다.
Due to this problem, it was not possible to know whether only titanium metal powder by electrorefining could be used for the titanium nitride heat treatment, and it was wanted to know whether a more easily and cheaper titanium material could be used. Due to this, even this is not easy to understand, and because of this has prevented the development of heat treatment technology using titanium easily and inexpensively, it has been difficult to use in a variety of industries, there has been a problem that a high price is formed.

본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하여, 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법에 사용될 수 있는 구하기 쉽고 저렴한 티타늄 및 지르코늄 화합물을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to solve this problem, and to provide an easy and inexpensive titanium and zirconium compound that can be used in the titanium or zirconium-nitride salt bath heat treatment method.

본 발명의 다른 목적은 제공된 구하기 쉽고 저렴한 티타늄 화합물 및 지르코늄 화합물을 사용하여, 모재에 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법 제공한다.
Another object of the present invention is to provide a titanium or zirconium-nitride type salt bath heat treatment method on a base material using the provided easy-to-use titanium compound and zirconium compound.

본 발명에 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법 및 그 방법으로 제조된 질화 열처리 제품은 구하기 쉽거나 저렴한 아나타제 이산화티타늄이나 이산화지르코늄을 사용한다.In the present invention, the titanium or zirconium-substituted nitriding salt bath heat treatment method and the nitride heat treatment product prepared by the method use anatase titanium dioxide or zirconium dioxide, which are easy to obtain or inexpensive.

특히 마지막 소성 온도를 최대한 낮은 온도에서 소성한 아나타제 이산화 티타늄과 이산화지르코늄을 사용함으로써 누구나 저렴하게 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법을 구현할 수 있게 되었다.In particular, by using anatase titanium dioxide and zirconium dioxide, which have been fired at the lowest firing temperature as low as possible, anyone can implement a titanium or zirconium-substituted nitriding salt bath heat treatment method at low cost.

이로써 그동안 고가를 형성하여 왔던 티타늄 질화 열처리 제품을 전기 정련된 티타늄 금속 분말을 사용하지 않고 값이 저렴하면서도 손쉽게 구현할 수 있게 됨으로서, 다양한 산업군에 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 열처리 제품을 저렴하게 제조하여 사용할 수 있게 된 것이다.
This makes it possible to implement titanium nitride heat treatment products that have been expensive for a long time without using electro-refined titanium metal powder, and can be easily and inexpensively manufactured using titanium or zirconium-substituted nitride heat treatment products in various industries. It is.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리에 사용할 구하기 쉽고 또한 값이 저렴한 티타늄 화합물과 지르코늄 화합물을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a titanium compound and a zirconium compound which are easy to obtain and inexpensive to be used for titanium or zirconium-nitride salt bath heat treatment.

또한 본 발명은 상기 티타늄 화합물을 이용하여, In addition, the present invention using the titanium compound,

(a) 철 또는 철을 포함하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 금속모재를 제공하는 단계;(a) providing a metal base material selected from the group consisting of iron or an alloy comprising iron;

(b) 시안화나트륨, 시안화칼륨으로 이루어지는 군에서 선택된 염을 포함하는 염욕을 제공하는 단계;(b) providing a salt bath comprising a salt selected from the group consisting of sodium cyanide and potassium cyanide;

(c) 티타늄 화합물과 지르코늄 화합물 중 하나를 상기 염욕에 분산시키는 단계;(c) dispersing one of the titanium compound and the zirconium compound in the salt bath;

(d) 염욕을 563.7 내지 851℃의 온도로 가열하는 단계; 및(d) heating the salt bath to a temperature of 563.7 to 851 ° C .; And

(e) 금속모재를 염욕에 10분 내지 10시간 동안 침지하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리방법을 제공한다.(e) it provides a titanium or zirconium-nitride type salt bath heat treatment method comprising the step of immersing the metal base material in the salt bath for 10 minutes to 10 hours.

또한 본 발명은 상기 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법으로 제조된 제품을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a product produced by the titanium or zirconium-substituted nitride salt bath heat treatment method.

이하에서는 본원 발명의 구성수단의 작용과 바람직한 실시 예를 중심으로 본원발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the action and preferred embodiments of the constituent means of the present invention.

