Keittiöveitsi. Tekijä: Amena Hussain Yhteystiedot:

Tekijä: Amena Hussain Yhteystiedot: amena.hussain@aalto.fi Vaatimukset veitsen terälle ja kahvalle Tärkeimmät mekaaniset ominaisuudet veitselle ovat kovuus, jäykkyys ja lujuus. Veitsen terän vaatimukset ovat mielestäni kovuus, jotta terä säilyttäisi muotoaan ääriolosuhteissakin eikä vaan hedelmiä leikatessa. Toinen tärkeä vaatimus on terän säilyvyys, jotta terä pysyisi mahdollisimman pitkään terävänä, eikä se vaadi teroitusta pienen jakson välein. Kolmas välttämätön vaatimus on korroosiota kestävä materiaali, sillä veitsen täytyy kestää pesua jopa astianpesukoneessa, eikä se saisi ruostua ollessaan kauan vedessä. Materiaalin pitää olla myös luja ja kestää siten iskujakin. Veitsen kahva pitää olla myös hyvin korroosiota kestävä ja vahva kestääkseen päivittäistä käyttöä. Materiaalin on myös oltava mukavantuntuinen kädessä. Materiaalien ominaisuudet yleisesti Materiaalin käyttäytymistä tutkitaan jännitys-muodonmuutostestillä (yleensä huoneenlämpöisille metalleille). Tärkein tapa tutkia materiaalin mekaanisia ominaisuuksia on tehdä jännitystesti, jossa koekappale saatetaan pysyvään muodonmuutokseen (hajotetaan) jatkuvasti kasvavan jännityksen toimesta. Jotkut materiaalit ovat kimmoisia ja jännitys-muodonmuutoskuvaaja on suora, mikä tarkoittaa, että jos kuorma poistetaan, kappale palaa takaisin alkuperäiseen muotoon. Usean materiaalin kyseinen kuvaaja ei ole suora. Tällöin kuormapainon poistuessa kappale ei pala alkuperäiseen muotoon, vaan kuorma aiheuttaa pysyvän muutoksen. Mikroskooppisella tasolla muodonmuutos on atominsisäisen tilan ja sidosten muuttumista. Lämpötila myös vaikuttaa muodonmuutokseen jännitystestissä. Lisäksi materiaalit reagoivat erilailla testissä. Kuitenkin täytyy ottaa huomioon, että materiaalin ominaisuudet eivät ole välttämättä tarkkoja suureita ne voivat käyttäytyä odottamattomasti. Kerätyssä datassa voi olla virheitä, joita on jollain lailla ennalta huomattava ja huomioitava käyttäessä materiaalia. Miettimättä materiaalin lujuutta täytyy siis ajatella, mikä on virheen tai vahingon todennäköisyys tietyssä olosuhteessa. [] Kuva : Teräksen pääaineiden vaikutukset mikrorakenteeseen. [5] Teräs ja lisäaineet Teräs koostuu pohjimmiltaan raudasta ja hiilestä. Lisäksi ne sisältävät pieniä määriä muitakin aineksia. Yleensä teräs mitä käytetään veitsien terässä ovat metalliseoksia ja ne on tehostettu lisäämällä lisäaineita. Näillä lisäaineilla annetaan teräkselle erikoisominaisuuksia, joita ko. tilanteessa tarvitaan, kuten esimerkiksi korroosionkestävä keittiöveitsi. Näin saadaan aikaan ruostumaton teräs, mikä se on käytetyin metalliseos terän valmistuksessa. [2] Hiili on pääaines teräksessä. Sen määrän kasvattaminen lisää teräksen lujuutta. Kromi taas parantaa karkenevuutta, kulutuksenkestävyyttä ja myös korroosionkestävyyttä. Molybdeeni myös lisää karkenevuutta, vetolujuutta, korroosionkestävyyttä ja erikoisesti epämuodostumien syntymistä käytön aikana. Nikkeli lisää korrosionkestävyyden lisäksi kovuutta. [2]. Sen kiderakenne on pintakeskinen kuutiollinen (Kuva 3) [3]. Vanadiini tekee teräksestä hienorakenteisen. Tämä on tärkeää, sillä hienorakenteinen kappale kestää paremmin käyttöä. Tämä rakenne on juuri toivottua. [2] Sadat eri laadut jaotellaan yleensä mikrorakenteen mukaan neljään pääryhmään: aisteniittinen, ferriittinen, duplex-teräs (austeniittisferriittiset) ja martensiittiset ruosutmattomat teräkset. Laadut eroavat mikrorakenneeltaan pääasiassa sen mukaan, mikä on kromin ja nikkelin suhde Kuvasta näemme, miten eri suhteet vaikuttavat laatujen eroihin. [4] Kuva 2: Ferriittisen teräksen tilakeskinen kuutiollinen yksikkökoppi. [6] Ferriittisen teräksen tilakeskinen kuutiollinen yksikkökoppi koostuu yhdestä kokonaisesta atomista ja kahdeksasta /8 atominosasta yhteensä kaksi atomia (kuva 2). Austeettisen teräksen hilakopissa on neljä atomia yhteensä, siksi sitä kutsutaan myös tiivispakkaushilaksi, koska se on tiivein tapa, jolla atomit voivat pakkautua (Kuva 3). [4] Kuva 3: Austeniittisen teräksen pintakeskinen kuutiollinen yksikkökoppi. [6] Kuvasta 2 ja 3 näemme, että kiteiden atomien väliin jää eri määrä tyhjää tilaa. Seosaineet ja epäpuhtaudet pääsevät näihin välisijoihin ja siten tulevat osaksi kiderakennetta. Tyhjän tilan määrä määrää, paljon epäpuihtauksia/seosaineita siihen voi liueta. [4] Aiemmista hilakopeista tulee helposti martensiitti äkillisen jäähtymisen jälkeen. Martensiitti on monimutkaisempi. Se on ferriitinlainen, mutta venyneempi (Kuva 4). Se on luja ja sisältää suuria jännityksiä. [4] Kuva 4: Martensiitin tilakeskinen tetragoninen yksikkökoppi. [6] Vaihtoehdot veitsen terän materiaalille Yleisimmät olemassa olevat metalliseokset, joita käytetään veitsen terän valmistamiseen ovat S30V, BG-45, 54CM, 420HC, 420J2, 7-7 PH. Tarkemmin näistä: S30V Hiili,45%, kromi 4,0%, vanadiini 4,0%, molybdeeni 2,0% S30V sisältää huomattavasti suuren määrän hiiltä ja vanadiiniä, jonka vuoksi tästä metalliseoksesta valmistettu terä on erityisen hyvin terää säilyttävä, korroosionkestävä ja kova. Tämä metalliseos on myös erityisen sopiva taottavaksi, eli on taipuisa. BG-42 Hiili.5%, silikoni 0.3%, kromi 3.50-4.50%, molybdeeni 4.0%, vanadiini.20%. BG-42 on martensiittinen ruostumaton teräs ja tätä käytetään erityisesti avaruusteollisuudessa. Erittäin vahvan ominaisuuden ansiosta tästä seoksesta tehty teräs kestää äärimmäistä käyttöä terän säilyen terävänä. Lisäksi vanadiinin ansiosta teräs on hienorakenteinen ja siten kestää paremmin käyttöä. 54CM Hiili,05%, silikoni 0,35%, kromi 3.50-4,00%, molubdeeni 4,0%. 