KR20200140643A

KR20200140643A - 내식성과 경도가 향상된 친환경 바벨봉 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20200140643A
Application number: KR1020190067554A
Authority: KR
Inventors: 조주영; 정주혁; 정재웅; 김동현
Original assignee: 동아대학교 산학협력단
Priority date: 2019-06-07
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2020-12-16

Abstract

본 발명은 내식성과 경도가 향상된 친환경 바벨봉 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 Fe₂N, Fe₃N, 및 Fe₄N 중에서 선택된 하나 이상이 혼합되어 있는 화합물층과 산화피막층이 표면에 코팅된 친환경 바벨봉 및 그 제조방법에 관한 것이며, 화합물층과 산화피막층이 표면에 코팅되어 있고 색을 구현할 수 있는 친환경 바벨봉에 관한 것이다.
본 발명은 화합물층 및 산화피막층이 표면에 형성된 친환경 바벨봉과 그 제조방법을 제공함으로써, 도금이 쉽게 벗겨지고 부식이 유발되는 종래의 크롬 도금 바벨봉에 비해 우수한 내식성, 내피로성, 내열성, 경도, 강도, 내마모성을 나타내어 쉽게 부식되지 되지 않고 오래 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 바벨봉을 제조하는 산질화 과정에서는 크롬 도금 공정과 달리 유해물질의 배출이 없어 친환경적이며, 짧은 시간 내에 바벨봉의 대량생산이 가능하고, 경제성이 높으며, 생산성이 우수한 효과가 있다.

Description

내식성과 경도가 향상된 친환경 바벨봉 및 그 제조방법 {Eco-friendly bar bell with Improved hardness and manufacturing method the same}

본 발명은 내식성과 경도가 향상된 친환경 바벨봉 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 Fe₂N, Fe₃N, 및 Fe₄N 중에서 선택된 하나 이상이 혼합되어 있는 화합물층과 산화피막층이 표면에 코팅된 친환경 바벨봉 및 그 제조방법에 관한 것이며, 화합물층과 산화피막층이 표면에 코팅되어 있고 색을 구현할 수 있는 친환경 바벨봉에 관한 것이다.

금속의 표면 처리는 표면을 아름답게 하거나 표면의 내식성, 내마모성, 내열성 등의 기계적 성질을 향상시키기 위한 기술을 일컫는다. 금속의 표면을 처리하는 방법에는 다른 금속, 페인트 등을 이용한 도금이나 도장이 있으며, 표면에 피막을 형성하여 내부를 보호할 수 있는 표면 열처리, 표면 경화 열처리가 있다.

표면 경화 열처리는 표면에 침투하는 원소 또는 표면을 처리하는 방식에 다라 다양한 방법이 존재한다. 탄소를 침투할 경우, 침탄, 질소를 침투할 경우 질화, 붕소를 침투할 경우 침붕과 같이 침투하는 원소에 따라 차이가 있으며, 그 외에 질화침탄, 산질화 등의 방법이 있다.

특히, 산질화는 질소를 이용하여 금속의 표면을 질화처리 한 후 산화성 분위기에서 질화 화합물층 표면에 산화피막층을 형성시키는 표면 처리 방법으로, 기존의 질화처리 후 기계적 성질을 더욱 강화시켜주며, 외형적으로도 뛰어난 표면처리에 속한다. 이러한 산질화 과정을 통해 표면 처리된 금속은 내마모성, 내피로도, 내식성 등이 향상되며, 표면에 색상이 구현될 수 있어 미적 특성도 부여될 수 있다.

한편, 종래의 바벨봉은 부식을 방지하기 위하여 크롬 도금을 통해 표면을 처리하여 사용되었다. 그러나 크롬 도금의 경우 도금이 벗겨지면 도 1에 나타난 바와 같이 곧바로 바벨봉의 부식이 진행되며, 도금을 진행하는 공정에서 유해물질이 발생하고 인체에 두드러기나 피부병같은 질병을 유발할 수도 있다. 또한, 도금이 벗겨져 녹이 발생하면 매번 이를 제거하거나 부식이 심할 경우에는 바벨봉을 교체해야하는 번거로움이 있다.