발명자는 대한민국 특허 출원번호 10-2011-0019777호 및 10-2011-0022924호로 티타늄 및 지르코늄 무전해 치환도금을 발명하면서, 철이 이 두 금속이온과 치환관계에 있음을 알고 본 발명에 이르렀다. 그러나 이 특허는 수용액 속에서 티타늄 또는 지르코늄이 철 또는 철 합금 소재와 만나 표면의 철과 이온교환을 하여 치환반응을 일으키는 수용액 속에서의 순수 티타늄 또는 지르코늄 도금이라 할 수 있었지만, 염욕에서의 질화 열처리와는 깊은 관계를 가지는 것은 아니었다. The inventors invented titanium and zirconium electroless substitution plating with Korean Patent Application Nos. 10-2011-0019777 and 10-2011-0022924, and reached the present invention knowing that iron is substituted with these two metal ions. However, this patent could be referred to as pure titanium or zirconium plating in an aqueous solution in which titanium or zirconium meets iron or iron alloy material in an aqueous solution and ion exchanges with iron on the surface to cause a substitution reaction. Did not have a deep relationship.

그러나, 철과 티타늄 및 지르코늄의 치환관계가 산성, 중성, 알카리성의 모든 범위에서 일어나는 것을 확인하고, 본 발명에 이른 것이다. 즉, 질화염욕 열처리에 있어서, 티타늄 및 지르코늄이 수용액이 아닌 염욕 속에서도 이온상태로 존재할 수 있다면, 철 표면에 치환반응을 일으켜 얇은 도금막을 형성하게 되므로, 그간 설명되기 힘들었던 철과 티타늄간의 원자적 접촉을 설명하게 된 것이다.However, it has been confirmed that the substitution relationship between iron, titanium, and zirconium occurs in all ranges of acidic, neutral, and alkaline, and the present invention has been reached. That is, in the heat treatment of the nitriding salt bath, if titanium and zirconium can exist in an ionic state even in a salt bath rather than in an aqueous solution, a substitution reaction is formed on the iron surface to form a thin plated film. Will be explained.

순수한 금속 티타늄은 상온에서는 안정한 산화피막이 생겨서 부식을 방지하지만 600 이상의 고온에서는 반응성이 아주 좋아서 O2, N2, H2 등의 원소로 '오염'되어 내식성을 저하시키고 기계적 성질까지 모두 잃게 된다. Pure metal titanium prevents corrosion by forming a stable oxide film at room temperature, but it is very reactive at high temperatures of 600 or higher, so it is 'contaminated' with elements such as O 2 , N 2 , H 2, and so on, reducing corrosion resistance and losing all mechanical properties.

이 때, 금속인 티타늄이 만나는 O2, N2, H2등의 원소를 고온의 용기 내부에서 만나면, 티타늄 표면의 부동태 피막인 O2 피막이 제거되고 피막 발생을 억제하여 금속 자체의 내식성이 저하되고 침식된다. 침식된다는 것은 티타늄이 이온화된다는 것을 뜻한다. 여기서는 N2가 그 작용을 하게 된다.At this time, when elements such as O 2 , N 2 , H 2, etc., in which titanium, which is a metal, meet, meet inside the hot container, the O 2 film, which is a passivation film on the titanium surface, is removed and the film is suppressed to reduce corrosion resistance of the metal itself. Eroded. Erosion means that titanium is ionized. In this case N 2 will do its job.

이러한 용기 속에서 가스 형태로 해당 원소를 만나거나, 수용액속에서 첨가물 형태로 만나도 동일한 현상이 일어나기 때문에, 염욕상태에서도 NaCN, KCN등의 탄소와 질소 화합물이 들어있는 상태이고, 물을 대신해서 나트륨(Na)이 용해 상태이므로 아나타제 TiO2는 수용액보다 더 손쉽게 O2 피막을 잃어버리고 이온상태로 존재하게 된다. The same phenomenon occurs even when the element meets in the form of a gas in this container or as an additive in an aqueous solution, and thus, carbon and nitrogen compounds such as NaCN and KCN are contained even in a salt bath. Since Na) is dissolved, anatase TiO 2 loses the O 2 film more easily than the aqueous solution and exists in an ionic state.

다만, 질소이온 만으로 O2 피막을 잃어버린다면, 수용액에서 질산에 의하여도 피막이 없어져야 그 물리현상이 일관성을 유지하듯이 질소이온만으로 염욕에서 아나타제 이산화티타늄의 부동태 피막을 제거할 수는 없지만, 제거된 부동태피막이 다시 재생되는 것을 방지해준다. However, if the O 2 film is lost only with nitrogen ions, it is not possible to remove the passivation film of anatase titanium dioxide from the salt bath with nitrogen ions, as the phenomena of the phenomena remain consistent even if the film is removed by nitric acid in aqueous solution. This prevents the film from regenerating.

