Késeink acéljai – Hegyespenge

Késeink acéljai
Hegyes Sándor – hegyespenge@gmail.com
 
Számtalan bizonytalan információval szembesül szinte mindenki, aki elkezdi az ismerkedést a kések világával. Ezeknek a bizonytalan információknak jelentős része az acélokra vonatkozik. Nyilván a teljesség igényével ezeket a bizonytalanságokat egy ekkora adatmennyiséggel rendelkező tudomány esetén képtelenség lenne eloszlatni egyetlen cikk terjedelmén belül. Még akkor is, ha a kések szempontjából bennünket érintő rész csupán egy parányi szeletkéje ennek a tudománynak. Ezért ennek az írásnak a célja sem több, mint megadni az első lépéseket a további tanuláshoz.

 
 
Csoportosítások
„Akkor ez most szénacél, vagy rozsdaálló?” Tette fel a kérdést egy kések terén egyébként nem kezdő ismerősöm korábban. (A Vanadis 4-ről volt szó.) Akkor pár szóval nehéz volt elmagyaráznom, hogy egyik sem.
Az acélgyártásban az acélokat felhasználási területeik alapján csoportosítják. Ezen belül néhol rendeltetésük, ötvözöttségük mértéke és (vagy) más tulajdonságuk alapján kapják meg az elnevezésüket. Az (MSZ) A60 jelű acél pl. egy általános rendeltetésű ötvözetlen szerkezeti acél. De beszélhetünk betétben edzhető, nemesíhető, vagy automataacélokról is, és még hosszan folytathatnám a sort. Azok az acélok, amelyek bennünket érdekelnek, az acélgyártásnak csak egy nagyon szűk részét képezik. Késkészítésre alkalmasak lehetnek a különféle szerszámacélok (ötvözetlen, alacsonyan, közepesen, vagy erősen ötvözött), a gyorsacélok, műanyagformaacélok, különleges acélok (pl. korrózióálló krómacélok), és számos porkohászati eljárással készített korszerű alapanyag is, amelyek ma már a legfontosabb ipari területeken megtalálhatóak.
„Szénacél” néven az ötvözetlen szerszámacélokat érthetjük, de amint a szénen kívül más ötvöző is megjelenik (kivéve a Si 0,4 %-ig, és a Mn 0,8 %-ig, mert ezek ebben a mértékben csak kísérőanyagok), akkor már valamilyen más besorolásba kerül. Ötvözetlen szerszámacél pl. az (MSZ) S7, S8, S9, (stb.), vagy az amerikai 1085, 1095 (stb.).
Tovább bonyolítja a dolgot, hogy felhasználási besorolásuk (és ötvözöttségük) szerint a szerszámacélok lehetnek hidegmunkaacélok, melegmunkaacélok is, és egy adott anyag ahány szabványban előfordul, annyiféle jelölés létezik rá.
 
