KR102417780B1 - Method for manufacturing blade with multi-layer structure - Google Patents
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Abstract
다층 구조 칼날의 제조 방법을 제공한다. 다층 구조 칼날의 제조 방법은 i) 탄소강을 포함하는 모재를 제공하는 단계, ii) 모재의 양면에 각각 니켈 코팅층을 제공하는 단계, iii) 니켈 코팅층 위에 각각 구리 합금층 및 백동층을 포함하는 판재를 제공하여 적층재를 형성하는 단계, iv) 적층재를 핫 프레싱(hot pressing)하여 접합재를 제공하는 단계, v) 접합재를 워터젯으로 커팅하여 칼날부를 포함하는 칼날을 제공하는 단계, 및 vi) 칼날부에 대응하여 휘어진 형상으로 형성된 고주파 열처리용 코일에 의한 고주파로 칼날부를 표면강화 열처리하는 단계를 포함한다. 적층재를 형성하는 단계에서 적층재의 두께는 5mm 내지 6mm이고, 접합재를 제공하는 단계에서, 핫 프레싱은 적층재를 1030℃ 내지 1080℃에서 13분 내지 17분 동안 가열한 후 적층재를 전단력 없이 수직 압하하여 접합재의 두께를 2.4mm 내지 4mm로 제공한다.A method for manufacturing a multi-layered blade is provided. The manufacturing method of the multi-layered blade comprises the steps of i) providing a base material comprising carbon steel, ii) providing a nickel coating layer on both sides of the base material, iii) a plate comprising a copper alloy layer and a cupronickel layer, respectively, on the nickel coating layer providing a laminate to form a laminate, iv) hot pressing the laminate to provide a bonding material, v) waterjet cutting the bonding material to provide a blade comprising a blade portion, and vi) a blade portion Corresponding to the high frequency heat treatment coil formed in a curved shape comprises the step of surface strengthening heat treatment with a high frequency heat treatment. In the step of forming the laminate, the thickness of the laminate is 5 mm to 6 mm, and in the step of providing the bonding material, hot pressing heats the laminate at 1030° C. to 1080° C. for 13 minutes to 17 minutes, and then vertically moves the laminate without shear force It is pressed down to provide a thickness of 2.4 mm to 4 mm of the bonding material.
Description
본 발명은 다층 구조 칼날의 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 구리 및 백동을 포함하는 다층 구조 칼날의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a multi-layered blade. More particularly, the present invention relates to a method for manufacturing a multi-layered blade comprising copper and cupronickel.
다층 무늬를 그 내부에 가지는 칼은 철을 여러번 겹치는 접쇠 방식을 통해 제조된다. 즉, 사철(沙鐵)의 제련을 통해 만들어진 철을 접쇠 방식으로 가공하면서 불순물을 제거해 다마스커스(Damascus) 칼로 부르는 물결 무늬가 있는 칼로 제조되어 왔다.A knife with a multi-layered pattern inside is manufactured through the folding method of overlapping iron several times. In other words, it has been manufactured as a knife with a wave pattern called a Damascus knife by removing impurities while processing iron made through the smelting of sand iron in a folding method.
이러한 다층 구조의 칼은 우수한 강도 및 인성을 가진다. 따라서 일본을 중심으로 전통적인 방식으로 제조된 칼의 특성을 가지면서 더 우수한 성능을 구현하려는 시도가 이루어지고 있다.This multi-layered knife has excellent strength and toughness. Therefore, attempts are being made to realize better performance while retaining the characteristics of knives manufactured in a traditional manner, mainly in Japan.
내식성이 우수한 다층 구조 칼날의 제조 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a multi-layered blade with excellent corrosion resistance.
본 발명의 일 실시예에 따른 다층 구조 칼날의 제조 방법은 i) 탄소강을 포함하는 모재를 제공하는 단계, ii) 모재의 양면에 각각 니켈 코팅층을 제공하는 단계, iii) 니켈 코팅층 위에 각각 구리 합금층 및 백동층을 포함하는 판재를 제공하여 적층재를 형성하는 단계, iv) 적층재를 핫 프레싱(hot pressing)하여 접합재를 제공하는 단계, v) 접합재를 워터젯으로 커팅하여 칼날부를 포함하는 칼날을 제공하는 단계, 및 vi) 칼날부에 대응하여 휘어진 형상으로 형성된 고주파 열처리용 코일에 의한 고주파로 칼날부를 표면강화 열처리하는 단계를 포함한다. 적층재를 형성하는 단계에서 적층재의 두께는 5mm 내지 6mm이고, 접합재를 제공하는 단계에서, 핫 프레싱은 적층재를 1030℃ 내지 1080℃에서 13분 내지 17분 동안 가열한 후 적층재를 전단력 없이 수직 압하하여 접합재의 두께를 2.4mm 내지 4mm로 제공한다.A method of manufacturing a multi-layered blade structure according to an embodiment of the present invention includes the steps of i) providing a base material comprising carbon steel, ii) providing a nickel coating layer on both sides of the base material, iii) a copper alloy layer on each nickel coating layer and providing a plate material including a cupronickel layer to form a laminate, iv) hot pressing the laminate to provide a bonding material, v) cutting the bonding material by waterjet to provide a blade including a blade part and vi) surface-strengthening heat treatment of the blade portion at a high frequency using a coil for high frequency heat treatment formed in a curved shape corresponding to the blade portion. In the step of forming the laminate, the thickness of the laminate is 5 mm to 6 mm, and in the step of providing the bonding material, hot pressing heats the laminate at 1030° C. to 1080° C. for 13 minutes to 17 minutes, and then vertically moves the laminate without shear force It is pressed down to provide a thickness of 2.4 mm to 4 mm of the bonding material.
모재를 제공하는 단계에서, 탄소강은 0.6wt% 내지 1wt%의 탄소, 0.1wt% 내지 0.3wt%의 실리콘, 0.2wt% 내지 0.6wt%의 망간, 0.01wt% 내지 0.03wt%의 인, 0보다 크고 0.005wt% 이하의 황, 0보다 크고 0.03wt% 이하의 알루미늄, 0보다 크고 0.3wt% 이하의 크롬, 0보다 크고 0.005wt% 이하의 몰리브덴, 0보다 크고 0.04wt% 이하의 티타늄, 나머지 철 및 불순물을 포함할 수 있다. 적층재를 형성하는 단계에서, 백동층은 23wt% 내지 26wt%의 니켈, 0보다 크고 0.05wt% 이하의 납, 0.02wt% 내지 0.1wt%의 철, 0.1wt% 내지 0.5wt%의 망간, 나머지 구리 및 불순물을 포함할 수 있다. 구리 합금은 0.01wt% 내지 0.03wt%의 납, 나머지 구리 및 불순물을 포함할 수 있다. 칼날을 제공하는 단계에서, 적층재를 핫 프레싱시의 압하율은 30% 내지 40%일 수 있다.In the step of providing the base material, the carbon steel contains 0.6wt% to 1wt% of carbon, 0.1wt% to 0.3wt% silicon, 0.2wt% to 0.6wt% manganese, 0.01wt% to 0.03wt% phosphorus, more than 0 Greater than 0.005 wt% sulfur, greater than zero and less than 0.03 wt% aluminum, greater than zero and less than 0.3 wt% chromium, greater than zero and less than or equal to 0.005 wt% molybdenum, greater than zero and less than or equal to 0.04 wt% titanium, the remainder iron and impurities. In the step of forming the laminate, the cupronickel layer contains 23wt% to 26wt% nickel, greater than 0 and not more than 0.05wt% lead, 0.02wt% to 0.1wt% iron, 0.1wt% to 0.5wt% manganese, the remainder copper and impurities. The copper alloy may include 0.01 wt % to 0.03 wt % lead, the remainder copper and impurities. In the step of providing the blade, the reduction ratio at the time of hot pressing the laminate may be 30% to 40%.