54CM on paljoa hiiltä sisältävä ruostumaton teräs sisältäen myös molubdeenia. Tämä sopii hyvin terille, jotka vaativat raskaampia leikkaussovelluksia, koska 54CM säilyttää paremmin terän reunusta kuin keskivertoiset ruostumattomat teräkset. 420HC Hiili 0,40-0,50%, nikkeli 0,50%, silikoni 0,60%, kromi 2,00-4,00%, mangaani,0% Hiili suuren määrän kromin kanssa takaa kulumiskestävyyttä ja teränsuun kestävyyttä. On olemassa myös 420, mutta se sisältää vähemmän kromia ja siten on ominausiiksiltaan erilainen verattuna 420HC:hen. 420HC on erinomainen yleiseen käyttöön tulevan veitsen teräksi. Se myös teroittuu hyvin, on luja sekä erittäin hyvin korroosiota kestävä. 420J2 Hiili 0,36%, nikkeli 0,60%, silikoni 0,60%, kromi 2,00-4,00%, mangaani 0,80% Tämä metalliseos sisältää vähän hiiltä. Se on yleiseen käyttöön sopiva ruostumaton teräs. Se on reilun vahva, korroosionkestävä samalla helposti teroittuva. Eli 420J2 sopii sellaisen veitsen terän materiaaliksi, mitä käytetään vähän tai keskiverran, ja jolla hoidetaan rutiininomaisia tehtäviä. Tätä metallisseosta voidaan helposti massatuottaa. 7-7 PH Hiili 0,07%, kromi 7,00%, nikkeli 7,0%, alumiini,25% Tätä metalliseosta käytetään erittäin kestävyyttä vaativiin sovelluksiin edellyttäen suolaveden korroosion kestäminen. Seos on siis martensiittiteräksen ja austeniittiteräksen ominaisuuksien kompromissi. Se johtuu kromi-hiili-alumiini -sisällöstä. Kuva 5: (Muokattu) Metalliseoksien ominaisuuksien vertailutaulukko. [2] Veitsen kahva Puu on perinteinen vaihtoehto veitsen kahvaksi. Se on orgaaninen, lämmin kosketukselle ja mukava otteelle. Tärkein ominaisuus on sen pitkäkestoinen säilyvyys ja kulumattomuus. Puumateriaalin täytyy olla kuitenkin hyvin lakattu ja sileä, jotta se e tuntuu mukavalta kädessä. Huonona puolena on puumateriaalin huokoisuus. Se tekee puusta epävakaan. [7] Myös ruostumatonta terästä käytetään veitsen kahvan materiaalina. Se on vahva ja kestävä. Se kuitenkin painaa enemmän kuin puu. Lisäksi sitä täytyy suojata muovilla tai kumilla, koska teräksinen kahva ei ole mukavan tuntuinen kädessä. Se on kylmä ja liukuva. [7] Alumiinista saa hyvän otteen, se on kova ja korroosionkestävä eikä se tee veitsestä painavan kuten teräs. Se on kuitenkin kylmä kädessä ja hieman liukas. Lisäksi siihen voi tulla naarmuja. [7] Muita vaihtoehtoja ovat mm. titanium, hiilikuitu, nahka ja luu. Osa näistä ovat erittäin kalliita ja osa helposti kuluvia tai rikkiinmeneviä ja siten sopimattomia keittiöveitsen kahvalle. Lopullinen valinta Valitsen keittiöveitsen terälle metalliseoksen 420HC (kuvassa 5 keltaisella), sillä se on kestävä, kuluu vaikeasti ja terä pysyy terävänä hyvin. Keittiön päivittäiseen käyttöön tulevalta veitsen terältä vaaditaan myös hyvä korroosionkestävyys, sillä jatkuva peseminen altistaa sitä korroosiolle. 429HC kestää erittäin hyvin korroosiota verrattuna muihin vaihtoehtoihin, paitsi 7-7 PH, mutta 7-7 PH ei sopisi keittiöveitseksi sen huonosti säilyvän terän vuoksi, vaikka sitä voi teroittaa helposti. Eikä suolaveden korroosion kestävyyttä tarvita rutiiniomaiseen käyttöön tulevan veitsen terälle. BG-42 on ääriolosuhteisiin käyttöön tuleva ruostumaton teräs. Keittiöveitsen terän materiaalilta ei vaadita noin vahvaa kestävyyttä. Samoin 54CM on raskaampaan käyttöön tulevalle terälle sopiva materiaali, eikä täten sovi keittiöveitseksi. 420J2 on myös hyvä kandidaatti keittiöveitseksi, mutta se ei kestä yhtä hyvin käyttöä kuin 420HC ja täten kuluisi nopeammin. Kahvan materiaaliksi valitsen puun. Puu on kädessä mukava ja sopivan kestävä keittiöveitsen kahvaksi. Teräs on liian painava ja se vaatii suojaksi muovia tai kumia. Ja alumiini on herkkä naarmuille. Puuta on käytetty pitkään veitsen kahvana ja tekniikka on kehittynyt. Materiaalia osataan käsitellä nyt paremmin ja sen huokoisuutta voidaan vähentää puristamalla puumateriaali ja tällöin puun ominaisuudet paranevat. [] Materials science and engineering, William D. Callister, Jr 8 th ed. [2] https://www.knifecenter.com/info/knife-blade-materials [3] https://fi.wikipedia.org/wiki/austeniitti [4] http://jetsteeloy.blogspot.fi/203/04/ruostumattomien-terastenlaadut-osa-6.html [5] Cunat P-J., The Euro Inox Handbook of Stainless Steel. 2002, Brysseli: Euro Inox. [6] Muokattu: http://www.ndt-ed.org/educationresources/ CommunityCollege/Materials/Structure/metallic_structures.htm [7] http://bestpocketknifetoday.com/the-ultimate-guide-to-knife-handlematerials/

Keittiöveitsiä valmistetaan useisiin eri käyttötarkoituksiin. Hedelmien kuorimiseen sopii hyvin pieni ja kevyt veitsi, jonka materiaalin ei tarvitse olla erityisen kovaa. Ohuiden viipaleiden leikkaamiseen pehmeistä raaka-aineista vaaditaan erittäin terävä veitsi. Tähän soveltuu paremmin materiaali, joka pysyy terävänä pitkään. Tässä posterissa keskitytään jälkimmäisen kaltaiseen veitseen, jolla pystyy tarvittaessa tekemään suurimman osan kaikista ruoanlaitoin työvaiheista. Käyttöolosuhteet Veitsen pitää pysyä terävänä pitkään, eli materiaalin pitää olla tarpeeksi kova. Kovin materiaali, jota veitsellä normaalikäytössä leikataan, on luu. [] Veitsen materiaalin tulee olla myös riittävän jäykkää, sillä veitsi on todella ohut, eikä se saa taipua liikaa. Veitsen pitää pysyä hygieenisenä, eli se pitää olla helposti pestävissä, eikä siihen saa tulla bakteereja kerääviä syviä naarmuja. Veitsellä käsitellään ruokaa, joten ei ole suotavaa, että siitä irtoaa epämiellyttäviä makuja tai vaarallisia aineita. Pesu saatetaan tehdä 80 C astianpesukoneessa käyttäen todella emäksistä