이에 따라 '대한민국 공개특허 제 10-2012-0052418 호'는 무크롬 표면 처리 아연계 도금 강판에 대하여 개시하고 있으며, 유기 규소 화합물과 폴리우레탄 수지, 인히비터 성분 등을 포함하는 성분으로 표면 처리 하는 방법을 개시하고 있으나, 표면 처리 물질의 구성성분이 많고 그 합성방법 및 제조과정이 복잡하다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명에서는 종래의 크롬 도금이 아닌 산질화 열처리를 통해 바벨봉 표면을 처리하여 경도와 내식성이 우수한 친화경 바벨봉을 제공하고자 한다.

KR 10-2012-0052418 A KR 10-2017-0100939 A

상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 화합물층 및 산화피막층이 표면에 형성된 친환경 바벨봉을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 화합물층 및 산화피막층이 표면에 형성된 친환경 바벨봉의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 화합물층 및 산화피막층이 표면에 형성되어 색을 구현할 수 있는 친환경 바벨봉을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 해결하기 위하여 본 발명은

0.3 내지 0.5 중량%의 탄소를 함유하는 강재;

Fe₂N, Fe₃N, 및 Fe₄N 중에서 선택된 하나 이상이 혼합되어 있는 15 내지 30 ㎛ 두께의 화합물층; 및

산화피막층;을 포함하고,

상기 강재의 표면에 상기 화합물층이 형성되며,

상기 화합물층 상부에 상기 산화피막층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉을 제공한다.

상기 다른 목적을 해결하기 위하여 본 발명은

탄소 강재를 투입한 산질화로를 승온시키는 제 1 단계;

상기 산질화로 내 가스를 주입하여 가스 연질화된 탄소 강재를 형성하는 제 2 단계;

상기 가스 연질화된 탄소 강재를 산화처리하여 산질화된 탄소 강재를 형성하는 제 3 단계; 및

상기 산질화된 탄소 강재를 냉각하는 제 4 단계;를 포함하고,

상기 제 2 단계는 탄소 강재 표면에 Fe₂N, Fe₃N, 및 Fe₄N 중에서 선택된 하나 이상이 혼합되어 있는 화합물층을 형성하며,

상기 제 3 단계는 상기 화합물층 상부에 상기 산화피막층을 코팅하는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉의 제조방법을 제공한다.

상기 또 다른 목적을 해결하기 위하여 본 발명은

0.3 내지 0.5 중량%의 탄소를 함유하는 강재;

흑색 또는 청색을 구현할 수 있는 산화피막층;을 포함하고,

상기 강재의 표면에 상기 화합물층이 형성되며,

상기 화합물층 상부에 상기 산화피막층이 코팅되어 흑색 또는 청색이 구현되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉을 제공한다.

본 발명은 화합물층 및 산화피막층이 표면에 형성된 친환경 바벨봉과 그 제조방법을 제공함으로써, 도금이 쉽게 벗겨지고 부식이 유발되는 종래의 크롬 도금 바벨봉에 비해 우수한 내식성, 내피로성, 내열성, 경도, 강도, 내마모성을 나타내어 쉽게 부식되지 되지 않고 오래 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 바벨봉을 제조하는 산질화 과정에서는 크롬 도금 공정과 달리 유해물질의 배출이 없어 친환경적이며, 짧은 시간 내에 바벨봉의 대량생산이 가능하고, 경제성이 높으며, 생산성이 우수한 효과가 있다.

도 1은 종래의 크롬 도금 처리된 바벨봉이 부식되었을 때 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바벨봉 시편의 산질화 처리 과정을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산질화 처리된 바벨봉 견본품의 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산질화 처리된 바벨봉 시편의 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 비교예에 따른 크롬 도금 처리된 바벨봉 시편의 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 가스 연질화를 통해 바벨봉 시편의 표면에 형성된 확산층 및 화합물층을 나타낸 것이다.

본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는한 복수형도 포함한다.

