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好鋼用在刀刃上!北科大新材料助力“中國第一刀”

2019-08-13 16:18:00

  廚刀對于烹飪起重要作用。 陽江十八子集團生產的十八子作廚刀是“中國菜刀行業標志性品牌” 。秉承著“好鋼用在刀刃上”的理念,與北京科技大學李晶教授團隊合作,攻堅克難,先后完成了刀剪用鋼 一次碳化物控制技術研究、刀剪用鋼輥鍛熱處理工藝技術研究、刀剪用鋼復合軋制工藝技術研究等,一方面大幅度改善了廚刀刃口用鋼中的組織和碳化物,另一方面集聚了復合板基層硬度高、鋒利性好和復層韌性好、耐蝕性優良的特點,實現了廚刀使用性能的大幅提升。

  廚刀首要目標是完成食材的分割,即通過物質的分離獲得適當的形狀,同時要求加工過程中不產生明顯缺陷。廚刀的切削對象主要為有機物,硬度較低,切割過程中刀刃的鍥入不存在問題,而后續的分離是通過有機物纖維被拉長變形達到一定限度后的撕裂,纖維的拉長變形往往導致切割質量的惡化。例如,肉類切割時肌肉纖維的拉長變形,必然導致切口變形而無法獲得更薄的肉片,甚至難以分割;胡須切割時纖維的變形將產生拔胡須的疼痛感覺;紙張切割時纖維的拉長變形將產生“毛邊”現象,等等。因此,為了得到良好的切割質量,需要保證切割過程中對有機物纖維進行有效瞬時剪切分離而不產生明顯塑性變形,也就是“吹毛斷發”。這對廚刀的使用性能提出了較高的要求。

  廚刀之根本——“好鋼” 

  廚刀的鋒利性能是衡量其使用性能的核心評價指標。鋒利性能包括初始鋒利度和鋒利耐用度,二者均與廚刀刃口的幾何形貌和刃口材料性能直接相關,其中刃口材料性能決定了廚刀鋒利性能的上限。

  為了提高廚刀用鋼性能,以鋼材碳化物和組織控制為主線,結合廚刀用鋼生產工藝流程,進行了四個方面的工作:

  (1)刀剪材料用不銹鋼電渣重熔過程中一次碳化物控制技術。調控電渣重熔工藝參數,減少一次碳化物的析出量和尺寸,并改善其分布;動態控制電渣重熔過程中的熔速和冷卻制度,基本實現淺平熔池熔煉,降低了電渣錠中一次碳化物體積分數,顯著減小一次碳化物尺寸,且分布更加均勻,電渣錠凝固組織細化。

  (2)基于高溫擴散退火—終軋溫度—軋制變形量的綜合調控一次碳化物技術。通過熱軋開坯,之后進行高溫擴散退火,促進一次碳化物溶解。精軋過程中控制終軋溫度和累積變形量,使熱軋卷中一次碳化物體積分數進一步降低。

  (3)基于第一性原理計算,熱力學動力學模擬,以及淬火時效工藝的刀剪材料用鋼中二次碳化物控制技術。確定了提高刀剪耐磨性和鋒利度的碳化物類型;明確了M23C6二次碳化物的溶解溫度和M7C3二次碳化物的析出溫度及時間,獲得合理的熱處理工藝參數。通過熱處理工藝優化,促進了鋼中二次碳化物類型的轉變,獲得強韌性兼具,且比表面積大的納米級M7C3碳化物,提高了刀剪的耐磨性和鋒利度。

  (4)碳化物和刀剪刃部組織控制一體的輥鍛熱處理技術。采用對刀刃部分施加梯度變形量,實現高品質刀剪刃部晶粒和碳化物的細化;通過延長回火時間,促進納米級碳化物的析出與彌散分布,實現低溫回火的二次硬化效應,獲得強韌兼具和鋒利性能優異的刀刃。

  下圖為創新成果應用后,廚刀用鋼顯微組織照片,碳化物明顯細化且分布均勻(顆粒狀為碳化物)。

  

  圖.改善前后廚刀用鋼顯微組織照片(顆粒狀的為碳化物)

  下圖為與國外高品質廚刀顯微組織對比,鋼中的碳化物細小、彌散,達到甚至超過國際先進水平。

  

  圖. 十八子廚刀與國內外高品質廚刀顯微組織對比

  十八子集團應用北科大李晶教授團隊創新技術生產的廚刀,其硬度為58HRC、鋒利度為116mm、鋒利耐用度736mm,鋒利度達到國際先進水平,鋒利耐用度明顯高于國際先進水平。

  廚刀之升華——“復合” 

  板材復合化是指通過復合軋制的方式將高碳不銹鋼鑲嵌在多層低碳不銹鋼中間,通過開刃,使高碳不銹鋼裸露出來成為刀刃。相比于傳統單一材質的高碳不銹鋼刀具,刀具刃部具有較高的硬度和鋒利度,刀身其他部位又具有較好的韌性和耐腐蝕性。下圖為復合板基層和復層顯微組織照片。

  

  圖. 復合板顯微組織照片

  通過軋制復合工藝實現了“好鋼用在刀刃上”的理念。復合板集聚了基層和復層的優點,不但有效利用了基層材料 8Cr13MoV 的高強度、高硬度等力學性能,同時又具有復層材料耐蝕性優良、韌性好等特殊性能,既可以降低制備成本,又可以達到使用要求。

  現今十八子作廚刀暢銷全國各地及日、美、加、韓、東南亞、港澳臺等30多個國家和地區,被譽為“中國第一刀”。

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