Bıçak Çelikleri Hakkında
Bu yazı, bir bıçak kullanıcısının çelikler hakkında fikir sahibi olması için girizgâh kapsamında değerlendirilmelidir. Yazı, akademik düzeyde tartışmaların yaşandığı ve arayışların sürdüğü konu hakkında, bir bıçak meraklısının ilk edinmek isteyeceği temel unsurlarla sınırlandırılmıştır.
Çelik, bıçaktaki en önemli unsur kabul edilir. Bıçağın işlevinin, büyük ölçüde, çeliğin niteliklerine bağlı olduğu düşünüldüğünde buna katılmamak mümkün değildir.
En başlarda belirtmek gerekir ki çeliğin bulunmasından önce de bıçaklar vardı. Çeliğin bulunmasından sonra da çelik dışı namlular kullanılmaya devam edilmektedir. Bu perspektiften bakıldığında bıçak namlusunun işlevi daha iyi anlaşılmaktadır.
Bıçak namlusu malzemesinde arayış, değişik beklentilere göre farklılaşabilse de temel nitelikler aynıdır. Bu nitelikler hem sert hem tok hem keskinleşebilen ve keskinliğini koruyabilen hem de çevresel koşullara dayanıklı bir yapı olarak özetlenebilir. Söz edilen değişik beklentiler; hafiflik, anti manyetik nitelik vb. şekilde sıralanabilir. Bu beklentilere bağlı olarak titanyum dalgıç bıçakları, bakır-berilyum mayın arama bıçakları, seramik ajan bıçakları ortaya koyulabilmektedir. Yukarıda sayılan niteliklerin bir optimizasyon gerektirmediği, aralarından bazısına ağırlık verildiği durumlar için de yine çelikten farklı arayışlar (örneğin sert ve ince kenara sahip tungsten karbür bıçaklar) gündeme girebilmektedir.
Tekrar tekrar belirtmek gerekir ki bıçak bir optimizasyon ürünüdür. Bıçak namlusunda aranan niteliklerin bazısı, diğeriyle çelişebilmektedir. Gelişen teknolojiyle, bu çelişkiler azaltılmaya çalışılmaktadır. Günümüzde, karbonun azaltılarak yerine azot ikame edilen çelik çalışmaları, buna örnek gösterilebilir.
Konunun daha iyi anlaşılması için geçmişe dönelim… İnsanlık tarihi sınıflandırılırken ‘‘Tarih Öncesi Dönemler’’in ‘‘Taş Devri’’ ve ‘‘Maden Devri’’ gibi dönemlere ayrıldığını biliyoruz. İnsanlık, doğada bulunan sert, keskin ve sivri taşları alet-bıçak olarak kullanmaya başlamış ve ardından onları yontarak, beklenen işleve göre şekillendirerek, yola devam etmiştir. Tasarım ve imalatın başlaması, malzeme bilgisine açılan bir kapı da olmuştur. İstenen nitelikleri karşılayacak malzemeler aranmış (Volkanik bir cam kaya olan obsidyen, günümüz teknolojisinin ortaya koyduğu neşterlerle yarışabilen ve onları da geçebilen incelikte bir keskin kenara sahiptir. Kırılgan yapısı, özellikle ok uçlarında kullanılmasıyla, şarapnel etkisi de oluşturmuştur.) ve zamanla bunlar da imal edilir (bronz-tunç) olmuştur. Bakır ve kalayın bir araya getirilmesiyle ortaya çıkan tunç da çelik gibi bir alaşımdır. Alaşım, iki veya daha fazla elementin katı bir çözelti oluşturacak şekilde bir araya gelmesidir.
