Порошкова металургія: звідки взялися супернержавійки

Порошкова металургія з’явилася не заради ножів і розв’язувала не ножову задачу. Але саме вона зсунула обмеження, об яке ножова сталь билася десятиліттями.

Обмеження

Усе впирається в карбіди. Вони дають зносостійкість і вони ж дають крихкість: карбіди тверді й крихкі, тріщина в них зароджується легко, і що їх більше, то охочіше викришується кромка і ламається вістря. Більше карбіду — довше ріже і легше ламається.

Вихід із дилеми один, і він не в кількості, а в якості. Твердість карбіду на ударну в’язкість зазвичай не впливає. Отже, якщо взяти карбіди твердіші — наприклад ванадієві, одні з найтвердіших взагалі, — і втримати їх дрібними, то за тієї самої кількості карбіду вийде більше зносостійкості. Або, якщо дивитися з іншого боку, більше зносостійкості за того самого рівня в’язкості.

«Втримати дрібними» — ось тут звичайна металургія і закінчується.

Як це робиться

У порошковому процесі рідку сталь розпилюють через сопло струменями газоподібного азоту, і вона застигає найдрібнішими частинками. Карбіди в них від початку дуже дрібні — просто тому, що вирости не встигають. Далі порошок консолідують гарячим ізостатичним пресуванням, ГІП, у твердий злиток.

Далі починається неприємне. Карбіди ростуть самі по собі, за рахунок природного процесу, який називається дозріванням Оствальда. Що вища температура, то швидше. А висока температура у виробництві неминуча: і при ГІП, і при куванні, і при прокатці сталь проводить час там, де карбіди повільно, але укрупнюються.

Ростуть вони по-різному. Карбіди хрому мають меншу стабільність, ніж карбіди ванадію, і тому укрупнюються швидше. Тому в CPM-D2, де карбід хромовий, карбіди більші, ніж у Vanadis 8, де він ванадієвий, — за однакової їх кількості.

Що вийшло

Найкраще поєднання ударної в’язкості і зносостійкості дають порошкові сталі, леговані переважно на карбід ванадію: CPM-1V, CPM-3V, Vanadis 4 Extra, CPM-4V, CPM-10V, K390, Vanadis 8. Це іржавіючі сталі, і різниця з нержавіючими не косметична: у порошкових іржавіючих ударна в’язкість за заданого рівня утримання кромки практично подвоюється.

Практичний сенс подвоєної в’язкості прямий. Кромка рідше сколюється; можна підняти твердість, не втративши міцність; можна звести кромку тоншою і отримати кращий різ.

Порошковим нержавіючим цього не дістається. У них завжди є значна кількість карбіду хрому — не менш як 9–10%, а всього карбіду не менш як 15%. За вмісту карбіду вище п’ятнадцяти відсотків високої ударної в’язкості уже не буває.

Ніобій

Логічний наступний крок — карбід ще стабільніший за ванадієвий. Такий є: ніобієвий. Він повільніше укрупнюється при ГІП і гарячій прокатці, і в готовій сталі карбіди ніобію виходять навіть дрібнішими за ванадієві. Модифіковану версію CPM-3V, леговану переважно ніобієм, а не ванадієм, справді зробили: розмір карбіду зменшився, ударна в’язкість покращилася. Серійно її так і не випустили.

Заважає фізика. Ніобій — дуже сильний карбідоутворювач, він починає формувати карбіди за високих температур, ще в рідкій сталі. Що більше ніобію, то вища ця температура. У якийсь момент карбіди утворюються раніше, ніж розплав встигають розпилити на порошок, — і ростуть вони там швидко, бо рідина і жарко. Заодно вони можуть забити сопло, через яке рідка сталь проходить крізь струмені азоту. Практична стеля — близько 3% ніобію.

Обхід придумали: спочатку розпилювати сталь узагалі без додавання вуглецю, щоб замість карбіду ніобію утворився FeNb, а потім змішати порошок із графітом перед пресуванням у злиток. Патент Bohler на такі високоніобієві порошкові сталі подано ще у 2009 році. В одному зі складів хрому залишили всього 12%, і корозійна стійкість вийшла краща, ніж у M390, — імовірно, почасти за рахунок підвищеного молібдену. Продуктів на ринку досі немає.

