KR20200083006A - 칼의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

칼을 제조하는 방법을 제공한다. 칼의 제조 방법은, i) 칼등과 칼날을 포함하는 칼을 제공하는 단계, ii) 칼을 700℃ 내지 800℃로 가열하는 단계, iii) 칼날의 일부만 냉각제에 침지하여 제1 기설정 시간 동안 1차 담금질하는 단계, iv) 칼을 냉각제로부터 빼내어 350℃ 내지 450℃의 온도를 가진 칼등의 열전도에 의해 제2 기설정 시간 동안 1차 뜨임 처리하는 단계, v) 칼날 전체를 냉각제에 침지하여 제3 기설정 시간 동안 2차 담금질하는 단계, vi) 칼을 냉각제로부터 빼내어 350℃ 내지 450℃의 온도를 가진 칼등의 열전도에 의해 제4 기설정 시간 동안 2차 뜨임 처리하는 단계, 및 vii) 칼 전체를 냉각제에 침지하여 냉각하는 단계를 포함한다.

Description

칼의 제조 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING KNIFE}

본 발명은 칼의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 열처리를 통하여 그 인성과 경도를 모두 향상시킨 칼의 제조 방법에 관한 것이다.

한국에서 전통적으로 제조되는 칼은 사철 제련을 통해 얻어진 철을 다층으로 접으면서 누르고 불순물을 제거해 제조된다. 철을 길게 펴서 여러 겹으로 만드는 접쇠 공정에서는 침탄을 실시해 고탄소강층과 저탄소강층을 교대로 여러번 적층하여 다층 무늬를 만든다. 이러한 방법으로 제조된 다층 무늬의 칼은 그 강도 및 인성이 우수하다.

다만, 이러한 방법으로 제조된 칼의 표면은 부식에 취약할 뿐만 아니라 칼날의 절삭성과 경도 향상에 한계가 있다. 따라서 이를 위해 칼날과 칼등에 냉각 속도 차이를 부여하여 경도와 강도를 개선한다. 즉, 칼날을 제외한 칼 표면에 황토 등을 두껍게 도포해 칼의 각 부분별로 냉각 속도를 제어한다. 그러나 황토 등이 칼 표면으로부터 박리되어 균일한 열처리가 어렵다. 또한, 열처리 공정이 제작자의 감에 의존하기 때문에 칼의 품질이 균일하지 않은 문제점이 있다.

한국등록특허 제1746837호

칼의 제조 방법을 제공한다. 좀더 구체적으로, 우수한 인성과 경도를 가지는 칼의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 칼의 제조 방법은 i) 칼등과 칼날을 포함하는 칼을 제공하는 단계, ii) 칼을 700℃ 내지 800℃로 가열하는 단계, iii) 칼날의 일부만 냉각제에 침지하여 제1 기설정 시간 동안 1차 담금질하는 단계, iv) 칼을 냉각제로부터 빼내어 350℃ 내지 450℃의 온도를 가진 칼등의 열전도에 의해 제2 기설정 시간 동안 1차 뜨임 처리하는 단계, v) 칼날 전체를 냉각제에 침지하여 제3 기설정 시간 동안 2차 담금질하는 단계, vi) 칼을 냉각제로부터 빼내어 350℃ 내지 450℃의 온도를 가진 칼등의 열전도에 의해 제4 기설정 시간 동안 2차 뜨임 처리하는 단계, 및 vii) 칼 전체를 냉각제에 침지하여 냉각하는 단계를 포함한다.

