Порошковая металлургия: откуда взялись супернержавейки

Порошковая металлургия появилась не ради ножей и решала не ножевую задачу. Но именно она сдвинула ограничение, об которое ножевая сталь билась десятилетиями.

Ограничение

Всё упирается в карбиды. Они дают износостойкость и они же дают хрупкость: карбиды твёрдые и хрупкие, трещина в них зарождается легко, и чем их больше, тем охотнее выкрашивается кромка и ломается остриё. Больше карбида — дольше режет и легче ломается.

Выход из дилеммы один, и он не в количестве, а в качестве. Твёрдость карбида на ударную вязкость обычно не влияет. Значит, если взять карбиды потвёрже — например ванадиевые, одни из самых твёрдых вообще, — и удержать их мелкими, то при том же количестве карбида получится больше износостойкости. Или, если смотреть с другой стороны, больше износостойкости при том же уровне вязкости.

«Удержать мелкими» — вот здесь обычная металлургия и заканчивается.

Как это делается

В порошковом процессе жидкую сталь распыляют через сопло струями газообразного азота, и она застывает мельчайшими частицами. Карбиды в них изначально очень мелкие — просто потому, что вырасти не успевают. Дальше порошок консолидируют горячим изостатическим прессованием, ГИП, в твёрдый слиток.

Дальше начинается неприятное. Карбиды растут сами по себе, за счёт естественного процесса, который называется созреванием Оствальда. Чем выше температура, тем быстрее. А высокая температура в производстве неизбежна: и при ГИП, и при ковке, и при прокатке сталь проводит время там, где карбиды медленно, но укрупняются.

Растут они по-разному. Карбиды хрома обладают меньшей стабильностью, чем карбиды ванадия, и потому укрупняются быстрее. Поэтому у CPM-D2, где карбид хромовый, карбиды крупнее, чем у Vanadis 8, где он ванадиевый, — при одинаковом их количестве.

Что получилось

Лучшее сочетание ударной вязкости и износостойкости дают порошковые стали, легированные преимущественно на карбид ванадия: CPM-1V, CPM-3V, Vanadis 4 Extra, CPM-4V, CPM-10V, K390, Vanadis 8. Это ржавеющие стали, и разница с нержавеющими не косметическая: у порошковых ржавеющих ударная вязкость при заданном уровне удержания кромки практически удваивается.

Практический смысл удвоенной вязкости прямой. Кромка реже скалывается; можно поднять твёрдость, не потеряв прочность; можно свести кромку тоньше и получить лучший рез.

Порошковым нержавеющим этого не достаётся. В них всегда есть значительное количество карбида хрома — не менее 9–10%, а всего карбида не менее 15%. При содержании карбида выше пятнадцати процентов высокой ударной вязкости уже не бывает.

Ниобий

Логичный следующий шаг — карбид ещё стабильнее ванадиевого. Такой есть: ниобиевый. Он медленнее укрупняется при ГИП и горячей прокатке, и в готовой стали карбиды ниобия получаются даже мельче ванадиевых. Модифицированную версию CPM-3V, легированную преимущественно ниобием, а не ванадием, действительно сделали: размер карбида уменьшился, ударная вязкость улучшилась. Серийно её так и не выпустили.

Мешает физика. Ниобий — очень сильный карбидообразователь, он начинает формировать карбиды при высоких температурах, ещё в жидкой стали. Чем больше ниобия, тем выше эта температура. В какой-то момент карбиды образуются раньше, чем расплав успевают распылить в порошок, — и растут они там быстро, потому что жидкость и жарко. Заодно они могут забить сопло, через которое жидкая сталь проходит сквозь струи азота. Практический потолок — около 3% ниобия.

Обход придумали: сначала распылять сталь вообще без добавления углерода, чтобы вместо карбида ниобия образовался FeNb, а потом смешать порошок с графитом перед прессованием в слиток. Патент Bohler на такие высокониобиевые порошковые стали подан ещё в 2009 году. В одном из составов хрома оставили всего 12%, и коррозионная стойкость получилась лучше, чем у M390, — вероятно, отчасти за счёт повышенного молибдена. Продуктов на рынке до сих пор нет.

