Úvod do metalurgie kuchynských nožov

Typy ocelí

Oceľ je v podstate zliatina prvkov železa (Fe) a uhlíka (C), pričom uhlík tvorí najviac 2 % celkovej hmotnosti. Aj veľmi malé množstvo uhlíka výrazne mení mechanické vlastnosti ocele, najmä zlepšuje jej pevnosť, ktorá je rozhodujúca pre akékoľvek praktické použitie. Zliatina s obsahom uhlíka vyšším ako 2 % sa nazýva liatina, čo je pomerne krehký materiál, a preto nie je vhodná na kuchynské nože ani podobné nástroje. Vysoký obsah uhlíka však vedie k nižšiemu bodu tavenia, čo znamená, že liatinu možno ľahšie odlievať do foriem, a preto je napríklad vhodná na výrobu liatinových hrncov.

Oceľ možno miešať aj s ďalšími prvkami, najmä s chrómom (Cr), vanádom (V) a molybdénom (Mo), ktoré ďalej zlepšujú jej mechanické vlastnosti a v niektorých prípadoch aj odolnosť proti korózii. Táto skupina sa nazýva legovaná oceľ. Osobitnou podskupinou legovaných ocelí sú nástrojové ocele, ktorých spoločnou vlastnosťou je používanie na výrobu nástrojov (nožov, píl, sekier, vrtákov atď.). Sú vhodné na použitie všade tam, kde sa vyžaduje vysoká húževnatosť, pevnosť a odolnosť proti oderu.

Výnimočné mechanické vlastnosti nástrojových ocelí preto znamenajú, že ich výroba a spracovanie sú náročné, čo ich zároveň robí drahšími v porovnaní s oceľami s menším počtom legujúcich prvkov. Z hľadiska materiálu patrí väčšina kvalitných kuchynských nožov do skupiny nástrojových ocelí. Na obrázku nižšie je znázornené schematické rozdelenie zliatin železa a sú na ňom zvýraznené skupiny ocelí používaných na výrobu kuchynských nožov. 👇

Mechanické vlastnosti materiálov

Na opísanie vlastností kuchynských nožov a ich rozlíšenie z hľadiska kvality je užitočné najprv definovať niektoré základné pojmy týkajúce sa mechanických vlastností materiálu a spôsobu ich merania.

Mechanické vlastnosti: PEVNOSŤ, TVRDOSŤ, ŤAŽNOSŤ, HÚŽEVNATOSŤ

➨ Pevnosť

Jednou z najzákladnejších vlastností kovových materiálov je ich pevnosť, definovaná ako odolnosť proti zmenám tvaru vplyvom vonkajších síl. Experimentálne sa meria skúškami ťahom, pri ktorých sa vzorka podlhovastého materiálu upne do čeľustí, ktoré sa potom pomaly od seba odťahujú, až kým sa vzorka nepretrhne. Pritom sa zaznamenáva krivka sily v závislosti od posunutia čeľustí. Na uľahčenie porovnávania vzoriek rôznych veľkostí sa hodnoty zvyčajne prevádzajú na krivku napätia v závislosti od pomerného predĺženia. Príklad je znázornený na obrázku nižšie, ktorý zároveň schematicky predstavuje typický vonkajší vzhľad vzorky. 👇

Počiatočná, veľmi strmá časť krivky predstavuje pružnú deformáciu, pri ktorej sa materiál po odstránení zaťaženia vráti do pôvodného tvaru. Pri ďalšom zvyšovaní zaťaženia dochádza k nezvratnej zmene tvaru, teda k plastickej deformácii materiálu. Tejto situácii sa pri kuchynských nožoch rozhodne chceme vyhnúť, pretože v praxi to znamená, že ostrie alebo celá čepeľ sa ohne. Vzorku pri skúške ťahom možno ďalej naťahovať až do určitého bodu, v ktorom sa zaznamená maximálna sila nazývaná „pevnosť v ťahu“. Po tomto bode sa sila v dôsledku priečnej deformácie vzorky dokonca mierne znižuje, až do okamihu, keď sa vzorka pretrhne.