제1 기설정 시간은 1초 내지 2초이고, 상기 제2 기설정 시간 및 상기 제3 기설정 시간은 각각 2초 내지 3초이며, 상기 제4 기설정 시간은 3초 내지 4초일 수 있다. 1차 담금질 단계에서, 칼은 냉각제에 5mm 이하의 깊이로 침지되고, 2차 담금질 단계에서, 칼은 냉각제에 5mm 보다 크고 10mm 이하의 깊이로 침지될 수 있다. 칼을 제공하는 단계에서, 칼은, i) 0.5wt% 내지 2.5w%의 C, ii) 0 보다 크고 5wt% 이하의 Ni, iii) 0 보다 크고 1wt% 이하의 Si, iv) 0 보다 크고 1wt% 이하의 Mn, v) 0 보다 크고 3wt% 이하의 Mo, vi) 0 보다 크고 0.1wt% 이하의 N, vii) 0 보다 크고 0.1wt% 이하의 Ti, 및 viii) 잔부 철 및 기타 불순물을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 칼의 제조 방법은, i) 칼날을 포함하는 칼을 제공하는 단계, ii) 칼날의 가장자리부터의 거리가 5cm 이하인 칼의 제1 영역을 700℃ 내지 800℃로 유도 가열하는 단계, 및 ii) 제1 영역을 1초 내지 2초 동안 냉각제에 침지하여 1차 담금질하는 단계를 포함한다. 칼을 제공하는 단계에서, 칼은, i) 0.5wt% 내지 2.5w%의 C, ii) 10wt% 내지 20wt%의 Cr, iii) 0 보다 크고 1wt% 이하의 Si, iv) 0 보다 크고 0.1wt% 이하의 N, v) 0 보다 크고 0.1wt% 이하의 Ti 및 xi) 잔부 철 및 기타 불순물을 포함한다.

우수한 인성과 경도를 가지는 칼을 제조할 수 있다. 담금질, 뜨임, 불림을 각각 별도로 실시하지 않고 한번에 함께 실시하여 공정을 단순화할 수 있다. 담금질에 따른 열응력에 의해 칼에 생기는 균열 및 비틀림 등의 현상을 바로 뜨임 처리로 제거할 수 있다. 또한, 전통적인 칼의 제조 방법은 작업자의 감각과 능력에 의존하여 균질한 품질을 확보하기 어려웠으나 이를 자동화하여 균일한 품질의 칼을 대량으로 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 칼의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2 내지 도 7은 도 1의 칼의 제조 방법의 단계들을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 칼의 제조 방법의 개략적인 도면이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 칼의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 칼의 제조 방법의 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 칼의 제조 방법을 다르게 변형할 수도 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 칼의 제조 방법은, 칼을 제공하는 단계(S10), 칼을 700℃ 내지 800℃로 가열하는 단계(S20), 칼날 일부만 냉각제에 침지하여 1차 담금질하는 단계(S30), 350℃ 내지 450℃의 온도를 가지는 칼등의 잔열을 이용해 칼날을 1차 뜨임 처리하는 단계(S40), 칼날 전체를 냉각제에 침지하여 2차 담금질하는 단계(S50), 350℃ 내지 450℃의 온도를 가지는 칼등의 잔열을 이용해 칼날을 2차 뜨임 처리하는 단계(S60), 및 칼 전체를 냉각제에 침지하여 냉각하는 단계(S70)를 포함한다. 이외에, 칼의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.

먼저, 칼을 제공하는 단계(S10)에서는 칼날과 칼등을 포함하는 칼을 제공한다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 칼의 제조 방법은 이미 용도가 정해진 완성품인 칼을 열처리하는 점에서 일반적인 강의 열처리 방법과 크게 다르다. 칼은 서로 상반된 조직과 특성을 요하는 칼날과 칼등이 혼재한 특징을 가진다. 따라서 그 구조를 고려시 일반적인 강과는 상이한 특수 열처리 과정이 필요하다.

칼(100)의 소재로서 내식성이 있는 고탄소강을 사용할 수 있다. 좀더 구체적으로, 칼(100)은 0.5wt% 내지 2.5w%의 탄소(C), 0 보다 크고 5wt% 이하의 니켈(Ni), 0 보다 크고 1wt% 이하의 실리콘(Si), 0 보다 크고 1wt% 이하의 망간(Mn), 0 보다 크고 3wt% 이하의 몰리브덴(Mo), 0 보다 크고 0.1wt% 이하의 질소(N), 0 보다 크고 0.1wt% 이하의 티타늄(Ti), 그리고 잔부 철 및 기타 불순물을 포함한다. 이외에, 칼(100)은 필요에 따라 다른 원소들, 예를 들면 10wt% 내지 20wt%의 크롬(Cr)을 더 포함할 수 있다.