pesuainetta. Veitsellä saatetaan leikata myös vahvoja happoja sisältäviä elintarvikkeita, kuten sitruunaa. Veitsi saatetaan jättää märkänä odottamaan seuraavaa työvaihetta, jolloin se voi alkaa ruostua, jos sen pinnalla on vahvaa happoa. Käytön jälkeen veitsi kuitenkin pestään, huuhdellaan ja kuivataan, joten täydellinen korroosionkestävyys ei ole välttämätön. Veitsen käyttöikä on parhaimmillaan kymmeniä vuosia, jos se voidaan teroittaa. Materiaalikustannuksissa ei siis kannata säästää materiaaliominaisuuksien kustannuksella. Materiaaliryhmän valinta Jäykkyys ja kovuus Kuvassa on tarkasteltu eri materiaalien Youngin modulusta sekä kovuutta. Suuri kovuus mahdollistaa veitsen terävänä pysymisen. Suuri Youngin modulus taas tarkoittaa, että materiaali on jäykkää sitä taivutettaessa. Youngin modulus on kuvassa y-akselilla, kovuus x-akselilla. Kuvaajassa yläoikealle sijoittuu keraamit ja niiden jälkeen metallit. Keraamit (kuvassa keltaisella) muodostuvat ionitai kovalenttisista sidoksista, joka tekee niistä jäykkiä ja kovia. Keraameilla on erinomainen lämmönkestävyys, eivätkä ne kärsi korroosiosta. Niiden heikkous on kuitenkin niiden hauraus. [5] Kovuudessa ja jäykkyydessä seuraavaksi tulevat metallit (kuvassa punaisella). Metallit muodostuvat metallisidoksista, joissa elektronit liikkuvat vapaasti metallihilan ympärillä. Tämä aiheuttaa metallien hyvän sähkön ja lämmönjohtavuuden. Metallit muokkautuvat elastisesti, toisin kuin keraamit, joka helpottaa valmistusta. Monet metallit ovat myös kohtalaisen jäykkiä ja kovia, ja ne kestävät suuria lämpötiloja. Monet metallit kärsivät kuitenkin korroosiosta. Polymeerit (kuvassa sinisellä) koostuvat pitkistä polymeeriketjuista, jotka muodostuvat primaarisista sidoksista. Ketjut ovat kiinni toisissaan heikommilla sekundaarisilla sidoksilla. Tämä aiheuttaa polymeerien huonon lämmönkestävyyden ja kohtalaisen vaatimattoman kovuuden ja jäykkyyden. Yleiskäyttöiseen veitseen polymeerien mekaaniset ominaisuudet eivät sovi. Sitkeys Kuvassa 2 on tarkasteltu eri materiaalien sitkeyttä (toughness). Keraamien (kuvassa keltaisella) hauraus ilmenee heikkona sitkeytenä. Jos veitsellä hakataan, väännetään tai se pudotetaan, on todennäköistä, että keraaminen veitsi halkeaa. Sen sijaan metalleilla (punaisella ja turkoosilla) ja polymeereillä (sinisellä) on erinomainen sitkeys. Keraamiset veitset sopivat ammattikäyttöön, jossa niitä käytetään vain työvaiheisiin, johon ne sopivat. Yleiskäyttöisen keittiöveitsen materiaaliryhmäksi valikoituu kuitenkin metallit, joilla on hyvä kovuus, sitkeys ja jäykkyys. Metallin valinta Kuvassa 3 on kuvattu eri metallien sopivuutta keittiöveitsen materiaaliksi. Y-akselilla on (kovuus * sitkeys) / (hinta/tilavuus^/2). Hinta on laitettu neliöjuuren sisään, jotta sen merkitys pienenisi. Koska veitsen käyttöikä on useista vuosista kymmeniin vuosiin ja tarvittava materiaalimäärä suhteellisen pieni, ei materiaalikustannukset ole avainasemassa. Hintana käytetään tietyn tilavuuden hintaa, sillä veitsen painolla ei juuri ole merkitystä. Veitsen geometria on kutakuinkin sama materiaalista riippumatta. Kärkikolmikosta löytyvät seuraavat metallit:. Niukkaseosteinen teräs 2. Runsashiilinen hiiliteräs 3. Ruostumaton teräs Niukkaseosteisen teräksen (Low alloy steel) palkki kuvaajassa nousee todella korkealle ja se menee myös todella matalalle. Tämä johtuu siitä, että se voidaan karkaista todella kovaksi, jolloin se on myös todella haurasta. Se voidaan jättää myös todella sitkeäksi, jolloin sen kovuus ei ole enää hyvä. Käytännössä on kuitenkin tehtävä jokin kompromissi näiden väliltä, eikä se veitsen käyttötapauksessa ole mielekästä. Niukkaseosteinen teräs sopii paremmin muunlaisiin käyttötarkoituksiin. Runsashiilinen teräs on hyvä materiaalivalinta veitseen. Siihen saa teroitettua todella terävän terän, eikä se ole liian haurasta. [2] Sen heikkoutena on kuitenkin korroosion kestävyys. Jos veitsi jätetään vähäksi aikaa pesemättä, alkaa se ruostua. [3] Hiiliteräksinen veitsi sopii ammattikäyttöön, jossa äärimmäinen terävyys on tärkeää ja veitsestä pidetään hyvää huolta. Paras valinta yleiskäyttöiseen veitseen on kuitenkin ruostumaton teräs. Se on mekaanisilta ominaisuuksiltaan lähes yhtä hyvä kuin hiiliteräs, mutta se kestää korroosiota paljon paremmin. [4] Sen suurin heikkous on hinta. Se on n. -kertaa hiiliterästä kalliimpaa. [6] Veitsessä materiaalikustannukset ovat kuitenkin kohtalaisen pienet verrattuna työkustannuksiin, joten ruostumaton teräs on materiaalivalintana toimiva. Lähteet [] https://en.wikipedia.org/wiki/kitchen_knife [2] http://www.zknives.com/knives/kitchen/misc/articles/kkchoser/ssvscs.shtml [3] http://www.zknives.com/knives/articles/knifesteelfaq.shtml [4] https://en.wikipedia.org/wiki/stainless_steel [5] https://en.wikipedia.org/wiki/ceramic#properties_of_ceramics [6] CES-ohjelmisto Viljami Pirttimaa juuso.pirttimaa@aalto.fi

