Legováním za lepšími vlastnostmi ocelí

Prrr, v úvodním odstavci jsme se trochu rozjeli. Dříve, než se vrhneme na výpisy prvků a přemoudřelé rozbory, vdechněme do sebe trochu teorie a terminologie!

Na začátku všeho máme surové železo (Fe), uhlík (C) a několik doprovodných prvků. Vždy je to mangan (Mn) a z menší části křemík (Si). Tavením ve vysokých pecích tak výsledně vzniká slitina železa, uhlíku a zmíněných prvků, které říkáme ocel. Jen pro doplnění – ocel je s obsahem uhlíku do 2,14%, pak se jedná o litinu.

Bohužel se běh výroby oceli, a tak i výsledný materiál, neobejde bez škodlivin, které nám vše trochu ničí. Škodlivé prvky - síra (S), fosfor (P), dusík (N), vodík (H), kyslík (O) a další, se do oceli dostávají mnoha způsoby. Některé (síra, fosfor) jsou obsaženy už v rudě, jiné v palivu, nebo atmosféře. Podle diagramu FeC pak dostáváme výsledný produkt, tedy ocel.

Takto zjednodušený postup nám vyprodukuje ocel třídy 10, tedy konstrukční, nejzákladnější typ, který známe. Takové oceli, například 1050, 1095 a podobné, jsou náchylné ke korozi, houževnaté, tvrdé, ale pro nože nejsou nejlepší volbou. Ocel by tak potřebovala trochu vylepšit. A víte, jak se to dělá? Ano, nyní přichází slibovaný bod, kterému se říká legování!

Zamícháme, opepříme a BOOM, nejskvostnější ze skvostných je tu!

Vsadil bych svoji čest na to, že mnoho z vás nebude vědět, co to vlastně legování je. Legování, je metalurgický proces zlepšování vlastností slitin. Nepoužívá se jen u oceli, mohli bychom ho vidět například ve zlatnictví. Legovací prvky se odborně nazývají legury. Do slitiny se přidávají buď již při vsázce, tedy když jsou všechny prvky ještě v pevném skupenství, nebo se sypou přímo do roztaveného materiálu v peci. Legované materiály můžeme rozdělit na tři základní skupiny

• Nízko legované: obsah legur je do 5%
• Středně legované: obsah legur od 5% do 10%
• Vysoce legované: obsah legur nad 10%

Mezi legované oceli patří prakticky oceli všech tříd kromě 10. Narazili bychom tu na oceli vysoko uhlíkové nástrojové, jako je D2, nebo nerezové typu 420HC, či AUS-8A. U obou typů ocelí hraje důležitou roli chrom, ale také vanad. Pozor, přichází otázka: ,,Můžeme tedy říct, že stačí vzít pár prvků kovu, naházet je do taveniny, jako játrové knedlíčky do vývaru a PRÁSK, máme na světě materiál nejlepších vlastností?“ Kéž by, kéž by! Každý materiál je výsledkem dlouhých let výzkumu, mnoha popsaných tabulí a probdělých nocí. Při tvorbě a legování se musí dávat pozor na tvorbu krystalové mřížky, jemnosti zrn, prokalitelnost a spoustu, spoustu dalších proměnných. To jsou však témata pro jiný článek. Nás by teď zajímalo, jaké jsou vlastně ty legující prvky a co umí. Je to tak?

Nešťastné číslo se šťastnými konci

Proč nešťastné číslo? Legujících prvků je celkem 13, což pro mnoho z nás je číslo představující jistý stereotyp. V tomto případě je vše trochu jinak. Pojďme se podívat, jaké prvky nám, v tomto případě šťastnou třináctku zastupují.

Mangan (Mn)

Tento světle šedý kov je velmi tvrdý, ale zároveň poměrně křehký. Teplota tání se pohybuje kolem 1245OC. Jedná se o nejlevnější a nejdostupnější legující prvek. Zajímavostí je, že se v přírodě vyskytuje téměř vždy s rudami železa. Přidává se do základní taveniny, ale i jako legující prvek. Váže na sebe síru, čímž jí omezuje v jejích degradačních dopadech na výsledný materiál. Mangan zvyšuje pevnost bez újmy na plasticitě, což je velmi důležité. Zvyšuje prokalitelnost.

