Легирующие добавки: кто за что отвечает

Список легирующих элементов — самая скучная часть любого разговора о стали и одновременно единственная, из которой видно, почему марки ведут себя по-разному. Перед списком имеет смысл держать в голове две вещи, без которых он превращается в набор заклинаний.

Первая: почти ни один элемент не работает в одиночку. Эффект зависит от общего состава и от термообработки, и один и тот же элемент в разных марках даёт разный результат.

Вторая: важно не только сколько элемента в стали, но и где он находится. Углерод связывает металлы в карбиды — твёрдые хрупкие частицы. Хром, ушедший в карбид, больше не защищает от ржавчины. Ванадий, растраченный там, где много хрома, не образует своего карбида. Поэтому цифра в составе и работающее свойство — не одно и то же.

Основа

Углерод (C):

• увеличивает удержание кромки и повышает прочность на растяжение;
• увеличивает твёрдость, улучшает сопротивление износу и истиранию;
• снижает пластичность по мере увеличения количества;
• обеспечивает прокаливаемость.

Хром (Cr):

• повышает твёрдость, прочность на растяжение и ударную вязкость;
• повышает устойчивость к коррозии, нагреву и износу;
• более 11% делают сталь «нержавеющей», вызывая образование оксидного покрытия;
• карбидные включения уменьшают износ, но сам материал становится мягче.

Карбидообразователи

Ванадий (V):

• повышает прочность, износостойкость и увеличивает ударную вязкость;
• улучшает коррозионную стойкость, способствуя образованию оксидного покрытия;
• карбидные включения очень твёрдые;
• повышает стойкость к сколам;
• дорогой.

Ниобий (Nb):

• ограничивает рост карбидных зёрен;
• повышает обрабатываемость;
• создаёт самый твёрдый карбид;
• повышает прочность, теплостойкость, коррозионную стойкость и ударную вязкость.

Молибден (Mo):

• повышает прочность, твёрдость, прокаливаемость и ударную вязкость;
• улучшает обрабатываемость и устойчивость к коррозии.

Вольфрам (W):

• добавляет прочность и ударную вязкость, улучшает прокаливаемость;
• сохраняет твёрдость при повышенной температуре;
• повышает коррозионную и термостойкость.

Титан (Ti):

• повышает прочность, ударную вязкость, теплостойкость и коррозионную стойкость, а также снижает вес;
• повышает твёрдость и износостойкость, если на поверхности сплава находится азот или углерод.

Тантал (Ta):

• повышает коррозионную и жаростойкость, прочность, пластичность и ударную вязкость.

Вместо углерода

Азот (N):

• замещает углерод в кристаллической решётке: атом азота функционирует аналогично атому углерода, но даёт необычные преимущества в коррозионной стойкости.

Остальные участники

Кобальт (Co):

• повышает прочность и твёрдость, допускает закалку при более высоких температурах;
• усиливает индивидуальные эффекты других элементов в более сложных сталях;
• повышает устойчивость к нагреву и коррозии.

Никель (Ni):

• добавляет жёсткости;
• повышает коррозионную и термостойкость;
• уменьшает твёрдость;
• при чрезмерном присутствии препятствует закалке при термической обработке.

Марганец (Mn):

• повышает прокаливаемость, износостойкость и прочность на разрыв;
• раскисляет и дегазирует, удаляя кислород из расплавленного металла;
• в больших количествах повышает твёрдость и хрупкость;
• повышает или понижает коррозионную стойкость — в зависимости от типа и марки стали.

Кремний (Si):

• повышает прочность, тепло- и коррозионную стойкость;
• раскисляет и дегазирует, удаляя кислород из расплавленного металла.

Медь (Cu):

• повышает коррозионную стойкость.

Скорее примеси

Фосфор (P):

• улучшает прочность, обрабатываемость и твёрдость;
• увеличивает хрупкость в высоких концентрациях.

Сера (S):

• улучшает обрабатываемость при добавлении в незначительных количествах;
• обычно считается загрязнителем.

Как этим пользоваться

Из списка сама собой складывается логика конструирования ножевой стали. Ножу нужно сочетание высокой твёрдости, ударной вязкости и износостойкости, а каждое дополнительное требование к сплаву что-нибудь отнимает у остальных.

Быстрорежущим сталям, например, нужны большие количества молибдена или вольфрама ради «горячей твёрдости» — способности не размягчаться при нагреве от работы на высокой скорости. Требование законное, но оно ограничивает: без него состав можно было бы оптимизировать в пользу вязкости и износостойкости. Ровно так же работает требование нержавеющести — оно заставляет класть много хрома.

Отсюда же современные приёмы. Ниобий — более сильный карбидообразователь, чем ванадий: он образует свои карбиды даже там, где много хрома, поэтому замена части ванадия ниобием уменьшает количество карбида хрома. Ванадий приводит к большему количеству карбида хрома, ниобий — нет. Азот, в свою очередь, менее склонен к образованию нитридов хрома, чем углерод — к образованию карбидов хрома, а твёрдость поднимает так же; значит, частичная замена углерода азотом даёт тот же уровень твёрдости при лучшей коррозионной стойкости и лучшей вязкости.

Комбинируют и то и другое. В S45VN есть и 0,5% ниобия, и около 0,17% азота — благодаря чему карбида хрома в ней немногим больше, чем в S30V и S35VN, хотя хрома 16%, а не 14%.

Практический вывод из списка простой: состав в паспорте стали — это не набор достоинств, а набор компромиссов, и читать его надо как перечень того, чем производитель решил пожертвовать.