탄소는 칼의 경도를 확보하기 위해 첨가한다. 탄소는 칼에 함유된 마르텐사이트 조직의 경도를 향상시킨다. 따라서 탄소의 양의 너무 적은 경우, 칼의 경도가 저하된다. 반대로, 탄소의 양의 너무 많은 경우, 칼을 지속적으로 사용하면서 칼날을 연마함에 따라 M₇C₃ 일차 탄화물이 석출되어 부식의 개시점이 될 수도 있다. 그 결과, 칼의 내식성이 저하되고 연마에도 취약해진다.

니켈은 칼의 내식성을 확보하기 위해 첨가한다. 다만, 니켈의 양이 너무 많은 경우, 마르텐사이트 변태 종료 온도(Mf)가 낮아진다. 따라서 니켈의 양을 적절하게 제한할 필요가 있다. 니켈의 가격이 비교적 고가인 점도 고려할 필요가 있다.

실리콘은 칼의 제조 공정에 필요한 원소이다. 실리콘은 마르텐사이트 개시 온도(Ms)를 낮춘다. 실리콘은 크롬 산화물을 환원시킬 수 있다. 다만, 실리콘의 양이 많은 경우, 칼의 가공시 변형 가능성을 제한하는 고온 경화 효과가 발생할 수 있다. 따라서 그 첨가량을 적절히 제어할 필요가 있다.

망간은 칼의 조직 구조를 안정화시키기 위해 필요하다. 망간의 양이 너무 많은 경우, 급냉 후에 마르텐사이트의 양을 불충분하게 만들어 칼의 경도를 저하시킨다.

몰리브덴은 경화능과 공식에 대한 내성을 향상시키며, M(C, N)의 형성을 촉진시킨다. 다만, 고가이고, 몰리브덴의 양이 너무 많은 마르텐사이트 변태 종료 온도(Mf)가 낮아진다. 따라서 몰리브덴의 양을 적절하게 제한할 필요가 있다.

질소는 칼날 조직을 구성하는 마르텐사이트의 경도를 증가시키기 위해 필요하다. 과도한 석출물의 생성을 회피하기 위해 탄소의 양을 제한하는 경우, 질소에 의해 칼날의 경도 손실을 보강할 수 있다. 질소는 칼의 내식성 향상에도 기여한다. 그런 질소의 양이 너무 많은 경우, N₂ 기포가 형성되어 칼에 홀이 형성될 수 있으므로 그 첨가량을 제한한다.

티타늄은 크롬 탄화물 및 크롬 질화물보다 안정한 탄화물 및 질화물을 생성하여 칼의 조직 안정화에 기여한다. 다만, 티타늄의 첨가량이 너무 많은 경우, 급냉 후에 생성되는 마르텐사이트의 경도를 제한할 수 있다. 따라서 티타늄의 양을 적절히 제어할 필요가 있다.

다음으로, 단계(S20)에서는 칼을 700℃ 내지 800℃로 가열하여 불림 처리한다. 칼에 적절한 경도를 부여하기 위해 칼을 이 온도 범위에서 가열하며, 그 결과 펄라이트 조직이 생성된다. 이 온도 범위는 칼의 조성에 따라 변화될 수 있다. 칼의 가열 온도가 너무 높은 경우, 입자가 성장할 수 있으므로, 전술한 범위로 가열 온도를 조절한다. 칼은 소둔로에 장입하여 균일하게 가열한다.

단계(S30)에서는 칼날 일부만 냉각제에 침지하여 칼을 1차로 담금질한다. 이하에서는 도 2 및 도 3을 통하여 단계(S30)를 좀더 상세하게 설명한다.

도 2 및 도 3은 칼날(10)의 일부만 냉각제(C)에 침지하여 담금질하는 과정을 나타낸다. 이러한 담금질 공정은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 담금질 공정을 다르게 변형할 수도 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 칼(100)을 냉각조(40)에 침지시키기 위하여 로봇 핸드(30)로 칼(100)을 파지한다. 로봇 핸드(30)는 한 쌍으로 준비되고 상호 이격되어 칼등(12)을 파지한다. 칼날(10)의 일부만 냉각제(C)에 침지하기 위해 한 쌍의 로봇 핸드(30)로 칼등(12)을 견고하게 파지한다. 로봇 핸드(30)는 각각 상하 좌우로 독립 제어되어 칼(100)을 자유롭게 이동시킬 수 있다. 냉각조(40)에는 칼날(10)을 담금질하기 위해 냉각제(C)가 준비된다. 냉각제(C)로서 물 또는 기름을 사용하여 칼(100)을 수냉 또는 유냉할 수 있다. 로봇 핸드(30)와 냉각제(C)의 상세 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.

