Что это, какие бывают, зачем нужны.
Текст подготовлен в основном по материалам блога KnifeSteelNerds
Есть перевод основной статьи целиком с комментариями.
А я здесь просто пытаюсь сделать эту информацию немного проще и короче.
Что такое карбиды.
Это соединения с углеродом. В нашем контексте - соединение металлов с углеродом. Обычно это довольно твердые образования.
Зачем они нужны.
Они делают сталь более износостойкой. Карбиды твёрдые, твёрже, чем окружающая сталь (в любой форме: феррит, аустенит или мартенсит). Поэтому они являются твёрдыми точками в окружающей более мягкой матрице или решетке стали. И берут износ на себя.
Не совсем то же самое, но очень тесно связно с износостойкостью удержание режущей кромки: чем твёрже карбиды, тем лучше удержание РК (при равном их количестве); и так же чем больше карбидов - тем лучше удержание РК.
Существуют даже такие эксперименты, как карбидные клинки. Это даже нельзя назвать сталью, так как там нет железа. Это очень твердые карбиды вольфрама внутри связующего материала (например весьма мягкого кобальта). Направление интересное, но пока что ничего фантастического: да, они очень хороши в твердости и в резе, но сравнительно плохи в прочности на скол РК.
Точно так же, как и богатые карбидами стали, типа Rex121.
С коррозионной стойкостью там тоже не всё однозначно. Там нет железа, поэтому оно не заржавеет. Тем не менее, кобальт способен окислиться, или вступить в другую реакцию, и просто уйти из металла, оставив карбиды вольфрама без связки. И, надо полагать, это создаст выкрашивание металла.
Не очень много информации по этим типам клинков есть, но судя по всему, пока что это не гейм-чейнджер.
Так же карбиды влияют на твёрдость металла в целом. Чем они тверже, чем их больше, тем более твёрдая сталь получится. При условии нормальной Термообработки, конечно же. Если матрица будет из мягкого аустенита, то это повлияет куда больше, чем твердость карбидов.
Ещё есть польза от карбидов в том, что они сдерживают рост кристаллов стали. Дело в том, что при остывании после отливки, а так же во время некоторых стадий термообработки, кристаллы стали могут расти. И это не здорово, потому что чем кристаллы больше, тем больше зерно. А чем больше зерно - тем менее острым ты можешь сделать нож - если кристалл большой, ты не сточишь его наполовину, либо он останется, либо вырвется целиком. Мельче зерно - острее нож. Да и на прочности это тоже должно сказаться положительно.
Так вот, некоторые карбиды сдерживают рост кристаллов: они формируются при более низкой температуре и мешают. В результате образуется структура с более мелким зерном.
Зачем они НЕ нужны.
Есть и обратная сторона карбидов - они делают материал менее прочным - более хрупким. Если прикладывать усилие, то стальная матрица скорее сдвинется, а вот карбид может сломаться. И чем крупнее карбид, тем проще передать на него усилие. Так же, чем плотнее они расположены, тем меньше буферного пространства между ними.
Если же карбиды небольшого размера, и если они расположены равномерно и окружены более мягкой матрицей, то и сломать их будет сложнее. (Тут можно отметить. что речь может идти не только о раскалывании карбида, но и о том, что его вырывает из матрицы. Но в любом случае это нарушает целостность материала)
Какой компромисс?
Чтобы сталь хорошо (и долго) резала - нам нужно много твердых карбидов.
Чтобы сталь была прочная (сопротивлялась сколам на РК), нам надо поменьше карбидов, карбиды маленького размера.
Тут можно найти компромисс - карбиды нужны, но маленькие.
Когда мы обрабатываем сталь механически (ковка, прокат), то это приводит к тому, что зерна стали становятся мельче, и карбиды так тоже можно сделать мельче. Поэтому это довольно важный и нужный процесс.
Есть и другой подход - порошковая металлургия. Основная суть в том, что сталь отливается не в один большой слиток, а в тысячи маленьких. А в маленьком слитке не может вырасти большой кристалл, будь то сталь, будь то карбид. Ну там есть и другие бонусы, но это тема для отдельной статьи (которая тоже будет выложена).
Типы карбидов.
Если сталь не легирована заметным количеством других металлов, то образуются карбиды железа. И в этом случае довольно просто регулировать их численность. Содержанием углерода, температурой. Эвтектоиды всего этого баланса сравнительно просто всё описывают. Не хочу сильно это всё расписывать (но если будет запрос, то можно попробовать).
