Первыми исторически известными инструментами, напоминающими по своим свойствам ножи, являются отщепы из обсидиана - нуклеусы. То есть, изделия из вулканического стекла применялись предками людей еще несколько сотен тысяч лет назад. И пройдя большой путь в металлургии, человечество вновь вернулось к использованию керамики в конце ХХ века. В 1985 году японская компания Kyocera начала производство ножей из керамики на основе диоксида циркония. Эти ножи стали результатом самых передовых на тот момент технологий. На сегодняшний день такие ножи приобрели очень широкое распространение, при крайне низкой цене.
Из чего сделан керамический нож
Керамические ножи изготовляются из диоксида циркония (ZrO2), получаемого в результате специальной обработки минерала циркона. Циркон (ZrSiO4) — это материал, принадлежащий к классу минералов солей кремнёвой кислоты, который был открыт немецким химиком М.Г. Клапротом в 1789 г. Цирконий (лат. Zirconium; обозначается символом Zr) - периодической системы, с атомным номером 40. Это блестящий металл, серебристо-серого цвета. Обладает высокой пластичностью, устойчив к коррозии. Соединения циркония широко распространены в литосфере. В природе известны его соединения исключительно с кислородом в виде окислов и силикатов. Несмотря на то, что цирконий рассеянный элемент, насчитывается около 40 минералов, в которых цирконий присутствует в виде окислов или солей. В природе имеют наиболее широкое распространение: циркон (ZrSiO4), бадделеит (ZrO2) и различные сложные минералы.
Циркон является самым распространенным циркониевым минералом. Он встречается во всех типах пород, но главным образом в гранитах и сиенитах. В графстве Гиндерсон (штат Северная Каролина, США) в пегматитах были найдены кристаллы циркона длиной в несколько сантиметров, а на Мадагаскаре были обнаружены кристаллы весом в несколько килограммов. Бадделеит был найден в 1892 году в Бразилии. Основное месторождение находится в районе Посус-ди-Калдас (Бразилия). Наиболее крупные по размерам месторождения циркония расположены на территории США, Австралии, Бразилии, Индии.
Сырьем для производства циркония являются циркониевые концентраты с массовым содержанием диоксида циркония не менее 60-65%, получаемые обогащением циркониевых руд. Наибольшие объемы производства циркона сконцентрированы в Австралии (40%) и Южной Африке (30%). Основные методы получения металлического циркония из концентрата - хлоридный, фторидный и щелочной процессы.
В промышленности цирконий стал применяться с 30-х годов XX века, однако высокая стоимость ограничивала объемы его применения. Металлический цирконий и его сплавы применяются в ядерной энергетике. Цирконий имеет очень малое сечение захвата тепловых нейтронов и высокую температуру плавления. Другой областью применения циркония служит легирование. В металлургии применяется в качестве лигатуры. Он применяется как раскислитель и деазотатор. Легирование сталей цирконием (до 0,8%) повышает их механические свойства и обрабатываемость. В промышленности диоксид циркония используется в производстве огнеупорных материалов на основе циркония, керамик, эмалей, стёкол. Применяется в стоматологии для изготовления зубных коронок. Применяется в качестве сверхтвёрдого материала. При нагревании диоксид циркония проводит ток, что иногда используется для получения нагревательных элементов, устойчивых на воздухе при очень высокой температуре. Нагретый диоксид циркония способен проводить ионы кислорода, как твёрдый электролит. Это свойство используется в промышленных анализаторах кислорода и топливных элементах. Отличает циркониевую керамику от прочих материалов колоссальная термостойкость и твёрдость, которая обычно не меньше 80 HRC. К тому же оксид циркония совершенно не реагирует с большинством кислот, щелочей и других активных веществ.
Оксид циркония получают из циркона путем химической обработки с помощью добавок. Полученный порошок смешивается с присадками. Существуют агломерационные присадки, которые влияют на характеристики спекания и качество готовой керамики, и вспомогательные материалы, которые способствуют формообразованию. Соответственно, заготовки из диоксида циркония изготавливаются путем различных методик. В частности, можно легировать диоксид циркония оксидами, имеющими кубическую кристаллическую решетку. Наиболее часто для этих целей используются оксиды элементов - кальция и магния, а также металлов – железа, марганца, хрома. Кроме того, оксид циркония часто легируют оксидом алюминия. Легирующие оксиды могут менять цвет керамики от белого до черного (черный цвет так же можно получить при особом режиме ТО). Например, это используется при окраске фианитов – искусственных алмазов на базе кубического оксида циркония.