모재를 제공하는 단계에서, 탄소강에서, 탄소의 양은 0.83wt%이고, 실리콘의 양은 0.19wt%이며, 망간의 양은 0.44wt%이고, 인의 양은 0.018wt%이며, 황의 양은 0.002wt%이고, 알루미늄의 양은 0.01wt%이며, 크롬의 양은 0.15wt%이고, 몰리브덴의 양은 0.002wt%이며, 티타늄의 양은 0.018wt%일 수 있다. 적층재를 형성하는 단계에서, 백동층에서, 니켈의 양은 24.85wt%이며, 납의 양은 0.02wt%이고, 철의 양은 0.07wt%이며, 망간의 양은 0.3wt%일 수 있다. 구리 합금층에서, 납의 양은 0.023wt%일 수 있다. 접합재를 제공하는 단계에서, 적층재를 1050℃에서 15분 동안 가열할 수 있다. 칼날을 제공하는 단계에서, 적층재를 핫 프레싱시의 압하율은 35%일 수 있다.In the step of providing the base material, in carbon steel, the amount of carbon is 0.83 wt%, the amount of silicon is 0.19 wt%, the amount of manganese is 0.44 wt%, the amount of phosphorus is 0.018 wt%, the amount of sulfur is 0.002 wt%, and the amount of aluminum is The amount may be 0.01wt%, the amount of chromium may be 0.15wt%, the amount of molybdenum may be 0.002wt%, and the amount of titanium may be 0.018wt%. In the step of forming the laminate, in the cupronickel layer, the amount of nickel may be 24.85 wt%, the amount of lead may be 0.02 wt%, the amount of iron may be 0.07 wt%, and the amount of manganese may be 0.3 wt%. In the copper alloy layer, the amount of lead may be 0.023 wt%. In the step of providing the bonding material, the laminate may be heated at 1050° C. for 15 minutes. In the step of providing the blade, the reduction ratio at the time of hot pressing the laminate may be 35%.
구리 합금과 백동을 소재로 사용하여 내식성과 강도가 우수한 칼날을 제조할 수 있다. 즉, 이종금속소재를 사용하여 칼을 제조함으로써 내식성이 우수한 칼날을 제조할 수 있다. 또한, 이종금속소재에 특화된 워터젯 공정과 고주파 열처리 공정을 적용하여 우수한 품질의 다층 구조의 칼날을 제조할 수 있다.Using copper alloy and cupronickel as materials, a blade with excellent corrosion resistance and strength can be manufactured. That is, by manufacturing a knife using a dissimilar metal material, a blade with excellent corrosion resistance can be manufactured. In addition, by applying the waterjet process and the high frequency heat treatment process specialized for dissimilar metal materials, it is possible to manufacture a blade with a multi-layer structure of excellent quality.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼날의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼날의 핫 프레싱 전의 개략적인 분해 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼날의 핫 프레싱 후의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼날의 제조 방법에서 칼날을 워터젯으로 커팅하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼날의 제조 방법에서 고주파 열처리용 코일에 의한 고주파로 칼날을 표면강화 열처리하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실험예에서 사용된 가열로 및 핫 프레싱 장치의 사진이다.
도 7은 도 6의 핫 프레싱 장치에서 칼날을 핫 프레싱하는 사진이다.
도 8은 본 발명의 실험예에서 사용된 워터젯 및 이를 이용한 접합재의 가공 공정의 사진이다.
도 9는 도 8의 워터젯을 사용하여 커팅한 칼날 및 그 단면의 사진이다.
도 10은 본 발명의 실험예에서 사용된 고주파 유도 열처리기의 사진이다.
도 11은 도 10의 고주파 유도 열처리기를 사용하여 칼날의 칼날부를 표면 경화하는 사진 및 그 결과로 얻어진 칼날의 사진이다.
도 12 내지 도 16은 본 발명의 실험예들 및 비교예들에 따라 제조한 접합재의 사진들이다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 실험예 1 및 실험예 2에 따라 제조한 접합재의 인장 강도 그래프이다.1 is a schematic flowchart of a method for manufacturing a blade according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic exploded cross-sectional view before hot pressing of the blade according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic cross-sectional view of a blade after hot pressing according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a view schematically showing the process of cutting the blade with a water jet in the method of manufacturing a blade according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a view schematically showing the process of surface strengthening heat treatment of the blade at high frequency by a coil for high frequency heat treatment in the method of manufacturing a blade according to an embodiment of the present invention.
6 is a photograph of a heating furnace and a hot pressing device used in an experimental example of the present invention.
7 is a photograph of hot pressing the blade in the hot pressing device of FIG.
8 is a photograph of a processing process of a water jet used in an experimental example of the present invention and a bonding material using the same.
9 is a photograph of a blade cut using the waterjet of FIG. 8 and a cross-section thereof.
10 is a photograph of the high frequency induction heat treatment machine used in the experimental example of the present invention.
11 is a photograph of the surface hardening of the blade portion of the blade using the high frequency induction heat treatment machine of FIG. 10 and a photograph of the blade obtained as a result.
12 to 16 are photographs of bonding materials prepared according to Experimental Examples and Comparative Examples of the present invention.
19 and 20 are graphs of tensile strength of bonding materials prepared according to Experimental Examples 1 and 2 of the present invention.
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.The terminology used herein is for the purpose of referring to specific embodiments only, and is not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. As used herein, the meaning of “comprising” specifies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component, and other specific characteristic, region, integer, step, operation, element, component, and/or group. It does not exclude the existence or addition of
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.Although not defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Commonly used terms defined in the dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed content, and unless defined, are not interpreted in an ideal or very formal meaning.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼날의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 칼날의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 칼날의 제조 방법을 다른 형태도로 변형할 수 있다.1 schematically shows a flowchart of a method for manufacturing a blade according to an embodiment of the present invention. The manufacturing method of the blade of FIG. 1 is only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the manufacturing method of the blade can be modified to another form.
도 1에 도시한 바와 같이, 칼날의 제조 방법은, 탄소강을 포함하는 모재를 제공하는 단계(S10), 모재의 양면에 각각 니켈 코팅층을 제공하는 단계(S20), 니켈 코팅층 위에 각각 구리 합금 및 백동을 포함하는 판재를 제공하여 적층재를 형성하는 단계(S30), 적층재를 핫 프레싱(hot pressing)하여 접합재를 제공하는 단계(S40), 접합재를 워터젯으로 커팅하여 칼날부를 포함하는 칼날을 제공하는 단계(S50), 그리고 칼날부에 대응하여 휘어진 형상으로 형성된 고주파 열처리용 코일에 의한 고주파로 칼날부를 표면강화 열처리하는 단계(S60)를 포함한다. 이외에, 칼날의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.As shown in Figure 1, the manufacturing method of the blade, providing a base material comprising carbon steel (S10), providing a nickel coating layer on both sides of the base material, respectively (S20), on the nickel coating layer, respectively copper alloy and cupronickel Forming a laminate by providing a plate comprising a (S30), providing a bonding material by hot pressing the laminate (S40), cutting the bonding material with a waterjet to provide a blade including a blade part Step (S50), and a step (S60) of surface-strengthening heat treatment of the blade portion with a high frequency by a high-frequency heat treatment coil formed in a curved shape corresponding to the blade portion. In addition, the method of manufacturing the blade may further include other steps.
단계(S10)에서는 탄소강을 포함하는 모재를 제공한다. 탄소강은 0.6wt% 내지 1wt%의 탄소, 0.1wt% 내지 0.3wt%의 실리콘, 0.2wt% 내지 0.6wt%의 망간, 0.01wt% 내지 0.03wt%의 인, 0보다 크고 0.005wt% 이하의 황, 0보다 크고 0.03wt% 이하의 알루미늄, 0보다 크고 0.3wt% 이하의 크롬, 0보다 크고 0.005wt% 이하의 몰리브덴, 0보다 크고 0.04wt% 이하의 티타늄, 나머지 철 및 불순물을 포함한다. 좀더 바람직하게는, 탄소의 양은 0.83wt%이고, 실리콘의 양은 0.19wt%이며, 망간의 양은 0.44wt%이고, 인의 양은 0.018wt%이며, 황의 양은 0.002wt%이고, 알루미늄의 양은 0.01wt%이며, 크롬의 양은 0.15wt%이고, 몰리브덴의 양은 0.002wt%이며, 티타늄의 양은 0.018wt%이다.In step S10, a base material including carbon steel is provided. Carbon steel contains 0.6wt% to 1wt% carbon, 0.1wt% to 0.3wt% silicon, 0.2wt% to 0.6wt% manganese, 0.01wt% to 0.03wt% phosphorus, greater than 0 and not more than 0.005wt% sulfur. , greater than zero and less than or equal to 0.03 wt% aluminum, greater than zero and less than or equal to 0.3 wt% chromium, greater than zero and less than or equal to 0.005 wt% molybdenum, greater than zero and less than or equal to 0.04 wt% titanium, the remainder iron and impurities. More preferably, the amount of carbon is 0.83 wt%, the amount of silicon is 0.19 wt%, the amount of manganese is 0.44 wt%, the amount of phosphorus is 0.018 wt%, the amount of sulfur is 0.002 wt%, the amount of aluminum is 0.01 wt%; , the amount of chromium is 0.15 wt%, the amount of molybdenum is 0.002 wt%, and the amount of titanium is 0.018 wt%.
