KR101858239B1 - 주방용 조리기구의 표면에 논스틱층을 형성시키기 위한 열처리방법 - Google Patents

주방용 조리기구의 표면에 논스틱층을 형성시키기 위한 열처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주방용 조리기구의 표면에 음식물이 들러 붙지 않도록 하는 논스틱층을 질화열처리에 의하여 형성시킬 수 있도록 한 열처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강재를 이용하여 조리기구의 외관 형상을 이루도록 일차 성형된 모재를 가스열처리로의 내부로 투입시키고, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아와 이산화탄소 및 질소가스와의 혼합가스 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 승온시키는 예비열처리단계와, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아와 질소가스의 혼합가스 분위기로 조성시킨 상태에서 모재 표면의 질화처리를 수행하는 질화열처리단계를 거침으로서, Fe4N이나 Fe3CN의 질소경화층 위에 Fe3O4의 산화물층이 조성되도록 한 다음, 가스열처리로의 내부공간을 질소가스 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 서서히 하강시키는 로내에서의 냉각단계를 거침에 따라 질소경화층과 산화물층이 강력하게 결합되도록 함으로서, 표면강도가 매우 우수하여 긁힘이나 벗겨짐이 거의 발생되지 않는 논스틱층을 산화물층에 의하여 제공토록 하는 동시에, 질소경화층에 의해서는 우수한 내식성과 내마모성이 부여되도록 하며, 이를 통하여 반영구적인 사용수명을 확보하면서도 대량생산에 의한 원가절감을 이루어내어 제품의 대외경쟁력을 크게 높일 수 있도록 한 주방용 조리기구의 표면에 논스틱층을 형성시키기 위한 열처리방법에 관한 것이다.

Description

주방용 조리기구의 표면에 논스틱층을 형성시키기 위한 열처리방법{Heating process for forming non-stick layer on the surface of cooking utensil for a kitchen}
본 발명은 강재를 이용하여 조리기구의 외관 형상을 이루도록 일차 성형된 모재를 가스열처리로의 내부로 투입시키고, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아와 이산화탄소 및 질소가스와의 혼합가스 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 승온시키는 예비열처리단계와, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아와 질소가스의 혼합가스 분위기로 조성시킨 상태에서 모재 표면의 질화처리를 수행하는 질화열처리단계를 거침으로서, Fe4N이나 Fe3CN의 질소경화층 위에 Fe3O4의 산화물층이 조성되도록 한 다음, 가스열처리로의 내부공간을 질소가스 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 서서히 하강시키는 로내에서의 냉각단계를 거침에 따라 질소경화층과 산화물층이 강력하게 결합되도록 함으로서, 표면강도가 매우 우수하여 긁힘이나 벗겨짐이 거의 발생되지 않는 고기능성의 논스틱층을 산화물층에 의하여 형성시키도록 한 주방용 조리기구의 표면에 논스틱층을 형성시키기 위한 열처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 각종 음식물의 조리에 사용되는 후라이팬이나 고기불판 또는 냄비나 웍(Wok) 등의 주방용 조리기구는, 가볍고 열전도성이 우수한 알루미늄 소재를 이용하여 후라이팬이나 고기불판 또는 냄비나 웍 형상의 조리기구 본체를 일차적으로 제작한 다음, 해당 본체상에 손잡이 등을 추가로 연결 설치하는 한편, 본체의 조리용 표면에 음식물의 부착(들러붙음)을 방지하는 논스틱(Non-stick) 코팅층을 형성시키게 된다.
상기와 같이 주방용 조리기구의 조리용 표면에 적용되는 논스틱 코팅층의 대표적인 예로서 세라믹 코팅층과 테플론 코팅층을 들 수 있으나, 알루미늄 소재를 베이스로 하는 주방용 조리기구의 조리용 표면에 해당 코팅층을 형성시키게 되면, 알루미늄 소재와 코팅층간의 밀착강도가 약하게 되어 코팅층이 쉽게 긁히거나 벗겨지는 문제점이 있었으며, 이로 인하여 조리기구의 구입후 얼마의 사용기간이 지나지 않았음에도 불구하고 음식물이 조리면에 눌러 붙는 상황이 야기되었다.
