KR102146354B1 - 내마모성과 내식성이 우수한 주방용 칼 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

크롬(Chromium) 몰리(Mollybdnum) 바나듐(Vanadium)과 니오븀(Niobium), 텅스텐(Tungsten), 보론(Boron)이 합금된 고 경도 고 장력 특수강재질을 합금 용해한 후 수직 원심주조법으로 칼날을 주조하고, 이 주조하여 만든 칼날을 연마하여 칼날 세우기를 한 후 칼날 끝 부위에서 5~10mm폭으로 텅스텐 카바이드(WC)를 진공증착 법으로 코팅하고, 2차로 칼 양쪽 전면에 진공증착 법으로 황금색의 TiN(Titanium Nitride)코팅을 한 후 여기에 순금 또는 금은 합금, 금은동 합금, 금,은,동,닉켈 합금이 된 금색이 나는 합금을 2~20미크론 두께로 도금하거나 코팅하여 만든 주방용 칼로써 칼날의 표면경도가 매우 높아 칼날 사용수명이 길고, 내식은 물론 살균, 항균력이 높은 음식물 조리용 황금색이 나는 칼 및 칼의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

내마모성과 내식성이 우수한 주방용 칼 및 그 제조방법{Kitchen Knife having a good Abrasion and corrosion Resistance and Manufacturing Method the same}

본 발명은 주방용 칼에 관한 것으로 보다 상세하게는 절단성, 내마모성과 내식성이 우수할 뿐 아니라 살균 및 항균력을 가지고 있는 주방용 칼 및 그 제조방법에 관한 것이다.

식도(食刀)는 그 사용 용도에 따라 다양한 모양과 크기로 제작되어 사용된다.

가정용 식도만 하더라도 몇 종류의 조리용 식도와 과일용 과도와 절단용 식도 등 한 가정에 최소 4~5자루의 칼을 사용하고 있다.

칼의 성능은 얼마나 칼날이 예리하여 음식물이 잘 절단되는가 하는 점과 칼날을 숫돌에 갈지 않고 얼마나 오랫동안 사용할 수 있는가 하는 점과 음식물과의 접촉에 의해 얼마나 부식이 잘되지 않는가 하는 점이, 성능이 좋고 나쁜 판정 기준이 된다.

상기와 같은 식도의 성능을 좌우하는 것은 칼의 금속소재가 가장 중요하며, 그 다음으로 중요한 것은 칼날의 날 세움과 열처리기술이다. 10~20년 전에는 세계의 명품 칼은 독일과 일본이 독점 하다시피 하였다. 그 이유는 칼 소재인 금속 합금기술이 두 나라가 우수하였고, 칼날의 열처리기술은 그 회사 또는 칼을 만드는 장인만의 노우하우(Know-how)로 비전(秘典)으로 전수 되다시피 했기 때문이다.

지금은 세계 각국의 칼 생산업체는 거의 독일이나, 프랑스, 스웨덴의 제강공장에서 생산하는 AISI 420J2나, AISI 440C 규격의 Stainless Steel의 강판을 매입하여 제작하고 있다. 일부 특수 칼의 경우 칼 재질을 특수강 또는 고속도강을 제강하여 사용하기도 한다. 따라서 일반 칼의 경우 각 제조사 간의 재료 성능에 따른 품질의 차별성이 없게 되었다. 제품의 Design, 칼날의 가공방법이 유일한 경쟁력일 뿐이다. 일본이 장악하고 있는 전문 요리사의 칼은 특수한 금속재질을 사용하고 있고, 이 재질은 대량 생산품이 아닌 특수 합금재질을 주문제작하여 사용하기 때문에 지금까지 우리나라에서는 생산이 불가능 하였다.

고가의 칼 소재는 제조사가 특수 합금원소를 합금하여 단조공법으로 칼날을 성형하여 만든다. 이러한 칼은 대량 생산이 불가능하기 때문에 전문요리사(chef)용 최고급 칼과 같은 수제(手製) 칼은 한 자루에 수백만 원에서 1천만원 이상 하는 고가의 칼도 있다.

칼은 인류의 생존에서 가장 중요한 도구의 하나이며, 지구상의 어느 가정이던 칼 한 두 자루는 소유하고 있다. 칼은 용도에 따라 조금씩 형상이 다를 뿐 칼의 본연의 기능은 유사하다. 물론 무기로써의 칼의 기능은 다르고 형상 또한 다르다. 칼의 기능에서 가장 중요한 기능은 절단성이고 이 절단성능이 오랫동안 지속되는 것이 칼의 성능지표이다.

이러한 이유로 수많은 기술자들이 연구와 성능개선을 위해 노력하고 있다. 칼의 비전(秘傳)으로 알려진 중동의 다마스쿠스(Damascus) 칼은 강철과 연철을 수십 회를 접고 두드리고 늘리면서 칼의 조직에 강약이 존재 하도록 하여 강하면서 부러지지 않도록 만든 칼이다. 독일이나 스위스 등이 만든 명품 칼은 칼의 금속재질을 몰리브덴, 크롬, 바나듐, 텅스텐 등을 합금하여 강한 칼을 만든 것이고 일본의 명품 칼은 칼을 단조(Forging)기술을 이용하여 단련시키고 독특한 열처리기술을 개발하여 절단성이 예리한 칼을 만든 것이다. 근래에 와서 칼날 부위에 고경도의 특수재료를 박막 코팅하여 만든 제품이 나오고 있으며, 일본 세라믹회사에서 개발한 세라믹 칼은 절단성, 내식성에서는 매우 우수한 칼이나 취성이 강해 부러지는 단점이 있는 칼이다.

