Legovaním za lepšími vlastnosťami ocelí

Prrr, v úvodnom odseku sme sa trochu rozbehli. Skôr, než sa vrhneme na výpisy prvkov a premúdrelé rozbory, vdýchneme do seba trochu teórie a terminológie!

Na začiatku všetkého máme surové železo (Fe), uhlík (C) a niekoľko sprievodných prvkov. Vždy je to mangán (Mn) a z menšej časti kremík (Si). Tavením vo vysokých peciach tak výsledne vzniká zliatina železa, uhlíka a spomínaných prvkov, ktorej hovoríme oceľ. Len pre doplnenie - oceľ je s obsahom uhlíka do 2,14%, potom sa jedná o liatinu.

Bohužiaľ sa beh výroby ocele, a tak aj výsledný materiál, nezaobíde bez škodlivín, ktoré nám všetko trochu ničí. Škodlivé prvky - síra (S), fosfor (P), dusík (N), vodík (H), kyslík (O) a ďalšie, sa do ocele dostávajú mnohými spôsobmi. Niektoré (síra, fosfor) sú obsiahnuté už v rude, iné v palive, alebo atmosfére. Podľa diagramu FEC potom dostávame výsledný produkt, teda oceľ.

Takto zjednodušený postup nám vyprodukuje oceľ triedy 10, teda konštrukčný, najzákladnejšie typ, ktorý poznáme. Takéto ocele, napríklad 1050, 1095 a podobné, sú náchylné ku korózii, húževnaté, tvrdé, ale pre nože nie sú najlepšou voľbou. Oceľ by tak potrebovala trochu vylepšiť. A viete, ako sa to robí? Áno, teraz prichádza sľubovaný bod, ktorému sa hovorí legovanie!

Zamiešame, okoreníme a BOOM, najskvostnejšie zo skvostných je tu!

Stavil by som svoju česť na to, že veľa z vás nebude vedieť, čo to vlastne legovanie je. Legovanie je metalurgický proces zlepšovania vlastností zliatin. Nepoužíva sa len pri oceli, mohli by sme ho vidieť napríklad v zlatníctve. Zliatinové prvky sa odborne nazývajú legúry. Do zliatiny sa pridávajú buď už pri vsázce, teda keď sú všetky prvky ešte v pevnom skupenstve, alebo sa sypú priamo do roztaveného materiálu v peci. Legované materiály môžeme rozdeliť na tri základné skupiny

• Nízko legované: obsah legúr je do 5%
• Stredne legované: obsah legúr od 5% do 10%
• Vysoko legované: obsah legúr nad 10%

Medzi legované ocele patrí prakticky ocele všetkých tried okrem 10. Narazili by sme tu na ocele vysoko uhlíkové nástrojové, ako je D2, alebo nerezové typu 420HC, či AUS-8A. U oboch typov ocelí hrá dôležitú úlohu chróm, ale aj vanád. Pozor, prichádza otázka: ,,Môžeme teda povedať, že stačí vziať pár prvkov kovu, nahádzať ich do taveniny, ako pečeňové knedličky do vývaru a TRESK, máme na svete materiál najlepších vlastností?" Kiež by, kiež by! Každý materiál je výsledkom dlhých rokov výskumu, mnohých popísaných tabúľ a prebdených nocí. Pri tvorbe a legovaniu sa musí dávať pozor na tvorbu kryštálovej mriežky, jemnosti zŕn, prekaliteľnosti a veľa, veľa ďalších premenných. To sú však témy pre iný článok. Nás by teraz zaujímalo, aké sú vlastne tie legované prvky a čo vie. Je to tak?

Nešťastné číslo so šťastnými konci

Prečo nešťastné číslo? Legujúcich prvkov je celkom 13, čo pre mnoho z nás je číslo predstavujúce istý stereotyp. V tomto prípade je všetko trochu inak. Poďme sa pozrieť, aké prvky nám v tomto prípade šťastnú trinástku zastupujú.

Mangán (Mn)

Tento svetlo sivý kov je veľmi tvrdý, ale zároveň pomerne krehký. Teplota topenia sa pohybuje okolo 1245OC. Jedná sa o najlacnejší a najdostupnejší legovací prvok. Zaujímavosťou je, že sa v prírode vyskytuje takmer vždy s rudami železa. Pridáva sa do základnej taveniny, ale aj ako legovací prvok. Viaže na seba síru, čím jej obmedzuje v jej degradačných dopadoch na výsledný materiál. Mangán zvyšuje pevnosť bez ujmy na plasticite, čo je veľmi dôležité. Zvyšuje prekaliteľnosť.