Chrom (Cr)

Světle bílý, velmi lesklý prvek. V zemské kůře je poměrně častý. Podobně jako mangan se vyskytuje spolu s rudami železa. Jedná se o nejtvrdší elementární kov v periodické tabulce. Má mimořádně nízkou reaktivitu a chemickou odolnost. Díky tomu působí jako legující prvek především na odolnost vůči korozi, pevnost, tvrdost a prokalitelnost. Zajímavostí je, že je to právě přítomnost chromu, které může u rubínů a smaragdu za jejich zabarvení.

Molybden (Mo)

Molybden zaznamenáváme především u vysoce legovaných slitin. Jako prvek je šedobílý a velmi lesklý. Vyznačuje se vysokou tvrdostí a odolností vůči vodě – s vodíkem vůbec nereaguje, tedy nevytváří žádné hydridy. Podobně jako předchozí prvky, i molybden zvyšuje prokalitelnost. Spolu s ní i řezivost materiálu, odolnost proti korozi a dalším vlivům. Jeho teplota tání je za 2600OC. Tedy zvyšuje žárupevnost. Na zemi je poměrně vzácný.

Nikl (Ni)

Poměrně lehký prvek, kterým nikl bezesporu je, je v zemské kůře hojně zastoupen. Je šedobílý, silně lesklý a skvěle leštitelný. Nikl je skvěle tvářitelný. Dá se kovat, válcovat, vytahovat atd. Jakožto legura zjemňuje krystalizaci. Pokud se vyskytuje s chromem, působí na plasticitu, houževnatost a prokalitelnost. Jeho užívání se bohužel postupně snižuje, jelikož je velmi toxický.

Křemík (Si)

V tomto případě se bavíme o polokovu. Na rozdíl od výše zmíněných se používá hojně i v ostatních technologických odvětvích, a nejen v metalurgii a legování.  Je poměrně tvrdý, má dobrou afinitu ke kyslíku. Díky tomu zvyšuje odolnost vůči oxidaci a bodové korozi. Má příznivý vliv na omezení nízkoteplotní popouštěcí křehkosti.

Wolfram (W)

Tento poměrně vzácný kov má jednu neuvěřitelnou vlastnost. Nejen, že je velmi těžký a netečný vůči působení vody, navíc má nejvyšší teplotu tání ze všech kovů a druhou nejvyšší v celé periodické tabulce. První je uhlík s teplotou 3642OC, hned za ním Wolfram s 3422OC. Zlepšuje kalitelnost, zvyšuje opotřebení při vysoké teplotě, zlepšuje řezivost, stálost a tvrdost ostří.

Vanad (V)

Vanad je nejrozšířenější prvek ve zemské kůře. Jedná se o tvrdý, šedobílý kov s poměrně vysokou teplotou tání (na wolfram má však daleko). Jako legura zlepšuje únavové vlastnosti, zvyšuje mez pružnosti a řezivost.

Bór (B)

Podobně, jako křemík, je i bór polokovem. Jeho elementární skupenství se v přírodě prakticky nevyskytuje. Pouze ve formě sloučenin. Jeho obrovskou výhodou je tvrdost, kde dosahuje hodnot 9,3/10 v Mohsobě stupnici tvrdosti (Korund má 9, diamant 10). U austenitických ocelí má příznivý vliv na pevnosti při vyšších teplotách.

Hliník (Al)

Tak ten všichni známe. Kolik já jsem ho vytrhal ze zdí, když jsem dělal novou elektroinstalaci. Nechce někdo na čepel? Hliník se používá především pro jeho skvělé vlastnosti, které snižují náchylnost ke stárnutí. Jakožto materiál je šedostříbrný, měkký a zároveň toxický.

Cer (Ce)

Značně měkký, šedavě-bílý prvek ze skupiny lanthanoidů. Jakožto prvek je cer poměrně nestálý. Po styku se vzdušným kyslíkem hoří, po styku s vodou vzniká plynný vodík. V metalurgii se užívá jako odkysličovadlo a pro odsíření.

Kobalt (Co)

Namodralý, feromagnetický, tvrdý kov šedostříbrné barvy. U slitin zvyšuje řezivost.

Měď (Cu)

Podobně jako hliník, je i měď velmi známá. Jedná se o relativně měkký ušlechtilý kov načervenalé barvy. Má skvělé vodivé vlastnosti a člověkem se užívá již od pradávna (cca 3tis let př.nl.). Jako legura zlepšuje prokalitelnost a odolnost vůči atmosférické korozi.