또한 칼의 성능에서 중요한 성능의 하나인 내식성은 중요한 요소인데도 불구하고 소비자에게는 아직 크게 부각되지 못했다. 가난한 시절, 생활수준이 낮은 시절에는 대장간에서 만든 탄소강 재질의 칼을 사용하면서 녹이 좀 쓸어있어도 대수롭지 않게 생각하며 사용했으며, 근래에는 스테인레스 칼을 사용하면서 부터는 칼의 녹은 안 생기는 것으로 알고 있다.

그러나 칼의 표면을 현미경으로 들여다보면 수많은 세균들이 살고 있고 특히 김치 등 젖산에 의해 스테인리스강도 부식이 발생하고 있고 그 부식된 부위에 인체에 유해한 세균들이 쉽게 기생할 수 있다.

또한 칼날의 마모는 뼈와 같은 단단한 음식물을 절단하기 때문에 마모되는 것으로 만 알고 있지만 실제로 부식(Corrosion, Erosion)에 의해 금속의 결정입자가 탈락되어 마모가 되기도 한다. 이러한 점에서 식도(주방용 칼)의 경우 내식성은 매우 중요한 요소가 되고 있다.

상기와 같은 칼의 구비조건을 100% 만족하는 칼은 아직 없다.

본 발명은 상기 칼의 구비 요소를 가능한 한 충족시키기 위하여 또한 경제성을 감안하여 고강도의 고속도강을 고주파 전기유도로에서 직접 합금 용해하여 수직 원심주조 공법으로 칼날을 주조한 후 칼날 세우기 연마가공을 하고 칼날 끝 부위에 텅스텐 카바이드를 코팅한 후 칼날부위 전 표면에 질화티타늄(Titanium Nitride) 코팅과 순금 또는 금은합금 등을 코팅하여 절삭성, 내마모성, 내식성이 우수할 뿐 아니라 살균, 항균력이 있는 고급 주방용 칼 및 그 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

칼날부가 형성된 칼몸체를 가지며, 그 재질은 중량%로 C: 0.3~0.6%, Si: 0.6%이하, Mn: 0.6%이하, Cr: 14~18%, Mo: 2~4%, V: 1~2%, Nb: 1~2%, B: 0.5~1.5%, W: 0.5~2%. Fe: 잔부로 구성된 고장력 특수강인 것을 특징으로 하는 내마모성과 내식성이 우수한 주방용 칼을 제공한다.

상기 칼몸체는 수직원심주조법으로 제조되고,

상기 칼날 부위에는 WC코팅부가 형성되어 있되, 상기 WC 코팅부는 칼날 끝 양쪽면 부위에서 5~10mm의 폭 및 5~10um의 두께로 형성되고,

상기 WC코팅부가 형성된 칼날부를 포함하는 칼몸체 전부에 TiN코팅부가 형성되어 있되, 상기 TiN 코팅부는 5~20um의 두께로 형성되고,

상기 TiN코팅부 위에는 금(Gold)코팅부가 형성되어 있되, 상기 금 코팅부는 금, 은, 동 (니켈삭제) 합금 중 하나로서 2~10um의 두께로 형성되어 있으며,

상기 원심주조하여 제조된 칼의 경도는 HRC60~HRC65이며, TiN 코팅을 하고난 칼의 표면 경도는 HV1500~HV2000인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은

고장력 특수강 재질의 용탕을 수직원심조조법으로 칼몸체 형상을 제조하는 단계,

상기 칼몸체의 끝단부를 연마가공하여 칼날 세우기를 하는 단계,

상기 칼날 부위에 텅스텐 카바이드(WC)를 코팅하는 단계,

상기 WC코팅된 칼몸체 전 부위에 TiN을 코팅하는 단계,

상기 TiN이 코팅된 칼몸체 위에 금합금을 코팅하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 내마모성과 내식성이 우수한 주방용 칼의 제조방법을 제공한다.

상기 고장력 특수강 재질은 중량%로 C: 0.3~0.6%, Si: 0.6%이하, Mn: 0.6%이하, Cr: 14~18%, Mo: 2~4%, V: 1~2%, Nb: 1~2%, B: 0.5~1.5%, W: 0.5~2%. Fe: 잔부로 구성되며,

상기 수직원심주조는 금형을 2단 내지 10단으로 적층하여 된 주조장치에서 주조되고,

상기 칼날 세우기 단계는 연마가공 후 노말라이징 열처리를 실시한 후 칼날부위에만 고주파 열처리를 행한 다음 마지막 정밀 칼날 세우기 작업을 실시하고,

상기 WC코팅과 TiN코팅과 금합금 코팅은 진공증착에 의하여 코팅되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기와 같은 단계를 거쳐 만들어진 칼날에 적용될 칼자루의 제작에 있어 우리나라의 고유한 민속공예 기술인 나전칠기공법을 적용하여 아름다운 문양의 자개와 금박 등을 붙여 만든 것을 특징으로 한다.

당 발명으로 제작된 칼의 소재 경도는 HRC60~HRC65로 현존하는 어떠한 칼의 경도보다 높다. 여기에 칼날의 표면에 WC 또는 TiN 코팅을 하고난 표면 경도는 HV1500~HV2000이 된다. 이러한 고경도의 칼날이 이루어지므로 해서 절단성은 물론 내마모성이 가장 우수한 칼날이 된다. 또한 살균력을 가진 은동, 황금색 동합금, 순금, 금은합금 등을 도금하여 제작함으로서 최상의 칼 성능을 가진 칼이 되는 효과가 있다. 경제성 면에서도 고경도, 고장력 고속도강을 합금하여 원심주조로 제작하기 때문에 제조원가가 기존의 압연이나 단조를 하여 만든 스테인리스 강판을 프레스로 절단 성형하여 만든 것 보다 재료 회수율이 높아 제조원가가 저렴해지는 효과도 있다.