특히, 조리기구의 빈번한 사용과 잦은 세척작업이 수행되는 음식점 등에서는 조리기구의 사용수명이 매우 짧게 되고, 조리면의 코팅층이 손상된 것만으로도 조리기구 자체를 새것으로 교체시켜야 함으로서 사용자들에게 상당한 경제적 부담을 안겨줄 뿐만 아니라, 테플론의 경우 과불화 화합물의 일종으로서 인체에 유해한 환경오염물질인 PFOA(Perfluorooctanoic Acid) 성분이 포함되어 있고, 최근에는 알루미늄 성분의 독성 문제도 부각되고 있으므로, 향후에는 테플론 코팅이 이루어진 알루미늄 조리기구의 사용에 다소의 규제나 제약이 발생할 것으로 예상된다.
상기와 같이 알루미늄 재질의 조리기구가 가지는 문제점으로 인하여 무쇠 재질로 제작된 주방용 조리기구가 다시금 부각되고 있으나, 주물성형 방식에 의존하는 무쇠 재질의 조리기구는 그 대량생산이 불가능하여 제품의 가격이 상대적으로 높게 됨은 물론이고, 조리기구의 표면에 녹이나 부식이 쉽게 발생하여 위생상에도 좋지 못한 문제점이 야기되었으며, 무쇠 자체가 알루미늄에 비하여 상당히 무거운 소재이므로 조리기구의 빈번한 사용과 잦은 세척작업이 요구되는 음식점에서는 그 활용성이 크게 떨어지는 등의 추가적인 문제점이 대두되었다.
대한민국 공개특허 제 10-2009-0118347호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 강재를 이용하여 조리기구의 외관 형상을 이루도록 일차 성형된 모재를 가스열처리로의 내부로 투입시키고, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아와 이산화탄소 및 질소가스와의 혼합가스 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 승온시키는 예비열처리단계와, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아와 질소가스의 혼합가스 분위기로 조성시킨 상태에서 모재 표면의 질화처리를 수행하는 질화열처리단계를 거침으로서, Fe4N이나 Fe3CN의 질소경화층 위에 Fe3O4의 산화물층이 조성되도록 한 다음, 가스열처리로의 내부공간을 질소가스 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 서서히 하강시키는 로내에서의 냉각단계를 거침에 따라 질소경화층과 산화물층이 강력하게 결합되도록 함으로서, 표면강도가 매우 우수하여 긁힘이나 벗겨짐이 거의 발생되지 않는 고기능성의 논스틱층을 산화물층에 의하여 형성시킬 수 있도록 한 주방용 조리기구의 표면에 논스틱층을 형성시키기 위한 열처리방법을 제공하는 것이 그 주된 기술적 과제이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서의 본 발명은, 주방용 조리기구의 표면에 음식물이 들러 붙지 않도록 하는 논스틱층을 형성시키기 위한 처리방법에 있어서, 강재를 이용하여 조리기구의 외관 형상을 이루도록 일차 성형된 모재를 가스열처리로의 내부로 투입시키고, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아(NH3) 30~40 vol%와 이산화탄소(CO2) 30~40vol%와 질소가스(N2) 30~40vol%의 혼합가스 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 120~180분에 걸쳐 300~450℃까지 상승시키는 예비열처리단계와, 상기 예비열처리단계를 거친 후, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아(NH3) 70~90vol%와 질소가스(N2) 10~30vol%의 혼합가스 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 550~600℃까지 상승시켜 240~300분간 모재의 표면에 대한 질화처리를 수행하는 질화열처리단계와, 상기 질화열처리단계를 거친 후, 가스열처리로의 내부공간을 질소가스(N2) 100vol%의 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 180~240분에 걸쳐 300~350℃까지 하강시킴에 따라, 가스열처리로의 내부에서 모재를 서냉시키는 냉각단계를 거쳐서 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 모재는 탄소강이나 티타늄 또는 스테인레스 스틸 중에서 택일한 소재가 되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 강재를 이용하여 조리기구의 외관 형상을 이루도록 일차 성형된 모재의 예비열처리단계와 질화열처리단계를 거쳐 Fe4N이나 Fe3CN의 질소경화층 위에 Fe3O4의 산화물층이 조성되도록 한 다음, 로내에서 모재를 서냉시키는 냉각단계를 거쳐 상기 질소경화층과 산화물층이 강력하게 결합되도록 함으로서, 표면강도가 매우 우수하여 긁힘이나 벗겨짐이 거의 발생되지 않는 고기능성의 논스틱층을 산화물층에 의하여 형성시킬 수 있는 동시에, 질소경화층에 의해서는 우수한 내식성과 내마모성이 부여되도록 하는 효과를 제공한다.
