Rodzaje stali
Uwaga - mit! W prospektach reklamowych sprzętów kuchennych często można spotkać określenie "stal chirurgiczna" jako synonim wysokiej jakości materiału. W medycynie jednak ani w produkcji sprzętów medycznych termin ten nie jest używany, nie niesie bowiem w sobie żadnej treści. Nie istnieje coś takiego jak stal, z której wykonywane byłyby wszystkie bez wyjątku narzędzia medyczne. Noże chirurgiczne są produkowane z innej stali niż np. klamry i zaciski, które z kolei są produkowane z innej stali niż elementy protez czy też sztucznych stawów. Każde narzędzie czy przedmiot ma swoje określone przeznaczenie, które decyduje o doborze właściwego materiału do jego wykonania. Naczynia i przedmioty używane w kuchni nie stanowią pod tym względem żadnego wyjątku.
Oto w skrócie i sporym uproszczeniu podstawowe właściwości stali uwzględniane przy ich wyborze dla wykonania tych czy innych sprzętów kuchennych:
Wytrzymałość mechaniczna - to zdolność do przeciwdziałania powodującym odkształcenie obciążeniom zewnętrznym. Np. drut z bardziej wytrzymałego materiału ugnie się pod równym obciążeniem mniej niż taki sam drut z materiału mniej wytrzymałego.
Twardość - to zdolność do przeciwstawienia się penetracji, innymi słowy wciskaniu w materiał jakiegoś twardego przedmiotu. Twardość stali mierzy się w jednostkach skali Rokwella skrótowo oznaczanych HRC. Przykładowo, twardość klingi większości noży kuchennych waha się w granicach od 53 do 57 HRC. W ostatnich czasach najwyraźniej zaznacza się trend ku powiększeniu twardości kling noży z wyższych półek cenowych do 60 HRC, a czasami nawet jeszcze wyżej - do 62-64 HRC, co w praktyce na ogół owocuje jedynie utrudnieniem ich ostrzenia.
Sprężystość - to zdolność do powrotu do pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia odkształcającego. Materiał sprężysty (np. sprężyna) będąc zgięty i zwolniony wyprostuje się. Miękki, plastyczny materiał (spinacz do papieru) będąc zgiętym pozostanie w takim stanie.
Udaroodporność - polega na zdolności pochłaniania energii dynamicznych obciążeń (uderzeń) bez naruszenia krystalicznej makrostruktury, czyli bez pęknięć. Generalnie udaroodporność maleje wraz ze wzrostem twardości materiału. Najbardziej odpornym na obciążenia dynamiczne będzie jak najmiększy materiał.
Plastyczność - zdolność zmieniania kształtu bez naruszenia struktury wewnętrznej czyli właściwość przeciwna w stosunku do sprężystości. Przykładem może być wyciąganie drutu, wygięcie albo wytłoczenie płaskiej blachy stalowej w złożony kształt, np. garnek.
Odporność na ścieranie - to zdolność do przeciwstawiania się oderwaniu cząsteczek materiału od całości pod wpływem tarcia o inny materiał.
Konkretnie w przypadku stali sporo z wymienionych właściwości koliduje ze sobą w sposób dość zasadniczy, np. twardsza stal zarazem staje się bardziej kruchą i mniej odporną na uderzenia. Stal o wyższej wytrzymałości mechanicznej jest generalnie mniej plastyczna i na odwrót. Pogodzenie w wyrobie wszystkich tych cech w rozsądnej proporcji zależy od zadań do których ów wyrób jest z założenia przeznaczony. Pożądane właściwości wyrobów stalowych osiągane są przez dobór odpowiedniej marki stali oraz odpowiednią jej obróbkę cieplną.
Jaka to stal? No właśnie, z jakiej stali powinny być zrobione garnki, a z jakiej - noże? A dlaczego z takiej, a nie innej? W jaki sposób właściwości stali wpływają na walory użytkowe wyrobów?