본 발명은 내식성과 경도가 향상된 친환경 바벨봉 및 그 제조방법에 관한 것으로, 화합물층과 산화피막층이 표면에 코팅된 친환경 바벨봉 및 그 제조방법에 관한 것이며, 화합물층과 산화피막층이 표면에 코팅되어 있고 색을 구현할 수 있는 친환경 바벨봉에 관한 것이다.

이하 본 발명에 대해 보다 상세히 설명한다.

일측면에 따르면, 본 발명은 0.3 내지 0.5 중량%의 탄소를 함유하는 강재; Fe₂N, Fe₃N, 및 Fe₄N 중에서 선택된 하나 이상이 혼합되어 있는 15 내지 30 ㎛ 두께의 화합물층; 및 산화피막층;을 포함하고, 상기 강재의 표면에 상기 화합물층이 형성되며, 상기 화합물층 상부에 상기 산화피막층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉을 제공한다.

본 발명의 친환경 바벨봉에서 강재는 바람직하게 0.4 내지 0.5 중량%의 탄소를 함유할 수 있으며, 화합물층은 Fe₂N, Fe₃N, 및 Fe₄N이 혼합된 15 내지 25 ㎛ 두께를 나타낼 수 있고, 산화피막층은 바람직하게 Fe₂O₄일 수 있다.

이러한 화합물층은 질화처리, 산질화처리, 가스질화처리, 가스 연질화처리, 및 산질화 열처리 중에서 선택된 하나 이상의 과정을 통해 상기 강재의 표면에 형성될 수 있으며, 바람직하게는 질화처리 또는 가스 연질화처리를 통해 형성될 수 있다.

본 발명의 화합물층을 형성하기 위한 질화 또는 연질화 과정은 탄소 강재와 질소 가스 사이에 일어나는 반응을 일으킬 수 있으며, 바람직하게는 질화 또는 연질화 과정을 통해 질소가스를 탄소 강재의 표면에 침투시켜 경하고 취약한 화합물층을 형성할 수 있다.

또한, 산화피막층은 산질화처리, 산화처리, 산화 열처리 및 산질화 열처리 중에서 선택된 하나 이상의 과정을 통해 형성될 수 있으며, 바람직하게는 화합물층을 형성하는 질화처리 또는 가스 연질화처리 이후 산화처리 또는 산화 열처리를 통해 형성될 수 있다.

본 발명의 산화피막층을 형성하기 위환 산화처리 과정은 질화 또는 연질화 처리 과정 이후 탄소 강재의 내식성을 높이지 위한 과정으로, 바람직하게는 질화 또는 연질화 과정 후 탄소 강재의 표면에 산화피막층을 형성시킬 수 있다. 이러한 산화피막층은 하기 반응식 1과 같은 반응에 의해 형성될 수 있다.

[반응식 1]

2Fe + H₂O ↔ 2FeO + 2H₂

6FeO + O₂ ↔ 2Fe3O₄

이러한 화합물층 및 산화피막층이 표면에 형성된 본 발명의 바벨봉은 450 내지 700 HV의 경도를 나타낼 수 있으며, 바람직하게는 550 내지 700 HV의 경도를 나타낼 수 있다.

또한, 본 발명의 친환경 바벨봉은 높은 내식성을 나타낼 수 있다. 본 발명의 친환경 바벨봉은 표면을 질화, 연질화, 산화처리와 같은 과정을 거쳐, 확산층, 화합물층 및 산화피막층을 표면에 형성할 수 있으며, 종래의 표면을 크롬 도금처리한 바벨봉과 염수분무 비교 시험할 경우 크롬 도금처리 바벨봉에 비해 2 내지 5배 높은 내식성을 나타낼 수 있다.

