KR20170095160A - 마이크로 크기의 요철 형상의 인선을 구비한 절삭 기구용 날과, 이 날을 구비한 절삭 기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 톱니 모양을 구비한 절삭 기구용 날(blade)과, 이 날을 구비한 절삭 기구(cutting instrument)에 관한 것이다.
본 발명에 따른 절삭 기구용 날은, 제조과정 또는 사용과정에, 피 절삭재와 접촉하는 인선부에 있어서, 상기 복합재를 구성하는 단단한 입자가 금속 기지에 비해 상대적으로 돌출된 형태를 이루어 마이크로 요철 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로 크기의 요철 형상의 인선을 구비한 절삭 기구용 날과, 이 날을 구비한 절삭 기구 {BLADES WITH MICRO SERRATED EDGE FOR CUTTING INSTRUMENTS AND CUTTING INSTRUMENTS WITH THE BLADES}

본 발명은 마이크로 크기의 요철 모양의 인선(edge)을 구비한 절삭 기구용 날(blade)과, 이 날을 구비한 절삭 기구(cutting instrument)에 관한 것이다.

대부분의 절삭 기구는 균질한 조직을 갖는 강(steel) 또는 세라믹(ceramic)으로 이루어진다.

이중, 강은 너무 연하여 사용 과정에서 날 부분의 손상이 쉽게 일어나는 경향이 있어 사용 중에 자주 날을 연마해야 하는 번거로움이 있고, 이에 반해, 세라믹은 단단하지만 취성(brittleness)이 너무 높아 쉽게 부러지는 경향이 있어 내구성이 좋지 않다.

한편, 절삭 기구에 있어서, 효율적으로 날의 날카로움을 향상시키는 방법으로, 아래 특허문헌에 개시되어 있는 바와 같이, 날의 인선(edge)의 형상을 톱니 형상을 가지도록 하는 방법이 알려져 있다.

톱니 형상의 인선을 구비한 날은, 톱니 형상을 구비하지 않는 일반적으로 매끄러운 인선을 구비한 절삭기구의 날에 비해, 피 절삭재와 접촉하는 면적을 약 2/3 정도까지 줄일 수 있으며, 이 경우 동일한 힘이 가해지더라도 날과 직접적으로 접촉하는 영역에는 가해지는 힘이 3배 정도 집중되게 된다.

이에 따라, 톱니 형상의 날은 사용자에게, 톱니 형상을 구비하지 않은 날을 가진 절삭 기구에 비해 더 날카로운 날을 가진 것과 같은 느낌을 부여한다.

그런데 스테인리스강을 포함하는 강(steel)을 기반으로 하는 톱니 형상의 날은, 기계 가공 공정을 통해 제조되며, 제조된 톱니 간의 간격은 일반적으로 0.1mm 이상이어서 매끄러운 절삭 느낌을 제공하기 어렵고, 공정비용이 추가되며, 전술한 바와 같이 내구성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 일단 인선에 형성된 톱니 형상이 손상되면 힘의 집중 형상이 줄어들어 절삭 성능이 현저하게 저하되는 문제점이 있다.

또한, 거친 연마제를 사용하여 피 절삭재와 접촉하는 인선을 거칠게 하는 공정처리를 통해 톱니 형상의 인선을 구비한 것과 유사한 효과를 얻을 수도 있는데, 이러한 조화 공정으로 처리된 인선은 그 돌출부가 매우 빨리 마모되기 때문에, 일시적으로만 톱니 형상의 날을 구비한 것과 유사한 효과만을 제공할 수 있을 뿐이다.

