Einführung in die Metallurgie von Küchenmessern

Stahltypen

Stahl ist grundsätzlich eine Legierung der Elemente Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C), wobei Letzterer bis zu 2 % der Gesamtmasse ausmacht. Bereits eine sehr geringe Menge Kohlenstoff verändert die mechanischen Eigenschaften von Stahl erheblich und verbessert insbesondere seine Festigkeit, die für jede praktische Anwendung entscheidend ist. Eine Legierung mit mehr als 2 % Kohlenstoff wird als Gusseisen bezeichnet, ein ziemlich spröder Werkstoff und daher ungeeignet für Küchenmesser oder ähnliche Werkzeuge. Ein hoher Kohlenstoffgehalt führt jedoch zu einem niedrigeren Schmelzpunkt, wodurch sich Gusseisen leichter in Formen gießen lässt und sich beispielsweise für die Herstellung von Gusseisentöpfen eignet.

Stahl kann auch mit anderen Elementen versetzt werden, häufig mit Chrom (Cr), Vanadium (V) und Molybdän (Mo), die seine mechanischen Eigenschaften und in einigen Fällen auch seine Korrosionsbeständigkeit weiter verbessern. Diese Gruppe wird als legierter Stahl bezeichnet. Eine besondere Untergruppe der legierten Stähle sind Werkzeugstähle. Ihr gemeinsames Merkmal ist, dass sie für Werkzeuge verwendet werden (Messer, Sägen, Äxte, Bohrer usw.). Sie eignen sich überall dort, wo hohe Zähigkeit, Festigkeit und Abriebfestigkeit erforderlich sind.

Die außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften von Werkzeugstählen bedeuten folglich, dass ihre Herstellung und Verarbeitung anspruchsvoll sind, was sie wiederum teurer macht als Stähle mit weniger Legierungselementen. Die meisten hochwertigen Küchenmesser bestehen vom Material her aus Werkzeugstählen. Die folgende Abbildung zeigt eine schematische Verteilung der Eisenlegierungen; die zur Herstellung von Küchenmessern verwendeten Stahlfamilien sind hervorgehoben. 👇

Mechanische Eigenschaften von Werkstoffen

Um die Eigenschaften von Küchenmessern und ihre Qualitätsunterschiede zu beschreiben, ist es zunächst hilfreich, einige grundlegende Konzepte zu den mechanischen Eigenschaften des Materials und ihrer Messung zu definieren.

Mechanische Eigenschaften: FESTIGKEIT, HÄRTE, DUKTILITÄT, ZÄHIGKEIT

Festigkeit

Eine der grundlegendsten Eigenschaften metallischer Werkstoffe ist ihre Festigkeit, definiert als Widerstand gegen Formänderungen unter dem Einfluss äußerer Kräfte. Sie wird experimentell durch Zugversuche bestimmt, bei denen eine Probe aus einem länglichen Material in den Spannbacken eingespannt wird, die anschließend langsam auseinandergezogen werden, bis die Probe bricht. Dabei wird die Kraft als Funktion des Spannbackenwegs aufgezeichnet. Um den Vergleich von Proben unterschiedlicher Größe zu erleichtern, werden die Werte üblicherweise in eine Spannungs-Dehnungs-Kurve umgerechnet. Ein Beispiel dafür ist in der folgenden Abbildung dargestellt, die auch schematisch das typische äußere Erscheinungsbild einer Probe zeigt. 👇

Der anfängliche, sehr steile Teil der Kurve stellt eine elastische Verformung dar, bei der das Material in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, sobald die Belastung entfernt wird. Bei einer weiteren Erhöhung der Belastung tritt eine irreversible Formänderung auf, d. h., das Material wird plastisch verformt. Diese Situation möchten wir bei Küchenmessern unbedingt vermeiden, denn in der Praxis bedeutet sie, dass sich die Schneide oder die gesamte Klinge verbiegt. Die Probe im Zugversuch kann bis zu einem bestimmten Punkt weiter gedehnt werden, an dem die maximale Kraft aufgezeichnet wird, die als „Zugfestigkeit“ bezeichnet wird. Danach nimmt die Kraft aufgrund der Querverformung der Probe sogar leicht ab, bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Probe bricht.

