Einführung in die Metallurgie von Küchenmessern

Stahlsorten

Stahl ist im Grunde eine Legierung der Elemente Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C), wobei letzterer bis zu 2 % der Gesamtmasse ausmacht. Selbst eine sehr kleine Menge an Kohlenstoff verändert die mechanischen Eigenschaften von Stahl erheblich, insbesondere verbessert sie dessen Festigkeit, was für jede praktische Anwendung entscheidend ist. Eine Legierung mit mehr als 2 % Kohlenstoff wird Gusseisen genannt, ein ziemlich sprödes Material und daher ungeeignet für Küchenmesser oder ähnliche Werkzeuge. Ein hoher Kohlenstoffgehalt führt jedoch zu einem niedrigeren Schmelzpunkt, was bedeutet, dass Gusseisen leichter in Formen gegossen werden kann und somit beispielsweise für die Herstellung von Gusseisen-Töpfen geeignet ist.

Stahl kann auch mit anderen Elementen gemischt werden, oft mit Chrom (Cr), Vanadium (V) und Molybdän (Mo), was seine mechanischen Eigenschaften weiter verbessert und in einigen Fällen auch die Korrosionsbeständigkeit erhöht. Diese Gruppe wird als legierter Stahl bezeichnet. Eine spezielle Untergruppe der legierten Stähle sind Werkzeugstähle, deren gemeinsames Merkmal ist, dass sie für Werkzeuge (Messer, Sägen, Äxte, Bohrer usw.) verwendet werden. Sie sind geeignet für den Einsatz, wann immer hohe Zähigkeit, Festigkeit und Abriebfestigkeit erforderlich sind.

Die außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften von Werkzeugstählen bedeuten folglich, dass sie anspruchsvoll in der Herstellung und Verarbeitung sind, was sie im Vergleich zu Stählen mit weniger Legierungselementen teurer macht. In Bezug auf das Material gehören die meisten hochwertigen Küchenmesser zur Familie der Werkzeugstähle. Die folgende Abbildung zeigt eine schematische Verteilung von Eisenlegierungen, und die Familien von Stählen, die zur Herstellung von Küchenmessern verwendet werden, sind hervorgehoben. 👇

Mechanische Eigenschaften von Materialien

Um die Eigenschaften von Küchenmessern und deren Differenzierung hinsichtlich der Qualität zu beschreiben, ist es nützlich, zunächst einige grundlegende Konzepte bezüglich der mechanischen Eigenschaften des Materials und wie wir diese messen, zu definieren.

Mechanische Eigenschaften: STÄRKE, HÄRTE, DEHNBARKEIT, ZÄHIGKEIT

➨ Stärke

Eine der grundlegendsten Eigenschaften von metallischen Materialien ist ihre Festigkeit, definiert als Widerstand gegen Formänderungen unter dem Einfluss äußerer Kräfte. Sie wird experimentell durch Zugversuche gemessen, bei denen eine Probe eines verlängerten Materials in den Backen eingespannt wird, die dann langsam auseinandergezogen werden, bis die Probe reißt. Dabei wird die Kraftkurve als Funktion der Backenverschiebung aufgezeichnet. Um den Vergleich von Proben unterschiedlicher Größen zu erleichtern, werden die Werte normalerweise in eine Spannungs-Dehnungs-Kurve umgewandelt. Ein Beispiel dafür ist in der untenstehenden Abbildung dargestellt, die auch schematisch das typische äußere Erscheinungsbild einer Probe präsentiert. 👇

Der anfängliche, sehr steile Teil der Kurve stellt eine elastische Deformation dar, wenn das Material in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, sobald die Last entfernt wird. Mit einer weiteren Erhöhung der Last tritt eine irreversible Formänderung auf, d.h. das Material wird plastisch verformt. Diese Situation wollen wir bei Küchenmessern auf jeden Fall vermeiden, denn in der Praxis bedeutet das, dass die Schneide oder die gesamte Klinge sich 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. Nach diesem Punkt nimmt die Kraft sogar leicht ab, aufgrund der Querdeformation der Probe, bis zu dem Moment, in dem die Probe bricht.