탄소는 칼날의 경도를 확보하기 위해 첨가한다. 탄소는 칼에 함유된 마르텐사이트 조직의 경도를 향상시킨다. 탄소의 양의 너무 적은 경우, 칼날의 경도가 저하된다. 반대로, 탄소의 양의 너무 많은 경우, 칼날을 지속적으로 사용하면서 칼날을 연마함에 따라 M7C3 일차 탄화물이 석출되어 부식의 개시점이 될 수 있다. 그 결과, 칼의 내식성이 저하되고 연마에도 취약해진다. 따라서 탄소의 양을 전술한 범위로 조절한다.Carbon is added to ensure the hardness of the blade. Carbon improves the hardness of the martensitic structure contained in the knife. If the amount of carbon is too small, the hardness of the blade decreases. Conversely, if the amount of carbon is too large, M7C3 primary carbide may be precipitated as the blade is sharpened while continuously using the blade, which may be the starting point of corrosion. As a result, the corrosion resistance of the knife is lowered and it is also vulnerable to grinding. Therefore, the amount of carbon is adjusted in the above-mentioned range.
실리콘은 칼날 제조 공정에 필요하다. 실리콘은 마르텐사이트 개시 온도(Ms)를 낮추고, 크롬 산화물을 환원시킨다. 다만, 실리콘의 양이 많은 경우, 칼의 가공시 변형 가능성을 제한하는 고온 경화 효과가 발생할 수 있다. 따라서 그 첨가량을 전술한 범위로 제어한다.Silicon is required for the blade manufacturing process. Silicon lowers the martensite onset temperature (Ms) and reduces chromium oxide. However, when the amount of silicone is large, a high-temperature curing effect that limits the possibility of deformation during knife processing may occur. Therefore, the addition amount is controlled in the above-mentioned range.
망간은 탄소강의 조직 구조를 안정화시키기 위해 필요하다. 망간의 양이 너무 많은 경우, 급냉 후에 마르텐사이트의 양을 불충분하게 만들어 칼의 경도를 저하시킨다.Manganese is required to stabilize the structural structure of carbon steel. If the amount of manganese is too large, the amount of martensite after quenching is insufficient to lower the hardness of the knife.
인과 황은 불순물로서 그 양은 작을수록 좋다. 그러나 인과 황의 양을 제한시 불순물 제거 비용이 증가한다. 따라서 인과 황을 전술한 범위로 제어한다.Phosphorus and sulfur are impurities, and the smaller the amount, the better. However, when the amount of phosphorus and sulfur is limited, the cost of removing impurities increases. Therefore, phosphorus and sulfur are controlled in the above-mentioned range.
알루미늄은 탄소강 내의 질소와 결합해 AlN을 형성하고, 오스테나이트 입계에 존재하여 결정립 성장을 억제시킨다. 알루미늄의 양이 너무 적은 경우, 결정립 미세화 효과가 적다. 또한, 알루미늄의 양이 너무 많은 경우, AlN이 조대하게 형성되어 불균일한 결정립이 형성될 수 있다. 따라서 알루미늄의 양을 전술한 범위로 조절한다.Aluminum combines with nitrogen in carbon steel to form AlN, and exists at the austenite grain boundary to suppress grain growth. When the amount of aluminum is too small, the effect of grain refining is small. In addition, when the amount of aluminum is too large, AlN may be coarsely formed and non-uniform crystal grains may be formed. Therefore, the amount of aluminum is adjusted to the above-mentioned range.
크롬은 탄소강의 경화능을 향상시킨다. 크롬은 대기 중에서 부동태 피막을 형성하여 탄소강의 녹발생을 억제한다. 그러나 크롬의 양이 너무 많은 경우, 제조 공정 중 스케일의 분리가 용이하지 않고, 냉각 중에는 에지 크랙이 발생한다.Chromium improves the hardenability of carbon steel. Chromium forms a passivation film in the atmosphere to suppress rust in carbon steel. However, if the amount of chromium is too large, it is not easy to separate the scale during the manufacturing process, and an edge crack occurs during cooling.
몰리브덴은 경화능과 공식에 대한 내성을 향상시키며, M(C, N)의 형성을 촉진시킨다. 그러나 몰리브덴은 고가이고, 몰리브덴의 양이 너무 많은 경우 마르텐사이트 변태 종료 온도(Mf)가 낮아진다. 따라서 몰리브덴의 양을 적절히 제한한다.Molybdenum improves hardenability and pitting resistance, and promotes the formation of M(C, N). However, molybdenum is expensive, and when the amount of molybdenum is too large, the martensite transformation end temperature (Mf) is lowered. Therefore, the amount of molybdenum is appropriately limited.
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 적절하게 조절한다.Titanium produces carbides and nitrides that are more stable than chromium carbides and chromium nitrides, contributing to the stabilization of the knife structure. However, when the amount of titanium added is too large, the hardness of martensite generated after rapid cooling may be limited. Therefore, the amount of titanium is appropriately adjusted.
한편, 고탄소강을 대체하여 고크롬강을 사용할 수도 있다. 또한, 고탄소강과 고크롬강을 함께 사용할 수도 있다.On the other hand, high-chromium steel may be used instead of high-carbon steel. In addition, high carbon steel and high chromium steel may be used together.
단계(S20)에서는 모재의 양면에 각각 니켈 코팅층을 제공한다. 니켈 코팅층을 매개로 모재와 판재를 접합시키면 접합 강도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 니켈 코팅층은 모재 위에 금속간 화합물을 도포한 후, 가열 분해에 의하여 니켈을 석출시키는 방법, 기상에서 니켈을 모재 표면에 석출시키는 방법, 증착이나 스퍼터링 등의 물리적 방법을 이용한 방법 등이 가능하다. 이외에, 공정이 용이하고 경제적인 전기 도금을 통해 니켈 코팅층을 형성할 수 있다.In step S20, a nickel coating layer is provided on both sides of the base material, respectively. Bonding the base material and the plate material through the nickel coating layer can significantly improve the bonding strength. The nickel coating layer can be formed by coating an intermetallic compound on a base material and then depositing nickel by thermal decomposition, a method of depositing nickel on the surface of the base material in a vapor phase, and a method using a physical method such as vapor deposition or sputtering. In addition, the nickel coating layer can be formed through an easy and economical electroplating process.
니켈 코팅층의 두께는 10㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 니켈 코팅층의 두께가 너무 작은 경우, 모재와의 접합 강도를 충분히 확보할 수 없다. 또한, 니켈 코팅층의 두께가 너무 큰 경우, 그 두께가 너무 커서 오히려 모재와의 접합 강도가 저하될 수 있다. 따라서 니켈 코팅층의 두께를 전술한 범위로 유지한다.The thickness of the nickel coating layer may be 10 μm to 50 μm. When the thickness of the nickel coating layer is too small, the bonding strength with the base material cannot be sufficiently secured. In addition, when the thickness of the nickel coating layer is too large, the thickness is too large, the bonding strength with the base material may be reduced. Therefore, the thickness of the nickel coating layer is maintained in the above-described range.
다음으로, 단계(S30)에서는 니켈 코팅층 위에 각각 구리 합금층 및 백동층을 포함하는 판재를 제공하여 적층재를 형성할 수 있다. 즉, 니켈 코팅층 위에 구리 합금층을 제공하고 그 위에 백동충을 형성하거나 니켈 코팅층 위에 백동층을 제공하고 그 위에 구리 합금층을 제공할 수도 있다. 구리 합금층과 백동층은 내식성 강화 소재로서 기능한다. 이하에서는 도 2를 참조하여 니켈 코팅층 위에 구리 합금층을 제공하고 그 위에 백동층을 형성하는 경우에 대해 설명한다.Next, in step S30, a laminate may be formed by providing a plate material including a copper alloy layer and a cupronickel layer, respectively, on the nickel coating layer. That is, a copper alloy layer may be provided on the nickel coating layer and cupronickel may be formed thereon, or a cupronickel layer may be provided on the nickel coating layer and a copper alloy layer may be provided thereon. The copper alloy layer and the cupronickel layer function as corrosion-resistant reinforcement materials. Hereinafter, a case in which a copper alloy layer is provided on a nickel coating layer and a cupronickel layer is formed thereon will be described with reference to FIG. 2 .