Nie zagłębiając się zbytecznie w metaloznawstwo spróbujmy jednak przyjrzeć się nieco bliżej składnikom, zawartym w recepturze nowoczesnych stali.
Każda stal w swojej podstawie to stop żelaza z węglem, zawartość którego generalnie nie przekracza 2%. Większa zawartość narusza strukturę krystaliczną stali i zamienia ją w żeliwo. Generalnie, nie znaczy jednak zawsze. Najnowsze technologie spiekania mieszanki drobno zmielonych składników czasami umożliwiają korzystanie z dobrodziejstw wyższej zawartości węgla bez utraty podstawowych właściwości stali. Z drugiej strony, aby stal była wystarczająco twardą, sprężystą i wytrzymałą, tak aby można było zrobić z niej np. klingę noża - powinna ona zawierać co najmniej 0,5-0,6% węgla. Inne składniki mogą w tym czy innym stopniu uwydatniać określone właściwości stopu jednocześnie zacierając inne.
Uwaga: nie ma takiego składnika stali, którego zawartość można byłoby określić jednoznacznie, że czym ona wyższa tym lepsza jest stal! Nie ma też bezwzględnie lepszych i gorszych stali. Lepsza - zależy do czego, do jakiego zastosowania.
Węgiel - podwyższa twardość, wytrzymałość, sprężystość stali, odporność na ścieranie, a przede wszystkim umożliwia zmianę właściwości w wyniku odpowiedniej obróbki cieplnej. Większa zawartość węgla obniża plastyczność stali oraz owocuje niższą odpornością na korozję. Jednocześnie nadmiar węgla w stopie lub niewłaściwe jego rozlokowanie na skutek nieprawidłowej obróbki cieplnej mogą przesądzić o nadmiernej kruchości materiału, innymi słowy - braku udaroodporności oraz wytrzymałości mechanicznej.
Chrom - zwiększa odporność na korozję, przy zawartości powyżej 14% stal jest zaliczana do nierdzewnych. Uodpornienie na korozję następuje w skutek tego, że oksydując się chrom tworzy na powierzchni stali cieniutką lecz bardzo gęstą, wytrzymałą i obojętną chemicznie ochronną warstewkę z tlenków chromu, która zapobiega dalszej korozji całości. Tworząc z zawartym w stali węglem twarde kryształy węglików chromu podwyższa twardość stali i odporność na ścieranie, ale jednocześnie pozbawia stal sprężystości, czyni ją bardziej kruchą przy danej twardości, niż stal z niższą zawartością chromu. Wysoka zawartość chromu obniża plastyczność stali utrudniając kucie albo wytłaczanie zeń wyrobów.
Kobalt - podwyższa twardość stali, uwydatnia działanie poszczególnych składników w stalach o bardziej złożonym składzie.
Mangan - w małych ilościach uwydatnia zmiany następujące w procesie obróbki cieplnej, podwyższa sprężystość stali i odporność na ścieranie. Odkwasza stal zapobiegając powstaniu szkodliwych tlenków w procesie topienia i późniejszej obróbki cieplnej. W większych ilościach powoduje gwałtowny wzrost twardości i kruchości stali.
Miedź - w bardzo małych ilościach może podwyższyć odporność stali na korozję. Większa zawartość jednak ciężko godzi w zdolność stali do hartowania i co za tym idzie - w twardość i wytrzymałość mechaniczną.
Molibden - podwyższa twardość stali, odporność na ścieranie i udaroodporność. W dużym stopniu wpływa na procesy obróbki cieplnej. Przy nieco większej zawartości (powyżej 1%) stal staje się jakby samohartującą się, czyli nie traci właściwości otrzymanych w trakcie obróbki cieplnej będąc nagrzewaną i chłodzoną na powietrzu w sposób naturalny. Jest to istotne dla narzędzi pracujących przy wysokich temperaturach, np. noży szybkotnących lub łopatek turbin. Nie ma natomiast istotnego znaczenia dla produkcji noży czy innych sprzętów kuchennych.