Keittiöveitsen materiaalinvalinta Tekijä: Anna Väyrynen Yhteystiedot: anna.vayrynen@aalto.fi Tämän harjoitustyön tarkoituksena on tutustua materiaalinvalinnan perusteisiin etsimällä ja perustelemalla sopivat materiaalivalinnat keittiöveitselle. Posterin tekijä on työskennellyt tavaratalon kodintarvikeosaston myyjänä, ja täten tuntee kuluttajamarkkinoilta jo löytyvät materiaaliratkaisut keskivertoa paremmin. Keittiöveitsien (Kuva.) materiaali on yleensä joko sama terässä ja kahvassa, tai kahvaosan pinnoite voi olla eri materiaalia. Tavallisimmin veitsen terämateriaali jatkuu myös kahvaosan runkoon. Tässä harjoituksessa on pyritty löytämään parhaat vaihtoehdot molemmille tuotteen osille. Materiaalipohdinta on tässä harjoituksessa tehty niin, että tuotteen tulisi kestää pesukonepesua, vaikka se ei olekaan nykyisille keittiöveitsille valmistajien mukaan suositeltavaa. Konepesu tietysti lyhentää tuotteen käyttöikää myös tämän harjoitustyön esimerkkimateriaaleilla. Vaaditut materiaaliominaisuudet Veitsen tulee kestää kovienkin materiaalien leikkaamista ja kovaa painetta toistuvia kertoja. Olisi suotavaa, että terä myötää ennen kuin se murtuu, jotta käyttäjällä on aikaa reagoida. Materiaalin tulee olla kevyttä ja edullista, jotta tuote voi olla kaikkien saatavilla ja käytettävissä. Kemiallinen kestävyys ja korroosiokestävyys on tärkeää, mikäli veistä pestään pesukoneessa. Materiaali ei saa olla liian jäykkää, jottei se murru liioitellun helposti. Siispä tärkeimmät materiaaliominaisuudet terän/rungon kannalta ovat: Hinta < 30 /kg Keveys Kemiallinen kestävyys, korroosiokestävyys Mieluummin myötää ennen kuin murtuu. Myötö- ja murtolujuus korkeita =kova aine Kulutuskestävä Pitää kestää veitsen terälle tyypillinen kiilamainen muoto murtumatta Myös kahvamateriaalin kannalta edullisuus, keveys ja kemiallinen kestävyys ovat tärkeitä ominaisuuksia. Myös hyvä kitka tai pinnan karhennettavuus ovat tärkeitä, jottei veitsi lipeä käyttäjän kädestä helposti. Myös materiaalin käsiteltävyys märkänä on tärkeää. Tärkeimmät materiaaliominaisuudet kahvan pinnoitteen kannalta: Hinta < 30 /kg Keveys Kemiallinen kestävyys, korroosiokestävyys Korkea kitka tai karhennettu pintatekstuuri Ei-absorboiva Molempien pintojen kohdalla voidaan myös leikitellä ajatuksella antibakteerisesta materiaalista. Materiaaliryhmät ja niiden ominaispiirteet Konstruktiomateriaalit jaotellaan neljään eri ryhmään: Metallit Keraamit Polymeerit Komposiitit Atomien metallisidoksia muodostuu, kun atomin uloimmalla elektronikuorella on vain muutamia elektroneja, jotka se pyrkii hävittämään ja muodostamaan metallisidoksen. Metallisidokset ovat suuntautumattomia. [2] Tällainen sidosten muodostuminen antaa metalleille niiden ominaisimmat piirteet, joista mainittakoon mm. hyvä lämmönjohtokyky, vahvuus ja korkea sulamislämpötila [3]. Elementtejä, joita muodostuu, kun lähes täysi elektronikuori saa elektroneja toiselta atomilta kutsutaan epämetalleiksi. Epämetallien välisiä siteitä, joissa elektroneja siirtyy kahden atomin yhteiselle orbitaalille, kutsutaan usein kovalenttisiksi sidoksiksi ja niistä muodostuu keraameja. Kovalenttiset sidokset ovat suuntautuneita. [2] Keraameja muodostuu myös kun epämetalli ja metalli muodostavat siteen. Näissä siteissä atomit, joilla on eri sähkövaraukset muodostavat ionisidoksen, joka on siteistä vahvin [8]. Keraamien tyypillisimpiä ominaisuuksia ovat kovuus, huono sähkönjohtavuus ja hauraus. Kovelenttiset siteet ja ionisiteet ovat paljon vahvempia kuin metallisiteet ja siksi keraamiset materiaalit ovat hauraita ja metallit joustavampia. [4] Polymeeri-sana viittaa useaan kappaleeseen. Polymeerimolekyyli on pitkä ketju kovalenttisidoksisia atomeita, joita sekundäärisidokset pitävät kasassa polymeeriketjuryppäiden muodostamiseksi. Polymeerisidokset ovat suuntautumattomia. Tärkeimpiä polymeerejä ovat muovit ja elastomeerit. Useat polymeerit ovat vähemmän tiheitä kuin metallit tai keraamit, korroosionkestäviä ja yhdisteltäviä ihmiskudosten kanssa. Valtaosa polymeereistä on ensin pehmeitä ja muovailtavia, mutta jähmettyvät myöhemmin muotoonsa. Kumi on luontainen polymeeri, mutta valtaosa polymeereistä on ihmisen kehittämiä. [5] Komposiiteiksi nimitetään yleisesti materiaaleja, jotka ovat yhdiste kahta tai useampaa materiaalia, joista jokainen säilyttää yhdistettäessä omat ominaisuutensa. Tällä tavoitellaan uusia materiaaleja, joilla on usean materiaalin hyvät ominaisuudet. Komposiittimateriaalien huonona puolena voidaan pitää niiden kallista hintaa tavanomaisiin materiaaleihin verrattuna. [6] Mikään materiaaliryhmä ei ole minkään sidostyypin puhdas edustaja, vaan eri sidostyypit esiintyvät samoissakin materiaaleissa. Tätä havainnollistaa kuva 2. Tulee myös muistaa, että kaikki materiaalit eivät asetu ryhmiin. Kuva. Keittiöveitsi, jonka kahva on pinnoitettu [] Materiaaliehdotukset Kuten tehtävänannossa kuvailtiin materiaalivalinnassa ei ole yhtä oikeaa vastausta. Preferenssejä eri ominaisuuksien tärkeydelle on yhtä monia kuin on suunnittelijoita ja käyttäjiäkin. Terän materiaalivalinta Terän materiaalivalinnassa on painotettu materiaalin lujuutta ja sitä, että se myötää ennen murtumista. Perusteena tälle on käyttäjän mahdollinen loukkaantuminen hallitsemattoman murtumisen seurauksena. Taulukossa on esitetty CES ohjelman graafia käyttäen eri materiaalien myötölujuudet MPa. Taulukko. Materiaalien myötölujuus (Mpa) materiaaliryhmittäin Terän materiaaliksi ei ole harkittu keraameja eikä laseja niiden haurauden vuoksi. Tässä työssä liika materiaalin jäykkyys ja vähäinen myötölujuus on laskettu karsiviksi tekijöiksi. Materiaaliryhmän kuvauksen perusteella komposiittiryhmästä olisi voinut löytyä potentiaalisia materiaaleja, mutta myös useimmissa näissä (esimerkiksi hiilikuitukomposiitissa) on liian vähän myötöä tai liian korkea hinta. Kaikki harkitsemisenarvoiset materiaalivaihtoehdot löytyvät metallikategoriasta. Tässä kategoriassa on syytä keskittyä rautapitoisen metallien alakategoriaan muun muassa siksi, että useat ei-rautapistoiset metallit voidaan hylätä jo korkean hinnan vuoksi (hopea, kulta) ja osa haitallisuuden vuoksi (sinkki, kupari, lyijy jne.) [9]. Vaikka veistä käyttäessä ruokaan ei siirry suuria pitoisuuksia ihmisille haitallisia