Einführung in die Metallurgie von Küchenmessern

Stahlsorten

Stahl ist grundsätzlich eine Legierung aus den Elementen 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, was für jede praktische Anwendung von entscheidender Bedeutung ist. Eine Legierung mit mehr als 2 % Kohlenstoff wird als Gusseisen bezeichnet, ein recht sprödes Material und daher für Küchenmesser oder ähnliche Werkzeuge ungeeignet. Ein hoher Kohlenstoffgehalt führt jedoch zu einem niedrigeren Schmelzpunkt, wodurch sich Gusseisen leichter in Formen gießen lässt und sich somit beispielsweise für die Herstellung von Gusseisentöpfen eignet.

Stahl kann auch mit anderen Elementen gemischt werden, häufig Chrom (Cr), Vanadium (V) und Molybdän (Mo), wodurch seine mechanischen Eigenschaften und in einigen Fällen auch die Korrosionsbeständigkeit weiter verbessert werden. Diese Gruppe wird legierter Stahl genannt. Eine besondere Untergruppe der legierten Stähle sind Werkzeugstähle, deren gemeinsames Merkmal darin besteht, dass sie für Werkzeuge (Messer, Sägen, Äxte, Bohrer etc.) verwendet werden. Sie eignen sich überall dort, wo hohe Zähigkeit, Festigkeit und Abriebfestigkeit gefordert sind.

Die außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften von Werkzeugstählen machen ihre Herstellung und Verarbeitung daher aufwändiger, was sie im Vergleich zu Stählen mit weniger Legierungselementen teurer macht. Vom Material her gehören die meisten hochwertigen Küchenmesser zur Familie der Werkzeugstähle. Die folgende Abbildung zeigt eine schematische Verteilung von Eisenlegierungen und die zur Herstellung von Küchenmessern verwendeten Stahlfamilien sind hervorgehoben. 👇

Mechanische Eigenschaften von Materialien

Um die Eigenschaften von Küchenmessern und ihre qualitative Differenzierung zu beschreiben, ist es sinnvoll, zunächst einige Grundkonzepte zu den mechanischen Eigenschaften des Materials und deren Messung zu definieren.

Mechanische Eigenschaften: FESTIGKEIT, HÄRTE, DUKTILITÄT, ZÄHIGKEIT

➨ Stärke

Eine der grundlegendsten Eigenschaften metallischer Werkstoffe ist ihre Stärke, definiert als Widerstand gegen Formänderungen unter dem Einfluss äußerer Kräfte. Sie wird experimentell durch Zugversuche gemessen, bei denen eine Probe eines länglichen Materials in die Backen eingespannt wird, die dann langsam auseinandergezogen werden, bis die Probe reißt. Dabei wird der Kraftverlauf in Abhängigkeit von der Backenauslenkung erfasst. Um den Vergleich unterschiedlich großer Proben zu erleichtern, werden die Werte üblicherweise in eine Spannungs-Dehnungs-Kurve umgerechnet. Ein Beispiel hierfür ist in der folgenden Abbildung dargestellt, in der auch das typische äußere Erscheinungsbild einer Probe schematisch dargestellt ist. 👇

Der anfängliche, sehr steile Teil der Kurve stellt eine elastische Verformung dar, wenn das Material nach Entlastung wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Bei weiterer Belastungserhöhung kommt es zu einer irreversiblen Formänderung, d. h. das Material wird plastisch verformt. Diese Situation wollen wir bei Küchenmessern unbedingt vermeiden, denn in der Praxis führt dies dazu, dass sich die Schneide bzw. 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. Ab diesem Zeitpunkt nimmt die Kraft aufgrund der Querverformung der Probe sogar noch geringfügig ab, bis es zum Bruch der Probe kommt.

➨ Härte

Die Härte eines Materials ist per Definition sein Widerstand gegenüber Prägung oder lokalisierter plastischer (dauerhafter) Verformung. Folglich bedeutet dies auch Verschleißfestigkeit. Härte ist eine andere Größe als Festigkeit, obwohl sie in direktem Zusammenhang stehen. Die Festigkeit ist physikalisch genauer definiert, die Härte lässt sich in der Praxis jedoch meist leichter messen und ist bei Küchenmessern auch relevanter. Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der Härte. Sie basieren darauf, dass eine Sonde in Standardform in die Oberfläche des Materials gedrückt und die Tiefe des Eindrucks gemessen wird. Bei Werkzeugstählen wird häufig die Rockwell-Methode (HRC) zur Härtemessung verwendet, bei der die Sonde ein Diamantkegel ist. Allerdings gibt es auch andere Methoden, die für weichere Materialien besser geeignet sind, beispielsweise die Härtemessung mit einem kugelförmigen Messtaster.