또한 칼자루에 나전칠기를 입혀 제작하여 칼을 수출할 시 한국의 민속공예의 우수성을 알리는 효과도 있다.

도1은 칼을 배치한 원심주조 용 금형의 평단면도이고
도2는 6벌의 금형을 적층한 주조장치의 종단면도이고,

본 발명은 음식물을 조리할 때 사용하는 식도에 관한 것으로써 가장 중요한 성능인 칼의 절단성능을 최대로 높이고, 두 번째로 칼이 쉽게 무디어지지 않고 오랫동안 칼을 갈지 않고도 사용할 수 있도록 하고, 세 번째로 칼의 내식성을 극대화 시켜 부식이 되지 않게 하고, 또한 칼날에 세균이 번식되는 것을 막아 칼의 오염에 의한 식중독을 방지하기 위하여,

칼의 기본적 소재는 특수 고속도강 소재를 사용하여 경도가 HRC60~HRC65 정도의 고경도 칼날을 원심주조로 제작하고 연마가공을 통해 칼날 세우기를 한 후 칼날 부위에 텅스텐 카바이드(WC) 코팅을 하여 표면경도를 높여주고, 칼날 전 부위에 질화티타늄(TiN)을 코팅을 하여 표면 경도를 올림과 동시에 황금색을 얻고, 역시 칼날 전 부위에 내식 및 살균력 증대를 위해 귀금속을 도금 또는 코팅을 실시하여 만든다.

가격이 저렴한 일반 칼의 경우는 순동이나 은동 합금, 또는 황금색 동합금을 도금하고, 가격이 비싼 고급용 칼의 경우는 순금 또는 금은합금을 도금하여 제작하는 것을 특징으로 한다.

칼날의 예리하고도 뛰어난 절단성능을 구현하기 위해서는 무엇보다 중요한 것은 칼 소재의 경도이다. 현재 사용하는 가장 보편적인 칼 소재의 합금으로는 AISI420J2와 AISI440C재질인 스테인리스강이다. 이 합금의 화학성분은 아래 표1과 같다.

구분	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Fe	비고
AISI420J2	0.15~0.36	0.6	0.8	12~14	-	-	나머지
AISI440C	0.95~1.2	1.0max	1.0max	16~18	0.8max		나머지

이 합금의 기계적 성질은 표2와 같다.

구분	인장강도	항복강도	연신율	충격강도	경도(HRC)
AISI420J2	60kgf/mm2	38kgf/mm2	16%	20J	HRC40~45
AISI440C	205kgf/mm2	180kgf/mm2	4%	9J	HRC56~59

이 스테인레스 강 재질은 국제규격화 된 재질이며 제강기술이나 압연기술, 열처리 기술의 차이에 의해 다소간 차이가 날수 있으며 이에 따라 대부분 프랑스나 독일의 제강회사에서 생산된 제품을 수입해서 사용한다.

상기 외에 개발된 특수 칼 소재의 재질을 보면 아래 표3과 같다.

구분	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	V	HRC
CPM S30V	1.45	-	-	-	14.0	2.0	4.0	59.5~61
BG42	1.15	0.3	-	-	14.0	4.0	1.2	61~62
154CM	1.05	0.35	-	-	14.0	4.0	-	60~61
420HC	0.45	0.6	1.0	0.5	13.5	-	-	58
VG 10	1.0	-	-		15	1.1	0.3	60~61
CPM S90V	2.3	-	-	-	14.0	1.0	9.0	61~62
CPM M4	1.4	0.3	0.4	W;5.5	4.0	5.25	4.0	62~63
ZDP-189	3.0	0.4	0.5	W;0.6	20.0	1.40	0.1	63~64

상기 표에서 CPM S30V나 CPM S90V는 분말야금(Powder Metallurgy)으로 제강한 재질이다.

이 외의 칼에 관한 국내외의 특허를 보면,

US5,256,496은 칼의 양면을 Ti판재를 Cladding하고 Core는 고경도 합금강을 사용하여 절삭성을 높이면서 내식성을 높이기도 했으며, US7,700,037B2는 고크롬(Cr)마르텐사이트 스텐레스강에 질소(1%Nitrogen)을 합금하여 경도는 HRC63이고 내식성을 크게 증대시켰고, US8,601,907B2는 크롬,몰리강의 분말야금으로 제작한 뒤 HIP 처리를 하여 기계적 성질을 높이기도 했다. 국내특허로 등록 또는 출원중인 특허로 KR10-2010-0125704는 리퀴드메탈(비정질합금)재질의 칼 특허이고, KR10-2008-007428은 주방용 세라믹 재질의 칼 특허이고, KR10-1359683은 칼에 세라믹을 코팅한 칼 특허이고, KR10-1747256은 청동유기 재질로 만든 칼이며 살균, 항균성을 높인 칼 특허이다. KR10-2009-0130446은 인조다이아몬드를 칼날에 코팅한 특허이고, KR20-0337271은 칼날 부위를 특수강으로 용접하여 제작하는 특허이며, KR10-0874694는 칼날 부위가 리퀴드메탈로 된 칼 특허이다. KR10-0382983은 비정질 합금으로 만든 칼 특허이고, KR10-2017-0095160은 칼날부위에 세라믹으로 코팅하면서 마이크로 요철을 준 칼 특허이다.

이와 같이 모든 칼에 관한 특허는 칼날의 경도를 높여 칼날의 절삭성과 쉽게 마모되지 않게 하는 다시 말해 갈지 않고도 오랫동안 사용할 수 있게 하는 것과 내식성을 높여 칼날이 녹 쓸지 않게 하는 목적을 달성하기 위한 특허이다. KR10-1747256이 청동유기 재질을 사용하여 살균 및 항균성을 도모하고 있지만 이 재질은 경도가 낮아 쉽게 마모되어 절삭성이 떨어지는 단점이 있다.