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼날(100)의 핫 프레싱 전의 분해 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 칼날(100)의 분해 단면 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 칼날(100)의 단면 구조를 다른 형태도로 변형할 수 있다. Figure 2 schematically shows the disassembled cross-sectional structure of the
도 2에 도시한 바와 같이, 모재(10)의 상면 및 하면에는 각각 니켈 코팅층(20)이 형성된다. 그리고 상부의 니켈 코팅층(20)의 상면 및 하부의 니켈 코팅층(20)의 하면에는 각각 판재(30)가 위치한다. 판재(30)는 구리 합금층(301) 및 백동층(303)을 포함한다. As shown in FIG. 2 , a
구리 합금층(301)은 납, 구리 및 불순물을 포함한다. 납의 양은 0.01wt% 내지 0.03wt%일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 납의 양은 0.023wt%일 수 있다. 납은 석출물을 형성하여 구리 합금층(301)의 커팅성을 향상시킨다. 납은 구리와 큰 양의 혼합열과 큰 융점 차를 가진다. 따라서 납과 구리 사이에는 액상 분리에 의한 편정 반응이 형성된다. 납은 응고시에 액상에서 분리되어 미세 조직을 형성한다. 따라서 대부분의 납 석출물은 결정립계가 아닌 결정립 내부에 형성된다. 그리고 납은 액상에서의 계면 에너지가 매우 크기 때문에 석출물은 구형으로 성장한다. 결정립을 따라 막 형태의 석출물이 형성되면 입계를 따라 급격한 파단 현상이 나타나는데 납 석출물이 이를 막을 수 있다. 또한, 납 석출물은 커팅 가공시에 윤활 기능을 하므로 그 활용도가 크다.The
백동층(303)은 23wt% 내지 26wt%의 니켈, 0보다 크고 0.05wt% 이하의 납, 0.02wt% 내지 0.1wt%의 철, 0.1wt% 내지 0.5wt%의 망간, 나머지 구리 및 불순물을 포함한다. 좀더 바람직하게는, 니켈의 양은 24.85wt%일 수 있고, 납의 양은 0.02wt%일 수 있으며, 철의 양은 0.07wt%일 수 있고, 망간의 양은 0.3wt%일 수 있다. 백동은 내식성을 가지면서 열간 가공이 용이한 이점이 있으므로, 본 발명의 일 실시예에서 칼날 소재로 사용한다.
니켈은 백동층(303)의 강도와 고온 내산화성 확보를 위해 첨가한다. 한편, 니켈의 양이 너무 많은 경우, 마르텐사이트 변태 종료 온도(Mf)가 낮아지고, 소재 비용이 커진다. 따라서 니켈의 양을 전술한 범위로 적절하게 조절한다.Nickel is added to ensure the strength and high temperature oxidation resistance of the
납은 백동층(303)의 커팅성을 향상시키기 위하여 첨가한다. 다만, 납의 함량을 적절하게 제어하여 백동층(303) 내에 석출물로 형성시킨다.Lead is added to improve the cutability of the
철과 망간은 백동층(303)에 미량 포함되어 백동층(303)의 강화 원소로서 기능한다. 철 또는 망간의 양이 너무 많은 경우, 급냉 후에 마르텐사이트의 양을 불충분해져서 백동층(303)의 경도가 저하되므로, 그 양을 적절히 제어한다.Iron and manganese are contained in a trace amount in the
한편, 적층재(80)의 두께(t)는 5mm 내지 6mm일 수 있다. 적층체(80)의 두께(t)가 너무 큰 경우, 적층재(80)를 핫 프레싱시 부하가 크게 걸릴 수 있다. 또한, 설계상 적층재(80)의 두께(t)를 너무 작게 할 수 없다. 따라서 적층재(80)의 두께(t)를 전술한 범위로 조절한다.Meanwhile, the thickness t of the laminate 80 may be 5 mm to 6 mm. When the thickness t of the laminate 80 is too large, a large load may be applied when the laminate 80 is hot-pressed. In addition, the thickness t of the laminate 80 cannot be made too small by design. Therefore, the thickness t of the laminate 80 is adjusted to the above-mentioned range.
다시 도 1로 되돌아가면, 단계(S40)에서는 적층재(80)(도 2에 도시, 이하 동일)를 핫 프레싱하여 접합재를 제공한다. 핫 프레싱 공정은 열간 압연 공정과는 완전히 다르다. 적층재(80)를 열간 압연하는 경우, 각 층들의 밀림이 발생하여 칼날을 제조하기에 부적합하다. 즉, 열간 압연 공정에서는 수평 방향의 힘이 작용하여 전단력이 생기면서 적층재(80)에 밀림이 발생할 수 있다. 따라서 핫 프레싱 공정을 통해 전단력이 없는 수직 압하력만 이용하여 접합재를 제조한다. 특히, 핫 프레싱 장치에서는 금형틀에 적층재를 삽입해 금형으로 수직 압하할 수 있다. 그 결과, 적층재(80)의 길이 방향, 즉 적층재(80)의 두께 방향과 직각으로 교차하는 방향으로의 적층재(80)의 길이 증가가 없다. Referring back to FIG. 1 , in step S40 , a bonding material is provided by hot pressing the laminate 80 (shown in FIG. 2 , the same hereinafter). The hot pressing process is completely different from the hot rolling process. When the
핫 프레싱 공정을 좀더 구체적으로 설명하면 적층재(80)를 먼저 가열한다. 적층재(80)는 1030℃ 내지 1080℃의 온도로 가열된다. 좀더 바람직하게는, 적층재(80)는 1050℃로 가열될 수 있다. 적층재(80)의 가열 온도가 너무 낮은 경우, 후속 공정에서 수직 적층재(80)를 수직 압하하기 어려울 수 있다. 또한, 적층재(80)의 가열 온도가 너무 높은 경우, 공정 비용이 증가한다. 따라서 적층재(80)의 가열 온도를 전술한 범위로 조절한다.When the hot pressing process is described in more detail, the laminate 80 is first heated. The laminate 80 is heated to a temperature of 1030°C to 1080°C. More preferably, the laminate 80 may be heated to 1050°C. When the heating temperature of the laminate 80 is too low, it may be difficult to vertically press the
적층재(80)는 13분 내지 17분 동안 가열할 수 있다. 좀더 바람직하게는, 적층재(80)를 15분 동안 가열할 수 있다. 적층재(80)의 가열 시간이 너무 짧은 경우, 적층재(80)가 너무 단단해 후속 공정에서 적층재(80)의 수직 압하 가공이 어려울 수 있다. 또한, 적층재(80)의 가열 시간이 너무 긴 경우, 공정 비용이 증가한다. 따라서 적층재(80)의 가열 시간을 전술한 범위로 조절한다.The laminate 80 may be heated for 13 to 17 minutes. More preferably, the laminate 80 may be heated for 15 minutes. If the heating time of the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼날의 제조 방법에서 핫 프레싱 후의 접합재(90)의 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 접합재(90)의 단면 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 접합재(90)의 단면 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.3 schematically shows the cross-sectional structure of the
도 3의 접합재(90)의 단면 구조는 기본적으로 그 두께만 다를 뿐 도 2의 적층재(80)의 단면 구조와 동일하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하여 나타내며, 그 상세한 설명을 생략한다.The cross-sectional structure of the
접합재(90)의 두께(t')는 2.4mm 내지 4mm일 수 있다. 두께(t')가 너무 큰 경우, 칼날로 사용하기에 부적합하다. 또한, 두께(t')가 너무 작은 경우, 핫 프레싱 공정비가 증가할 뿐만 아니라 접합재(90)이 파손될 수 있다. 따라서 두께(t')를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다. The thickness t' of the
한편, 적층재(80)를 핫 프레싱시의 압하율은 30% 내지 40%일 수 있다. 바람직하게는 압하율은 35%일 수 있다. 압하율이 너무 큰 경우, 적층재(80)가 파손될 수 있다. 또한, 압하율이 너무 작은 경우, 적층재(80)를 구성하는 각 층들이 잘 접합되지 않을 수 있다. 따라서 압하율을 전술한 범위로 조절한다.On the other hand, the reduction ratio during hot pressing of the laminate 80 may be 30% to 40%. Preferably, the reduction ratio may be 35%. If the reduction ratio is too large, the laminate 80 may be damaged. In addition, when the reduction ratio is too small, each layer constituting the laminate 80 may not be well bonded. Therefore, the reduction ratio is adjusted in the above-mentioned range.
