作者:卜叶 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2019/8/17 23:40:13
选择字号:
现代工厂如何打造一把好菜刀

 

 
在钢厂交流制刀工艺的李晶(右)
 
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。
 
千锤百炼出好刀
 
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。
 
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。
 
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。
 
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。
 
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。
 
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。
 
2008年,国际五金刀剪博览会在广东阳江举行,李晶也在展览现场,一家当地企业的横幅吸引了他的注意,“要做好刀,必须炼好钢”,这家企业就是“阳江十八子集团”。从事专业研究多年的李晶深知遇见了个懂行的,还应邀参观了为刀具供应钢材的钢厂。
 
其实,十八子创建钢厂也是不得已而为之。创史人李良辉在建钢厂之前,走访了很多特钢厂,想定制做刀的专用特殊钢,但没料到钢厂都认为厨刀行业对钢材需求量少,而材质要求又高,没有经济效益,不愿意投入研发精力和提供钢材。为此,李良辉才下决心自己炼出特钢做好刀。
 
李晶来参观时,十八子的精密特钢厂已经炼出第一炉钢。但由于缺乏技术和产品质量需要提升,李良辉发出了对李晶的合作邀约。由此,李晶开始了长达十余年的面壁攻关。
 
与碳化物作斗争
 
事实证明,炼钢比打铁难得多。提高厨刀用钢性能,除了在实验室做实验,李晶及其团队还要深入车间,结合厨刀用钢生产工艺流程,调冶炼工艺参数、轧制及热处理工艺,及时分析产品的质量。李晶和他的团队每次下车间,一待就是一两个月。
 
李晶介绍,所有工作的核心是“与碳化物作斗争”,对钢材碳化物和组织控制进行研究。碳存在于所有的钢材中,是钢材最重要的硬化元素。有助于增加钢材的强度,一般国内优质刀具级别的钢材拥有0.5%以上的碳,也称为高碳钢。要想获得优质的刀具用钢,就需要精确掌握钢中碳化物的析出量和尺寸,特别是一次碳化物。
 
在原材料的冶金过程中,研究团队通过调控电渣重熔工艺参数,实现了熔速和冷却制度的动态控制,降低了电渣锭中一次碳化物体积分数,显著减小了一次碳化物尺寸。
 
轧制过程中,热轧开坯后,通过优化高温扩散退火工艺,促进一次碳化物溶解。精轧过程中,通过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。
 
与以往打造一把兼具锋利与韧性的好刀,依靠铁匠手艺和经验不同,现代大生产不仅考验着科研人员的智慧,还造就了李晶及其科研团队的好眼力。一次次的调试过程,一批批的样品刀,也让李晶团队确定了提高刀剪耐磨性和锋利度的碳化物类型。
 
李晶团队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。
 
获得“好钢”后,最关键的一步就是将“好钢用在刀刃上”。为此研究团队进行了刀剪用钢复合轧制工艺技术研究,通过复合轧制的方式将高碳优质不锈钢镶嵌在多层低碳不锈钢中间,开刃后,将裸露出来的高碳优质不锈钢当做刀刃。
 
阳江十八子集团的工作人员介绍,相比于传统单一材质的高碳不锈钢刀具,该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。   
 
李晶表示,厨刀用钢研发初战告捷,也只是小试牛刀。目前国内高端厨刀领域仍面临用钢空白。接下来,研究人员需要在高强度、高耐磨性、高锋利度的高碳优质或以氮代碳的马氏体不锈钢品种的研制上努力攻关。
 
 
 
 
 
 
 
 
版权声明:凡本网注明“来源:中国科学报、科学网、科学新闻杂志”的所有作品,未经书面授权,不得转载、摘编或以其他方式使用。授权事宜,请联系:shouquan@stimes.cn。

 

 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
天上没交警、卫星多,怎样避免出“车祸” 科学家在噬菌体抑菌机制领域取得进展
中科院南海海洋所发现“皇冠”分子 植物防晒分子新激发态超快能量驰豫机理
>>更多
 
一周新闻排行 一周新闻评论排行
 
编辑部推荐博文