옛날부터 대장간에서 가열과 단조로 만든 탄소강 재질은 녹이 쓰는 치명적인 결함과 경도가 낮아 쉽게 마모되는 결점 때문에 이제는 조리용으로는 거의 사용되지 않는다.

상기와 같이 칼이 최상의 특성을 얻기 위하여 당 발명은 우선 칼 소재의 재질을 고속도강에 준하는 재질을 설계했다. 당 발명의 재질은 크롬(Cr), 몰리(Mo), 바나듐(V),니오븀(Nb),텅스텐(W)을 합금한 재질에 탄소(C)를 낮추고 보론(B)을 첨가하여 조직이 치밀하고 카바이드(Carbide)보다 보라이드(Boride)를 증대 시켜 경도가 높으면서 인성이 높은 합금 설계를 한 것이다.

당 발명의 칼 소재의 화학성분은, 아래 표4와 같다.

화학성분	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Nb	B	W	Fe
중량 %	0.3/0.6	0.6	0.6	14/18	2.0/4.0	1/2	1/2	0.6/1.5	0.5/2	잔량

상기 표에서 탄소(Carbon)는 카바이드(Carbide)를 형성하는 필수 성분이며 통상 금속의 합금에서 경도를 높이기 위해서는 고 탄소의 합금을 만든다. 상기 AISI440C의 경우도 탄소(C)를 1.0%나 합금 하였고, CPM S30V재질은 탄소성분이 1.4%나 되고, CPM S90V는 탄소가 2.3%나 된다. 고속도강에도 탄소성분이 1%에서 1.5%정도 합금이 된다. 탄소가 높으면 고 경도의 재질을 얻을 수 있으나 반면에 취성이 강해져 칼의 경우 지나치게 경도를 높이면 칼의 이빨이 빠지는 경우가 발생한다. 또한 양산을 목적으로 하는 재질의 경우 압연성이나 단조성이 현저히 떨어져 높은 경도를 올릴 수 없게 된다. 이러한 이유로 현존의 칼의 경도는 통상 HRC54~ HRC58이 한계치이다. 그러나 경도는 칼의 내마모성에서 가장 중요한 요소이므로 상기 (표3)에서 탄소가 높은 재질에서는 당연히 경도도 높다.

본 발명에서 실리콘(Silicon)이나 망간(Manganese)은 합금을 용해할 시에 탈산제 역할을 위해 합금하며 특별한 이유는 없다. 다만 실리콘을 높이면 용강의 유동성을 증대시키는 역할과 금속조직상 Ferrite를 조장하는 역할을 하여 신율을 다소 높여 주는 효과가 있으며 망간의 경우도 함량을 높여 주면 인성을 다소 증대시키는 효과가 있으나 경도를 낮추기 때문에 거의 모든 공구강 재질에는 0.6%이하로 관리한다.

본 발명에서 크롬(Chromium)은 칼 소재의 원소로써 가장 중요한 합금 원소이다. 우선 경도를 높이기 위해 크롬을 높여야 하며 또한 크롬은 내식성을 높이는데 가장 중요한 원소이기도 하다. 스테인리스강(Stainless Steel)에 크롬이 높은 이유가 내식성 때문이며 앞에서 열거한 거의 모든 칼 소재 합금에서와 같이 크롬을 중량비14% 내지 18%로 설정 했다. 당 발명에서의 크롬은 크롬카바이드(Chromium Carbide)를 만들기 보다는 크롬보라이드(Chromium Boride)를 형성하고 일정부분 복합 금속간 화합물을 만들어 경도와 내식성을 증대 시키도록 한다.

본 발명에서 몰리브데늄(Molybdenum)은 합금의 인성과 경도를 높이고 또한 내식성도 증대 시켜주며 열처리 시 소입성을 증대시키는 역할도 한다. 당 발명에서는 보론과 결합하여 몰리보라이드를 형성하게 되고 경도와 인성이 크게 증대된다. 중량비 2%~4%로 제한하는 것은 고가의 원소이고, 칼이 필요한 적정한 물성을 얻는 데는 2%~4%가 최적의 함량이다.

본 발명에서 바나듐(Vanadium)은 가장 강력한 MC type의 카바이드와 보라이드를 형성하는 원소이다. Vanadium Carbide의 경도는 HV2800 이상이며 Vanadium Boride의 경도는 HV3200정도로 높다. 뿐만 아니라 바나듐은 금속합금의 조직을 매우 치밀하게 하는 역할을 해주어 인성을 크게 증대시킨다. 바나듐 함량을 중량비로 1%~2%로 제한하는 것은 당 합금에서는 가장 고가의 원소로써 원가를 높이는 원소일 뿐 아니라 함량을 지나치게 높일 경우 경도 또한 지나치게 높게 되어 취성이 생길 수 있다. 이에 따라 1%~2%가 적정하다.

본 발명에서 니오븀(Niobium)은 바나듐과 같이 MC type의 카바이드를 형성하고 경도 또한 HV2300정도로 높다 가격이 바나듐보다는 저렴하여 바나듐을 대체하는 용도로 합금한다. 특히 니오븀은 함량을 높일 경우 조직을 조대하게 함으로 2%까지로 제한 한다.

본 발명에서 텅스텐(Tungsten)은 몰리, 니오븀과 함께 경도와 인성을 높이는 역할을 하며 탄소와 보론과 결합하여 복합 금속간 화합물을 이룬다. 내열성과 충격강도가 필요한 칼 소재에는 함량을 높여주고 그렇지 않을 경우는 1%이하이면 된다. 칼은 고온에서 사용되는 경우가 거의 없고 경도를 올리기 위한 목적으로는 바나듐 니오븀이 합금되기 때문에 굳이 함량을 높일 필요가 없다. 고가의 원소이기 때문에 2%로 제한한다.

