Magnitosferaio

Как видно по снимкам, с увеличением количества карбидов, они становятся крупнее и иногда сбиваются в группы. Такое поведение ухудшает прочностные характеристики стали, но при этом повышает её износостойкость.

Влияние технологии выплавки на размер и распределение карбидов

Речь тут идёт, конечно же, про различие традиционной и порошковой металлургии. Порошковый переплав позволяет добиться серьёзного измельчения карбидов:

Существует переходная технология между традиционной выплавкой и порошковой металлургией – «Sprayform». Она хоть и измельчает карбиды, но до порошковой не дотягивает:

Впрочем, «традиционная технология выплавки» и «грубая карбидная структура» не синонимы. Некоторые марки стали не имеет смысла производить методами порошковой металлургии из-за их и без того мелкой структуры, которую практически невозможно улучшить порошковым переплавом. Например, такая ситуация характерна для быстрореза марки М2 (Р6М5):

Подобным же образом обстоят дела и со слаболегированными (мало лигатуры, помимо хрома) нержавейками, спроектированными таким образом, чтобы иметь львиную долю хрома в твёрдом растворе и, соответственно, небольшое количество мелких и хорошо распределённых карбидов хрома. Все указанные ниже марки имеют 6 и менее процентов карбидов в составе:

Со среднелегированными нержавейками уже несколько иная ситуация. В таковых области равномерного распределения карбидов могут соседствовать с участками сильной карбидной неоднородности, а мелкие карбиды могут перемежаться очень крупными. Примером такого поведения могут служить X50Cr15MoV (50Х14МФ) и Niolox:

Основанная на ниолоксе NioMax уже лишена столь неоднородной структуры и распределение карбидов в ней значительно более равномерное, хотя и общее количество невелико – менее 6% (однако, это карбиды ниобия):

Порошковые нержавейки

У порошковых нержавеек относительно большое количество карбидов в составе (обычно не менее 13%). Это даёт повышенную износостойкость, но сниженную прочность. Особняком тут стоит CPM MagnaCut, т.к., будучи порошковой нержавейкой, она обладает очень высокой прочностью (выше чем у CPM 4V) и износостойкостью на уровне Vanax SuperClean, при этом имея всего 8% карбидов в составе (ванадий и ниобий). Приведённые ниже снимки представлены по мере увеличения количества карбидов:

В порошковых нержавейках, как правило, преобладают карбиды\нитриды хрома (банально, потому что хрома в них много) с небольшими добавками карбидов\нитридов ванадия. Если сравнить снимки нержавеек со снимками ванадиевых инструментальных марок, например, то можно заметить, что карбиды ванадия обычно мельче карбидов хрома, а карбиды ниобия мельче карбидов ванадия. То есть, чем элемент сильнее в карбидообразовании, тем более мелкие карбиды он образует в порошковых сталях.

«Традиционные» нержавейки

В составе этой группы обычно много хрома (14-18%) и присутствуют дополнительные легирующие элементы. Карбиды таких нержавеек бывают довольно крупными и распределение их не самое равномерное:

Эффект производителя

Бывает, что металлургические концерны в разных странах выпускают марки с идентичным составом и технологией производства. Имеют ли такие марки различия в структуре? Даже если и имеют, то разглядеть их сложно:

Проведённые тесты на прочность между 20CV и M390, а также между CPM 4V и Vanadis 4 Extra не выявили какого-то значимого различия между сходными марками. Для уточнения статистических данных нужно проводить больше тестов и, возможно, какое-то различие всё-таки будет, но пока можно считать, что его нет.

Интересным материалом для сравнения являются марки 10V от Crucible, Bohler K390, и Uddeholm Vanadis 8. У них несколько различный состав, но сходная идея – достичь 15-18% ванадиевых карбидов в составе. Тесты на прочность не проводились, но размеры карбидов во всех трёх марках примерно одинаковые:

По снимкам кажется, будто у 10V и Vanadis 8 меньше карбидов, чем у K390. К тому же температура аустенизации 10V ниже, чем у Vanadis 8 и K390, а этот фактор напрямую влияет на количество карбидов (чем выше температура, тем меньше карбидов). Сравнение в данном случае, как и в предыдущем, требует больше данных, чтобы быть релевантным, однако с уверенностью можно сказать, что если структура сходных марок от разных производителей и различается, то весьма несущественно.

Слаболегированные стали

В слаболегированных сталях карбидов либо нет совсем, либо их мало и они очень мелкие. Это даёт данной группе безоговорочное лидерство по части прочности, но и вместе с тем низкую износостойкость. Первая пара – пружинные стали, в чём-то сходные с отечественными 65Г или 60С2А, а вторая пара аналогов у нас не имеет, легированные хромом и никелем инструментальные марки с 0.7% углерода.

Углеродистые инструменталки, вроде 1095 (У10А), 52100 (ШХ15) и O1 имеют в своём составе некоторое количество довольно мелких карбидов (менее 6%). Часть карбидов настолько мелкие, что в оптический микроскоп их бывает проблематично разглядеть и нужна помощь сканирующей электронной микроскопии.

CruForgeV, с её добавками ванадия имеет местами несколько неоднородную структуру, но в целом это вряд ли так уж сильно влияет на прочность, т.к. размеры крупных карбидов всё равно относительно невелики.

Карбиды и прочность, ещё пара слов

Как, наверное, все уже поняли, карбиды негативно влияют на прочность стали, но не карбидами едиными возможно ухудшение прочностных характеристик металла. Так, даже марку с 0% карбидов можно обработать так, что её прочность будет очень низка. Аустенизация на сверхвысоких температурах способствующих бесконтрольному росту зерна и отпуск в диапазоне отпускной хрупкости способны даже самую прочную сталь сделать хрупкой. Изначально большое количество углерода в составе (более 1%) ведёт к формированию пластинчатого мартенсита, что также негативно влияет на прочность (отчасти нивелируется контролем зерна, но это обширная тема).

Таким образом, данные о количестве карбидов не стоит воспринимать как единственный фактор, влияющий на прочность, но скорее как «верхний предел» возможных прочностных характеристик. Марку с 30% карбидов в составе невозможно сделать такой же прочной, как рессорную сталь с правильной термообработкой, но обратное очень даже возможно.

При выборе стали под конкретные задачи приходиться идти на компромиссы и наиболее сбалансированные марки (порошковые с преобладанием ванадиевых\ниобиевых карбидов) просто имеют расширенный диапазон применимости и большее количество потенциально выполнимых задач.

Ограничения на пикабу не позволяют опубликовать всё, что хотелось бы, так что остатки будут в комментах.

На этом пока всё. Если есть какие-то дополнения\уточнения\поправки\новые данные - пишите в комментах, не забывая подкреплять своё сообщение пруфами\сурсами.

Цементит обладает достаточно сложной структурой, но наиболее стабильным и распространённым его видом является соединение трёх атомов железа с одним атомом углерода (максимальная концентрация углерода в цементите – 6.67%). Переходные и легированные типы цементита здесь рассматриваться не будут, дабы не переусложнять и так непростой материал. В железосодержащих сплавах цементит может быть представлен двумя типичными состояниями – в виде самостоятельной частицы и в составе структурных составляющих (перлит, сорбит, троостит, бейнит – всё это великолепие тут также рассматриваться не будет, так как каждая из структур тянет на отдельную статью). На данный момент нас будет интересовать цементит как самостоятельная частица. Наглядной демонстрацией типичного строения обогащенной карбидами стали может выступать следующая схемка:

Белые соты с черными границами – это схематическое изображение зёрен стали, а чёрные точки – карбиды (пусть будет цементит, раз уж мы с него начали).

