KR101710652B1 - 마르텐사이트계 스테인레스강을 이용한 칼날몸체의 제조방법 - Google Patents

마르텐사이트계 스테인레스강을 이용한 칼날몸체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마르텐사이트계 스테인레스 강판을 프레싱 가공하여 칼날몸체의 외관을 일차 성형하고, 이를 열처리로에 장입시켜 열처리로의 내부를 진공 상태로 조성시키는 한편, 스테인레스 스틸의 연화점 온도까지 칼날몸체를 가열시킨 다음, 열처리로의 내부로 질소가스를 주입시켜 칼날몸체의 질화처리 및 ??칭작업을 수행하며, 이를 열처리로에서 꺼내어 액체질소에 침지시키는 서브제로처리와 열처리로내에서의 템퍼링처리를 거치도록 하되, 칼날몸체를 그 연화점 온도까지 가열시키기 이전에 질소가스의 침투경로에 해당하는 칼날몸체 표면의 미세 크랙과 핀홀을 확장시키는 1차 열처리단계를 수행함으로서, 칼날몸체의 질화처리 및 ??칭작업시 질소가스 성분이 칼날몸체의 표면을 통하여 보다 더 깊숙이 침투되도록 함에 따라, 칼날몸체의 표면으로부터 0.6mm의 깊이까지 최소 640Hv로부터 최대 740Hv 수준의 높은 경도가 발현되도록 하며, 이를 통하여 기존의 경우보다 내구성과 내식성 및 사용수명을 크게 향상시킨 칼날몸체를 제공할 수 있음은 물론이고, 칼날의 연삭가공을 마지막 단계로 수행하더라도 장기간에 걸쳐 칼날 부분의 녹 발생이나 절삭력 저하가 유발되지 않는 우수한 제품을 제공할 수 있도록 한 마르텐사이트계 스테인레스강을 이용한 칼날몸체의 제조방법에 관한 것이다.

Description

마르텐사이트계 스테인레스강을 이용한 칼날몸체의 제조방법{Manufacturing method of knife body using martensite stainless steel}
본 발명은 마르텐사이트계 스테인레스 강판을 프레싱 가공하여 칼날몸체의 외관을 일차 성형하고, 이를 열처리로에 장입시켜 열처리로의 내부를 진공 상태로 조성시키는 한편, 스테인레스 스틸의 연화점 온도까지 칼날몸체를 가열시킨 다음, 열처리로의 내부로 질소가스를 주입시켜 칼날몸체의 질화처리 및 ??칭작업을 수행하며, 이를 열처리로에서 꺼내어 액체질소에 침지시키는 서브제로처리와 열처리로내에서의 템퍼링처리를 거치도록 하되, 칼날몸체를 그 연화점 온도까지 가열시키기 이전에 질소가스의 침투경로에 해당하는 칼날몸체 표면의 미세 크랙과 핀홀을 확장시키는 1차 열처리단계를 수행함으로서, 칼날몸체의 질화처리 및 ??칭작업시 질소가스 성분이 칼날몸체의 표면을 통하여 보다 더 깊숙이 침투되도록 함에 따라, 칼날몸체의 표면으로부터 0.6mm의 깊이까지 최소 640Hv로부터 최대 740Hv 수준의 높은 경도가 발현되도록 한 마르텐사이트계 스테인레스강을 이용한 칼날몸체의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 주방용 식칼 등에 적용되는 칼날몸체는 크롬(Cr)의 첨가로 강화된 마르텐사이트계 스테인레스 강판(STS431,STS410,STS420,STS440)으로 칼날몸체의 외관을 일차 성형한 후, 이 칼날몸체에 대한 가열과 담금질(Quenching) 및 템퍼링(Tempering:뜨임)과 같은 열처리를 통하여 소정의 경도와 인성(靭性:질긴 성질)을 동시에 확보토록 한 다음, 칼날몸체의 일측 가장자리를 연삭하여 칼날을 세우는 과정으로 제작된다.