Nikiel - zwiększa odporność stali na korozję, jednocześnie nieco zmniejszając wytrzymałość mechaniczną i sprężystość. Przy większej zawartości istotnie polepsza plastyczność stali i jej przydatność do wykonania zeń wytłoczek o złożonych kształtach.
Wanad - w małych ilościach podwyższa twardość stali i odporność na ścieranie. Podwyższenie koncentracji może pozbawić stal udaroodporności i mechanicznej wytrzymałości.
Wolfram - dodatki małych ilości wolframu powiększają twardość, odporność na ścieranie i mechaniczną wytrzymałość stali, sprzyjają również zachowaniu właściwości przy wysokich temperaturach.
Krzem, siarka i fosfor - są to składniki szkodliwe, jedynie pogarszające właściwości stali. Producenci starają się oczyścić stal z tych składników na tyle na ile to się uda, szczątkowa ich zawartość jednak może pozostać w stopie. O wysokiej jakości stali świadczy jak najniższa zawartość owych składników.
Oczywiście przytoczone tu działanie poszczególnych dodatków do stali jest opisane nadzwyczaj skrótowo i w sposób mocno uproszczony. W rzeczywistości ich działanie jest o wiele bardziej złożone i uzależnione od obecności innych składników jak i od sposobu obróbki cieplnej gotowego wyrobu.
Poza recepturą stali na właściwości wyrobów zeń wykonanych w dużej mierze wpływa jej obróbka cieplna. Może to wydawać się dziwnym lecz stal jest materiałem krystalicznym. Skład, wielkość, orientacja i wzajemne rozlokowanie poszczególnych kryształów zasadniczo decydują o właściwościach mechanicznych stali jak i o jej odporności na czynniki chemiczne. Poza trafnym doborem receptury wymagane właściwości wyrobów ze stali osiągane są w trakcie odpowiedniej obróbki cieplnej. W swojej podstawie obórka cieplna składa się z dwóch faz:
-
Hartowanie w celu nadania stali większej twardości. Proces ten polega na nagrzaniu stali do pewnej, wysokiej (konkretne wartości zależą od rodzaju stali i pożądanych wyników) temperatury z późniejszym jej schłodzeniem w dość szybkim tempie. Dla chłodzenia są używane różne płyny, w najprostszej wersji jest to woda, w bardziej zaawansowanych procesach używane są oleje mineralne albo roztwory odpowiednich chemikaliów. Niektóre stale o zaawansowanym składzie hartowane są samoczynnie będąc chłodzone na powietrzu w sposób naturalny.
-
Odpuszczanie, polegające na ponownym nagrzaniu zahartowanych wyrobów ze stali do temperatury niższej niż temperatura hartowania i późniejszym powolnym schłodzeniu. W procesie odpuszczania stabilizuje się krystaliczna struktura stali, nieco zmniejsza się jej twardość lecz zwiększa się sprężystość, wytrzymałość mechaniczna, odporność na obciążenia dynamiczne (uderzenia).
W praktyce proces obróbki cieplnej jest o wiele bardziej skomplikowany, zarówno hartowanie jak i odpuszczanie przeprowadzane są wielofazowo, nagrzewanie i chłodzenie wyrobów może trwać nawet po kilka godzin bez przerwy, a sam proces często jest sterowany komputerowo. Czasami po tych zabiegach wyroby ze stali są jeszcze poddawane działaniu super niskich temperatur (zanurzane w ciekłym azocie) by polepszyć ich właściwości mechaniczne. Co ważne - właściwości mechaniczne tej samej stali poddanej różnym procesom obróbki cieplnej mogą różnić się zasadniczo.