Азот вместо углерода

Второе направление — заменять углерод азотом. Атом азота в кристаллической решётке ведёт себя аналогично атому углерода и так же поднимает твёрдость, но гораздо меньше вредит коррозионной стойкости. Вдобавок нитриды хрома и ванадия укрупняются медленнее, чем их карбидные аналоги. Когда частица содержит и углерод, и азот, её называют карбонитридом.

В небольших количествах азот применяют давно: в S30V, выпущенной в 2001 году, его около 0,2%. Cronidur 30, она же LC200N, содержит 0,4% и разработана в конце 1980-х вовсе не для ножей, а для подшипников.

Дальше всех зашла Vanax. Жидкая сталь растворяет азот плохо, поэтому распыляют её с относительно низким его содержанием, а потом азотируют сам порошок — перед ГИП. Так набирают 1,55% азота. Сравнение показательное: Vanax и Elmax очень похожи по составу, только в Elmax 1,7% углерода и около 0,1% азота, а в Vanax 1,55% азота и 0,35% углерода.

Волшебства не случилось. Карбонитридов в Vanax всё равно много — около 10% хромовых и 4% ванадиевых, то есть суммарно столько же, сколько карбидов в прочих нержавейках, — и ударная вязкость не выдающаяся. Зато коррозионная стойкость исключительная при отличной стойкости режущей кромки, и точится Vanax довольно легко.

Оба приёма работают и вместе. S45VN содержит 0,5% ниобия и около 0,17% азота, и карбида хрома в ней немногим больше, чем в S30V или S35VN, хотя хрома 16% против четырнадцати.

Собственно супернержавейки

Отдельная ветка — стали, у которых стойкость к образованию пятен и коррозии гораздо выше, чем у обычных нержавеющих. Они аустенитные и немагнитные, и делались под среды, где обычная нержавейка сдаётся: солёная вода, высокая влажность, тропические леса, болота.

Составы там другого порядка: от 26% до 42% хрома, от 10% до 22% никеля и от 1,5% до 10% титана, тантала, ванадия, ниобия, алюминия, кремния, меди или молибдена — или их комбинаций.

• H1 производства Myodo Metals, Япония. Spyderco ставит её в ножи для солёной воды и дайвинга; Benchmade тоже использовала, позже заменив на X15TN.
• X15TN — французская сталь, запатентованная Aubert & Duval, изначально разработанная для медицинской промышленности и шарикоподшипников реактивных двигателей. Согласно паспорту компании соответствует стандарту EN 1.4123 (обозначение X40CrMoNV16-2) и UNS42025. Мартенситная нержавеющая сталь с высоким содержанием азота, переплавленная ради оптимальной структуры.
• Vanax производства Uddeholm — та самая порошковая сталь третьего поколения, где углерод в значительной степени заменён азотом.
• LC200N, она же Z-FiNit, Cronidur 30 и N360, производства Zapp Precision Metals — инструментальная сталь с высоким содержанием азота, дающая превосходную коррозионную стойкость вместе с высокой ударной вязкостью даже при твёрдости до 60 HRC.

К кухне всё это отношения почти не имеет. Ножу для солёной воды коррозионная стойкость нужнее удержания кромки; дома такой размен не требуется.

Кухонная часть

На кухне порошковые стали появляются в другом виде — как марки с очень высоким углеродом и очень высокой твёрдостью. SG-2, она же R2, от Takefu даёт 62–63 HRC. Японская SRS-15 с очень высоким содержанием углерода плюс вольфрам и ванадий закаливается до 64–65 HRC. Cowry-X от Daido — 3% углерода и 20% хрома, 64–65 HRC. ZDP-189 от Hitachi — тот же углерод и хром, но с молибденом, вольфрамом и ванадием, и отдельные производители доводят её до 65 и даже 67 HRC.

Платят за это не только деньгами. Такие стали очень трудно затачивать по сравнению с другими, а при экстремальной твёрдости они относительно чувствительны к выкрашиванию. Порошковая металлургия сдвинула границу возможного, но дихотомию износостойкости и вязкости она не отменила — только передвинула.