ЛЛ: цементит – самый распространённый тип карбида в сталях, имеет формулу Fe3C, характер мягкий, несмотря на имя.

Далее будет небольшое лирическое отступление про диаграмму железо-углерод и основные понятия, без которого история будет неполной.
Возьмём в качестве примера сталь с содержанием углерода около 0.77% («эталонная» эвтектоидная сталь; про эвтектоид отдельно будет сказано далее), можно заметить, что ниже определённой температуры (723°C) сталь представляет собой смесь феррита и карбидов (красная зона):

Феррит является по сути железом и содержит в себе не более 0.02% углерода, мягок, пластичен.

Если же нагреть сталь выше этой температуры, то смесь феррита и карбидов перейдёт в фазу аустенита (жёлтая зона).

Аустенит – высокотемпературная модификация железосодержащих сплавов с отличной от феррита кристаллической решёткой, немагнитен. В случае наличия большого количества определённых легирующих элементов аустенит может быть стабилен и при комнатной температуре (пищевая нержавейка, например, как раз из такого рода сплавов).

Аустенитное превращение является краеугольным камнем термообработки сталей и называется аустенизацией. Во время этого процесса карбиды и феррит сливаются воедино и происходит перераспределение углерода. Предельное содержание углерода в аустените составляет 2.14% (почти на два порядка больше, чем в феррите).

Оранжевая зона на диаграмме представляет поведение стали с содержанием углерода менее 0.77% (доэвтектоидная сталь). Для марок этого типа характерно соседство феррита и аустенита даже при нагреве выше 723°C. Впрочем, при росте температуры всё больше феррита будет трансформироваться, до тех пор пока не останется один лишь аустенит.
С синей зоной (заэвтектоидная сталь), однако, всё несколько иначе. Когда углерода больше, чем 0.77%, часть карбидов может сохраняться даже на высоких температурах, и чем больше углерода в стали, тем больше будет оставаться карбидов. Нерастворившиеся карбиды останутся в неизменном виде после закалки и могут заметно повысить износостойкость изделия за счёт своей высокой твёрдости.

ЛЛ: Хочешь, чтобы было побольше карбидов – добавь побольше углерода. Хочешь, чтобы было поменьше карбидов, но уже накидал много углерода? – Нагрей посильнее под закалку

Возвращаясь к нашему цементиту – чем ниже температура аустенизации и чем больше углерода в составе стали, тем больше будет цементита. На диаграмме ниже вы можете увидеть расчётную зависимость количества цементита от содержания углерода для фиксированной температуры аустенизации:

А так выглядит зависимость количества цементита от температуры аустенизации для стали с фиксированным количеством углерода:

Графики выше иллюстрируют «идеальное» поведение при бесконечном времени выдержки на заданных температурах. В реальности всё обстоит несколько иначе, так как выдержка всегда ограничена, а значит фактическое количество цементита будет отличаться от расчётного в большую сторону. Так это выглядит для стали марки ШХ15 и 30 минут выдержки на температурах аустенизации:

Смещение эвтектоида или сейчас будет немножко сложно, простите

Эвтектоид – это смесь двух и более стабильных твёрдых фаз (напр., феррит и цементит), образующихся одновременно при распаде твёрдого раствора (аустенита). Перлит – типичный эвтектоид, состоящий из феррита и цементита. На диаграмме железо-углерод, расположенной выше, можно заметить точку, в которой сходятся все синие линии – это эвтектоидная точка, то есть точка эвтектоидного превращения (прямое превращение, без промежуточных фаз) аустенита в перлит. Наша импровизированная диаграмма железо-углерод составлена для сплава железа с углеродом без каких бы то ни было добавок и эвтектоидная точка соответствует 723°C и 0.77% углерода. Однако, эта точка может смещаться влево при введении легирующих добавок. Это значит, что, если в составе стали присутствуют элементы вроде кремния, марганца, хрома, никеля и пр., то такой сплав будет способен к образованию карбидов, даже при условии содержания углерода в нём менее 0.77%. Отсюда же следует, что чем больше указанных легирующих элементов, тем больше будет оставаться нерастворённых карбидов после аустенизации. Вот так влияют легирующие элементы на смещение эвтектоидной точки по углероду:

Более подробно это явление можно рассмотреть на примере добавок хрома:

Как можно видеть на графике, при 0% хрома эвтектоидная точка ровно там, где она обычно и рисуется (нижний уголок пунктирного графика - 0.77% С, 723°C), но уже при 5% добавки хрома она сильно сдвинулась вверх и влево (0.5% С, 800°C). Уже при 15% хрома в составе, количество углерода, требующееся для начала карбидообразования снизилось до 0.35% - более чем вдвое от изначального.
Это значит, что в сильнолегированных углеродистых марках содержится большое количество нерастворимых на температурах аустенизации карбидов, повышающих износостойкость. Такие карбиды опосредованно влияют и на твёрдость закалённой стали. Чем богаче углеродом будет аустенит, тем выше будет твёрдость полученного из него мартенсита (при условии закалки на мартенсит, конечно же), однако, карбиды забирают себе углерод, который мог бы находиться в аустените и, тем самым, снижают максимально возможный уровень твёрдости готового стального изделия. Из-за такого поведения легированные углеродистые марки приходится нагревать значительно выше эвтектоидных точек, исключительно для растворения большего количества карбидов и насыщения аустенита углеродом (и прочими легирующими элементами).

ЛЛ: Хочешь побольше карбидов, но почему-то не можешь докинуть побольше углерода (осталось чуть-чуть, а до зарплаты ещё две недели)? Закинь какую-нибудь другую лигатуру, хром, например, и будут тебе карбиды там, где их обычно быть не должно

Влияние карбидов на прочность

Так как карбиды являются твёрдыми, но при этом хрупкими частицами (крупные карбиды, к тому же, некогерентны матрице, но об этом как-нибудь потом), то их влияние на прочность стали определённо негативное. Они являются потенциальными зонами трещинообразования и снижают необходимое количество энергии, требуемое для разрушения изделия. Чем больше в стали карбидов и чем они крупнее, тем ниже прочность этой стали. Порошковая металлургия в некоторой степени исправляет такое положение дел, обеспечивая равномерное распределение и малый размер карбидов:

ЛЛ: Карбиды ухудшают прочность, но порошковая металлургия спешит на помощь.

Типы карбидов или оставим в покое цементит

Помимо цементита в сталях встречаются и другие виды карбидов. Более того, многие марки изначально создавались (и создаются) с целью повышения износостойкости за счёт особо твёрдых карбидов. Так, например, нержавеющие стали получают высокую коррозионную стойкость за счёт больших добавок хрома, а карбиды хрома являются, так сказать, побочным продуктом. Схожая ситуация с быстрорежущими сталями, главным свойством которых является высокая красностойкость (способность сохранять свою твёрдость при высоких температурах во время работы). Без значительных добавок вольфрама и молибдена этого свойства не достичь, соответственно в быстрорезах можно обнаружить большое количество карбидов этих легирующих элементов. Иногда же лигатура добавляется в сталь именно с целью карбидообразования. Ярким примером такого дизайна является Х12МФ, в которой хром присутствует совсем не для повышения коррозионной стойкости, а именно для образования большого количества износостойких карбидов. Причина, почему производители и разработчики сталей пытаются получить в своих марках карбиды хрома, ванадия, вольфрама и т.п. вместо карбидов железа в том, что цементит является самым «мягким» из них всех:

Под буквой «М» в формуле M6C подразумевается молибден или вольфрам т.к. у них общая структура формулы. Аналогично иногда пишут «МС» для соответствующих карбидов вольфрама, ниобия, ванадия и титана. Подробнее об обозначении см. ниже.