대한민국 등록특허공보 제1268262호

본 발명은 별도의 공정비용을 사용하지 않으면서도 날의 인선부에 요철 모양을 형성할 수 있을 뿐 아니라, 사용 과정에 인선에 마모가 발생하더라도 요철 형상이 유지될 수 있어, 내구성이 우수한 절삭 기구용 날과, 이 날을 구비한 절삭 기구를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은, 피 절삭재와 접촉하는 인선(edge)에서부터 소정 위치까지, 금속 기지와, 상기 금속 기지에 비해 단단한 입자가 분산된 복합재로 이루어지며, 상기 인선은, 상기 복합재를 구성하는 단단한 입자가 상기 금속 기지에 비해 상대적으로 돌출된 형태를 이루어 요철 형상을 이루는, 절삭 기구용 날을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면은, 피 절삭재와 접촉하는 인선(edge)에서부터 소정 위치까지, 금속 기지와, 상기 금속 기지에 비해 단단한 입자가 분산된 복합재로 이루어지며, 상기 인선은, 상기 복합재를 구성하는 단단한 입자가 상기 금속 기지에 비해 상대적으로 돌출된 형태를 이루어 요철 형상을 이루는, 절삭 기구용 날과, 이 날이 부착된 몸체를 구비하는 절삭 기구를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 절삭 기구용 날은, 0.05mm 이하의 미세한 크기의 요철 형상의 인선(즉, 톱니 형상의 날)을 형성할 수 있어, 종래 기계가공을 통해 형성한 톱니 형상의 인선을 구비한 칼에 비해, 부드러운 빵과 같은 재료를 자를 때, 힘의 집중 영역을 미세하게 분산시킬 수 있어, 뭉그러지거나 찢어짐 없이 절삭할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 절삭 기구용 날은, 사용 중에 인선이 마모되더라도, 인선에서 소정 위치까지 금속기지와 이에 비해 단단한 경질상의 복합조직으로 이루어져 있기 때문에, 마모 후에도 최초의 형상과 유사한 형태의 요철 형상이 그대로 유지될 수 있어, 절삭력을 유지하는데 유리하다.

또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 절삭 기구용 날은, 금속 기지에 세라믹상이 분산된 상태이므로, 금속이 갖는 연성과 세라믹상의 단단함을 동시에 구비하여, 잘 부러지지 않으면서, 내마모성이 우수하여, 내구성이 개선된다.

또한, 본 발명의 일 실시형태에 의하면, 요철 형상의 인선을 구현하기 위하여 기계가공이나 연마재를 사용한 조화처리(roughening treatment)와 같이 별도의 공정을 사용하지 않고, 용탕의 냉각 과정에 자연적으로 발생하는 세라믹상과 금속상의 분리를 통해 형성되기 때문에, 제조비용이 줄어든다.

또한, 본 발명에 따른 절삭 기구용 날은, 인간의 머리칼과 같은 매우 작은 대상물로부터 부드러운 채소, 언 고기에 이르기까지, 다양한 대상물을 자를 때 우수한 커팅감을 부여한다.

또한, 본 발명에 따른 절삭 기구용 날은, 미세한 요철 구조를 구현할 수 있기 때문에, 그 날카로움을 종래의 방법에 의해 제조된 절삭 기구에 비해 2~5배로 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 절삭 기구용 날은 수술용 칼로 사용될 수 있으며, 이 경우 대상을 깨끗하게 절개할 수 있도록 하며, 이와 같이 절개된 조직은 종래의 기구에 비해 쉽게 회복될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 절삭 기구용 날을 구비한 절삭 기구는, 외과용 칼, 주방용 칼, 주머니 칼, 면도날, 미용제품(예를 들어, 미용니퍼, 미용가위 등), 가정제품(잔디 깎이용 블레이드, 전지용 칼(tree trimmers), 전지 가위(pruning shears) 등), 산업용 커팅 블레이드 등에 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 주방용 칼과 그 미세조직에 대한 개략도이다.
도 2a는 25GPa 이상의 경도를 갖는 요철 형상의 인선을 구비한 날용 복합재의 조직에 대한 개략도이고, 도 2b는 이러한 미세조직을 갖는 복합재를 가공하여 인선을 형성한 후의 상태를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 주방용 칼을 제조하는데 사용된 강(steel)을 기지로 하고, 크롬 붕화물 입자가 분산된 조직을 갖는 복합재의 사진이다.
도 4는 도 2의 복합재를 사용하여 제조한 날의 광학 현미경 사진이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명자는, 다양한 재료를 자르는데 사용되는 날(blades)의 내구성과 날카로움을 향상시키기 위하여, 종래의 방법과 달리 새로운 관점에서, 날에 새로운 형태의 재료를 사용하는 것을 고안하였으며, 이 관점에 의하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 연질의 금속으로 이루어진 기지에 내구성이 우수한 입자가 분산된 형태의 조직을 구비한 복합재로 날을 구성하여, 제조 과정 또는 사용 중에 날의 인선(edge)에서 연질의 금속이 마모되어 제거되어 자연적으로 요철 형상(즉, 불규칙한 톱니 형상)이 형성될 수 있도록 함으로써 달성된다.