Elnevezések
Az acélok elnevezéseiről érdemes tudni, hogy egyes anyagoknak valóban csak egyféle nevük van. Ezek könnyen azonosíthatóak, mivel egyetlen gyár készíti őket. Ilyen pl. a svéd Uddeholmnál készített Sleipner, vagy az osztrák Böhlernél gyártott N690. Általánosságban azonban a késkészítésben népszerűbb acélok nagy része előfordulhat több gyártó kínálatában is. Ha még nem találkoztunk vele, elbizonytalaníthat bennünket egy olyan jelölés, mint az X155CrVMo12-1 (DIN), vagy az 1.2379 (W. Nr.), vagy a K8 (MSZ), vagy a K110 (Böhler), vagy a Sverker 21 (Uddeholm), vagy a OCR12VM (Ravne), pedig valamennyi jelzés az amerikai AISI szabvány D2 jelű acélját takarja lényegében. (Ennél sokkal több jelölése létezik, ezek csak az ismertebbek!) Azért írom, hogy lényegében, mert szinte valamennyi gyártó „D2”-es acélja tartalmaz legalább pár részletet, ami csak arra a gyártóra vonatkozik, és ha az összetétel meg is egyezik (ez is ritka), a gyártó készítési munkafolyamatai bizonyosan eltérőek némileg. Ennek többféle jelentősége is lehet. Különösen a készítők részére, amikor mondjuk a Sverker 21-ről áttérünk a Böhler K110-re, az elvileg ugyanolyan acél a hőkezelés során valószínűleg nem pontosan ugyanúgy viselkedik majd, mint ahogy megszoktuk! Persze gyakran a készítők így is, úgy is az AISI jelzést (D2) ütik bele a pengébe, ami bár közismertebb jel, mégis pontatlanabb.
A D2-nél még talán ez nem is olyan nagy gond, ha nem egy magasabb minőségű acélt (mint amilyen a „Spray Forming” eljárással készített Sverker SF, vagy a porkohászati úton előállított CPM D2) jelölünk így, mert az összetétele alapján ennek hittük. Sokkal markánsabb hiba pl. Magyarországon a „440B” jelölés alkalmazása. Nálunk a Böhler N685 EXTRA elnevezésű acélt szokás ezzel az AISI jellel minősíteni, pedig a Böhler anyag a magasabb molibdéntartalmon túl egy kevés vanádiumot is kapott, ami egyértelműen jobb éltartásúvá teszi. Ehhez még hozzájön a Böhler többirányú hengerlési eljárása, ISOEXTRA jel esetén pedig egy elektrosalakos átolvasztás is! Ez az acél az amerikai 440B-nél lényegesen jobb, ezért kár erőltetni a közismertebb jelöléseket.
 
Mi van a jel mögött?
Maradjunk a már említett D2-nél! Ha az MSZ (Magyar Szabvány) besorolását nézzük, akkor a K8 egy krómötvözésű szerszámacél. Ez alapján eléggé szegényes kép alakulhat ki bennünk arról, hogy mi van benne, mit várhatunk tőle. Ennél sokkal használhatóbb a német DIN szabvány X155CrVMo12-1 jele, amelyben utalást találunk a főbb ötvözőkre, méghozzá a sor azzal indul, amelyikből a legtöbb van benne, az előttük levő szám pedig a széntartalmat jelzi (1,55%).
Mit jelent akkor az 1.2379? Ez sem egy logikátlan számsor, a 23-al kezdődő acélok CrMoV ötvözésűek, de a W.Nr. (Werkstoff-Nummer, egy közmegegyezésen alapuló ipari nyersanyag-jelölő számozás) szabvány többi jelölése is ilyen besorolást takar. 25-el a WCrV ötvözésű acélok kezdődnek, 35-el pl. a csapágyacélok és így tovább. A másik két szám a besoroláson belüli azonosító. A legelején az „1.” egyszerűen azt jelenti, hogy acél. A „2.” már a nikkelötvözetek előtt van.
A Böhlernél a K110 jelzésből annyi derülhet ki az elején, hogy egy hidegmunkaacélról van szó („K”), tehát abban a listában keresendő.
Valamennyi szabványnak megvan a maga logikája, de nem biztos, hogy ennél mélyebben érdemes belemerülni. A lényeg, hogy a jelzés segítségével ismereteket szerezhessünk az adott acél tulajdonságairól, hőkezelési előírásairól, összetételéről.
 
Az összetétel
Nézzünk meg néhány D2-es összetételt!

 

  C Si Mn Cr Mo V
D2 1,5 0,3 0,4 12 0,8 0,8
Más helyen 1,4-1,6 0,6 0,4 11-13 0,7-1,2 1,1
K110 1,55 0,25 0,35 11,8 0,8 0,95
Sverker 21 1,55 0,3 0,4 11,8 0,8 0,8
OCR12VM 1,53 0,35 0,4 12 1 0,85

 

Hát én nem találtam két egyformát…
Az jól látható a táblázatból hogy az ötvözők arányai, és a mennyiségek nagyságrendileg megegyeznek. Ezen túlmenően persze a legtöbb helyen, ahol volt adat erről az acélról, helyből megadtak többféle jelölést is, és rengeteg átfedést találtam. Tehát ha úgy általában vagyunk kíváncsiak a D2-re, akkor az igazság az valahol itt van, de ha én tudom, hogy a Böhlertől fogom megvenni, akkor a K110-re megadott tulajdonságokra számíthatok, és az általuk megadott hőkezelési utasítás szerint kell eljárnom!
Van még két adat, amit néhol megadnak, néhol nem. Ez a kén-, és a foszfortartalom. Ez a két anyag a szerszámacélokban rendszerint szennyező, így természetes, hogy nem említik az ötvözők között, de ha az összetételt adják meg, akkor illik jelölni ezeknek az anyagoknak a mennyiségét is.
 