본 발명에서 보론(Boron)은 가장 중요한 합금 원소이며 당 발명의 합금 목적상 탄소를 대체하여 상기 크롬, 몰리, 바나듐, 니오븀, 텅스텐 등과 보라이드를 형성하거나 카바이드와 보라이드가 함께 이루는 복합 금속간 화합물을 이루는 역할을 하기 위함이다. 보론은 원자번호가 5번이고 원자량이 10.8이고, 탄소는 원자번호가 6번이며 원자량이 12로서 보론과 탄소는 매우 유사한 성질을 가지고 있다. 보론은 탄소 보다 같은 경도에서도 인성이 높으며 내식성을 증대시키는 역할도 한다. 당 합금에서는 탄소를 중량비 0.3%~0.6%로 낮추는 대신에 보론을 0.5%~1.5%로 합금하여 AISI440C재질에서 탄소량이 1%이상으로 하여 고경도를 추구하였던 것처럼 당 발명에서는 탄소와 보론을 합산하여 1%이상이 되도록 했다. 보론의 함량이 0.5%이하이면 인성(Toughness) 면에서는 유리하나 경도가 낮아지게 되고, 1.5%이상이 되면 경도는 증대되나 인성이 떨어진다. 따라서 보론은 0.5%~1.5%가 최적의 함량이다.

상기와 같이 본 발명 칼 소재의 합금 성분은 준 고속도강의 화학성분으로 구성되어 있으며 이 합금을 고주파 전기유도로(Electric Induction Furnace)에서 용해하고 수직원심주조기(Vertical Centrifugal Casting Machine)에 주입되어 칼 형상이 제조된다.

본 발명의 수직원심주조기는 도1 및 도2에 나타나 있는 바와 같이 한 몰드(Mold)에서 8개 내지 16개가 주조된다. 도1은 칼을 배치한 원심주조 용 금형의 평 단면도이고, 도2는 6벌의 금형을 적층한 주조장치의 종 단면도이다.

도면에서 1)번은 쇳물을 주입하기위한 탕구 컵이고 2)번은 주조할 칼 형상이다. 3)번은 탕구(湯口)이고, 4)번은 쇳물이 균일하게 잘 충진할 수 있도록 하는 Over Flow Ring 이다. 5)번은 역시 쇳물을 균일하게 충진 시킬 수 있도록 하는 원형 탕도(湯道)이고, 7)번과 8)번은 상형(上型), 하형(下型)이 한 셋트로 된 금형(Mold)이며 상기 도면에서는 6 셋트의 금형이 적층 돼 있다. 9)번은 마지막에 놓이는 베이스 금형이고 6)번은 쇳물의 와류를 막아주기 위한 탕구 바닥이다.

8개 또는 16개가 주조되는 것은 금형(Mold)의 크기와 제품의 크기에 따라 선택되는 수량이다. 통상의 칼 제조공정에서는 AISI420J2 재질의 판재 또는 AISI440C판재를 프레스에 장착된 금형으로 펀칭하여 칼의 형상을 딴다. 이 경우 재료의 회수율은 약 50%로 매우 낮다. 반면에 원심주조로 생산되는 경우 칼의 형상이 95%정도 성형되어 나오므로 제품의 회수율은 80%내지 90% 정도로 높게 된다. 또한 주조 시 발생한 탕구나 스크랩은 다음 용해 시 원재료로 다시 용해하여 사용하므로 로스(Loss)는 거의 없다. 뿐만 아니라 원심 주조 시 쇳물이 금형에서 급속한 냉각이 일어나므로 금속의 조직이 매우 치밀한 결정입자를 가지게 되고 이에 따라 기계적 성질이 우수하다. 또한 (도면2)와 같이 금형을 다단으로 적층할 경우 한번 주입으로 수십 개의 칼날이 주조되므로 생산성이 매우 높다. 지금까지 세계 어디에서도 원심주조 공법으로 칼 소재를 생산한 적이 없다. 그 이유는 칼 제조업체는 단조에 의해서만 강한 칼을 만든다는 고정관념을 가지고 있었고, 원심주조기술의 적용발상은 주조기술자가 아니면 할 수 없었기 때문이다.

이렇게 주조하여 만든 칼 형상을 가지고 칼의 날 세우기 연마가공을 하게 되고 이렇게 연마한 칼 소재에 칼날 부위만 텅스텐 카바이드(WC) 코팅을 한다 이 WC Coating을 하는 이유는 칼날 부위에 초 고경도의 미세조직을 입히고자 함이고 따라서 내마모성과 칼날의 절삭성을 한층 증대시키기 위함이다. WC Coating 두께는 5미크론 내지10미크론이며 진공증착 법으로 Coating 한다. 당 WC Coating은 고급 칼이 아닐 경우는 생략할 수도 있다. WC Coating 두께를 5미크론 내지10미크론으로 한정하는 이유는 5미크론 이하의 두께이면 고 경도 층이 쉽게 닳아 성능의 지속시간이 짧게 되고, 10미크론이상이면 수명은 길어지나 원가가 상승한다. 또한 2차 Coating 인 TiN Coating을 하기 때문에 지나치게 두껍게 할 필요가 없다.

