包丁は折れやすい？冶金学の知識は舞台裏の黒幕を見つけるのに役立つ

キッチンに欠かせない道具である包丁にとって、強靭さは最も基本的な要件です。切れたら、ナイフの品質に問題がある、粗雑な作りのナイフだ、とすぐに思われるかもしれません。

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しかし、実際には、包丁が折れやすいのは、使用されている素材とはあまり関係がなく、むしろ包丁の種類と関係があるのかもしれません。今日は包丁が折れる客観的な原因を金属素材と金属加工の観点から見ていきます。また、この記事が包丁の購入とメンテナンスに関する関連知識を提供することができれば幸いです。

パート1

ステンレス製の包丁は実は一枚の板ではない

近年、一体型ステンレス包丁（以下、全身ステンレス包丁、ワンピース包丁ともいう）が大変人気となっております。ワンピースタイプとは、刃と柄が一体のように見えるタイプ、つまり本体全体がステンレスでできているタイプを指します。

その利点は非常に明白であり、美しさと衛生性がこのタイプのナイフの最大のセールスポイントです。ステンレス製のボディは銀白色の金属光沢を際立たせるだけでなく、木製のハンドルやハンドルと刃の継ぎ目でも細菌の繁殖を防ぎます。

しかし、実はこのタイプのナイフには共通の問題があり、それは、通常のスプリットナイフよりも刃全体がハンドルから折れてしまう可能性がはるかに高いということです。これはなぜでしょうか?

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実は、ワンピースナイフは一体のように見えますが、刃と柄を溶接して形成されています。

なぜ型鍛造法で一気に工具を成形できないのかと疑問に思う人も多いでしょう。例えば、包丁の素材を金型に入れて打ち抜き加工すれば、一体に成形できるのではないでしょうか？

これは非常に深い疑問であり、実際、多くの分割ピースナイフ（木製のハンドルが必要）はこの方法で製造されています。しかし、ワンピースナイフは別々に製造してから溶接する必要があるかもしれないと言わざるを得ません。これには主に3つの理由があります。

まず、刃とハンドルに使用される鋼は両方ともステンレス鋼である可能性がありますが、具体的な等級は一般に異なります。包丁の心臓部である刃は、当然のことながら総合的な性能に優れた高級素材で作られている必要があります。ハンドルは補助構造として、一定の条件下で錆びない限り、要件を満たすことができます。したがって、コストの観点から、両者の材質を統一する必要はありません。

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さらに、多くの刃物は、両側がステンレス鋼で中央が普通の鋼である、いわゆる三合一鋼で作られています。この材料により、包丁は総合的に最高の機械的特性を持つことが保証されます。現代の包丁工場では、伝統的な鍛造工程を必要とせず、鋼板の形で刃物材料を直接購入します。大規模な組立ライン生産の効率を確保するためには、刃とハンドルを別々に製造する必要があります。

第二に、銅やアルミニウムなどの加工しやすい非鉄金属と比較すると、鋼鉄の熱間加工温度は高く、加工硬化も顕著です。はっきり言って、消費エネルギーと設備要件がはるかに高いため、包丁は型鍛造やスタンピングによる一体成形にはあまり適していません。

もちろん、個々のブレードやハンドルは、一連の機械加工プロセスを経ることになります。たとえば、ブレードはスタンプ、カット、および若干のロール加工が施され、ハンドルはスタンプまたは CNC カットされて希望の形状に加工されることがあります。

3番目に、刃と柄を接合する溶接工程は熱溶接と呼ばれ、すでに非常に成熟した加工技術です。さらに、実際には、溶接が破断したとしても、重大な安全上の危険を引き起こすことはほとんどありません。結局のところ、包丁と飛行機の突然の破損に対する安全許容度は桁違いです。そのため、多くのメーカーはこれに不必要なコストをかけることを望んでいません。

実際には、刃と柄の継ぎ目は直線（柄の中心線に対して垂直）の場合もあれば、斜めの場合もあります。熱溶接後は外観を磨く必要があるため、溶接部が目立たなくなることがよくあります。

パート2

包丁破損の原因：溶接後の残留熱応力

上記の説明を読めば、このタイプの包丁の刃と柄を溶接する必要性は誰もが理解できると思います。全体の構造と比較すると、溶接部分は一般的に最も脆弱な部分であり、これは私たちの常識と完全に一致しています。

溶接だけでなく、接着、焼結、電子ろう付けなどの接続ジョイントも、一般的に外力の作用により最初に破損する部分です。この観点から見ると、溶接を必要とする一体型の包丁には、固有の構造上の欠陥があることになります。

したがって、製品の保護と危険回避の観点から、包丁が衝撃で破損しないように、包丁の落下など大きな衝撃力が発生する状況を避けるように努めてください。

しかし、友人の中には疑問を抱く人もいるかもしれません。多くの包丁の折れた位置は明らかに溶接位置ではなく、溶接から一定の距離のところで折れているのです。これは、上記の説明がすべて受け入れられないことを意味するのでしょうか?

