В первой части статьи, вышедшей в апрельском номере журнала, мы коснулись ситуации, сложившейся на российском рынке ножевых сталей после февраля 2022 г.
Не зря мудрые китайцы считают кризис не только временем трудностей, но и временем возможностей. И осенью прошлого года мы начали серию экспериментов с целью создания линейки новых материалов. В этот раз решили плясать от печки, то есть от технологических возможностей, и попробовать впихнуть в эти самые возможности максимум потребительских свойств.
Любой материал разрабатывается под задачу и в рамках существующих возможностей и ограничений. В данном случае основными требованиями стали такие.
- Высокая коррозионная стойкость в «нормальных» условиях. В качестве таковых была избрана стойкость в растворах хлоридов (3,5–5%), что потребовало высокой устойчивости к общей и питтинговой коррозии. Может, для кого-то станет открытием, но подавляющее большинство ножевых «нержавеек» имеет проблемы с коррозией в таких условиях.
- Достаточно высокая твёрдость (62–63 HRc) и стойкость РК на уровне порошковых сталей среднего и среднего высокого классов. Достаточно высокая конструкционная надёжность. В целом ориентиром для комплекса служебных свойств была выбрана сталь MagnaCut, которую мы обсуждали в первой части статьи.
- Сталь должна обладать хорошей горячей пластичностью, стабильностью свойств при термообработке, приемлемой шлифуемостью и в качестве бонуса – возможностью обработки резанием ПОСЛЕ закалки для возможности производства клинков на металлорежущем оборудовании (так сложилось, что фрезерные обрабатывающие центры стоят на порядок дешевле специализированного шлифовального оборудования и гораздо более распространены).
- Стоимость стали для производителей должна быть не выше стоимости порошковых сталей среднего класса, доступных на рынке. Ну и в качестве вишенки на торте: неплохо, чтобы железка имела необычные материаловедческие и технологические решения.
Рис 1. Сравнительная коррозионная стойкость различных сталей при воздействии раствора хлоридов. Источник: www.knifesteelnerd.com
Мы подумали и попробовали решить эту задачу весьма необычным способом: предложить сталь (точнее, металло-матричный композит) с матрицей из нержавеющей мартенситно-стареющей стали и диборидом титана в качестве износостойкой фазы. Чтобы понять, почему так, наверное, стоит рассмотреть, как влияет структура стали на комплекс её свойств. Износостойкость стали зависит от содержания твёрдой фазы, её твёрдости, размера, морфологии и распределения этих самых частиц твёрдой фазы, прочности и пластичности стальной матрицы и интерфейса на границе матрицы и твёрдой фазы.
А теперь, если рассмотреть эволюцию инструментальных (и ножевых) сталей, то мы увидим, что системы легирования менялись, обеспечивая постоянное увеличение твёрдости фаз-упрочнителей. Если углеродистые и низколегированные стали упрочняются карбидами цементитного типа с твёрдостью 900–1050 Hv, стали, легированные хромом, вольфрамом и молибденом, упрочняются комплексными карбидами этих элементов с твёрдостью 1100–1600 Hv, стали, содержащие значительные количества ванадия и ниобий (современные порошковые стали), упрочняются карбидами типа МС с твёрдостью 2400–2600 Hv, легирование титаном приводит к появлению в структуре карбонитридов титана с твёрдостью 2700–3100 Hv.
Собственно, на этом эволюция доступных на рынке современных сталей и завершается. Причём впихнуть в состав стали заметное количество карбида титана довольно сложно, это приходится делать дорогостоящим механическим легированием. Таким образом, наиболее современные ножевые стали (тот же MagnaCut) имеют в качестве упрочнителя карбиды ванадия/ниобия с твёрдостью около 2500 Hv. В качестве следующего шага логично было рассмотреть в качестве износостойкой фазы комплексные бориды на базе диборида титана TiB2, имеющие высокую твёрдость (3100–3300 Hv), трещиностойкость и благоприятные размеры и морфологию, а также хороший интерфейс со стальной матрицей, и позволяющие иметь объёмное содержание до 20+ процентов. Мы и рассмотрели.
С фазой-упрочнителем разобрались, теперь нужно определиться с матрицей. И в качестве одного из вариантов (он не единственный, будут и другие) было принято решение использовать коррозионно-стойкую мартенситно-стареющую сталь. Да не какую-нибудь, а разработанную нами самую высокопрочную из них.
