Легувальні добавки: хто за що відповідає

Список легувальних елементів — найнудніша частина будь-якої розмови про сталь і водночас єдина, з якої видно, чому марки поводяться по-різному. Перед списком має сенс тримати в голові дві речі, без яких він перетворюється на набір заклинань.

Перша: майже жоден елемент не працює наодинці. Ефект залежить від загального складу і від термообробки, і той самий елемент у різних марках дає різний результат.

Друга: важливо не лише скільки елемента в сталі, а й де він міститься. Вуглець зв’язує метали в карбіди — тверді крихкі частинки. Хром, що пішов у карбід, більше не захищає від іржі. Ванадій, розтрачений там, де багато хрому, не утворює свого карбіду. Тому цифра у складі і робоча властивість — не одне й те саме.

Основа

Вуглець (C):

• збільшує утримання кромки і підвищує міцність на розтяг;
• збільшує твердість, покращує опір зношуванню і стиранню;
• знижує пластичність у міру збільшення кількості;
• забезпечує прогартовуваність.

Хром (Cr):

• підвищує твердість, міцність на розтяг і ударну в’язкість;
• підвищує стійкість до корозії, нагрівання і зношування;
• понад 11% роблять сталь «нержавкою», спричиняючи утворення оксидного покриття;
• карбідні включення зменшують зношування, але сам матеріал стає м’якшим.

Карбідоутворювачі

Ванадій (V):

• підвищує міцність, зносостійкість і збільшує ударну в’язкість;
• покращує корозійну стійкість, сприяючи утворенню оксидного покриття;
• карбідні включення дуже тверді;
• підвищує стійкість до сколів;
• дорогий.

Ніобій (Nb):

• обмежує ріст карбідних зерен;
• підвищує оброблюваність;
• створює найтвердіший карбід;
• підвищує міцність, теплостійкість, корозійну стійкість і ударну в’язкість.

Молібден (Mo):

• підвищує міцність, твердість, прогартовуваність і ударну в’язкість;
• покращує оброблюваність і стійкість до корозії.

Вольфрам (W):

• додає міцності й ударної в’язкості, покращує прогартовуваність;
• зберігає твердість за підвищеної температури;
• підвищує корозійну і термостійкість.

Титан (Ti):

• підвищує міцність, ударну в’язкість, теплостійкість і корозійну стійкість, а також знижує вагу;
• підвищує твердість і зносостійкість, якщо на поверхні сплаву є азот або вуглець.

Тантал (Ta):

• підвищує корозійну і жаростійкість, міцність, пластичність і ударну в’язкість.

Замість вуглецю

Азот (N):

• заміщує вуглець у кристалічній ґратці: атом азоту функціонує аналогічно до атома вуглецю, але дає незвичайні переваги в корозійній стійкості.

Решта учасників

Кобальт (Co):

• підвищує міцність і твердість, допускає гартування за вищих температур;
• посилює індивідуальні ефекти інших елементів у складніших сталях;
• підвищує стійкість до нагрівання і корозії.

Нікель (Ni):

• додає жорсткості;
• підвищує корозійну і термостійкість;
• зменшує твердість;
• за надмірної присутності перешкоджає гартуванню під час термічної обробки.

Марганець (Mn):

• підвищує прогартовуваність, зносостійкість і міцність на розрив;
• розкислює і дегазує, видаляючи кисень з розплавленого металу;
• у великих кількостях підвищує твердість і крихкість;
• підвищує або знижує корозійну стійкість — залежно від типу і марки сталі.

Кремній (Si):

• підвищує міцність, тепло- і корозійну стійкість;
• розкислює і дегазує, видаляючи кисень з розплавленого металу.

Мідь (Cu):

• підвищує корозійну стійкість.

Радше домішки

Фосфор (P):

• покращує міцність, оброблюваність і твердість;
• збільшує крихкість у високих концентраціях.

Сірка (S):

• покращує оброблюваність при додаванні в незначних кількостях;
• зазвичай вважається забруднювачем.

Як цим користуватися

Зі списку сама собою складається логіка конструювання ножової сталі. Ножу потрібне поєднання високої твердості, ударної в’язкості і зносостійкості, а кожна додаткова вимога до сплаву щось відбирає в решти.

Швидкорізальним сталям, наприклад, потрібні великі кількості молібдену або вольфраму заради «гарячої твердості» — здатності не розм’якшуватися при нагріванні від роботи на високій швидкості. Вимога законна, але вона обмежує: без неї склад можна було б оптимізувати на користь в’язкості і зносостійкості. Так само працює вимога нержавкості — вона змушує класти багато хрому.

Звідси ж і сучасні прийоми. Ніобій — сильніший карбідоутворювач, ніж ванадій: він утворює свої карбіди навіть там, де багато хрому, тому заміна частини ванадію ніобієм зменшує кількість карбіду хрому. Ванадій призводить до більшої кількості карбіду хрому, ніобій — ні. Азот, своєю чергою, менш схильний до утворення нітридів хрому, ніж вуглець — до утворення карбідів хрому, а твердість піднімає так само; отже, часткова заміна вуглецю азотом дає той самий рівень твердості за кращої корозійної стійкості і кращої в’язкості.

Комбінують і те, і те. У S45VN є і 0,5% ніобію, і близько 0,17% азоту — завдяки чому карбіду хрому в ній ненабагато більше, ніж у S30V і S35VN, хоча хрому 16%, а не 14%.

Практичний висновок зі списку простий: склад у паспорті сталі — це не набір переваг, а набір компромісів, і читати його треба як перелік того, чим виробник вирішив пожертвувати.