➨ Tvrdosť

Tvrdosť materiálu je podľa definície jeho odolnosť proti vtlačeniu alebo lokalizovanej plastickej (trvalej) deformácii. V dôsledku toho znamená aj odolnosť proti opotrebovaniu. Tvrdosť je veličina odlišná od pevnosti, hoci spolu priamo súvisia. Pevnosť je fyzikálne presnejšie definovaná, no tvrdosť sa v praxi zvyčajne meria jednoduchšie a v prípade kuchynských nožov je aj relevantnejšia. Existuje niekoľko rôznych metód merania tvrdosti, ktoré sú založené na zatlačení sondy štandardného tvaru do povrchu materiálu a meraní hĺbky vtlačku. Pri nástrojových oceliach sa často používa Rockwellova metóda merania tvrdosti (HRC), pri ktorej je sondou diamantový kužeľ. Existujú však aj iné metódy vhodnejšie pre mäkšie materiály, napríklad meranie tvrdosti pomocou guľovej sondy.

➨ Tvárnosť

Ďalšou relevantnou mechanickou vlastnosťou je aj tvárnosť alebo plasticita, teda miera plastickej deformácie pred porušením. Na vyššie uvedenom grafe krivky skúšky ťahom to znamená veľkosť deformácie v bode F, zatiaľ čo napätie, pri ktorom došlo k pretrhnutiu, nie je relevantné.

➨ Húževnatosť

Húževnatosť je však vlastnosť materiálu absorbovať veľké množstvo energie pred porušením. To znamená, že pri maximálnej sile musí odolať čo najväčšiemu predĺženiu. Niektoré materiály sa porušia pri veľkej sile, ale pri malom predĺžení. Hovoríme o nich, že sú krehké. Plocha pod krivkou ťahovej skúšky predstavuje húževnatosť a je znázornená aj na obrázku nižšie. 👇

Kovy sú kryštalické materiály, čo znamená, že ich atómová štruktúra je usporiadaná v elementárnych bunkách. Hovorí sa tiež, že vykazujú usporiadanie na veľkú vzdialenosť – majú periodicky sa opakujúcu štruktúru na mnohých medziatómových vzdialenostiach. Rôzne kovy (kovové prvky) majú rôzne typy elementárnych buniek, ktoré sa môžu meniť aj s teplotou. V prípade zliatin železa sú na obrázku vyššie znázornené dva najdôležitejšie typy elementárnych buniek – kubická bunka s plošne centrovanou mriežkou (vľavo) a kubická bunka s priestorovo centrovanou mriežkou (vpravo). 👆

V praxi ideálne kryštály, v ktorých by sa rovnaká atómová štruktúra bez chýb periodicky opakovala na veľkú vzdialenosť (napr. v celom výrobku), neexistujú. V ideálnej kryštálovej štruktúre všetky kryštály alebo kovy obsahujú chyby rôznych typov: bodové, líniové, plošné alebo objemové chyby.

Aj v chemicky čistom kove (kovovom prvku) sa v kryštálovej mriežke nachádzajú bodové chyby, čo znamená, že konkrétny atóm chýba na svojom teoretickom mieste alebo je vložený na nesprávne miesto. Počet takýchto chýb sa s teplotou exponenciálne zvyšuje. Pri dostatočne vysokej teplote atómy rýchlo menia svoje miesta, pohybujú sa pozdĺž kryštálovej mriežky a počet chýb narastá, až kým sa usporiadaná štruktúra nerozpadne. V tom okamihu sa kov skvapalní.