Wykorzystując powyższą informację w kwestiach, które interesują nas w tym opracowaniu możemy wywnioskować, z jakiej np. stali należałoby produkować klingi noży, a z jakiej - garnki, patelnie czy też inne przedmioty pomocne w kuchni.
Dobry nóż powinien mieć wyśmienite właściwości tnące i możliwie długo zachowywać je będąc używanym zgodnie ze swoim przeznaczeniem. Aby nóż dobrze ciął jego klinga powinna być możliwie cienka, a jednocześnie wystarczająco wytrzymała i sprężysta. Przy poprawnym użytkowaniu nóż raczej nie jest poddawany obciążeniom udarowym jak i działaniu wysokich temperatur. Nie podlega też długotrwałym kontaktom z kwasami zawartymi w artykułach spożywczych. Klinga noża ma względnie nieskomplikowany kształt, który łatwo nadać można za pomocą wykrojenia (lub wytłoczenia) z płaskiej blachy stalowej z późniejszym szlifowaniem. Gotowa klinga zostaje poddawana odpowiedniej obróbce cieplnej.
Stal, z której wykonuje się klingi noży, winna wobec tego cechować się twardością, sprężystością, wysoką wytrzymałością mechaniczną. Odporność na korozję jest nieco mniej istotną cechą, w rozsądnych granicach oczywiście. Natomiast plastyczność stali w danym wypadku jest cechą wręcz szkodliwą, niepożądaną. Dlatego dla produkcji kling noży zazwyczaj używa się stali z zawartością chromu na dolnym pograniczu "nierdzewności" (czyli około 14%). Mile widziane w składzie stali "nożowej" są molibden i wanad. Nikiel natomiast raczej pogarsza właściwości tnące stali. Zawartość węgla w granicach 0,7 - 1,0% umożliwi zahartowanie gotowych kling do odpowiedniej twardości, co z kolei zapewni dobre właściwości tnące i ich zachowanie w trakcie użytkowania noża.
Garnek, rondel czy patelnia są użytkowane w zgoła odmiennych warunkach. Zanim zaczniemy je użytkować sprzęty owe trzeba jednak wyprodukować. Tego rodzaju naczynia wykonuje się metodą wytłaczania albo walcowania, wobec tego stal używana do produkcji garnków, rondli i patelni musi być wystarczająco plastyczna, "ciągliwa". Naczynia owe są poddawane długotrwałemu działaniu wysokich temperatur i jednocześnie kwasów i soli zawartych w przyrządzanych potrawach. Wobec tego stal musi cechować się wyjątkową odpornością na korozję i obojętnością chemiczną, czyli być bardzo nierdzewną, kwasoodporną. Co więcej - wyroby z takiej stali powinny zachować niezmienne kształty mimo ich wielokrotnego nagrzewania i chłodzenia. Wytrzymałość mechaniczna jest dla naczyń kuchennych cechą drugorzędną, twardość zaś i jej odwrotna strona - kruchość - cechami wręcz niepożądanymi.
Wobec tego dla produkcji naczyń kuchennych przeważnie wybierana jest stal nierdzewna z nieco mniejszą zawartością chromu, natomiast wysoką zawartością niklu, co ma na celu zapewnić plastyczność stali oraz wyjątkową obojętność chemiczną. Dodatkowo zwiększy odporność na korozję mała, poniżej 0,5% zawartość węgla oraz brak hartowania gotowych wyrobów. Molibden, wanad i inne składniki nadające stali twardość, sprężystość i wytrzymałość mechaniczną są zdecydowanie zbędne w stali "garnkowej".