➨ Härte

Die Härte eines Materials ist per Definition sein Widerstand gegen Prägung oder lokale plastische (dauerhafte) Verformung. Folglich bedeutet dies auch Widerstand gegen Abrieb. Härte ist eine andere Größe als Festigkeit, obwohl sie direkt miteinander verbunden sind. Festigkeit ist physikalisch präziser definiert, aber Härte ist in der Praxis meist einfacher zu messen und auch relevanter im Fall von Küchenmessern. Es gibt mehrere verschiedene Methoden zur Messung der Härte, die darauf basieren, eine standardisierte Sonde in die Oberfläche des Materials zu drücken und die Tiefe des Eindrucks zu messen. Für Werkzeugstähle wird oft die Rockwell-Methode (HRC) zur Härtemessung verwendet, bei der die Sonde ein Diamantkegel ist. Es gibt jedoch auch andere Methoden, die besser für weichere Materialien geeignet sind, zum Beispiel die Härtemessung mit einer kugelförmigen Sonde.

➨ Duktilität

Eine relevante mechanische Eigenschaft ist auch die Duktilität oder Plastizität, d.h. ein Maß für die plastische Verformung vor dem Bruch. In der obigen Abbildung der Zugversuchskurve bedeutet dies die Menge der Verformung am Punkt F, während die Spannung, bei der der Bruch auftrat, irrelevant ist.

➨ Zähigkeit

Zähigkeit ist jedoch die Eigenschaft eines Materials, eine große Menge Energie zu absorbieren, bevor es bricht. Das bedeutet, dass es so viel Dehnung wie möglich bei maximaler Kraft aushalten muss. Einige Materialien brechen bei hoher Kraft, aber bei niedriger Dehnung. Wir sagen, sie sind spröde. Der Bereich unter der Zugversuchskurve repräsentiert die Zähigkeit und wird auch in der folgenden Abbildung gezeigt. 👇

Metalle sind kristalline Materialien, was bedeutet, dass ihre atomare Struktur in Einheitszellen angeordnet ist. Sie zeigen auch eine langfristige Ordnung – sie haben eine periodisch wiederholende Struktur über viele interatomare Abstände. Verschiedene Metalle (metallische Elemente) haben unterschiedliche Arten von Einheitszellen, die sich sogar mit der Temperatur ändern können. Im Fall von Eisenlegierungen sind die zwei wichtigsten Arten von Einheitszellen – kubische Zelle mit flächenzentriertem Gitter (links) und kubische Zelle mit körperzentriertem Gitter (rechts) – in der obigen Abbildung dargestellt. 👆

In der Praxis existieren ideale Kristalle, bei denen die gleiche atomare Struktur über eine lange Distanz (z. B. das gesamte Produkt) fehlerfrei periodisch wiederholt wird, nicht. In einer idealen Kristallstruktur enthalten alle Kristalle oder Metalle Defekte verschiedener Art: Punkt-, Linien-, Planar- oder Volumendefekte.

Selbst in einem chemisch reinen Metall (metallisches Element) enthält das Kristallgitter Punktfehler, was bedeutet, dass ein bestimmtes Atom an seinem theoretischen Standort fehlt oder an der falschen Stelle eingesetzt ist. Die Anzahl solcher Fehler nimmt mit der Temperatur exponentiell zu. Bei einer ausreichend hohen Temperatur wechseln die Atome schnell die Plätze, bewegen sich entlang des Kristallgitters, und die Anzahl der Defekte steigt, bis die geordnete Struktur zerfällt. In diesem Moment verflüssigt sich das Metall.

