好钢用在刀刃上!北科大新材料助力www.4136.com“中国第一刀”

作者: 冶金矿产  发布:2020-04-30

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现代工厂如何打造一把好菜刀

厨刀对于烹饪起重要作用。 阳江十八子集团生产的十八子作厨刀是“中国菜刀行业标志性品牌” 。秉承着“好钢用在刀刃上”的理念,与北京科技大学李晶教授团队合作,攻坚克难,先后完成了刀剪用钢 一次碳化物控制技术研究、刀剪用钢辊锻热处理工艺技术研究、刀剪用钢复合轧制工艺技术研究等,一方面大幅度改善了厨刀刃口用钢中的组织和碳化物,另一方面集聚了复合板基层硬度高、锋利性好和复层韧性好、耐蚀性优良的特点,实现了厨刀使用性能的大幅提升。

 

厨刀首要目标是完成食材的分割,即通过物质的分离获得适当的形状,同时要求加工过程中不产生明显缺陷。厨刀的切削对象主要为有机物,硬度较低,切割过程中刀刃的锲入不存在问题,而后续的分离是通过有机物纤维被拉长变形达到一定限度后的撕裂,纤维的拉长变形往往导致切割质量的恶化。例如,肉类切割时肌肉纤维的拉长变形,必然导致切口变形而无法获得更薄的肉片,甚至难以分割;胡须切割时纤维的变形将产生拔胡须的疼痛感觉;纸张切割时纤维的拉长变形将产生“毛边”现象,等等。因此,为了得到良好的切割质量,需要保证切割过程中对有机物纤维进行有效瞬时剪切分离而不产生明显塑性变形,也就是“吹毛断发”。这对厨刀的使用性能提出了较高的要求。

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厨刀之根本——“好钢”

 

厨刀的锋利性能是衡量其使用性能的核心评价指标。锋利性能包括初始锋利度和锋利耐用度,二者均与厨刀刃口的几何形貌和刃口材料性能直接相关,其中刃口材料性能决定了厨刀锋利性能的上限。

在钢厂交流制刀工艺的李晶(右)

为了提高厨刀用钢性能,以钢材碳化物和组织控制为主线,结合厨刀用钢生产工艺流程,进行了四个方面的工作:

 

刀剪材料用不锈钢电渣重熔过程中一次碳化物控制技术。调控电渣重熔工艺参数,减少一次碳化物的析出量和尺寸,并改善其分布;动态控制电渣重熔过程中的熔速和冷却制度,基本实现浅平熔池熔炼,降低了电渣锭中一次碳化物体积分数,显著减小一次碳化物尺寸,且分布更加均匀,电渣锭凝固组织细化。

民以食为先,饱食三餐离不开一把锋利而坚韧的菜刀,然而自从菜刀实现了机械化大生产,人们对菜刀的质疑声也越来越多,“现在的菜刀不如以前的好用了”。那么,工厂车间里的菜刀和铁匠铺的菜刀究竟有什么区别?圈粉无数的手工锻打菜刀究竟好在哪?日前,随着北京科技大学教授李晶的科研成果走向转化应用,这一问题的答案逐渐清晰。

基于高温扩散退火—终轧温度—轧制变形量的综合调控一次碳化物技术。通过热轧开坯,之后进行高温扩散退火,促进一次碳化物溶解。精轧过程中控制终轧温度和累积变形量,使热轧卷中一次碳化物体积分数进一步降低。

 

基于第一性原理计算,热力学动力学模拟,以及淬火时效工艺的刀剪材料用钢中二次碳化物控制技术。确定了提高刀剪耐磨性和锋利度的碳化物类型;明确了M23C6二次碳化物的溶解温度和M7C3二次碳化物的析出温度及时间,获得合理的热处理工艺参数。通过热处理工艺优化,促进了钢中二次碳化物类型的转变,获得强韧性兼具,且比表面积大的纳米级M7C3碳化物,提高了刀剪的耐磨性和锋利度。

千锤百炼出好刀

碳化物和刀剪刃部组织控制一体的辊锻热处理技术。采用对刀刃部分施加梯度变形量,实现高品质刀剪刃部晶粒和碳化物的细化;通过延长回火时间,促进纳米级碳化物的析出与弥散分布,实现低温回火的二次硬化效应,获得强韧兼具和锋利性能优异的刀刃。

 