aineita, on kuluttajille haastavaa perustella myrkyllisten metallien käyttöä, kun turvallisiakin materiaalivaihtoehtoja on saatavilla. Jäljelle jäävistä vaihtoehdoista karsitaan ensimmäisenä harmaa valurauta sen työstettävyyden ja rakeisen koostumuksen vuoksi. Myöskään hiiliteräksen käyttö veitsissä ei ole ihanteellisin vaihtoehto, sillä hapokkaat ruoat saatavat irrottaa terästä metallista makua. Hiiliteräkset kuitenkin tunnetusti pitävät teränsä hyvin. Tavallinen ruostumaton teräs ei myöskään ole paras mahdollinen materiaali, sillä se pitää metallin pehmeyden vuoksi terävyytensä huonosti. Tarjolla olevista vaihtoehdoista parhaana voidaan pitää hiiliteräksen ja ruostumattoman teräksen sekoitusta, joissa saadaan molemmista teräksistä parhaat puolet. Veitsiteollisuudessa käytetään myös valmistustapaa, jossa useaa eri metallia käytetään kerrostaen. Tässä valmistustavassa haurain ja kovin metallikerros laitetaan keskelle ja sen molemmin puolin taotaan kovempaa metallia voileipää muistuttavasti. Näin kyseisen metallin puutteellisuutta voidaan paikata muulla metallilla. [.] Kahvan materiaalivalinta Kahvan materiaalivalinta on vaikeampaa käyttäen mitattavia ominaisuuksia. Keittiöveitsen ollessa kuluttajamarkkinoille suunnattu tuote, tulee myös esimerkiksi estetiikalle antaa painoarvoa. Sopivia vaihtoehtoja materiaalille on useita. Samat metallit joiden käyttöä on ylempänä suositeltu terässä, ovat karhennettuna oivia myös kahvaosassa. Teräksien eduksi on laskettava erinomainen puhdistettavuus ja kestävyys. Kaikkia liian huokoisia materiaaleja, jotka imevät itseensä kosteutta, tulee välttää. Esimerkiksi puu on huono materiaali pesukoneessa pestävän veitsen kahvaan, sillä useimmat puulajit imevät itseensä kosteutta ja turpoavat. Kuva 2. Eri sidostyypit ja materiaaliryhmät suhteessa toisiinsa [7] Keramiikka ja lasi-ryhmän hauraita materiaaleja ei voi suositella käytettävän kahvassa, sillä ne rikkoutuvat herkästi tai ovat liian liukkaita. Liukkauden vuoksi myös osa muoveista on poissa laskuista. Niitä voidaan myös pitää liian kevyinä terään nähden, jolloin veitsi on epätasapainoinen ja hankala käyttää. Elastomeereistä kuitenkin löytyy pari harkitsemisen arvoista materiaalivaihtoehtoa. Hyvin kiinnitettynä silikonielastomeeri voisi olla erinomainen vaihtoehto veitsen kahvaan, sillä siitä saa hyvän otteen, se kestää pesua ja on hygieeninen. Kolmas soveltuva materiaali on henkilökohtaisen kokemuksen perusteella mukaan arviointiin otettu TPE termoelastinen muovi. Sillä on muutoin hyvin samanlaiset ominaisuudet silikonin kanssa, mutta se on kovempaa ja siltä puuttuu joustavuus. Päätelmät Tämän pintapuolisen tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että parhaimmat materiaalit keittiöveitsien terien/runkojen valmistuksessa ovat erilaiset ruostumattoman teräksen ja hiiliteräksen kombinaatiot. Veitsien kahvoissa on mielekästä suosia joko samaa materiaalia kuin terässä tai polymeeriryhmään kuuluvia silikonia tai TPE:tä ( Kuva 3.). Pikaisen katsauksen perusteella kaikki nämä materiaalit ovat jo käytössä veitsien valmistuksessa, joten näin pintapuolisen tutkimuksen perusteella ei vielä päädytty toimialaa mullistaviin lopputuloksiin. Huomionarvoista kuitenkin on, että veitsien valmistuksessa käytetään edellä mainittujen lisäksi paljon materiaaleja, joiden sovellus käyttötarkoitukseen on allekirjoittaneen mielestä keskinkertainen. Esimerkiksi keraamisten terien voidaan katsoa pitävän terän todella hyvin ja olevan todella kovia, mutta kuka todella haluaa veitsen joka rikkoutuu pirstaleiksi jos sen tiputtaa lattialle tai kalauttaa pöydän laitaan liian kovasti? Kuva 3. Yllä Röslen tomaattiveitsi silikonikahvalla [] ja alla Victorinoxin 8-tuuman kokkiveitsi TPA-kahvalla. [] Amazon.com verkkokauppa, OXO Good Grips Professional 8-inch Chef s Knife myynti-ilmoitus. https://www.amazon.com/oxo-grips- Professional-8-Inch-Chefs/dp/B000A3OEI Viitattu 8..207 [2] Atomic Bonds, NDT Resource Center (207). https://www.ndeed.org/educationresources/communitycollege/materials/structure/bon ds.htm Viitattu 8..207 [3] Metals, NDT Resource Center (207). https://www.ndeed.org/educationresources/communitycollege/materials/introduction/ metals.htm Viitattu 8..207 [4] Ceramics, NDT Resource Center (207). https://www.ndeed.org/educationresources/communitycollege/materials/introduction/c eramics.htm Viitattu 8..207 [5] Polymers, NDT Resource Center (207). https://www.ndeed.org/educationresources/communitycollege/materials/introduction/ polymers.htm Viitattu 8..207 [6], NDT Resource Center (207). https://www.ndeed.org/educationresources/communitycollege/materials/introduction/c omposites.htm Viitattu 8..207 [7] Tampereen teknillinen yliopisto, Materiaaliopin laitos (2005). Kurssimateriaali. http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_3_2.php Viitattu 8..207 [8] Atomic Structure and Bonding, University of Virginia (207). Kurssimateriaali. http://www.virginia.edu/bohr/mse209/chapter2.htm Viitattu 8..207 [9] Metal toxity, Wikipedia artikkeli (207). https://en.wikipedia.org/wiki/metal_toxicity#copper_toxicity Viitattu 8..207 [] JKC 63 Layers Collection, Japanise Knife Company (207). http://www.japaneseknifecompany.com/jkc-63-layers-collection Viitattu 8..207 [] Tomato knife, Rösle USA (207) http://www.rosleusa.com/tomato-knife-with-green-silicone-handleplu2223.html Viitattu 8..207 [2] Amazon.com verkkokauppa, Victorinox 8 Inch Fibrox Pro Chef s Knife (207). https://www.amazon.com/dp/b008m5uc2/?tag=bestswissarmyknife.co m-20 Viitattu 8..207 Tämän posterin pituus n. 00 sanaa.