Die beiden Bilder unten stellen schematisch Beispiele für Punktfehler dar: Ein Atom desselben Typs verschwindet von einem Ort im Kristallgitter, an dem es theoretisch sein sollte (linke Abbildung); oder das Atom eines anderen Elements wird an einem unerwarteten Ort in das Kristallgitter eingefügt oder ersetzt das Atom des Mehrheitselements (rechte Abbildung). 👇

Linienfehler, die als Versetzungen bezeichnet werden, sind auch immer in Metallen vorhanden und treten auf, wenn eine Atomsicht zwischen anderen Schichten eingefügt wird. Unter dem Einfluss äußerer Spannungen können Atome, die zur verflochtenen Schicht gehören, ihre Nachbarn wechseln und eine Bindung mit anderen Atomsichten eingehen. Auf diese Weise bewegen sich die Versetzungen entlang eines Metallgitters, wodurch viele Atome ihren Platz dauerhaft ändern können. Die Bewegung und Bildung neuer Versetzungen ist ein sehr wichtiges Konzept in der Metallurgie, da sie auf mikroskopischer Ebene eine Erklärung für die plastische Verformung darstellt, die auf makroskopischer Ebene beobachtet wird. Dies führt uns auch zu der Schlussfolgerung, dass wir, wenn wir die plastische Verformung unseres Produkts reduzieren oder seine Festigkeit erhöhen wollen, in irgendeiner Weise die Bewegung der Versetzungen hemmen müssen.👇

Metallprodukte haben kein Kristallgitter, das gleichmäßig über ihr Volumen orientiert ist, sondern bestehen vielmehr aus einer großen Anzahl von Kristallkörnern mit unterschiedlichen Orientierungen. Dies liegt am Erstarrungsprozess des Metalls von flüssig zu fest, der an vielen Stellen gleichzeitig beginnt. Unterschiedlich orientierte Kristallkörner im flüssigen Metall wachsen nach außen, bis sie mit ihren Nachbarn kollidieren und das gesamte Metall in einen festen Zustand übergeht. Die Kristallkörner sind mit bloßem Auge nicht sichtbar, sie sind typischerweise nicht größer als ein Zehntel Millimeter, können jedoch mit einem optischen Mikroskop beobachtet werden. Die beiden Bilder unten zeigen eine metallische Mikrostruktur mit vielen Kristallkörnern im unverformten Zustand (linke Abbildung) und nach signifikanter plastischer Verformung (rechte Abbildung), als sich die Kristallkörner in ihrer Form verändert haben, d.h. sie abgeflacht sind. 👇

 Ein gemeinsames Merkmal aller Verstärkungsmechanismen ist, dass sie die Bewegung von Versetzungen entlang der Kristallgitter metallischer Materialien behindern. Auf mikroskopischer Ebene stellt die Bewegung von Versetzungen den Mechanismus der plastischen Verformung dar, der mit bloßem Auge auf makroskopischer Ebene erkannt wird.

➨ Kaltverfestigung

Die Kaltverfestigung ist ein Phänomen, bei dem die plastische Verformungsgrenze eines Materials mit zunehmender plastischer Verformung steigt. Dies geschieht aufgrund der Bildung einer Vielzahl neuer Versetzungen, die in verschiedene Richtungen entlang des Kristallgitters wandern und sich gegenseitig in ihrer Bewegung behindern. Bei der Herstellung von Küchenmessern tritt dieses Phänomen im Schmiedeprozess auf, wenn die Klingen plastisch verformt oder durch Hammerschläge 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 brechen kann, wenn es zu viel plastische Verformung gibt.

Die folgende Abbildung zeigt die Verfestigungskurven in Abhängigkeit vom Grad der plastischen Verformung für einige typische Materialien. Wir sehen, dass die Veränderung des Plastizitätsgrenzwerts ziemlich ausgeprägt sein kann. 👇

➨ Festkörperlösungsstärkung

Die Festkörperhärtung ist ein Mechanismus, der erklärt, warum Legierungen aus verschiedenen Elementen stärker sind als reines Metall. Die Atome der zugefügten Elemente werden in das Kristallgitter des Hauptelements eingefügt, wodurch Unregelmäßigkeiten aufgrund unterschiedlich großer Atome entstehen. Unregelmäßigkeiten im Kristallgitter verursachen innere Spannungen, die wiederum die Bewegung von Versetzungen behindern. Dies wird auch schematisch in der Abbildung unten dargestellt. Dieser Mechanismus erklärt, warum Stahl, der eine Legierung aus Kohlenstoff und Eisen ist, stärker ist als reines Eisen und warum die Legierung mit zusätzlichen Elementen (Cr, Mo, V) die mechanischen Eigenschaften weiter verbessert.