로봇 핸드(30)를 화살표 방향으로 하강하여 칼날(10)의 일부를 냉각제(C)에 침지해 담금질한다. 로봇 핸드(30)로 칼(100)을 정밀 제어하여 칼날(10)의 일부만 정확히 냉각제(C)에 침지한다. 이러한 침지 과정은 수작업이 없이 자동으로 이루어지므로, 모든 칼(100)을 품질 차이 없이 균일하게 제조할 수 있다.

도 2의 확대원에 도시한 바와 같이, 칼(100)의 침지 깊이(D)는 5mm 이하일 수 있다. 칼날(10)의 상하폭은 5mm를 초과한다. 침지한 후 빼낸 칼날(10)의 하측은 마르텐사이트로 변태된다.

도 3은 칼날(10) 중 곡선부까지 냉각제(C)에 침지하여 담금질하는 과정을 개략적으로 나타낸다. 도 3의 침지 과정은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 다양한 형상의 칼들에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 우측의 로봇 핸드(30)를 들어 올려서 칼(100)을 화살표 방향, 즉 사선 위 방향으로 움직인다. 따라서 칼(100) 앞부분에 형성된 곡선형의 칼날(10) 일부를 정확히 담금질할 수 있다. 이러한 담금질 과정은 수작업으로는 정밀 제어가 불가능하다. 반면에, 본 발명의 제1 실시예에서는 자동 제어 공정을 통하여 정밀 제어가 가능하다. 따라서 다양한 형상의 칼들에도 동일하게 적용할 수 있어서 범용성이 좋다.

한편, 담금질 시간은 1초 내지 2초일 수 있다. 담금질 시간이 너무 짧거나 길면 침지 부분의 마르텐사이트 변태가 일어나기 어렵다. 따라서 담금질 시간을 전술한 범위로 조절한다. 또한, 담금질 과정이 자동 제어되어 담금질 시간은 정량화될 수 있다.

다시 도 1로 되돌아가면, 단계(S40)에서는 칼등의 잔열을 이용해 칼날을 1차 뜨임 처리한다. 이를 도 4를 참조하여 이하에서 설명한다.

도 4는 도 1의 칼날(10)의 1차 뜨임 처리 공정을 개략적으로 나타낸다. 이러한 뜨임 처리 공정은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 뜨임 처리 공정을 다르게 변형할 수도 있다.

단계(S30)에서의 1차 담금질에 따른 열응력으로 인해 칼날(10)에는 균열 및 비틀림이 존재한다. 따라서 칼날(10)의 열응력 해소를 위해 뜨임 처리가 필요하다. 뜨임 처리를 통해 균열 및 비틀림을 제거한다.

칼(100)은 그 상부에 위치하는 칼등(12)과 그 하부에 위치하는 칼날(10)을 포함한다. 칼등(12)은 그 인장 강도를 높여서 우수한 인성을 가지게 할 필요가 있다. 또한, 칼날(10)은 그 경도를 높여서 우수한 절삭성을 가지게 할 필요가 있다. 이러한 이유로 인해 칼등(12)은 칼날(10)에 비해 그 두께를 크게 하여 제조한다.

칼날(10)의 경도를 높이기 위해서 이를 가열한 후에 급속 냉각하여 칼날(10)을 마르텐사이트 조직으로 만든다. 만약, 칼(100) 전체를 냉각하는 경우, 칼등(12)에도 마르텐사이트 조직이 생성되어 인성에 악영향을 끼친다. 따라서 칼날(10)만 국부적으로 냉각시킨다. 칼등(12)에는 펄라이트 조직이 그대로 유지되므로, 칼등(12)은 우수한 인성을 가진다.

냉각에 의해 칼날(10)에 마르텐사이트 조직이 생성되면서 응력이 발생한다. 따라서 응력 제거를 위해 뜨임 열처리가 필요하다. 칼등(12)의 온도가 충분히 높으면 별도의 열처리 없이 칼등(12)으로부터의 열전도에 의해 칼날(10)에 뜨임 처리와 같은 효과를 부여할 수 있다. 즉, 칼날(10)을 급속 냉각시킨 후, 이를 공기중에 방치하면 칼등(12)으로부터의 열전도에 의해 칼날(10)에 뜨임 처리 효과를 부여할 수 있다.