Sztućce muszą cechować się określoną wytrzymałością mechaniczną. Trudno bowiem wyobrazić sobie widelce z zębami odkształcającymi się przy lekkim naciśnięciu o talerz albo łyżkę wazową, uginającą się pod ciężarem nabranej doń zupy. Noże stołowe, mimo iż nie muszą dorównywać kuchennym pod względem właściwości tnących, muszą mimo wszystko ciąć. Dlatego do produkcji sztućców zazwyczaj wybierana jest stal z zawartością węgla nieco mniejszą niż typowe stale "nożowe", lecz większą, niż typowe stale "garnkowe". Stale te mają też przeważnie większą zawartość chromu dla nadania odpowiedniej twardości i zapewnienia obojętności chemicznej, tudzież nierdzewności. Podczas produkcji sztućców stal nie zostaje poddana tak głębokim deformacjom plastycznym, jak podczas produkcji garnków, wobec twego może zawierać znacznie mniej niklu. Tym bardziej, że wymagania pod względem odporności na korozję dla sztućców są nieco mniejsze, niż w przypadku garnków czy patelni. Wszakże sztućce nie są poddawane działaniu wysokich temperatur oraz długotrwałemu kontaktowi z jedzeniem.
Jak widzimy z powyższego przykładu - właściwy do danego rodzaju sprzętów kuchennych dobór receptury stali oraz technologii jej późniejszej obróbki jest podstawą wysokich walorów użytkowych i eleganckiego ich wyglądu. Stanowią o atrakcyjności oferty zarówno pod względem estetycznym jak i praktycznym, przesądzając o ich trwałości, wygodzie użytkowania czy też omawianym już wpływie (a raczej jego braku) na zdrowie człowieka.
Uwaga - mit! W ostatnich czasach upowszechnił się nie mający żadnego pokrycia ani uzasadnienia naukowego zabobon, że jakość stali można sprawdzić magnesem. Jest to niedorzeczność, gdyż każda stal, zarówno prosta węglowa jak i nierdzewna, dobrej czy lichej jakości, hartowana czy nie, reaguje na magnes praktycznie tak samo. Bowiem materiałem magnetycznym jest żelazo, stanowiące podstawowy składnik każdej stali. Co więcej - na magnes praktycznie jednakowo reagują zarówno wyroby z wysokogatunkowych stali o złożonej recepturze i zaawansowanej obróbce termicznej jaki najzwyczajniejsze w świecie gwoździe, a nawet wyroby z żeliwa. Jeśli i istnieje jakaś różnica w reakcji na magnes, to na pewno nie można jej dostrzec bez precyzyjnych pomiarów laboratoryjnych, a nawet wówczas wynik ma się nijak do jakości i właściwości stali.
Klinga noża ma względnie prosty kształt wycinany lub wytłaczany z blachy stalowej i później poddawany obróbce szlifowaniem. Wobec tego stal nie musi cechować się plastycznością, nawet byłoby to wręcz niewskazane. Z drugiej strony - musi mieć dobrze właściwości tnące i zachowywać je możliwie długo w trakcie użytkowania. Czyli wysoka wytrzymałość mechaniczna i twardość są cechami nader pożądanymi. Nierdzewność i owszem, jednak w mniejszym stopniu niż np. w przypadku garnków. Wobec tego wybiera się stal ze sporą zawartością węgla, rozsądną dla zapewnienia nierdzewności zawartością chromu i możliwie mniejszą zawartością niklu. Gotowe wyroby poddaje się obróbce cieplnej.
Garnek ma kształt bryły przestrzennej, która powstaje w wyniku tłoczenia lub walcowania z blachy stalowej. Wobec tego stal winna cechować się wystarczającą plastycznością by to umożliwić. Nierdzewność (obojętność chemiczna) i jej zachowanie przy wysokich temperaturach są cechami nadrzędnymi, wytrzymałość mechaniczna zaś - drugorzędną. Wobec tego dla produkcji garnków wybiera się stal z wysoką zawartością niklu, mniejszą - chromu i węgla. Gotowe wyroby nie są poddawane hartowaniu wcale, mogą natomiast być poddawane odpuszczeniu albo/oraz działaniu super niskich temperatur celem zniwelowania napięć wewnętrznych, powstałych w trakcie wytłaczania (walcowania).