상기와 같이 제작된 마르텐사이트계 스테인레스강 소재의 칼날몸체는 담수조건하에서는 녹의 발생빈도가 현저히 낮지만, 해수와 접촉하는 사용조건하에서는 부식에 취약한 단점이 있으므로 음식물을 다루는 측면에서 위생상 바람직하지 못하였고, 칼날몸체의 표면경도가 500Hv 정도의 수준에 불과하므로 사용 과정에서 칼날 부분이 쉽게 마모되거나 손상되는 단점이 있었으며, 이로 인하여 주기적으로 칼날을 갈아주어야 하는 번거러움이 발생하였을 뿐만 아니라 칼의 사용수명 또한 단축되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 보완하기 위하여, 칼날이 세워진 상태로 칼날몸체를 일차 제작하고, 이를 열처리로에 장입시켜 열처리로의 내부를 진공 상태로 조성시키는 한편, 스테인레스 스틸의 연화점 온도까지 칼날몸체를 가열시킨 다음, 열처리로의 내부로 질소가스를 주입시켜 칼날몸체의 질화처리 및 ??칭작업을 수행하며, 이를 열처리로에서 꺼내어 액체질소에 침지시키는 서브제로(Sub-zero) 처리와 열처리로내에서의 템퍼링처리를 거치도록 한 스테인레스강 칼의 제조방법이 대한민국 등록특허 제 10-1088003호에 기재되어 알려져 있다.
상기와 같은 종래의 제조방법에 따르면, 칼날을 세운 상태의 칼날몸체를 열처리로에 장입시켜 이를 연화점 온도까지 가열한 다음, 칼날몸체의 표면으로 질소가스를 침투시키는 질화작업을 통하여 칼날몸체의 표면으로부터 약 0.15mm 깊이의 심도까지 최소 550Hv로부터 최대 700Hv 수준의 경도가 발현되도록 하였으나, 질화처리에 의한 표면경도의 향상이 0.15mm 깊이의 매우 얇은 층에만 국한되는 문제점이 있었다.
상기와 같이 통상적인 질화처리의 적용으로 말미암아 표면경도의 향상을 도모할 수 있는 질소경화층의 깊이가 매우 얇기 때문에, 칼날을 미리 세워둔 상태에서 열처리와 질화처리 등의 단계를 이후에 거치도록 한 것이며, 이로 인하여 열처리로에 칼날몸체를 장입시키거나 열처리로에서 칼날몸체를 빼내는 등의 작업과정에서 날카로운 칼날 부분끼리 서로 부딪히거나 칼날 부분이 다른 물체와 충돌하여 칼날 부분이 쉽게 손상되는 문제점이 발생하였고, 해당 작업과정에서 날카로운 칼날 부분에 의한 작업자의 상해 위험 역시 높은 문제점이 있었다.
뿐만 아니라, 열처리와 질화처리 등의 단계를 거치는 과정에서 칼날 부분이 손상된 경우에는, 앞서 칼날 가공을 이미 수행하였음에도 불구하고 칼날 부분에 대한 추가적인 연삭가공이 필요한 문제점이 있었으며, 이러한 동일 공정의 2중 수행으로 인하여 칼 제품의 생산원가가 불필요하게 상승함은 물론이고, 칼날몸체의 치수 또한 추가적인 연삭가공으로 말미암아 최초에 설계된 치수보다 다소나마 줄어들게 되므로, 완성된 칼 제품의 치수정확도와 품질균일성을 보장하기 어려운 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제 10-1088003호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 마르텐사이트계 스테인레스 강판의 프레스 가공에 의하여 성형된 칼날몸체를 그 연화점 온도까지 가열시키기 이전에, 질소가스의 침투경로에 해당하는 칼날몸체 표면의 미세 크랙과 핀홀을 확장시키는 1차 열처리단계를 수행함으로서, 칼날몸체의 질화처리 및 ??