Первая часть: Карбиды в сталях. Введение: карбиды цементитного типа
В предыдущей части (октябрь 2024) мы попытались разобраться, что собой представляют эти самые карбиды, затронули вопросы их классификации по типу, химическому составу и происхождению, количеству карбидной фазы в сталях и связанных с этим свойствах. Чуть более подробно остановились на карбидах цементитного типа – основных карбидах углеродистых и низколегированных сталей.
Однако легендарные «рессоры», «напильники», «подшипники» и иже с ними, всего каких-то 20 лет назад бывшие основными материалами в российском ножестроении, сейчас в основном уступили поляну более современным материалам, в первую очередь легированным инструментальным сталям (холодноштамповым, быстрорежущим и т. д.), а также мартенситным коррозионно-стойким. Поэтому будет полезным определиться с их структурой и свойствами и рассмотреть комплексные карбиды легирующих элементов, в первую очередь на основе хрома, вольфрама и молибдена, поскольку именно они являются основной твёрдой фазой всех вышеперечисленных сталей (кроме сталей с высоким содержанием V и Nb). Собственно, именно эти стали являются сейчас основными для производства ножей нижнего и среднего ценового диапазона, что в реалиях последних трёх лет составляет более 95% рынка.
Рассматривая карбиды на основе Cr, W, Mo, я не зря употребил термин «комплексные», поскольку, как правило, эти карбиды кроме «основного» металла содержат значительные количества других элементов, в первую очередь железа (которого банально много в составе стали) и других легирующих и примесных элементов, таких как Mn, V, Nb, Ti, Zr, N, B, O, Si и т. д. Кроме того, они могут образовываться на разных этапах (обычно это эвтектические, вторичные и третичные/четвертичные карбиды) и подвергаться эволюции при термодеформационном переделе и термической обработке. Это определяет высокую вариативность их влияния на структуру и комплекс свойств сталей. На всякий случай ещё раз повторю тезисно, что свойства сталей зависят от их структуры, а последняя – от химического состава и технологии (в первую очередь, цикла горячего передела, от выплавки до окончательной ТО).
Теперь о собственно карбидах. Если посмотреть на основные элементы, входящие в их состав (Fe, Mn, Cr, Mo, W, V), то становится очевидно, что эти элементы занимают «средние» позиции в ряду сродства с углеродом (см. первую часть), из чего можно предположить, что их свойства, в первую очередь твёрдость и «теплостойкость», будут тоже средними. И это действительно так. Теперь рассмотрим эти карбиды поподробнее. Несмотря на их «комплексность», всё же можно выделить карбиды на основе хрома и вольфрама/молибдена, что, в общем-то, совпадает и с делением по системам легирования и назначения. Так, карбиды хрома являются основными карбидами штамповых и коррозионно-стойких сталей, а вольфрама/молибдена – быстрорежущих и теплостойких.
Карбиды на основе хрома
В системе Fe-Cr-C могут присутствовать три стабильных карбида хрома: Cr3С2, Cr7C3, Cr23C6. Первый из них присутствует только в твёрдых наплавочных композициях или в качестве компонента слоёв твёрдого хромирования, поэтому мы его подробно рассматривать не будем, хотя он имеет самую высокую твёрдость из всех трёх (1800–2050 HV), а на двух остальных остановимся подробнее. Да, при различных процессах в сталях могут выделяться метастабильные карбиды типа Cr2C или даже CrC, но это скорее вопросы «тонкой» эволюции карбидных фаз в процессе дисперсионного упрочнения. В статье мы оставим эти процессы без подробного рассмотрения, просто знайте, что такое бывает.
Два «основных» карбида Cr7C3 и Cr23C6 часто присутствуют в составе сталей одновременно, для лучшего понимания можно рассмотреть представленную на рисунке 1 диаграмму для сплавов Fe-Cr-C.
Рисунок 1. Типы карбидных фаз в сплавах Fe-Cr-C в зависимости от содержания хрома и углерода
Из представленной на рис. 1 диаграммы мы видим, что при низком содержании хрома и высоком содержании углерода основной карбидной фазой являются легированные хромом карбиды цементитного типа (что, например, характерно для сталей типа ШХ15 или ХВГ), при увеличении содержания хрома основным карбидом высокоуглеродистых сталей становится Cr7C3 (основной карбид штамповых сталей типа Х6ВФ, Х12, Х12МФ и т. д.), при дальнейшем увеличении содержания хрома основным становится более бедный углеродом карбид типа Cr23C6. Нетрудно заметить, что существуют обширные области совместного существования карбидов различных типов. Например, в типичных коррозионно-стойких сталях типа 95Х18 крупные эвтектические карбиды, как правило, представлены типом Cr7C3, а более мелкие вторичные – карбидами обоих типов. В реальных сталях оба карбида содержат значительные количества железа, например состав карбида Cr7C3 в сталях скорее ближе к Fe4Cr3C3, кроме того, в них в значительном количестве присутствуют другие элементы, которые влияют на тип (например, W и Mo сдвигают равновесие в сторону карбида Cr23C6, а V – в сторону Cr7C3) и свойства карбидных фаз (W, Mo, V, растворяясь в карбидах хрома, повышают их устойчивость к коалесценции, а ванадий ещё и заметно увеличивает твёрдость).
