Дополнение к статье по карбидам⁠⁠

Данный пост, можно сказать, является бонусом к предыдущему и состоит из картинок чуть менее, чем полностью. По-хорошему все эти картинки можно было бы разместить в первом посте, но из-за ограничения пикабу, они туда никак не влезают. Да, если честно, они и сюда бы не влезли, если бы не магия совмещения нескольких картинок в одну. Оригинальные снимки были взяты вот отсюда и я настоятельно рекомендую заглянуть на knifesteelnerds.com, ибо там множество полезной и интересной информации по металлургии и ножевым вопросам, правда на английском.

Большинство из снимков этого поста автор – Ларрин Томас, сделал сам, но некоторые взяты из свободных источников. Главной особенностью этой подборки микроснимков является идентичная для всех снимков степень увеличения, что позволяет напрямую сравнить микроструктуру различных марок стали, размер и распределение карбидов. Карбиды на всех снимках – это светлые, зачастую округлые образования неправильной формы на, относительно, более тёмном (как правило, но не всегда) фоне мартенсита.

Сильнолегированные порошковые стали

Порошковая металлургия позволяет добиться малого размера и равномерного распределения карбидов, а также получить сплавы, недоступные для производства традиционным методом. Нижеприведённые снимки показывают как изменяется количество и размер карбидов по мере увеличения количества ванадия в составе стали. Для каждой марки указана температура аустенизации, как один из основных контролирующих карбиды факторов термообработки стали.

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.