Азот замість вуглецю

Другий напрям — замінювати вуглець азотом. Атом азоту в кристалічній ґратці поводиться аналогічно до атома вуглецю і так само піднімає твердість, але значно менше шкодить корозійній стійкості. До того ж нітриди хрому і ванадію укрупнюються повільніше, ніж їхні карбідні аналоги. Коли частинка містить і вуглець, і азот, її називають карбонітридом.

У невеликих кількостях азот застосовують давно: у S30V, випущеній у 2001 році, його близько 0,2%. Cronidur 30, вона ж LC200N, містить 0,4% і розроблена наприкінці 1980-х зовсім не для ножів, а для підшипників.

Далі за всіх зайшла Vanax. Рідка сталь розчиняє азот погано, тому розпилюють її з відносно низьким його вмістом, а потім азотують сам порошок — перед ГІП. Так набирають 1,55% азоту. Порівняння показове: Vanax і Elmax дуже схожі за складом, тільки в Elmax 1,7% вуглецю і близько 0,1% азоту, а у Vanax 1,55% азоту і 0,35% вуглецю.

Дива не сталося. Карбонітридів у Vanax усе одно багато — близько 10% хромових і 4% ванадієвих, тобто сумарно стільки ж, скільки карбідів в інших нержавійках, — і ударна в’язкість не видатна. Зате корозійна стійкість виняткова за відмінної стійкості різальної кромки, і гострити Vanax досить легко.

Обидва прийоми працюють і разом. S45VN містить 0,5% ніобію і близько 0,17% азоту, і карбіду хрому в ній трохи більше, ніж у S30V чи S35VN, хоча хрому 16% проти чотирнадцяти.

Власне супернержавійки

Окрема гілка — сталі, у яких стійкість до утворення плям і корозії значно вища, ніж у звичайних нержавіючих. Вони аустенітні й немагнітні, і робилися під середовища, де звичайна нержавійка здається: солона вода, висока вологість, тропічні ліси, болота.

Склади там іншого порядку: від 26% до 42% хрому, від 10% до 22% нікелю і від 1,5% до 10% титану, танталу, ванадію, ніобію, алюмінію, кремнію, міді або молібдену — чи їх комбінацій.

• H1 виробництва Myodo Metals, Японія. Spyderco ставить її в ножі для солоної води і дайвінгу; Benchmade теж використовувала, згодом замінивши на X15TN.
• X15TN — французька сталь, запатентована Aubert & Duval, спочатку розроблена для медичної промисловості і кулькопідшипників реактивних двигунів. Згідно з паспортом компанії відповідає стандарту EN 1.4123 (позначення X40CrMoNV16-2) і UNS42025. Мартенситна нержавіюча сталь з високим вмістом азоту, переплавлена заради оптимальної структури.
• Vanax виробництва Uddeholm — та сама порошкова сталь третього покоління, де вуглець значною мірою замінено азотом.
• LC200N, вона ж Z-FiNit, Cronidur 30 і N360, виробництва Zapp Precision Metals — інструментальна сталь з високим вмістом азоту, що дає чудову корозійну стійкість разом із високою ударною в’язкістю навіть за твердості до 60 HRC.

До кухні все це стосунку майже не має. Ножу для солоної води корозійна стійкість потрібніша за утримання кромки; удома такий розмін не потрібен.

Кухонна частина

На кухні порошкові сталі з’являються в іншому вигляді — як марки з дуже високим вуглецем і дуже високою твердістю. SG-2, вона ж R2, від Takefu дає 62–63 HRC. Японська SRS-15 з дуже високим вмістом вуглецю плюс вольфрам і ванадій гартується до 64–65 HRC. Cowry-X від Daido — 3% вуглецю і 20% хрому, 64–65 HRC. ZDP-189 від Hitachi — той самий вуглець і хром, але з молібденом, вольфрамом і ванадієм, і окремі виробники доводять її до 65 і навіть 67 HRC.

Платять за це не лише грошима. Такі сталі дуже важко заточувати порівняно з іншими, а за екстремальної твердості вони відносно чутливі до викришування. Порошкова металургія зсунула межу можливого, але дихотомію зносостійкості і в’язкості вона не скасувала — тільки пересунула.