Ещё одна табличка с типами карбидов и некоторых распространённых абразивов:

Как можно заметить, самыми твёрдыми типами являются карбиды вольфрама, ниобия, ванадия и титана. Соответственно, их вклад в повышение износостойкости стали самый высокий.

На графике ниже можно посмотреть на коэффициенты износостойкости различных карбидов в зависимости от их твёрдости:

Говоря простыми словами, если взять две марки стали с одинаковым количеством, размером и однородностью распределения карбидов, но у одной из них это будут карбиды хрома (Cr7C3), а у другой ванадия (VC), то износостойкость у второй будет в 2.5 раза выше, чем у первой, а прочность обеих марок, при условии закалки на одинаковую твёрдость, будет идентичной, так как тип карбидов на неё не влияет.

ЛЛ: Цементит – лох, карбиды ниобия рулят! При любом удобном случае меняйте свой цементит на любые другие карбиды, в идеале ванадия, ниобия и титана, они кошерней и вкуснее.

Сила карбидообразования и стабильность карбидов

Не все легирующие элементы одинаково охотно образуют карбиды – некоторых нужно добавлять в состав стали больше, чем других для начала карбидообразования. А когда таких элементов добавлено несколько одновременно, то происходит нечто вроде соревнования за право соединиться с углеродом. Выигрывает в нём самый сильный карбидообразователь. Для иллюстрации процесса можно взглянуть на график влияния добавок хрома в сталь с 1% углерода при стабильной температуре 845°C:

Как видно по графику, карбиды хрома не образуются пока в составе нет достаточного количества этого элемента (около 2.7% в данном случае). Вместо этого растёт лишь количество цементита, слегка обогащённого хромом. Т.е. стали вроде ШХ15 с 1.5% хрома в составе, как правило не образуют карбидов хрома (Cr7C3 или Cr23C6), но имеют некоторое количество легированного хромом цементита. Ниже вы можете видеть график  влияния добавок хрома в сталь с 1% углерода при температуре 1090°C:

Чем выше температура, тем больше нужно легирующих элементов (в данном случае указана зависимость для хрома) для предотвращения их карбидов от растворения во время аустенизации. Цементита на графике нет вообще, потому что он не может существовать на такой высокой температуре и растворяется полностью гораздо раньше.

Ниже представлены два графика зависимости содержания карбидов в стали от количества добавленных легирующих элементов для двух температур – 845°C и 1090°C. Ниобий, титан (не представлен на графике, но близок к ниобию) и ванадий являются очень сильными карбидообразователями (особенно ниобий и титан) и образуемые ими карбиды самые стабильные из всех (т.е. не растворяются даже на очень высоких температурах). Карбиды хрома, молибдена и вольфрама не так стабильны и могут частично растворятся при достаточно высокой температуре:

Даже очень малые добавки ниобия (сотые доли процента) ведут к образованию карбидов этого элемента, которые, к тому же, практически невозможно растворить на обычных для стали температурах аустенизации. Можно считать, что нижняя температурная граница карбидообразования определённого элемента является также минимальной температурой начала растворения карбидов этого элемента (тут важную роль играет количество лигатуры), в зависимости от того, в какую сторону происходит изменение температуры. То есть при нагреве с низких температур карбиды растворяются, а при остывании с высоких – растут.

Ниже вы можете видеть графики температур карбидообразования для различных элементов в зависимости от содержания этих элементов в составе стали с 1% углерода:

Карбиды, формирующиеся на высоких температурах, как правило довольно крупные из-за повышенной скорости диффузии элементов, что негативно сказывается на прочности финальных изделий. Если же держать температуру карбидообразования в пределах около 1100°C, то такие карбиды будут достаточно легко растворяться в ковочном диапазоне температур и затем образовываться снова при остывании, но размер их будет относительно мал.

Впрочем, от наличия карбидов в ковочном диапазоне есть и определённая польза, так как карбиды способствуют сдерживанию роста зерна стали. Небольшие добавки ванадия и\или ниобия особенно эффективны в контроле размера зерна из-за высоких температур карбидообразования этих элементов. Одновременно с этим, небольшие добавки помогают поддерживать и малый размер самих карбидов, что, опять же, позитивно сказывается на прочности. Ниобий часто добавляется в очень малых количествах (0.02-0.05%) как раз для контроля размера зерна.

ЛЛ: Углерод, когда есть возможность выбора с кем затусить, выбирает карбидных качков – ниобий, ванадий, титан. Если качков нет, то сливается в экстазе со смазливым хромом, у них с ним стабильные, хоть и несколько токсичные, любовные отношения. Когда и хрома нет, то довольствуется связями с вольфрамом или даже тройничком с вольфрамом и молибденом. На худой конец всегда есть банальное железо на запасном аэродроме.

Карбиды вольфрама

Карбид вольфрама (WC) является довольно специфичным из-за сочетания свойств – высокой твёрдости и при этом относительно низкой температуры образования и растворения (в зависимости от количества добавки, разумеется). Благодаря такому сочетанию качеств, инструментальные стали с карбидом вольфрама в составе (ХВГ, ХВ4, ХВ5) относительно легко куются, потому что карбиды в них растворяются частично или полностью на ковочных температурах. При этом этот тип сталей обладает очень высокой твёрдостью (вплоть до 70 HRC) и неплохой износостойкостью. Недостатком же является то, что вольфрам довольно тяжёлый и плотный элемент, а потому его приходится добавлять в состав стали довольно много, чтобы он проявил свои карбидообразующие свойства. Так, для получения 2% карбида вольфрама, его нужно добавить в сталь около 4% по массе, а ванадия, например, нужно в 4 раза меньше для того же количества карбидов (при сопоставимой твёрдости). Другими словами, вольфрам является слабым карбидообразователем и может быть легко подавлен прочими элементами. Даже карбидообразователь средней силы, вроде хрома, способен перехватить у вольфрама «инициативу» по соединению с углеродом. Ниже можно видеть как ведёт себя вольфрам при наличии хрома в составе стали:

Отдельно стоит отметить, что хром, в присутствии вольфрама образует другой тип карбида (Cr23C6).

ЛЛ: Вольфрам тяжёл на подъём и лучше посидит дома, чем пойдёт тусить с углеродом, а если в компании будет хром, так тем более.

Вольфрам и молибден в быстрорежущих сталях

Исходя из вышесказанного, понятно, что уже 4% хрома достаточно для почти полного предотвращения образования карбидов вольфрама (WC). Это явление усугубляется повышенными температурами аустенизации (920°C и выше), которых требуют хромистые марки стали, т.к. карбиды вольфрама (WC) растворяются на меньших температурах. Если же в хромистые марки (4% хрома и более) добавить больше вольфрама, то всё равно WC образуется мало, а вместо него начинает формироваться другой тип карбида вольфрама (W6C), значительно более мягкий, чем WC. Много W6C наблюдается, в частности, в Р18 с её 18% вольфрама в составе.

Быстрорезы же, в которых присутствуют одновременно молибден и вольфрам (Р6М5 и её производные) образуют сложные карбиды вида М6С, где под «М» понимается комбинация молибдена с вольфрамом.
Молибден сам по себе не имеет твёрдых карбидов, подобно вольфраму с его WC, вместо этого он образует нестабильные карбиды типа Mo2C (1500-1800 Hv), которые распадаются до M6C в процессе последующей термообработки.