➨ Duktilität

Eine relevante mechanische Eigenschaft ist auch die Duktilität oder Plastizität, also ein Maß für die plastische Verformung vor dem Bruch. In der obigen Abbildung der Zugversuchskurve bedeutet dies das Ausmaß der Verformung am Punkt F, während die Spannung, bei der der Bruch auftrat, keine Rolle spielt.

➨ Zähigkeit

Zähigkeit hingegen ist die Eigenschaft eines Materials, viel Energie aufzunehmen, bevor es bricht. Das bedeutet, dass es bei maximaler Krafteinwirkung möglichst viel Dehnung aushalten muss. Manche Materialien brechen bei hoher Kraft, aber geringer Dehnung. Wir sagen, sie sind spröde. Die Fläche unter der Zugversuchskurve stellt die Zähigkeit dar und ist auch in der Abbildung unten dargestellt. 👇

Metalle sind kristalline Materialien, das heißt, ihre atomare Struktur ist in Elementarzellen angeordnet. Sie sollen auch eine aufweisen Fernauftrag – Sie haben über viele interatomare Abstände hinweg eine sich periodisch wiederholende Struktur. Verschiedene Metalle (metallische Elemente) haben unterschiedliche Arten von Elementarzellen, die sich sogar mit der Temperatur ändern können. Im Fall von Eisenlegierungen sind die beiden wichtigsten Arten von Elementarzellen – die kubisch flächenzentrierte Zelle (links) und die kubisch raumzentrierte Zelle (rechts) – in der Abbildung oben dargestellt. 👆

In der Praxis gibt es keine idealen Kristalle, bei denen sich die gleiche Atomstruktur über eine lange Distanz (z. B. das gesamte Produkt) periodisch und fehlerfrei wiederholen würde. In einer idealen Kristallstruktur enthalten alle Kristalle oder Metalle Defekte unterschiedlicher Art: Punkt-, Linien-, Flächen- oder Volumendefekte.

Selbst in einem chemisch reinen Metall (metallisches Element) enthält das Kristallgitter Punktfehler, was bedeutet, dass ein bestimmtes Atom an seinem theoretischen Ort fehlt oder an der falschen Stelle eingefügt ist. Die Anzahl solcher Fehler steigt exponentiell mit der Temperatur. Bei ausreichend hoher Temperatur wechseln die Atome schnell ihren Platz, 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 folgenden Bilder stellen schematisch Beispiele für Punktfehler dar: Ein Atom der gleichen Art verschwindet von einer Stelle im Kristallgitter, an der es sich theoretisch befinden sollte (Abbildung links); oder das Atom eines anderen Elements wird an unerwarteter Stelle in das Kristallgitter eingefügt oder es ersetzt das Atom des Hauptelements (Abbildung rechts). 👇

Liniendefekte, sogenannte Versetzungen, sind auch in Metallen immer vorhanden und entstehen, wenn eine Atomschicht zwischen andere Schichten eingefügt wird. Unter dem Einfluss äußerer Spannungen können Atome der verschachtelten Schicht ihre Nachbarn wechseln und eine Bindung mit anderen Atomschichten eingehen. Auf diese Weise bewegen sich die Versetzungen entlang eines Metallgitters und ermöglichen so, dass viele Atome dauerhaft ihren Platz wechseln. 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. Dies führt uns auch zu dem Schluss, dass wir, wenn wir die plastische Verformung unseres Produkts verringern oder seine Festigkeit erhöhen wollen, die Bewegung von Versetzungen auf irgendeine Weise hemmen müssen. 👇

Metallprodukte haben kein über ihr Volumen gleichmäßig ausgerichtetes Kristallgitter, sondern bestehen aus einer Vielzahl von Kristallkörnern mit unterschiedlicher Orientierung. Dies ist auf den Prozess der Erstarrung 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 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 aber mit einem optischen Mikroskop beobachtet werden. Die beiden Bilder unten zeigen eine metallische Mikrostruktur mit vielen Kristallkörnern im unverformten Zustand (Abbildung links) und nach starker plastischer Verformung (Abbildung rechts), wenn die Kristallkörner ihre Form verändert haben, also abgeflacht sind. 👇