Tekijä: Ville Suopanki Yhteystiedot: ville.suopanki@aalto.fi Keittiöveitsi Keittiöveitsi on yksi tärkeimmistä ja useimmin käytetyistä työkaluista keittiössä. Moni vannoutuneempikin koti- ja ammattikokki käyttää keittiössään vain yhtä tai muutamaa eri veistä kaikkeen pilkkomiseen, hienontamiseen, leikkaamiseen ja jopa murskaamiseen. Yleisimpiä keittiössä käytettyjä veitsiä ovat niin sanotut yleisveitset eli kokkiveitset (kuva.) Kuva. Keittiön yleis- eli kokkiveisti [] Ei-kiteisiä keraameja edustavat lasit, jotka häviävät kiteisille keraameille kovuudessa. Lasit koostuvat pääosin piidioksidista (piistä ja hapesta) mutta myös muista oksideista. Laseista saadaan lämpökäsittelyllä osittain kiteisiä, niin sanottuja keraamisia laseja. Keraamiset lasit kestävät keraamien tavoin hyvin suuria lämpötilavaihteluita. [2] Teräksen, eli yleisesti metalliseosten kiderakenne, niiden käyttäytyminen ja ilmiöt tunnetaan erinomaisesti, minkä takia teräksen muovaaminen eri käyttötarkoituksiin on helppoa ja edullista verrattuna esimerkiksi teknisiin keraameihin. Vaadittuja ominaisuuksia Veitsen keskeisin tehtävä on leikata siististi ja turvallisesti. Veitsen on siis oltava tarpeeksi terävä, jotta se kykenee halkaisemaan ja silppuamaan elintarvikkeita mahdollisemman vähällä voimankäytöllä. Veitseltä ei useinkaan vaadita keveyttä, mutta raskas veitsi ei ole enää mielekäs tarkkuutta vaativissa keittiötehtävissä. Kotitalouksissa toivottuja ominaisuuksia ovat myös veitsen terän helppohoitoisuus ja pitkäikäisyys. Veitsestä ollaan kuitenkin harvoin valmiita maksamaan suuria summia. Monikäyttöisyyttä ajatellen, veitsi on lähes aina ominaisuuksien kompromissi. Veitsen on oltava terävä ja kestävä, mikä tarkoittaa käytön kannalta kovuutta, mutta veitsen on kestettävä yleiskäytössä myös vääntöä esimerkiksi murskattaessa mausteita tai valkosipulia veitsi lappeellaan. Terä ei siis saa olla ainoastaan absoluuttisen kova vaan myös sitkeä ja jossain määrin taipuisa. Tämä heikentää terän pitkäikäisyyttä ja lisää teroitustarvetta. Toisaalta pehmeämmän materiaalin teroittaminen on huomattavasti mielekkäämpää ja edullisempaa kuin mahdollisimman kovan terän teroittaminen. Veitsen teroittimen on oltava veitsen terää kovempaa materiaalia. Äärimmäisen kova terä on lisäksi tärähdyksissä ja iskuissa alttiimpi murtumaan kuin lujempi ja vääntöä sallivampi terä. Pitkäikäisyyttä ja helppohoitoisuutta ajattelevat käyttäjät vaativat veitseltä ruostumattomuutta, hyvää korroosiokestävyyttä ja mahdollisimman pitkää teroitusväliä. Ikävä kyllä nämäkään ominaisuudet eivät kulje käsikädessä. Yksikään teräs ei ole täysin ruoste- tai korroosiosuojattu, mutta on olemassa menetelmiä, joilla teräksestä saadaan hyvin korroosiota kestävä, esimerkiksi kromipitoisuuden kasvattaminen [2]. Lisäksi eri materiaalivalinnoilla ongelmasta päästään kokonaan eroon, mutta joudutaan luopumaan vastapainona joistakin teräksen hyveistä. Mahdolliset materiaalit Keittiöveitsissä yleisiä ja toisaalta mielekkäitä materiaaleja ovat erilaiset metallit, erityisesti niiden seokset sekä tekniset keramiikat. Kuvasta 2 nähdään, että juurikin erilaiset metalliseokset ovat sekä kovia että lujia. Käyttäjän haluttaessa maksimoida kovuus, markkinoilla on keraamisia veitsiä mutta nämä häviävät teräksisille murtolujuudessa. Keraamiset veitset saattavat särkyä pudotessaan lattialle, sillä ne eivät kestä juuri ollenkaan muodonmuutosta, halkeamia tai säröjä [2]. Käytännössä myös lasit voisivat olla kovuudeltaan käypiä terän materiaaliksi, mutta niiden murtolujuus on vain noin kymmenesosan metalliseoksiin verrattuna ja ovat niin muodoin todella herkkiä särkymään. Komposiitit, eli kahden tai useamman materiaalin yhdistelmät eivät yllä metalliseoksien kovuuteen, vaikka niiden murtolujuus voikin olla parhaimmillaan kohtalaisen hyvä. Kuva 3. Teräksen kaksi lämpötilasta riippuvaa kiderakennetta [3] Teräksinen terä teknisesti Erinomainen materiaali veitsen teräksi niukasti seostetut teräkset. Kuten edelle todettu, sekoittamalla eri metalleja raudan kanssa, saadaan hyvin lujia, kovia ja tarkoitukseen muokattavia materiaaleja. Rauta yksinään on pehmeää, mutta sitä voidaan lujittaa lisäämällä hiiltä ja lämpökäsittelemällä seosta, jolloin teräkseen muodostuu erittäin lujaa martensiittia. Martensiitti on erittäin kovaa mutta haurasta. Sopivan määrän voi valita muuttamalla lämpökäsittelyn pituutta ja lämpötilaa. Lämpökäsittelyä voidaan helpottaa lisäämällä muita seosaineita teräkseen. Tällä pyritään hidastamaan tai huonontamaan hiilen diffuusiota teräksestä nopeasti jäähdytettäessä, jolloin martensiittia muodostuu teräkseen Kuva 4. Hinta kovuus asteikko [4] Price (EUR/kg) 0000 000 00 0 Low alloy steel Medium carbon steel e-4 0,00 0 00 000 hitaammalla jäähdyttämisellä. [2][4] Terästä voidaan lujittaa myös seostamalla teräkseen rautaa pienempirakeisia metalleita. Sen lisäksi että ne saattavat helpottaa lämpökäsittelyä, pienirakeiset metalliseokset muodostavat lujia ja tiiviitä kiteitä, jotka parantavat teräksen lujuutta. [2][4] Hiilen määrä on hyvä olla noin 0,40 painoprosenttia (+-%). Tällä taataan seoksen kovuus ja haluttu lujuus. Lisäksi seoksessa on oltava hiiltä, että sen kiderakenne reagoisi lämpökäsittelyyn. Niin sanottuja keskihiilisiä (0,25-0,60 %) teräksiä voidaan lisäksi valssata, joka on huomattavasti takomista edullisempi tapa valmistaa haluttuja (litteitä) muotoja teräksestä. Hiilen alhainen määrä ja esimerkiksi kromin lisääminen seokseen parantavat lisäksi teräksen korroosiokestävyyttä. Kromi reagoi hapen kanssa, muodostaen ohuen itseään korjaavan suojan teräksen pintaan, mikä ehkäisee korroosiota. [2] 000 00 0 Yleishyvä teräs Materiaaleihin tutustumalla, ei yllätä, että valtaosa markkinoilla olevista keittiöveitsistä on valmistettu eri teräksistä. Kuten kuvat 2 ja 4 osoittavat, teräkset ovat erinomainen kompromissi terän materiaaliksi. Ne ovat riittävän kovia, kestävät