ЛЛ: Молибден – корешь вольфрама, помогающий ему в социальной адаптации и связях с углеродом. Однако, смазливый хром и здесь может испортить всю малину.

Вольфрам и молибден в нержавеющих сталях

В нержавеющих сталях практически не образуется карбидов типа Mo2C или М6С даже при больших добавках молибдена. Так в нержавеющих марках вроде 154CM (CPM-154, RWL34) с 4% молибдена в составе, присутствуют только карбиды хрома, хоть и слегка легированные молибденом. Очень мелкие вторичные карбиды молибдена (Mo2C) могут выделяться в этих сталях во время отпуска, но какого-то значимого влияния на износостойкость, как первичные карбиды хрома, они не оказывают.
Вольфрам же в нержавеющих сталях практически не встречается в значимых количествах из-за описанных выше причин. 0.6% вольфрама присутствует, например, в M390, но этого недостаточно для карбидообразования и добавлен он туда по другим причинам.

ЛЛ: В вотчинах хрома (нержавейки) вольфраму делать нечего от слова совсем, даже, если он будет со своим корешем молибденом.

Ванадий в нержавеющих сталях

Ванадий является довольно сильным карбидообразователем, но из-за большого количества хрома в нержавеющих сталях, он не образует так много карбидов, как мог бы:

По графикам видно, что для сталей с 4% ванадия содержание карбидов ванадия уменьшается с 8% (при добавках хрома менее 5%), до 2.5% (в случае 20% хрома в составе). В то же время, ванадий увеличивает количество карбидов хрома и участвует в образовании сложных легированных карбидов (Cr,V)7C3, обладающих более высокой, чем у Cr7C3 твёрдостью (но всё равно заметно меньшей, чем у VC).

Увеличение количества карбидов хрома за счёт добавок ванадия означает, помимо прочего, снижение твёрдости и  коррозионной стойкости стали (больше хрома уходит в карбиды, меньше в твёрдый раствор аустенита и в мартенсит в последствие). Из-за этого разработка и балансировка ванадиевых нержавеющих сталей является нетривиальной задачей.

Ванадиевые карбиды сами по себе могут различаться по составу и есть данные об обнаружении карбидов типа V4C3 и V8C7, однако данных по их исследованию не так много.

ЛЛ: Ванадий – один из боссов карбидной качалки, но смазливый хром и здесь может подгадить. В хромистых компаниях (нержавейки) ванадий ленится и не делает так много своих прекрасных карбидов, как могу бы.

Ниобий в нержавеющих сталях

Ниобий является одним из самых сильных карбидообразователей и не подвержен влиянию хрома, как ванадий. Карбиды ниобия, как и ванадия, обладают высокой твёрдостью и могут оказывать заметное влияние на износостойкость стали. Однако, количество ниобия в составе должно строго контролироваться, чтобы не допускать чрезмерный рост его карбидов (даже порошковая металлургия имеет ограничения). Как правило, ниобия добавляется относительно немного и этого вполне хватает для всестороннего улучшения характеристик стали.

ЛЛ: Ниобий настолько крут, что его даже смазливый хром не смущает. Делать карбиды – истинное призвание ниобия, главное не переборщить.

Нитриды

Нитриды образуются в случае, если вместо углерода основным легирующим элементом стали является азот. Азот в стали ведёт себя схожим с углеродом образом, за исключением некоторых аспектов, о которых стоит поговорить в отдельной статье. Нитриды обладают высокой твёрдостью и низкой прочностью, как и карбиды. Азотистых сталей не так уж и много, а некоторые из них могут называться таковыми только формально (14c28n, Nitro-V, BD1N), т.к. 0.1% азота в составе недостаточно для формирования нитридов (азот более слабый карбидообразователь, чем углерод). Когда в составе присутствует и углерод и азот в достаточно количестве, то, помимо нитридов могут образовываться сложные соединения – карбонитриды, например ванадиевый карбонитрид V(C,N). По-настоящему азотистыми могут считаться марки Nitrobe77, Cronidur30\LC200N, Vanax и Vancron. В Cronidur30\LC200N наблюдается комбинация нитридов и карбидов: CrN, Cr2N, Cr23C6 и Cr7C3. Впрочем, карбиды обычно растворяются на температуре аустенизации этой марки и остаются только нитриды. Vanax и Vancron разработаны таким образом, чтобы иметь в своём составе только нитрида\карбонитриды ванадия. Последние по своим параметрам очень схожи с карбидами ванадия и значительно повышают износостойкость этих сталей. В Nitrobe77 присутствуют одновременно карбонитриды ванадия и ниобия, а также нитриды хрома.

ЛЛ: не только лишь углерод может сливаться в экстазе с металлами и создавать карбиды. Азот тоже так умеет, хоть и чуточку похуже. Зато хром для азота не такой токсичный и их союз способен порождать самые нержавеистые нержавейки (не считая аустенитных, конечно же).

Общая информация об особенностях обозначения карбидов

Как в этой статье уже неоднократно упоминалось, состав карбидов может различаться даже в рамках одного типа. Другими словами, если взять, например, Cr7C3, то помимо хрома в нём может присутствовать железо, марганец, молибден и пр., в зависимости от того, что есть в составе стали помимо хрома. Поэтому иногда вместо точного обозначения соединённого с углеродом элемента, указывают «М» - металл (М7С3, например). Для нитридов это, соответственно, выглядит, как MN или M2N. В случае карбонитридов обозначение углерода\азота может замещаться буквой «X» - VX (карбонитрид ванадия). А так как нитриды\карбонитриды, как и карбиды могут быть сложными соединениями нескольких металлов, то и в них иногда указывают «М», вместо металла – MX (нитрид\карбид\карбонитрид ванадия, ниобия, титана или вольфрама). Такое обозначение встречается в случаях, когда нет необходимости точного определения частицы, но важно соотношение легирующих элементов и общий тип карбида. Например, М23С6 и М7С3 всегда имеют в основе хром. Вот сводная таблица обозначений типов карбидов:

ЛЛ: Люди любят усложнять простое и упрощать сложное, потому заменяют одни буквы в обозначениях карбидов на другие, ну просто потому что могут и кому-то от этого удобно, тепло и сухо.

Абразивы vs карбиды

Твёрдость и размер карбидов играют важную роль во время механической обработки (шлифовка, полировка, заточка) изделий, в которых они присутствуют. Если абразив мягче карбида, то он практически ничего не сможет с ним сделать. Так, оксид алюминия, один из самых распространённых видов абразивных материалов, мягче, чем карбиды ванадия, ниобия, вольфрама и титана. Впрочем, если абразивные частицы значительно превосходят карбиды по размеру, то шлифовка всё же возможна за счёт того, что абразив будет вырывать карбиды из стали целиком. Например, некоторые тесты на абразивный износ марок S90V и D2 (Х12МФ) показывают превосходство последней как раз за счёт того, что карбиды хрома в D2 имеют значительный размер, даже будучи более мягкими, чем более многочисленные, но мелкие ванадиевые карбиды S90V. Эти тесты показывает превосходство порошковых сталей в обрабатываемости и возможность их эффективной шлифовки относительно мягкими крупнозернистыми абразивами. Однако, в случае полировки всё становится сложнее и оксид алюминия уже ничем не сможет помочь. Карбид кремния, другой широко распространённый абразив, хоть и обладает примерно тем же уровнем твёрдости, что карбиды ванадия\ниобия\вольфрама, но также не даёт ощутимого эффекта. Лучшим выбором при полировке ванадиевых сталей будут алмазные пасты или кубический нитрид бора (CBN).