Melyik ötvöző mit módosít?
A acélok alapvető meghatározása a széntartalmuk alapján történik, tehát acélnak nevezzük azt a vas-szén ötvözetet, amelynek széntartalma kb. 0,2 %-nál nagyobb (az edzhetőséghez legalább ennyire van szükség), de kb. 2 %-nál kisebb, mivel eddig a hozzávetőleges határig marad kellően képlékeny a megfelelően magas hőmérsékletű alakításhoz (kovácsolás, hengerlés). Ezek a határok nem élesek, de így tehetünk különbséget a lágyvasak (0,2 % C alatt), a nyers-, vagy öntöttvasak (2 % C felett), és az acélok között. Ezért is mondjuk úgy, hogy a csak szénnel ötvözött acél „ötvözetlen”.
A széntartalom alapjaiban meghatározza egy acél tulajdonságait. Ötvözetlen acéloknál a megadott széntartalom annyinak tekinthető, amennyi, de ahogy egyre több karbidképző ötvöző kerül egy acélba, úgy egyre több szén használódik fel a karbidok képződéséhez, az alapmennyiségből. Azt érdemes tudni, hogy a 0,8 %-os széntartalom egy kellemes állapota az acéloknak, mivel itt egy un. „eutektoidos” pont van, ami egy sor pozitív tulajdonságot eredményez az acélban. A legtöbb népszerű pengeacél esetében ezzel a (leginkább 1 % körüli, a megkötött mennyiség miatt) széntartalommal találkozhatunk. Kevesebb szén esetén szívósabb és könnyebben alakítható, magasabb széntartalom esetén keményebbre hőkezelhető acélt kapunk.
Az ötvözéssel leggyakrabban befolyásolni szándékozott tulajdonságok a következők:
Kopásállóság. Javítható több szénnel, egészen 0,6 %-ig. Fölötte már csak karbidképző ötvözők használatával együtt! A karbidképző ötvözők keménységük szerint sorba rendezhetőek, így a legkevésbé kemény karbidjai a mangánnak vannak (alig keményebb a vaskarbidnál), ezt követi a króm, a molibdén, a vanádium, a wolfram és a titán. Újabban találkozni a nióbium ötvözésű acélokkal is (Nb), karbidjai kb. vanádiumkarbid keménységűek. A karbidképző fémek fontos vonzata a karbidok mérete is. A vanádium-karbid apró méretű, a nióbium-karbid  még apróbb, ezért finomabb szövetet ad, mint pl. a nagyobb méretű mangán-, vas- vagy króm-karbid.
Átedzhetőség. Legnagyobb mértékben a króm befolyásolja, mivel erősen csökkenti az u.n. kritikus lehűlési sebességet, ami a kemény kopásálló, de rideg martenzites szövetszerkezet létrehozásához szükséges. Ahogy egyre több ötvöző kerül egy alapanyagba, úgy a tulajdonságai is egyre markánsabban változnak meg. Általánosságban az erősebben ötvözött acélok kevésbé intenzív hűtést igényelnek az edzés során, ami azt a kellemes tulajdonságot is eredményezi, hogy az acél külső és belső rétegei között kisebb lesz a keménységkülönbség, az anyag jobban átedződik. A kobalt hatása eltér ettől, ugyanis ez az ötvöző növeli a kritikus lehűlési sebességet.
Korrózióállóság. Szintén a króm az egyik legfontosabb ötvöző erre a célra. 13…14 %-os krómtartalom esetén a legtöbb acélt már „rozsdamentesnek” tekinthetjük, de ez valójában csak a durva rozsdásodástól való mentességet jelenti, foltkorróziót, vagy felületi elszíneződést még egészen magas (akár 20% körüli) krómtartalom esetén is tapasztalhatunk, különösen erősebb korrodáló hatású közegben (pl. tengervíz), vagy melegebb környezetben. Fokozza a felületi védettséget a nikkel (a saválló acélok legfontosabb ötvözője) és az alumínium is. A magasabb széntartalom rontja, az alacsonyabb javítja a korrózióállóságot, és martenzites acéloknál a hőkezelés is befolyásolja.
Szívósság. Ez két eltérő fogalmat is takar. Egyik a kipattogzással szembeni ellenállás (duktilitás), és csak a másik része a töréssel szembeni ellenállás (szívósság). A duktilitás befolyásolja a repedés keletkezését, a szívósság pedig a már meglévő repedés terjedési tulajdonságait. Tehát minél később keletkezik a repedés és az minél lassabban terjed, annál szívósabban viselkedik az acél.
A szívósság elsősorban a széntartalom csökkentésével fokozható, de a szilícium használatával megnövelhető az acélok folyáshatára (és ezzel a rugalmassága), valamint szemcsefinomító hatása miatt szintén pozitívan befolyásolja a szívósságot a nikkel, a molibdén, a vanádium (0,25 %-ig,) és a titán is. Ezen kívül a szemcseszerkezet durvulását akadályozza a wolfram is, míg a mangánnal ötvözött acélok kifejezetten hajlamosak a túlhevítés miatti szemcsedurvulásra, ezzel a szívósság romlására.
Melegszilárdság. Késeknél általában nincs nagy jelentősége, hacsak azért nem, mert mondjuk csak valami gyorsabb csiszológépen (köszörűn, flexen) tudjuk a késeink élezését megoldani, és előfordul, hogy az él „kissé” túlmelegszik. A wolfram, molibdén és a kobalt igen hasznos ötvöző ebből a szempontból. A wolfram és a molibdén rontja a hővezető képességet (a gyorsacélok alapvető ötvözői, és ez az oka a gyorsacélok komolyabb szakértelmet, és magasabb hőmérsékleteket igénylő hőkezelésének is), míg a kobalt úgy akadályozza a martenzit bomlását magasabb hőmérsékleten, hogy közben a hővezető képességet javítja, tehát a kobaltos szerszámok éle nehezebben melegszik, és nagyobb hőmérsékleten lágyul.
A kísérő-ötvözőanyagok (Mn, Si) jelentősége még az acél olvadék állapotában keresendő. Mindkettő dezoxidáló, a magán ezen túl kéntelenítő hatású is.
 