상기 금속은, 절삭 기구에 사용될 수 있을 정도의 강도, 내마모성 및 연성을 구비한 특성을 갖는 것이 바람직하며, 예를 들어 강(steel), 스테인리스강과 같은 재료가 사용될 수 있다.

또한, 상기 내구성이 우수한 입자는, 바람직하게 세라믹 재료로 이루어지며, 상기 금속에 비해 경도가 2배 이상, 바람직하게는 3배 이상, 더 바람직하게는 4배~10배 정도의 경도를 갖는 것을 사용한다. 이러한 세라믹 재료로는, 금속 탄화물, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 붕화물, 금속 탄질화물, 금속 붕질화물, 금속 탄산질화물 등이 사용될 수 있으며, 예를 들어 크롬 붕화물(Chrome boride), 텅스텐 탄화물(tungsten carbide) 등이 사용될 수 있다. 상기 크롬 붕화물(Cr Boride)은 강(steel)에 비해 그 경도가 4~6배 정도이다.

또한, 상기 입자의 형상은 구(sphere) 형상, 파이버(fiber) 형상, 판(plate) 형상, 플레이크(flake) 형상 등 다양한 형상이 가능하다.

또한, 상기 입자의 혼합 비율은 부피%로, 10~70%로 포함하는 것이 바람직한데, 10% 미만일 경우 내구성이 떨어질 수 있고, 70% 초과할 경우 연성이 충분하지 않을 수 있기 때문이다.

또한, 상기 입자의 혼합 비율은 요철 형상의 크기에 영향을 미치므로, 입자의 혼합 비율이 높을 경우, 미세한 크기의 요철 형상이 형성되고, 입자의 혼합 비율이 낮을 경우, 요철 형상의 크기가 큰 형태로 만들어질 수 있다.

또한, 상기 입자의 평균 크기는 절삭 기구용 날의 인선부에 형성될 요철 형상의 크기를 고려하여 다양하게 조절될 수 있는데, 깨끗한 절삭감을 부여하기 위해서는 10㎛ 이하의 입자가 바람직하나, 필요에 따라서는 그 이상의 크기로 할 수도 있다.

또한, 요철 형상에 있어서, 돌출부와 인접한 돌출부 간의 평균 간격은, 0.05mm 이하의 미세한 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 절삭 기구는, 상기 요철 형상의 인선이 형성되는 절삭 기구용 날과, 이 날이 부착된 몸체를 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 몸체는, 상기 절삭 기구용 날을 고정할 수 있는 부분(예를 들어, 주방용 칼의 손잡이)을 통칭하며, 경우에 따라서는, 상기 절삭 기구용 날과 부분적으로 일체화된 상태(예를 들어, 날의 인선부에서 소정 길이까지는 복합재로 이루어지고, 날의 나머지는 강(steel)과 같은 일반적인 재료)일 수 있다.

또한, 금속 기지 내에는 1종류의 내구성 입자만 사용되는 것이 아니라 다양한 종류의 내구성 입자가 사용될 수 있다.

바람직하게, 금속기지와 주가 되는 내구성 입자 외에도, 추가적으로 기지의 내구성을 향상시키기 위하여, 보조적으로 고경도의 강화입자를 추가할 수 있는데, 예를 들어 WC(tungsten carbide), 입방정 붕질화물(cubic boron nitride, cBN), 다이아몬드, 알루미나, 실리콘 탄화물(SiC), 티타늄 화합물(TiN, TiAlN, Ti(C,N) 등)과 같은 강화 입자들이, 절삭기구용 날에 요구되는 물성에 맞추어 일정한 비율로 혼합될 수 있다.