다른 측면에 따르면, 본 발명은 탄소 강재를 투입한 산질화로를 승온시키는 제 1 단계; 상기 산질화로 내 가스를 주입하여 가스 연질화된 탄소 강재를 형성하는 제 2 단계; 상기 가스 연질화된 탄소 강재를 산화처리하여 산질화된 탄소 강재를 형성하는 제 3 단계; 및 상기 산질화된 탄소 강재를 냉각하는 제 4 단계;를 포함하고, 상기 제 2 단계는 탄소 강재 표면에 Fe₂N, Fe₃N, 및 Fe₄N 중에서 선택된 하나 이상이 혼합되어 있는 화합물층을 형성하며, 상기 제 3 단계는 상기 화합물층 상부에 상기 산화피막층을 코팅하는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 친환경 바벨봉의 제조방법은 강도를 높이거나 표면의 두께를 두겁게 하는 등의 목적에 따라 가스 연질화, 산화처리 과정의 조건이 달라질 수 있다. 바람직하게 본 발명의 친환경 바벨봉의 제조방법에서는 산질화로를 500 내지 600℃의 온도로 승온시키는 제 1단계를 포함하고, 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 및 이산화탄소(CO₂)가 6 - 7 : 2 - 3.5 : 0.5 - 1의 부피비로 혼합된 가스를 산질화로 내에 투입하여 4시간 내지 5시간 동안 탄소 강재를 가스 연질화 처리하는 제 2 단계를 포함할 수 있다. 이 때, 혼합된 가스는 1시간 주기로 산질화로 내에 주입할 수 있으며, 혼합된 가스 중 암모니아는 하기 반응식 2를 통해 분해되어 질소가스를 생성할 수 있고, 이산화탄소는 암모니아에서 생성된 질소가스 및 산질화로 내 투입된 질소가스의 탄소 강재 표면으로의 침투를 촉진할 수 있다.

[반응식 2]

2NH₃ ↔ 3H₂ + 2N

상기 가스 연질화 이후 제 3 단계에서는 450 내지 500℃의 온도에서 산질화로 내 수증기를 주입하여 가스 연질화된 탄소 강재를 산화처리할 수 있으며, 이때 수증기는 상압까지 주입할 수 있다. 또한, 제 3 단계의 온도 조건에 따라 가스 연질화된 탄소 강재의 표면에 코팅, 형성되는 산화피막층이 색을 구현할 수 있으며, 바람직하게는 흑색 또는 청색을 구현할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 0.3 내지 0.5 중량%의 탄소를 함유하는 강재; Fe₂N, Fe₃N, 및 Fe₄N 중에서 선택된 하나 이상이 혼합되어 있는 15 내지 30 ㎛ 두께의 화합물층; 및 흑색 또는 청색을 구현할 수 있는 산화피막층;을 포함하고, 상기 강재의 표면에 상기 화합물층이 형성되며, 상기 화합물층 상부에 상기 산화피막층이 코팅되어 흑색 또는 청색이 구현되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉을 제공한다.

[반응식 1]

2Fe + H₂O ↔ 2FeO + 2H₂

6FeO + O₂ ↔ 2Fe3O₄

본 발명의 흑색이 구현되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉은 400 내지 500 ℃의 열처리 과정을 통해 색이 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 청색이 구현되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉은 250 내지 380 ℃의 열처리 과정을 통해 색이 구현될 수 있다.

흑색 또는 청색을 구현할 수 있는 산화피막층은 Hematite, Magnetite, 및Wustite으로 구성될 수 있으며, 열처리 온도에 따라 Hematite 및 Magnetite의 분율이 달라질 수 있다. 바람직하게는 열처리 온도가 높을수록 즉, Hematite에 비해 Magnetite의 분율이 높을수록 흑색에 가까운 색을 구현할 수 있으며, 열처리 온도가 낮을수록 즉, Hematite에 비해 Magnetite의 분율이 낮을수록 청색에 가까운 색을 구현할 수 있다.