Härte

Die Härte eines Materials ist definitionsgemäß sein Widerstand gegen Eindrücken oder örtlich begrenzte plastische (bleibende) Verformung. Folglich bedeutet dies auch Widerstand gegen Verschleiß. Härte ist eine andere Größe als Festigkeit, obwohl beide direkt miteinander zusammenhängen. Die Festigkeit ist physikalisch präziser definiert, aber die Härte lässt sich in der Praxis meist leichter messen und ist im Fall von Küchenmessern auch relevanter. Es gibt mehrere verschiedene Verfahren zur Härtemessung. Sie beruhen darauf, einen Prüfkörper mit standardisierter Form in die Oberfläche des Materials zu drücken und die Tiefe des Eindrucks zu messen. Bei Werkzeugstählen wird häufig das Rockwell-Verfahren (HRC) zur Härtemessung verwendet, bei dem der Prüfkörper ein Diamantkegel ist. Es gibt jedoch auch andere Verfahren, die für weichere Materialien besser geeignet sind, beispielsweise die Härtemessung mit einem kugelförmigen Prüfkörper.

Duktilität

Eine weitere relevante mechanische Eigenschaft ist die Duktilität oder Plastizität, also ein Maß für die plastische Verformung vor dem Bruch. In der oben dargestellten Zugversuchskurve entspricht dies dem Verformungsgrad am Punkt F, während die Spannung, bei der der Bruch auftrat, irrelevant ist.

Zähigkeit

Zähigkeit ist jedoch die Eigenschaft eines Werkstoffs, vor seinem Bruch viel Energie aufzunehmen. Das bedeutet, dass er sich bei maximaler Kraft möglichst stark dehnen lassen muss. Einige Werkstoffe brechen bei hoher Kraft, aber geringer Dehnung. Man bezeichnet sie als spröde. Die Fläche unter der Zugversuchskurve stellt die Zähigkeit dar und ist ebenfalls in der nachstehenden Abbildung dargestellt. 👇

Metalle sind kristalline Werkstoffe, das heißt, ihre Atomstruktur ist in Elementarzellen angeordnet. Man sagt auch, dass sie eine Fernordnung aufweisen – ihre Struktur wiederholt sich über viele Atomabstände hinweg periodisch. Verschiedene Metalle (metallische Elemente) besitzen unterschiedliche Arten von Elementarzellen, die sich sogar mit der Temperatur ändern können. Bei Eisenlegierungen sind die beiden wichtigsten Arten von Elementarzellen – die kubisch-flächenzentrierte Zelle (links) und die kubisch-raumzentrierte Zelle (rechts) – in der obigen Abbildung dargestellt. 👆

In der Praxis existieren keine idealen Kristalle, bei denen sich dieselbe Atomstruktur über eine große Entfernung (z. B. über das gesamte Produkt) fehlerfrei periodisch wiederholen würde. In einer idealen Kristallstruktur weisen alle Kristalle oder Metalle Defekte verschiedener Art auf: Punkt-, Linien-, Flächen- oder Volumendefekte.

Selbst in einem chemisch reinen Metall (metallischen Element) enthält das Kristallgitter Punktdefekte. Das bedeutet, dass ein bestimmtes Atom an seiner theoretischen Position fehlt oder an einer falschen Stelle eingefügt ist. Die Anzahl solcher Fehler nimmt mit steigender Temperatur exponentiell zu. Bei ausreichend hoher Temperatur wechseln die Atome rasch ihre Plätze, bewegen sich entlang des Kristallgitters, und die Zahl der Defekte nimmt zu, bis die geordnete Struktur zerfällt. In diesem Moment verflüssigt sich das Metall.