Tunç ardından gelen demir, bir kırılma noktası kabul edilir. Bu yaygın malzemenin saflaştırılması ve işlenmesi çabaları, ısıtma ve dövmeyi gerekli kılmıştır. Böylelikle, karbürizasyona (demire karbon ilavesi) giden yol anlaşılmaya başlanmıştır. Basitçe çelik, demire karbon eklenmesiyle elde edilen bir alaşımdır. Söylenildiği gibi, kömür ateşinde ısıtılan demir üstüne uçuşan küllerin yapışması; farkındalık oluşmasında önemli rol oynamış görünmektedir. Kapalı fırınlarda, bir karbon kaynağı olan kömür ateşinde ısıtılarak yapılan işlemlerin çeliğin başlangıcı olduğu söylenebilir. Nispeten yumuşak olan demir, karbon ilavesiyle sertlik kazanmıştır. Su veya yağ ile sertleştirme çabası iyi sonuç vermeye başlamıştır. Hindistan’da imal edilen Wootz çeliği, Şam (Damascus) çeliğinin atası kabul edilmektedir.
Paralel bir gelişme de şudur: Oluşturulan yapı üzerindeki farklı bölgelere, istenen amaca uygun şekilde, değişik nitelikler kazandırılması da zamanla gündeme girmiştir. Sinerji ortaya koyan ağız kısmı sert, sırt kısmı yumuşak ısıl işlemler ve gerek Damascus olsun gerek San Mai, sertliği esneklikle harmanlayacak farklı katmanlar söz konusu olmaya başlamıştır. Günümüzdeki toz metal çekirdekli paslanmaz Damascus’lar ve söz gelimi titanyum keskin kenarlı karbon fiber bıçaklar, aynı mantığın tezahürüdür.
Sanayi Devrimi sonrası yeni üretim teknikleri ortaya çıkmıştır. Buhar makinesiyle başlayan ve elektrikle devam eden gelişmeler elektronik boyuta taşınmıştır. Bu hem bıçak malzemelerini hem de bıçakların imalatını etkileyen ve hâlâ devam eden bir süreçtir. İmalat üzerindeki kontrol artmıştır. Çelik imalatında geleneksel yöntemlerin yerini yeni teknikler almıştır. Değişkenlerin kontrol edilebildiği hassas ortamlar, imalat sürecine hâkimiyet getirmiştir. 20. yy başlarından itibaren, aralarında toz metallerin (PM) de bulunduğu, modern üretim tekniklerine adımlar atılmıştır.
Ocakta dövülerek şekillendirilen ve taşlarda kas gücüyle ve sonraları akarsu değirmenleriyle (Köklü bıçak üretim merkezlerine-bölgelerine bakıldığında nehirlerle karşılaşmak tesadüf değildir. Bıçak üretiminin itiş gücü nehirlerden sağlanmıştır.) bitirilen bıçakların yerini; önceleri lamalardan ve sonraları hazır sacdan lazerle kesilen, ağız açma makineleri-bant zımparalarla sonlandırılan çelikler almış ve CNC (Computer Numeric Control) tezgâhları devreye girmiştir. Belki de bir paradigma değişikliğinin eşiğindeyiz… Bilgisayarda çizdiğimiz bıçağın, toner yerine koyduğumuz çelik tozuyla, üç boyutlu yazıcıda basılmasını hayal edebilecek noktadayız… Tungsten karbür, titanyum, seramik vb. gibi çağdaş namlu alternatiflerine karşı çelik, hâlâ açık ara önde görünüyor, bıçak namlusu denince akla ilk gelen unsur ve bunu sürdürecek gibi görünüyor…
Karbon ve demirle ortaya çıkan çelik alaşımına, istenen amaca göre farklı eklemeler yapılmaktadır. Farklı elementlerin belli oranlara göre eklenmesi, çeliğin niteliklerini doğrudan etkilemektedir. En çarpıcı gelişmelerden birisi belki de krom eklemesi olmuş ve paslanmaz çelik elde edilmiştir. Bu eklemeler ve oranları, değişik çelik türlerini meydana getirmektedir. Alaşımdaki farklı unsurların istenen sonuçları verecek şekilde bir araya getirilmesi, günümüzde hâlen devam eden bir yarıştır.
İstenen nitelikte çelik elde etmeye yarayan elementler (Bu elementlere yazının ilerisinde kısaca değinilmektedir.), demir içine, gerekli yüksek sıcaklıkta eklenerek bir araya getirilmektedir. Soğumanın başlamasıyla çeliğin iç yapısında da kritik değişimler ortaya çıkar.
