Uvod v metalurgijo kuhinjskih nožev

Ste se kdaj vprašali, zakaj nekateri noži dlje ohranjajo svojo ostrino kot drugi? Kako lahko z izbrano kemično sestavo in toplotno obdelavo jekla izboljšamo kvaliteto ostrine in njeno trajanje? Kaj se pravzaprav dogaja na atomskem nivoju, ko se nož skrha in kateri fizikalni mehanizmi to pospešujejo ali zaustavljajo? Na ta vprašanja bomo poskusili odgovoriti v kratkem uvodu v metalurgijo za uporabnike kuhinjskih nožev. 👇

Vsebina prispevka: ➨ Razdelitev jekel po tipih ➨ Atomska zgradba kovin ➨ Mehanizmi utrjevanja kovin ➨ Slovar gesel

Razdelitev jekel po tipih

V osnovi je jeklo zlitina elementa železa (Fe) in ogljika (C), kjer slednji predstavlja do 2 % skupne mase. Že zelo majhna količina ogljika v jeklu dramatično spremeni njegove mehanske lastnosti, predvsem izboljša njegovo trdnost, kar je ključnega pomena za kakršnokoli praktično uporabo. Zlitino z več kot 2 % oglika imenujemo lito železo, ki je precej krhko in posledično neprimerno za kuhinjske nože ali podobna orodja. Vendar pa visoka vsebnost ogljika vpliva na nižjo temperaturo tališča, kar pomeni, da ga je lažje vlivati v kalupe in tako, na primer, izdelovati litoželezno posodje.

Jeklu so lahko primešani tudi drugi elementi, pogosto so to krom (Cr), vanadij (V) ali molibden (Mo), ki še izboljšajo njegove mehanske lastnosti in v nekaterih primerih tudi korozijsko odpornost. Tej skupini rečemo legirana jekla. Posebna podskupina legiranih jekel so orodna jekla, katerih skupna lastnost (kakor pove že ime) je, da se uporabljajo za orodja (noži, žage, sekire, svedri, itd.). Primerna so za uporabo povsod, kjer je potrebna visoka žilavost, trdnost in odpornost proti obrabi.

Izjemne mehanske lastnosti orodnih jekel pomenijo, da so zahtevna za proizvodnjo in obdelavo ter so posledično dražja v primerjavi z manj legiranimi jekli. Večina kvalitetnih kuhinjskih nožev po materialu spada v družino orodnih jekel. 

Spodnja slika prikazuje shematsko razdelitev železovih zlitin. Posebej so poudarjene družine jekel, ki se uporabljajo za izdelavo kuhinjskih nožev. 👇

 
Razdelitev jekel po tipih

Razdelitev jekel po tipih

Mehanske lastnosti materialov

Za lažji opis lastnosti kuhinjskih nožev in njihovo razlikovanje po kvaliteti je koristno najprej definirati nekaj osnovnih pojmov glede mehanskih lastnosti materiala in njihovega merjenja.

Lastnosti, ki nas zanimajo, so: TRDNOST, TRDOTA, DUKTILNOST IN ŽILAVOST.

➨ Trdnost

Ena najbolj osnovnih lastnosti kovinskih materialov je njihova trdnost oziroma odpornost proti spremembi oblike pod vplivom zunanje sile. Eksperimentalno se meri z nateznim testom, kjer podolgovat vzorec vpnemo v čeljusti, ki ga nato počasi vlečejo narazen do pretrganja. Ob tem zabeležimo krivuljo sile v odvisnosti od pomika čeljusti. Za lažjo primerjavo vzorcev različnih velikosti ponavadi vrednosti pretvorimo v krivuljo napetosti v odvisnosti od deformacije. Primer le-te prikazuje spodnja slika, kjer je shematično prikazan tudi tipičen zunanji izgled vzorca. 👇

 Natezna trdnost
Krivulja odvisnosti napetosti od deformacije

Začetni, zelo strm del krivulje, predstavlja elastično deformacijo, ki pomeni, da se material po odstranitvi obremenitve povrne v prvotno obliko. Ob dodatnem povečanju obremenitve se pojavi nepovračljiva sprememba oblike – material se plastično deformira. Takšni situaciji se pri kuhinjskih nožih vsekakor želimo izogniti, saj to v praksi pomeni ukrivitev rezalnega roba ali celotnega rezila

Vzorec v nateznem testu lahko še naprej raztegujemo in v določeni točki dosežemo največjo silo oz. napetost, ki jo material prenese, imenovano natezna trdnost. Po tej točki se sila zaradi prečne deformacije vzorca celo nekoliko zniža do trenutka, ko se vzorec pretrga.