Die beiden nachstehenden Abbildungen stellen schematisch Beispiele für punktförmige Fehler dar: Ein Atom desselben Typs verschwindet an einer Stelle des Kristallgitters, an der es sich theoretisch befinden sollte (linke Abbildung); oder ein Atom eines anderen Elements wird an einer unerwarteten Stelle in das Kristallgitter eingefügt oder ersetzt das Atom des überwiegenden Elements (rechte Abbildung). 👇

Linienfehler, die als Versetzungen bezeichnet werden, sind in Metallen ebenfalls stets vorhanden und entstehen, wenn eine Atomlage zwischen andere Atomlagen eingefügt wird. Unter dem Einfluss äußerer Spannungen können die Atome der eingeschobenen Lage ihre Nachbarn wechseln und eine Bindung mit anderen Atomlagen eingehen. Auf diese Weise bewegen sich die Versetzungen entlang eines Metallgitters und ermöglichen es vielen Atomen, dauerhaft ihren Platz zu verändern. Die Bewegung und Bildung neuer Versetzungen ist ein sehr wichtiges Konzept in der Metallurgie, da sie auf mikroskopischer Ebene eine Erklärung für die auf makroskopischer Ebene beobachtete plastische Verformung darstellt. Daraus folgt auch, dass wir die Bewegung von Versetzungen auf irgendeine Weise hemmen müssen, wenn wir die plastische Verformung unseres Produkts verringern oder seine Festigkeit erhöhen wollen. 👇

Metallprodukte weisen in ihrem gesamten Volumen kein einheitlich ausgerichtetes Kristallgitter auf, sondern bestehen aus einer großen Anzahl unterschiedlich ausgerichteter Kristallkörner. Dies ist auf den Erstarrungsprozess des Metalls vom flüssigen in den festen Zustand zurückzuführen, der an vielen Stellen gleichzeitig beginnt. Unterschiedlich ausgerichtete Kristallkörner im flüssigen Metall wachsen nach außen, bis sie mit ihren Nachbarn zusammenstoßen und das gesamte Metall in den festen Zustand übergeht. Die Kristallkörner sind mit bloßem Auge nicht sichtbar und in der Regel nicht größer als ein Zehntelmillimeter, können jedoch mit einem optischen Mikroskop beobachtet werden. Die beiden folgenden Bilder zeigen eine metallische Mikrostruktur mit vielen Kristallkörnern im unverformten Zustand (linke Abbildung) und nach einer deutlichen plastischen Verformung (rechte Abbildung), bei der die Kristallkörner ihre Form verändert haben, das heißt, abgeflacht wurden. 👇

 Allen Verfestigungsmechanismen ist gemeinsam, dass sie die Bewegung von Versetzungen entlang der Kristallgitter metallischer Werkstoffe behindern. Auf mikroskopischer Ebene stellt die Bewegung von Versetzungen den Mechanismus der plastischen Verformung dar, die auf makroskopischer Ebene mit bloßem Auge wahrgenommen wird.

Kaltverfestigung

Die Verformungsverfestigung ist ein Phänomen, bei dem die Grenze der plastischen Verformung eines Werkstoffs mit zunehmender plastischer Verformung steigt. Dies ist auf die Bildung einer großen Anzahl neuer Versetzungen zurückzuführen, die sich in unterschiedliche Richtungen entlang des Kristallgitters bewegen und ihre Bewegung gegenseitig behindern. Bei der Herstellung von Küchenmessern tritt dieses Phänomen im Schmiedeprozess auf, wenn die Klingen durch Hammerschläge plastisch verformt oder in ihrer Form verändert werden. In der Praxis kann der Prozess nicht unbegrenzt fortgesetzt werden, da neben der Festigkeit auch die Sprödigkeit zunimmt und das Produkt bei zu starker plastischer Verformung reißen kann.

Die folgende Abbildung zeigt die Verformungsverfestigungskurven in Abhängigkeit vom Grad der plastischen Verformung für einige typische Werkstoffe. Wir sehen, dass die Änderung der Plastizitätsgrenze durchaus deutlich ausfallen kann. 👇

Mischkristallverfestigung

Die Mischkristallverfestigung ist ein Mechanismus, der erklärt, warum Legierungen aus verschiedenen Elementen stabiler sind als reine Metalle. Die Atome der Elemente, die dem Hauptelement hinzugefügt werden, werden in dessen Kristallgitter eingebaut und führen aufgrund der unterschiedlich großen Atome zu Unregelmäßigkeiten. Unregelmäßigkeiten im Kristallgitter verursachen innere Spannungen, die wiederum die Bewegung von Versetzungen behindern. Dies ist auch schematisch in der Abbildung unten dargestellt. Dieser Mechanismus erklärt, warum Stahl, eine Legierung aus Kohlenstoff und Eisen, stabiler ist als reines Eisen und warum die Zugabe weiterer Elemente (Cr, Mo, V) seine mechanischen Eigenschaften weiter verbessert. 👇