Dva obrázky nižšie schematicky znázorňujú príklady bodových chýb: atóm rovnakého typu zmizne z miesta v kryštálovej mriežke, kde by sa teoreticky mal nachádzať (obrázok vľavo); alebo sa atóm iného prvku vloží do kryštálovej mriežky na neočakávané miesto, prípadne nahradí atóm väčšinového prvku (obrázok vpravo). 👇

V kovoch sú tiež vždy prítomné čiarové poruchy nazývané dislokácie, ktoré vznikajú, keď sa medzi ostatné vrstvy vloží jedna vrstva atómov. Vplyvom vonkajšieho napätia môžu atómy patriace do prepletenej vrstvy zmeniť svojich susedov a vytvoriť väzbu s inými vrstvami atómov. Dislokácie sa tak pohybujú pozdĺž kovovej mriežky, čo umožňuje mnohým atómom trvalo zmeniť svoje miesto. Pohyb a vznik nových dislokácií je v metalurgii veľmi dôležitým pojmom, pretože na mikroskopickej úrovni predstavuje vysvetlenie plastickej deformácie pozorovanej na makroskopickej úrovni. To nás tiež vedie k záveru, že ak chceme znížiť plastickú deformáciu nášho výrobku alebo zvýšiť jeho pevnosť, musíme nejakým spôsobom brzdiť pohyb dislokácií. 👇

Výrobky z kovu nemajú kryštálovú mriežku, ktorá by bola v celom ich objeme orientovaná jednotne, ale skladajú sa skôr z veľkého počtu kryštalických zŕn s rôznou orientáciou. Je to spôsobené procesom tuhnutia kovu z kvapalného do tuhého stavu, ktorý sa začína na mnohých miestach súčasne. Rôzne orientované kryštalické zrná v kvapalnom kove rastú smerom von, až kým sa nezrazia so susednými zrnami a celý kov neprechladne do tuhého stavu. Kryštalické zrná nie sú voľným okom viditeľné, zvyčajne nie sú väčšie ako desatina milimetra, ale možno ich pozorovať optickým mikroskopom. Dva obrázky nižšie zobrazujú kovovú mikroštruktúru s mnohými kryštalickými zrnami v nedeformovanom stave (obrázok vľavo) a po výraznej plastickej deformácii (obrázok vpravo), keď kryštalické zrná zmenili svoj tvar, teda sa sploštili. 👇

 Spoločnou vlastnosťou všetkých mechanizmov spevňovania je, že bránia pohybu dislokácií pozdĺž kryštálových mriežok kovových materiálov. Na mikroskopickej úrovni predstavuje pohyb dislokácií mechanizmus plastickej deformácie, ktorú na makroskopickej úrovni pozorujeme voľným okom.

➨ Spevňovanie deformáciou

Deformačné spevňovanie je jav, pri ktorom sa medza plastickej deformácie materiálu zvyšuje so zvyšujúcou sa plastickou deformáciou. Je to spôsobené vznikom veľkého počtu nových dislokácií, ktoré sa pohybujú rôznymi smermi pozdĺž kryštálovej mriežky a navzájom si bránia v pohybe. Pri výrobe kuchynských nožov sa tento jav vyskytuje v procese kovania, keď sa čepele plasticky deformujú alebo menia svoj tvar údermi kladiva. V praxi nemožno v procese pokračovať donekonečna, pretože okrem pevnosti sa zvyšuje aj krehkosť a výrobok môže pri nadmernej plastickej deformácii prasknúť.

Na obrázku nižšie sú znázornené krivky deformačného spevňovania v závislosti od stupňa plastickej deformácie pre niektoré typické materiály. Vidíme, že zmena medze plasticity môže byť pomerne výrazná. 👇

➨ Spevňovanie tuhého roztoku

Spevňovanie tuhého roztoku je mechanizmus, ktorý vysvetľuje, prečo sú zliatiny rôznych prvkov pevnejšie než čisté kovy. Atómy prvkov pridaných k základnému prvku sa vkladajú do jeho kryštálovej mriežky a v dôsledku rozdielne veľkých atómov do nej vnášajú nepravidelnosti. Nepravidelnosti v kryštálovej mriežke spôsobujú vnútorné napätia, ktoré následne bránia pohybu dislokácií. Schematicky je to znázornené aj na obrázku nižšie. Tento mechanizmus vysvetľuje, prečo je oceľ, ktorá je zliatinou uhlíka a železa, pevnejšia než čisté železo a prečo legovanie ďalšími prvkami (Cr, Mo, V) ďalej zlepšuje jej mechanické vlastnosti. 👇