이를 통하여, 세라믹 코팅층이나 테플론 코팅층이 적용된 기존의 알루미늄 조리기구와는 달리 거의 반영구적으로 사용이 가능하고, 인체에 유해한 화학성분이 조리용 표면에 전혀 포함되어 있지 아니한 친환경 조리기구를 제공할 수 있는 효과가 있으며, 무쇠 재질로 제작된 조리기구에 비하여 매우 가볍고 녹이나 부식이 거의 발생하지 않으며 대량생산에 의한 원가절감을 이루어낼 수 있는 등, 주방용 조리기구 제품의 품질 향상과 대외경쟁력 확보에 크게 기여할 수 있는 여러 가지의 유용한 효과를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 열처리방법이 포함된 주방용 조리기구의 제작과정을 나타내는 공정블록도.
이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도 1을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 열처리방법은 강재를 이용하여 조리기구의 외관 형상을 이루도록 일차 성형된 모재를 가스열처리로의 내부로 투입시키고, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아와 이산화탄소 및 질소가스와의 혼합가스 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 점차 상승시키는 예비열처리단계와, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아와 질소가스의 혼합가스 분위기로 조성시킨 상태에서 모재 표면의 질화처리를 수행하는 질화열처리단계와, 가스열처리로의 내부공간을 질소가스 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 서서히 하강시켜 모재를 로내에서 서냉시키는 냉각단계를 순차적으로 거쳐서 이루어진다.
상기와 같은 본 발명의 열처리방법을 수행하기 이전에 강재를 이용하여 조리기구의 외관 형상을 가지는 모재를 일차 성형하는 모재준비단계가 필수적으로 수반되어야 하는 바, 상기 모재준비단계는 소정의 두께를 가지는 강판을 프레스기구로 투입시켜 요구하는 치수의 원판이나 사각판 또는 다각판 형태로 성형시키는 쉐어링(Shearing)단계와, 상기 쉐어링단계를 거친 강판을 유압성형기로 투입하여 해당 강판을 조리기구 형상의 모재로 성형시키는 유압성형단계와, 상기 유압성형단계를 거친 모재의 세척단계를 거쳐 수행되는 것이다.
상기 모재준비단계에 사용되는 강판은 주방용 조리기구에 통상적으로 적용되는 0.5~1.5mm 정도의 두께를 가지는 것이 바람직하고, 조리기구의 용도나 사용조건 등을 고려하여 이보다 얇거나 두꺼운 재질의 강판이 사용될 수도 있으며, 상기 쉐어링단계는 공지된 전단(剪斷) 프레스 가공에 해당하는 것으로서, 원판이나 다각판은 블랭킹(Blanking: 소재로부터 정해진 형상을 절단해 내어 그것을 제품으로 사용하는 프레스 작업) 가공으로 성형하고, 사각판은 컷팅오프(Cutting-off: 스크랩이 발생하지 않도록 규칙적인 배열로 소재를 절단하는 프레스 작업) 가공으로 성형하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유압성형단계 역시 마찬가지로 조리기구의 외관(본체) 형상에 맞추어 제작된 상부금형과 하부금형의 사이에 쉐어링단계를 거쳐 성형된 강판을 투입시킨 다음, 유압실린더를 이용하여 상부금형을 하부금형측으로 눌러 가압시킴으로서, 해당 강판이 후라이팬이나 고기불판 또는 냄비나 웍 등의 조리기구 본체 형상의 모재를 이루도록 성형하는 공지의 단계이며, 고기불판과 같이 다소 복잡한 패턴을 가지는 조리기구의 경우에는 상부금형과 하부금형의 임의 위치에 절단날 등을 추가로 설치함으로서, 강판 일부의 펀칭(Punching)이나 절단가공이 유압성형과 동시에 수행되도록 할 수도 있다.