käsiteltyinä korroosiota jopa erinomaisesti ja ovat materiaalihankintahinnaltaan - 0 kertaa keraameja halvempia. Hankintahinnan lisäksi teräksisen veitsen terässäpito on keraamista edullisempaa. Erinomaisen terävyyden ylläpito vaatii teroittamista useammin teräksisessä terässä kuin keraamisessa, johtuen keraamien suuremmasta kovuudesta. Keraamisia veitsiä on kuitenki työlästä ja jopa mahdotonta teroittaa kotikonstein, kun taas teräksisille veitsille on teroitusratkaisuita huomattavia määriä. Keraamisten veisten eduksi voidaan laskea niiden erinomainen haponsietokyky. Toisaalta Keittiöveitsi on harvemmin kosketuksissa rajujen emästen tai happojen kanssa pitkiä aikoja kerrallaan. Veitsien valmistajilla on eri ideologioista ja tavotteista johtuen erilaisia sekoitussuhteita teräksissä, joilla he painottavat eri ominaisuuksia valmiissa terissään. Lähes jokaisella tunnetulla veitsivalmistajalla on kuitenkin valikoimassaan edullisempien veitsien joukossa juurikin niukkasekoitteisista teräksistä tai ruostumattomasta teräksestä valmistettuja veitsiä niiden suuren menekin ja yleispätevyytensä vuoksi. Foams 0,00 0,00 0 00 000 Yield strength (elastic limit) (MPa) Kuva 2. Materiaaliryhmien tekniset ominaisuudet[4] Materliaaliryhmien rakenteelliset ominaisuudet Metallit ja niiden seokset ovat mikrorakenteeltaan kiteisiä ja hyvin muokattavissa eri tarkoituksiin esimerkiksi lämpökäsittelyllä ja metalleja sekoittamalla. Metalleja sekoitettaessa seosmetallit liukenevat hilaan niin sanotuiksi korvausatomeiksi. Eri atomien kokoerot aiheuttavat jännityksiä hilaan, mikä lujittaa seosta. Seosaineatomit voivat lisäksi lukkiutua metallimatriisin välitiloihin, joka lujittaa seosta entistä tehokkaammin [2] Keraamit ovat ei-metallisia aineita ja voivat muodostu metalleista, puolimetalleista ja epämetalleista. Atomeja yhdistävät sekä ioni- että kovalenttiset sidokset. Keraamit saavat kovuutensa metallien tavoin kiteisestä rakenteestaan, vaihtelevasta raekoostaan sekä kemiallisesta koostumuksestaan. Keraamit voivat järjestyä mikrorakennetasolla lukuisin eri tavoin, johtuen keraamien hyvin vaihtelevista ainepitoisuuksista. [2] []http://www.keittiovaline.fi/webroot/kaupat/shops/hopia/4c2/0 457/B93/06EE/4D99/0A28/0B/A9B/5.2003.9.jpg [2] Materials Science and Engineering, 20, ISBN 978-0-470-50586- [3] http://202books.lardbucket.org/books/principles-of-generalchemistryv.0/section_6/4390e822a2f60946e20acbdac9c27.jpg [4] CES EduPack 206

Compressive strength (MPa) Shear modulus (GPa) Compressive strength (MPa) Keittiöveitsi Tekijä: Tero Koivunen Yhteystiedot: tero.koivunen@aalto.fi Tarkastelen tässä posterissa keittiöveitsen terältä vaadittavia ominaisuuksia. Vertailen ensin eri materiaaliryhmien sekä sen jälkeen eri materiaalien sopivuutta keittiöveitsen teräksi. Selvitän ensin keittiöveitseltä vaadittavia ominaisuuksia lyhyesti, sen jälkeen kerron selvitysmetodini, tarkastelen eri materiaalien atomi ja mikrorakenteen vaikutusta aineiden fyysisiin ominaisuuksiin, ja lopulta valitsen fyysisten ominaisuuksien avulla sopivimman materiaalin keittiöveitsen teräksi. Hyvän keittiöveitsen ominaisuudet Tarkastelen tässä posterissa keittiöveitsen terältä vaadittavia ominaisuuksia. Keittiöveitsen terän tärkein ominaisuus on terän kovuus. Terän on oltava riittävän kova, jotta se ei muuta muotoaan pysyvästi leikatessa. Terän on lisäksi kyettävä pysymään mahdollisimman suorana myös väliaikaisesti, eli sen puristus sekä vetolujuuksien on oltava mahdollisimman suuret. Terän on oltava myös korroosion kestävä, jottei se ruostuisi. Lisäksi terä ei saisi kulua käytössä liian paljon, ja terän pitäisi olla myös helposti valmistettavissa. [] Materiaaliryhmän valinta Materiaaliryhmän valintaan sovelsin edellä selvitettyjä hyvän keittiöveitsen ominaisuuksia. Tarkastellessa materiaaliryhmiä CESohjelman avulla [2], voidaan tarkasteluun ottaa seuraavat materiaaliryhmät: vaahdot, luonnon materiaalit, ei-teknilliset sekä teknilliset keramiikat, metallit sekä metalliseokset, polymeerit, komposiitit, sekä lasit. Vertailemalla näiden edellä mainittujen materiaaliryhmien ominaisuuksia haluttuihin mekaanisiin ominaisuuksiin, sain selville sopivimmat materiaaliryhmät. 000 00 0 Ottamalla huomioon vielä leikkauskertoimen, voimme poistaa tarkastelusta vielä ei-tekniset keraamit sekä komposiitit. (Kuva 2) Tarkastelemalla vielä mm. hintaa niin puristuslujuuden kuin leikkauslujuuden verrattuna, päädyin lopulta teknillisten keraamien ryhmään. (Kuva 3) 200 0 0 Shear modulus (GPa) Kuva 2. Materiaaliryhmiä leikkaus ja puristuslujuuden funktiona. Tungsten carbides Karbidin vertailu muutamaan muuhun keittiöveitsimateriaaliin Verrataan karbidia ensin korkeahiilipitoiseen teräkseen (0.5-.7% hiiltä raudassa). Tämä teräs on hyvin paljon halvempaa kuin valittu materiaali (noin 0.6 /kg vs. noin 20 /kg). Lisäksi rautaa on helpompi valmistaa sekä teroittaa kuin karbidia. Kuitenkin karbidin etu tulee siitä, että sen leikkauslujuus on moninkertainen teräkseen verrattuna (260 GPa karbidille ja 80 GPa teräkselle) [2] Lisäksi karbidi on paljon kovempaa kuin teräs, noin 40 kertaa kovempaa. [2] Tämä tarkoittaa siis sitä, että karbidiveitsi ei väänny helposti, vaan säilyttää muotonsa hyvin. On vielä otettava huomioon se, että karbidi on hyvin tiheää, joten karbidiveitsi olisi noin kaksi kertaa painavampi kuin tavallinen keittiöveitsi (5 500 kg/m^3 vs. 7850 kg/m^3). [2] Verrataan karbidia vielä toiseen harvinaiseen materiaaliin, nimittäin titaaniseokseen. Titaaniseos on titaanin sekä jonkun muun metallin, kuten alumiini, kromin tai sinkin seos. Titaaniseos on hinnaltaan vertailtavissa suoraan karbidiin. Titaaniseoksen etuna on sen hyvin pieni tiheys, noin /3 karbidin tiheydestä. Titaaniseos on suhteellisen haurasta, kuten myös karbidi, ja sen valmistaminen on lisäksi kallista ja hankalaa. Titaaniseoksen valmistaminen vaatii tyhjiökäsittelyä. Titaanin leikkauslujuus on vain puolet teräksen leikkauslujuudesta, joten karbidilla on noin kymmenkertainen leikkauslujuus. Titaanin kovuus on samaa luokkaa kuin teräksellä, joten karbidin voittaa titaanin myös kovuudessa. Toisaalta titaanin elastinen raja on noin kaksinkertainen karbidin rajaan verrattuna. 