Hőkezelések
A megfelelő alapanyag önmagában csak az egyik feltétele a jó minőségű késnek. Legalább ennyire fontos a gondos hőkezelés, és az él kialakítása. E hármas együttesen nélkülözhetetlen az él kifogástalan munkaképességéhez. Az él geometriája nem ennek a cikknek a témája, de a hőkezelések jellegzetességeit érdemes megvizsgálni közelebbről.
A komolyabb gyártók hőkezelési leírásai szinte mindig a lágyítással kezdődnek. Ez nagyon fontos is, hiszen az acél gazdaságos megmunkálhatóságának a kulcsa ez a lehetőség. Nem véletlen, hogy a szerszámacélokat, gyorsacélokat (stb.) szinte mindig lágyított állapotban értékesítik. Az előkészített munkadarabhoz így is igen sokféle edzési módot választhatunk, a tervezett felhasználás, és a munkadarab adottságai (mérete, bonyolultsága) alapján.
A K110 lágyítása pl. a következő: „800-850 Celsiuson, majd szabályozott lassú kemencehűtés 10-20 Celsius/óra sebességgel kb. 600 Celsiusig, további hűtés levegőn.” Ettől némileg eltérhet a többi gyártó előírása, bár jó eséllyel a Sverker 21 is ki fog lágyulni, ha ezzel az eljárással próbálkozunk.
Feszültségmentesítés
Forgácsolás, vagy más nem magas hőmérsékleten végzett nagyoló
megmunkálás után alkalmazzák. Feszültségmentesítéskor a deformációk
lejátszódnak, így az ezt követő készremunkálás után az edzés már
várhatóan kisebb deformációval fog járni.
A Sverker 21 feszültségmentesítése a következőképpen történik: 650
Celsiuson 2 óra hőntartás, majd hűtés lassan 500 Celsiusig, onnan
szabad levegőn szobahőmérsékletig.
 