 Trdota

Trdota materiala je po definiciji njegova odpornost proti vtiskovanju oziroma lokalizirani plastični (trajni) deformaciji in posledično pomeni tudi odpornost proti obrabi. Trdota je različna količina od trdnosti, čeprav sta v neposredni zvezi. Trdnost je fizikalno natančneje definirana, trdoto pa je ponavadi v praksi lažje izmeriti in je v primeru nožev tudi bolj relevantna. Poznamo več različnih metod merjenja trdote, ki temeljijo na vtiskovanju sonde standardne oblike v površino materiala in merjenjem globine vtisa. Za orodna jekla se pogosto uporablja Rockwellova metoda(HRC) merjenje trdote, kjer je sonda diamantni stožec. Druge metode, kot je merjenje s sondo v obliki kroglice (HRB), so bolj primerne za mehkejše materiale.

 Duktilnost (plastničnost)

Zelo pomembna mehanska lastnost je tudi duktilnost ali plastičnost, ki pomeni merilo plastične deformacije pred zlomom. Na zgornji sliki krivulje nateznega testa to pomeni količino deformacije v točki F, pri čemer ni pomembno, pri kakšni napetosti je do pretrga prišlo.

 Žilavost

Žilavost je lastnost materiala, da absorbira veliko energije preden se zlomi. To pomeni, da mora prenesti čim več raztezka pri čim večji sili. Nekateri materiali se zlomijo pri veliki sili, vendar majhnem raztezku. Za njih pravimo, da so krhki. Merilo žilavosti je površina pod krivuljo nateznega testa in je prikazana tudi na spodnji sliki. 👇

Diagram žilavosti
 Diagram žilavosti materiala
Mehanske lastnosti kovinskega materiala so odvisne od njegove kemične sestave in termo-mehanske obdelave. Kemični element, ki ima največji vpliv na trdoto jekla je ogljik, poleg tega pa na trdoto pozitivno vplivajo tudi krom, mangan, vanadij in molibden. Slednji elementi z ogljikom tvorijo nove, izredno trde, spojine imenovane karbidi.

Atomska zgradba kovin

Atomska struktura kovin
Atomska struktura kovin: levo ploskovno centrirana kubična celica / desno telesno centrirana kubična celica

Kovine so kristalni materiali, kar pomeni, da je njihova atomska struktura urejena v osnovne celice. Rečemo tudi, da izkazujejo red dolgega dosega – imajo periodično ponavljajočo se strukturo čez veliko medatomskih razdalj. Različne kovine (kovinski elementi) imajo različne tipe osnovnih celic, ki se lahko celo spreminjajo s temperaturo. Pri železovih zlitinah sta najbolj pomembna dva tipa osnovne celice: ploskovno centrirana kubična celica (levo) in telesno centrirana kubična celica (desno). Obe sta prikazani na zgornji sliki. 👆

Idealni kristali, kjer se enaka atomska struktura periodično ponavlja brez napake na dolgo razdaljo (npr: celoten izdelek), v praksi ne obstajajo. Vsi kristali oz. kovine vsebujejo napake v idealni kristalni strukturi, ki so lahko točkaste, linijske, ploskovne in volumske.

Tudi v kemično čisti kovini (elementu) so prisotne točkaste napake v kristalni rešetki, ko določen atom manjka na svojem teoretičnem mestu ali pa je vrinjen na napačno mesto. Število takih napak se eksponentno povečuje s temperaturo. Pri dovolj visoki temperaturi atomi hitro menjajo svoja mesta (se premikajo po kristalni rešetki), kar povzroči povečevanje števila napak, vse dokler urejena struktura ne razpade. Takrat se kovina utekočini. 