➨ Verstärkung durch Korngrößenkontrolle

Auf mikroskopischer Ebene bestehen Metallprodukte aus einer großen Anzahl von Kristallkörnern, die zufällig orientiert sind. Die geordnete Anordnung der Atome in einem Kristallkorn setzt sich nicht über die Grenze im anderen Kristallkorn fort. Daher stellen die Grenzen der Kristallkörner Hindernisse für die Bewegung von Versetzungen dar und verhindern folglich auch die plastische Verformung (siehe Bild unten). Kristallkörner treten typischerweise im Größenbereich von 0,001-0,1 Millimetern auf. Je kleiner die Körner, desto mehr Grenzen gibt es zwischen ihnen pro Volumeneinheit und desto mehr behindern sie die Bewegung von Versetzungen. Dieser Härtungsmechanismus erklärt, warum Küchenmesser mit einer feinkörnigen Struktur, wie japanische Messer, stärker und von besserer Qualität sind. Die Korngröße im Produkt hängt von einer komplexen Kombination der Auswirkungen der chemischen Zusammensetzung und der thermo-mechanischen Behandlung (z. B. Warmumformung) ab.👇

➨ Abschrecken

Das Abschrecken ist der Prozess, bei dem die mechanischen Eigenschaften durch schnelles Abkühlen eines heißen Produkts verbessert werden. Die erste Bedingung für die Fähigkeit zur Härtung ist das Vorhandensein von reinem Metall in zwei Arten von Kristallgittern bei unterschiedlichen Temperaturen. Bei Raumtemperatur existiert Eisen in einem raumzentrierten kubischen Kristallgitter, das bei etwa 730 Grad Celsius in ein flächenzentriertes kubisches Gitter übergeht. Der gleiche Übergang erfolgt in umgekehrter Richtung, wenn die Temperatur sinkt. Die zweite Bedingung ist das Vorhandensein eines Legierungselements, dessen Atome gleichmäßig an ihren charakteristischen Stellen im Kristallgitter verteilt sind. Im Fall von Stahlküchenmessern ist das Grundmetall Eisen und das Legierungselement ist Kohlenstoff. Wenn das Produkt schnell genug von einer hohen Temperatur (über 730 Grad Celsius) abkühlt, verbinden sich die Eisenatome zu einer anderen Art von Kristallgitter, während die Kohlenstoffatome nicht genug Zeit haben, um an andere Stellen zu wandern. Sie bleiben "eingefroren" an ihren vorherigen Stellen und führen zu inneren Spannungen im Kristallgitter, die wiederum die Bewegung von Versetzungen behindern.
Die inneren Spannungen, die durch das Abschrecken verursacht werden, können so groß sein, dass das Produkt erheblich seine Form ändert, sich verbiegt oder sogar Risse bekommt. Dies hängt hauptsächlich von der chemischen Zusammensetzung (Prozentsatz an Kohlenstoff und anderen Elementen) und der Abkühlrate ab, die durch die Wahl eines Kühlmediums (Wasser, Öl oder Luft) gesteuert wird.

Schlussfolgerungen

Im ersten Kapitel haben wir uns angesehen, wie Stähle nach allgemeiner chemischer Zusammensetzung und beabsichtigter Verwendung klassifiziert werden und welche davon für qualitativ hochwertige Küchenmesser verwendet werden. Im zweiten Kapitel haben wir die Definitionen der relevanten mechanischen Eigenschaften metallischer Materialien und die Prinzipien ihrer Messung eingeführt. Darauf folgte ein kurzer Überblick über die atomare Struktur von Metallen und die Verbindung zwischen plastischer Deformation auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene. Bei der Verwendung von Küchenmessern wollen wir plastische Deformationen verhindern, da sich dies in der Praxis in Schäden an der Schneide und verringerter Schärfe niederschlägt. Im letzten Kapitel haben wir all das vorherige Wissen kombiniert und metallurgische Mechanismen vorgestellt, die die Festigkeit metallischer Materialien verbessern. Was sie alle gemeinsam haben, ist, dass sie auf mikroskopischer Ebene die Bewegung von Versetzungen im Kristallgitter auf verschiedene Weise verhindern. Es ist auch wichtig zu beachten, dass alle beschriebenen Härtemechanismen bei erhöhten Temperaturen letztendlich versagen, da sich alle Atome und folglich auch Versetzungen schneller bewegen. Dies erklärt auch, warum qualitativ hochwertige Küchenmesser nicht über längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt werden sollten (zum Beispiel über 150 Grad Celsius).