Диоксид циркония обладает высокой твердостью, для измерения которой применяют шкалу твердости материалов Мооса. Твердость диоксида циркония по шкале Мооса составляет порядка 8,5 единиц, в то время как твердость стали по этой шкале в зависимости от термообработки, от 4 до 7 единиц, корунда порядка 9 единиц, алмаза 10 единиц. Таким образом, материал, из которого изготавливают керамические ножи, по твердости приближается к алмазу. Циркониевая керамика используется также в ювелирном деле, в авиационной промышленности и машиностроении, в стоматологии. Износостойкость диоксида циркония превосходит сталь более чем в 80 раз.
Как изготавливают керамические ножи
Технический процесс создания клинков из циркония выглядит следующим образом: получение легированных порошков оксида циркония, приготовление пресс-композиций и прессование, обжиг при высокой температуре (1350С+, в отдельных случаях до 1700С), горячее изостатическое прессование при высоких температурах и давлении.
Процесс изготовления керамических ножей достаточно трудоемкий. Для получения керамического клинка порошок диоксида циркония сначала прессуют под давлением 300 тонн на квадратный сантиметр, затем подвергают термической обработке при температурах 1600-2000 градусов Цельсия в специальных печах в течение длительного времени (от двух до шести суток). При этом происходит спекание кристаллов диоксида циркония и идет процесс формирования заготовок. Чем дольше изделие выдерживают в печи, тем прочнее оно становится. В зависимости от особенностей технологического процесса получается черная или белая керамика. Черная керамика изготавливается при добавлении специального черного красителя и более длительном выдерживании заготовок в печах, в результате чего они становятся прочнее. По качеству керамические ножи сильно отличаются друг от друга, так как оно сильно зависит от технологических мощностей производителя, и от соблюдения сложного технологического процесса.
Плюсы и минусы керамического ножа
Свойства циркониевой керамики в существенно зависят от технологии ее получения, начиная от чистоты исходного цирконевого порошка, системы легирования, гранулометрии порошков, режимов спекания и т.п.
По механическим свойствам циркониевая керамика значительно уступает наиболее распространенным сталям, в частности, по прочности на изгиб примерно в два раза, а по ударной вязкости в несколько раз. Это сильно ограничивает универсальность керамических ножей. Из-за хрупкости большинство производителей призывает не использовать эти ножи для мяса с костями, по замороженным продуктам, работы на твердых поверхностях (стекло, керамика) и т.п. При этом необходимо отметить, что по коррозионной стойкости и инертности к продуктам керамика обладает уникальными свойствами, превосходящими любые стали.
Заточка керамического ножа
Керамический нож, в связи с хрупкостью режущей кромки требует достаточно больших углов заточки. В среднем рекомендуется точить его на полный угол в пределах 30-40 градусов. Острые углы в 20 и менее градусов для таких ножей противопоказаны, так как хрупкость режущей кромки при таком угле заточки становится очень большой. Заточка керамических ножей осложняется и тем, что в процессе не образуется заусенец и контроль угла необходимо поддерживать с помощью специальных устройств, в первую очередь электронного угломера. Таким образом ручная заточка керамических ножей, без использования точилок требует от заточника запредельных, виртуозных умений.
Далеко не все абразивные материалы способны справиться с заточкой керамического ножа. Бюджетные камни из карбида кремния и оксида алюминия не справляются с керамическими ножами. Качество шлифовального порошка и связки играет здесь ключевую роль. Американские заточные камни Boride CS-HD проявляют себя в заточке керамического ножа очень достойно. Гритность камня при этом должна быть не очень грубой, в частности Boride CS-HD для заточки керамики нужно начинать с камня в 320 грит, так как более грубый абразив будет приводить к образованию трещин на режущей кромке. Очевидно, причиной такого результата является очень высокое качество порошка карбида кремния и керамической фарфоровой связки, применяемой в продукции этого американского производителя.
Также хорошие результаты при заточке таких ножей показывают алмазные пластины на гальванической связке и алмазные бруски на органической связке. Чуть менее активно проявляют себя в их заточке эльборовые бруски, которые снимают циркониевый слой не так быстро, как алмазы. Но все эти абразивы подходят для такой заточки и позволяют получать хорошую режущую кромку.