칭작업시 질소가스 성분이 칼날몸체의 표면을 통하여 보다 더 깊숙이 침투되도록 함에 따라, 칼날몸체의 표면으로부터 0.6mm의 깊이까지 최소 640Hv로부터 최대 740Hv 수준의 높은 경도가 발현되도록 하며, 이를 통하여 기존의 경우보다 내구성과 내식성 및 사용수명을 크게 향상시킨 칼날몸체를 제공할 수 있음은 물론이고, 칼날의 연삭가공을 마지막 단계로 수행하더라도 장기간에 걸쳐 칼날 부분의 녹 발생이나 절삭력 저하가 유발되지 않는 우수한 제품의 생산이 가능토록 함으로서, 칼날을 미리 세워둔 상태로 열처리와 질화처리 등을 수행함에 따른 작업상의 위험요소나 칼날의 손상 역시 미연에 방지할 수 있는 마르텐사이트계 스테인레스강을 이용한 칼날몸체의 제조방법을 제공하는 것을 그 주된 기술적 과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서의 본 발명은, 1.5~2mm의 두께를 가지는 마르텐사이트계 스테인레스 강판을 프레싱 가공하여 칼날몸체의 외관을 성형하는 프레스 성형단계; 칼날의 연삭가공이 수행되는 부분을 제외한 칼날몸체의 나머지 가장자리 부분을 다듬질 가공하고, 칼날몸체를 세척하여 이물질을 제거하는 열처리 준비단계; 대기조건하의 열처리로 내부에 칼날몸체를 장입시킨 다음, 열처리로의 내부온도를 250~350℃로 조성하여 칼날몸체를 1~2시간 동안 가열시킴으로서 칼날몸체 표면의 미세크랙과 핀홀을 확장시키는 1차 열처리단계; 열처리로의 내부를 10-2torr의 진공상태로 조성시킨 다음, 1분당 10~20℃의 온도구배로 열처리로의 내부온도를 950~1250℃까지 상승시키는 2차 열처리단계; 열처리로의 히터 가동을 중지시킨 상태에서 열처리로의 내부압력이 2~2.5bar가 되는 시점까지 질소가스를 투입한 다음, 해당 질소가스 분위기하에서 칼날몸체를 30~50분간 유지시키는 질소침투단계; 열처리로의 내부압력이 4~5bar가 되는 시점까지 질소가스를 추가로 투입하여 칼날몸체를 통한 질소가스의 침투를 가속화시키는 한편 질소가스로 칼날몸체를 급랭시키는 질소??칭단계; 열처리로에서 칼날몸체를 꺼내어 액체질소가 저장된 냉각조에 50~70분간 침지시키는 서브제로 처리단계; 칼날몸체를 열처리로에 다시 장입시켜 150~500℃의 온도조건하에서 50~70분간 유지시키는 템퍼링단계; 열처리로에서 칼날몸체를 꺼내어 칼날몸체의 표면가공과 칼날가공을 수행하는 후가공단계;를 거쳐서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 칼날을 세우지 않고 프레스 가공으로 일차 성형된 칼날몸체를 그 연화점 온도까지 가열시키기 이전에, 질소가스의 침투경로에 해당하는 칼날몸체 표면의 미세 크랙과 핀홀을 확장시키는 1차 열처리단계를 수행함으로서, 칼날몸체의 질화처리 및 ??칭작업시 질소가스 성분이 칼날몸체의 표면을 통하여 보다 더 깊숙이 침투되도록 함에 따라, 칼날몸체의 표면으로부터 0.6mm 깊이의 심도까지 최소 640Hv로부터 최대 740Hv 수준의 높은 경도가 발현되도록 하는 효과를 제공한다.
상기와 같이 열처리 및 질화처리 방식의 개선을 통하여 표면경도의 향상을 도모할 수 있는 질소경화층의 깊이를 종래의 경우보다 4배 가까이 확장시킬 수 있으므로, 칼날을 세우기 위한 연삭가공을 마지막 단계에 수행하더라도 장기간에 걸쳐 칼날 부분의 녹발생이나 절삭력 저하가 유발되지 않는 우수한 제품의 생산이 가능함은 물론이고, 최종 제작된 칼 제품의 치수정밀도와 품질균일성 또한 보장할 수 있는 효과를 제공한다.
