Хромованадиевая сталь свойства и противопоказания

Сейчас именно эти стали (в основном, порошкового передела) привлекают наибольшее внимание как материалы для ножей среднего и высокого классов. Более того, почти все чемпионы по удержанию РК – именно из этого семейства. Поэтому, думаю, пришло время разобраться в структуре и свойствах этих сталей.

Уже из названия ясно, что эти стали содержат заметное количество ванадия, но для структуры стали важен не сам ванадий, а его карбид VC. Хотя, это будет упрощением, обычно карбид имеет недостаток по углероду и может быть описан формулой VC (0,5-1,0). Обычно содержание углерода варьирует в пределах 0.75-0,82. И это еще не все. В сталях, помимо ванадия, присутствуют и другие элементы, и почти все они могут входить в состав карбида VC, изменяя его структуру и свойства. Обычно металлурги говорят о карбиде типа MC на базе карбида ванадия.

Так чем же так замечателен ванадий и его карбид? Тут, думаю, надо проследить эволюцию развития инструментальных сталей. А развитие этих материалов шло, от углеродистых и низколегированных сталей, с относительно мягкими карбидами цементитного типа (Fe3C, твердость 900-1150HV) к сталям с карбидами хрома и вольфрама/молибдена (Cr7C3, Cr23C6, (W,Mo)6C) твердостью 1200-1600 HV. Стали с заметным содержанием карбида МС являются логическим продолжением этого ряда, поскольку твердость карбида МС в сталях составляет 2000-2400 HV, что сильно увеличивает износостойкость сталей. Кроме того, карбиды ванадия (при разумном их содержании) мельче и распределены более равномерно, чем карбиды других элементов, что в меньшей степени ухудшает механические свойства сталей.

Итак, три основные причины, почему ванадий стал так популярен как легирующий элемент.

Образует твердый карбид МС. Кроме того, ванадий, входя в состав карбидов хрома и вольфрама/молибдена повышает их твердость, увеличивает температуры растворения в аустените и снижает склонность к коагуляции.

Специфика ванадия состоит в том, что в отличие от, например, титана (образующего еще более твердый карбид TiC) его можно ввести в сталь в достаточном количестве без заметного ухудшения распределения карбидов и увеличения их размера. Это позволяет создавать стали с большой объемной долей твердых карбидов. Ванадий (в отличие от того же самого титана) входит в заметных количествах в состав других карбидов, модифицируя их свойства, что изменяет поведение стали при ТО.

Куда не глянь, везде сплошные плюсы… А вот это не совсем так. Недостатки часто являются обратной стороной достоинств. Карбид ванадия не только улучшает износостойкость стали, но и сильно ухудшает ее шлифуемость (особенно на отделочных операциях). Кроме того, высокое содержание ванадия резко увеличивает окалинообразование (ванадий образует рыхлый оксид V2O5, который резко снижает защитные свойства оксидной пленки). В результате, высокованадиевые стали часто имеют большой угар (зависит от состава) и требует особых мер защиты при горячей деформации и ТО. Несмотря на то, что как правило, выделения карбида МС распределены достаточно равномерно, при превышении некоторого содержания ванадия (порядка 5% в низколегированных и 6-7% в высоколегированных сталях) образуются достаточно грубые (порядка 10-12 мкм) выделения первичных (кристаллизующихся из жидкости) карбидов ванадия, что заметно снижает механические свойства сталей.

Так сколько же ванадия можно “впихнуть” в сталь? Для сталей обычного передела степень снижения мех. и технологических свойств остается приемлемой примерно до содержания ванадия 12% (типа 320Х3Ф12М), для сталей порошкового передела – до 15% (CPM 15V). При таком содержании ванадия стали еще обладают некоторой технологичностью (хотя тонкая шлифовка возможна только сверхтвердыми абразивами) и необходимым минимумом мех. свойств.

С целью дальнейшего улучшения свойств высокованадиевых сталей в последние годы стало активно применятся легирование сильными карбидообразователями (Nb, Ti) что улучшает морфологию и распределения карбида МС и снижает его склонность к коагуляции при высоких Т° (это важно, например, для быстрорежущих сталей). Совсем недавно появились высокованадиевые стали с высоким содержанием азота (Vancron/Vanax), имеющие очень хорошие виды на роль лидеров по износостойкости.

Теперь рассмотрим основные типы высокованадиевых сталей и их свойства.

Низколегированные. Обычно в качестве основы для таких сталей берут сталь типа Х3МФ (1%C, 3%Cr, 0,5%Mo и 0,5%V), обладающую высокими мех. свойствами. В сталях данного типа присутствуют карбиды цементитного типа и карбид ванадия. Так как ванадий практически не входит в состав цементита, а карбид ванадия практически не растворяется при достаточно низких закалочных температурах (930С), то ванадий практически не влияет на превращения при ТО.