좀더 구체적으로, 도 4에 점선 화살표로 도시한 바와 같이, 칼등(12)의 잔열을 이용하여 부가적인 가열 공정이 없이 칼날(10)을 바로 뜨임 처리할 수 있다. 즉, 350℃ 내지 450℃의 온도를 가지는 칼등(12)의 잔열의 열전도에 의해 칼날(10)을 2초 내지 3초 동안 바로 뜨임 처리한다. 이 온도 범위는 칼의 조성에 따라 변화될 수 있다. 좀더 바람직하게는, 이 온도는 350℃ 내지 400℃일 수 있다. 이로써 칼날의 균열 및 비틀림을 효율적으로 제거할 수 있으며, 별도의 뜨임 설비가 필요하지 않다는 점에서 효과적이다. 도 4에는 도시하지 않았지만, 칼등(12)의 온도는 비접촉식 적외선 온도계를 사용하여 자동 측정한다. 따라서 뜨임 공정을 자동화하여 효율적으로 처리할 수 있다.

다시 도 1로 되돌아가면, 단계(S50)에서는 칼날 전체를 냉각제에 침지하여 2차 담금질을 실시한다. 이를 도 5 및 도 6을 통하여 좀더 상세하게 설명한다.

도 5 및 도 6은 칼날(10) 전체를 냉각제(C)에 침지하여 2차 담금질하는 과정을 개략적으로 나타낸다. 도 5 및 도 6의 담금질 공정은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 담금질 공정은 다른 형태로도 변형될 수 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 로봇 핸드(30)를 화살표 방향으로 하강시킨다. 그리고 칼날(10) 직선부 전체를 냉각제(C)에 침지해 담금질할 수 있다.

한편, 도 6에 도시한 바와 같이, 로봇 핸드(30)를 화살표 방향으로 이동시켜 칼(100)의 후부만 들어서 칼날(10) 곡선부 전체를 냉각제(C)에 침지하여 담금질할 수 있다. 담금질 시간은 2초 내지 3초로 빠르게 진행한다.

이러한 담금질 시간 범위로 칼(100)을 침지하면 칼날(10)의 경계 부근이 마르텐사이트와 펄라이트의 복합 조직으로 변태된다. 즉, 칼날(10)의 마르텐사이트와 칼(100) 모재의 펄라이트의 연결부 조직이 치밀하면서 견고해진다. 이와 반대로, 칼날(10)의 경계에 펄라이트 조직만 있는 경우, 외부 충격에 의해 깨지기 쉽다. 따라서 이 부분을 복합 조직으로 변태시키는 공정이 필요하다. 2차 담금질의 나머지 과정은 전술한 1차 담금질과 유사하므로, 그 상세한 설명을 생략한다.

다시 도 2로 되돌아가면, 단계(S60)에서는 350℃ 내지 450℃의 온도를 가지는 칼등의 잔열을 이용해 칼날을 2차 뜨임 처리한다. 좀더 바람직하게는, 이 온도는 350℃ 내지 400℃일 수 있다. 모든 공정이 빠르게 진행되므로, 칼등의 온도는 크게 떨어지지 않고 일정하게 유지된다. 단계(S60)에서는 칼을 3초 내지 4초 동안 뜨임 처리한다. 칼등의 열전도를 이용해 복합 조직에 존재하는 잔류 응력을 완화시킬 수 있다. 한편, 단계(S60)의 나머지 과정은 단계(S40)와 동일하므로, 그 상세한 설명을 생략한다. 한편, 도 2에는 도시하지 않았지만, 전술한 담금질 공정 및 뜨임 공정을 1회 이상 더 반복할 수도 있다.

마지막으로, 단계(S70)에서는 칼 전체를 냉각제에 침지하여 냉각한다. 이를 도 7을 통하여 좀더 상세하게 설명한다.

도 7은 칼(100) 전체를 냉각제(C)에 침지하여 냉각하는 과정을 개략적으로 나타낸다. 도 7의 냉각 과정은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 냉각 과정을 다른 형태로도 변형할 수 있다.