이와 더불어, 상기 세척단계는 쉐어링단계와 유압성형단계를 거침에 따라 모재의 표면에 부착될 수 있는 프레스유나 가공유 및 금속분(쇳가루) 등이 포함된 각종 이물질을 제거하는 공지의 단계로서, 그 대표적인 일례를 들자면 세정액이 저장된 세정조의 내부로 모재를 투입시키고, 세정조의 바닥측에 설치된 초음파진동자를 작동시켜 모재를 세척하는 초음파 세척방식을 들 수 있으며, 이외에도 브러쉬를 이용한 세척방식이나 세척 및 건조성이 우수한 세정액의 분사방식 등과 같은 여러 가지의 표면세척 방식이 적용될 수도 있다.
상기와 같은 초음파 세척방식에 사용되는 세정액은 비누액과 같이 오일성분의 제거가 가능한 것이라면 무방하고, 세정액의 온도는 50±5℃, 세척시간은 20~40분으로 하는 것이 바람직한데, 세척온도가 45℃ 미만이거나, 초음파를 이용한 세척시간이 20분 미만이 되면, 고기불판과 같이 다소 복잡한 패턴을 가지는 모재의 경우는 그 표면의 이물질을 충분히 제거하기가 어렵고, 세척온도가 55℃를 초과하거나, 초음파를 이용한 세척시간이 40분을 초과하는 것은 세척효율을 고려한 측면에서 비경제적이다.
상기와 같은 방식으로 모재의 준비단계가 모두 완료된 이후에 본 발명의 열처리단계가 수행되는 것이며, 본 발명의 주된 열처리는 모재의 표면에 대한 질화처리가 되는 바, 통상 질화처리에 사용되는 가스열처리로는, 내화벽돌을 이용하여 구축되는 외측의 터널형 벽체부와, 상기 벽체부의 내벽면상에 설치되는 전기히터와, 상기 벽체부의 내부공간에 배치되는 터널형 열처리하우징과, 상기 열처리하우징의 상단측을 관통하도록 설치되는 가스주입관 및 가스배출관을 포함하여서 이루어지며, 수십 내지 수백 개의 모재가 놓여진 골조프레임식 거치대를 열처리하우징의 내부로 장입(裝入)시킨 상태에서 모재에 대한 질화열처리가 수행된다.
따라서, 본 발명의 열처리단계에 사용되는 가스열처리로는 길이 방향을 따라 길게 형성되는 수평형 가스 열처리 장치가 바람직하고, 열처리하우징의 바닥측에는 골조프레임식 거치대를 열처리하우징의 내,외부로 이동시킬 수 있는 이송레일이 설치될 것이며, 열처리하우징의 입구측에는 골조프레임식 거치대의 투입과 배출 및 가스열처리로 내부공간의 밀폐를 위한 개폐도어가 설치될 것이고, 열처리하우징의 상부 내측 중앙에는 질화처리용 가스의 확산식 분배를 위한 팬모터와 송풍팬이 각각 설치될 것이다.
이와 더불어, 상기 가스주입관은 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2) 및 질소가스(N2)의 주입을 위한 3개의 배관라인이 하나의 라인으로 통합되어 열처리하우징의 상측부를 관통하도록 설치되고, 상기 각각의 배관라인에는 해당 가스의 주입량을 제어할 수 있는 MFC(Mass flow controller: 질량유량계)가 밸브기구와 함께 설치되며, 상기 가스배출관에도 밸브기구가 설치되는 한편, 가스열처리로의 내부온도와 가스의 주입상태를 감지하는 열전대 및 가스감지센서가 열처리하우징의 내부에 추가로 제공될 것이다.