Карбид типа Cr7C3 имеет твёрдость 1400–1600 HV. В случае если он содержит заметные количества ванадия (это характерно, например, для высокованадиевых штамповых, быстрорежущих и коррозионно-стойких сталей), то его твёрдость может превышать 2000 HV, приближаясь к твёрдости карбида ванадия (2300–2600 HV). Это значительно увеличивает износостойкость стали. Карбиды этого типа являются основными карбидами штамповых сталей и в заметном количестве присутствуют в составе мартенситных «нержавеек» типа 440С. По происхождению эти карбиды имеют эвтектическое происхождение и могут достигать размера в 30–50 микрон в штамповых сталях типа Х12 и стеллитах, обычно легирование вольфрамом, молибденом и ванадием уменьшает размеры эвтектических карбидов этого типа и делает их распределение более равномерным. Обычно эвтектические карбиды могут дробиться в процессе горячей деформации и образовывать строчки вдоль направления деформации. Часть карбидов – вторичного происхождения с размером 1–5 микрон. Стали с основным карбидом Cr7C3 имеют повышенную теплостойкость и способны к вторичному твердению (обычно пик вторичной твёрдости лежит в диапазоне 490–525 С). Это в определённых случаях (обычно при дополнительном легировании W, Mo, V) позволяет использовать термообработку на вторичную твёрдость.
Карбид типа Cr23C6 является основным карбидом низкоуглеродистых «нержавеющих» сталей, в заметных количествах присутствует в составе вторично-твердеющих штамповых сталей, теплостойких и быстрорежущих сталей (влияние W и Мо). По происхождению это обычно вторичные карбиды, в сталях имеют типичные размеры от 1 до 15 микрон. Твёрдость этого карбида меньше, чем Cr7C3 (обычно 1200–1400 HV) а теплостойкость выше (пик вторичного твердения обычно лежит в диапазоне 515–540 С). Твёрдость и теплостойкость этого карбида может быть увеличена при легировании стали бором.
Для понимания, как количество углерода (а соответственно, и карбидной фазы) влияет на структуру и свойства коррозионно-стойких сталей, можно рассмотреть данные, представленные на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2. Структура сталей типа и содержание карбидных фаз в сталях 40Х13 (а), 60Х14С (б), 95Х18 (с), 110Х18МШД (г). Источник – сайт ВИАМ
Рисунок 3. Зависимость размеров карбидной фазы от содержания углерода в коррозионно-стойких сталях мартенситного класса 40Х13, 60Х14С, 95Х18, 110Х18МШД. Источник – сайт ВИАМ
Из представленных выше рисунков видно, что для стали 40Х13 (типа 420HC) характерно наличие только мелких (1–3 мкм) вторичных карбидов, начиная с содержания углерода 0,6–0,66% (типа AEB-L, Sandvic 13C26) в составе стали начитают появляться крупные эвтектические карбиды, что приводит к росту среднего размера до 20–25 микрон для сталей типа 95Х18 (типа 440B) и 110Х18МШД (типа 440C), что приводит к увеличению абразивной износостойкости при заметном падении механических свойств и способности удерживать токую кромку при малых углах заточки. Надеюсь, теперь понятно, почему бритвы и многие острые хирургические инструменты делают именно из сталей с 0,6–0,67 С.
Карбиды вольфрама и молибдена
В сталях представлены карбидами типа M2C и М6C. Карбид типа WC в сталях не встречается, но карбиды типа МС могут существовать в качестве метастабильных в процессах выделения при дисперсионном упрочнении. Причём если для молибдена характерно присутствие именно в виде карбида типа M2C, то вольфрам в качестве эвтектических или вторичных карбидов быстрорежущих сталей обычно имеет тип М6C, а выделяется при дисперсионном упрочнении в виде M2C. В виде M2C вольфрам может присутствовать и в структуре высокоуглеродистых низколегированных сталей типа В2Ф, ХВ5 (ХВ4Ф), Aogami, резко снижая их закаливаемость из-за ускоряющего эффекта карбида W2C на перлитный распад.
Оба карбида имеют схожие характеристики (твёрдость 1300–1600 HV, высокая стойкость к коалесценции, пик вторичной твёрдости обычно лежит в диапазоне 540–620 С) и являются наиболее важными карбидами быстрорежущих и теплостойких сталей. Оба карбида, так же как и карбиды хрома, могут содержать заметное количество железа, легирующих и примесных элементов (Mn, Cr, V, Ti, Zr), причём марганец и хром несколько снижают твёрдость и «теплостойкость», а ванадий, титан и цирконий увеличивают эти характеристики. В быстрорежущих сталях хром резко увеличивает растворимость этих карбидов при нагреве под закалку, обеспечивая возможность эффективного дисперсионного упрочнения при высоком отпуске. На равновесие между карбидами типов M2C и М6C могут сильно влиять элементы, не входящие в заметных количествах в их состав (например, кремний сильно сдвигает равновесие в сторону M2C).
Гексагональный карбид типа М2C при отпуске может выделяться как непосредственно из твёрдого раствора, так и по механизму превращения «на месте», замещая атомы железа в карбиде типа Fe2C, что приводит к лучшей равномерности выделений и может быть использовано при термообработке быстрорежущих сталей (как правило, молибденовых или вольфрамомолибденовых) и теплостойких сталей.
Резюмируя вышеизложенное, можно сделать краткие выводы.
- Карбиды хрома, вольфрама и молибдена имеют сложный состав и во многом близкие свойства.
- Это основные карбиды штамповых, быстрорежущих и «нержавеющих» сталей, обеспечивая им повышенную износостойкость и теплостойкость, но всё ещё сохраняя хорошую шлифуемость.
- Количество, тип, морфология карбидных фаз сильно зависят от состава стали, содержания углерода и технологии, что определяет разницу в свойствах. Особенности эволюции карбидных фаз могут быть использованы при термообработке.
Ну а в следующей части мы рассмотрим особенности сталей с карбидами типа МС.
Все статьи номера: На острие клинка №15, 2025