도 7에 도시한 바와 같이, 칼(100)은 로봇 핸드(30)에 의해 화살표 방향으로 하강하여 냉각제(C)에 침지되어 냉각된다. 불림 처리된 칼등(12)과 담금질 및 뜨임 처리된 칼날(10)이 모두 냉각된다. 그 결과, 우수한 인성의 칼등(12)과 우수한 경도의 칼날(10)을 구비한 복합 형태의 칼(100)을 제조할 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에서는 담금질, 뜨임, 불림 등의 열처리를 통합해 칼을 제조할 수 있다. 따라서 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 칼(200)의 제조 방법을 개략적으로 나타낸다. 이러한 칼(200)의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명의 제2 실시예에 따른 칼의 제조 방법은 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 칼의 제조 방법과 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.

도 8에 도시한 바와 같이, 펄라이트 조직으로 된 상온의 칼(200)을 화살표 방향으로 이동시키면서 유도 코일(20)을 사용해 칼날(10)을 가열한다. 좀더 구체적으로 칼날 가장자리(101)로부터의 거리가 5cm 이하인 칼(200)의 영역을 가열한다. 이 영역이 칼날(10)과 유사하므로 이하에서는 이를 칼날(10)로 호칭한다. 상호 이격된 유도 코일(20) 사이로 칼날(10)을 통과시키면 칼날(10)이 이 급속 가열된다. 급속 가열된 칼날(10)의 온도는 700℃ 내지 800℃이다. 유도 코일(20)의 출력을 제어하여 칼날(10)의 온도를 적절하게 제어할 수 있다. 유도 코일(20)은 고정되어 있다.

유도 코일(20)을 전원과 연결해 전류를 흘리면 유도 코일(20) 주위에 자기장이 형성된다. 칼날(10)을 유도 코일(20) 사이에 넣으면 전압이 유도되고 이로 인해 칼날(10)에 전자 흐름이 발생한다. 따라서 칼날(10)에는 이러한 전자 흐름을 방해하려는 저항이 발생하고 이 저항에 의해 칼날(10)이 가열된다. 도 8에는 유도 코일(20)을 도시하였지만, 산소 아세틸렌 토치를 대신 사용할 수도 있다. 유도 코일(20)의 작동 방법은 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로 그 상세 설명을 생략한다.

칼날(10)은 급속 가열된 후 바로 냉각제(C)에 침지되어 담금질된다. 담금질은 1초 내지 2초 동안 빠르게 진행된다. 도 8에는 물 또는 기름의 냉각제(C)를 도시하였지만, 이와는 달리 공냉도 가능하다. 이러한 방법으로 담금질 처리된 칼날(12)에는 마르텐사이트가 생성된다. 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조한 칼(200)은 뜨임 처리 없이도 마르텐사이트 생성에 따른 열응력이 존재하지 않는다. 즉, 크롬을 다량 함유하는 탄소강은 뜨임 처리를 하지 않아도 무방하다.

칼(200)은 i) 0.5wt% 내지 2.5w%의 C, ii) 10wt% 내지 20wt%의 Cr, iii) 0 보다 크고 1wt% 이하의 Si, iv) 0 보다 크고 0.1wt% 이하의 N, v) 0 보다 크고 0.1wt% 이하의 Ti, 및 vi) 잔부 철 및 기타 불순물을 포함한다. 이 중에서 크롬(Cr)은 칼(200)의 내식성 확보를 위해 필요하다. 다만, 크롬의 양이 너무 많은 경우, 마르텐사이트 변태 종료 온도(Mf)가 낮아진다. 이 경우, 급냉 후에 마르텐사이트 전이가 과도하게 불완전해져서 칼(200)의 경도가 저하될 수 있다. 따라서 전술한 범위로 크롬의 양을 조절하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 크롬의 양은 14wt% 내지 16wt%일 수 있다. 나머지 구성원소의 첨가 이유는 전술한 본 발명의 제1 실시예와 동일하다.

한편, 칼(200)은 니켈(Ni), 망간(Mn) 및 몰리브덴(Mo)를 더 포함할 수도 있다. 여기서, 니켈(Ni)의 양은 0 보다 크고 5wt% 이하이고, 망간(Mn)의 양은 0 보다 크고 1wt% 이하이며, 몰리브덴(Mo)의 양은 0 보다 크고 3wt% 이하일 수 있다. 이러한 원소들의 첨가 이유는 전술한 본 발명의 제1 실시예와 동일하다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명을 다르게 변형할 수 있다.