위에서 설명되어진 가스열처리로의 경우도 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 대표적인 일례에 불과한 것으로서, 이외에도 다양한 종류의 가스열처리로가 본 발명에 적용될 수 있음을 밝혀두는 바이며, 가스열처리로를 이용한 본 발명에 따른 조리기구용 모재의 열처리단계는 도 1의 공정블록도에서와 같이, 모재에 대한 예비열처리단계와, 모재의 표면에 대한 가스침투식 질화열처리단계와, 모재의 냉각단계를 순차적으로 거쳐서 이루어지는 것이며, 각각의 단계는 모두 가스열처리로의 내부에서 수행된다.
상기 예비열처리단계는 수십 내지 수백 개의 모재가 놓여진 골조프레임식 거치대를 가스열처리로의 내부로 장입시킨 다음, 가스열처리로의 개폐도어를 닫은 상태에서 가스주입관을 통하여 모재의 표면처리를 위한 가스를 가스열처리로의 내부로 주입시키되, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아(NH3) 30~40vol%와 이산화탄소(CO2) 30~40vol%와 질소가스(N2) 30~40vol%의 혼합가스 분위기로 조성시키는 한편, 전기히터를 이용하여 가스열처리로의 내부온도를 120~180분에 걸쳐 300~450℃까지 상승시키는 과정으로 수행된다.
통상의 질화열처리에서는 가스열처리로의 내부공간을 질소가스(N2) 100vol%의 분위기로 조성시킨 상태에서 가스열처리로의 내부온도를 질화처리에 필요한 온도수준까지 상승시키는 방식으로 예비열처리가 수행되지만, 본 발명에서는 Fe4N이나 Fe3CN의 질소경화층 위에 Fe3O4의 산화물층을 조성시켜 해당 산화물층이 논스틱층으로 활용될 수 있도록, 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)와 질소가스(N2)와의 혼합가스 분위기하에서 예비열처리를 수행하는 한편, 모재의 최종 예열온도와 질화열처리 온도 사이에도 일정한 수준의 차이를 두는 것이다.
본 단계에 적용될 수 있는 최적의 가스배합비율은 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)와 질소가스(N2)가 각각 1:1:1의 비율을 이루도록 하는 것이지만, 유동성과 확산성이 매우 높은 가스 성분의 특성상 혼합 및 측정시에 오차가 발생할 수 있으므로, 이를 고려하여 암모니아(NH3) 30~40vol%와 이산화탄소(CO2) 30~40vol%와 질소가스(N2) 30~40vol%의 허용범위를 둔 것이며, 해당 범위내에서 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)와 질소가스(N2)가 최대한 1:1:1의 비율에 가깝게 투입 및 혼합될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이와 더불어, 본 단계에서 가스열처리로의 내부온도를 120~180분에 걸쳐 300~450℃까지 상승시키는 이유는, Fe3O4의 산화물층이 Fe4N이나 Fe3CN의 질소경화층 위에서 2~4㎛ 수준의 충분한 두께로 형성될 수 있도록 최소한의 온도구배 즉, 분당 2.5℃ 정도의 낮은 온도구배로 서서히 가열시켜 모재의 안정적인 표면산화를 유도하는 한편, 모재의 최종 예열온도(300~450℃)와 모재의 질화열처리 온도(550~600℃) 사이에 150~250℃ 정도의 추가적인 가열구간을 두어 모재의 질화열처리시 Fe3O4의 산화물층 조직이 보다 치밀한 조성을 가질 수 있는 분위기를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 예비열처리단계를 거친 후에는, 모재의 예비열처리를 위하여 가스열처리로의 내부에 조성된 혼합가스를 가스배출관을 통하여 가스열처리로의 외부로 전량(全量) 배출시킨 다음, 가스주입관을 통하여 암모니아(NH3)와 질소가스(N2)를 가스열처리로의 내부로 주입시킴으로서, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아(NH3) 70~90vol%와 질소가스(N2) 10~30vol%의 혼합가스 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 550~600℃까지 상승시켜 240~300분간 모재의 표면에 대한 질화처리를 수행하는 질화열처리단계를 거치게 된다.