50 000 Materiaaliryhmien atomi- ja mikrorakenneilmiöt Materiaaliryhmät koostuvat erilaisista alkuaineista, joten materiaalien väliset atomisidokset poikkeavat myös toisistaan. Kuitenkin atomien väliset sidokset voidaan jakaa kovalenttisiin sidoksiin, metallisidoksiin, ionisidoksiin sekä van der waalsin sidoksiin. Nk. Ionisolidit jotka koostuvat pelkästään ionisidoksista eivät sovi tarkastelemaamme materiaalivalintaan, sillä ne muodostavat usein hauraita kristallimaisia rakenteita, jotka liukenevat helposti veteen. Myöskään kovalenttiset solidit, jotka koostuvat pelkästään säännöllisistä kovalenttisista sidoksista, kuten timantti ei myöskään sovi veitsemme teräksi. Vaikka näin käyttäytyvät sidokset saavat aikaan hyvin kovia sekä kuumuutta kestäviä materiaaleja, ovat ne myös hauraita eivätkä kestä leikkaavia voimia, sillä tällöin niiden kiteellinen kovalenttinen sidosrakenne murtuu. Myöskään nk. molekyylisetsolidit kuten parafiini eivät kelpaa veitsemme teräksi, sillä niitä pitää koossa vain van der Waalin voimat, joiden heikkoudesta johtuen molekyylisolidit ovat yleensä hyvin pehmeitä sekä helposti muovautuvia. Näin tarkastelemalla pelkästään puhtaita materiaaleja jäljelle jää metallisidokset, jotka sopisivat parhaiten veitsemme teräksi. Tämä johtuu siitä, että metallisidokset ovat hyvin kestäviä mutta samalla muovautuvia, niillä on korkeat sulamispisteet ja ovat myös kovia. Kuitenkin osa metalleista on hauraita, ja osalla sulamispisteet ovat jopa hyvin matalia puhtaassa muodossa (kuten elohopealla sulamispiste on - 39C). Eri alkuaineita yhdistelemällä voidaan luoda kuitenkin uusia materiaaleja, joiden ominaisuudet ovat yleensä parempia kuin pelkästään yhdestä sidostyypistä koostuvilla materiaaleilla. Materiaaliryhmien vertailu Suoritin vertailun siten, että tarkastelin erilaisia materiaalien ominaisuuksia, ja sitten poistin aina ominaisuuksiltaan selkeästi huonoimmat materiaaliryhmät. Vertailemalla eri materiaaleja CES-ohjelmassa aluksi materiaalien kovuuden sekä puristuslujuuden avulla saamme karsittua jo muutaman materiaaliryhmän pois. Jatkotarkasteluun pääsevät tekniset keraamit, lasit, komposiitit, metallit sekä metalliseokset ja ei-tekniset keraamit. 20 5 0 00 000 0000 Price (EUR/kg) Kuva 3. Lopullisen materiaaliryhmän ja materiaalin valinta leikkausjännityksen sekä hinnan mukaan. Punaisella on ympyröity teknillisten keraamien materiaaliryhmä, jonka sisältä on ympyröity oranssilla wolframikarbidi. Valittu materiaali Wolframikarbidi Tutkimalla tarkemmin valittuja kaavioita, havaitsemme, että wolframikarbidi (karbidi jatkossa) on kaikista materiaaleista kestävin ainakin leikkaus ja puristusvoimien suhteen. Siksi valitsin materiaalin tarkempaan tarkasteluun, ja tutkin sen ominaisuuksia. Karbidi on kemialliselta kaavaltaan joko WC tai W2C Karbidissa on wolfram atomien välillä metallisidoksia, kun taas wolfram ja hiilitatomien välillä on kovalenttisia sidoksia. Lisäksi hiiliatomien välillä on kovalenttiset sidokset. [4] Koska WC on yleisin karbidin muoto, johtaa se siihen, että siinä on yhtä monta metallisidosta kuin kovalenttista sidosta. Näin saatu materiaali on siis sekä kuumuutta kestävä, taipuisa, vahva sekä kestää kulutusta. Lisäksi wolframkarbidi kestää hyvin korroosiota. Yleensä karbidia myös sementoidaan koboltilla siten, että koboltin osuus on noin % karbidista. Karbidin huonoja puolia on kuitenkin sen suhteellinen hauraus muihin metalleihin verrattuna, mutta on mahdollista kuitenkin myös tehdä eihaurasta karbidia. Lisäksi karbidin valmistus ja terän teroittaminen on hyvin hankalaa, ja vaatii mm. timanttipohjaisia hiontamenetelmiä. Kuitenkin lopputuloksena on hyvin kauan leikkauskykynsä säilyttävä terä. [5] CES-edupackin tiedoista näemme myös, että karbidi on suhteellisen kallista verrattuna tavanomaisempiin valmistusmateriaaleihin. Kuva 5. Wolframikarbidin kiderakenne. Mustat atomit ovat hiiliatomeja, ja siniset wolframiatomeja. Säännöllinen rakenne tekee wolframikarbidista hyvin kovaa, mutta aiheuttaa myös aineen jauhomaisen rakenteen ilman kuumentamista ja uudelleenmuokkausta. https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide Kuva 6. Wolframkarbidi 00-kertaisella suurennoksella, vaaleat täplät ovat sementoivaa metallia, muuten wolframkarbidi on levittäytynyt tasaisesti. Kuva on otettu korkealämpökäsittelyn jälkeen. https://www.cartech.com/en/alloy-techzone/technicalinformation/technical-articles/powder-metal-alloy-bridges-gapbetween-high-speed-steel-and-tungsten-carbide 00 0 Foams Natural materials Loppupäätelmä Karbidi on materiaalina erinomainen valinta keittiöveitseen, mikäli sen valmistavuutta saataisiin parannettua nykyisestä. Kuten huomasimme vertailusta titaaniveitsiin, itse materiaalin hinta ei ole pääasiallinen ongelma vaan itse karbidi veitsen valmistaminen ja teroittaminen. Toisaalta kuten artikkelissa [5] sanottiin, on jo ensimmäisiä karbidiveitsiä valmistettu, ja tulevaisuudessa valmistustekniikoiden tai mahdollisesti uuden paremman sidosmetallin löytäminen voisi tehdä karbidiveitsistä tulevaisuuden keittiöveitsien parhaimmistoa. e-4 0,00 0 00 000 Kuva. Eri materiaaliryhmien kovuus ja puristuslujuus kaavakuvassa CESEdupack 206 Kuva 4. Wolframikarbidista tehty veitsi. http://knifenews.com/sandrin-tungstencarbide-knives/ [] https://www.knifecenter.com/info/knife-blade-materials, viitattu 8. 207 [2] CES Edu Pack 206 [3] https://en.wikipedia.org/wiki/bonding_in_solids#molecular_solids[4] Lähde 4 viitattu 8. 207 [4] http://www.ehow.com/info_8365093_type-bonding-occurstungsten.html viitattu 8. 207 [5] http://knifenews.com/sandrin-tungsten-carbide-knives/ viitattu 8. 207