실제 발생된 부동태피막의 제거는 이산화티타늄이나 티타늄 금속의 제련에서 사용하였던 염소이온을 포함하는 염소화합물과 황산이온을 포함하는 황산화합물을 첨가함으로써 행해질 수 있다. 이러한 화합물에는 염화나트륨, 염화칼륨, 염화칼슘, 황산나트륨, 황산칼륨, 황산칼슘 등이 사용될 수 있다. The removal of the passivation film actually generated can be performed by adding chlorine compounds containing chlorine ions and sulfate compounds containing sulfate ions used in the smelting of titanium dioxide or titanium metal. Sodium chloride, potassium chloride, calcium chloride, sodium sulfate, potassium sulfate, calcium sulfate and the like can be used for such compounds.

그러나, 황산나트륨, 황산칼륨, 황산칼슘은 녹는점이 884℃, 1069℃, 1450℃ 등으로 염화나트륨(800.4℃), 염화칼륨(770℃), 염화칼슘(772℃) 보다 상대적으로 너무 높은 화합물로써 사용하기에 불편하지만, 첨가물로서 사용할 수는 있다. However, sodium sulfate, potassium sulfate, and calcium sulfate have a melting point of 884 ° C, 1069 ° C, 1450 ° C, etc., and are inconvenient to use as compounds that are relatively higher than sodium chloride (800.4 ° C), potassium chloride (770 ° C), and calcium chloride (772 ° C). However, it can be used as an additive.

이외에 산기를 더 가하고 탄소를 활용하기 위하여 탄산나트륨(녹는점 851℃)을 더 포함할 수 있다. 순수 시안염욕은 약알칼리이기 때문이다. In addition to the addition of acidic acid to further utilize the carbon may include sodium carbonate (melting point 851 ℃). This is because pure cyan salt bath is a weak alkali.

아나타제 이산화티타늄의 경우 Ti 이온 상태에서 표면에 O2 피막이 형성되어 있는 가장 작고 단순한 형태이지만. 전기 정련된 금속 티타늄 분말은 아무리 작게 만든다 하여도 TiO2에서 O2 피막이 제거된 상태보다 더 작을 수는 없기 때문에 종래의 티타늄 금속 분말을 사용하는 것 보다는 더 손쉽게 이온화할 수 있으므로, 티타늄이나 지르코늄을 이용한 염욕 열처리에는 더욱 적합하다 할 수 있다. Anatase titanium dioxide is the smallest and simplest form of O 2 film on the surface in Ti ion state. Electrorefined metallic titanium powder, however small, cannot be smaller than TiO 2 with the O 2 film removed, so it can be ionized more easily than using conventional titanium metal powder, so using titanium or zirconium It may be more suitable for the salt bath heat treatment.

따라서, 아나타제 이산화티타늄과 이산화 지르코늄을 본 발명에 사용하는 것이 종래기술인 전기정련된 티타늄 금속 분말을 사용하는 것보다 더욱 바람직하다.Therefore, it is more preferable to use anatase titanium dioxide and zirconium dioxide in the present invention than to use the prior art electrorefined titanium metal powder.

또한, 전해로 형성된 금속 티타늄을 사용하는 것이 아니라, 수산화티타늄(TiO(OH)2) 이나 수산화지르코늄(Zr(OH)4)을 가급적 염욕에서 사용하는 열처리 온도보다 낮은 온도에서 소성하여 제조한 아나타제 이산화티타늄 또는 이산화 지르코늄 파우더를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.In addition, anatase dioxide produced by firing at a temperature lower than the heat treatment temperature used in a salt bath, rather than using titanium electrolytically formed metal titanium (TiO (OH) 2 ) or zirconium hydroxide (Zr (OH) 4 ). More preferably, titanium or zirconium dioxide powder is used.

수산화티타늄이나 수산화지르코늄을 직접 사용할 수도 있지만, 이 과정에서 염욕 속에 물이 형성되어 불순물로 작용할 수 있기 때문에 가급적 산화물 형태로 만드는 것이 바람직하다. Titanium hydroxide or zirconium hydroxide may be used directly, but water may form in the salt bath in the process and may act as an impurity.