이로 인하여, 칼날을 먼저 세운 다음 이후의 공정단계를 수행함에 따라 발생하는 칼날 부분의 손상과 작업자의 상해 위험 및 칼날의 2중 연삭가공에 의한 불필요한 시간과 비용의 낭비를 방지하는 추가적인 효과를 제공할 수 있으며, 궁극적으로는 종래의 경우보다 내구성과 내식성 및 사용수명을 크게 향상시킨 칼날몸체를 보다 저렴한 가격으로 제공하여 최종 제작된 칼 제품의 대외경쟁력을 확보할 수 있는 효과를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 마르텐사이트계 스테인레스강을 이용한 칼날몸체 제조방법을 나타내는 공정블록도.
도 2는 종래 방식으로 제작된 칼날몸체와 본 발명에 의하여 제작된 칼날몸체와의 경도차이를 비교 도시한 그래프.
이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 마르텐사이트계 스테인레스강을 이용한 칼날몸체의 제조방법은 도 1의 공정블록도에 도시된 바와 같이, 마르텐사이트계 스테인레스 강판을 프레싱 가공하여 칼날몸체의 외관을 성형하는 프레스 성형단계(S1)와, 칼날몸체의 모서리 부분을 다듬질하고, 칼날몸체를 세척하여 이물질을 제거하는 열처리 준비단계(S2)를 일차적으로 거치게 된다.
통상 주방용 식칼 등의 칼날몸체 소재로 사용되는 STS431이나 STS410 또는 STS420이나 STS440 등의 마르텐사이트계 스테인레스 강판은 해당 제품의 사용에 필요한 강도와 내구성 및 무게를 동시에 고려하여 1.5~2mm의 두께를 가지게 되며, 해당 두께의 강판을 유압프레스 장치로 투입하여 프레스 금형으로 블랭킹(Blanking) 가공함으로서 요구하는 형태의 칼날몸체를 성형하게 된다.
상기 칼날몸체 또한 이미 공지된 바와 같이, 선단측이 뾰족한 칼끝으로 형성되는 한편, 후단부측에 손잡이의 조립을 위한 프레임 형태의 조립대가 돌출 형성되고, 그 하단측 부분은 부드러운 곡면을 이루면서 칼끝 방향으로 상향 경사지는 칼날 성형부가 되며, 본 발명에서는 상기 프레스 성형단계(S1)에서 칼날몸체의 외관만을 성형토록 하고 실질적인 칼날 가공은 이후의 마무리 단계 즉, 후가공단계(S9)에서 수행하게 된다.
이와 더불어, 프레스 가공에 의하여 성형된 칼날몸체의 가장자리는 불규칙하고 거친 표면을 이루게 되므로, 줄(Rasp)이나 핸드그라인더(Hand grinder) 등의 다듬질 공구를 이용하여 칼날몸체의 가장자리 부분을 매끈하게 다듬질하게 되며, 그 이후에 프레스 가공이나 다듬질 가공시 발생한 금속분이나 오일 성분과 같이 칼날몸체의 표면에 부착된 각종 이물질을 세척함으로서 열처리 준비단계(S2)가 완료되는 것이다.
상기와 같은 다듬질 가공시 칼날이 성형되는 부분에는 다듬질 가공을 수행하지 않고 이를 제외한 나머지 가장자리에 대한 다듬질 가공을 행하는 것이 보다 더 바람직한데, 그 이유는 칼날의 성형부위에 대한 연삭가공이 이후의 후가공단계(S9)에서 수행될 뿐만 아니라, 프레싱 가공에 의한 불규칙하고 거친 표면을 그대로 노출시켜 이를 질소가스의 침투경로로 활용토록 함으로서, 칼날의 연삭가공시 발생하는 칼날몸체의 두께 감소에도 불구하고 칼날 부분의 경도와 내식성을 충분히 확보할 수 있기 때문이다.