ЛЛ: Пытаться обрабатывать один твёрдый материал (твёрдые карбиды) другим материалом аналогичной или даже меньшей твёрдости (абразивы) – глупо. Потому лучше сразу расщедриться на алмазные абразивы и бед не знать (ну кроме беды с финансами).

Коррозионная стойкость

Способность стали сопротивляться коррозии определяется в основном количеством хрома в твёрдом растворе, а также частично молибденом и азотом. Если эти элементы «заперты» в карбидах, то они не оказывают никакого влияния на коррозионную стойкость (Х12МФ – яркий пример). Высокие температуры аустенизации позволяют растворить больше карбидов и высвободить нужные для кор. стойкости легирующие элементы. Во время отпуска часть мартенсита распадается и выпадает в виде мелких карбидов, что также снижает общую устойчивость стали к коррозии.

ЛЛ: Карбиды не повышают коррозионную стойкость. И это в лучшем случае.

Влияние карбидов на износостойкость

Основными влияющими на износостойкость конечного изделия (режущий инструмент) факторами являются: геометрия, твёрдость, карбиды. Существует формула, по которой можно рассчитать теоретическую износостойкость режущего инструмента по CATRA (где ТСС – суммарное количество разрезанных абразивных полосок, выраженное в мм):

TCC (мм) = -157 + 15.8*твёрдость (Rc) – 17.8*общий угол заточки(°) + 11.2*CrC(%) + 14.6*CrVC(%) + 26.2*MC(%) + 9.5*M6C(%) + 20.9*MN(%) + 19.4*CrN(%) + 5.0*Fe3C(%)

Уравнение и коэффициенты износостойкости карбидов не являются окончательными (нужно больше статистических данных для уточнения), но очень близки к истине и дают общее представление об отношениях между типами карбидов. Опираясь на данные по количеству и типу карбидов в определённой марке стали можно довольно точно предсказать износостойкость этой марки. Количество и тип карбидов может плавать в определённых пределах внутри одной марки в зависимости от термообработки, но при рекомендованных производителями режимах закалки на первичную твёрдость, данные будут примерно такими:

Для примера можно сравнить теоретическую износостойкость двух марок, Elmax и S30V. Твёрдость обоих тестовых образцов будем считать равной 60 HRC, общий угол заточки 30о:

S30V = -157 + 15.8*60(Rc) -17.8*30(°) +14.6*10.5(%CrVC) + 26.2*4(%VC) = 515.1 mm

Elmax = -157 + 15.8*60(Rc) -17.8*30(°) +14.6*16(%CrVC) + 26.2*2(%VC) = 543 mm

Как видно, Elmax немного опережает S30V, что согласуется экспериментальными данными Бёллер-Уддехольм.

ЛЛ: чем больше карбидов и чем они злее (ммм, ниобий), тем выше износостойкость.

Заключение

В современных марках стали встречается довольно широкий ряд карбидов в зависимости от состава этих сталей и особенностей термообработки. В сильнолегированных марках бывает очень сложно определить, глядя на состав, какие типы карбидов и в каком количестве будут образовываться. Сколько и каких конкретно легирующих элементов добавлено в состав стали, особенности взаимодействия этих легирующих элементов между собой, режимы термообработки, - всё это влияет на окончательный состав и количество карбидов. Карбиды негативно влияют на прочностью стали, но их измельчение и равномерное распределение помогает минимизировать эти негативные эффекты. Тип карбидов не имеет значения для прочности, но имеет для износостойкости. Карбиды оказывают опосредованное влияние на твёрдость и коррозионную стойкость стали за счёт обеднения\обогащения твёрдого раствора легирующими элементами.

Для тех, кто добрался аж до сюда и не уснул - можете посмотреть дополнение к этому посту, там много картинок =)

Использованные материалы:

Stickels, C. A. “Carbide refining heat treatments for 52100 bearing steel.” Metallurgical Transactions 5, no. 4 (1974): 865-874.

Bain, Edgar Collins. Functions of the alloying elements in steel. American Society for metals, 1940.

Theisen, W. “Hartphasen in Hartlegierungen und Hartverbundstoffe.” (1998).

Repas, Paul E. “Metallurgical fundaments for HSLA steels.” Microalloyed HSLA steels (1988): 3-14.

Nelson, G. D. “The influence of microstructure on the corrosion and wear mechanisms of high chromium white irons in highly caustic solutions.” PhD diss., 2010.

https://www.crucible.com/PDFs\DataSheets2010\dsS35VNrev12010.pdf

Pinnow, Kenneth E., William Stasko, and John Hauser. “Corrosion resistant, high vanadium, powder metallurgy tool steel articles with improved metal to metal wear resistance and a method for producing the same.” U.S. Patent 5,936,169, issued August 10, 1999.

Gornik, Christian, and Jochen Perko. “Comprehensive wear study on powder metallurgical steels for the plastics industry, especially injection moulding machines.” In Materials science forum, vol. 534, pp. 657-660. Trans Tech Publications, 2007.

Sandberg, Odd, Lennart Jönson, and Magnus Tidesten. “Cold work steel and manufacturing method thereof.” U.S. Patent 7,909,906, issued March 22, 2011.

Pinnow, Kenneth E., and William Stasko. “Wear resistant, powder metallurgy cold work tool steel articles having high impact toughness and a method for producing the same.” U.S. Patent 5,830,287, issued November 3, 1998.

Wilmes, S., and G. Zwick. “Effect of niobium and vanadium as an alloying element in tool steels with high chromium content.” The Use of Tool Steels: Experience and Research 1 (2002): 227-243.

Влияние геометрии клинка

Ещё одно важное пояснение перед началом сравнения: в этой статье не сравниваются ножи, но только стали, из которых эти ножи можно сделать. Некоторые марки могут быть предрасположены к хорошему удержанию тонкой кромки, а некоторые нет (обычно ввиду большого количества карбидов и\или их размера). Более острые углы заточки и тонкое сведение могут значительно увеличить износостойкость ножа, даже если сталь, из которой он сделан, сама по себе не отличается высоким сопротивлением износу. Так, например, на графике ниже указана зависимость износостойкости 154СМ и CPM-154 (RWL34) от угла заточки:

Как видно по графику, при угле заточки в 20 градусов износостойкость более чем в два раза выше, чем при угле в 32-34 градусов. Однако, при таких острых углах заточки кромка будет более хрупкой и подверженной выкрашиванию/замятиям. В то же время угол заточки в 50 градусов не будет показывать высокие значения износостойкости, но и гораздо менее вероятными будут выкрашивание/замятие кромки. Таким образом, выбор марки стали и геометрии клинка должны быть подчинены назначению ножа. Ножи для деликатного реза выигрывают от малого угла и тонкой геометрии, а для ножей выживания или общего назначения лучше избегать слишком тонких сечений и делать более тупой угол заточки. В качестве наглядного примера разницы прочности кромки в зависимости от угла заточки можно посмотреть на результаты экспериментов над клинком ножа из стали марки AEB-L (13c26, 65Х13). Твёрдость образца составляла 61 HRC, а общий угол заточки варьировался от 30 до 50 градусов. Суть эксперимента состояла в соударении с регулируемым усилием кромки ножа и металлического прутка толщиной 5 мм [1]:

Как видно по фотографиям выше, при угле заточки в 50 градусов кромка не получила каких-то значимых повреждений при силе удара 2.7 Дж, а кромка, заточенная на угол в 30 градусов серьезно выкрошилась уже при 1.8 Дж.