그런데, 경도가 15GPa 이상, 단단하게는 20GPa 이상, 더 단단하게는 25GPa 이상의 고경도의 내구성 입자를 보조적으로 첨가할 때는 상당한 주의가 요구되는데, 예를 들어, 경도가 80GPa 정도인 cBN 입자를 첨가할 경우 인선이 너무 단단해지므로, 일반적인 방법으로는 칼의 인선 자체를 날카롭게 만들기 어렵기 때문이다.

이 경우에는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 인선에서 소정 깊이까지 고경도의 내구성 입자를 포함하는 얇은 띠 상의 복합재를 배치하고, 나머지 부분은 도 1과 같이 금속기지와 일반적인 내구성 입자를 배치한 후, 도 2b와 같이 날카롭게 가공할 경우, 인선이 마모되더라도, 상대적으로 연한 주변부를 갈아냄으로써, 인선의 날카로움과 요철형상을 그대로 유지하는 형태로 사용하는 것이 바람직하다.

[실시예]

일반적으로, 텅스텐 탄화물(WC)과 같은 경질 입자를 금속 용탕에 첨가하여 교반한 후 냉각시키거나, 경질 입자와 금속 기지를 구성하는 입자를 혼합한 후 소결하는 분말 야금법을 통해 제조될 수 있다.

그러나 본 발명의 실시예에서는, 용융 상태에서 합금화된 특정한 조성의 물질을 사용하는 점에서 특별하다.

본 발명의 실시예에서 사용한 합금의 조성 범위는 아래 표 1의 조성을 갖는 것이다.

성분	Fe	Cr	Si	B
함량(질량%)	45~55	40~50	10 이하	5 이하

이상과 같은 조성을 갖는 합금을 용해한 후, 주조한 후 방치하는 방법으로 냉각시킬 경우, 응고과정에서 합금에 포함된 크롬(Cr)과 붕소(B)가 반응하여 크롬 붕화물(Cr boride)이 형성되고, 나머지는 잔존하는 합금원소가 고용된 스테인리스강(steel)의 기지조직을 이룬 복합재가 형성된다.

본 발명의 실시예에서는 스테인리스강으로 이루어진 금속 기지에 크롬 붕화물이 형성되는 것을 제시하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 경한 입자가 연한 금속 기지에 분산된 미세조직을 구현할 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 이해되어야 한다.

도 3은, 상기한 방법으로 제조한 복합재의 미세조직 이미지이며, 이 이미지에서 확인되는 바와 같이, 파이버 형상의 크롬 붕화물이 형성된 조직의 복합재가 제조되었다.

도 3의 미세조직은, Fe 50질량%, Cr 45질량%, Si 3질량%, B 2질량%의 조성을 갖는 합금을 통해 얻었다.

이 복합재를 구성하는 크롬 붕화물의 경도는 약 24GPa 정도이며, Fe를 기반으로 하는 금속 기지의 경도는 6GPa 정도로, 크롬 붕화물은 금속 기지에 비해 약 4배 더 강한 경도를 나타낸다.

도 4는 도 3의 복합재를 사용하여 제조한 주방용 칼날의 광학 현미경 사진이다.

도 4에 나타난 바와 같이, 칼날의 인선부의 표면에는 톱니 형상을 이루는 다수의 요철부가 형성되어 있음을 알 수 있으며, 이 이미지에서 상대적으로 밝은 부분은 금속 기지이고, 어두운 부분은 크롬 붕화물이다.

이러한 톱니 형상은, 균질한 기지를 갖는 재료의 조화 연마나 기계 가공의 결과물이 아니고, 합금화 과정에서 자발적으로 이루어지는 2개의 구별되는 상의 경도 차이에 기인하는 것이다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 절삭 기구용 날의 톱니 형상은 기계 가공이나 연마 공정과 같은 별도의 공정을 사용하지 않고 형성된 것이다.