또한, 칼날몸체 자체가 비교적 단순한 형태를 가지기 때문에, 칼날몸체의 표면에 부착된 이물질은 작업자가 수건이나 장갑 등으로 간단하게 닦아낼 수 있는 수준이 되므로, 칼날몸체의 세척작업은 필수적으로 거치는 단계라기보다는 필요에 따라 선택적으로 수행되는 단계라 볼 수 있으며, 칼날몸체의 세척작업은 수돗물을 이용한 수세척이나 알칼리 세정액을 이용한 알칼리 세척이나 초음파 세척과 같은 다양한 방식이 적용될 수 있다.
상기와 같은 프레스 성형단계(S1) 및 열처리 준비단계(S2)를 거친 후에는 본 발명의 주된 요부에 해당하는 공정단계로서, 대기조건 즉, 열처리로 외부의 공기조건과 동일한 분위기하에서 열처리로 내부에 칼날몸체를 장입시킨 다음, 열처리로의 내부온도를 250~350℃로 조성하여 칼날몸체를 1~2시간 동안 가열 및 유지시킴에 따라 미세크랙과 핀홀 등이 포함된 칼날몸체 표면의 미세결함을 확장시키는 1차 열처리단계(S3)를 거치게 된다.
상기와 같은 금속표면의 미세결함은 대부분의 경우 제거의 대상이 되지만, 본 발명에서와 같이 질소가스를 침투시켜 칼날몸체의 표면을 경화시키는 측면에 있어서는 상기 미세결함이 질소가스의 유용한 침투경로를 제공하는 수단이 되므로, 칼날몸체의 표면에 형성된 미세크랙이나 핀홀 등을 열처리를 통하여 확장시키되, 칼날몸체를 이루는 마르텐사이트계 스테인레스강의 고유 물성은 저하되지 않도록 한 것이다.
이러한 관점에서, 상기 1차 열처리단계(S3)는 스테인레스강의 일반적인 열처리와는 그 목적과 방식이 상이하게 되는 것인 바, 250℃ 미만의 온도조건과 1시간 미만의 처리시간으로는 미세크랙이나 핀홀의 충분한 확장효과를 달성하기 어렵고, 350℃를 초과한 온도조건과 2시간을 초과한 처리시간은 열처리로내에서 칼날몸체 표면의 과도한 산화를 유발시켜 별도의 후처리 공정이 요구되므로, 본 단계(S3)에서의 열처리 온도와 열처리 시간을 250~350℃와 1~2시간으로 각각 한정한 것이다.
위와 같은 조건으로 1차 열처리단계(S3)를 수행하더라도 칼날몸체의 표면 일부에 산화피막이 발생할 수 있으며, 이러한 산화피막은 칼날몸체의 표면을 통한 질소가스의 원활한 침투에 지장을 초래하는 요인이 되므로, 필요에 따라서는 1차 열처리단계(S3)의 마무리 시점에 열처리로에 설치된 초음파 진동기를 이용하여 15~25 kHz의 초음파로 2~5분간 칼날몸체를 진동시킴으로서, 칼날몸체 표면의 산화피막을 제거하는 과정이 추가로 수행될 수 있다.
상기 초음파 진동기는 열처리로의 외측 벽면이나 외측 바닥면에 설치하여 칼날몸체의 열처리온도에 영향을 받지 않도록 하는 것이 바람직하고, 상기 칼날몸체는 지그(Jig)나 행거(Hanger) 등을 사용하여 일정한 간격으로 열처리로의 내부공간에 견고히 매달아 놓음으로서, 초음파 진동에 따른 칼날몸체간의 충돌이나 이후의 고온 열처리에 따른 칼날몸체의 변형이 발생하지 않도록 하며, 지그나 행거에 물려지는 부분은 칼날몸체 중 손잡이 장착부위가 가장 바람직하다.