이렇게 만들어진 칼날의 전 부위에 질화티타늄(Titanium Nitride=TiN) Coating을 실시하며 이 TiN Coating을 하는 목적은 WC Coating 과 동일한 목적이며, WC Coating 과는 달리 칼날 부위만 Coating을 실시하지 않고 전 부위에 Coating 한다. 또 다른 TiN Coating을 하는 목적은 TiN Coating의 독특한 색상 때문이다. TiN Coating의 색상은 황금색 Color이며 이 황금색상이 다음공정인 황금 또는 금은 합금의 도금의 결함을 보완해주는 목적이 있다. 황금 도금의 두께는 얇고 경도가 낮아 사용 중에 황금으로 된 도금 층이 닳아 없어질 수가 있지만 TiN Coating은 그 경도가 HV2000 이상이므로 마모가 일어나지 않고 오랫동안 황금색을 유지 시켜주어 황금 도금의 결점을 보완하게 된다. TiN Coating의 두께는 5미크론 내지 20미크론 이며 고급 칼의 경우 두께를 두껍게 한다. TiN Coating의 두께를 5미크론 내지 20미크론으로 한정하는 이유는 5미크론 이하이면 연한 황금색이 나타나 Colaring 효과가 적고, 20 미크론 이상이면 역시 원가를 상승시키므로 가격이 비싼 최 고급칼의 경우는 20미크론 정도로 두껍게 하고 일반 고급칼은 5~10 미크론 정도가 적정하다.

본 발명의 황금 칼 제조에 있어 마지막 공정으로 금을 도금한다. 금을 도금하는 첫째 이유는 칼의 내식성 증대가 그 목적이고 두 번째 이유는 살균과 항균의 목적이며, 세 번째 이유는 칼의 고급화에 있다. 황금은 인간에게 가장 귀중한 금속으로 인식되고 있으며 그 이유는 금은 거의 부식을 하지 않는 불변 금속이기 때문이다 물론 왕수에는 화학반응을 하지만 그 외의 산, 알카리를 막론하고 젖산, 소금 등에는 불변이다.

따라서 황금을 칼날에 도금을 해줌으로서 음식물 조리를 통한 부식과 변색은 전혀 일어나지 않으며, 황금색 광택으로 인한 칼의 아름다움을 증대한다. 또한 모든 금속에는 일반적으로 항균과 살균력을 가지고 있는데 그 중에서 은이 가장 강력한 살균력을 가지고 있고 그 다음으로 금, 동의 순서로 살균, 항균력을 가지고 있다.

본 발명에서는 칼날의 전면(全面)에 순금(Gold) 또는 금은(Gold-Silver)합금, 금은동(Gold-Silver-Copper)합금을 도금하여 상기 음식물 조리 시 식자재가 오염되어 발생할 수 있는 세균을 살균하거나 항균하여 식중독의 피해를 예방토록 한다.

여기서 금의 Coating은 도금 방법을 택할 수도 있고, 진공증착의 방법을 채용할 수도 있다. 도금 또는 증착의 두께는 2미크론 내지 20미크론이며 2 미크론 이하의 두께는 너무 얇아 쉽게 닳아 없어져 효과가 적고 20미크론 이상 두껍게 Coating 할 경우 제조원가가 크게 증가하여 경제성이 떨어진다.

고급 칼이 아닌 보급용 식도의 경우 황금색이 나는 동(Copper Alloy)합금을 도금하거나 Coating 하여 원가를 대폭 낮추어 경제성을 높이면서 살균, 항균 효과도 부여한다.

금의 도금 또는 코팅(Coating)에 있어 금의 함량에 따라 24K GP, 18K GP, 14K GP 로 구분하고 여기서 24K를 제외하고 18K에는 75%는 금이고 나머지 10%는 은이며 15%는 동을 합금한다. 14K의 경우 58.5%의 금과 10%의 은과 31.5%의 동으로 된 합금이다. 은 동(Silver-Copper)합금의 경우 은의 함량을 중량비로 5%~20% 한정한다. 은의 함량이 5%이하가 되면 살균, 항균력이 미흡하고 20%이상은 가격이 상승하여 가성비가 떨어지므로 5%내지 20%로 한정한다.

황금색 동합금의 성분은 아래 표5와 같다.

원소	Zn	Mn	Al	Ni	Sn	Ag	B	Cu
금색동합금 (중량%)	20~25	5~8	5~8	3~6	2~4	5~10	0.3~0.6	잔량

도금 또는 코팅의 두께는 순금의 경우 2미크론 내지 20미크론으로 한정하고, 18K는 5미크론 내지 20미크론의 두께로 하고, 14K와 황금색 동합금의 경우는 5미크론 내지 20미크론의 두께로 도금하거나 코팅 한다. 상기와 같이 도금 또는 코팅의 두께를 한정하는 이유는 도금 또는 코팅의 두께가 얇을 경우 쉽게 닳아 도금 또는 코팅 층이 벗겨지는 경우가 발생하고 두께가 지나치게 두꺼울 경우 제조원가가 상승하기 때문에 20미크론 이하로 한정한다.

또한 본 발명에서는 칼자루를 기존의 목재나 플라스틱, 금속 등을 가공하여 조립하던 것을 아름다움과 상품의 고급화를 위하여 기존 재질의 표면에 나전칠기 공예기술을 적용하여 자개와 금박 등을 붙여 용의 형상, 봉황의 형상, 꽃, 자연의 모든 형상 등을 구현하므로 해서 칼의 가치를 높이는 역할을 할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

본 발명의 성분조성 및 원심주조방법으로 이루어진 칼과 기존의 성분 및 제조방법으로 이루어진 칼의 성분조성이 표6에 나타나 있고, 물성치가 표7에 나타나 있다.