다만, 이산화티타늄의 경우 아나타제, 브루카이트, 루틸등 3가지 형태의 산화물이 있는데 이는 제조 공정에서 소성온도 등의 제조방법의 변화를 통해 선택적으로 만들 수 있으며, 소성온도가 산화물에 미치는 영향은 아주 크다. 이중 가장 표면 조직이 무른 형태인 아나타제 이산화티타늄이 적당하며 가급적 열에 내성이 많이 생기지 않은 저온에서 소성한 것이 적당하다. However, in the case of titanium dioxide, there are three types of oxides such as anatase, brookite, and rutile, which can be selectively made by changing the manufacturing method such as firing temperature in the manufacturing process, and the effect of firing temperature on the oxide is very large. . Among them, anatase titanium dioxide, which is the softest form of surface texture, is suitable, and it is suitable to be fired at low temperature where it is not much resistant to heat.

또한, 지르코늄의 경우에는 티타늄과 달리 상온에서는 부동태피막이 발생하지 않으나, 800℃가 넘어가야 O2 피막을 형성하는 금속으로서 가급적 온도를 많이 가하지 않은 산화물을 사용하는 것이 적당하다. In addition, in the case of zirconium, unlike titanium, the passivation film does not occur at room temperature, but it is appropriate to use an oxide that does not add much temperature as much as possible as the metal forming the O 2 film only after 800 ° C.

이렇게 낮은 온도에서 소성된 아나타제 이산화 티타늄 또는 이산화지르코늄은 염욕을 형성한 NaCN의 N 성분이 600℃에 가까운 온도로 올라갈 경우 염욕속에 포함된 염소화합물 등에 의하여 O2 피막이 제거되면서 침식당한 티타늄의 부동태 피막의 재생을 막아 염욕 속에 이온으로 존재하게 되며, 철 또는 철합금의 제품이 염욕 속에 투입되면 표면에서 치환도금 반응을 일으켜 얇은 Ti 또는 Zr 금속 막을 형성하게 되고, 이러한 원자적 접촉에 의하여 Ti 또는 Zr은 소재에 원자적 접촉이 발생하여 상호확산방식의 확산을 일으킬 수 있는 기본조건을 충족하게 된다.The anatase titanium dioxide or zirconium dioxide fired at such a low temperature is the passivation film of titanium eroded by removing the O 2 film by the chlorine compound contained in the salt bath when the N component of the NaCN forming the salt bath rises to a temperature close to 600 ° C. When the product of iron or iron alloy is put into the salt bath, it causes substitution plating reaction on the surface to form a thin Ti or Zr metal film. The atomic contact causes Ti or Zr to Atomic contact with the material meets the basic conditions that can lead to the diffusion of interdiffusion methods.

다만 티타늄과 지르코늄 화합물을 동시에 넣을 경우 이온화 경향에 따라 티타늄 막이 형성되므로 두 화합물을 섞어서 사용할 필요는 없다. However, if titanium and zirconium compounds are added at the same time, the titanium film is formed according to the ionization tendency, so there is no need to mix the two compounds.

이 때, 아나타제 이산화티타늄은 가급적 600℃ 이하에서 소성한 것을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 염욕의 주요성분인 NaCN의 녹는점인 563.7℃ 보다 낮은 온도에서 소성하는 것이 좋다. 실제 TiO(OH)2가 TiO2와 H2O로 나뉘는 소성온도는 500℃면 충분하다.At this time, it is preferable to use the anatase titanium dioxide fired at 600 degrees C or less as possible, More preferably, it bakes at the temperature below 563.7 degreeC which is the melting point of NaCN which is a main component of a salt bath. In fact, the firing temperature at which TiO (OH) 2 is divided into TiO 2 and H 2 O is sufficient at 500 ° C.