➨ Spevňovanie riadením veľkosti zŕn

Na mikroskopickej úrovni sa kovové výrobky skladajú z veľkého počtu náhodne orientovaných kryštalických zŕn. Usporiadané rozloženie atómov v jednom kryštalickom zrne nepokračuje cez hranicu do susedného kryštalického zrna. Hranice kryštalických zŕn preto predstavujú prekážky pohybu dislokácií a následne bránia aj plastickej deformácii (obrázok nižšie). Kryštalické zrná sa zvyčajne vyskytujú vo veľkostnom rozsahu 0,001 – 0,1 milimetra. Čím sú zrná menšie, tým viac hraníc medzi nimi pripadá na jednotku objemu a tým viac bránia pohybu dislokácií. Tento mechanizmus spevňovania vysvetľuje, prečo sú kuchynské nože s jemnozrnnou štruktúrou, napríklad japonské nože, pevnejšie a kvalitnejšie. Veľkosť zŕn vo výrobku závisí od komplexnej kombinácie účinkov chemického zloženia a termomechanického spracovania (napr. kovania za tepla). 👇

➨ Kalenie

Kalenie je proces zlepšovania mechanických vlastností rýchlym ochladením horúceho výrobku. Prvou podmienkou schopnosti kaliť sa je existencia čistého kovu v dvoch typoch kryštálových mriežok pri rôznych teplotách. Pri izbovej teplote sa železo nachádza v telesovo centrovanej kubickej kryštálovej mriežke, ktorá sa pri teplote približne 730 stupňov Celzia mení na plošne centrovanú kubickú mriežku. Rovnaký prechod prebieha opačným smerom pri poklese teploty. Druhou podmienkou je prítomnosť legujúceho prvku, ktorého atómy sú rovnomerne rozmiestnené na svojich charakteristických miestach v kryštálovej mriežke. V prípade oceľových kuchynských nožov je základným kovom železo a legujúcim prvkom uhlík. Keď sa výrobok dostatočne rýchlo ochladí z vysokej teploty (nad 730 stupňov Celzia), atómy železa sa usporiadajú do iného typu kryštálovej mriežky, zatiaľ čo atómy uhlíka nemajú dostatok času presunúť sa na iné miesta. Zostanú „zamrznuté“ na svojich pôvodných miestach a vytvárajú vnútorné napätia v kryštálovej mriežke, ktoré následne bránia pohybu dislokácií.
Vnútorné napätia spôsobené kalením môžu byť také veľké, že výrobok výrazne zmení tvar, ohne sa alebo dokonca praskne. Závisí to najmä od chemického zloženia (percentuálneho podielu uhlíka a ďalších prvkov) a rýchlosti ochladzovania, ktorú určuje výber chladiaceho média (voda, olej alebo vzduch).

Závery

V prvej kapitole sme sa pozreli na to, ako sa ocele klasifikujú podľa všeobecného chemického zloženia a zamýšľaného použitia a ktoré z nich sa používajú na výrobu kvalitných kuchynských nožov. V druhej kapitole sme predstavili definície relevantných mechanických vlastností kovových materiálov a zásady ich merania. Nasledoval stručný prehľad atómovej štruktúry kovov a súvislosti medzi plastickou deformáciou na mikroskopickej a makroskopickej úrovni. Pri používaní kuchynských nožov chceme plastickej deformácii zabrániť, pretože v praxi vedie k poškodeniu ostria a zníženiu ostrosti. V poslednej kapitole sme spojili všetky predchádzajúce poznatky a predstavili metalurgické mechanizmy, ktoré zvyšujú pevnosť kovových materiálov. Všetky majú spoločné to, že na mikroskopickej úrovni rôznymi spôsobmi zabraňujú pohybu dislokácií v kryštálovej mriežke. Dôležité je tiež poznamenať, že všetky opísané mechanizmy spevňovania napokon pri zvýšených teplotách zlyhávajú, pretože všetky atómy, a teda aj dislokácie, sa pohybujú rýchlejšie. To tiež vysvetľuje, prečo by kvalitné kuchynské nože nemali byť dlhší čas vystavené vysokým teplotám (napríklad nad 150 stupňov Celzia).