또한, 초음파를 이용한 처리조건은 칼날몸체의 불필요한 추가 균열이나 손상을 방지하고 산화피막만이 안전하게 제거될 수 있도록, 1.5mm 두께의 강판을 이용하여 20cm 미만의 길이로 제작된 칼날몸체는 15kHz 수준의 초음파로 약 2분간 처리하고, 2mm 두께의 강판을 이용하여 30cm 이상의 길이로 제작된 칼날몸체는 25kHz 수준의 초음파로 약 5분간 처리하며, 이를 기준으로 초음파 처리조건을 칼날몸체의 치수에 맞추어 조정하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 1차 열처리단계(S3)를 거친 후에는, 열처리로의 내부를 10-2torr의 진공상태로 조성시킨 다음, 1분당 10~20℃의 온도구배로 열처리로의 내부온도를 950~1250℃까지 상승시키는 2차 열처리단계(S4)와, 열처리로의 히터 가동을 중지시킨 상태에서 열처리로의 내부압력이 2~2.5bar가 되는 시점까지 질소가스를 투입한 다음, 해당 질소가스 분위기하에서 칼날몸체를 30~50분간 유지시키는 질소침투단계(S5)를 거치게 된다.
상기 2차 열처리단계(S4)와 질소침투단계(S5)는 앞서 설명되어진 종래기술(선행기술문헌) 뿐만 아니라 강재의 표면경화를 위한 질화처리에 널리 사용되는 방식이지만, 본 발명에서는 상기 1차 열처리단계(S3)를 거쳐 칼날몸체 표면의 미세크랙이나 핀홀을 확장시킨 상태에서 질화처리를 수행토록 함에 따라, 열처리로 내부의 질소가스 압력을 기존보다 높게 조성하여 칼날몸체를 통한 질소가스의 침투깊이를 보다 더 충분하게 확보할 수 있다.
다시 말해서, 기존의 경우는 칼날몸체의 실질적인 질화처리 이전에 열처리로의 내부를 10-2torr의 진공상태로 조성한 후 열처리로의 내부온도를 1,000~1,200℃까지 상승시키는 연질화(軟質化) 처리만을 수행하였기 때문에, 열처리로의 내부압력이 2bar 이상이 되는 시점까지 질소가스를 투입하더라도 칼날몸체의 표면을 통한 질소가스의 침투성능을 충분히 확보할 수 없었으나, 본 발명에서는 상기 1차 열처리단계(S3)를 거침에 따라 질소가스의 투입량에 비례하는 표면경화층을 신속하게 얻어낼 수 있다는 것이다.
이러한 관점에서, 상기 질소침투단계(S5)는 열처리로의 내부압력이 2~2.5bar 수준이 되는 시점까지 질소가스를 투입한 다음, 해당 질소가스 분위기하에서 칼날몸체를 30~50분간 유지시키는 과정으로 수행하였으며, 상기 질소침투단계(S5)를 거친 후에는, 열처리로의 내부압력이 4~5bar가 되는 시점까지 질소가스를 추가로 투입하여 칼날몸체를 통한 질소가스의 침투를 가속화시키는 한편 질소가스로 칼날몸체를 급랭시키는 질소??칭단계(S6)를 거치도록 하였다.
필요에 따라서는, 열처리로의 히터 가동을 중지시킨 상태에서 10-2torr의 진공상태로부터 1분당 0.1bar의 압력구배 조건으로 열처리로의 내부압력을 4~5bar까지 상승시키는 일련의 과정으로 상기 질소침투단계(S5)와 질소??칭단계(S6)를 통합하여 수행하는 것도 가능하며, 1분당 0.1bar의 압력구배 조건은 열처리로의 내부온도를 급격하게 저하시키지 않으면서 질소침투와 질소??칭을 효과적으로 수행할 수 있는 최적의 조건이 된다.