Farklı sıcaklıklarda farklı kristal yapı dönüşümleri meydana gelir ve fazlar oluşur. Isıya bağlı olarak elementler, atom büyüklükleri arttıkça yavaşlayan hızlarda, hareket kazanırlar. Alaşım içeriği bazı elementlerin asimile edilemeyeceği kadar yüksekse, fazlalıklar çelikten ayrılma-ayrışma eğilimine girecek ve kalıntılar oluşturacak veya muhtemelen başka bir elementle birleşerek istenmeyen oluşumlar meydana getirecektir. Kristal yapı içindeki her bir küçük pakete tanecik denir ve östenit tanecikleri de difüzyona bariyer teşkil eder.
Hedeflenen değişik amaçlara göre pek çok değişik çelik üretilmektedir. Bu çeliklerin uygun olanları bıçak üretiminde kullanılmaktadır. Bıçak çeliği ortaya koymak için spesifik olarak geliştirilen çelik sayısı azdır ama gün geçtikçe bu tarz çeliklerin de sayısında artış olduğu görülmektedir.
Tüm bunlar, beklentilerimizi çok fazla değiştirmeyecek. Esas itibarla hem sert hem tok hem keskinleşebilen ve keskinliğini koruyabilen hem de çevresel koşullara dayanıklı bir yapı arayışındayız.
Sertlik, malzemenin çizilme ve aşınma gibi plastik (kalıcı) deformasyona direncidir. Sertlik, çeliğin gücüyle doğrudan ilişkilidir. Sertliği ölçmede sıklıkla uygulanan yöntem Rockwell HRC yöntemidir. Bu yöntem, elmas sertliğinin 100 kabul edildiği skalaya göre sonuç verir. Konik bir elmas, sertliği ölçülmek istenen yüzeye, belli bir kuvvetle ve belli bir süre batırılır. Batma derinliğine göre sertlik, sayısal olarak ifade edilir. Bir not olarak belirtmek gerekir ki Rockwell testiyle ölçülen karbürlerin değil, çelik matrisinin sertliğidir. Daha düşük HRC değerine sahip çelikler, karbür yapısı itibarıyla, daha yüksek aşınma direnci (wear resistance) gösterebilirler.
Tokluk, maddenin darbelere-şoklara karşı direncidir, enerjiyi absorbe etmesidir. Sünek malzemeler, gevrek malzemelere göre daha toktur. Akılda daha rahat kalabilmesi için, aynı sertliğe sahip malzemelerden tok olanın daha zor kırılacağı da söylenebilir.
Çeliğin gücü-dayanıklılığı da en başta sertliğe bağlıdır. Güç-dayanıklılık, kalıcı deformasyona uğramadan yük alma yeteneğidir. Çelik ne kadar sert ise o kadar güçlü olur. Tokluk da önemli bir etkendir. Bu noktada, güç ve dayanıklılık kavramlarına çok kısa değinmek yerinde olacaktır: Akma Mukavemeti (Yield Strength): Akma noktası elastik limit sınırıdır. Sonrasında plastik (kalıcı) deformasyon başlar. Bu noktaya kadar olan maksimum gerilim bize akma mukavemetini verir. Çekme Mukavemeti (Tensile Strength): Malzemenin kırılmadan-kopmadan önce dayanabileceği maksimum gerilimdir. Darbe Dayanımı (İmpact Strength): Malzemenin uygulanacak ani kuvvetlere karşı çatlamaya direncidir.
Sertlik ve tokluk her zaman olmasa da genellikle ters orantılıdır. Bıçak yapımcıları, kullanım amacını da göze alarak güç (sertlik) ile sağlamlık (tokluk) arasında dengeler kurmaya çalışırlar.
