KR20090102080A - 초경질 미소입자를 이용한 칼날 - Google Patents
초경질 미소입자를 이용한 칼날Info
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Abstract
본 발명은 칼날 본체부와 절단날부로 구성되는 칼날에 있어서,
상기 칼날 본체부 및 절단날부 중 상기 절단날부를 포함하는 하나 이상은, 분말 조성물 총 중량에 대하여 입경이 1㎛~5㎛인 초경질 입자 분말 1~5중량%와 매트릭스를 형성하는 금속 분말 95~99중량%를 포함하는 분말 조성물을 사용하여 분말 야금법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 칼날에 관한 것이다. 본 발명의 칼날은 칼날끝이 톱날 또는 파상형으로 형성되어 절삭능력이 뛰어날 뿐만 아니라, 칼의 사용에 의해 마모가 일어나더라도 상기 톱날 또는 파상형의 칼날끝이 반영구적으로 유지되기 때문에 절삭능력의 감퇴가 거의 발생하지 않는다.
Description
본 발명은 조리용 식칼이나 가위, 나이프, 각형·환형(環型) 칼 등에 사용되는 칼날에 관한 것이다.
조리용 식칼이나 가위, 나이프, 각형 커터, 환형 회전 칼날 등 가정용, 산업용 칼날의 대부분은 탄소강재 등을 열처리에 의해 거의 동일한 경도를 갖도록 제조하여 원하는 형상의 칼날재를 얻은 후, 원하는 위치의 칼날 끝부에 날붙이 가공을 실시하여 제조된다. 탄소강의 열처리는 상기와 같이 칼날 전체 또는 칼날끝 형성부를 선택적으로 열처리하는 것이 가능한데, 그 경도는 그 조건·재질에 따라 거의 일정한 경도를 나타낸다. 또한, 일정한 경도를 나타내기 때문에 일정한 마모 조건에 대해서는 거의 동등한 마모 결과를 나타내며, 균일한 마모를 나타내는 것이다.
칼날의 절삭능력을 좌우하는 조건에 있어서, 톱날 또는 파상형의 칼날끝은 전혀 그렇지 않은 평평한 칼날끝과 비교하여 큰 절삭 능력을 나타내는 것이 잘 알려져 있다. 따라서, 마모로 인해 칼날끝에서 톱날 또는 파상형의 형상이 없어지면 절삭 능력이 대폭 감퇴하는 것도 용이하게 예상되며, 이러한 문제의 해소는 칼날의 절삭능력 유지에 있어서 매우 중요한 문제이다. 그러나, 이러한 문제의 해소를 위한 노력에도 불구하고 톱날 또는 파상형의 칼날끝을 마모로부터 장기간 유지하기 위한 효과적인 방법은 아직 제시되지 못하고 있다.
본 발명은, 종래기술의 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 칼날끝이 톱날 또는 파상형으로 형성되어 절삭능력이 뛰어날 뿐만 아니라, 상기 톱날 또는 파상형의 돌출부(마루)를 형성하는 초경질 입자는 내마모성이 강하고 함몰부(골)를 형성하는 금속 분말은 상대적으로 내마모성이 약하여 칼의 사용에 의해 마모가 일어나더라도 상기 톱날 또는 파상형의 칼날끝이 반영구적으로 유지됨으로써 절삭능력의 감퇴가 거의 발생하지 않는 뛰어난 내구성을 갖는 칼날을 제공 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 칼날 본체부와 절단날부로 구성되는 칼날에 있어서,
상기 칼날 본체부 및 절단날부 중 상기 절단날부를 포함하는 하나 이상은, 분말 조성물 총 중량에 대하여 입경이 1㎛~5㎛인 초경질 입자 분말 1~5중량%와 매트릭스를 형성하는 금속 분말 95~99중량%를 포함하는 분말 조성물을 사용하여 분말 야금법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 칼날을 제공한다.
본 발명의 칼날은 칼날끝이 톱날 또는 파상형으로 형성되어 절삭능력이 뛰어날 뿐만 아니라, 칼의 사용에 의해 마모가 일어나더라도 상기 톱날 또는 파상형의 칼날끝이 반영구적으로 유지됨으로써 절삭능력의 감퇴가 거의 발생하지 않는 뛰어난 품질을 갖는다.
도 1은 본 발명 칼날의 칼날끝 선단부의 정면을 확대 도시하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 칼날의 일실시예로서 조리용 식칼의 칼날을 도시한 측면도이다(칼날 본체와 절단날부를 동일한 조성으로 형성).