하기 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

<실시예>

실시예 1 - 산질화된 바벨봉 시편 제조

본 발명의 산질화된 바벨봉의 시편을 제조하기 위하여 도 2에 도시한 과정에 따라 시편을 산질화하였다. 우선 0.45 중량%의 탄소를 함유한 s45c 환봉을 가로 2cm, 세로 2cm, 두께 1cm로 절삭하여 시편을 제조한 후, 산질화로 내 투입하였다. 이후 산질화로는 560℃로 까지 승온시켰으며, 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 및 이산화탄소(CO₂)를 산질화로 내 주입하여 180분 동안 시편을 연질화하였다. 이 때 가스는 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 및 이산화탄소(CO₂)를 6 : 3.5 : 0.5의 비율로 한시간 마다 주입하였다. 가스 연질화 과정 후 고온의 수증기를 산질화로 내 주입하여 1시간 동안 산화 처리하였으며, 이후 400℃까지 노냉시켜 시편을 꺼낸 후 공냉시켜 최종적으로 산질화된 바벨봉 시편을 제조하였다.

또한, 산질화된 바벨봉을 완제품 형태로 제조하기 위하여 도 3에 도시한 도면에 따라 축소된 형태의 산질화된 바벨봉의 견본품을 제조하였다.

실시예 2 - 색이 구현된 바벨봉 시편 제조(흑색)

본 발명의 산질화된 바벨봉의 시편을 제조하기 위하여 도 2에 도시한 과정에 따라 시편을 산질화하였다. 우선 0.45 중량%의 탄소를 함유한 s45c 환봉을 가로 2cm, 세로 2cm, 두께 1cm로 절삭하여 시편을 제조한 후, 산질화로 내 투입하였다. 이후 산질화로는 560℃로 까지 승온시켰으며, 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 및 이산화탄소(CO₂)를 산질화로 내 주입하여 180분 동안 시편을 연질화하였다. 이 때 가스는 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 및 이산화탄소(CO₂)를 6 : 3.5 : 0.5의 비율로 한시간 마다 주입하였다. 가스 연질화 과정 후 500℃에서 고온의 수증기를 산질화로 내 주입하여 1시간 동안 산화 처리하였으며, 이후 400℃까지 노냉시켜 시편을 꺼낸 후 공냉시켜 최종적으로 표면에 흑색이 구현된 바벨봉 시편을 제조하였다.

실시예 3 - 색이 구현된 바벨봉 시편 제조(청색)

본 발명의 산질화된 바벨봉의 시편을 제조하기 위하여 도 2에 도시한 과정에 따라 시편을 산질화하였다. 우선 0.45 중량%의 탄소를 함유한 s45c 환봉을 가로 2cm, 세로 2cm, 두께 1cm로 절삭하여 시편을 제조한 후, 산질화로 내 투입하였다. 이후 산질화로는 560℃로 까지 승온시켰으며, 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 및 이산화탄소(CO₂)를 산질화로 내 주입하여 180분 동안 시편을 연질화하였다. 이 때 가스는 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 및 이산화탄소(CO₂)를 6 : 3.5 : 0.5의 비율로 한시간 마다 주입하였다. 가스 연질화 과정 후 350℃에서 고온의 수증기를 산질화로 내 주입하여 1시간 동안 산화 처리하였으며, 이후 400℃까지 노냉시켜 시편을 꺼낸 후 공냉시켜 최종적으로 표면에 청색이 구현된 바벨봉 시편을 제조하였다.

비교예 1 - 크롬 도금된 바벨봉 시편 제조

0.45 중량%의 탄소를 함유한 s45c 환봉을 가로 2cm, 세로 2cm, 두께 1cm로 절삭하여 시편을 제조한 후, 경질 크롬 도금하였다. 크롬 도금은 55℃에서 30분 동안 진행하였으며, 도금층의 두께가 0.003mm인 크롬 도금된 바벨봉 시편을 제조하였다.

<실험예>

실험예 1 - 시편의 표면 분석

시편에 형성된 표면층의 단면조직 연구를 위해, 시편의 단면을 폴리싱해서 경면 가공한 후 4%의 나이탈(nital)을 사용해 부식시켜 주사전자현미경(SEM) 관찰하였으며, 표면경화층인 질화물층과 산화물층의 상분석과 분포 양상을 확인하기 위하여 전자탐침미량 분석(EPMA)도 수행하였다.