Niob (Ni) a Tanta (Ta)

Tyto dva prvky se vyskytují společně. Těžko se oddělují díky jejich velké podobnosti. Užívají se pro zvýšení pevnosti za tepla.

Jak je vidět, prvky jsou některé více použitelné, některé méně. O tom svědčí i zastoupení u nožířských ocelí a ostatních materiálů. Nejspíš ani nenarazíme na vysoce legovanou ocel, která by měla všech 13 prvků ve vyšším zastoupení. To zkrátka nelze. Jsou však některé vysoce legované, které stojí za zmínění.

S uhlíkem je to lepší

Zvolil jsem si pro znárornění 2 oceli. První je moje oblíbená nerezová ocel S35VN, druhou je vysoce uhlíková a legovaná ocel D-2. Obě jsou velmi kvalitní a užívané v nožířství. Můžeme je zaznamenat u firem Zero tolerance, Benchmade a dalších. Dost ale omáčky, pojďme na věc!

S35VN

Jedná se o nerezovou ocel vyrobenou práškovou metalurgií. Je velmi odolná vůči korozi, dobře drží ostří, je houževnatá a skvěle odolná vůči vylamování ostří. Zároveň se dobře brousí a dosahuje až 60HRC. Zapomeňme chvilku na metodu výroby, která oceli přidává mnoho konkurenčních výhod a pojďme se podívat na složení.

Jak můžeme z názvu vytušit, S35VN je podle S – Stainless, nerezová se změnou na vanadu (V) a niobu (Nb). Tím se liší od svojí předchozí verze S30, ale o tom až jindy. Ocel je vysoce legovaná s obsahem uhlíku 1,34%. K vysokému obsahu uhlíku se přidává 14% chromu, 2% molybdenu, 3% vanadu, 0,58% niobu, 0,5% kobaltu, 0,4% niklu, 0,4% wolframu, 0,5% manganu, 0,5% křemíku a drobky nechtěného fosforu a síry.

Můžeme z těchto údajů určit vlastnosti materiálu? Samozřejmě že můžeme. Velké zastoupení chromu dodává skvělou odolnost vůči korozi, nikl zaručuje dobrou leštitelnost, kobalt s niobem se starají o tvrdost ostří, wolfram o odolnost proti vyšším teplotám. Dohromady tyto nástroje tvoří naprostou sinfonii, která je balzámem pro každého milovníka kvalitních nožů.

D2

Nástrojová zápustková ocel pro kování za studena. Co nám to říká? Tahle ocel toho snese tolik, že by jiné oceli už dávno zaujaly formu neurčité placky. Při kování za studena vznikají tak obrovské síly, které by snadno knockoutovaly vladimíra klička a poslaly ho do penze dříve než Anthony Joshua.

Pokud bychom se podívali na zastoupení legur, hned za 1,6% uhlíku nalezneme 11,5% chromu, 1% vanadu, 0,3% manganu, 0,8% molybdenu a 0,3% křemíku. Samozřejmě i fosfor a síru. Oproti S35VN zde vidíme značně menší zastoupení legur a to jak do objemu, tak do počtu. Vyšší obsah uhlíku a trochu jiný postup výroby však dodává oceli jednu základní výhodu nad ostatními – tvrdost. Chrom se klasicky stará o dobrou prokalitelnost a vysokou odolnost vůči korozi, vanad o odolnost, molybden o řezivost. Všechno se to hezky smíchá a vhodným výrobním postupem zpracuje. Výsledek? Tadá, máme tu ocel D2, která je mezi výrobci velmi oblíbená. Je to především její odolnost, kterou si každý zamiluje.

Co jsme se tedy dozvěděli?

Už chápete moje úvodní rčení vůči klasickým uhlíkovým ocelím? Neberte mě špatně, já neříkám, že jsou nepoužitelné. Jen s trochou vhodných přísad můžeme mít z něčeho jako je 1095 například zmíněnou D2. Legující prvky předávají oceli spoustu vlastností. Pomáhají krystalové mřížce, ovlivňují kvalitu a velikost zrn, starají se o většinu kladů a odstraňují mnoho záporů. Výsledkem je však vždy materiál mnohem ušlechtilejší. Proto doporučuji – zainvestujte a kupte si nůž z nástrojové, nebo nerezové oceli. Budete nadšeni.

Mnoho věcí jsem zjednodušil a další kopou jsem nechtěl článek zbytečně natahovat. I tak je však výsledek jasný. Legujte, legujte a legujte. Svět je pak o dost hezčí!