Verfestigung durch Kontrolle der Korngröße

Auf mikroskopischer Ebene bestehen Metallprodukte aus einer großen Anzahl zufällig ausgerichteter Kristallkörner. Die geordnete Anordnung der Atome in einem Kristallkorn setzt sich über die Grenze im benachbarten Kristallkorn nicht fort. Daher stellen die Grenzen der Kristallkörner Hindernisse für die Bewegung von Versetzungen dar und verhindern folglich auch die plastische Verformung (siehe Abbildung unten). Kristallkörner haben typischerweise eine Größe von 0.001-0.1 Millimetern. Je kleiner die Körner sind, desto mehr Grenzen gibt es pro Volumeneinheit und desto stärker behindern sie die Bewegung von Versetzungen. Dieser Verfestigungsmechanismus erklärt, warum Küchenmesser mit einer feinkörnigen Struktur, wie etwa japanische Messer, stabiler und von besserer Qualität sind. Die Korngröße im Produkt hängt von einer komplexen Kombination der Auswirkungen der chemischen Zusammensetzung und der thermomechanischen Behandlung (z. B. Warmschmieden) ab. 👇

Abschrecken

Abschrecken ist ein Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch schnelles Abkühlen eines heißen Werkstücks. Die erste Voraussetzung für die Härtbarkeit ist das Vorhandensein eines reinen Metalls mit zwei Arten von Kristallgittern bei unterschiedlichen Temperaturen. Bei Raumtemperatur liegt Eisen in einem kubisch-raumzentrierten Kristallgitter vor, das sich bei etwa 730 Grad Celsius in ein kubisch-flächenzentriertes Gitter umwandelt. Beim Abkühlen findet derselbe Übergang in umgekehrter Richtung statt. Die zweite Voraussetzung ist das Vorhandensein eines Legierungselements, dessen Atome gleichmäßig an ihren charakteristischen Plätzen im Kristallgitter verteilt sind. Bei Küchenmessern aus Stahl ist das Grundmetall Eisen und das Legierungselement Kohlenstoff. Wenn das Werkstück von einer hohen Temperatur (über 730 Grad Celsius) ausreichend schnell abgekühlt wird, verbinden sich die Eisenatome zu einer anderen Art von Kristallgitter, während die Kohlenstoffatome nicht genügend Zeit haben, sich an andere Plätze zu bewegen. Sie bleiben an ihren bisherigen Plätzen „eingefroren“ und erzeugen innere Spannungen im Kristallgitter, die wiederum die Bewegung von Versetzungen behindern.
Die durch das Abschrecken verursachten inneren Spannungen können so groß sein, dass sich das Werkstück stark verformt, verbiegt oder sogar Risse bekommt. Dies hängt hauptsächlich von der chemischen Zusammensetzung (Anteil an Kohlenstoff und anderen Elementen) und der Abkühlgeschwindigkeit ab, die durch die Wahl des Kühlmediums (Wasser, Öl oder Luft) gesteuert wird.

Schlussfolgerungen

Im ersten Kapitel haben wir betrachtet, wie Stähle nach ihrer allgemeinen chemischen Zusammensetzung und ihrem vorgesehenen Verwendungszweck klassifiziert werden und welche davon für hochwertige Küchenmesser verwendet werden. Im zweiten Kapitel haben wir die Definitionen relevanter mechanischer Eigenschaften metallischer Werkstoffe und die Grundsätze ihrer Messung vorgestellt. Darauf folgte ein kurzer Überblick über den atomaren Aufbau von Metallen und den Zusammenhang zwischen plastischer Verformung auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene. Bei der Verwendung von Küchenmessern möchten wir plastische Verformung verhindern, da sie sich in der Praxis in einer Beschädigung der Schneide und einer verminderten Schärfe äußert. Im letzten Kapitel haben wir alle bisherigen Erkenntnisse zusammengeführt und metallurgische Mechanismen vorgestellt, die die Festigkeit metallischer Werkstoffe verbessern. Ihnen allen ist gemeinsam, dass sie auf mikroskopischer Ebene die Bewegung von Versetzungen im Kristallgitter auf unterschiedliche Weise verhindern. Wichtig ist auch, dass alle beschriebenen Verfestigungsmechanismen bei erhöhten Temperaturen letztlich versagen, weil sich alle Atome und folglich auch die Versetzungen schneller bewegen. Das erklärt auch, warum hochwertige Küchenmesser nicht längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt werden sollten (zum Beispiel über 150 Grad Celsius).