한편, 핫 프레싱 공정 후에 필요에 따라 접합재(90)의 각 층간의 접합력을 좀더 강화하기 위해 다시 열처리할 수 있다. 이 경우, 각 층간의 확산에 의해 접합재(90)의 접합 강도를 좀더 향상시킬 수 있다.Meanwhile, after the hot pressing process, if necessary, heat treatment may be performed again to further strengthen the bonding force between the layers of the
다시, 도 1로 되돌아가면 단계(S50)에서는 접합재를 워터젯으로 커팅하여 칼날부를 포함하는 칼날을 제공한다. 이를 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다.Again, when returning to FIG. 1, in step S50, the bonding material is cut with a water jet to provide a blade including a blade part. This will be described in detail with reference to FIG. 4 .
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼날의 제조 방법에서 칼날을 워터젯으로 커팅하는 과정을 개략적으로 나타낸다. 도 4의 워터젯 커팅 과정은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 이를 다른 형태로도 변형할 수 있다.Figure 4 schematically shows a process of cutting the blade with a water jet in the method of manufacturing a blade according to an embodiment of the present invention. The waterjet cutting process of FIG. 4 is only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, it can be transformed into other forms.
도 4에 도시한 바와 같이, 도 1의 단계(S40)에서 제조한 접합재(90)를 워터젯(1000)을 이용하여 형상 가공한다. 즉, 단계(S40)에서 핫 프레싱 공정으로 직사각형 형상의 접합재(90)가 제조된다. 이를 워터젯(1000)을 이용해 물(W)을 분사하여 칼날(100)로 커팅한다. 워터젯(1000)을 이용하는 경우, 접합재(90)의 접합 계면의 용융 현상 및 층간 이격은 발생하지 않고, 워터젯(1000)을 이용해 접합재(90)를 안정적으로 커팅할 수 있다.As shown in FIG. 4 , the
글라인더 또는 커터 등의 기계적인 도구를 사용하여 접합재(90)를 커팅하는 경우, 기계적 진동에 의해 접합재(90)의 이종금속 접합부가 떨어질 수 있다. 또한, 레이저 가공으로 접합재(90)를 커팅하는 경우, 낮은 용융점을 가진 백동 또는 구리 등의 비철계소재 접합 계면이 용융될 수 있다. 그러나 워터젯(1000)을 사용하는 경우, 접합부가 떨어지거나 접합 계면이 용융되는 현상이 발생하지 않는다. 이러한 이유로 인하여 워터젯(1000)을 이용해 접합재(90)를 커팅하여 칼날(100)을 제조하는 것이 바람직하다.When the
다시 도 1로 되돌아가면, 단계(S60)에서는 칼날부에 대응하여 휘어진 형상으로 형성된 고주파 열처리용 코일에 의해 고주파로 칼날부를 표면강화 열처리한다. 이를 도 5를 참조하여 상세하게 설명한다.Returning to FIG. 1 again, in step S60, the surface strengthening heat treatment is performed on the blade part at a high frequency by a coil for high frequency heat treatment formed in a curved shape corresponding to the blade part. This will be described in detail with reference to FIG. 5 .
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼날의 제조 방법에서 고주파 열처리용 코일에 의한 고주파로 칼날을 표면강화 열처리하는 과정을 개략적으로 나타낸다. 도 5의 칼날의 표면강화 열처리 과정은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 이를 다른 형태로도 변형할 수 있다.Figure 5 schematically shows a process of surface strengthening heat treatment of the blade in a high frequency by a coil for high frequency heat treatment in the method of manufacturing a blade according to an embodiment of the present invention. The surface strengthening heat treatment process of the blade of FIG. 5 is only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, it can be transformed into other forms.
도 5에 도시한 바와 같이, 고주파 열처리용 코일(2000)은 칼날(100)의 칼날부(1001)에 대응하는 형상으로 형성된다. 여기서, 칼날부(1001)는 칼날(100)의 단부에서 칼등 방향으로 5mm에 해당하는 부분을 의미한다. 즉, 고주파 열처리용 코일(2000)은 칼날부(1001)에 대응하도록 휘어진 형상을 가진다. 따라서 고주파로 칼날부(1001)만 표면강화 열처리한다. 이는 칼날(100)이 백동, 구리 및 탄소강의 이종금속 소재를 접합하여 형성되었기 때문이다. 즉, 흔히 사용되는 철계 소재의 주방칼 등을 제조시처럼 칼날 전체를 가열하여 표면강화 열처리하는 경우, 이종소재간의 접합 계면에 이격이 발생할 수 있다. 따라서 이종 금속들의 접합 상태를 유지하면서 국부적으로 급열 및 급냉이 가능한 고주파 열처리기로 칼날부(1001)를 열처리한다. 한편, 전술한 공정 이외에 담금질, 템퍼리, 연삭 가공을 순차적으로 실시해 최종적으로 다층 구조의 칼날을 제조할 수 있다.As shown in FIG. 5 , the
실험예Experimental example
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 실험예를 다른 형태로도 변형할 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through experimental examples. These experimental examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the experimental example may be modified into other forms.
합금 시편 준비Alloy specimen preparation
도 1의 다층 구조 칼날의 제조 방법에 따라 다층 구조의 칼날을 제조하였다. 탄소강, 구리 합금 및 백동을 사용하여 다층 구조의 칼날을 제조하였다. A blade of a multi-layer structure was manufactured according to the manufacturing method of the multi-layer structure of FIG. 1 . A blade with a multi-layer structure was manufactured using carbon steel, copper alloy and cupronickel.
탄소강으로서 SK5를 사용하였고, 시편의 규격은 300mm x 60mm x 2mm이었다. 탄소강은 철과 탄소의 합금 중에서 열처리가 가능한 0.8wt% 내지 0.9wt%의 탄소를 함유하였으며, 그 상세 성분 조성(wt%)은 아래의 표 1과 같았다.SK5 was used as carbon steel, and the dimensions of the specimen were 300 mm x 60 mm x 2 mm. Carbon steel contained 0.8wt% to 0.9wt% of carbon that can be heat treated in an alloy of iron and carbon, and its detailed composition (wt%) was shown in Table 1 below.
구리 합금으로는 구리(Cu)의 함유량이 99wt% 이상인 전기동(electrolytic copper)을 사용하였다. 구리 합금의 시편 규격은 300mm x 60mm x 1mm이었다. 구리 합금은 99.96wt%의 구리(Cu) 및 0.023wt%의 납(Pb)을 함유하였다.As the copper alloy, electrolytic copper having a copper (Cu) content of 99 wt% or more was used. The specimen size of the copper alloy was 300 mm x 60 mm x 1 mm. The copper alloy contained 99.96 wt% of copper (Cu) and 0.023 wt% of lead (Pb).
백동으로는 아연(Zn)을 함유하지 않은 구리(Cu)와 니켈(Ni)의 2원계 합금인 큐프로 니켈(Cupro Nickel)을 사용하였다. 백동 시편의 규격은 300mm x 60mm x 1mm이었다. 백동의 상세 성분 조성(wt%)은 아래의 표 2와 같았다.Cupro Nickel, a binary alloy of copper (Cu) and nickel (Ni) that does not contain zinc (Zn), was used as cupronickel. The size of the cupronickel specimen was 300mm x 60mm x 1mm. The detailed composition (wt%) of cupronickel was shown in Table 2 below.