도 3은 본 발명의 칼날의 일실시예로서 조리용 식칼의 칼날을 도시한 측면도이다(칼날 본체와 절단날부를 다른 조성으로 형성).
도 4는 본 발명의 칼날의 일실시예로서 종이용 커터 나이프 칼날의 측면도이다.
도 5는 본 발명 칼날의 굴곡저항 강도 측정을 위한 측정 장치 및 측정방법을 도시하는 개념도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 칼날 끝 선단부, 2: 칼날끝 선단부의 두께
3: 초경질 입자, 10: 조리용 식칼의 칼날
11, 21: 칼날 본체부, 12, 22: 절단날부
13, 23: 초경질 입자, 20: 종이용 커터 나이프 칼날
A : 칼날, P : 하중,
a : 하중용 환봉, b1, b2 : 지지용 환봉
본 발명은 칼날 본체부와 절단날부로 구성되는 칼날에 있어서,
상기 칼날 본체부 및 절단날부 중 상기 절단날부를 포함하는 하나 이상은, 분말 조성물 총 중량에 대하여 입경이 1㎛~5㎛인 초경질 입자 분말 1~5중량%와 매트릭스를 형성하는 금속 분말 95~99중량%를 포함하는 분말 조성물을 사용하여 분말 야금법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 칼날에 관한 것이다.
본 발명에서 상기 분말 조성물은 이 분야에서 일반적으로 사용되는 첨가물을 분말 조성물 총 중량에 대하여 4중량% 이하의 범위로 더 포함할 수 있다.
본 발명의 칼날은 탄소강, 합금강과 같은 용해 압연 등에 의해 얻을 수 있는 일정한 성상(性狀), 경도를 나타내는 칼날재를 이용하지 않고, 분말 야금법에 의하여 제조되는 칼날재를 이용한다. 상기 분말 야금법에 사용되는 분말은 금속 분말과 초경질 입자 분말로 크게 나눌 수 있으며, 이들 2종을 적당량으로 배합한 분말 조성물을 금형에 충진한 후, 가압 성형 및 소결하여 칼날재를 형성한다. 상기 칼날재는 초경질 입자가 금속 조직에 점재(點在)되는 형상을 갖는다.
본 발명에서 사용되는 초경질 입자는 입경이 1㎛~5㎛인 것이 바람직하다. 본 발명에서 칼날끝은 톱날 또는 파상형으로 형성되는 것은 특징으로 하는데, 상기 초경질 입자는 톱날 또는 파상형의 칼날끝 형상에서 돌출부(마루)를 형성하며, 칼에 절단력을 부여한다. 따라서, 상기 초경질 입자의 입경이 5㎛를 초과하는 대경(大徑) 입자의 경우에는 절단 작업시에 걸림, 꺼칠꺼칠함 등에 의해 매끄럽고 보기 좋은 절단면을 얻기가 힘들고 칼날의 두께가 두꺼워지며(도 1 참조), 1㎛ 미만인 경우에는 마루(돌출) 높이가 0.5㎛ 이하가 되어 칼날끝을 톱날 또는 파상형으로 형성하는 효과가 적어진다.
본 발명에서 사용되는 초경질 입자 분말의 함량은 분말 조성물 총중량에 대하여 1~5중량%가 바람직하다. 그 이유는 예를 들면, 5중량%의 배합시에는 칼날끝 선단부 1㎜의 길이에 있어서, 1㎛ 입경의 초경질 입자는 최대 50 입자가 존재할 수 있으며(도 1 참조) 이 경우에, 칼날끝을 절단 목적으로 5㎝ 슬라이딩시켰을 때 2,500개의 1㎛입자가 톱날 효과를 수반하여 절단면을 슬라이딩함으로써 대단히 유효한 절삭 능력이 발생한다. 그러나, 5중량%를 초과하는 경우에는 이른바 이물 혼입량이 커지는 영향을 받아, 매트릭스인 금속 조직 강도가 저하하여, 칼날 본체부나 절단날부에 크랙, 치핑(chipping) 등이 발생하기 쉬운 결함이 병존하는 위험을 수반하기 때문이며, 또한, 초경질 입자 분말의 함량이 5중량%를 초과하는 경우에는 칼날끝 최선단부의 경질 입자 사이에 공간이 너무 작아 톱날 효과가 발휘되기 어려우며 1중량% 미만인 경우에는 그만큼 돌출 입자량이 적어 톱날 효과가 적어지고 그에 따라 절단능력이 저하되기 때문이다(도 1 참조).