Kenar tutma (edge retention); mekanik, kimyasal ve termal etkilerle karşılaşacak keskin kenarın körelmeye direnci anlamına gelir. Aşınma direnci (wear resistance) başlığı altında da kategorize edilebilmektedir ama arada farklılık bulunmaktadır. Aşınma direnci, çeliğin hem abrasif hem de adhezif aşınmadan kaynaklanan hasarlara dayanma yeteneğidir. Abrasif aşınma, daha sert parçacıkların daha yumuşak bir yüzey üzerinden geçmesiyle oluşan hasardır. Adhezif aşınma ise, mikro pürüzlerin bir yüzeyden ayrılıp diğerine bağlanmasıyla meydana gelir. Aşınma direnci genellikle çeliğin sertliğiyle ilişkilidir fakat çeliğin kendine özgü kimyasından (karbürlerin türü, miktarı ve dağılımı) da büyük ölçüde etkilenir. Örneğin eşit sertlikteki çeliklerde, daha büyük karbürlere sahip olan çelik genellikle aşınmaya daha iyi direnç gösterir. Ancak bu tarz karbürlere sahip çelik kırılgan hâle gelebilir ve çatlayabilir, dolayısıyla tokluk azalabilir.
Dolayısıyla sertlikle ve toklukla [Çünkü mikro kırıklar (chipping) ve çapaklar (burr) keskin kenarın düşmanıdır.] bağıntılı olan kenar tutma, mikro yapıya da bağlıdır. Bunun ötesinde kimyasal (yiyecek hazırlama sırasında korozyona neden olacak bulaşlar gibi) ve termal etkenler (sürtünmeye bağlı ısınma gibi) de kenar tutmayı etkilemektedir.
Farklı kesim işleri dikkate alındığında kenar tutma kavramını aşınma direnci, sertlik, tokluk ve hatta korozyon direncinin bir bileşkesi olarak düşünmek yerinde olacaktır.
Tüm bunlar dikkate alındığında kenar tutma (edge retention) terimini, keskinlik dâhilinde biraz geniş olarak, keskinleşebilme ve keskinliğini muhafaza edebilme şeklinde düşünmek yerinde olacaktır. Keskinleşebilmeden kastımız keskin kenarın ne kadar inceltilebileceği şeklinde düşünülmelidir ki bunda da mikro yapı (Keskin kenara mikroskopla bakıldığında testere ağzı gibi girintili çıkıntılı bir yapı görünebilir. Keza keskin kenar, namlu malzemesinin izin verdiği belli bir kalınlığa kadar inceltilebilir. Yazının başında obsidyenin ince bir keskin kenar sağlayabildiğinden bahsetmiştik. Bu, tungsten karbür için de söz konusudur.) ve tanecik boyutu önemlidir. Keskinleşebilme kavramını, bileme kolaylığıyla karıştırmamak gerekir. Bileme kolaylığı ise, açı tutturma gibi zorluklar bir tarafa bırakılırsa, aşınma kavramıyla doğrudan ilişkilidir. Daha zor körelen bıçakların daha zor bilenmesi beklenir.
Korozyon direnci: Malzemeler elektrokimyasal çevresel etkenlere karşı bozulmalarına neden olacak tepkiler verirler. Daha spesifik olarak korozyon, metallerin kimyasal reaksiyonlara girerek niteliklerini kaybetmeleri için kullanılan bir terimdir. Korozyon direnci de buna karşı direnci ifade eder.
Son olarak önemle şunu vurgulamak gerekir: Nasıl ki çelik, bıçağın kalbi sayılıyorsa; ısıl işlem de çeliğin kalbidir. Isıya, ısı değişimlerine, süreye ve ortam kontrolüne dayanan ısıl işlem; çeliğin mikro yapısını-fazları ve dolayısıyla mekanik özelliklerini etkilemektedir. Çok iyi dengelenmiş yapıya sahip bir çelik, kötü bir ısıl işlemle mahvedilebilir. Tam aksine, kâğıt üzerinde çok ilham vermeyen bir çelikten, iyi ısıl işlem sayesinde, verebileceği en yüksek performans alınabilir ve bu performans sizi şaşırtabilir. Farklı ısıl işlem formülleriyle çeliğin aynı sertliğe getirilmesi ama tokluğunun, aşınma direncinin ve hatta korozyon direncinin farklılaşması mümkün olabilmektedir. Diğer deyişle ısıl işlem; çeliğin göstereceği performansta çok önemli role sahiptir.