실험예

0.8wt%의 탄소, 15wt%의 크롬, 0.3wt%의 실리콘, 0.05wt%의 질소, 0.01wt%의 티타늄, 그리고 잔부 철 및 기타 불순물을 포함하는 10개의 칼들을 제조하였다. 실험상 편의를 위해 칼들은 직사각형 형상으로 제조하였다. 칼들의 평균 길이는 30cm, 평균 높이는 10cm이었다. 그리고 칼등의 평균 두께는 2mm, 칼날의 평균 두께는 0.1mm이었다. 칼들을 소둔로에 넣고 3시간 동안 가열하였다. 칼들을 소둔로에서 빼내어 GM320 비접촉식 적외선 온도계로 측정한 결과, 그 평균 온도는 740℃이었다. 수조에 상온의 500L의 물을 담고 칼의 칼날만 각각 상이한 시간동안 담금질하였다. 칼을 다시 물에서 빼내어 상온에 각각 상이한 시간동안 뜨임을 실시한 후 칼날을 포함하는 더 넓은 영역을 각각 상이한 시간동안 다시 담금질하였다. 그리고 칼을 다시 물에서 빼내어 상온에 각각 상이한 시간 동안 다시 뜨임을 실시하였다. 마지막으로, 칼을 물에 완전히 침지하여 냉각시켰다.

실험예 1

0.5초 동안 1차 담금질한 후 1초 동안 1차 뜨임을 실시하였다. 그리고 1.5초 동안 2차 담금질한 후 2.5초 동안 2차 뜨임을 실시하였다. 그 후, 칼을 물에 완전히 침지하여 냉각했다. 시간은 스톱워치를 사용하여 정확히 측정하였다.

실험예 2

0.5초 동안 1차 담금질한 후 1초 동안 1차 뜨임을 실시하였다. 그리고 1.5초 동안 2차 담금질한 후 2.5초 동안 2차 뜨임을 실시하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 3

0.5초 동안 1차 담금질한 후 1.5초 동안 1차 뜨임을 실시하였다. 그리고 2초 동안 2차 담금질한 후 3초 동안 2차 뜨임을 실시하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 4

1초 동안 1차 담금질한 후 2초 동안 1차 뜨임을 실시하였다. 그리고 2초 동안 2차 담금질한 후 3초 동안 2차 뜨임을 실시하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 5

1초 동안 1차 담금질한 후 2초 동안 1차 뜨임을 실시하였다. 그리고 2.5초 동안 2차 담금질한 후 3.5초 동안 2차 뜨임을 실시하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 6

1초 동안 1차 담금질한 후 2.5초 동안 1차 뜨임을 실시하였다. 그리고 2.5초 동안 2차 담금질한 후 3.5초 동안 2차 뜨임을 실시하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 7

1.5초 동안 1차 담금질한 후 2.5초 동안 1차 뜨임을 실시하였다. 그리고 3초 동안 2차 담금질한 후 3.5초 동안 2차 뜨임을 실시하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 8

1.5초 동안 1차 담금질한 후 3초 동안 1차 뜨임을 실시하였다. 그리고 3초 동안 2차 담금질한 후 4초 동안 2차 뜨임을 실시하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 9

2초 동안 1차 담금질한 후 3.5초 동안 1차 뜨임을 실시하였다. 그리고 4초 동안 2차 담금질한 후 4초 동안 2차 뜨임을 실시하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 10

2초 동안 1차 담금질한 후 3.5초 동안 1차 뜨임을 실시하였다. 그리고 4초 동안 2차 담금질한 후 4.5초 동안 2차 뜨임을 실시하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

전술한 실험예들을 통하여 얻어진 칼들의 비커스 경도와 연마 성능을 측정하였다. 비커스 경도는 표준 EN ISO6507에 준거하여 다이아몬드 피라미드칩을 1kg 하중으로 각 칼의 칼날들을 평탄 연마한 후 찍어서 측정하였다. 그리고 연마 성능은 20N의 압력으로 다이아몬드 페이스트 흡수 시트로 연마하고, 그 표면을 100배 확대 비율의 광학 현미경으로 그 결함 밀도를 측정하였다.