상기에서 초경질 입자 분말 직경을 1㎛~5㎛로 설정하는 이유 및 초경질 입자 분말의 함량을 1~5중량%로 하는 이유를 상술하였다. 이러한 조건하에서 톱날 또는 파상형으로 형성된 칼날끝을 반영구적으로 유지하기 위해서는, 초경질 입자 분말이 상기 금속 분말에 대하여 5배 이상의 내마모성을 갖는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 칼 사용시에 절단물로부터의 마모 부하는 톱날 또는 파상형 형상의 함몰부(골)를 형성하는 매트릭스인 금속 조직보다 돌출부(마루)를 형성하는 초경질 입자에 훨씬 크게 걸리기 때문에 상기 금속 조직의 내마모성보다 5배 이상의 내마모성을 가져야 톱날 또는 파상형의 칼날끝 형상이 칼날을 사용하는 경우에도 반영구적으로 유지되어 초기의 절단력을 유지할 수 있기 때문이다. 만약, 초경질 입자의 내마모성이 5배 미만이라면, 칼날의 장기적인 사용에 의하여 톱날 또는 파상형의 칼날끝 형상은 사라지고 민자형의 칼날끝이 형성되어 절단력의 감쇄가 발생될 것이다.
본 발명에서 사용되는 상기 초경질 입자 분말의 HV 경도는 HV 2,000 이상인 것이 바람직하다. HV 경도가 HV 2,000 미만인 경우, 칼날끝의 마모가 빨리 진행되는 단점을 갖는다.
본 발명에서 사용되는 상기 초경질 입자 분말은 칼날재를 형성하기 전에 미리 니켈이나 티타늄으로 코팅하여 사용할 수도 있다. 상기와 같이 코팅된 초경질 분말 입자는 매트릭스를 구성하는 티타늄, 티타늄 합금 등의 금속 조직과 친화력이 매우 커서, 칼날의 강도를 향상시키는 효과를 제공한다.
본 발명의 칼날은 은 분말을 더 포함하여 제조될 수 있으며, 이 경우 칼날에 항균 기능을 부여할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 상기 초경질 입자 분말은 다이아몬드, CBN(cubic boron nitride), TIC(titanium carbide), VC(vanadium carbide), 및 GC(green silicon carbide) 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 금속 분말은 Ti, Ti 합금, 오스테나이트계 스테인리스, 및 페라이트계 합금 스테인리스 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성될 수 있다.
본 발명의 칼날은, 용도에 따라서, 상기 칼날 본체부 및 절단날부 모두가, 분말 조성물 총 중량에 대하여 입경이 1㎛~5㎛인 초경질 입자 분말 1~5중량%와 매트릭스를 형성하는 금속 분말 95~99중량%를 포함하는 분말 조성물을 사용하여 분말 야금법으로 제조될 수 있다. 도 2는 및 도 4는 각각 이러한 칼날의 일실시예로서 조리용 식칼의 칼날 및 종이 커터 나이프 칼날을 나타낸다.
또한, 용도에 따라서, 상기 칼날 본체부가 초경질 입자 분말을 포함하지 않는 형태로 제조될 수 있으며, 이 경우에, 상기 칼날 본체부는 Ti, Ti 합금, 오스테나이트계 스테인리스, 및 페라이트계 합금 스테인리스 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말로 형성될 수 있다. 이 경우에 칼날은 상기 금속 분말과, 상기 절단날부를 형성하는 초경질 입자 분말과 매트릭스를 형성하는 금속 분말을 포함하는 분말 조성물을 사용하여 분말 야금법에 의해 제조할 수 있다. 도 3은 이러한 칼날의 일실시예로서 조리용 식칼의 칼날을 나타내고 있다.
본 발명의 칼날은 조리용 식칼이나 가위, 나이프, 각형·환형(環型) 칼 등에 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 칼날의 제조방법은 다음과 같다.
본 발명의 칼날은 조성물 총 중량에 대하여 입경이 1㎛~5㎛인 초경질 입자 분말 1~5중량%와 매트릭스를 형성하는 금속 분말 95~99중량%를 포함하는 분말 조성물을 원하는 형태로 충전하여 압축 성형한 다음, 진공로 또는 불활성 가스로 중에서 소결시켜, 이 소결물에 날붙이 가공을 실시하여 제조한다. 이 경우의 소결 온도로는 상기 초경질 입자 분말 및 상기 금속 분말의 변성을 피하는데 필요한 온도로서, 통상 1300℃이하가 적당하지만, 노체의 구조 그 이외의 조건에 따라 약간 다른 것으로 생각된다.