상기와 같은 질소??칭단계(S6)를 거친 후에는, 열처리로에서 칼날몸체를 꺼내어 액체질소가 저장된 냉각조에 50~70분간 침지시키는 서브제로(Sub-zero) 처리단계(S7)와, 칼날몸체를 열처리로에 다시 장입시켜 150~500℃의 온도조건하에서 50~70분간 유지시키는 템퍼링단계(S8)를 거치게 되며, 상기 서브제로 처리단계(S7)와 템퍼링단계(S8) 역시 경도(단단한 성질) 및 인성(靭性:질긴 성질)의 동시 확보를 목적으로 스테인레스강의 열처리에 널리 사용되는 공지의 방식이므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같은 템퍼링단계(S8)를 거친 후에는 열처리로에서 칼날몸체를 꺼내어 칼날몸체의 표면가공과 칼날가공을 수행하는 후가공단계(S9)를 거침으로서, 본 발명에 따른 제조공정이 모두 완료되며, 상기 표면가공은 질소가스의 침투경로를 확보하기 위하여 칼날몸체의 표면에 잔존시켰던 미세크랙이나 핀홀을 최종적으로 제거하는 공정단계이고, 상기 칼날가공은 연삭가공을 통하여 칼날을 날카롭게 세우는 공정단계이다.
따라서, 상기 표면가공은 칼날을 세우는 데 사용되는 연삭장비를 이용하여 표면광택을 부여하는 방식으로 수행하는 것이 가장 바람직하고, 필요에 따라서는 칼날몸체의 산세척이나 전해연마 등의 표면처리 방식이 적용될 수도 있으며, 이외에도 질소경화층의 물성을 변화시키지 않으면서 칼날몸체 표면의 미세크랙이나 핀홀을 제거할 수 있는 것이라면 어떠한 방식의 표면처리가 적용되더라도 무방함을 밝혀두는 바이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 칼날을 세우지 않고 프레스 가공으로 일차 성형된 칼날몸체를 그 연화점 온도까지 가열시키기 이전에, 질소가스의 침투경로에 해당하는 칼날몸체 표면의 미세크랙과 핀홀을 확장시키는 1차 열처리단계(S3)를 수행함으로서, 칼날몸체의 질화처리 및 ??칭작업시 질소가스 성분이 칼날몸체의 표면을 통하여 보다 더 깊숙이 침투되도록 함에 따라, 도 2의 그래프에서와 같이 칼날몸체의 표면으로부터 0.6mm 깊이의 심도까지 최소 640Hv로부터 최대 740Hv 수준의 높은 경도가 발현되도록 할 수 있다.
상기와 같이 열처리 및 질화처리 방식의 개선을 통하여 표면경도의 향상을 도모할 수 있는 질소경화층의 깊이를 종래의 경우보다 4배 가까이 확장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 프레스 성형단계(S1) 이후에 칼날 성형부의 다듬질 가공을 수행하지 않은 상태로 1차 열처리단계(S3)를 거침으로서, 칼날 성형부 주변의 질소경화층 깊이를 한층 더 폭넓게 확보할 수 있으며, 이로 인하여 칼날을 세우기 위한 연삭가공을 마지막 단계에 수행하더라도 장기간에 걸쳐 칼날 부분의 녹발생이나 절삭력 저하가 유발되지 않는 우수한 제품의 생산이 가능하게 된다.
보다 구체적인 실험결과로서, 종래의 방법으로 제작된 마르텐사이트계 스테인레스강 소재의 칼날몸체 표면에 염수분무시험기를 사용하여 순도 99.9%의 나트륨이 45wt%로 혼합된 염수를 분사한 결과 약 2시간 이후부터 녹이 발생하였으나, 본 발명에 의하여 제작된 칼날몸체의 경우는 24시간이 경과한 이후에도 녹이 발생하지 아니하였으며, 당근을 대상물로 하여 1만회의 절삭시험을 수행한 이후에도 칼날의 절삭력이 저하되지 아니하였다.