Malzeme niteliklerine, çelik özelinde, kısaca değinmiş olduk. Bu noktadan sonra, bu başlığın dışında kalan ve diğer yazılarımızda da sıklıkla vurguladığımız geometrinin önemini tekrar hatırlatmak gerekir. Bir cismin saplanabilmesi için sivrilmesi gerektiğini, keskinleşebilmesi için ise kenarına doğru incelmesi gerektiği malum. Optimizasyon arayışında, geometrik olarak sağlamlık açısından sorulması gereken ana soru şudur: İncelen malzeme (örneğin çelik), hemen arkasında hangi kalınlıkta bir tabaka tarafından destekleniyor? Evet… Yalnız-desteksiz bırakılan her kısım, sağlamlıktan ödün verme anlamına gelir.
Yazının sonraki bölümünde çelik alaşımında kullanılan elementler ve yaygın olarak kullanılan bıçak çelikleri hakkında kısa bilgilere yer verilmektedir. Bilgilerin yansıtılmasında karşılaştırmalı şekilde, zknives.com sitesinden ve uluslararası saygınlığı bulunan bıçak firmalarının sitelerinden de yararlanılmıştır.
Aşağıda çelik içeriğine eklenen elementler ve sağladıkları katkılar yer almaktadır:
Alüminyum (Al): Oksijeni azaltmak için değerlendirilen alüminyum, tane boyunun kontrolünde de kullanılır.
Bor (B): 0,001 gibi oranlarla, çok az miktarlarda eklenen bor, özellikle düşük karbonlu çeliklerde etkindir ve sertliği artırır.
Karbon (C): Demiri çeliğe çeviren ana unsur olan karbonu her tür çelikte görürsünüz. Çeliğe güç ve sertlik kazandırır. Kenar tutmayı ve aşınma direncini artırır. Sertleştirme işlemlerinde kilit rol oynayan bu elementin yüzdesi arttıkça, çeliğin sertliği ama kırılganlığı ve korozyona yatkınlığı da artar.
Krom (Cr): Aşınma direncini ve sertliği artıran kromun en önemli fonksiyonu, çeliğe korozyon direnci kazandırmasıdır. Fazla kullanıldığında tokluğu olumsuz etkilemektedir. Bir çeliğin paslanmaz nitelik kazanabilmesi için minimum yüzde 12 (Bunun yarısı civarı ise, ‘‘yarı paslanmaz’’ statüsü anlamına gelir.) krom gerekmektedir. Fakat bu oran, çelik alaşımındaki diğer elementlere ve oranlarına da bağlıdır. Büyük ve düzensiz karbürler oluşturan kromun hangi oranda serbest kaldığının önemine de dikkat çekilmektedir. Belirtmek gerekir ki çeliğin sahip olduğu paslanmaz nitelik, her koşulda ve sonsuz şekilde, kati değildir ve korozyona karşı üst düzey direnci ifade eder.
Kobalt (Co): Sertlik sağlar ve daha yüksek derecelerde su vermeyi mümkün kılarak hızlı soğutmaya katkı sunar. Karmaşık çeliklerde diğer elementlerin bireysel etkilerini yoğunlaştırır.
Bakır (Cu): Yüzey oksitlenmesini önlemeye yardımcı olur. Fazlası zararlıdır. Çeliğin işlenebilirliğine yardımcı olmak için de kullanılabilir.
Kurşun (Pb): Çok küçük eklemeler, çeliğin işlenebilirliğine katkıda bulunur.
Manganez (Mn): Çelik yapımında önemli bir elementtir. Tane yapısını iyileştirir. Sertliği, aşınma direncini ve çekme mukavemetini artırır. Çeliğin üretimi sırasında erimiş metalden, oksijen ve gazları arındırmaya hizmet eder. Fazla miktarda kullanılması, fazla sertlik ve kırılganlık anlamına gelecektir.