본 건 발명에 있어서, 이 치환관계는 그동안 티타늄을 이용한 염욕 열처리에 있어서 설명되어지지 못했던 많은 부분의 설명을 가능케 한다. 즉, 질소와 탄소의 침입형 확산 이외에 티타늄이나 지르코늄이 철 또는 철 합금의 표면에서 치환도금 반응을 통해 원자적 접촉을 일으키고 이렇게 형성된 도금층이 상호확산을 위한 원자적 접촉 문제를 해결하여 금속 모재의 표면에 확산층을 형성하는 원리가 설명된다. 이 원리가 설명됨으로 인하여 전해정련 또는 전기정련된 티타늄 금속 분말을 사용해야 한다는 종래의 기술적 한계를 뛰어 넘게 된다.In the present invention, this substitution relationship allows explanation of many parts that have not been explained in the salt bath heat treatment using titanium. That is, titanium or zirconium causes atomic contact through substitution plating reaction on the surface of iron or iron alloy in addition to nitrogen and carbon invasive diffusion, and the plating layer thus formed solves the atomic contact problem for mutual diffusion. The principle of forming the diffusion layer in the above is explained. The description of this principle overcomes the conventional technical limitation of using electropolished or electrorefined titanium metal powder.

또한 열처리 온도도 낮은 온도에서 하는 것만이 능사가 아니다. 염욕의 구성에 사용되는 NaCN , KCN , NaCl, Na2CO3 등의 첨가되는 염의 녹는점을 고려하면 NaCN의 녹는점과 끓는 점의 범위 이내의 온도인 563.7℃에서부터 851℃까지의 온도 범위를 사용하는 것이 바람직하기 때문이다. 즉 녹는점 이상의 온도를 사용해야 첨가된 염이 충분히 녹아 유동이 좋다.In addition, the heat treatment temperature is not only good at low temperatures. Considering the melting point of added salts such as NaCN, KCN, NaCl, and Na 2 CO 3 used in the composition of the salt bath, a temperature range of 563.7 ° C to 851 ° C, which is a temperature within the melting and boiling points of NaCN, is used. This is because it is preferable. In other words, the salt must be used above the melting point so that the added salt is sufficiently dissolved and flows well.

뿐만 아니라, 이종금속간의 상호확산은 온도가 높으면 높을수록 확산에 유리하기 때문에 종래의 특허들처럼 낮은 온도로 염욕 열처리를 하는 것이 꼭 좋은 것이라 주장할 수는 없다.In addition, since interdiffusion between dissimilar metals is advantageous for diffusion at higher temperatures, it may not be argued that salt bath heat treatment is performed at low temperatures as in the conventional patents.

따라서 NaCN의 녹는점인 563.7℃ 이상의 온도에서 염욕 열처리를 하는 것이 바람직하며, 아나타제 이산화티타늄이나 지르코늄 이산화물이 O2 피막을 잃어버리고 이온화하기에 적합한 온도는 600℃ 이상이므로 적어도 600℃ 이상의 온도에서 염욕 열처리를 행하는 것이 더욱 바람직하다.Therefore, it is preferable to perform a salt bath heat treatment at a temperature of 563.7 ° C. or higher, which is the melting point of NaCN, and a salt bath heat treatment at a temperature of at least 600 ° C. because anatase titanium dioxide or zirconium dioxide loses O 2 film and is suitable for ionization. It is more preferable to carry out.

따라서, 티타늄 층이 종래의 질소나 탄소의 침탄질화와는 별개로 모재층 표면에 치환반응을 통하여 도금되고, 이로써 원자적 접촉이 일어나 상호확산을 하며 질소와 탄소의 침입형 질화열처리가 동시에 일어나는 원리를 모두 설명할 수 있게 된 것이다.
Therefore, the titanium layer is plated by substitution reaction on the surface of the base material layer separately from the conventional carburization and nitriding of nitrogen or carbon, thereby causing mutual contact and mutual diffusion, and simultaneous intrusion-type nitriding heat treatment of nitrogen and carbon. You can explain all of them.

이하 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described through preferred embodiments.

[실시예 1] 저온 소성 아나타제 이산화티타늄의 제조.Example 1 Preparation of Low Temperature Calcined Anatase Titanium Dioxide.

시중에 판매되고 있는 아나타제 이산화티타늄의 경우 대부분 대량생산을 위하여 소성온도를 정밀하게 조정하지 못한 제품이 많아 명확한 실험결과를 도출하기 어렵다. 따라서, 아나타제 이산화티타늄을 다음과 같은 방법으로 제조하였다.Most commercially available anatase titanium dioxide products do not have precise control of the firing temperature for mass production. Thus, anatase titanium dioxide was prepared by the following method.

(1) 아나타제 이산화티타늄 200g을 1리터의 황산에 분산하여 가열 용해하고 질산 10ml를 추가하여 안정시킨후 냉각하였다.(1) 200 g of anatase titanium dioxide was dispersed in 1 liter of sulfuric acid, dissolved by heating, and stabilized by addition of 10 ml of nitric acid, followed by cooling.