С отступлениями покончено и можно перейти непосредственно к рейтингам стали. Марки будут сгруппированы по группам (углеродистые, нержавеющие, быстрорезы) для облегчения восприятия.

Углеродистые и слаболегированные инструментальные стали

Стали такого типа для производства ножей часто используются кузнецами из-за хорошей ковкости и относительной неприхотливости в термообработке (можно легко закаливать, использую горн для нагрева). Помимо кузнецов их используют и предприятия в своих линейках крупных ножей для выживания и складных ножей традиционного типа. В углеродистых сталях обычно есть небольшие присадки марганца и кремния. В слаболегированных инструментальных марках могут быть добавки и прочих легирующих элементов, как правило для повышения закаливаемости и возможности закалки на масло (гораздо более щадящая среда, чем вода). В некоторых сталях могут присутствовать и такие элементы как ванадий (CruForgeV) и вольфрам (Blue Super, V-Toku2, 1.2519), добавляемые для повышения износостойкости.

В общем по этой группе сталей можно сказать, что чем выше содержание углерода, тем выше износостойкость и тем ниже прочность. Так как доминирующим типом карбидов в этой группе является карбид железа (цементит) – самый «мягкий» из всех типов, встречающихся в сталях, то высокой износостойкостью эта группа похвастаться не может, но зато изделия из этих марок относительно легко обрабатывать и точить.

8670 и 5160 (ближайший отечественный аналог 50ХГА) – Хорошие варианты для крупных клинков, требующих высокой прочности, например, предназначенных для рубки. 52100 (ШХ15) и CruForgeV хороши для универсальных ножей общего назначения. Blue Super и 1.2562 обладают более высокой износостойкостью, чем собратья по группе, но и сниженной прочностью в то же время. ApexUltra является наиболее сбалансированной маркой в этой группе, но достать её очень непросто.

Рейтинг углеродистых и слаболегированных инструментальных сталей

Сильнолегированные инструментальные стали и быстрорезы

Сильнолегированные стали ещё менее требовательны к скорости охлаждения и вполне способны закалиться на спокойном воздухе после аустенизации, отчего получили прозвище «самозакаливающиеся». Это свойство сильно облегчает термообработку, особенно для больших партий заготовок, уменьшает вероятность растрескивания и коробления. Быстрорезы можно выделить в подгруппу сильнолегированных инструментальных марок из-за больших добавок молибдена и вольфрама, дающих им отличные показатели красностойкости. Ещё одним большим отличием этой группы от предыдущей является карбидный состав. Цементит тут встречается редко, а вот невероятно твёрдые карбиды ванадия, например, есть, едва ли не во всех марках группы. Ещё встречаются карбиды хрома, занимающие промежуточное положение по твёрдости между цементитом и карбидами ванадия. Стали с высоким содержанием ванадия, такие как:  Vanadis 8, CPM-10V, K390, CPM-15V и пр. имеют очень высокую износостойкость, а Maxamet и Rex 121 и вовсе столь хорошо способны сопротивляться износу, что пришлось дать им соответственно 11 и 12 пунктов в износостойкости (при максимуме в 10 пунктов). Порошковые стали с низким содержанием ванадия, вроде CPM-1V и Z-Tuff/CD#1 отличаются очень высокой прочностью. Наиболее сбалансированными марками в этой группе являются 4V/Vanadis4E, CPM-CruWear и CPM-M4.

Рейтинг сильнолегированных инструментальных и быстрорежущих сталей

Нержавеющие стали

Нержавеющие марки стали это ещё одна подгруппа высоколегированных инструментальных сталей с большим количеством хрома в составе, что даёт им высокий уровень коррозионной стойкости. Тем не менее, для того чтобы точно определить насколько хорошо марка сопротивляется коррозии нужно знать не только процентное содержание хрома в составе, но и сколько этого хрома будет в твёрдом растворе. Например, в D2 (Х12МФ) на первый взгляд достаточно хрома (~12%), чтобы считаться нержавеющей, но из-за высокого содержания углерода большая часть хрома оказывается связана в карбидах, что негативно влияет на коррозионную стойкость марки. В то же время, MagnaCut содержит минимальное количество хрома среди представленных ниже сталей, но весь этот хром присутствует в твёрдом растворе, а карбиды хрома отсутствуют, что даёт очень высокий уровень коррозионной стойкости. Помимо хрома, на стойкость к окислению значительно влияет также и молибден.

Как и с высоколегированными инструментальными сталями, количество ванадия в составе может дать понять, какой уровень износостойкости стоит ждать от конкретной марки. Наиболее примечательными марками в этой подгруппе являются, например: CPM S90V – Отличная износостойкость и приемлемый уровень прочности; CPM S110V – по износостойкости примерно то же самое, что и CPM S90V, но с повышенной кор. стойкостью и сниженной прочностью; AEB-L (65х13) и 14C28N – обладают очень высокой прочностью; LC200N, помимо высоких показателей прочности ещё и крайне устойчива к воздействию агрессивных сред, правда ТО этой марки сопряжена с рядом трудностей и вряд ли получится добиться более 61 HRC твёрдости; CPM MagnaCut – наиболее сбалансированная марка стали в подгруппе и может рассматриваться как коррозионно-стойкая версия CPM 4V или CPM CruWear; Vanax superclean – в целом похожа на CPM MagnaCut, но с меньшей прочностью и твёрдостью, зато с повышенным уровнем коррозионной стойкости. ТО Vanax, как и в случае с LC200N, требует особой внимательности и твёрдость ограничена 61 HRC.

Относительно 1.4116/X50CrMoV15 – данная марка показала такую низкую прочность (а должна быть примерно на уровне 420HC) из-за сильной карбидной неоднородности (см. статью со снимками), очень пагубно влияющей на прочностные характеристики. Возможно, просто попалась неудачная партия металла, но звоночек тревожный.

Рейтинг нержавеющих сталей

Состав сталей

Ниже представлены таблицы составов для указанных выше марок стали (и некоторые дополнительные). Для каждого элемента есть допустимые границы содержания и в таблицах указаны средние значения, то есть в стали 1084 (отечественный аналог - у8а), например, не обязательно всегда должно быть 0,84% углерода, его может быть как чуть больше, так и чуть меньше. Помимо этого, не все элементы могут быть указаны, так для некоторых углеродистых марок графа «кремний» пуста, потому что допустимый диапазон содержания для них довольно широк, а не потому что кремния в них нет. Для сильнолегированных сталей графы «кремний» и «марганец» также пусты не потому, что там нет этих элементов, а потому что их там «стандартное» количество (около 0,5% в среднем) и акцент сделан на более значимых элементах.

В случае сильнолегированных сталей неспециалисту практически невозможно точно определить свойства сплава, основываясь исключительно на состав, потому что элементы, добавленные в больших количествах могут довольно неочевидным образом влиять друг на друга и взаимодействовать. Для прогноза могут использоваться специализированные программы, вроде JMatPro. Однако, общие тенденции таковы: чем больше углерода/азота и ванадия/вольфрама/ниобия, тем выше износостойкость и ниже прочность; 10% и более хрома, вероятно, дают стали высокую коррозионную стойкость (за исключением, например, D2 и ZDP-189).