핫 프레싱hot pressing
전술한 조성의 백동 시편, 구리 합금 시편, 및 탄소강 시편을 다양하게 선택하여 적층재를 제조하였다. 탄소강 표면은 니켈로 전기 도금하였다. 시편 선택에 따라 적층재의 두께는 4mm 또는 6mm로 가변되었다. 그리고 적층재를 가열로에서 15분 동안 가열하였다. 적층재의 가열 온도는 950℃, 1000℃ 또는 1050℃로 조절하였다. 가열된 적층재를 핫 프레싱 장치에 재치하여 33.3% 또는 37.5%의 압하율로 수직 압하하였다. 적층재는 최초 두께 4mm 내지 6mm에서 최종 두께 2.4mm 내지 4mm까지 회당 0.4mm 내지 0.5mm로 순차적으로 수직 압하였다. 그 결과, 적층재는 프레싱되어 2.5mm 또는 4mm의 접합재로 제조되었다.A laminate was prepared by selecting variously a cupronickel specimen, a copper alloy specimen, and a carbon steel specimen having the above composition. The carbon steel surface was electroplated with nickel. Depending on the specimen selection, the thickness of the laminate was varied to 4 mm or 6 mm. And the laminate was heated in a heating furnace for 15 minutes. The heating temperature of the laminate was adjusted to 950°C, 1000°C or 1050°C. The heated laminate was placed in a hot pressing apparatus and vertically reduced at a reduction ratio of 33.3% or 37.5%. The laminate was vertically pressed sequentially from an initial thickness of 4 mm to 6 mm to a final thickness of 2.4 mm to 4 mm at a rate of 0.4 mm to 0.5 mm per time. As a result, the laminate was pressed to produce a bonding material of 2.5 mm or 4 mm.
도 6은 본 발명의 실험예에서 사용된 가열로 및 핫 프레싱 장치의 사진을 나타낸다. 도 6의 좌측은 본 실험예에서 사용한 칸탈(Kanthal)형 전기로의 사진이고, 중앙은 본 실험예에서 사용한 110톤 압접 프레스의 사진이며, 우측은 이를 부분 확대한 압접 프레스 레일형 금형 사진을 나타낸다.6 shows a photograph of a heating furnace and a hot pressing apparatus used in an experimental example of the present invention. The left side of FIG. 6 is a photograph of the Kanthal-type electric furnace used in this experimental example, the center is a photograph of the 110 ton pressure welding press used in this experimental example, and the right side shows a partially enlarged photograph of the pressure welding press rail type mold.
도 6의 압접 프레스는 크랭크 구동식이며, 단위면적당 110톤의 하중으로 압접할 수 있다. 금형은 평판 형태의 열간공구강 소재인 SKD-61으로 제작된 레일형 금형을 사용하였다. 최소한의 횟수로 압접하여 적층재의 전체 면적에 수직 하중을 전달해 안정적으로 접합되도록 하였다.The pressure welding press of FIG. 6 is a crank-driven type, and can perform pressure welding with a load of 110 tons per unit area. For the mold, a rail-type mold made of SKD-61, a hot tool steel material in the form of a flat plate, was used. The minimum number of press-welding was performed to transmit the vertical load to the entire area of the laminate to ensure stable bonding.
도 7은 도 6의 압접 프레스에서 적층재를 핫 프레싱하는 사진을 나타낸다. 도 7에 도시한 바와 같이, 붉게 가열된 적층재를 수직 압하하여 접합재를 제조하였다.7 shows a photograph of hot pressing the laminate in the pressure welding press of FIG. 6 . As shown in FIG. 7 , the laminated material heated to red was vertically reduced to prepare a bonding material.
도 7의 고온압접 방법은 전기로에서 950℃, 1000℃ 또는 1050℃로 그 온도를 제어하면서 균일 가열한 적층재를 금형 사이에서 붉은 빛을 잃을 때까지 8회 내지 12회 프레싱하였다. 프레싱된 접합재는 공냉시켰다.In the high-temperature welding method of FIG. 7, the laminated material heated uniformly while controlling the temperature to 950° C., 1000° C. or 1050° C. in an electric furnace was pressed 8 to 12 times until the red color was lost between the molds. The pressed bonding material was air-cooled.
칼날 제조blade manufacturing
도 8은 본 발명의 실험예에서 사용된 워터젯 및 이를 이용한 접합재의 가공 공정의 사진을 나타낸다. 도 8의 좌측은 워터젯을 나타내고, 도 8의 우측은 워터젯을 이용해 접합재를 커팅하는 상태를 나타낸다.8 shows a photograph of a processing process of a water jet used in an experimental example of the present invention and a bonding material using the same. The left side of FIG. 8 shows a water jet, and the right side of FIG. 8 shows a state in which the bonding material is cut using the water jet.
워터젯을 사용하는 경우, 접합재의 접합 계면이 용융되지 않았다. 또한, 접합재의 이격 현상이 발생하지 않았다. 따라서 워터젯을 사용하는 것이 이종금속이 접합된 칼날의 제조에 적합하였다.When water jet was used, the bonding interface of the bonding material was not melted. In addition, the separation phenomenon of the bonding material did not occur. Therefore, the use of a water jet was suitable for the manufacture of blades joined with dissimilar metals.
도 9는 도 8의 워터젯을 사용하여 커팅한 칼날 및 그 단면의 사진을 나타낸다. 즉, 도 9의 좌측은 워터젯을 사용하여 접합재로부터 칼날을 커팅한 사진이고, 도 9의 우측은 그 단면 사진을 나타낸다.9 shows a photograph of a blade cut using the waterjet of FIG. 8 and a cross-section thereof. That is, the left side of FIG. 9 is a photograph of cutting the blade from the bonding material using a water jet, and the right side of FIG. 9 shows a cross-sectional photograph thereof.
도 9의 우측에 도시한 바와 같이, 시편들이 적층 및 프레싱된 것을 관찰할 수 있었다. 즉, 다층 구조의 칼날이 형성된 것을 확인하였다.As shown on the right side of FIG. 9 , it was observed that the specimens were laminated and pressed. That is, it was confirmed that the blade of the multi-layer structure was formed.
칼날부의 표면강화 열처리Surface hardening heat treatment of the blade part
도 10은 본 발명의 실험예에서 사용된 고주파 유도 열처리기의 사진을 나타낸다. 도 10의 좌측은 고주파 유도 열처리기의 사진을 나타내고, 도 10의 우측은 고주파 유도 열처리기에 포함된 치구인 고주파 열처리용 코일을 확대하여 나타낸다.10 shows a photograph of the high frequency induction heat treatment machine used in the experimental example of the present invention. The left side of FIG. 10 shows a photo of the high frequency induction heat treatment machine, and the right side of FIG. 10 shows an enlarged view of a coil for high frequency heat treatment, which is a jig included in the high frequency induction heat treatment machine.
도 10에 도시한 바와 같이, 워터젯으로 가공한 칼날의 칼날부를 고주파 열처리하였다. 그 결과, 칼날부의 표면을 강화시킬 수 있었다As shown in Fig. 10, the blade part of the blade processed by water jet was subjected to induction heat treatment. As a result, the surface of the blade part was strengthened.
도 11은 도 10의 고주파 유도 열처리기를 사용하여 칼날의 칼날부를 표면 경화하는 사진 및 그 결과로 얻어진 칼날의 사진이다. 도 11의 좌측은 고주파 유도 열처리기를 사용해 칼날부를 표면 경화하는 사진이고, 도 11의 우측은 그 결과로 얻어진 칼날의 사진이다.11 is a photograph of the surface hardening of the blade portion of the blade using the high frequency induction heat treatment machine of FIG. 10 and a photograph of the blade obtained as a result. The left side of FIG. 11 is a photograph of surface hardening the blade part using a high frequency induction heat treatment machine, and the right side of FIG. 11 is a photograph of the resulting blade.
전술한 과정들을 통하여 내식성이 우수하면서 양호한 접합 상태를 가지는 칼날을 제조할 수 있었다. 따라서 이종 금속들을 접합하여 양호한 특성의 칼날을 제조할 수 있었다. 이하에서는 전술한 실험예와 비교예를 통하여 제조한 접합재의 실험 결과를 설명한다.Through the above-described processes, it was possible to manufacture a blade having excellent corrosion resistance and a good bonding state. Therefore, it was possible to manufacture a blade with good properties by joining dissimilar metals. Hereinafter, the experimental results of the bonding materials manufactured through the above-described experimental examples and comparative examples will be described.