(2) 상기 안정된 용액에 물 1리터를 추가하여 발열반응을 억제시키고, 다시 냉각하였다. (2) 1 liter of water was added to the stable solution to suppress exothermic reaction, and cooled again.

(3) 상기 용액에 온도의 변화를 보면서 12.5% NaOH 용액을 서서히 첨가하여 pH를 8 내지 9로 맞추어 티타늄 수산화물 침전을 유도하였다.(3) 12.5% NaOH solution was slowly added while changing the temperature of the solution to adjust the pH to 8-9 to induce titanium hydroxide precipitation.

(4) 침전된 티타늄 수산화물을 수거하여 2회 수세한 후 500℃이하로 소성하여 저온 소성 아나타제 이산화티타늄을 제조하였다.
(4) The precipitated titanium hydroxide was collected, washed twice, and calcined at 500 ° C. or lower to prepare low temperature calcined anatase titanium dioxide.

[실시예 2] 저온 소성 이산화지르코늄의 제조.Example 2 Preparation of Low Temperature Calcined Zirconium Dioxide.

이산화지르코늄은 시중에 판매되고 있는 것이 이산화티타늄 보다 분리가 더욱 어렵다. 특히 티타늄 만큼 연구가 되어있지 아니하여 어떤 산화물은 황산에 전혀 용해가 되지 않고 어떤 산화물은 손쉽게 용해가 되는 등 추가적인 연구를 더 필요로 한다고 보여진다. 명확한 실험 결과를 위해 다음과 같이 이산화지르코늄을 제조하였다.Commercially available zirconium dioxide is more difficult to separate than titanium dioxide. In particular, as much as titanium is not studied, some oxides do not dissolve in sulfuric acid at all, and some oxides are easily dissolved. For clear experimental results, zirconium dioxide was prepared as follows.

(1) 황산지르코늄 200g을 1리터의 물에 용해하였다..(1) 200 g of zirconium sulfate was dissolved in 1 liter of water.

(2) 상기 용액에 온도의 변화를 보면서 25% NaOH 용액을 서서히 첨가하여 pH를 8 내지 9로 맞추어 지르코늄 수산화물 침전을 유도하였다.(2) 25% NaOH solution was slowly added while changing the temperature of the solution to adjust the pH to 8-9 to induce zirconium hydroxide precipitation.

(4) 침전된 지르코늄 수산화물을 수거하여 2회 수세한 후 500℃ 이하로 소성하여 이산화지르코늄을 제조하였다.
(4) The precipitated zirconium hydroxide was collected, washed twice, and calcined at 500 ° C. or less to prepare zirconium dioxide.

[실시예 3] 티타늄 치환형 질화 염욕 열처리 시험.Example 3 Titanium Substituted Nitride Salt Bath Heat Treatment Test.

시안화나트륨 또는 시안화칼륨 그룹으로부터 80 내지 90중량%를 취하고, 염화나트륨 또는 탄산나트륨중 선택하여 8중량% 내지 19중량%를 넣어 염욕을 형성하고, 여기에 상기 실시예 1에서 제조한 아나타제 이산화티타늄 1중량% 내지 2중량% 를 첨가하여 해당 염욕이 600℃가 되도록 서서히 가열하였다. Take 80 to 90% by weight from sodium cyanide or potassium cyanide group, add 8% to 19% by weight of sodium chloride or sodium carbonate to form a salt bath, wherein 1% by weight of anatase titanium dioxide prepared in Example 1 above To 2% by weight was added, and the salt bath was slowly heated to 600 ° C.

(실제조성 : NaCN 500g , KCN 300g , NaCl 100g , Na2CO3 80g , TiO2 20g ) (Practical composition: NaCN 500g, KCN 300g, NaCl 100g, Na 2 CO 3 80g, TiO 2 20g)

아나타제 이산화티타늄의 양은 단순한 촉매의 역할이 아니고 치환도금에 의하여 소모되기 때문에 이후 부족하면 추가로 보충해 주어야 한다. The amount of anatase titanium dioxide is not merely a catalyst but is consumed by substitution plating, so if it is insufficient, it must be supplemented additionally.