 ➨ Legierte Stähle: Stähle, die neben Kohlenstoff (C) auch weitere Elemente enthalten, häufig Chrom (Cr), Vanadium (V) und Molybdän (Mo). Diese verbessern die mechanischen Eigenschaften weiter und erhöhen in manchen Fällen auch die Korrosionsbeständigkeit.
➨ Festigkeit: der Widerstand gegen Formänderungen unter dem Einfluss äußerer Kräfte.
➨ Zugfestigkeit: die maximale Spannung, der ein Material beim Dehnen oder Ziehen vor dem Bruch standhalten kann.
➨ Härte: der Widerstand eines Materials gegen das Eindrücken oder lokale plastische (dauerhafte) Verformung. Folglich bedeutet sie auch Widerstand gegen Verschleiß.
➨ Rockwell-Verfahren (HRC): eine Härteskala, die in der Metallurgie zur Messung der Härte harter Werkstoffe verwendet wird. Das Ergebnis ist eine dimensionslose Zahl. Für dieses Verfahren gibt es zwei Varianten (und Einheiten): HRb und HRc.
➨ Duktilität: das Maß, in dem ein Material unter Zugspannung vor dem Versagen eine plastische Verformung aushalten kann. Je mehr Verformung ein Material ohne Bruch infolge von Sprödigkeit aushalten kann, desto duktiler ist es.
➨ Zähigkeit: die Eigenschaft eines Materials, vor dem Bruch viel Energie aufzunehmen.
➨ Karbide: binäre Verbindungen aus Kohlenstoff und einem Metall oder in einigen Fällen einem Halbmetall. Sie weisen eine hohe Festigkeit auf und sind spröde.
➨ Kristalline Werkstoffe: feste Materialien, deren Bestandteile, wie Atome, in hochgeordneten mikroskopischen Strukturen oder Elementarzellen angeordnet sind. Diese Zellen wiederholen sich periodisch in einem dreidimensionalen Kristallgitter und weisen symmetrische Eigenschaften auf.
➨ Versetzungen: ein linearer kristallografischer Defekt oder eine Unregelmäßigkeit innerhalb einer Kristallstruktur, die eine abrupte Änderung in der Anordnung der Atome enthält. Sie sind bei metallischen Werkstoffen besonders relevant, weil sie eine plastische Verformung bei relativ geringer Spannung ermöglichen.
➨ Kaltverfestigung: die Verfestigung eines Metalls durch plastische Verformung. Diese Verfestigung entsteht durch die Bewegung und Bildung von Versetzungen innerhalb der Kristallstruktur des Materials.
➨ Schmieden: die Umformung von Metall, bei der eine plastische Verformung durch aufeinanderfolgende Hammerschläge oder durch langsames Ausüben eines kontinuierlichen Drucks in einer Presse bewirkt wird.
➨ Mischkristallverfestigung: ein Mechanismus, der erklärt, warum Legierungen aus verschiedenen Elementen stärker sind als reine Metalle.
➨ Abschrecken: eine Art der Wärmebehandlung, bei der Stahl zunächst auf eine Abschrecktemperatur (die Temperatur von Austenit, einer festen Lösung von Eisen mit einem Legierungselement) erhitzt und anschließend schnell abgekühlt wird, wodurch Martensit entsteht, eine sehr harte Form der kristallinen Stahlstruktur.

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Autor des Artikels: Matevž Pintar, MSc im Maschinenbau
Bilder: Callister, William D. Jr. und Rethwisch, David G. 2014. Materials Science and Engineering: An Introduction. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.