(화학성분의 중량비)

구분	C	Cr	Mo	V	Nb	W	B	Fe	비고
발명예 1	0.35	15	2.5	2.0	1.5	1.0	0.85	잔량	주조
발명예 2	0.40	15	3.0	2.0	1.5	1.2	0.90	잔량	,,
발명예 3	0.50	16	3.0	1.5	1.5	1.2	0.82	잔량	,,
발명예 4	0.55	16	3.0	1.5	1.5	1.4	0.80	잔량	,,
발명예 5	0.60	15	2.5	2.0	1.3	1.2	0.85	잔량	,,
발명예 6	0.60	16	3.0	1.5	1.2	1.3	1.00	잔량	,,
발명예 7	0.60	15.2	2.8	1.7	1.5	1.5	1.30	잔량	,,
발명예 8	0.60	18.0	3.0	2.0	1.5	1.5	1.50	잔량	,,
비교예 1(AISI440C)	1.0	17	0.75	-	-	-	-	잔량	압연
비교예 2(CPMS30V)	1.45	14.0	2.0	4.0	-	-	-	잔량	분말야금
비교예 3(CPMS90V)	2.3	14	1.0	9.0	-	-	-	잔량	분말야금
비교예 4(AISI420H)	0.45	13.5	Mn1.0	Ni0.5	-	-	-	잔량	압연
비교예 5(CPM M4)	1.42	4.0	5.25	4	-	5.5	-	잔량	분말야금
비교예 6(ZDP-189)	3.0	20.0	1.4	0.1	-	0.6	-	잔량	분말야금

* 잔량 속에는 철(Fe)외에 실리콘, 망간, 인, 유황 등 불가피한 불순물과 원소가 함유 됨.

(합금 재료의 물성치 및 재료비 비교)

구분	제조방법	경도(HRC)	경도(HV)	내식성	내마모성	충격강도	가격비(%)
발명예 1	원심주조	62.5	756	6.5	7.0	6.5	87
발명예 2	원심주조	63.5	789	6.0	7.5	6.0	87
발명예 3	원심주조	63.3	782	6.5	7.5	6.5	86
발명예 4	원심주조	63.8	793	6.0	7.5	6.0	87
발명예 5	원심주조	64.1	810	6.0	8.0	5.5	87
발명예 6	원심주조	64.5	823	6.0	8.0	5.5	88
발명예 7	원심주조	65.1	850	6.0	8.5	5.5	90
발명예 8	원심주조	65.8	859	6.5	8.5	5.5	91
비교예 1	압연	58.1	655	5.0	6.0	7.5	180
비교예 2	분말야금	61.0	720	7.0	6.5	5.5	260
비교예 3	분말야금	62.0	746	5.0	7.0	5.5	310
비교예 4	압연	56.0	613	8.0	3.5	8.5	100(기준)
비교예 5	분말야금	63.2	780	2.8	7.5	5.5	330
비교예 6	분말야금	64.1	810	6.0	8.0	5.0	280

표6과 표7에서 비교예 6은 가장 보편적인 AISI420H Stainless Steel이고 비교예 3은 AISI440C Stainless Steel이다.

표7에 나타난 바와 같이 본 발명의 보론계 준 고속도강은 내마모성 내식성 가격면에서 공히 우수한 경쟁력을 가지고 있다. 실제 제품인 칼을 제작했을 경우 본 발명의 칼이 표7의 데이터 보다 월등히 우수한 내마모성과 내식성을 가지게 된다. 왜냐하면 본 발명의 칼 소재로 만든 칼은 텅스텐 카바이드(WC) 코팅과, 질화티타늄(TiN) 코팅을 칼날부위와 칼 전면에 실시하기 때문이다.

비교예 3과 비교예 5는 분말야금 법으로 합금된 재질이며 제조 코스트가 일반 제강법으로 만든 재질보다 2배 내지 3배로 높다. 특히 현재 칼 재질에 합금되는 원소 중에서 코발트가 가장 비싸고 다음으로 바나듐이 비싸다. 이 비싼 바나듐(Vanadium)이 4%와 9%나 들어있어 재료 가격비가 매우 높다. 반면에 본 발명재는 몰리, 바나듐, 텅그스텐, 니오븀과 같은 값비싼 원소가 다소 들어가지만 재료 회수율이 90%이상으로 높아 기준강인 AISI420H Stainless Steel 판재, AISI440C 판재 보다 재료비 원가는 오히려 저렴하다.

기준강인 AISI420H, AISI440C Stainless Steel은 전기로에서 제강하여 연속압연을 거쳐 만든 판재이지만 프레스로 칼 형상을 펀칭하여 제작하기 때문에 재료 Loss가 50%이상이다. 표3에서 기준 강 보다 본 발명 실시예의 재료비가 87%에서 91%로 저렴한 이유가 본원 재료비 수율이 90% 이상이기 때문이다.

비교예 3번인 CPMS90V 재질이 바나듐이 9%나 합금되어 있어 재료 원가가 비싸다. PM(Powder Metallurgy) 재질은 금속분말을 고압으로 압축, 성형하여 고온에서 소결(Sintering) 하여 제작하기 때문에 제조원가가 비쌀 수 밖에 없다.

비교예 5인 CPM M4는 고속도강(High Speed Steel) HSS-M4 재질인데 분말야금 법으로 제작된 재질로써 가장 재료비가 높다. ZDP-189 재질은 일본 Sukenari 사가 개발한 특수강 재질이며 분말야금 법으로 제조했으며, 현존하는 최고의 경도와 내마모성을 가진 칼 재질이다. 이 칼 재질은 Sukenari 사가 전문 Chef 용 칼로 개발한 것이다.

본 발명 칼은 상기 재질의 특수강에 보론을 합금하여 원심주조에 의해 급랭이 이루어져

금속조직이 치밀하고, 내식성도 우수할 뿐 아니라 내마모성이 더욱 우수하다. 재질면에서 고가의 원소를 줄인 대신에 보론(Boron)을 합금하여 카바이드(Carbide) 대신에 보라이드(Boride)를 형성시켜 경도와 내마모성을 향상 시켰다.

상기 실시예는 칼 재질에 따른 물성 비교이며 완제품의 비교는 아니다.