 Allen Verstärkungsmechanismen ist gemeinsam, dass sie die Bewegung von Versetzungen entlang der Kristallgitter metallischer Materialien behindern. Auf der mikroskopischen Skala stellt die Bewegung von Versetzungen den Mechanismus der plastischen Verformung dar, der auf der makroskopischen Skala mit bloßem Auge erkannt werden kann.

➨ Kaltverfestigung

Kaltverfestigung ist ein Phänomen, bei dem die plastische Verformungsgrenze eines Materials mit zunehmender plastischer Verformung zunimmt. Dies ist auf die Bildung einer Vielzahl neuer Versetzungen zurückzuführen, die sich in verschiedene Richtungen entlang des Kristallgitters bewegen und sich gegenseitig in ihrer Bewegung behindern. Bei der Herstellung von Küchenmessern tritt dieses Phänomen beim Schmieden auf, wenn die Klingen durch Hammerschläge plastisch verformt oder in ihrer Form verändert werden. In der Praxis lässt sich der Prozess nicht unbegrenzt fortsetzen, da neben der Festigkeit auch die Sprödigkeit zunimmt und das Produkt bei zu starker plastischer Verformung reißen kann.

Die folgende Abbildung zeigt die Verfestigungskurven in Abhängigkeit vom Grad der plastischen Verformung für einige typische Materialien. Wir sehen, dass die Änderung der Plastizitätsgrenze recht ausgeprägt sein kann. 👇

➨ Festlösungsverstärkung

Die Festkörperhärtung ist ein Mechanismus, der erklärt, warum Legierungen verschiedener Elemente fester sind als reine Metalle. Die Atome der dem Hauptelement hinzugefügten Elemente werden in dessen Kristallgitter eingefügt, wodurch Unregelmäßigkeiten aufgrund unterschiedlich großer Atome entstehen. Unregelmäßigkeiten im Kristallgitter verursachen innere Spannungen, die wiederum die Bewegung von Versetzungen behindern. Dies ist auch in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt. Dieser Mechanismus erklärt, warum Stahl, eine Legierung aus Kohlenstoff und Eisen, stärker ist als reines Eisen und warum das Legieren mit zusätzlichen Elementen (Cr, Mo, V) seine mechanischen Eigenschaften weiter verbessert. 👇

➨ Verstärkung mit Korngrößenkontrolle

Auf mikroskopischer Ebene bestehen Metallprodukte aus einer großen Anzahl zufällig ausgerichteter Kristallkörner. Die geordnete Reihenfolge 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 somit auch eine plastische Verformung (Bild unten). Kristallkörner kommen typischerweise im Größenbereich von 0,001 bis 0,1 Millimeter vor. Je kleiner die Körner sind, desto mehr Grenzen gibt es pro Volumeneinheit zwischen ihnen und desto stärker behindern sie die Bewegung von Versetzungen. Dieser Härtungsmechanismus erklärt, warum Küchenmesser mit einer feinkörnigen Struktur, wie zum Beispiel japanische Messer, stärker 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

Beim Abschrecken werden die mechanischen Eigenschaften durch schnelles Abkühlen eines heißen Produkts verbessert. Die erste Voraussetzung für die Aushärtungsfähigkeit ist das Vorhandensein von reinem Metall in 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 verwandelt. Der gleiche Übergang erfolgt in umgekehrter Richtung, wenn die Temperatur sinkt. Die zweite Voraussetzung ist das Vorhandensein eines Legierungselements, dessen Atome gleichmäßig an ihren charakteristischen Stellen im Kristallgitter verteilt sind. Bei Küchenmessern aus Stahl ist das Grundmetall Eisen und das Legierungselement Kohlenstoff. Wenn das Produkt von einer hohen Temperatur (über 730 Grad Celsius) schnell genug abkühlt, verbinden sich die Eisenatome zu einem anderen Kristallgittertyp, während die Kohlenstoffatome nicht genug Zeit haben, sich an andere Orte zu bewegen. Sie bleiben an ihren bisherigen Plätzen „eingefroren“ und bringen innere Spannungen in das Kristallgitter ein, was wiederum die Bewegung von Versetzungen behindert.
Die durch das Abschrecken verursachten inneren Spannungen können so groß sein, dass das Produkt seine Form deutlich verändert, sich 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 eines Kühlmediums (Wasser, Öl oder Luft) gesteuert wird.