⬌

 ➨ Legierungsstähle: Stähle, die neben Kohlenstoff (C) auch andere Elemente enthalten, häufig Chrom (Cr), Vanadium (V) und Molybdän (Mo). Diese verbessern zusätzlich die mechanischen Eigenschaften und in einigen Fällen auch die Korrosionsbeständigkeit.
➨ Stärke: Widerstand gegen Veränderungen der Form unter dem Einfluss äußerer Kräfte.
➨ Zugfestigkeit: die maximale Spannung, die ein Material aushalten kann, während es gedehnt oder gezogen wird, bevor es bricht.
➨ Härte: Widerstand des Materials gegen Prägung oder lokale plastische (dauerhafte) Verformung. Folglich bedeutet es auch Widerstand gegen Abnutzung.
➨ Rockwell-Methode (HRC): eine Härteskala, die in der Metallurgie zur Messung der Härte harter Stoffe verwendet wird. Das Ergebnis ist eine dimensionslose Zahl. Es gibt zwei Versionen (und Einheiten) dieser Methode: HRb und HRc.
➨ Duktilität: der Grad, in dem ein Material plastische Verformung unter Zugspannung vor dem Versagen aushalten kann. Je mehr Verformung ein Material ohne Bruch aufgrund von Sprödigkeit aushalten kann, desto duktiler ist es.
➨ Zähigkeit: die Eigenschaft eines Materials, viel Energie zu absorbieren, bevor es bricht.
➨ Carbide: binäre Verbindungen, die aus Kohlenstoff und einem Metall oder in einigen Fällen einem Halbmetall bestehen. Sie haben eine hohe Festigkeit und sind spröde.
➨ Kristalline Materialien: feste Materialien, deren Bestandteile, wie Atome, in hochgeordneten mikroskopischen Strukturen oder Grundzellen angeordnet sind. Diese Zellen werden periodisch in einem dreidimensionalen Kristallgitter wiederholt und weisen symmetrische Eigenschaften auf.
➨ Versetzungen: ein linearer kristallographischer Defekt oder eine Unregelmäßigkeit innerhalb einer Kristallstruktur, die einen abrupten Wechsel in der Anordnung der Atome enthält. Sie sind besonders relevant für metallische Materialien, da sie plastische Verformung bei relativ geringem Stress ermöglichen.
➨ Verfestigung durch Verformung: Verstärkung eines Metalls durch plastische Verformung. Diese Verstärkung erfolgt aufgrund von Versetzungsbewegungen und der Erzeugung von Versetzungen innerhalb des Kristallgitters des Materials.
➨ Schmieden: die Formgebung von Metall, bei der plastische Verformung durch aufeinanderfolgende Schläge mit einem Hammer oder durch langsames Anwenden eines kontinuierlichen Drucks in einer Presse verursacht wird.
➨ Festkörperhärtung: ein Mechanismus, der erklärt, warum Legierungen aus verschiedenen Elementen stärker sind als reines Metall.
➨ 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 dann schnell abgekühlt wird, um Martensit zu erhalten, eine sehr harte Form der kristallinen Stahlstruktur.

⬌

Autor des Artikels: Matevž Pintar, MSc in Maschinenbau
Bilder: Callister, William D. in Jr., Rethwisch, David G. 2014. Materialienwissenschaft und Ingenieurwesen: Eine Einführung. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.