Chróm (Cr)

Svetlo biely, veľmi lesklý prvok. V zemskej kôre je pomerne častý. Podobne ako mangán sa vyskytuje spolu s rudami železa. Jedná sa o najtvrdší elementárny kov v periodickej tabuľke. Má mimoriadne nízku reaktivitu a chemickú odolnosť. Vďaka tomu pôsobí ako legovací prvok predovšetkým na odolnosť voči korózii, pevnosť, tvrdosť a prekaliteľnosť. Zaujímavosťou je, že je to práve prítomnosť chrómu, ktorá môže u rubínov a smaragdu za ich zafarbenie.

Molybdén (Mo)

Molybdén zaznamenávame predovšetkým u superzliatin. Ako prvok je šedobiely a veľmi lesklý. Vyznačuje sa vysokou tvrdosťou a odolnosťou voči vode - s vodíkom vôbec nereaguje, teda nevytvára žiadne hydridy. Podobne ako predchádzajúce prvky, aj molybdén zvyšuje prekaliteľnosť. Spolu s ňou aj rezivosť materiálu, odolnosť proti korózii a ďalším vplyvom. Jeho teplota topenia je za 2600OC. Teda zvyšuje žiarupevnosť. Na zemi je pomerne vzácny.

Nikel (Ni)

Pomerne ľahký prvok, ktorým nikel bezpochyby je, je v zemskej kôre hojne zastúpený. Je šedobiely, silne lesklý a skvele leštiteľný. Nikel je skvele tvarovateľný. Dá sa kovať, valcovať, vyťahovať atď. Ako legúr zjemňuje kryštalizácii. Ak sa vyskytuje s chrómom, pôsobí na plasticitu, húževnatosť a prekaliteľnosť. Jeho užívanie sa bohužiaľ postupne znižuje, pretože je veľmi toxický.

Kremík (Si)

V tomto prípade sa bavíme o polokove. Na rozdiel od vyššie zmienených sa používa hojne aj v ostatných technologických odvetviach, a nielen v metalurgii a legovaniu. Je pomerne tvrdý, má dobrú afinitu ku kyslíku. Vďaka tomu zvyšuje odolnosť voči oxidácii a bodovej korózii. Má priaznivý vplyv na obmedzenie nízkoteplotné popúšťacie krehkosti.

Volfrám (W)

Tento pomerne vzácny kov má jednu neuveriteľnú vlastnosť. Nielen, že je veľmi ťažký a ľahostajný voči pôsobeniu vody, navyše má najvyššiu teplotu tavenia zo všetkých kovov a druhú najvyššiu v celej periodickej tabuľke. Prvý je uhlík s teplotou 3642OC, hneď za ním Volfrám s 3422OC. Zlepšuje kaliteľnosť, zvyšuje opotrebenie pri vysokej teplote, zlepšuje rezivosť, stálosť a tvrdosť ostria.

Vanád (V)

Vanád je najrozšírenejší prvok v zemskej kôre. Ide o tvrdý, šedobiely kov s pomerne vysokou teplotou topenia (na wolfram má však ďaleko). Ako legúr zlepšuje únavové vlastnosti, zvyšuje medzu pružnosti a rezivosť.

Bór (B)

Podobne, ako kremík, je aj bór polokov. Jeho elementárne skupenstvo sa v prírode prakticky nevyskytuje. Iba vo forme zlúčenín. Jeho obrovskou výhodou je tvrdosť, kde dosahuje hodnoty 9,3/10 v Mohsove stupnici tvrdosti (Korund má 9, diamant 10). U austenitických ocelí má priaznivý vplyv na pevnosti pri vyšších teplotách.

Hliník (Al)

Tak ten všetci poznáme. Koľko ja som ho vytrhal z múrov, keď som robil novú elektroinštaláciu. Nechce niekto na čepeľ? Hliník sa používa predovšetkým pre jeho skvelé vlastnosti, ktoré znižujú náchylnosť k starnutiu. Ako materiál je šedostrieborný, mäkký a zároveň toxický.

Cer (Ce)

Značne mäkký, sivasto-biely prvok zo skupiny lantanoidov. Ako prvok je cer pomerne nestály. Po styku so vzdušným kyslíkom horí, po styku s vodou vzniká plynný vodík. V metalurgii sa užíva ako odkysličovadlo a pre odsírenie.

Kobalt (Co)

Namodralý, feromagnetický, tvrdý kov šedostriebornej farby. U zliatin zvyšuje rezivosť.

Meď (Cu)

Podobne ako hliník je aj meď veľmi známa. Jedná sa o relatívne mäkký ušľachtilý kov červenkastý. Má skvelé vodivé vlastnosti a človekom sa užíva už od pradávna (cca 3tis rokov pnl). Ako legúr zlepšuje prekaliteľnosť a odolnosť voči atmosférickej korózii.

Niób (Ni) a Tantal (Ta)

Tieto dva prvky sa vyskytujú spoločne. Ťažko sa oddeľujú vďaka ich veľkej podobnosti. Užívajú sa pre zvýšenie pevnosti za tepla.