Содержание всех элементов указано в %

Износостойкость

Износостойкость измерялась при помощи CATRA-тестера – станка, на котором испытуемый образец стали с регулируемым усилием в 50 ньютон разрезает специально изготовленные полоски бумаги, покрытые 5% мелкозернистого абразива (кварцевый песок). Всего делается по 60 движений вперед и назад. Станок автоматически подсчитывает пройденное за каждый рез расстояние в мм. Итоговым результатом является общее число разрезанных полосок (total cardstock cut – TCC), измеряемое в мм. Иллюстрация работы прибора [2]:

На видео также видно как выглядят тестовые образцы сталей, использованные в исследовании:

Образцы изготавливались идентичными по форме и размерам специально для теста и затачивались одним образом (30 градусов общий угол, финиш 400 грит). 400 грит финиша заточки выбраны как наиболее оптимальные для реза протягом. 120 грит, например, дают ещё более высокие результаты, но вряд ли найдётся производитель/пользователь ножей, который будет затачивать свои изделия на 120 грит. При повышении гритности результаты реза протягом падают, зато улучшается рез надавливанием. Так как станок использует рез протягом, то и лишнюю работу по заточке до высоких гритностей делать ни к чему. Каждый образец тестировался по 3-4 раза с усреднением результатов. У некоторых марок стали было несколько образцов с разными режимами ТО (для них помимо точек на диаграмме «износостойкость-твёрдость» внизу есть линии, объединяющие несколько показателей твёрдости). С режимами ТО можно ознакомиться в данной таблице:

В целом можно сказать, что наибольшее влияние на износостойкость оказывают: твёрдость стали, количество карбидов, твёрдость карбидов. Чемпионом по всем трём параметрам является CPM Rex 121 с твёрдостью около 70 HRC с большим количеством крайне твёрдых ванадиевых карбидов. Как уже было сказано выше, если сталь отличается высокой твёрдостью и большим количеством карбидов, то можно предполагать, что у неё будет довольно высокая износостойкость. А если твёрдость относительно невысока и карбидов в составе мало, то вряд ли стоит ожидать от такой марки каких-то высоких показателей износостойкости.

На диаграмме ниже представлены итоги исследования износостойкости по CATRA. Пунктирные линии добавлены для того, чтобы можно было сделать прогноз изменения износостойкости при изменении твёрдости:

Ниже представлены также табличка твёрдости различных типов карбидов и уравнение для расчёта износостойкости, основанное на угле заточки, твёрдости стали, количестве карбидов в составе и их типе:

TCC (мм) = -157 + 15,8*Твёрдость (HRC) – 17,8*Общий угол заточки + 11,2*CrC (%) + 14,6*CrVC (%) + 26,2*MC (%) + 9,5*M6C (%) + 20,9*MN (%) + 19,4*CrN (%)

График корреляции фактической износостойкости CATRA и расчётной по указанной выше формуле:

Стоит помнить, что износостойкость стали не единственный параметр, влияющий на итоговую режущую способность ножа. Так, при уменьшении угла заточки результат тестов CATRA может сильно увеличиться. Помимо угла заточки влияние оказывают также толщина сведения и тип финиша поверхности. Например, очень тонко сведённый и заточенный на малый угол нож из относительно «простой» стали (вроде ШХ15, 65Х13 и т.п) может обладать высокой режущей способностью на уровне «карбидных монстров» (типа M398, ZDP-189 и т.п), которые из-за своей структуры нецелесообразно тонко сводить и затачивать на малые углы (быстро выкрашиваются и теряют из-за этого остроту).

Прочность

Под прочностью в данном случае понимается ударная вязкость, сопротивление металла хрупкому разрушению под действием ударных нагрузок. Определение прочности проводилось через испытания на ударный изгиб по Шарпи без надреза с размерами образцов: 2,5х10х55 мм. Каждая марка стали тестировалась не менее 3-х раз с усреднением результатов. Ниже представлены графики для слаболегированных, сильнолегированных и нержавеющих сталей. В общем, чем больше в составе карбидов и чем они крупнее, тем ниже прочность. Твёрдость и тип карбидов роли не играет. Однако, есть некоторые осложняющие исследование факторы, вроде содержания углерода в твёрдом растворе и тип мартенсита – реечный или пластинчатый (это особенно актуально для слаболегированных сталей).

А вот так выглядит диаграмма отношения прочности к износостойкости (для большей наглядности представлена по логарифмической шкале):

Влияние карбидов

Как уже должно быть понятно, карбиды оказывают очень большое влияние практически на все свойства сталей. Так, большое количество карбидов положительно сказывается на износостойкости, но в то же время для высокой прочности нужно, чтобы карбидов было как можно меньше, потому при выборе стали (и ТО) приходится каждый раз выбирать, что будет в приоритете для конкретного ножа и конечного потребителя. Марки только с ванадиевыми карбидами являются наиболее сбалансированными, так как от твёрдости карбидов зависит износостойкость, но в то же время на прочность тип карбидов в составе не влияет. Ниже можно посмотреть на примеры микроснимков некоторых марок стали с различным содержанием карбидов:

На карбидную структуру стали очень большое влияние оказывает способ выплавки. Порошковая металлургия позволяет значительно уменьшить размер карбидов и добиться образования некоторых типов карбидов, получение которых традиционным способом выплавки затруднено. Так, содержание ванадия в марках обычного переплава не может превышать 4-5%, а применение порошковой металлургии позволяет значительно расширить эти рамки (например, в CPM 15V содержится 14,5% ванадия). Стоит ли говорить, что порошковые марки стали значительно прочнее своих традиционных аналогов (если таковые есть). Выше можно сравнить микроснимки D2 (Х12МФ) и её порошковой версии – CPM D2.

Наибольшую выгоду от порошкового передела получают марки стали с большим количеством и/или большим размером карбидов в составе. Стали же изначально с мелкими карбидами (AEB-L, например, или слаболегированные марки) особых преимуществ, кроме повышенной чистоты от неметаллических примесей, не получают.

Коррозионная стойкость

Тесты на коррозионную стойкость проводились следующим образом: Термообработанные образы сталей размером 25х40 мм с финишом в 400 грит сбрызгивались дистиллированной водой каждые 8 часов в течение 4х дней. По итогам теста XHP и ZDP-189 выбыли, как наименее коррозионностойкие. Далее оставшиеся образцы сбрызгивались 1% раствором поваренной соли в течение 72 часов (результаты можно увидеть ниже). После этого теста нетронутыми ржавчиной остались только три марки и концентрация соли для них была повышена до 3,5% (примерный уровень морской воды). Наиболее стойкими себя показали Vanax Superclean и LC200N, за ними с минимальным отрывом идёт CPM MagnaCut.

Тут стоит иметь в виду, что коррозионная стойкость зависит также от финиша поверхности и чем он лучше, тем выше кор. стойкость. 400 грит финиша были выбраны намеренно, чтобы не слишком затягивать тест.

Коррозия влияет не только на внешний вид изделия, но также негативно сказывается на режущей способности, ускоряя разрушение кромки. Проводились тесты по влиянию коррозии на износостойкость [3] со сталями марки 440А, D2 (Х12МФ) и 1055 (сталь 50), в которых образцы покрывались лимонным соком и оставлялись на воздухе на 30, 100 и 300 минут с промежуточными тестами на усилие реза. 1055 показала значительную потерю режущей способности, показатели 440А почти не изменились, а D2 заняла промежуточное, между этими марками, положение:

Замечание по твёрдости

На большой диаграмме «износостойкость-твёрдость» для большинства сталей указаны единичные, наиболее типичные, значения твёрдости (а не все возможные варианты) потому что, как правило, при увеличении твёрдости сверх оптимального значения прирост в износостойкости будет невелик, а падение прочности напротив, будет весьма значительным. Потому для большей части марок 59-62 HRC являются золотой серединой (кроме тех сталей, которые никогда не используются в этом диапазоне). Для иллюстрации этого явления можно посмотреть на диаграмму ниже. Так, AEB-L на твёрдости 64 HRC имеет износостойкость и прочность ниже чем MagnaCut на 61 HRC, хоть AEB-L и считается очень прочной маркой.