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慌てずに、まずは溶接工程がどのように行われるかを見てみましょう。溶接プロセスを実行する前に、ブレードは実際に重要な熱処理プロセスを完了しており、強度と靭性の両方を備えた優れた総合的な特性を備えています。このような鋼板に側面から小さな衝撃力が加わった場合、破壊的な破壊が起こることはほとんど不可能です。

例えば、包丁や鋼板で硬い岩石を横から叩いた場合、製品に大きな介在物や気孔がない限り、割れることはほぼ不可能です。鋼板が適切な製造工程を経た後、介在物や気孔などの一次欠陥は完全に除去されるはずです。

溶接中、鋼材の融点が高いため、2 つの溶接面付近を非常に高温にするために集中加熱が必要となり、その結果、局所的に明らかな軟化が生じます。

局所加熱のみが必要な理由は 2 つあります。

まず、刃は全体としてすでに熱処理されており、再加熱すると熱処理による強化効果が部分的または完全に除去されます。

第二に、溶接全体を加熱することは不必要なだけでなく、大量のエネルギーを消費します。一般的に、工場では、溶接部を正確に加熱するために、アルゴンアーク溶接、局所誘導、レーザー、電子ビームなどのさまざまな方法が使用されます。同時に、実際には圧力を使用して 2 つの接合面を近づけ、溶接の緻密化を促進します。

溶接が完了し、機械研磨を行った後、溶接部は外部から目立たなくなり、試験強度の点でも、溶接部は思ったほど弱くありませんでした。

しかし、現実世界ではなぜ刃が頻繁に壊れるのでしょうか?実際、溶接自体の脆弱性に加えて、溶接プロセス中に発生する熱応力が、ほとんどの「悲劇」の原因となっています。

パート3

残留熱応力の影響を排除することがなぜ不可能なのでしょうか?

** 熱応力は材料内の固有の力です。加熱または冷却された材料では熱応力が容易に発生します。 **強化ガラスの製造などでは、その存在が有益な場合もあれば、意図的に強制される場合もあります。しかし、ほとんどの場合、熱応力は材料の安定性に悪影響を及ぼすため、制御して排除する必要があります。

熱応力の発生は、実際には材料の熱膨張と収縮によって必然的に生じます。加熱後の冷却過程では、加熱された部分に近い鋼構造において、一部の部分の変形傾向が他の部分の変形傾向よりも大きくなるという現象が必然的に発生します。

包丁は均一な外観と固定された形状を持つ剛体であるため、材料内部に局所的な内部応力が発生します。

言い換えれば、この時点での物質は本質的に不安定な状態にあり、簡単に言えば「エネルギーを抑え込んでいる」状態です。このエネルギーはナイフのライフサイクル全体にわたって続くため、当社のキッチンナイフは荒々しい外観だけでなく、ワイルドな心も持っています。

これらの残留応力を過小評価しないでください。材料内部に小さな亀裂が生じる原因となります。適切な外力に遭遇すると、小さな亀裂が瞬時に広がって壊滅的な骨折を引き起こす可能性があります。

溶接が完了したら、再度低温で長時間加熱して内部応力のバランスをとるなどして、ある程度応力を緩和します。

ただし、過度な加工は材料の全体的な機械的特性を損ない、せっかく得た強度と靭性が低下する可能性があります。そのため、溶接によって生じる熱応力を完全に除去することは実際には不可能です。

私たちの日常生活において、強化ガラスの突然の爆発は内部応力の結果であり、現在の強化ガラス生産プロセスでは、このような事故の発生を完全に回避することはできません（実際、強化ガラスは工場を出荷する前にさまざまな厳格なテストを受けており、テストプロセス中に隠れた危険性のある製品が粉砕されることはありません）。

割れた強化ガラス

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同様に、完全にステンレス製の包丁でも、刃の突然の破損を完全に避けることはできません。破損の場所については、通常、熱応力が最も大きい溶接部で発生します。もちろん、微小亀裂の位置と拡大方向によっては、溶接部周辺にも発生する可能性があります。

もちろん、これは一体型の包丁が必ず折れるという意味ではありませんが、従来の構造の包丁（刃と柄の鋼が同時に形成された一枚の材料）と比較すると、溶接された一体型の包丁は刃全体が折れる可能性が高くなります。

まとめると、切削工具を製造する企業にとっては、溶接強度を可能な限り高め、過度の残留熱応力を避けるために溶接プロセスを改善することが必要である。

参考文献:

1. オールステンレス包丁の破損の問題 https://modama.net/knife/tips23.html

制作：中国科学普及協会

著者: 張昊 (材料科学博士)
プロデューサー: 中国科学博覧会編集者: 王婷婷

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。

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