실험예 2 - 시편의 경도 측정

상기 실시예 및 비교예에 따른 바벨봉 시편의 경도를 측정하기 위하여 마이크로 비커스 경도기를 이용하였다. 경도기를 이용하여 하중 50gf 조건에서 10회 반복하여 각각의 시편의 경도를 측정하였으며, 경도값 중 최소값과 최대값을 제외한 나머지 값을 합산하여 평균값을 도출하였다.

<결과 및 평가>

결과 1 - 바벨봉 시편의 산질화 및 색의 구현

상기 실시예 1에 따라 제조한 표면이 산질화 처리된 바벨봉 시편을 도 4에 도시하였으며, 상기 비교예 1에 따라 제조한 표면이 크롬 도금된 바벨봉 시편을 도 5에 도시하였다.

그 결과, 실시예 1에 따라 제조된 바벨봉 시편의 표면은 검은색의 무광을 나타내어 미관상 고급스러웠으며, 비교예 1에 따라 제조된 바벨봉 시편의 표면은 미려하고 은색의 광택을 나타내었다.

또한, 상기 실시예 2 및 실시예 3에 따라 제조한 산질화 바벨봉 시편을 확인한 결과, 500℃에서 수증기를 투입하여 산화처리한 실시예 2에 따른 바벨봉의 시편은 표면에 흑색이 구현되는 것을 확인할 수 있었으며, 350℃에서 수증기를 투입하여 산화처리한 실시예 3에 따른 바벨봉의 시편은 표면에 청색이 구현되는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 2에 따라 제조한 바벨봉 시편은 열처리 온도가 높아 Hematite에 비해 Magnetite의 분율이 높으므로 흑색에 가까운 색을 구현하는 것으로 판단되며, 실시예 3에 따라 제조한 바벨봉 시편은 열처리 온도가 낮아 Hematite에 비해 Magnetite의 분율이 낮으므로 청색에 가까운 색을 구현하는 것으로 판단된다.

결과 2 - 바벨봉 시편의 표면 분석

상기 실시예 1 내지 3에 따라 제조한 표면에 산질화 처리된 바벨봉 시편의 표면을 분석하였다.

그 결과, 가스 연질화 과정을 통해 도 6에 도시된 바와 같이 표면 내부에 확산층이 형성되고 외부에 화합물층이 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 화합물층에서 시편의 내마모성 및 내식성을 향상시킬 수 있는 ε상(Fe₂N, Fe₃N)과 γ'상(Fe₄N)이 형성된 것을 확인할 수 있었다.

산질화 처리에 의해 생성된 확산층(diffusion layer)은 질소 고용물과 타 성분의 원소(Al, Cu, V, Cl 등)가 결합된 미세 질화물이 존재하여 피로강도를 향상시키는 것으로 알려져있다. 또한, ε상(Fe₂N, Fe₃N)과 γ'상(Fe₄N)이 형성된 화합물층(compound layer)은 연질화 과정에서 산질화로 내 투입된 이산화탄소가 촉매 역할을 하고, 암모니아가 분해되어 생성되는 질소가스와 산질화로 내 투입된 질소가스가 시편 표면으로 침투하여 형성되며, 이러한 화합물층은 표면의 강도와 내식성을 증가시키나 경하고 취약한 것을 확인할 수 있었다.

가스 연질화 이후 수행된 산화처리 과정을 통해 상기 화합물층의 표면(상부)에 내식성, 내마모성, 강도, 경도와 같은 기계적 성질을 향상시킬 수 있는 산화피막층이 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 산화피막층은 산질화로 내 수증기에 의해 산소와 철의 원자가 결합하여 형성된 Fe₂O₄인 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에서는 상기 실시예와 같이 가스 연질화 과정 및 산화처리 즉, 산질화 과정을 통해 확산층, 화합물층, 및 산화피막층이 적층되어 표면에 코팅된 친환경 바벨봉을 제공하고 있으며, 이러한 친환경 바벨봉은 경도, 내식성, 내마모성, 강도 등의 기계적 특성을 나타낼 것으로 판단된다.