통상의 질화열처리는 가스열처리로의 내부공간을 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)와 질소가스(N2)와의 혼합가스 분위기로 조성시킨 상태에서 수행되는 것이 일반적이지만, 본 발명에서는 Fe4N이나 Fe3CN의 질소경화층 위에 조성된 Fe3O4의 산화물층이 질화열처리 과정에서 보다 더 견고하고 치밀한 조직을 이룰 수 있도록 함과 동시에, 해당 산화물층을 거쳐 모재의 표면으로 질소가스(N2)가 원활히 침투되도록 함에 따라 2~3㎛ 수준의 질소경화층이 조성될 수 있도록 이산화탄소(CO2)를 투입시키지 아니한 상태에서 수행되는 것이다.
위와 같은 기능을 달성할 수 있도록 본 단계에 적용될 수 있는 최적의 가스배합비율은 암모니아(NH3)와 질소가스(N2)를 각각 8:2로 하는 것이지만, 유동성과 확산성이 매우 높은 가스 성분의 특성상 혼합 및 측정시에 오차가 발생할 수 있으므로, 이를 고려하여 암모니아(NH3) 70~90vol%와 질소가스(N2) 10~30vol%의 허용범위를 둔 것이며, 해당 범위내에서 암모니아(NH3)와 질소가스(N2)가 최대한 8:2의 비율에 가깝게 투입 및 혼합될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이와 더불어, 본 단계에서 모재의 열처리 온도를 550~600℃로 하고, 모재의 열처리 시간을 240~300분으로 하는 것은 강재의 질화열처리에 일반적으로 적용되는 사항에 해당하는 바, 550℃ 미만의 처리온도와 240분 미만의 처리시간은 질소가스(N2)의 침투에 의한 질소경화층의 두께와 조직을 요구하는 수준으로 확보하기 어려운 조건이 되고, 모재의 처리온도와 처리시간이 각각 600℃와 300분을 초과하는 것은 Fe3O4의 산화물층 두께를 불필요하게 감소시키는 결과를 초래하므로 바람직하지 못하게 된다.
상기와 같은 질화열처리단계를 거친 후에는, 모재의 질화열처리를 위하여 가스열처리로의 내부에 조성된 혼합가스를 가스배출관을 통하여 가스열처리로의 외부로 전량 배출시킨 다음, 가스주입관을 통하여 질소가스(N2)를 가스열처리로의 내부로 주입시킴으로서, 가스열처리로의 내부공간을 질소가스(N2) 100vol%의 분위기로 조성시키는 한편, 전기히터의 가동을 중지시킨 상태에서 가스열처리로의 내부온도를 180~240분에 걸쳐 300~350℃까지 하강시키는 방식으로 가스열처리로의 내부에서 모재를 서냉시키는 냉각단계를 거침으로서, 본 발명에 따른 열처리단계가 완료되는 것이다.
본 단계는 통상의 질화열처리에 적용되는 확산단계와 다소 유사하다고 볼 수 있으나, 질화열처리에 널리 적용되는 확산단계는 가스열처리로의 내부온도를 질화처리온도인 550~600℃에 맞추어 유지시키는 조건으로 모재를 질소가스(N2) 분위기하에 두는 것이지만, 본 단계는 전기히터의 가동을 중지시킨 상태에서 가스열처리로의 내부온도를 서서히 하강시키는 조건으로 모재를 질소가스(N2) 분위기하에 두는 것인 바, 이러한 방식의 냉각단계를 거침으로서, Fe4N이나 Fe3CN의 질소경화층 조직을 보다 더 치밀하게 함과 동시에, Fe3O4의 산화물층을 질소경화층과 견고히 결합시켜 해당 산화물층을 조리기구의 논스틱층으로 활용할 수 있는 것이다.
이를 위하여, 본 단계에서 가스열처리로의 내부온도를 180~240분에 걸쳐 300~350℃까지 하강시키는 것인 바, 모재의 최종 냉각온도를 300℃ 미만으로 하는 것은 질소경화층과 산화물층과의 결합력이 최대치에 이르러 더 이상 강화되지 않는 상황에서 처리시간만을 불필요하게 지연시키는 것이므로 바람직하지 못하고, 모재의 최종 냉각온도가 350℃를 초과하게 되면, 본 단계에서의 처리시간은 단축시킬 수 있으나, 모재를 가스열처리로의 외부로 빼내는 과정에서 상온과의 과도한 온도 차이로 말미암아 질소경화층과 산화물층 사이의 괴리 현상이나 모재의 치수 변형 등이 유발될 수 있으므로 바람직하지 못하다.