下图为创新成果应用后,厨刀用钢显微组织照片,碳化物明显细化且分布均匀。

厨刀的锋利性能是衡量其使用性能的核心评价指标。李晶介绍,锋利性能与刃口的几何形貌和刃口材料性直接相关。材料的微观组织及碳化物越均匀细小,洁净度越高,并且夹杂物弥散细小分布,这样的刀剪往往更加锋利。目前,国内的刀剪用钢与国外相比,存在钢材内部夹杂物、材料组织均匀性、尺寸精度等方面的差距。

图.改善前后厨刀用钢显微组织照片

 

下图为与国外高品质厨刀显微组织对比,钢中的碳化物细小、弥散,达到甚至超过国际先进水平。

怎样弥补差距,制作出一把好菜刀呢?“核心技术在选材及对应的热处理。”李晶这一句话掷地有声。

图. 十八子厨刀与国内外高品质厨刀显微组织对比

 

十八子集团应用北科大李晶教授团队创新技术生产的厨刀,其硬度为58HRC、锋利度为116mm、锋利耐用度736mm,锋利度达到国际先进水平,锋利耐用度明显高于国际先进水平。

他介绍,现代刀剪产品生产与传统的锻造工艺不同。传统菜刀的锻造过程中,一锤子一锤子的敲打,能够将材料中的夹杂物排挤出表面,随氧化层脱落,或弥散均匀分布在基体中,大大降低夹杂物及碳化物产生的影响,并且,锻打还可以改善材料成分均匀性,实现细小的内部组织,从而获得产品的最佳强度、韧性及优异的锋利性能。

www.4136.com,厨刀之升华——“复合”

 

板材复合化是指通过复合轧制的方式将高碳不锈钢镶嵌在多层低碳不锈钢中间,通过开刃,使高碳不锈钢裸露出来成为刀刃。相比于传统单一材质的高碳不锈钢刀具,刀具刃部具有较高的硬度和锋利度,刀身其他部位又具有较好的韧性和耐腐蚀性。下图为复合板基层和复层显微组织照片。

现代刀剪产品的生产中,原材料性能由冶金及轧制过程决定,制备刀剪时通过热处理的固态相变将原材料的原始组织转变成马氏体组织,以提供刀剪产品的性能所需。

图. 复合板显微组织照片

 

通过轧制复合工艺实现了“好钢用在刀刃上”的理念。复合板集聚了基层和复层的优点,不但有效利用了基层材料 8Cr13MoV 的高强度、高硬度等力学性能,同时又具有复层材料耐蚀性优良、韧性好等特殊性能,既可以降低制备成本,又可以达到使用要求。

但“打铁”是个力气活,俗话说“打铁先要身板硬”,就是这个道理。火炉旁的炙烤,抡动十几斤的铁锤,四处溅落的铁花......意味着这项需要力气和胆量的工作难回现代生产场景中。

现今十八子作厨刀畅销全国各地及日、美、加、韩、东南亚、港澳台等30多个国家和地区,被誉为“中国第一刀”。

 

不尽完美的替代品

 

有没有一种新材料能够替代钢刀呢?的确,近几年出现了很多钢刀的替代品,陶瓷刀因为其“优秀”的品质,成为其中知名度颇高的一种。

 

制作陶瓷刀的材料来自生物医学领域,这种材料化学稳定性极强,耐酸碱,永不生锈变色,不会与食物发生化学反应,可以保持食物原本的新鲜和美味。由于不含镍、铬等重金属元素,与肌肤接触也不会产生过敏现象。并且,陶瓷材料中加入了二氧化钛,能够有效抑菌,这些优点让一般的铁菜刀望尘莫及。

 

陶瓷刀也有不能掩盖的缺点。首先,陶瓷刀片的硬度很高,不适宜用来斩切骨头;其次,陶瓷刀很脆弱,易折断。对于用惯了不锈钢菜刀的专业人士,比如厨师来说,陶瓷刀不能复磨的这个特点也是缺点。没有理想的可复磨性限制了陶瓷刀的适用范围。

 

此外,他介绍,不锈钢厨刀在加入合适的元素,例如铜、银元素后,也有抑菌的功能,并且抑菌不锈钢早已应用到实际生活中。所谓的抑菌功能,并非陶瓷刀所独有。

 

要做刀 先炼钢

 

“老路”布满汗水,“新路”也并非完美。研究人员纷纷又将目光转向了刀剪用钢的原点。

 

放眼全国,几乎所有钢企还不能提供满足要求的优质刀剪专用材料,而国外的专用材料价格高。目前,刀剪产品普遍采用马氏体不锈钢为原材料。马氏体不锈钢是通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢,但其碳化物均匀性较差。

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