Если же в сталь добавляются другие металлы, то там всё гораздо сложнее - переменных в уравнении становится больше. Это довольно сложная тема, со сложными расчётами. И, конечно же, существует специализированное ПО, которое позволяет моделировать процессы во время расплава, остывания, термообработки. Во все тонкости я не хочу погружаться - получится трудно, скучно, и по правде, оно реально надо кому-то? Думаю, что нет.
Тем не менее давайте сравним карбиды разных металлов.
Твердость карбидов.
Табличка твердости (по Викерсу) различных карбидов. Хорошая, потому что много всяких перечислено, в том числе мартенсит (про него я рассказывал в статье про углеродистую сталь).
Что мы видим:
- если сталь не легирована, то вся работа ложится на карбиды железа. А это далеко не самый твердый карбид. Даже карбиды хрома твёрже.
- если добавляем хром, то в любом случае это неплохо: либо он будет давать нержавеющие свойства, либо сформирует карбиды.
- топовые металлы с карбидами наибольшей твердости: вольфрам, ванадий, титан и ниобий. И вот про них (и про хром) разберем более детально.
Другие свойства карбидов.
Грубо говоря, чтобы карбиды сформировались, нужен металл, углерод, и нужная температура. Но когда у нас несколько металлов, различное количество углерода, то начинается всякое: какие-то металлы формируют карбиды быстрее, какие-то при более низкой температуре, какие-то при достаточной концентрации. Получается конкуренция за углерод. кому он достанется. При дизайне сталей приходится это учитывать.
Влияние концентрации
Чем больше металла в составе стали, тем больше будет соответствующих карбидов. Что вполне логично. Не всегда эта зависимость линейная, но в целом закономерность такая.
"Сила" формирования карбидов
Когда металлов несколько, то они будут бороться между собой за то, чтобы сформировать карбиды. Какие-то металлы - сильные формирователи, какие-то более слабые:
Например, вот такой график показывает долю цементита (карбида железа) и карбида хрома в зависимости от доли хрома в составе. Можно заметить, что карбиды хрома в принципе начинают образовываться только когда его концентрация превышает 2.7%. Так же можно заметить, что он более сильный формирователь карбидов, и доля цементита сходит на нет с ростом доли хрома.
Влияние температуры
Более высокая температура замедляет формирование карбидов. Некоторые карбиды вообще не могут сформироваться при высокой температуре - распадаются быстрее, чем формируются.
Тут на графиках количество карбидов в зависимости от количества металла в составе. Каждого по отдельности. При разных температурах.
На графиках видно, что при более высокой температуре, чтобы начать формировать карбиды таким металлам как вольфрам, хром, молибден нужна заметно более высокая концентрация.
Влияние на размер зерна
Небольшое количество таких легирующих элементов, как ниобий, титан и ванадий могут влиять на размер зерна стали. Они образуют тугоплавкие карбиды - при высокой температуре остаются твердыми. Зерна могут расти при остывании, но карбиды "окружают" и "ограничивают" зерна, что не даёт возможности их роста.
График показывает размер зерна феррита (в данном случае) от доли ниобия и титана в составе. Normalized и TCMP - это способы обработки. Грубо говоря: нормализованная сталь - нагрели и оставили остывать, чтобы избавиться от внутренних напряжений. TCMP - Термомеханически контролируемая обработка, например горячая прокатка. Видно, что на размер зерна заметно влияет как прокатка, так и небольшое количество добавленного ниобия или титана.
И немного информации по конкретным карбидам:
Карбид хрома.
Хром, наверное, самое популярное, что добавляют в сталь. В основном его используют для придания нержавеющих свойств (запланирована отдельная статья на эту тему), и тогда он нужен не в виде карбида. Но иногда добавляется именно для этого. Например в популярной D2 карбиды хрома - значительная часть карбидов, и на это и был расчёт. (Может быть потому что хром заметно дешевле ванадия)
Карбид вольфрама.
Есть отдельный вид сталей - вольфрамовые. И кроме вольфрама там добавок практически нет. В других сталях его добавление обычно не ведет к образованию карбидов.
Плюсы:
- высокая твердость. (тут вроде всё понятно)
- сравнительно низкая температура растворения. Это полезно во время ковки - разогретая заготовка не имеет карбидов, поэтому её легче обрабатывать. А после остывания, карбиды уже формируются.
Минусы:
- Вольфрам - тяжелый элемент. (Атомная масса - 183,84, для сравнения, у ванадия - 50,9415) При добавлении 2% (по весу) вольфрама в состав, мы получим только 0.9% карбидов; при добавлении тех же 2% ванадия, мы можем получить около 4% карбидов.