Механические свойства таких сталей остаются весьма высокими до содержания ванадия примерно 4-5%, а при содержании выше 8% начитают резко падать. Максимальное содержание ванадия – порядка 12% при 3,2% C. Стали имеют высокую твердость (до 68-70HRc) и очень плохую шлифуемость. Так как ванадий этих сталей практически не переходит в твердый раствор, угар этих сталей лишь незначительно больше чем обычных.

Хромистые инструментальные стали. Высокованадиевые версии присутствуют во всех группах этих сталей (6%Cr, 12%Cr, а за рубежом и 8%Cr). В этих сталях карбид ванадия присутствует вместе с карбидом М7С3 (на базе карбида хрома). Ванадий в заметной степени входит в его состав, повышая твердость (до 2000HV) и температуры растворения (на 40-70С). В свою очередь, хром несколько снижает твердость карбида ванадия. Наиболее типичными представителями являются Х6Ф4М и Х12Ф4М, за рубежом сталь типа Х5Ф5М (A7). Как видим, наиболее распространены стали с 4-5%, при этом стали в малых сечениях имеют мех. характеристики не ниже (12% Cr) или даже несколько выше (5-6% Cr) чем их аналоги. Так как ванадий уменьшает склонность карбида хрома к коагуляции, то для этих сталей возможна обработка на вторичную твердость. При этом они сохраняют теплостойкость до примерно 550С. При таком содержании ванадия стали еще относительно нормально шлифуются обычными абразивами (особенно 12%Cr). Из за того, что при нагреве заметная часть ванадия попадает в твердый раствор (при растворении карбидов хрома), то угар этих сталей значителен и требует особых мер по его предупреждению. Эти стали могут производится как по обычной, так и по порошковой технологии (например Bohler K190, CV134).

Вторично-твердеющие инструментальные стали (в том числе порошковые). Из за меньшего содержания углерода и большего вольфрама и молибдена в этих сталях меняется тип карбидной фазы. Наряду с карбидом МC на смену карбиду М7С3 приходит карбид М23С6. Ванадий входит в состав последнего в больших количествах и переходит в твердый раствор при их растворении, влияя на процессы при ТО и угар. Так как часть ванадия входит в состав других карбидов, первичные карбиды появляются при содержании ванадия выше 6%. В этих сталях, как правило порошкового передела, максимальное содержание ванадия ограничивают 10% (CPM 10V, A11, Bohler K390, Vanadis 10) но может доходить и до 15% (CPM 15V). Стали порошкового передела с 10% V сохраняют механические свойства не хуже Х12МФ, при 15 процентах прочность падает примерно на 30-40% а ударная вязкость – в 2,5 раза. Кроме этих “монстров” достаточно популярны стали с 3-4% V и, реже (Ди-90, Vanadis 6) – с 5-6%. Именно стали с 10% V являются сейчас лидерами по стойкости РК.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали. Как и в предыдущем случае, карбиды представлены комбинацией М23С6 и МС. Но, из за большего содержания хрома заметная часть ванадия (до 2% в сталях с 20% Cr, например Duratech 20CV, M390) входит в состав карбидов хрома и растворяясь вместе с ними, переходит в твердый раствор при горячей деформации и ТО. Это вызывает те же явления, что и для сталей предыдущей группы, но в еще больших масштабах. Стали этого типа очень сильно обгорают, что требует принятия специальных мер. Большинство этих сталей получают порошковым переделом. Наиболее популярны стали с 4% V и 13-20% Cr (CPM S30V-S35V, M390), обладающие хорошей стойкостью при хороших мех. свойствах и удовлетворительной шлифуемости. Несколько реже используются стали с 6%V и 18% Cr (CPM S60V) и 9-10% V при 13-15 % Cr (CPM S90М, CPM S110V). Нетрудно заметить, что здесь, как и в случае инструментальных сталей, за основу бралась “обычная” нержавейка и путем добавления ванадия и углерода из нее получали “ванадиевого монстра”. Это например, можно проследить по старым названиям сталей от Крусибла: S60V ранее называлась 440V (основа – 440С), а S90V – 420V (основа — 420).

Быстрорежущие стали. Это высоколегированные стали, что предопределяет сложность состава. Обычно карбидная фаза этих сталей представлена карбидами М23С6, М6С (вольфрама/молибдена) и МС. Ванадий активно растворяется в двух первых карбидах и при содержании до 1,5-2% практически не образует выделений МС. Так как при нагреве под закалку практически весь М23С6 и заметная часть М6С растворяются, то в твердый раствор при этом переходит заметное количество ванадия, со всеми сопутствующими этому эффектами. Наиболее популярны стали с 2-3%V (их не стоит относить к высокованадиевым по вышеизложенным причинам), и 4-5%V (например, M4, HAP72, S390 и т.д.). Две последние стали могут приобретать очень высокую твердость (HRc 70+) что в сочетании в высоки содержанием карбидов должно обеспечить высокую стойкость РК. Но видимо, относительно невысокие мех. свойства не дают реализоваться высокой износостойкости. Существуют стали с 6-8%V (например ASP2053).

О сталях Vancron/Vanax мы говорили ранее.

Будут вопросы – задавайте.