Spodnji dve sliki shematsko predstavljata dva primera točkovnih napak: 

Slika levo prikazuje napako, ko atom iste vrste izgine z mesta v kristalni rešetki, kjer bi se teoretično moral nahajati. Slika desno pa pojav, ko se atom drugega elementa vrine v kristalno rešetko na nepričakovano mesto oz. zamenja atom večinskega elementa. 👇

Točkovne napake
 Točkovne napake v atomski strukturi kovin

V kovinah so stalno prisotne tudi linijske napake, imenovane dislokacije, ki se zgodijo, ko se ena plast atomov vrine med ostale plasti. Pod vplivom zunanjih napetosti lahko atomi, ki pripadajo vrinjeni plasti, zamenjajo svoje sosede oz. vzpostavijo vez z drugimi plastmi atomov. Na ta način se dislokacije gibljejo po kovinski rešetki in s tem omogočajo, da številni atomi trajno zamenjajo svoje mesto. Gibanje in tvorba novih dislokacij je zelo pomemben koncept v metalurgiji, saj na mikroskopski ravni predstavlja pojasnilo za plastično deformacijo, ki jo opazujemo na makroskopski ravni. To nas tudi pripelje do zaključka, da če želimo zmanjšati plastično deformacijo našega izdelka oziroma mu poveča trdnost, moramo na nek način zavirati gibanje dislokacij. 👇

Gibanje dislokacij
Shematski prikaz gibanja dislokacij
Teorija o dislokacijah je bila postavljena že v začetku 20. stoletja in bila eksperimentalno nedvoumno potrjena šele kakšnih 50 let kasneje z izumom elektronskega mikroskopa.

Kovinski izdelki kristalnih rešetk nimajo enako usmerjenih po celotnem volumnu, ampak so sestavljeni iz velikega števila kristalnih zrn, ki imajo različne orientacije. To je posledica procesa strjevanja kovine iz tekočega v trdno stanje, ki se začne na številnih mestih hkrati. Različno usmerjena kristalna zrna v tekoči kovini rastejo navzven, dokler ne trčijo ob svoje sosede in vsa kovina preide v trdno agregatno stanje. Kristalna zrna sicer niso vidna s prostim očesom, tipično niso večja od desetinke milimetra, lahko pa jih opazujemo pod svetlobnim mikroskopom.

Spodnji dve sliki prikazujeta kovinsko mikrostrukturo s številnimi kristalnimi zrni, v nedeformiranem stanju (slika levo) in po znatni plastični deformaciji, ko kristalna zrna tudi spremenijo svojo obliko, se sploščijo (slika desno). 👇

Kovinska mikrostruktura
 Mikrostruktura kovin

Mehanizmi utrjevanja kovin

Na tem mestu lahko te podatke sestavimo skupaj, da si odgovorimo na vprašanje, s katerimi metalurškimi postopki lahko izboljšamo trdnost in trdoto kvalitetnih kuhinjskih nožev.

Zgoraj smo se spoznali z osnovami atomske zgradbe kovinskih materialov, definicijami pomembnejših mehanskih lastnosti in načini njihovega merjenja.

Skupna značilnost vseh utrjevalnih mehanizmov je to, da otežujejo gibanje linijskih napak oziroma dislokacij po kristalnih rešetki kovinskega materiala. Gibanje dislokacij pa na mikroskopski skali predstavlja mehanizem plastične deformacije, ki jo na makroskopski skali zaznamo s prostim očesom.

➨ Deformacijsko utrjevanje

Deformacijsko utrjevanje je fenomen, ko se z večanjem plastične deformacije povečuje meja plastičnosti materiala. To je posledica tvorbe ogromnega števila novih dislokacij, ki potujejo v različne smeri po kristalni rešetki in se medsebojno ovirajo pri gibanju. Pri izdelavi kuhinjskih nožev je ta fenomen prisoten pri postopku kovanja, ko z udarci kladiva rezilo oblikujemo in mu spreminjamo obliko (ga plastično deformiramo). Postopka sicer v praksi ne moremo nadaljevati v nedogled, ker se poleg trdnosti povečuje tudi krhkost in ob preveliki meri plastične deformacije lahko izdelek poči.