Однако, в некоторых случаях превышение оптимального значения твёрдости для конкретной марки стали будет оправданным. Один из таких случаев – повышение стойкости кромки к замятию. В первую очередь это относится к маркам, имеющим значительный запас прочности изначально (малое количество и размер карбидов). Наибольшую выгоду от этого получают, например, ножи для рубки и кухонные ножи с тонкой геометрией. Как иллюстрация может служить видео ниже [4], где два ножа с идентичным углом заточки перерубают гвоздь. Один выполнен из 1095 ESEE (у10) на 55-57 HRC, а второй из CPM MagnaCut на 62,5 HRC. 1095 ESEE получила заметные повреждения кромки, а MagnaCut – нет. Так получилось не из-за различий в прочности, но из-за различий в пределе текучести/упругости и связанной с ним твёрдости. Если бы в деле была замешана прочность, то характер повреждений был бы более хрупким (выкрашивание/трещины).

Замечание по термообработке

Как уже было сказано выше, ТО сталей этого рейтинга проводилась на «оптимальную» твёрдость, то есть такой уровень, который будет использоваться наиболее часто для каждой конкретной марки. Это значит, что практически любую из использованных сталей можно закалить, как лучше (применяя термоциклирование, точный контроль температуры и атмосферы и пр. методы), так и хуже (наделав ошибок при ТО – перегреть, недогреть, неправильно выбрать режимы и пр.).

Помимо этого, в данном рейтинге не рассматривался вариант ТО на вторичную твёрдость (где это возможно). Например, отпуск свыше 500 °C может делаться на вторично твердеющих марках стали для лучшей красностойкости во время последующей обработки (слесарной или для нанесения высокотемпературных покрытий). Однако, влияние высокого отпуска для вторичного твердения на прочность не так однозначно. Тесты CPMCruWear (Z-Wear) и CPM 10V показали снижение прочности при использовании высокого отпуска. Образцы 10V, отпущенные на 540 °C имели прочность в районе 5-7 Дж, а при отпуске 200-260 °C прочность возрастала до 9-11 Дж.

Для нержавеющих сталей применение высокого отпуска ещё более сомнительно из-за серьёзного снижения коррозионной стойкости. Вторичное твердение происходит из-за выделения большого количества мелких карбидов отпуска, в том числе карбидов хрома. То есть мартенсит, распадаясь, теряет часть хрома, что негативно сказывается на стойкости стали к окислению. Это явление может превратить крайне стойкие нержавеющие марки стали, вроде Vanax или LC200N в «обычные» нержавейки среднего сегмента, ржавеющие уже в 1%-ом растворе соли. Ниже можно видеть наглядную иллюстрацию. Слева Vanax с отпуском 205 °C, а справа с отпуском 540 °C после 24 часов в 1% растворе соли:

Отношение коррозионной стойкости к твёрдости

Как правило, чем выше коррозионная стойкость, тем ниже максимальная твёрдость, которую может развить сталь. Сильнолегированные инструментальные стали и быстрорезы могут иметь 66 HRC и выше, а нержавеющие же марки обычно имеют максимум в районе 64 HRC. Нержавейки с максимальной стойкостью, вроде Vanax и LC200N разогнать выше 61 HRC почти невозможно, да и чтобы добраться до этого уровня обязательны точный контроль температуры и криообработка. Твёрдость основной части производимых в мире ножей не превышает 63 HRC, так что это ограничение в 64 единицы у нержавеющих сталей редко играет какую-то значимую роль. Исключения составляют только случаи, когда нужно максимизировать стойкость кромки к замятиям , то есть ножи с очень тонкой геометрией (высокопроизводительные кухонные ножи ручной работы, например). График ниже иллюстрирует отношение максимальной твёрдости к коррозионной стойкости для некоторых нержавеющих сталей. Данный график скорее отражает отношение марок стали друг к другу по указанным параметрам и в нём нет корреляции типа «увеличение твёрдости ведёт к уменьшению коррозионной стойкости» как это было, например с графиками «прочность-твёрдость» или «износостойкость-прочность».

Стоимость стали

Главным определяющим стоимость стали фактором является тип переплава – порошковые марки, как правило, заметно дороже традиционных. Однако, есть и другие. Некоторые производители могут выставлять свою продукцию по более высоким ценам из-за каких-либо сложностей при производстве, зависящих от географического положения, используемых технологий, логистических цепочек, одни легирующие элементы дороже других, транспортировка стали на другие континенты повышает её стоимость, политическая ситуация и отношения между странами также может сильно влиять на цену. Сталь производимая малыми партиями будет существенно дороже. Наконец, маркетинг оказывает влияние на стоимость. И это что касается только самой стали, как сырья. На стоимость готовых изделий из неё оказывают влияние все те же факторы плюс ещё сотни других, способных вывести цену на заоблачный уровень.

Тем не менее дороже не всегда значит лучше. При выборе стали для ножа всегда в первую очередь стоит отталкиваться от функционального назначения этого ножа. Так для мощных походных ножей, предназначенных для рубки зачастую не имеет смысла использовать дорогие порошковые стали. Также бывает нецелесообразно покупать дорогую импортную сталь, когда есть относительно дешёвый местный аналог.

Лёгкость заточки

Рейтинг по лёгкости заточки составлять по большей части смысла нет, так как этот параметр имеет прямое отношение к износостойкости. Чем выше износостойкость стали, тем сложнее будет точить нож, из которой он сделан. То есть CPM Rex 121 будет точить сложно, а, например, 8670 или 65Г – легко. Есть, впрочем, один осложняющий фактор – тип карбидов, присутствующих в стали. Карбиды ванадия, вольфрама и ниобия твёрже, чем оксид алюминия, из которого обычно сделаны заточные камни, так что марки стали с такими карбидами будет точить несколько сложнее (в таком случае стоить применять алмазные абразивы). Ещё одним моментом, создающим сложности с заточкой может являться удаление заусенца. Этим часто грешат стали с избыточным остаточным аустенитом и относительно «мягкие» марки. Избавление от заусенца на них может занять столько же времени, сколько и формирование кромки.

Заключение

Составление рейтингов стали призвано не определить какие марки лучше, а какие хуже, но показать, как они сбалансированы по основным параметрам: прочность, износостойкость, твёрдость, коррозионная стойкость, цена и др. Невозможно получить максимальную оценку по всем параметрам, как не существует и каких-то «супер сталей». Если сталь выигрывает в чем-то, она всегда проигрывает в чем-то другом. Стоит также помнить, что правильная термообработка и выверенная геометрия, адекватная назначению ножа являются более важными факторами, чем выбор стали (особенно, если выбор был сделан под воздействием маркетинга). Идеальной ситуацией, когда функциональному назначению ножа подчинены и выбор стали, и её ТО, и геометрия.

Источники:

https://knifesteelnerds.com

[1] https://knifesteelnerds.com/2020/07/22/new-book-knife-engineering-steel-heat-treating-and-geometry/

[2] https://www.youtube.com/watch?v=E40Y8MheAu0

[3] https://knifesteelnerds.com/2019/01/21/does-acidic-food-affect-edge-retention/

[4] https://www.youtube.com/watch?v=-j_UYX8CgVs&t=57s