실험예 1Experimental Example 1
전술한 합금 시편 준비 공정 및 핫 프레싱 공정을 통하여 접합재를 제조하였다. 적층재는 백동, 구리 합금, 탄소강, 구리 합금 및 백동을 차례로 적층하여 제조하였다. 적층재의 가열 온도는 1050℃로 하였고, 가열 시간은 15분이었다. 가열된 적층재를 수직 압하하여 33.3%의 압하율로 4mm 두께의 접합재를 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.A bonding material was manufactured through the above-described alloy specimen preparation process and hot pressing process. The laminate was manufactured by sequentially laminating cupronickel, copper alloy, carbon steel, copper alloy, and cupronickel. The heating temperature of the laminate was 1050°C, and the heating time was 15 minutes. The heated laminate was vertically reduced to prepare a bonding material having a thickness of 4 mm at a reduction ratio of 33.3%. The rest of the experimental procedure was the same as in the above-described experimental example.
실험예 1Experimental Example 1
전술한 실험예 1과 동일한 방법으로 접합재를 제조하되 적층재의 가열 온도를 1000℃로 하였다.A bonding material was prepared in the same manner as in Experimental Example 1 described above, but the heating temperature of the laminate was set to 1000°C.
실험예 3Experimental Example 3
전술한 실험예 1과 동일한 방법으로 접합재를 제조하되 적층재의 가열 온도를 950℃로 하였다.A bonding material was prepared in the same manner as in Experimental Example 1 described above, but the heating temperature of the laminate was 950°C.
실험예 4Experimental Example 4
적층재를 백동, 탄소강 및 백동을 차례로 적층하여 제조하였다. 적층재의 가열 온도는 1000℃로 하였으며, 37.5%의 압하율로 2.5mm 두께의 접합재를 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.The laminate was prepared by sequentially laminating cupronickel, carbon steel and cupronickel. The heating temperature of the laminate was 1000° C., and a 2.5 mm thick bonding material was prepared at a reduction ratio of 37.5%. The rest of the experimental procedure was the same as in the above-described experimental example.
실험예 5Experimental Example 5
적층재의 가열 온도를 1050℃로 하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예4와 동일하였다.The heating temperature of the laminated material was 1050°C. The rest of the experimental procedure was the same as in Experimental Example 4 described above.
비교예 1Comparative Example 1
핫 프레싱이 아닌 단조 접합 공정을 사용하여 접합재를 제조하였다. 단조 접합 공정은 접쇠 공정에 대응한다. 접합재를 가열하는 공정은 없었다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였으며, 상세한 실험 과정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.The bonding material was manufactured using a forging bonding process rather than hot pressing. The forging bonding process corresponds to the welding process. There was no process of heating the bonding material. The rest of the experimental process was the same as the above-described experimental example, and since the detailed experimental process can be easily understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, a detailed description thereof will be omitted.
비교예 2Comparative Example 2
핫 프레싱이 아닌 열간 압연 공정을 사용하여 접합재를 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였으며, 상세한 실험 과정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.The bonding material was manufactured using a hot rolling process rather than hot pressing. The rest of the experimental process was the same as the above-described experimental example, and since the detailed experimental process can be easily understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, a detailed description thereof will be omitted.
실험 결과Experiment result
실험예 1 내지 실험예 3, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 접합재의 실험 결과를 이하에서 설명한다.Experimental results of bonding materials according to Experimental Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 and 2 will be described below.
도 12 내지 도 14는 각각 실험예 1 내지 실험예 3의 접합재 사진을 나타낸다. 도 12 내지 도 14의 각 좌측은 접합재의 평면 사진을 나타내고, 도 12 내지 도 14의 각 우측은 접합재의 측면 사진을 나타낸다.12 to 14 show photos of bonding materials of Experimental Examples 1 to 3, respectively. Each left side of FIGS. 12 to 14 shows a plan photograph of the bonding material, and each right side of FIGS. 12 to 14 shows a side picture of the bonding material.
도 12에 도시한 바와 같이, 실험예 1에서는 1050℃에서 전체적으로 균일한 접합이 가능하였다. 이러한 실험을 통하여 각 층이 완벽하게 잘 접합된 접합재를 제조할 수 있었다. 한편, 적층재의 수직 압하시의 압하율은 33.3%였지만 약간 더 압하하여 35%로 하는 경우 좀더 이상적인 접합재가 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 12 , in Experimental Example 1, an overall uniform bonding was possible at 1050°C. Through these experiments, it was possible to manufacture a bonding material in which each layer was perfectly bonded. On the other hand, although the reduction ratio during vertical rolling of the laminate was 33.3%, it was confirmed that a more ideal bonding material was obtained when it was reduced slightly to 35%.
반면에, 도 13의 실험예 2에서는 적층재의 가열 온도가 낮아 각 층이 부분적으로만 접착된 상태를 나타내었다. 즉, 이종 금속 간의 접착이 잘 이루어지지 않았다. 또한, 도 14의 실험예 3에서는 적층재의 가열 온도가 너무 낮아 각 층의 접착 상태가 불안정한 것으로 확인되었다. 따라서 적층재의 가열 온도는 적어도 1030℃ 이상이 바람직한 것으로 확인하였다.On the other hand, in Experimental Example 2 of FIG. 13 , the heating temperature of the laminate was low, indicating that each layer was only partially adhered. That is, adhesion between dissimilar metals was not performed well. In addition, in Experimental Example 3 of FIG. 14 , it was confirmed that the heating temperature of the laminate was too low, so that the bonding state of each layer was unstable. Therefore, it was confirmed that the heating temperature of the laminate is preferably at least 1030° C. or higher.
도 15 및 도 16은 각각 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 접합재의 사진들이다. 도 15 및 도 16은 각각 복수의 접합재들을 각각 단조 접합 공정과 열간 압연 공정으로 제조한 실험 결과를 나타낸다.15 and 16 are photographs of bonding materials prepared according to Comparative Examples 1 and 2, respectively. 15 and 16 show experimental results of manufacturing a plurality of bonding materials by a forging bonding process and a hot rolling process, respectively.
도 15에 도시한 바와 같이, 비교예 1의 단조 접합 공정에서는 균일한 접합이 거의 불가능하였다. 다만, 일부분이 접합되었다. 비교예 1에서는 백동의 고온 산화로 그 표면에 산화막이 형성되어 전체적으로 균일한 접합은 불가능하다는 것이 확인되었다.As shown in FIG. 15 , in the forging bonding process of Comparative Example 1, uniform bonding was almost impossible. However, some parts were joined. In Comparative Example 1, it was confirmed that an oxide film was formed on the surface of cupronickel due to high-temperature oxidation, making it impossible to achieve uniform bonding as a whole.
한편, 도 16에 도시한 바와 같이, 비교예 2의 열간 압연 공정에서는 각 층이 분리되거나 밀려나오는 현상이 대부분 발생하여 전체적으로 균일한 접합이 불가능하였다. 이는 각 소재 시편의 표면 산화물의 영향과 각 소재 시편의 연신율 차에 기인하는 것으로 추정되었다. 즉, 열간 압연시의 950℃ 내지 1050℃의 가열 온도 범위에서는 모든 소재에 표면 산화물이 생성되었다. 그 결과, 적층재의 압연 접합은 불가능하였다. 또한, 고온 압연시 각 소재별 연신율이 상이하여 접합이 불가능함을 확인하였다.On the other hand, as shown in FIG. 16 , in the hot rolling process of Comparative Example 2, most of the layers were separated or pushed out, making it impossible to uniformly bond as a whole. This was estimated to be due to the effect of surface oxides on each material specimen and the difference in elongation of each material specimen. That is, in the heating temperature range of 950° C. to 1050° C. during hot rolling, surface oxides were generated on all materials. As a result, rolling bonding of the laminate was impossible. In addition, it was confirmed that bonding was impossible due to different elongation rates for each material during high-temperature rolling.
인장강도 실험Tensile strength test
실험예 1 및 실험예 2에 따라 제조한 접합재의 인장 강도를 측정하였다. 즉, 핫 프레싱 온도차에 따른 접합재의 인장 강도를 측정하였다.The tensile strength of the bonding materials prepared according to Experimental Examples 1 and 2 was measured. That is, the tensile strength of the bonding material according to the difference in hot pressing temperature was measured.
도 17 및 도 18은 각각 본 발명의 실험예 1 및 실험예 2에 따라 제조한 접합재의 인장 강도 그래프를 나타낸다.17 and 18 show graphs of tensile strength of bonding materials prepared according to Experimental Example 1 and Experimental Example 2 of the present invention, respectively.