Schlussfolgerungen

Im ersten Kapitel haben wir untersucht, wie Stähle nach ihrer allgemeinen chemischen Zusammensetzung und ihrem 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 Prinzipien ihrer Messung vorgestellt. Anschließend folgte ein kurzer Überblick über die atomare Struktur von Metallen und den Zusammenhang zwischen plastischer Verformung auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene. Beim Einsatz von Küchenmessern wollen wir plastische Verformungen verhindern, da diese in der Praxis zu Schäden an der Schneide und verminderter Schärfe führen. Im letzten Kapitel haben wir alle bisherigen Erkenntnisse gebündelt und metallurgische Mechanismen vorgestellt, die die Festigkeit metallischer Werkstoffe verbessern. Allen gemeinsam 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 Härtungsmechanismen bei erhöhten Temperaturen schließlich versagen, da sich alle Atome und damit auch Versetzungen schneller bewegen. Dies erklärt auch, warum hochwertige Küchenmesser nicht über einen längeren Zeitraum hohen Temperaturen (zum Beispiel über 150 Grad Celsius) ausgesetzt werden sollten.

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 ➨ Legierte stähle: Stähle, die neben Kohlenstoff (C) auch andere Elemente enthalten, häufig Chrom (Cr), Vanadium (V) und Molybdän (Mo). Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften und teilweise auch die Korrosionsbeständigkeit weiter verbessert.
➨ Stärke: Widerstand gegen Formänderungen unter dem Einfluss äußerer Kräfte.
➨ Zugfestigkeit: die maximale Belastung, der ein Material beim Dehnen oder Ziehen standhalten kann, bevor es bricht.
➨ Härte: Widerstand des Materials gegenüber Prägung oder lokalisierter plastischer (dauerhafter) Verformung. Folglich bedeutet es auch Verschleißfestigkeit.
➨ Rockwell-Methode (HRC): eine Härteskala, die in der Metallurgie zur Messung der Härte harter Substanzen 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 einer plastischen Verformung unter Zugspannung standhalten kann, bevor es versagt. Je mehr Verformungen ein Material aushalten kann, ohne aufgrund der Sprödigkeit zu brechen, desto duktiler ist es.
➨ Zähigkeit: die Eigenschaft eines Materials, viel Energie zu absorbieren, bevor es zerbricht.
➨ Karbide: binäre Verbindungen, die aus Kohlenstoff und einem Metall oder in manchen Fällen einem Halbmetall bestehen. Sie haben eine hohe Festigkeit und sind spröde.
➨ Kristalline Materialien: feste Materialien, deren Bestandteile, wie zum Beispiel Atome, in hochgeordneten mikroskopischen Strukturen oder Grundzellen angeordnet sind. Diese Zellen wiederholen sich periodisch in einem dreidimensionalen Kristallgitter und haben symmetrische Eigenschaften.
➨ Luxationen: ein linearer kristallographischer Defekt oder eine Unregelmäßigkeit innerhalb einer Kristallstruktur, die eine abrupte Änderung in der Anordnung der Atome beinhaltet. Sie sind vor allem für metallische Werkstoffe relevant, da sie eine plastische Verformung bei relativ geringer Spannung ermöglichen.
➨ Kaltverfestigung: Verstärkung eines Metalls durch plastische Verformung. Diese Verstärkung erfolgt aufgrund von Versetzungsbewegungen und der Entstehung von Versetzungen innerhalb der Kristallstruktur des Materials.
➨ Schmieden: das Formen von Metall, bei dem eine plastische Verformung durch aufeinanderfolgende Schläge mit einem Hammer oder durch langsames Ausüben eines kontinuierlichen Drucks in einer Presse verursacht wird.
➨ Festkörperhärten: ein Mechanismus, der erklärt, warum Legierungen verschiedener Elemente 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 dann schnell abgekühlt wird, wodurch Martensit entsteht, eine sehr harte Form der Stahlkristallstruktur.

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