Edzés
Az edzés és a megeresztés együttesen adja meg az acél felhasználási keménységét és egyéb mechanikai tulajdonságait. A folyamat valamennyi lépését alapvetően meghatározza a hőkezelni kívánt alapanyag, annak mérete, alakja, és a tervezett felhasználása.
Maga az edzés több lépésre bontható. Mindegyik lépésnek megvannak a maga sajátosságai.
1. lépés
ausztenitesítés, azaz a hőkezelni kívánt acél felmelegítése annyira, hogy a szövetszerkezete átalakuljon ausztenitessé. A már fentebb említett eutektikus pont (0,8 % körüli széntartalomnál) ennél a műveletnél válik lényegessé, mivel az átkristályosodás itt igen gyorsan lejátszódik. A D2 magasabb széntartalma miatt az átkristályosodása hosszabb, elnyújtottabb folyamat, magasabb hőmérsékleten fejeződik be. Enélkül az átalakulás nélkül az edzés nem fog keménységnövekedést okozni, mivel a szövetszerkezet nem lesz képes martenzitessé válni. (Az ausztenit, martenzit, bainit, perlit, stb. mind a vas-szén ötvözetek egy-egy állapotának, szövetszerkezetének az elnevezései. Ezek mind eltérő tulajdonságú szövetelemek, a metallográfia alapfogalmai.)
Ez a hevítés egyszerűbb acélok esetén is legalább két lépésben történik. Lehetőleg nagyon lassan célszerű melegíteni a revésedési határig, majd onnan hirtelen fel a kívánt ausztenitesítési hőmérsékletre. A D2 már két előmelegítési lépcsőt kíván, de gyorsacéloknál gyakori a három lépcsős melegítés is!
Késpengék esetén (is) komoly veszélyforrás a túlhevítés, ami nagyon káros hatású lehet az acélra, a szemcseszerkezet eldurvulása miatt. Ezért érdemes az adott acélnál megadott tartományból a legalacsonyabb hőmérsékletre törekedni. Ez a tartomány a D2-nél 1030-1070 Celsius, tehát 1030-nál nem célszerű magasabb hőmérsékleten ausztenitesíteni. Mire a vastagabb részek elérik ezt a hőmérsékletet, a vágóél környéke még akár túl is melegedhet! A hőntartási időket is általában vastagabb próbadarabok alapján adják meg, de egy vékony pengének értelemszerűen nem kell ennyi idő!
2. lépés
lehűtés. Ismét az acél dönti el, hogy miben szeretne hűlni. Egy alacsonyan ötvözött szerszámacél estében még a vízhűtéssel is lehet találkozni a hőkezelési utasításokban, de pl. a D2 egy légedzésű acél (fúvatott levegővel, vagy gázzal hűthető), ami akár nyugvó levegőn is beedződik (önedző). Ettől függetlenül hűthető olajban, sófürdőben is, amely hűtőközegek segítségével az acél hűthető lépcsőzetesen is. (Ez az eljárás is csökkenti az edzési feszültségeket és a repedésveszélyt.)
Általánosságban szinte minden acél hűthető többféle eljárással (eltérő sebességgel), de a bonyolultabb formáknál mindig célszerű a kíméletesebb hűtési módokat választani.
Mivel az edzés során rendszerint nem tökéletes az átalakulás, így szinte mindig találhatunk az acélban maradék ausztenitet. Ez csökkenti a keménységet, és idővel vetemedést okozhat. Ennek megszüntetése érdekében többféle eljárás is létezik. Egyik lehetőség a mélyhűtés. A mélyhűtésnél közvetlenül az edzés után (a megeresztés előtt) a szerszámot tovább kell hűteni (a Sverker 21-nél kb. -70…-80 Celsiusra), majd (3-4 órán át) hőntartani. A megeresztés ezután következik.
Ha a késeinken a „cryo”, „ice hardened”, „sub zero quench”, „tiefkühlen”, vagy valami hasonló jelzés olvasható, az erre az eljárásra utal. Kétségtelenül plusz keménységet nyerhetünk az eljárással, de az acélt erősen igénybe veszi, komoly repedésveszéllyel jár.
3. lépés:
megeresztés. Az érthetőség kedvéért egy D2-nél egyszerűbb alapanyag, például az Uddeholm Arne elnevezésű acélja (AISI O1) ezzel a megeresztési görbével jellemezhető:
Jól látható rajta, hogy a választott ausztenitesítési hőmérséklet hogyan módosítja az induló keménységet, és a különféle megeresztési hőmérsékletek milyen várható eredményt fognak adni. Jól érzékelhető, hogy a megeresztési hőmérséklet növelésével arányosan csökken a keménység, és ebből következően javul a szívósság.
A következő ábra a Sverker 21 megeresztési diagramja.
Ez valamivel bonyolultabb.
Egy alacsony hőmérsékletű megeresztés (200…300 Celsius) alkalmazása esetén, ha az ausztenitesítés 1020 Celsiuson történt, 60…62 HRC* körüli keménység lesz mérhető, az előírt szükséges, legalább kétszeri megeresztés után (hőntartás minimum 2 óra). Az is jól látható, hogy 16% körüli maradék ausztenitre számíthatunk, amennyiben nem alkalmaztunk mélyhűtést.
*(A "HRC" a "Rockwell" keménységmérés mértékegysége. Gyémánt kúp adott erővel való benyomása után, a benyomódás mélysége alapján történik a mérés. Viszonyításként a gyémánt keménysége 100 HRC.)
Milyen késünk lehet egy ilyen megeresztés után? A maradék ausztenit jelenléte távolról sem egyértelműen káros. Az ausztenit sokkal szívósabb szövetelem a martenzitnél, a jelenléte még akkor is javíthatja a szívósságot, ha a két eltérő szövetelem jelenléte miatt van némi plusz belső feszültség az anyagban. A jelentős mértékű karbidképződés, és a magas keménység miatt jó éltartásra is lehet számítani. Az egyetlen gond a maradék ausztenit jelenlétével, hogy idővel ez is martenzitté alakul, és majd akkor fog deformációt és plusz ridegedést okozni.
A grafikonról nem teljesen egyértelmű, de látványosan eltérő lesz a „D2” minősége egy magas hőmérsékletű megeresztés (500…550 Celsius) után. Jól látszik, hogy a maradék ausztenit felszívódik. Ez némileg csökkenti a belső feszültségeket, miközben a teljesebb martenzites szerkezet miatt plusz keménységet nyerünk (pontosabban nem veszítünk annyit, mint egy egyszerűbb összetételű acél esetén, ilyen magas megeresztési hőmérséklettel), és mivel a magas hőmérsékletű megeresztés során további karbidok is kialakulnak (másodlagos karbidképződés), az acél kopásállósága határozottan megnő! Tehát az így elérhető 55…59 HRC keménység mélyhűtés nélkül is kihozza az acélból a maximumot, és az alacsonyabb keménység ellenére a penge mégis éltartóbb lesz! Mivel a D2 az élkipattanásokkal szemben nem igazán ellenálló, ezért a köztudatba berögzült ideálisnak hitt keménységektől érdemes kissé elszakadni, és a feleslegesen erőltetett 60 HRC körüli értékek helyett megelégedni a kellően szívós 55…57 HRC-vel. Így a D2 egy kifejezetten használható és megbízható pengeanyag lehet.
 
Összegezve
Az acélok iránt érdeklődők számára az itt leírtak épp csak a felszínt súrolgatják. Gyakorlatilag bármelyik részletével elkezdünk részletesebben ismerkedni, rá fogunk jönni, hogy csak a hegy tetején ücsörgünk, és alattunk van még az egész szédítő mélység.
A D2 pedig, mióta Jimmy Lile először kezdett késeket készíteni belőle, egy egész lavinát indított el. Számos kiváló készítő, gyártó veszi elő a mai napig is, és alkalmazza eredményesen. Kétségtelenül nem a korszerű acélgyártás csúcsa, de egy kipróbált, jól bejáratott alapanyag. Egy igásló az acélok világában.
De csak egy a sok közül. (Folyt. Köv.)
 
Köszönetemet szeretném kifejezni mindazoknak, akik a cikk
ellenőrzésében, a bizonytalan részletek tisztázásában részt vettek,
segítettek, valamint külön köszönet Licskó László úrnak a szakmai
lektorálásért!