도 17에 도시한 바와 같이, 실험예 1에 따라 제조한 접합재는 중간 접합층이 분리되면서 0.11의 최종 연신율(e)에서 변형 및 파괴가 발생했다. 이와는 대조적으로, 도 18에 도시한 바와 같이, 실험예 2에 따라 제조한 접합재는 중간 접합층이 분리되면서 0.08의 최종 연신율(e)에서 변형 및 파괴가 발생했다. 따라서 실험예 1의 접합재가 실험예 2의 접합재에 비해 최종 연신율(e)이 약 28% 증가한 것을 확인할 수 있었다. 즉, 접합재를 1050℃로 가열시 우수한 강도를 가진 칼날을 제조할 수 있었다.As shown in FIG. 17 , in the bonding material prepared according to Experimental Example 1, deformation and fracture occurred at a final elongation (e) of 0.11 as the intermediate bonding layer was separated. In contrast, as shown in FIG. 18 , in the bonding material prepared according to Experimental Example 2, deformation and fracture occurred at a final elongation (e) of 0.08 while the intermediate bonding layer was separated. Therefore, it was confirmed that the final elongation (e) of the bonding material of Experimental Example 1 was increased by about 28% compared to the bonding material of Experimental Example 2. That is, when the bonding material was heated to 1050° C., a blade having excellent strength could be manufactured.
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.Although the present invention has been described as described above, it will be readily understood by those skilled in the art to which the present invention pertains that various modifications and variations are possible without departing from the spirit and scope of the appended claims.
10. 모재
20. 니켈 코팅층
30. 판재
301. 구리 합금
303. 백동
80. 적층재
90. 접합재
100. 칼날
1000. 워터젯
1001. 칼날부
2000. 고주파 열처리용 코일
W. 물10. Base material
20. Nickel coating layer
30. Plate
301. Copper alloy
303. Cupronickel
80. Laminate
90. Bonding material
100. Blade
1000. Waterjet
1001. Blade part
2000. Coil for high frequency heat treatment
W. water
Claims (3)
상기 모재의 양면에 각각 니켈 코팅층을 제공하는 단계,
상기 니켈 코팅층 위에 각각 구리 합금층 및 백동층을 포함하는 판재를 제공하여 적층재를 형성하는 단계,
상기 적층재를 핫 프레싱(hot pressing)하여 접합재를 제공하는 단계,
상기 접합재를 워터젯으로 커팅하여 칼날부를 포함하는 칼날을 제공하는 단계, 및
상기 칼날부에 대응하여 휘어진 형상으로 형성된 고주파 열처리용 코일에 의한 고주파로 상기 칼날부를 표면강화 열처리하는 단계
를 포함하고,
상기 적층재를 형성하는 단계에서 상기 적층재의 두께는 5mm 내지 6mm이고,
상기 접합재를 제공하는 단계에서, 상기 핫 프레싱은 상기 적층재를 1030℃ 내지 1080℃에서 13분 내지 17분 동안 가열한 후 상기 적층재를 전단력 없이 수직 압하하여 상기 접합재의 두께를 2.4mm 내지 4mm로 제공하고,
상기 모재를 제공하는 단계에서,
상기 탄소강은 0.6wt% 내지 1wt%의 탄소, 0.1wt% 내지 0.3wt%의 실리콘, 0.2wt% 내지 0.6wt%의 망간, 0.01wt% 내지 0.03wt%의 인, 0보다 크고 0.005wt% 이하의 황, 0보다 크고 0.03wt% 이하의 알루미늄, 0보다 크고 0.3wt% 이하의 크롬, 0보다 크고 0.005wt% 이하의 몰리브덴, 0보다 크고 0.04wt% 이하의 티타늄, 나머지 철 및 불순물을 포함하고,
상기 적층재를 형성하는 단계에서,
상기 백동층은 23wt% 내지 26wt%의 니켈, 0보다 크고 0.05wt% 이하의 납, 0.02wt% 내지 0.1wt%의 철, 0.1wt% 내지 0.5wt%의 망간, 나머지 구리 및 불순물을 포함하고,
상기 구리 합금은 0.01wt% 내지 0.03wt%의 납, 나머지 구리 및 불순물을 포함하며,
상기 칼날을 제공하는 단계에서, 상기 적층재를 핫 프레싱시의 압하율은 30% 내지 40%인 다층 구조 칼날의 제조 방법.providing a base material comprising carbon steel;
providing a nickel coating layer on both sides of the base material,
forming a laminate by providing a plate material including a copper alloy layer and a cupronickel layer, respectively, on the nickel coating layer;
providing a bonding material by hot pressing the laminate;
Cutting the bonding material with a water jet to provide a blade including a blade portion, and
A step of surface strengthening heat treatment of the blade portion with high frequency by a coil for high frequency heat treatment formed in a curved shape corresponding to the blade portion
including,
In the step of forming the laminate, the thickness of the laminate is 5 mm to 6 mm,
In the step of providing the bonding material, the hot pressing is performed by heating the laminate at 1030° C. to 1080° C. for 13 minutes to 17 minutes and then vertically pressing the laminate without shear force to reduce the thickness of the bonding material to 2.4 mm to 4 mm. provide,
In the step of providing the base material,
The carbon steel is 0.6wt% to 1wt% of carbon, 0.1wt% to 0.3wt% of silicon, 0.2wt% to 0.6wt% of manganese, 0.01wt% to 0.03wt% of phosphorus, greater than 0 and 0.005wt% or less sulfur, greater than zero and not greater than 0.03 wt% aluminum, greater than zero and not greater than 0.3 wt% chromium, greater than zero and not greater than 0.005 wt% molybdenum, greater than zero and not greater than 0.04 wt% titanium, the remainder iron and impurities;
In the step of forming the laminate,
The cupronickel layer contains 23wt% to 26wt% of nickel, greater than 0 and not more than 0.05wt% lead, 0.02wt% to 0.1wt% iron, 0.1wt% to 0.5wt% manganese, the remainder copper and impurities;
The copper alloy contains 0.01wt% to 0.03wt% of lead, the remaining copper and impurities,
In the step of providing the blade, the reduction ratio at the time of hot pressing the laminate is 30% to 40%.
상기 모재를 제공하는 단계에서,
상기 탄소강에서, 상기 탄소의 양은 0.83wt%이고, 상기 실리콘의 양은 0.19wt%이며, 상기 망간의 양은 0.44wt%이고, 상기 인의 양은 0.018wt%이며, 상기 황의 양은 0.002wt%이고, 상기 알루미늄의 양은 0.01wt%이며, 상기 크롬의 양은 0.15wt%이고, 상기 몰리브덴의 양은 0.002wt%이며, 상기 티타늄의 양은 0.018wt%이고,
상기 적층재를 형성하는 단계에서,
상기 백동층에서, 상기 니켈의 양은 24.85wt%이며, 상기 납의 양은 0.02wt%이고, 상기 철의 양은 0.07wt%이며, 상기 망간의 양은 0.3wt%이고,
상기 구리 합금층에서, 상기 납의 양은 0.023wt%이고,
상기 접합재를 제공하는 단계에서, 상기 적층재를 1050℃에서 15분 동안 가열하며,
상기 칼날을 제공하는 단계에서, 상기 적층재를 핫 프레싱시의 압하율은 35%인 다층 구조 칼날의 제조 방법.In claim 1,
In the step of providing the base material,
In the carbon steel, the amount of carbon is 0.83 wt%, the amount of silicon is 0.19 wt%, the amount of manganese is 0.44 wt%, the amount of phosphorus is 0.018 wt%, the amount of sulfur is 0.002 wt%, and the amount of aluminum is The amount is 0.01wt%, the amount of chromium is 0.15wt%, the amount of molybdenum is 0.002wt%, the amount of titanium is 0.018wt%,
In the step of forming the laminate,
In the cupronickel layer, the amount of nickel is 24.85wt%, the amount of lead is 0.02wt%, the amount of iron is 0.07wt%, the amount of manganese is 0.3wt%,
In the copper alloy layer, the amount of lead is 0.023 wt%,
In the step of providing the bonding material, the laminate is heated at 1050° C. for 15 minutes,
In the step of providing the blade, the reduction ratio at the time of hot pressing the laminate is 35%.
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