상기 염속에 철 합금인 탄소강으로 제작된 가로 10cm 세로 20cm의 시편을 침적하고 2시간 동안 티타늄 치환형 질화 열처리를 실시하였다. 상기 표면의 비커스 경도는 1,200HV이었으며, 표면이 티타늄층이 단단히 형성된 것으로 판단되었다. A 10 cm long 20 cm specimen was deposited in the salt made of carbon steel, which is an iron alloy, and subjected to titanium substitution type nitriding heat treatment for 2 hours. The Vickers hardness of the surface was 1,200 HV, and the surface was determined to have a titanium layer firmly formed.

본 발명의 티타늄 지르코늄 치환형 질화 열처리에 사용될 수 있는 소재는 철과 탄소의 합금인 탄소강, 철과 니켈 크롬 합금인 스테인레스, 철과 크롬 합금 및 고속도강, 공구강등 다양한 철 및 철 합금에 적용가능하다.
The material that can be used for the titanium zirconium-substituted nitriding heat treatment of the present invention is applicable to various iron and iron alloys such as carbon steel of iron and carbon, stainless steel of iron and nickel chromium alloys, iron and chromium alloys, and high speed steel and tool steel.

[실시예 4] 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 시험.Example 4 Zirconium Substituted Salt Bath Heat Treatment Test.

시안화나트륨 또는 시안화칼륨 그룹으로부터 80 내지 90중량%를 취하고, 염화나트륨 또는 탄산나트륨 중 선택하여 8중량% 내지 19중량%를 넣어 염욕을 형성하고, 여기에 상기 실시예 2에서 제조한 이산화지르코늄 1중량% 내지 2중량% 를 첨가하여 해당 염욕이 600℃가 되도록 서서히 가열하였다. Take 80 to 90% by weight from sodium cyanide or potassium cyanide group, and choose from sodium chloride or sodium carbonate to put a salt bath by adding 8% to 19% by weight, and from 1% by weight of zirconium dioxide prepared in Example 2 2 weight% was added and it heated gradually so that the salt bath might be 600 degreeC.

(실제조성 : NaCN 800g , KCl 100g , Na2CO3 80g , ZrO2 20g) (Practical composition: NaCN 800g, KCl 100g, Na 2 CO 3 80g, ZrO 2 20g)

이산화 지르코늄도 티타늄과 마찬가지로 단순한 촉매의 역할이 아니고 치환도금에 의하여 소모되기 때문에 이후 부족하면 추가로 보충해 주어야 한다. Zirconium dioxide, like titanium, is not simply a catalyst but is consumed by substitution plating, so it must be supplemented later if it is insufficient.

상기 염속에 철 합금인 탄소강으로 제작된 가로 10cm 세로 20cm의 시편을 침적하고 2시간 동안 지르코늄 치환형 질화 열처리를 실시하였다. 상기 표면의 비커스 경도는 1,100HV이었으며, 표면에 지르코늄층이 단단히 형성된 것으로 판단되었다.
A 10 cm long 20 cm specimen was deposited in the salt made of carbon steel, an iron alloy, and zirconium-substituted nitriding heat treatment was performed for 2 hours. The Vickers hardness of the surface was 1,100 HV, and it was determined that a zirconium layer was firmly formed on the surface.

[실시예 5] 티타늄 치환형 질화 열처리 제품의 광촉매 시험.Example 5 Photocatalytic Test of Titanium Substituted Nitride Heat Treated Products.

상기 실시예 3의 셈플의 티타늄층의 형성을 확인하기 위하여 메틸렌블루 20PPM 지시약 반응 테스트를 실시하였다.In order to confirm the formation of the titanium layer of the sample of Example 3, a methylene blue 20PPM indicator reaction test was performed.

제조된 메틸렌블루 용액을 유리로된 시험 용기에 넣고 PHLIPS TUV 8W 의 블랙라이트 형광램프로 자외선을 조사하여 메틸렌블루 지시약의 탈색반응을 검토한바, 액상에서 물과 염색약이 분리되는 현상을 관찰할 수 있었다.
The methylene blue solution was placed in a glass test vessel and irradiated with ultraviolet light with a black light fluorescent lamp of PHLIPS TUV 8W to examine the discoloration reaction of the methylene blue indicator, and water and dye were separated from the liquid phase. .