이와 같이 보론이 합금된 준 고속도강을 고주파유도전기로에서 용해하고 수직 원심주조로 칼 형상을 주조한 후 칼 소재를 노말라이징 열처리를 실시 한다 노말라이징 열처리를 하는 목적은 칼 소재의 주조응력을 풀어주고 칼날의 인성을 부여하여 칼날이 부러지거나 이빨이 빠지는 결함이 발생하지 않도록 하는데 있다.

이 후 자동 연마기로 칼날 세우기 연마를 실시하고 다시 칼날 끝 부위에 만 초고주파 열처리를 실시한다. 이 초고주파 열처리를 실시하는 목적은 칼날 끝 부위에 만 목적경도를 높혀 주기 위한 것 이다. 그런 다음 칼날 끝부위에 5mm~10mm 폭으로 텅스텐카바이드(Tungsten Carbide) 코팅(Coating)을 실시한다. 여기서 WC Coating을 칼날 끝 부위 5mm~10mm 만 실시하는 이유는 WC Coating의 목적이 칼날의 내마모성 증대에 있기 때문에 전면에 실시할 필요가 없기 때문이다.

여기에 다시 황금색 질화티타늄(Titanium Nitride) Coating을 전 칼 부위에 실시한다. 여기서 반드시 황금색 TiN Coating을 실시하는 이유는 다음 공정에서 실시하는 금 도금 또는 코팅의 보완의 의미가 있기 때문이다. 만일 얇게 코팅된 금이 닳게 되면 TiN Coating 이 없을 경우 하얀색의 칼날 표면이 바로 나타나게 되고 이럴 경우 얼룩형태의 표면이 되기 때문에 칼의 미려도가 손상을 입게 되기 때문이다.

황금색 TiN 코팅을 전면에 실시한 칼에 내식성 증대와 항균 및 살균을 도모할 목적으로 상기 설명과 같이 금(Gold) 또는 금은 합금을 도금 또는 코팅하여 완제품을 만든다.

따라서 기존의 상기 명품 칼들과 비교해서 절단성, 내마모성, 내식성, 항균성 면에서 비교가 되지 않으며 모든 성능면에서 가장 우수한 칼이 된다.

Claims (8)

1. 칼날부가 형성된 칼 몸체를 가지며, 그 재질은 중량%로 C: 0.3~0.6%, Si: 0.6%이하, Mn: 0.6%이하, Cr: 14~18%, Mo: 2~4%, V: 1~2%, Nb: 1~2%, B: 0.6~1.5%, W: 0.5~2%. Fe: 잔부로 구성된 고장력 특수강인 것을 특징으로 하는 내마모성과 내식성이 우수한 주방용 칼
2. 제1항에 있어서,
   상기 칼날 부위에는 WC코팅부가 형성되어 있고,
   상기 WC코팅부가 형성된 칼날 부위를 포함하는 칼 몸체 전부에 TiN코팅부가 형성되어 있고,
   상기 TiN코팅 부위에는 금 코팅부위가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내마모성과 내식성이 우수한 주방용 칼
3. 제2항에 있어서,
   상기 칼 몸체는 수직원심주조법으로 제조되고,
   상기 WC 코팅부는 칼날 끝 양쪽 면 부위에서 5~10mm의 폭으로 형성하되, 두께는 5~20um로 형성되고,
   상기 TiN 코팅부는 칼 표면 전면에 걸쳐 실시하며 5~20um의 두께로 형성되고,
   상기 금 코팅부위는 순금, 금합금, 은합금, 금색 동합금, 중 어느 하나이고, 2~20um의 두께로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내마모성과 내식성이 우수한 주방용 칼
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 칼 날의 경도는 주조 후 고주파 열처리된 상태에서 HRC60~HRC65이고, WC 및 TiN이 코팅된 상태에서는 HV1500~HV2000인 것을 특징으로 하는 내마모성과 내식성이 우수한 주방용 칼
5. 제3항에 있어서,
   상기 칼 몸체에는 목재, 플라스틱수지, 금속 재질 중 어느하나의 표면에 나전칠기의 공예기술로 자개 또는 금박을 입힌 칼자루가 조립되어 있는 것을 특징으로 하는 내마모성과 내식성이 우수한 주방용 칼
6. 고장력 특수강 재질의 용탕을 수직원심주조법으로 칼 몸체 형상을 제조하는 단계,
   상기 칼몸체의 끝단부를 연마가공하여 칼날 세우기를 하는 단계,
   상기 칼날 부위에 텅스텐 카바이드(WC)를 코팅하는 단계,
   상기 WC코팅된 칼 몸체 전 부위에 TiN을 코팅하는 단계,
   상기 TiN이 코팅된 칼 몸체 전 부위에 금합금을 코팅하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 내마모성과 내식성이 우수한 주방용 칼의 제조방법
7. 제6항에 있어서,
   상기 고장력 특수강 재질의 용탕은 중량%로 C: 0.3~0.6%, Si: 0.6%이하, Mn: 0.6%이하, Cr: 14~18%, Mo: 2~4%, V: 1~2%, Nb: 1~2%, B: 0.6~1.5%, W: 0.5~2%. Fe: 잔부로 구성된 것을 특징으로 하는 내마모성과 내식성이 우수한 주방용 칼의 제조방법
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 수직원심주조는 금형을 2단 내지 10단으로 적층하여 된 주조장치에서 주조되고,
   상기 칼날 세우기 단계는 연마가공 후 노말라이징 열처리를 실시한 후 칼날부위에만 고주파 열처리를 행한 다음 마지막 정밀 칼날 세우기 작업을 실시하고,
   상기 WC코팅과 TiN코팅은 진공증착에 의하여 코팅되고, 금 또는 금합금 코팅은 도금으로 하는 것을 특징으로 하는 내마모성과 내식성이 우수한 주방용 칼의 제조방법
   

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