Ako je vidieť, prvky sú niektoré viac použiteľné, niektoré menej. O tom svedčí aj zastúpenie u nožiarskych ocelí a ostatných materiálov. Najskôr ani nenarazíme na vysoko legovanú oceľ, ktorá by mala všetkých 13 prvkov vo vyššom zastúpení. To skrátka nedá. Sú však niektoré vysoko legované, ktoré stoja za spomenutie.

S uhlíkom je to lepšie

Zvolil som si pre znárornění 2 ocele. Prvá je moja obľúbená nerezová oceľ S35VN, druhou je vysoko uhlíková a legovaná oceľ D-2. Obe sú veľmi kvalitné a používané v nožírstve. Môžeme ich zaznamenať u firiem Zero tolerancie, Benchmade a ďalších. Dosť ale omáčky, poďme na vec!

S35VN

Ide o nerezovú oceľ vyrobenú práškovou metalurgiou. Je veľmi odolná voči korózii, dobre drží ostrie, je húževnatá a skvele odolná voči vylamovaniu ostria. Zároveň sa dobre brúsi a dosahuje až 60HRC. Zabudnime chvíľku na metódu výroby, ktorá ocele pridáva mnoho konkurenčných výhod a poďme sa pozrieť na zloženie.

Ako môžeme z názvu vytušiť, S35VN je podľa S - Stainless, nerezová so zmenou na vanádu (V) a nióbu (Nb). Tým sa líši od svojej predchádzajúcej verzie S30, ale o tom až inokedy. Oceľ je vysoko legovaná s obsahom uhlíka 1,34%. K vysokému obsahu uhlíka sa pridáva 14% chrómu, 2% molybdénu, 3% vanádu, 0,58% nióbu, 0,5% kobaltu, 0,4% niklu, 0,4% volfrámu, 0,5% mangánu, 0, 5% kremíka a omrvinky nechceného fosforu a síry.

Môžeme z týchto údajov určiť vlastnosti materiálu? Samozrejme, že môžeme. Veľké zastúpenie chrómu dodáva skvelú odolnosť voči korózii, nikel zaručuje dobrú leštiteľnosť, kobalt s nióbom sa starajú o tvrdosť ostria, volfrám o odolnosť proti vyšším teplotám. Dohromady tieto nástroje tvoria absolútnu sinfoniu, ktorá je balzamom pre každého milovníka kvalitných nožov.

D2

Nástrojová zápustková oceľ pre kovanie za studena. Čo nám to hovorí? Tahle oceľ toho znesie toľko, že by iné ocele už dávno zaujali formu neurčitej placky. Pri kovaní za studena vznikajú tak obrovské sily, ktoré by ľahko knockoutovaly Vladimíra Kľučka a poslali ho do penzie skôr ako Anthony Joshua.

Ak by sme sa pozreli na zastúpenie legúr, hneď za 1,6% uhlíka nájdeme 11,5% chrómu, 1% vanádu, 0,3% mangánu, 0,8% molybdénu a 0,3% kremíka. Samozrejme aj fosfor a síru. Oproti S35VN tu vidíme značne menšie zastúpenie legúr a to ako do objemu, tak do počtu. Vyšší obsah uhlíka a trochu iný postup výroby však dodáva ocele jednu základnú výhodu nad ostatnými - tvrdosť. Chróm sa klasicky stará o dobrú prekaliteľnosť a vysokú odolnosť voči korózii, vanád o odolnosť, molybdén o rezivosť. Všetko sa to pekne zmieša a vhodným výrobným postupom spracuje. Výsledok? Tadá, máme tu oceľ D2, ktorá je medzi výrobcami veľmi obľúbená. Je to predovšetkým jej odolnosť, ktorú si každý zamiluje.

Čo sme sa teda dozvedeli?

Už chápete moje úvodné porekadlo voči klasickým uhlíkovým oceliam? Neberte ma zle, ja nehovorím, že sú nepoužiteľné. Len s trochou vhodných prísad môžeme mať z niečoho ako je 1095 napríklad spomínanú D2. Legovací prvky odovzdávajú ocele veľa vlastností. Pomáhajú kryštálovej mriežke, ovplyvňujú kvalitu a veľkosť zŕn, starajú sa o väčšinu kladov a odstraňujú mnoho záporov. Výsledkom je však vždy materiál omnoho ušľachtilejší. Preto odporúčam - zainvestujte a kúpte si nôž z nástrojovej, alebo nerezovej ocele. Budete nadšení.

Veľa vecí som zjednodušil a ďalšiu kopou som nechcel článok zbytočne naťahovať. Aj tak je však výsledok jasný. Legujte, legujte a legujte. Svet je potom o dosť krajší!