Claims (8)

금속모재를 치환도금과 동시에 질화 열처리하는 방법으로서,
(a) 철 또는 철을 포함하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 금속모재를 제공하는 단계;
(b) 시안화나트륨 또는 시안화칼륨 군에서 하나 이상 선택된 염을 포함하는 염욕을 제공하는 단계;
(c) 이산화티타늄 또는 이산화지르코늄 중 어느 하나를 상기 염욕에 분산시키는 단계;
(d) 염욕을 563.7 내지 851℃의 온도로 가열하는 단계; 및
(e) 금속모재를 염욕에 10분 내지 10시간 동안 침지하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법.
As a method of nitriding heat treatment of a metal base material at the same time as the substitution plating,
(a) providing a metal base material selected from the group consisting of iron or an alloy comprising iron;
(b) providing a salt bath comprising at least one salt selected from the group of sodium cyanide or potassium cyanide;
(c) dispersing either titanium dioxide or zirconium dioxide in the salt bath;
(d) heating the salt bath to a temperature of 563.7 to 851 ° C .; And
(e) titanium or zirconium-nitride salt bath heat treatment method comprising the step of immersing the metal base material in the salt bath for 10 minutes to 10 hours.
제 1항에 있어서, 상기 (c)단계에서의 분산에 있어서, 염화나트륨, 염화칼륨, 염화칼슘, 황산나트륨, 황산칼륨, 황산칼슘, 탄산나트륨 군에서 적어도 하나 이상 선택된 염을 더 포함하여 분산시키되,
시안화나트륨 또는 시안화칼륨 군에서 하나 이상 선택된 염을 포함하는 염욕 80 내지 90중량%, 아나타제 이산화티타늄 또는 이산화지르코늄 중 선택된 어느 하나의 물질 1 내지 2중량%에, 염화나트륨, 염화칼륨, 염화칼슘, 황산나트륨, 황산칼륨, 황산칼슘, 탄산나트륨군에서 적어도 하나 이상 선택된 염 8 내지 19중량%를 더 포함하여 분산시키는 것에 특징이 있는 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법.
The method of claim 1, wherein the dispersion in step (c) further comprises at least one salt selected from the group consisting of sodium chloride, potassium chloride, calcium chloride, sodium sulfate, potassium sulfate, calcium sulfate, sodium carbonate,
Sodium chloride, potassium chloride, calcium chloride, sodium sulfate, potassium sulfate Titanium or zirconium-substituted nitride salt bath heat treatment method characterized by further comprising 8 to 19% by weight of at least one salt selected from the group consisting of calcium sulfate, sodium carbonate.
제 2항에 있어서,
상기 아나타제 이산화티타늄 또는 이산화지르코늄은 소모되는 양만큼 지속적으로 더 첨가하는 것에 특징이 있는 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법.
The method of claim 2,
The anatase titanium dioxide or zirconium dioxide is titanium or zirconium-substituted nitride salt bath heat treatment method characterized in that it is continuously added as much as the amount consumed.
제1항에 있어서,
단계 (c)의 이산화티타늄은 아나타제 이산화티타늄인 것을 특징으로 하는 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법.
The method of claim 1,
Titanium or zirconium-substituted nitrile salt bath heat treatment method characterized in that the titanium dioxide of step (c) is anatase titanium dioxide.
제1항에 있어서,
단계 (c)의 이산화티타늄 또는 이산화지르코늄은 500 내지 600℃의 온도로 소성된 것임을 특징으로 하는 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법.
The method of claim 1,
Titanium or zirconium substituted nitrile salt bath heat treatment method characterized in that the titanium dioxide or zirconium dioxide of step (c) is calcined at a temperature of 500 to 600 ℃.
제1항에 있어서,
단계 (c)의 이산화티타늄 또는 이산화지르코늄은 500℃ 이하의 온도로 소성된 것임을 특징으로 하는 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법.
The method of claim 1,
Titanium or zirconium-substituted salt bath heat treatment method characterized in that the titanium dioxide or zirconium dioxide of step (c) is calcined at a temperature of 500 ℃ or less.
제1항에 있어서,
단계 (e)의 침지 온도는 563.7 내지 851℃인 것을 특징으로 하는 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법.
The method of claim 1,
The immersion temperature of step (e) is 563.7 to 851 ° C titanium or zirconium nitride salt bath heat treatment method.
제1항에 있어서,
단계 (e)의 침지 온도는 600 내지 851℃인 것을 특징으로 하는 티타늄 또는 지르코늄 치환형 질화 염욕 열처리 방법.
The method of claim 1,
The immersion temperature of step (e) is a titanium or zirconium nitride salt bath heat treatment method, characterized in that 600 to 851 ℃.
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