실험 결과

실험예 1 내지 실험예 10에 따라 제조한 칼들의 비커스 경도 및 연마 성능을 분석한 결과 아래의 표 1과 같았다.

[표 1]

전술한 실험 결과, 실험예 1 내지 실험예 10의 칼에서 대체적으로 우수한 비커스 경도와 연마 성능이 얻어졌다. 특히, 실험예 4 내지 실험예 6의 칼의 비커스 경도가 600Hv을 넘어서 상당히 우수한 것으로 평가되었다. 또한, 연마 성능에 있어서는 실험예 6 내지 실험예 8의 칼이 그 결함수가 작아서 우수한 것으로 평가되었다. 다만, 실험예 1 내지 실험예 3, 실험예 9 및 실험예 10은 비커스 경도 및 연마 성능에 있어서 그리 만족할만한 결과를 얻을 수 없었다. 이로써 공정 시간을 상이하게 하면 칼의 비커스 경도와 연마 성능도 달라진다는 것도 확인할 수 있었다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

10. 칼날
12. 칼등
20. 유도 코일
30. 로봇 핸드
40. 냉각조
100. 칼
101. 칼날 가장자리
C. 냉각제

Claims (5)

1. 칼등과 칼날을 포함하는 칼을 제공하는 단계,
   상기 칼을 700℃ 내지 800℃로 가열하는 단계,
   상기 칼날의 일부만 냉각제에 침지하여 제1 기설정 시간 동안 1차 담금질하는 단계,
   상기 칼을 상기 냉각제로부터 빼내어 350℃ 내지 450℃의 온도를 가진 상기 칼등의 열전도에 의해 제2 기설정 시간 동안 1차 뜨임 처리하는 단계,
   상기 칼날 전체를 상기 냉각제에 침지하여 상기 제3 기설정 시간 동안 2차 담금질하는 단계,
   상기 칼을 상기 냉각제로부터 빼내어 350℃ 내지 450℃의 온도를 가진 상기 칼등의 열전도에 의해 제4 기설정 시간 동안 2차 뜨임 처리하는 단계, 및
   상기 칼 전체를 상기 냉각제에 침지하여 냉각하는 단계
   를 포함하는 칼의 제조 방법.
2. 제1항에서,
   상기 제1 기설정 시간은 1초 내지 2초이고, 상기 제2 기설정 시간 및 상기 제3 기설정 시간은 각각 2초 내지 3초이며, 상기 제4 기설정 시간은 3초 내지 4초인 칼의 제조 방법.
3. 제1항에서,
   상기 1차 담금질 단계에서, 상기 칼은 상기 냉각제에 5mm 이하의 깊이로 침지되고,
   상기 2차 담금질 단계에서, 상기 칼은 상기 냉각제에 5mm 보다 크고 10mm 이하의 깊이로 침지되는 칼의 제조 방법.
4. 제1항에서,
   상기 칼을 제공하는 단계에서,
   상기 칼은,
   0.5wt% 내지 2.5w%의 C,
   0 보다 크고 5wt% 이하의 Ni,
   0 보다 크고 1wt% 이하의 Si,
   0 보다 크고 1wt% 이하의 Mn,
   0 보다 크고 3wt% 이하의 Mo,
   0 보다 크고 0.1wt% 이하의 N,
   0 보다 크고 0.1wt% 이하의 Ti, 및
   잔부 철 및 기타 불순물
   를 포함하는 칼의 제조 방법.
5. 칼날을 포함하는 칼을 제공하는 단계,
   상기 칼날의 가장자리부터의 거리가 5cm 이하인 상기 칼의 제1 영역을 700℃ 내지 800℃로 유도 가열하는 단계, 및
   상기 제1 영역을 1초 내지 2초 동안 냉각제에 침지하여 1차 담금질하는 단계
   를 포함하고,
   상기 칼을 제공하는 단계에서, 상기 칼은,
   0.5wt% 내지 2.5w%의 C,
   10wt% 내지 20wt%의 Cr,
   0 보다 크고 1wt% 이하의 Si,
   0 보다 크고 0.1wt% 이하의 N,
   0 보다 크고 0.1wt% 이하의 Ti, 및
   잔부 철 및 기타 불순물
   을 포함하는 칼의 제조 방법.

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