또한, 본 단계에 있어 모재의 냉각에 적용되는 온도구배는 질소경화층이 산화물층과 견고하게 결합될 수 있는 충분한 시간적 여유를 제공할 수 있도록, 질화열처리 온도인 550~600℃로부터 모재의 최종 냉각온도인 300~350℃에 이르기까지 분당 (-)1~1.4℃의 수준으로 유지되게 하는 것이 바람직하며, 본 발명에 따른 열처리단계 전반에 걸친 가스의 주입속도는 질화처리에 통상적으로 적용되는 4~6m3/hr의 유량이 바람직하고, 가스의 주입량과 주입속도는 앞선 설명에서와 같이 가스주입관에 설치된 MFC와 열처리하우징에 설치된 가스감지센서와의 피드백 제어를 통하여 자동적으로 조정되게 하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 방식으로 본 발명의 열처리단계가 완료된 이후에는, 가스열처리로의 개폐도어를 개방하여 질화열처리가 이루어진 수십 내지 수백 개의 모재를 골조프레임식 거치대와 함께 가스열처리로의 외부로 빼낸 다음, 해당 모재를 골조프레임식 거치대와 함께 상온중에 방치하여 모재를 최종적으로 냉각시키게 되며, 모재를 상온중에서 최종 냉각시킨 이후에는 삼베나 마포(麻布) 또는 각종 천과 같은 섬유 재질의 부드러운 소재를 이용하여 모재의 표면을 닦아냄으로서 모재의 표면에 광택을 부여하는 마감처리단계를 거치게 된다.
상기 마감처리단계는 수작업을 통하여 수행될 수도 있고, 삼베나 마포 또는 각종 천을 소정의 두께로 감아 놓은 다수 개의 연마봉(硏磨棒)이 축회전 가능하게 설치된 연마장치로 모재를 순차 투입시켜 마감처리작업이 자동적으로 수행되도록 할 수도 있으며, 이러한 마감처리작업을 거쳐 질소경화층과 결합되지 못한 산화물층 부분, 다시 말해서 0.5㎛ 정도의 두께에 해당하는 산화물층의 최상단부가 제거됨으로서, 실질적인 논스틱층을 제공하는 1.5~3.5㎛ 두께의 산화물층만이 질소경화층 위에 남게 되는 것이다.
상기와 같은 마감처리단계를 거친 후에는, 모재의 표면에 상온의 세척수를 분사하여 이물질을 제거하는 세척단계와, 세척작업이 완료된 모재를 베이스로 하여 조리기구에 필요한 손잡이 등의 부가수단을 모재에 연결시키고, 필요시 조리용 표면을 제외한 모재의 나머지 표면에 외관의 미려함을 위한 도장작업이나 금속프린팅 작업을 수행하는 등의 공지된 제품화단계를 거침으로서, 실사용이 가능한 조리기구 제품으로의 최종 제작이 완료된다.
상기와 같이 강재를 이용하여 조리기구의 외관 형상을 이루도록 일차 성형된 모재의 예비열처리단계와 질화열처리단계를 거쳐 Fe4N이나 Fe3CN의 질소경화층 위에 Fe3O4의 산화물층이 조성되도록 한 다음, 로내에서 모재를 서냉시키는 냉각단계를 거쳐 상기 질소경화층과 산화물층이 강력하게 결합되도록 하는 본 발명의 열처리방법을 수행하게 되면, 세라믹 코팅작업이나 테플론 코팅작업과 같은 추가적인 공정을 거치지 않더라도 조리기구의 조리용 표면에 걸쳐 음식물의 부착을 방지하는 논스틱층을 Fe3O4의 산화물층으로 형성시킬 수 있게 된다.
