Нержавеющая сталь: что на самом деле делает хром

Про нержавеющую сталь удобно говорить так, будто это одно вещество с одним свойством. На самом деле это собирательное название, а свойство у него условное.

С технической точки зрения такой вещи, как нержавеющая сталь, не существует. Все стали ржавеют, если их не обрабатывать должным образом; какие-то сопротивляются коррозии лучше других. Английский термин stainless — «сталь, не имеющая пятен» — точнее русского, и понимать «нержавеющий» стоит именно как «устойчивый к пятнам».

Где проходит граница

Определение нержавеющей стали на удивление туманно. Минимальное содержание хрома указывают как 10,5, 11 или 12 процентов — в зависимости от того, что вы читаете. Обычно к нержавеющим относят стали, содержащие не более 1,2% углерода и не менее 11% хрома; ножи с 11% хрома и выше действительно обладают хорошей стойкостью к ржавчине.

Проблема в том, что эти определения написаны для низкоуглеродистой нержавеющей стали. В мире инструментальных и ножевых сталей влияние остальных элементов слишком велико, чтобы считать один хром.

Хром в растворе и хром в карбиде

Хром работает так: он образует на поверхности стали оксидный слой, который предотвращает образование ржавчины. Но это умеет только хром, растворённый в стали. Хром, связанный с углеродом в карбид, оксид на поверхности не образует — он уже занят.

Отсюда самый распространённый пример: сталь D2 с примерно 12% хрома нержавеющей не является. Углерода в ней столько, что образуется много карбидов хрома, и на поверхность хрома не остаётся.

Работает это и в обратную сторону. S110V с 15,25% хрома по коррозионной стойкости не уступает M390 с 20% — потому что значение имеет общий состав, а не одна цифра. Большинство ножевых сталей держат в растворе 10–13,5% хрома; у M390 при её двадцати процентах в растворе только около тринадцати, остальное связано в карбидах.

CPM-3V показывает ту же логику с другой стороны: хрома в ней всего 7,5%, формально это ржавеющая сталь, но практически весь хром находится в растворе, и по коррозионной стойкости она обходит D2 — которая, между прочим, известна как раз хорошей коррозионной стойкостью. Типичные ржавеющие стали содержат 4–5,5% хрома, так что 7,5% — это уже пограничная территория.

Чем за нержавеющесть платят

Требование добавить много хрома — такое же конструктивное ограничение, как любое другое. Приняв одно требование, вы жертвуете свойствами в другом месте.

Жертвуют карбидами. Когда хрома много, всё труднее добиться, чтобы карбиды в стали были карбидами ванадия. Вместо них образуются карбиды хрома, а они хуже во всём, что важно ножу.

• Они мягче карбида ванадия — значит, износостойкость и удержание кромки ниже.
• В порошковых сталях они крупнее — значит, ударная вязкость ниже, кромка охотнее выкрашивается.
• Раз они мягче, для того же удержания кромки их нужно больше — и вязкость падает ещё раз.

Плюс простая арифметика: чем больше хрома, тем меньше карбида ванадия образуется при том же количестве ванадия, и тем больше карбида хрома.

Как с этим борются

Первый способ — снижать хром и балансировать состав так, чтобы весь оставшийся хром уходил в раствор. Именно из этого исходили, когда в 1995 году делали S90V с 14% хрома вместо более ранних сталей с 16–20%. Те же базовые 14% потом легли в основу S30V, S35VN и S125V.

Второй — молибден. Он повышает коррозионную стойкость при заданном содержании хрома, поэтому S30V, S35VN, S125V, S110V и S45VN содержат 2% молибдена и больше. S35VN и S90V обе на 14% хрома, но у S35VN коррозионная стойкость заметно лучше — именно за счёт молибдена.

Третий способ обходится вообще без порошковой металлургии: держать общее количество карбида очень низким, чтобы карбиды хрома оставались мелкими, а ударная вязкость — высокой. Так устроены AEB-L, 12C27 и 14C28N. Металлурги тщательно сбалансировали содержание углерода и хрома, чтобы получить и высокую твёрдость, и коррозионную стойкость, не наплодив карбида хрома. Микроструктура выходит очень тонкая, вязкость отличная, а износостойкость и удержание кромки — ниже, чем у порошковых нержавеек.

Любопытная деталь: удержание кромки у AEB-L и 14C28N всё-таки лучше, чем у низколегированных 52100 и 1095, потому что карбиды хрома твёрже карбида железа. То есть в этой конкретной паре нержавеющая сталь имеет лучший баланс свойств, чем «углеродистая». Спор о том, что лучше вообще, снова оказывается бессмысленным: вопрос всегда в том, какие именно марки сравнивают и по какому свойству.

В такие низкокарбидные нержавейки можно добавить немного ванадия или ниобия и получить износостойкость повыше при небольшой потере вязкости. Ближайший доступный пример — Niolox, но размер карбида у неё относительно велик, и вязкость получилась не такой, как хотелось бы; крупнее всего там как раз карбиды хрома. Ниобий при этом — более сильный карбидообразователь, чем ванадий, и способен образовывать свои карбиды даже в присутствии больших количеств хрома, так что направление рабочее.

Зачем это всё покупателю

Нержавеющую сталь в ножах предпочитают по прозаической причине: она требует меньше обслуживания, чтобы избежать ржавчины. И дело не только в косметике — кромка теряет остроту из-за коррозии, а не только из-за резки. Крупные компании, выпускающие серийные ножи, ставят нержавейку ещё и потому, что средний потребитель ожидает именно её.

Кухонный нож из углеродистой стали и связанное с ним обслуживание подходят не всем, так что выбор нержавейки — не плохой выбор. Сегодня существуют нержавеющие стали, которые твёрже и износостойче некоторых углеродистых. Вероятность появления ржавчины при этом остаётся всегда.

И последнее: наличие хрома само по себе не делает нож режущим. В серии 420 содержание углерода менее 0,3–0,5%, и для кухни она просто слишком мягкая, хотя ржавчине сопротивляется прекрасно. X50CrMoV15 с её 0,5% углерода очень устойчива к ржавчине и не более того. Хром отвечает за пятна. За рез отвечает всё остальное.