Spodnja slika prikazuje krivulje deformacijskega utrjevanja v odvisnosti od stopnje plastične deformacije za nekaj značilnih materialov. Vidimo, da je sprememba meje plastičnosti lahko zelo izrazita. 👇

Deformacijsko utrjevanje
Krivulje deformacijskega utrjevanja v odvisnosti od stopnje plastične deformacije (jeklo 1040, medenina, baker)

➨ Utrjevanje s trdno raztopino

Utrjevanje s trdno raztopino je mehanizem, ki nam pojasni zakaj so zlitine različnih elementov bolj trdne od čistih kovin. Atomi elementov, ki jih dodamo večinskemu elementu, se vrinejo v njegovo kristalno rešetko in zaradi drugačno velikih atomov vanjo vnesejo nepravilnosti. Nepravilnosti v kristalni rešetki povzročajo notranje napetosti, te pa predstavljajo oviro za gibanje dislokacij - shematsko prikazano na spodnji sliki. Ta mehanizem nam pojasni, zakaj je jeklo, ki je zlitina ogljika in železa, bolj trdno od čistega železa in zakaj legiranje z dodatnimi elementi (Cr, Mo, V) še izboljša mehanske lastnosti. 👇

Nepravilnosti v kristalni rešetki, ki povzročajo notranje napetosti
 Nepravilnosti v kristalni rešetki zaradi atoma drugačne velikosti

➨ Utrjevanje s kontrolo velikosti zrn

Kovinski izdelki so na mikroskopskem nivoju sestavljeni iz velikega števila kristalnih zrn, ki so naključno orientirana. Urejeno zaporedje atomov v enem kristalnem zrnu se čez mejo v sosednjem kristalnem zrnu ne nadaljuje oz. poteka v drugi smeri. Zato meje kristalnih zrn predstavljajo ovire za gibanje dislokacij in posledično plastično deformacijo (slika spodaj). Kristalna zrna se tipično pojavljajo v velikostnem redu 0.001 - 0.1 milimetra. Manjša kot so zrna, več je mej med njimi na enoto volumna in bolj ovirajo gibanje dislokacij. Ta mehanizem utrjevanja nam pojasni zakaj so kuhinjski noži, ki imajo drobnozrnato strukturo (japonski noži), bolj trdni in kvalitetnejši.Velikost zrn v izdelku je sicer odvisna od kompleksne kombinacije vplivov kemične sestave, mehanske obdelave (kovanje) in toplotne obdelave. 👇

Gibanje dislokacij
Gibanje dislokacij na meji med kristalnimi zrni

➨ Kaljenje

Kaljenje je proces izboljšave mehanskih lastnosti s hitrim ohlajanjem vročega izdelka. Prvi pogoj za zmožnost kaljenja, je obstoj čiste kovine v dveh tipih kristalnih rešetk pri različnih temperaturah. Železo pri sobni temperaturi obstaja v telesno centrirani kubični kristalni rešetki, ki pa pri okoli 730 stopinjah Celzija preide v ploskovno centrirano kubično rešetko. Enak prehod se zgodi pri spremembi temperature v obratni smeri. Drugi pogoj je prisotnost legirnih elementov, ki se enakomerno razporedijo na značilna mesta v kristalni rešetki. 

V primeru kuhinjskih nožev iz jekla je osnovna kovina železo, legirni element pa ogljik. Pri dovolj hitrem ohlajanju izdelka iz visoke temperature (nad 730 stopinj) se atomi železa povežejo v drugo kristalno rešetko, medtem ko atomi ogljika nimajo dovolj časa, da bi se premaknili na druga mesta. Ostanejo “zamrznjeni” na svojih prejšnjih mestih, to pa v kristalno rešetko vnaša notranje napetosti, ki posledično ovirajo gibanje dislokacij.

Notranje napetosti, ki jih povzroči kaljenje, so lahko tako velike, da izdelek znatno spremeni obliko, se ukrivi, ali celo poči. To je najbolj odvisno od kemične sestave (odstotka ogljika in drugih elementov) in hitrosti ohlajanja, ki jo nadzorujemo z izbiro hladilnega medija (voda, olje ali zrak).