상기와 같이 Fe3O4의 산화물층에 의하여 제공되는 논스틱층은 기존의 세라믹 코팅층이나 테플론 코팅층과 거의 동등한 수준으로 음식물의 부착을 방지할 수 있는 동시에, 표면강도가 매우 우수하여 긁힘이나 벗겨짐이 거의 발생되지 않는 고기능성의 논스틱층이 됨을 각종 실험을 통하여 확인할 수 있었고, 특히 탄소강이나 티타늄 또는 스테인레스 스틸 재질의 모재를 사용한 경우가 다른 강재 재질의 모재를 사용한 경우와 비교하여 한층 더 뛰어난 기능의 논스틱층을 제공할 수 있었으며, 질소경화층에 의해서는 우수한 내식성과 내마모성이 조리기구에 부여되도록 할 수 있었다.
뿐만 아니라, Fe3O4의 산화물층과 연계된 Fe4N이나 Fe3CN의 질소경화층 역시 우수한 논스틱 표면을 제공할 수 있으므로, 조리기구의 사용 도중에 Fe3O4의 산화물층이 닳아 없어지더라도 조리기구의 사용에 지장을 초래하지 않게 되며, 이러한 점을 감안하여 탄소강이나 티타늄 또는 스테인레스 스틸 중에서 택일한 소재로 모재를 제작한 경우, 상기 마감처리단계에서 조리용 표면에 대한 샌드블라스팅(Sand blasting) 가공 등을 행하여 Fe3O4의 산화물층과 연계된 Fe4N이나 Fe3CN의 질소경화층 부분이 노출되도록 하면, 산화물층을 단독으로 활용하는 논스틱층보다 열전도율이 한층 더 뛰어난 논스틱층을 제공할 수 있는 것이다.
상기와 같이 본 발명에 따른 열처리방법을 거쳐 제작된 조리기구는 세라믹 코팅층이나 테플론 코팅층이 적용된 기존의 알루미늄 조리기구와는 달리 거의 반영구적으로 사용이 가능하고, 인체에 유해한 화학성분이 조리용 표면에 전혀 포함되어 있지 아니한 친환경 조리기구를 제공할 수 있으며, 무쇠 재질로 제작된 조리기구에 비하여 매우 가볍고 녹이나 부식이 거의 발생하지 않으며 대량생산에 의한 원가절감을 이루어낼 수 있는 등, 주방용 조리기구 제품의 품질 향상과 대외경쟁력 확보에 크게 기여할 수 있는 획기적인 방안을 제시할 수 있는 것이다.

Claims (2)

  1. 주방용 조리기구의 표면에 음식물이 들러 붙지 않도록 하는 논스틱층을 형성시키기 위한 처리방법에 있어서,
    강재를 이용하여 조리기구의 외관 형상을 이루도록 일차 성형된 모재를 가스열처리로의 내부로 투입시키고, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아(NH3) 30~40 vol%와 이산화탄소(CO2) 30~40vol%와 질소가스(N2) 30~40vol%의 혼합가스 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 120~180분에 걸쳐 300~450℃까지 상승시키는 예비열처리단계와,
    상기 예비열처리단계를 거친 후, 가스열처리로의 내부공간을 암모니아(NH3) 70~90vol%와 질소가스(N2) 10~30vol%의 혼합가스 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 550~600℃까지 상승시켜 240~300분간 모재의 표면에 대한 질화처리를 수행하는 질화열처리단계와,
    상기 질화열처리단계를 거친 후, 가스열처리로의 내부공간을 질소가스(N2) 100vol%의 분위기로 조성시키는 한편, 가스열처리로의 내부온도를 180~240분에 걸쳐 300~350℃까지 하강시킴에 따라, 가스열처리로의 내부에서 모재를 서냉시키는 냉각단계를 거쳐서 이루어지는 것을 특징으로 하는 주방용 조리기구의 표면에 논스틱층을 형성시키기 위한 열처리방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 모재는 탄소강이나 티타늄 또는 스테인레스 스틸 중에서 택일한 소재가 되는 것을 특징으로 하는 주방용 조리기구의 표면에 논스틱층을 형성시키기 위한 열처리방법.
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