Когда человек слышит слово «сталь», то у 99% в голове всплывает «Сталь – это сплав железа с углеродом…». На самом деле это далеко не всегда так. Например, существует такая интересная группа сталей, как мартенситно-стареющие, которые содержат углерод лишь в качестве нежелательной примеси. Соответственно, нет и карбидов. Эти стали упрочняются за счёт твёрдорастворного упрочнения (содержание легирующих элементов может превышать 50%), мартенситного превращения, и главное, за счёт старения.
В процессе старения происходит выделение частиц (на стадии максимального упрочнения не совсем ещё частиц) интерметаллидных соединений. Это обуславливает очень высокое упрочнение, так, прирост твёрдости может доходить до 35 HRc. Кроме того, эти стали обеспечивают отличную микропластичность и очень хороший интерфейс с диборидом титана. Эти стали имеют и ряд технологических преимуществ. Например, они довольно хорошо обрабатываются давлением и резанием в закалённом (мягком) состоянии. Как материал для клинков эти стали применяются очень ограниченно, например «Мелита-К» производит некоторые модели ножей из коррозионно-стойкой стали ЭП-853.
Рис 2. Экспериментальный нож из новой стали и опытная фрезерованная заготовка
Существует огромное количество марок, но из интересных нам коррозионно-стойких ни одна из имеющихся нас не удовлетворила. Причина в том, что почти все легирующие элементы (а их в составе таких сталей несколько десятков процентов) снижают точку начала мартенситного превращения, что, начиная с некоторого момента, приводит к появлению в структуре остаточного аустенита, который эффективно можно убрать только интенсивной холодной деформацией (часто ещё и при криогенных температурах). С другой стороны, для коррозионно-стойких сталей надо иметь в виду возможность сохранения в структуре дельта-феррита, что снижает механические свойства.
А для обеспечения коррозионной стойкости классические нержавеющие стали содержат не менее 10,5% хрома, который с точки зрения обеспечения упрочнения является весьма малоэффективным, при этом значительно снижая точку начала мартенситного превращения и являясь активным ферритообразователем. И если наиболее высокопрочные мартенситно-стареющие стали могут иметь твёрдость 65–68 HRc, то для коррозионно-стойких до недавнего времени максимально достижимым значением было 56–58 HRc. И только в последние несколько лет появились стали с твёрдостью более 60 HRc. Взяв за основу наиболее высокопрочную из них, мы оптимизировали содержание легирующих элементов и улучшили комплекс свойств, в первую очередь за счёт снижения содержания хрома до 6–8%.
А как же коррозионная стойкость? Если совсем на пальцах, то коррозионная стойкость зависит не только от содержания хрома. Различные элементы могут увеличивать её различными путями (см. рис. 1). Среди наиболее эффективных – кобальт, молибден, кремний, алюминий, медь. И все они присутствуют в составе стали.
Рис 3. На нём всё необычно
Для обеспечения требуемого комплекса свойств нами была выбрана Cr-Ni-Co-Cu-Si-Mo(W)-Al-Ti-(Be)-B-композиция. Общее содержание легирующих элементов – около 40%. Тут нам пришлось тщательно оптимизировать содержание легирующих элементов, с одной стороны, обеспечив максимальное упрочнение и коррозионную стойкость, с другой – избегая присутствия в структуре дельта-феррита при минимизации содержания остаточного аустенита. Несмотря на расчёты и моделирование, попали не с первого раза. В качестве вишенки на торте применено опциональное легирование бериллием (около 0,2%) являющимся одним из наиболее эффективных упрочнителей.
В качестве основного способа получения выбрано сочетание вакуумно-индукционной выплавки и электрошлакового переплава. Сталь имеет удовлетворительную горячую пластичность, после закалки имеет твёрдость в районе 35 HRc, позволяющую легко обрабатывать её резанием, простую термообработку (см рис. 2). В закалённом (мягком) состоянии сталь удовлетворительно шлифуется, в состаренном (твёрдом) шлифуемость низкая даже при применении сверхтвёрдых (КНБ) абразивов.
В результате мы получили коррозионно-стойкую сталь, имеющую твёрдость 62–64 HRc (сопоставимо с MagnaCut), содержание высокотвёрдой фазы упрочнителя около 5,5% (можем увеличить, у MagnaCut около 8%), высокие механические характеристики и коррозионную стойкость. Сталь отлично работает на тонкой кромке и малых углах заточки и имеет стойкость к повреждениям РК выше, чем у конкурирующих сталей. Про стойкость РК говорить рано, но она как минимум не уступает таковой у MagnaCut. За счёт отказа от порошкового передела удалось обеспечить приемлемый уровень стоимости, несмотря на дорогостоящее легирование, а о степени новизны и интересности разработки судить вам.
Все статьи номера: На острие клинка №12, 2023