결과 3 - 바벨봉 시편의 경도 측정

상기 실시예 1 및 비교예 1의 바벨봉 시편의 경도를 측정하여 비교하였다. 그 결과, 아무런 처리를 하지 않은 시편의 경도는 178 HV로 나타났으며, 크롬 도금 처리된 시편의 경도는 271 HV로 나타났다. 그러나 실시예 1에 따른 산질화된 시편의 경도는 651 HV로 아무런 처리를 하지 않은 시편과 크롬 도금 처리된 시편에 비해 약 1.5 내지 3.8 배 높은 경도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 바벨봉과 같은 헬스 기구의 최소 안전 기준 경도값이 436 HV임을 고려할 때, 산질화된 바벨봉 시편의 경도는 안정상 기준에도 적합한 것을 알 수 있었다.

Claims

0.3 내지 0.5 중량%의 탄소를 함유하는 강재;
Fe₂N, Fe₃N, 및 Fe₄N 중에서 선택된 하나 이상이 혼합되어 있는 15 내지 30 ㎛ 두께의 화합물층; 및
산화피막층;을 포함하고,
상기 강재의 표면에 상기 화합물층이 형성되며,
상기 화합물층 상부에 상기 산화피막층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉.
제 1 항에 있어서,
상기 화합물층은 질화처리, 산질화처리, 가스질화처리, 가스 연질화처리, 및 산질화 열처리 중에서 선택된 하나 이상의 과정을 통해 상기 강재의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉.
제 1 항에 있어서,
상기 산화피막층은 산질화처리, 산화처리, 산화 열처리 및 산질화 열처리 중에서 선택된 하나 이상의 과정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉.
제 1 항에 있어서,
상기 바벨봉은 450 내지 700 HV의 경도를 나타내는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉.
탄소 강재를 투입한 산질화로를 승온시키는 제 1 단계;
상기 산질화로 내 가스를 주입하여 가스 연질화된 탄소 강재를 형성하는 제 2 단계;
상기 가스 연질화된 탄소 강재를 산화처리하여 산질화된 탄소 강재를 형성하는 제 3 단계; 및
상기 산질화된 탄소 강재를 냉각하는 제 4 단계;를 포함하고,
상기 제 2 단계는 탄소 강재 표면에 Fe₂N, Fe₃N, 및 Fe₄N 중에서 선택된 하나 이상이 혼합되어 있는 화합물층을 형성하며,
상기 제 3 단계는 상기 화합물층 상부에 상기 산화피막층을 코팅하는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 가스는 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 및 이산화탄소(CO₂)가 6 - 7 : 2 - 3.5 : 0.5 - 1의 부피비로 혼합된 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 제 3 단계는 수증기를 상압까지 주입하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉의 제조방법.
0.3 내지 0.5 중량%의 탄소를 함유하는 강재;
Fe₂N, Fe₃N, 및 Fe₄N 중에서 선택된 하나 이상이 혼합되어 있는 15 내지 30 ㎛ 두께의 화합물층; 및
흑색 또는 청색을 구현할 수 있는 산화피막층;을 포함하고,
상기 강재의 표면에 상기 화합물층이 형성되며,
상기 화합물층 상부에 상기 산화피막층이 코팅되어 흑색 또는 청색이 구현되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉.
제 8 항에 있어서,
상기 화합물층은 질화처리, 산질화처리, 가스질화처리, 가스 연질화처리, 및 산질화 열처리 중에서 선택된 하나 이상의 과정을 통해 상기 강재의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉.
제 8 항에 있어서,
상기 산화피막층은 산질화처리, 산화처리, 산화 열처리 및 산질화 열처리 중에서 선택된 하나 이상의 과정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉.
제 8 항에 있어서,
상기 흑색은 400 내지 500 ℃의 열처리 과정을 통해 구현되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉.
제 8 항에 있어서,
상기 청색은 250 내지 380 ℃의 열처리 과정을 통해 구현되는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉.
제 8 항에 있어서,
상기 바벨봉은 450 내지 700 HV의 경도를 나타내는 것을 특징으로 하는 친환경 바벨봉.