Molibden (Mo): Karbür oluşturucudur. Tokluğu ve çeliğin yüksek sıcaklıklara dayanımını artırır. İşlenebilirliği ve korozyona karşı direnci geliştirir. Havayla sertleşen çelikler her zaman yüzde 1 veya daha fazla Molibden içerir.
Nitrojen (N): Sertlik ve korozyon direnci sağlamaktadır. Azot (Nitrojen), alaşımdaki karbona benzer biçimde davranmaktadır. Bu amaçla karbon yerine ikame edilebilecek (Genelde destekleyici olarak kullanılır, tamamen karbon yerini alan nadir örnekler de bulunmaktadır.) azot, karbürler yerine nitrürler oluşturmaktadır. Azotun krom nitrür oluşturmaya, karbonun krom karbür oluşturmasına göre, daha az eğilimli olması nedeniyle; varlığı korozyon direncini artırarak alaşımda daha fazla serbest krom bırakır. Böylece azot, nitrürlerin oluşumunda daha az reaktif olduğundan, karbür boyutunu ve hacmini artırmadan sertlik sağlamak için kullanılabilmektedir.
Niobium (Nb): Çok küçük ve sert karbürler (Niyobyum Karbür-NbC) oluşturan Niyobyum, tokluğu, aşınma ve korozyon direncini de artırır. Ayrıca, tane yapısını iyileştirir.
Nikel (Ni): Çeliğin tokluğunu artırır. Eklendiği alaşıma parlaklık da veren nikel, Damascus çeliklerinde kontrast oluşmasında önemli rol oynar.
Fosfor (P): Gücü, sertliği ve işlenebilirliği artıran fosfor, pek çok çelikte çok küçük oranlarda kullanılır. Fazlası tokluğu azaltır ve kırılganlık oluşturur.
Sülfür (S): Kükürt içeren kimyasal bileşikler sülfür olarak tanımlanabilmektedir. İşlenebilirliği artırmak için kullanılan sülfür de çok küçük oranlarda kullanılmalıdır. Zira tokluğu azaltan bir unsurdur.
Selenyum (Se): Sülfür ile benzer etkiler gösterir.
Silikon (Si): Diğer adıyla silisyum, çeliğin güçlenmesine katkı sağlar. Ayrıca, tıpkı manganez gibi, çeliğin üretimi sırasında erimiş metalden, oksijen ve gazları arındırmaya hizmet eder.
Tantal (Ta): Alaşım üzerinde niyobyum ile benzer etkiye sahiptir. Çok küçük ve sert karbürler oluşturur, tokluğu, aşınma ve korozyon direncini de artırır. Ayrıca, tane yapısını iyileştirir.
Titanyum (Ti): Tane boyutunu kontrol yoluyla tokluğu artırmak için kullanılır. Ayrıca sülfür içeriğinin formuna etkide bulunarak tokluğu ve sünekliliği geliştirmeye hizmet eder.
Tungsten (W): Wolfram olarak da adlandırılır. Niyobyum ve vanadyum ardından gelen güçlü karbür oluşturucudur. Tokluğu ve aşınma direncini artırır. Krom veya molibden ile uygun şekilde birleştirilen tungsten ile çelik, yüksek hız çeliğine (Yüksek hız çelikleri, sürtünmeye bağlı ısınmalarda yüksek sıcaklıklara çıkıldığında dahi sertliğini koruyabilen çeliklerdir.) dönüştürülür.
Vanadyum (V): Çeliğin gücünü, aşınma direncini ve tokluğunu artırır. Çok sert karbürler oluşturması yanında çeliğin tanecik yapısını inceltir. Bu da tokluğu ve sertliği harmanlayabilen bir yapı, keskinleşebilen ve keskinliğini koruyan bir keskin kenar anlamına gelir.
Zirkonyum (Zr): Tipik olarak düşük alaşımlı ve düşük karbonlu çeliklere eklenen zirkonyum, alaşımdaki diğer içeriğin formuna etkide bulunarak tokluğu ve sünekliliği geliştirmeye hizmet eder.
