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 každé 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 legovať aj ďalšími prvkami, často 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 použitie na výrobu nástrojov (nožov, píl, sekier, vrtákov atď.). Sú vhodné 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 následne 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 schematicky znázornené rozdelenie zliatin železa a sú na ňom zvýraznené skupiny ocelí používané na výrobu kuchynských nožov. 👇

Mechanické vlastnosti materiálov

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

Mechanické vlastnosti: PEVNOSŤ, TVRDOSŤ, TVÁRNOSŤ, HÚŽEVNATOSŤ

Pevnosť

Jednou z najzákladnejších vlastností kovových materiálov je ich pevnosť, definovaná ako odolnosť proti zmenám tvaru pôsobením vonkajších síl. Experimentálne sa meria ťahovými skúškami, 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 prepočítavajú na krivku napätia v závislosti od deformácie. Príklad je znázornený na obrázku nižšie, ktorý zároveň schematicky znázorňuje 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 dôjde 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. Vzorka pri ťahovej skúške sa môže ďalej naťahovať až do určitého bodu, v ktorom sa zaznamená maximálna sila, nazývaná „medza pevnosti v ťahu“. Po tomto bode sa sila v dôsledku priečnej deformácie vzorky dokonca mierne znižuje, až kým sa vzorka nepretrhne.

Tvrdosť

Tvrdosť materiálu je podľa definície jeho odolnosť proti vtlačeniu alebo lokálnej plastickej (trvalej) deformácii. V dôsledku toho znamená aj odolnosť proti opotrebovaniu. Tvrdosť je iná veličina ako pevnosť, hoci spolu priamo súvisia. Pevnosť je fyzikálne definovaná presnejšie, 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 vtlačení sondy štandardného tvaru do povrchu materiálu a meraní hĺbky vzniknutej stopy. Pri nástrojových oceliach sa často používa Rockwellova metóda (HRC) merania tvrdosti, pri ktorej je sondou diamantový kužeľ. Existujú však aj iné metódy, ktoré sú vhodnejšie pre mäkšie materiály, napríklad meranie tvrdosti pomocou guľovitej sondy.

Ťažnosť

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

Húževnatosť

Húževnatosť je však vlastnosť materiálu absorbovať veľké množstvo energie pred porušením. To znamená, že pri maximálnej sile musí vydržať čo najväčšie predĺženie. Niektoré materiály sa porušia pri veľkej sile, ale pri malom predĺžení. Hovoríme, 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 do základných buniek. 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 základných buniek, ktoré sa môžu meniť aj s teplotou. V prípade zliatin železa sú na obrázku vyššie znázornené dva najdôležitejšie typy základných buniek – plošne centrovaná kubická bunka (vľavo) a telesovo centrovaná kubická bunka (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 poruchy rôznych typov: bodové, líniové, plošné alebo objemové poruchy.

Aj v chemicky čistom kove (kovovom prvku) sa v kryštálovej mriežke nachádzajú bodové poruchy, 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 si atómy rýchlo menia miesta, pohybujú sa pozdĺž kryštálovej mriežky a počet porúch sa zvyšuje, až kým sa usporiadaná štruktúra nerozpadne. V tom okamihu sa kov roztaví.

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 vtedy, keď sa medzi ostatné vrstvy vloží jedna vrstva atómov. Pôsobením vonkajších napätí 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 vedie aj k záveru, že ak chceme znížiť plastickú deformáciu nášho výrobku alebo zvýšiť jeho pevnosť, musíme určitým spôsobom brániť pohybu dislokácií. 👇

Kovové výrobky nemajú kryštálovú mriežku, ktorá by bola v celom ich objeme orientovaná jednotne, ale pozostávajú z veľkého množstva kryštálových zŕn s rôznou orientáciou. Je to spôsobené procesom tuhnutia kovu z kvapalného do pevného skupenstva, ktorý sa začína súčasne na mnohých miestach. Rôzne orientované kryštálové zrná v kvapalnom kove rastú smerom von, až kým sa nezrazia so susednými zrnami a celý kov neprejde do pevného skupenstva. Kryštálové zrná nie sú voľným okom viditeľné, zvyčajne nie sú väčšie ako desatina milimetra, ale možno ich pozorovať optickým mikroskopom. Na dvoch obrázkoch nižšie je znázornená kovová mikroštruktúra s mnohými kryštálovými zrnami v nedeformovanom stave (obrázok vľavo) a po výraznej plastickej deformácii (obrázok vpravo), keď kryštálové 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 voľným okom pozorujeme na makroskopickej úrovni.