또한, 칼날 본체부와 절단날부의 조성이 다른 칼날의 경우에는 칼날 본체부를 구성하는 금속 분말과 절단날부를 형성하는 초경질 입자를 포함하는 분말을 원하는 형태로 충전하여 압축 성형하며, 그 이후의 공정은 상기의 내용과 동일하다.
이하에서, 실시예 및 시험예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예 및 시험예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예 및 시험예에 의하여 제한되는 것은 아니며, 당업자에 의하여 본 발명의 범위 내에서 적절히 수정 변경될 수 있다.
실시예
1: 칼날의 제조
다이아몬드분말 0.170g(4중량%)과 오스테나이트계 스테인리스 분말 4.075g(96중량%)을 혼합하여 금형에 충진한 후, 가압 성형하고 불활성 가스로 중에서 1200℃에서 소결하고, 이 소결물에 날붙이 가공을 실시하여 칼날을 제조하였다.
비교예
1: 칼날의 제조
다이아몬드분말 0.875g(21중량%) 및 혼합 합금분말(순 Ti분말 : 6Al 4V 합금분말 = 9:1의 혼합분말) 3.37g(79중량%)을 혼합하여 금형에 충진한 후, 가압 성형하고 불활성 가스로 중에서 1200℃에서 소결하고, 이 소결물에 날붙이 가공을 실시하여 칼날을 제조하였다.
시험예
: 칼날의
굴곡저항
강도 측정
도 5에 도시된 것과 같은 장치에 의해, 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 칼날의 굴곡저항 강도를 측정하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 칼날을 각각 지지용 환봉(b1 및 b2)위에 올려 놓고 하중용 환봉(a)으로 하중을 가해 상기 칼날이 구부려저 손상될 때의 하중(P) 평균치를 측정하였다. 그 결과 상기 실시예 1에서 제조된 칼날의 경우, 칼날이 구부려저 손상될 때의 하중(P) 평균치는 약 200.0㎏/㎣였다. 그러나, 비교예 1에서 제조된 칼날의 경우, 하중(P) 평균치는 약 4.0㎏/㎣였다.
상기의 시험결과로부터 본 발명의 칼날재(초경질 입자 분말 함량 1~5중량%)를 이용하여 제조된 칼날은 비교예 1의 칼날재(초경질 입자 분말 함량 5중량% 초과)로 제조된 칼날보다 월등한 굴곡저항 강도를 갖는 것을 확인하였다. 이러한 결과는, 본 발명에 의한 칼날(실시예 1)은 비교예 1에서 제조된 칼날과 비교할 때, 동일한 조건하에서 칼날 망가짐이 현저하게 적고, 이에 기인하여 절단성이 훨씬 장기간 지속되는 것으로 이해될 수 있다.
Claims (9)
- 칼날 본체부와 절단날부로 구성되는 칼날에 있어서,상기 칼날 본체부 및 절단날부 중 상기 절단날부를 포함하는 하나 이상은, 분말 조성물 총 중량에 대하여 입경이 1㎛~5㎛인 초경질 입자 분말 1~5중량%와 매트릭스를 형성하는 금속 분말 95~99중량%를 포함하는 분말 조성물을 사용하여 분말 야금법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 칼날.
- 청구항 1에 있어서, 상기 초경질 입자 분말은 상기 금속 분말에 대하여 5배 이상의 내마모성을 갖는 것을 특징으로 하는 칼날.
- 청구항 1에 있어서, 상기 초경질 입자 분말은 HV 경도가 HV 2,000 이상인 것을 특징으로 하는 칼날.
- 청구항 1에 있어서, 상기 초경질 입자 분말은 니켈이나 티타늄으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 칼날.
- 청구항 1에 있어서, 상기 분말 조성물이 은 분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 칼날.
- 청구항 1에 있어서, 상기 초경질 입자 분말이 다이아몬드, CBN(cubic boron nitride), TIC(titanium carbide), VC(vanadium carbide), 및 GC(green silicon carbide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 칼날.
- 청구항 1에 있어서, 상기 금속 분말이 Ti, Ti 합금, 오스테나이트계 스테인리스, 및 페라이트계 합금 스테인리스로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 칼날.
- 청구항 1에 있어서, 상기 칼날 본체부 및 절단날부 모두가, 분말 조성물 총 중량에 대하여 입경이 1㎛~5㎛인 초경질 입자 분말 1~5중량%와 매트릭스를 형성하는 금속 분말 95~99중량%를 포함하는 분말 조성물을 사용하여 분말 야금법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 칼날.
- 청구항 1에 있어서, 상기 칼날 본체부는 Ti, Ti 합금, 오스테나이트계 스테인리스, 및 페라이트계 합금 스테인리스로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말로 분말 야금법에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 칼날.
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