⬌

 ➨ Legované ocele: ocele, ktoré okrem uhlíka (C) obsahujú aj ďalšie prvky, často chróm (Cr), vanád (V) a molybdén (Mo). Tie ďalej zlepšujú ich mechanické vlastnosti a v niektorých prípadoch aj odolnosť proti korózii.
➨ Pevnosť: odolnosť proti zmenám tvaru vplyvom vonkajších síl.
➨ Medza pevnosti v ťahu: maximálne napätie, ktoré materiál dokáže zniesť pri naťahovaní alebo ťahaní pred porušením.
➨ Tvrdosť: odolnosť materiálu proti vtláčaniu alebo lokalizovanej plastickej (trvalej) deformácii. V dôsledku toho znamená aj odolnosť proti opotrebovaniu.
➨ Rockwellova metóda (HRC): stupnica tvrdosti používaná v metalurgii na meranie tvrdosti tvrdých látok. Výsledkom je bezrozmerné číslo. Táto metóda má dve verzie (a jednotky): HRb a HRc.
➨ Tvárnosť: miera, do akej môže materiál odolávať plastickej deformácii pri ťahovom napätí pred porušením. Čím väčšiu deformáciu materiál vydrží bez porušenia v dôsledku krehkosti, tým je tvárnejší.
➨ Húževnatosť: vlastnosť materiálu absorbovať veľké množstvo energie pred porušením.
➨ Karbidy: binárne zlúčeniny tvorené uhlíkom a kovom alebo v niektorých prípadoch polokovom. Majú vysokú pevnosť a sú krehké.
➨ Kryštalické materiály: tuhé materiály, ktorých zložky, napríklad atómy, sú usporiadané vo vysoko usporiadaných mikroskopických štruktúrach alebo základných bunkách. Tieto bunky sa pravidelne opakujú v trojrozmernej kryštálovej mriežke a majú symetrické vlastnosti.
➨ Dislokácie: lineárna kryštalografická porucha alebo nepravidelnosť v kryštalickej štruktúre, ktorá obsahuje náhlu zmenu usporiadania atómov. Najvýznamnejšie sú v súvislosti s kovovými materiálmi, pretože umožňujú plastickú deformáciu pri relatívne malom napätí.
➨ Deformačné spevňovanie: spevňovanie kovu plastickou deformáciou. K tomuto spevneniu dochádza v dôsledku pohybu dislokácií a vzniku dislokácií v kryštalickej štruktúre materiálu.
➨ Kovanie: tvarovanie kovu, pri ktorom plastická deformácia vzniká postupnými údermi kladiva alebo pomalým pôsobením nepretržitého tlaku v lise.
➨ Vytvrdzovanie tuhého roztoku: mechanizmus vysvetľujúci, prečo sú zliatiny rôznych prvkov pevnejšie než čisté kovy.
➨ Kalenie: druh tepelného spracovania, pri ktorom sa oceľ najprv zahreje na kaliacu teplotu (teplotu austenitu, tuhého roztoku železa s legujúcim prvkom) a potom sa rýchlo ochladí, čím vzniká martenzit, veľmi tvrdá forma kryštalickej štruktúry ocele.

⬌

Autor článku: Matevž Pintar, Ing. strojárstva
Obrázky: Callister, William D. a Jr., Rethwisch, David G. 2014. Materials Science and Engineering: An Introduction. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.