본 발명의 실시예에 따라 제조된 절삭 기구용 날의 톱니 형상에 있어서, 돌출부와 인접한 돌출부 간의 평균 간격은 0.05mm 이하로 매우 미세한 톱니 구조를 이룬다.

톱니 형상을 이루는 돌출부와 인접한 돌출부 간의 평균 간격은 크롬 붕화물 입자의 크기와 분포에 의해 결정되며, 보통 0.5~3㎛ 범위로 형성된다.

그런데 본 발명에 따른 절삭 기구용 날의 경우, 절삭 기구가 사용되는 과정에, 경질입자인 크롬 붕화물이 떨어져 나가더라도, 기지를 구성하는 스테인리스강이 상대적으로 먼저 마모됨으로써, 0.5~3㎛ 크기의 마이크로 요철 형상을 그대로 유지하기 때문에 절삭 성능이 계속 유지될 수 있다.

즉, 종래의 기술에 따라 제조한 톱니 형상의 인선부를 구비한 절삭 기구용 날과, 본 발명의 실시예에 따른 절삭 기구용 날 간의 주요한 차이 중의 하나는, 종래의 기술은 톱니 효과가 사용 과정에 점점 줄어드는 반면, 본 발명에 따른 절삭 기구는 요철 형상의 인선의 재생이 연속적으로 이루어져 요철 효과가 지속되는 점에 있다.

Claims (9)

1. 피 절삭재와 접촉하는 인선(edge)에서부터 소정 위치까지, 금속 기지와, 상기 금속 기지에 비해 단단한 입자가 분산된 복합재로 이루어지며,
   상기 인선은, 상기 복합재를 구성하는 단단한 입자가 상기 금속 기지에 비해 상대적으로 돌출된 형태를 이루어 요철 형상을 이루는, 절삭 기구용 날.
2. 제1항에 있어서,
   상기 금속은 철을 주 원소로 포함하는 강(steel)으로 이루어지고,
   상기 단단한 입자는 세라믹 재료로 이루어진, 절삭 기구용 날.
3. 제2항에 있어서,
   상기 세라믹 재료는 붕화물, 탄화물, 산화물, 탄질화물, 붕질화물, 또는 탄산질화물을 포함하는, 절삭 기구용 날.
4. 제1항에 있어서,
   상기 복합재는, 금속 용탕의 냉각과정에서 금속과 세라믹으로 상분리가 이루어지어 형성되는, 절삭 기구용 날.
5. 제4항에 있어서,
   상기 금속 용탕은, 철(Fe), 크롬(Cr)과 붕소(B)를 포함하며, 크롬 붕화물로 이루어진 입자와 강(steel)로 이루어진 기지로 상분리가 이루어지는 조성을 포함하는, 절삭 기구용 날.
6. 제1항에 있어서,
   상기 요철 형상은, 돌출부와 인접한 돌출부 간의 평균 간격이 0.05mm 이하인, 절삭 기구용 날.
7. 제1항에 있어서,
   상기 인선에 요구되는 치수의 두께를 구비한 띠 형상의 경질층을, 상기 인선에 배치하고,
   상기 복합재는 상기 경질층을 매립하는 형태로 형성되는, 절삭 기구용 날.
8. 피 절삭재와 접촉하는 인선(edge)에서부터 소정 위치까지, 금속 기지와, 상기 금속 기지에 비해 단단한 입자가 분산된 복합재로 이루어지며, 상기 인선은, 상기 복합재를 구성하는 단단한 입자가 상기 금속 기지에 비해 상대적으로 돌출된 형태를 이루어 요철 형상을 이루는, 절삭 기구용 날과,
   이 날이 부착된 몸체를 구비하는 절삭 기구.
9. 제7항에 있어서,
   상기 절삭 기구는, 외과용 칼, 주방용 칼, 주머니 칼, 접이식 칼, 면도칼, 미용 칼, 미용 니퍼, 미용 가위, 잔디깎이용 블레이드, 전지용 블레이드, 전지 가위 또는 산업용 절삭기구를 포함하는, 절삭 기구.

Images