- слабо формирует карбиды. Если добавляются другие металлы, они "отберут" углерод у вольфрама. Поэтому, если сталь в основном легирована вольфрамом, нет смысла добавлять другие элементы. По крайней мере в значительном количестве.
Карбид ванадия.
Он твёрдый, он сильный формирователь карбидов. И размеры карбидов обычно небольшие. Поэтому ванадий - основной легирующий элемент в большом количестве сталей для улучшения режущих свойств.
Но в случае большого количества хрома в составе (>5%) ванадий начинает проигрывать хрому битву за углерод; доля ванадиевых карбидов снижается с ростом доли хрома в составе. Так же есть ещё один замес с хромом - формирование комплексных хромо-ванадиевых карбидов. Они тверже, чем карбиды хрома, но мягче, чем карбиды ванадия.
И вообще это проблема, с одной стороны хочется нержавеющие свойства, которые даёт хром. С другой стороны - очень трудно всё провернуть так, чтобы карбидов хрома не образовывалось. В случае с Magnacut, например, это получилось сделать при обработке: весь хром остался в "растворе" для нержавеющих свойств, а весь ванадий эффективно используется для создания карбидов.
Карбиды ниобия.
Ниобий сильнее, чем хром, поэтому доля хрома не влияет на количество карбидов ниобия. Так же это очень твердые карбиды, примерно такие же, как ванадиевые.
Но и тут не обошлось без нюансов. Если ниобия добавлять слишком много (>1%-2,5%), то могут образовываться очень крупные карбиды. Даже при использовании порошковой металлургии. Это происходит потому, что карбиды ниобия не растворяются при высоких температурах. И в жидкой стали ещё до измельчения может находиться уже сформированный твёрдый карбид ниобия довольно крупных размеров. К тому же это может ещё и забить распылительные сопла.
С этим тоже можно бороться, если добавить углерод ПОСЛЕ распыления. Чтобы расплав был без углерода, и без карбидов, соответственно.
Азот.
Не карбид, но его тоже добавляют в сталь, поэтому разумно про него тоже поговорить в этой же статье.
В сталь добавляется углерод, чтобы с одной стороны сформировать аустенит и мартенсит, а с другой стороны - для карбидов. Но есть проблема, когда мы хотим нержавеющую сталь: нам нужен углерод для большей твердости и для карбидов, но в то же время не для карбидов хрома. Поэтому нержавеющие стали обычно не могут похвастаться большим содержанием углерода - нужно сохранить как можно больше хрома в "растворе", а не в виде карбидов.
Азот, в свою очередь, похож на углерод. Он так же может заполнять промежутки между атомами железа, для меньшей их подвижности (можно глянуть мою статью про углеродистую сталь) Он это делает не так эффективно, как углерод, но тем не менее помогает. Давно известно азотирование, когда изделие обрабатывают аммиаком: азот проникает на некоторую глубину в сталь и добавляет твердости.
Так вот, можно добавлять небольшое количество азота, чтобы он работал вместо углерода. Взаимодействие хрома и азота совсем не такое же, как хрома и углерода, поэтому можно одновременно добавить и хром и азот и не увеличить при этом количество нитридов хрома.
Например в 14C28N добавлен азот, это позволяет оставить больше хрома в растворе и сохранить твердость. (по сравнению с 13C26).
Ещё один пример - LC200N (Cronidur 30, Z-Finit). Содержит: 0.3% углерода, 0.4% азота, 15% хрома и 1% молибдена. Углерода и азота достаточно мало, чтобы образовать большое количество карбидов и нитридов. Почти весь хром остается в растворе и даёт отличное сопротивление коррозии. Так же эта сталь имеет мелкозернистую структуру (и небольшое количество мелких карбидов/нитридов), что отлично сказывается на прочности. Удержание режущей кромки - не фонтан, но учитывая остальные плюсы - сойдет.
Собственно нитриды - тоже твердые частицы, и могут использоваться так же как карбиды. И есть стали, которые содержат значительное количество азота, и соответственно, нитридов. Нитриды по твердости могут быть +- такими же, как карбиды. Примеры таких сталей: Vanax, Vancron 40, Nitrobe77. Но эти стали хоть уже лучше удерживают РК, но уже хуже в прочности.
Так же можно отметить, что стали с азотом как правило более устойчивы к коррозии. Тут эффект и от замещения углерода, и так же азот (и молибден) помогают усиливать существующую пленку оксида хрома.