Povzetek

V prvem delu članka smo pogledali, kako so jekla razdeljena po splošni kemični sestavi in predvideni uporabi ter katera od njih se uporabljajo za kvalitetne kuhinjske nože. V drugem delu smo se spoznali z definicijami relevantnih mehanskih lastnosti kovinskih materialov in principi njihovega merjenja.

Sledil je hiter pregled atomske zgradbe kovin in povezava dogajanja med plastično deformacijo na mikroskopskem in makroskopskem nivoju. Pri uporabi kuhinjskih nožev želimo plastično deformacijo seveda preprečiti, saj v praksi predstavlja zvijanje rezalnega roba in krhanje ostrine.

Vse povedano smo zato upoštevali v zadnjem poglavju, kjer so predstavljeni metalurški mehanizmi, ki izboljšujejo trdnost kovinskih materialov. Vsem je skupno, da na mikroskopskem nivoju na različne načine preprečujejo dislokacije, oziroma gibanje linijskih napak v kristalni rešetki.

Pomembno je poudariti, da vsi opisani mehanizmi utrjevanja pri povišani temperaturi počasi odpovedujejo, ker se atomi (in posledično dislokacije) hitreje gibajo, kar je tudi razlog, zakaj kvalitetnih kuhinjskih nožev ne smemo za daljši čas izpostavljati visoki temperaturi (na primer nad 150 stopinj Celzija).

Slovar gesel:

 ➨ Legirana jekla: jekla, ki poleg ogljika vsebujejo tudi druge elemente, pogosto so to krom (Cr), vanadij (V) ali molibden (Mo), ki še izboljšajo njegove mehanske lastnosti in v nekaterih primerih tudi korozijsko odpornost.
➨ Trdnost: odpornost materiala proti spremembi oblike pod vplivom zunanje sile.
➨ Natezna trdnost: največja sila oz. napetost, ki jo material prenese, preden se pretrga.
➨ Trdota: je po definiciji odpornost materiala proti vtiskovanju oziroma lokalizirani plastični (trajni) deformaciji in posledično pomeni tudi odpornost proti obrabi.
➨ Rockwellova metoda: (po standardu SIST EN ISO 6508-1: 2000) je ena od metod, ki se uporablja v metalurgiji za merjenje trdote trdih snovi. Vrednost je brezrazsežno število. Obstajata dve različici te metode (in enoti) - HRb in HRc.
➨ Duktilnost: je lastnost materiala, da prenese plastično deformacijo, ne da bi se zlomil. Večjo deformacijo kot je material sposoben prenesti brez preloma zaradi krhkosti, bolj je duktilen.
➨ Žilavost: lastnost materiala, da absorbira veliko energije, preden se zlomi.
➨ Karbidi: so binarne spojine ogljika s kovinami ali z nekaterimi polkovinami. Zelo trdni in krhki.
➨ Kristalni materiali: so materiali, katerih atomska struktura je urejena v osnovne celice - te se periodično ponavljajo v trodimenzionalni kristalni mreži in imajo simetrijske lastnosti.
➨ Dislokacije: so črtne (linijske) napake v kristalih. Njihov pomen je največji v kovinskih materialih, ker omogočajo plastično deformacijo pri razmeroma majhnih napetostih.
➨ Deformacijsko utrjevanje je fenomen, ko se z večanjem plastične deformacije povečuje meja plastičnosti materiala.
➨ Kovanje: preoblikovanje kovin, pri katerem povzročimo plastično deformacijo z več zaporednimi udarci kladiva ali s počasnim stiskanjem v preši.
➨ Utrjevanje s trdno raztopino je mehanizem, ki nam pojasni, zakaj so zlitine različnih elementov bolj trdne od čistih kovin.
➨ Kaljenje: je postopek toplotne obdelave jekel, pri katerem jeklo najprej segrejemo do kalilne temperature (v področje avstenita), nato pa ga hitro ohladimo. Na ta način dobimo trdo strukturo - martenzit.

Avtor prispevka: Matevž Pintar, univ. dipl. inž. str. 
Vir slik in grafik: 
Callister, William D. in Jr., Rethwisch, David G. 2014. Materials Science and Engineering: An Introduction. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.

Metalurgija: znanost za kuhinjskimi noži

RSS