Deformačné spevnenie

Deformačné spevňovanie je jav, pri ktorom sa medza plastickej deformácie materiálu zvyšuje so zvyšujúcou sa plastickou deformáciou. Je to spôsobené vznikom obrovského počtu nových dislokácií, ktoré sa pohybujú rôznymi smermi pozdĺž kryštálovej mriežky a navzájom bránia svojmu pohybu. 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 pri nadmernej plastickej deformácii môže výrobok 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 výrazná. 👇

Spevňovanie tuhého roztoku

Spevňovanie tuhého roztoku je mechanizmus, ktorý vysvetľuje, prečo sú zliatiny rôznych prvkov pevnejšie ako čisté kovy. Atómy prvkov pridaných k základnému prvku sa vkladajú do jeho kryštálovej mriežky, čím v dôsledku odlišnej veľkosti atómov vznikajú 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 ako 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 kryštálových zŕn. Usporiadané rozmiestnenie atómov v jednom kryštálovom zrne nepokračuje cez hranicu do susedného kryštálového zrna. Hranice kryštálových zŕn preto predstavujú prekážky pohybu dislokácií a následne tiež bránia plastickej deformácii (obrázok nižšie). Kryštálové zrná sa zvyčajne vyskytujú vo veľkostnom rozsahu 0,001 až 0,1 milimetra. Čím sú zrná menšie, tým viac hraníc sa nachádza v jednotke objemu a tým viac bránia pohybu dislokácií. Tento mechanizmus spevňovania vysvetľuje, prečo sú kuchynské nože s jemnozrnnou štruktúrou, ako 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 kalenia je existencia čistého kovu v dvoch typoch kryštálových mriežok pri rôznych teplotách. Pri izbovej teplote sa železo nachádza v kubickej priestorovo centrovanej kryštálovej mriežke, ktorá sa pri teplote približne 730 stupňov Celzia mení na kubickú plošne centrovanú 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 ochladí z vysokej teploty (nad 730 stupňov Celzia) dostatočne rýchlo, 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 v kryštálovej mriežke vnútorné napätia, 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 chladenia, ktorú určuje voľba 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 kvalitné kuchynské nože. 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. Je tiež dôležité poznamenať, že všetky opísané mechanizmy spevňovania pri zvýšených teplotách napokon zlyhávajú, pretože všetky atómy a následne 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 pôsobením vonkajších síl.
➨ Medza pevnosti v ťahu: maximálne napätie, ktoré materiál dokáže zniesť pri naťahovaní alebo ťahaní pred porušením.
➨ Tvrdosť: odolnosť materiálu proti vtlačeniu 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.
➨ Tažnosť: miera, do akej môže materiál odolávať plastickej deformácii pri ťahovom napätí pred porušením. Čím väčšiu deformáciu materiál dokáže zniesť bez porušenia v dôsledku krehkosti, tým je ťažnejší.
➨ 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, ako napríklad atómy, sú usporiadané vo vysoko usporiadaných mikroskopických štruktúrach alebo základných bunkách. Tieto bunky sa periodicky opakujú v trojrozmernej kryštálovej mriežke a majú symetrické vlastnosti.
➨ Dislokácie: lineárna kryštalografická porucha alebo nepravidelnosť v kryštálovej štruktúre, ktorá obsahuje náhlu zmenu v usporiadaní atómov. Najväčší význam majú pri kovových materiáloch, pretože umožňujú plastickú deformáciu pri relatívne malom napätí.
➨ Deformačné spevnenie: spevňovanie kovu plastickou deformáciou. K tomuto spevneniu dochádza v dôsledku pohybu a vzniku dislokácií v kryštálovej štruktúre materiálu.
➨ Kovanie: tvarovanie kovu, pri ktorom sa plastická deformácia spôsobuje 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, MSc v odbore strojárstvo
Obrázky: Callister, William D. a Jr., Rethwisch, David G. 2014. Materials Science and Engineering: An Introduction. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.