결론적으로, 종래의 경우보다 내구성과 내식성 및 사용수명을 크게 향상시킨 칼날몸체를 보다 저렴한 가격으로 제공할 수 있고, 최종 제작된 칼 제품의 치수정밀도와 품질균일성 또한 충분히 보장할 수 있는 등, 제품의 대외경쟁력 확보에 크게 이바지할 수 있음은 물론이고, 칼날을 먼저 세운 다음 이후의 공정단계를 수행함에 따라 발생하는 칼날 부분의 손상과 작업자의 상해 위험 및 칼날의 2중 연삭가공에 의한 불필요한 시간과 비용의 낭비를 방지하는 추가적인 잇점 역시 제공할 수 있는 것이다.

Claims (3)

  1. 마르텐사이트계 스테인레스강을 이용한 칼날몸체의 제조방법에 있어서,
    1.5~2mm의 두께를 가지는 마르텐사이트계 스테인레스 강판을 프레싱 가공하여 칼날몸체의 외관을 성형하는 프레스 성형단계(S1)와,
    상기 프레스 성형단계(S1)를 거친 후, 칼날의 연삭가공이 수행되는 부분을 제외한 칼날몸체의 나머지 가장자리 부분을 다듬질 가공하고, 칼날몸체를 세척하여 이물질을 제거하는 열처리 준비단계(S2)와,
    상기 열처리 준비단계(S2)를 거친 후, 대기조건하의 열처리로 내부에 칼날몸체를 장입시킨 다음, 열처리로의 내부온도를 250~350℃로 조성하여 칼날몸체를 1~2시간 동안 가열시킴으로서 칼날몸체 표면의 미세크랙과 핀홀을 확장시키는 1차 열처리단계(S3)와,
    상기 1차 열처리단계(S3)를 거친 후, 열처리로의 내부를 10-2torr의 진공상태로 조성시킨 다음, 1분당 10~20℃의 온도구배로 열처리로의 내부온도를 950~1250℃까지 상승시키는 2차 열처리단계(S4)와,
    상기 2차 열처리단계(S4)를 거친 후, 열처리로의 히터 가동을 중지시킨 상태에서 열처리로의 내부압력이 2~2.5bar가 되는 시점까지 질소가스를 투입한 다음, 해당 질소가스 분위기하에서 칼날몸체를 30~50분간 유지시키는 질소침투단계(S5)와,
    상기 질소침투단계(S5)를 거친 후, 열처리로의 내부압력이 4~5bar가 되는 시점까지 질소가스를 추가로 투입하여 칼날몸체를 통한 질소가스의 침투를 가속화시키는 한편 질소가스로 칼날몸체를 급랭시키는 질소??칭단계(S6)와,
    상기 질소??칭단계(S6)를 거친 후, 열처리로에서 칼날몸체를 꺼내어 액체질소가 저장된 냉각조에 50~70분간 침지시키는 서브제로 처리단계(S7)와,
    상기 서브제로 처리단계(S7)를 거친 후, 칼날몸체를 열처리로에 다시 장입시켜 150~500℃의 온도조건하에서 50~70분간 유지시키는 템퍼링단계(S8)와,
    상기 템퍼링단계(S8)를 거친 후, 열처리로에서 칼날몸체를 꺼내어 칼날몸체의 표면가공과 칼날가공을 수행하는 후가공단계(S9)를 거쳐서 이루어지는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트계 스테인레스강을 이용한 칼날몸체의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 1차 열처리단계(S3)에서는 칼날몸체 표면의 산화피막 제거를 위하여 해당 단계의 마무리 시점에 열처리로에 설치된 초음파 진동기를 이용하여 15~25kHz의 초음파로 2~5분간 칼날몸체를 진동시키는 과정이 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트계 스테인레스강을 이용한 칼날몸체의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 질소침투단계(S5)와 질소??칭단계(S6)는, 열처리로의 히터 가동을 중지시킨 상태에서 10-2torr의 진공상태로부터 1분당 0.1bar의 압력구배 조건으로 열처리로의 내부압력을 4~5bar까지 상승시키는 일련의 과정으로 통합 수행됨을 특징으로 하는 마르텐사이트계 스테인레스강을 이용한 칼날몸체의 제조방법.
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