Материалы для изготовления ножей.
Чем определяются основные свойства ножа? Конечно, можно долго рассуждать и классифицировать, но, я думаю, Вы согласитесь с тем, что это в первую очередь его формой и материалами из которых он изготовлен, они (ну и конечно общее качество изготовления) будут определять «поведение» ножа. В разнообразии материалов, из которых изготавливают сегодня клинки ножей легко запутаться. Какой из них самый хороший? Как выбрать? Многие задаются этим вопросом. К сожалению ещё не существует универсального материала (ну если не брать в расчёт мечи Джидаев из известного фильма), который смог бы удовлетворять всем запросам потребителей, потому так велико разнообразие марок и названий. Все производители стремятся к идеалу, разными способами и средствами добиваясь необходимых параметров. Попробуем разобраться хоть немного в том обилии материалов и технологий, которые предлагает нам рынок.
Маленькое вступление, чтобы понять какие свойства материалов важны для ножа, рассмотрим механизмы реза и причины, по которым нож теряет режущие свойства (тупится).
Упрощенно Нож можно представить как клин, который раздвигает слои разрезаемого материала. Он делает это тем легче, чем тоньше его острая часть и меньше угол под которым сходятся его грани. Усилие, которое мы прикладываем для реза, сосредотачиваются на площади соприкосновения режущей кромки с материалом. Чем меньше эта площадь – тем выше удельное давление на материал, а нож, соответственно, острее. Чем острее нож – тем меньше усилий необходимо приложить для разрезания материала.
Тонкая режущая кромка (РК) в процессе реза испытывает те же нагрузки, что и разрезаемый материал. В результате действия этих нагрузок она может деформироваться (гнуться), выкрашиваться или просто стираться. Увеличивается площадь соприкосновения РК с материалом – нож тупится.
Нужно отметить ещё один нюанс реза. Как правило, мы не только нажимаем на нож (в литературе это называется подачей), но и перемещаем нож вдоль линии реза (это ход). В результате мельчайшие неровности РК действуют на материал как пила. С похожий механизм реза мы сталкивались, режась о траву или лист бумаги.
Теперь можно рассматривать параметры которые важны для материалов из которых изготавливают клинки ножей.
Какие свойства важны для ножевых сталей.
Если попробовать описать требования к идеальному ножу бытовым языком получится приблизительно такой набор:
- нож не должен сломаться ни при каких условиях;
- нож должен резать всё, что только взбредёт в голову;
- нож должен быть всегда острым или, по меньшей мере, очень долго, учитывая предыдущий пункт;
- если даже нож затупился его должно быть просто заточить.
В материаловедении есть параметры, которые отвечают за все эти свойства. Только их полные определения из справочников составят «научный труд».
Остановимся только на важных, относящихся непосредственно к нашей теме.
Параметры, отвечающие за устойчивость ножа к поломке.
Прочность (в физике и материаловедении) — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок. Прочность подразделяют на статическую, под действием постоянных нагрузок, динамическую и усталостную (выносливость), имеющую место при действии повторяющихся переменных нагрузок. Прочность это параметр, который отвечает не только за максимальные нагрузки, которые выдержит нож (когда его используют как монтировку или висят на нём, карабкаясь по скалам), но и за остроту ножа (ведь когда ломается не весь нож, а кусочки его РК нож становится тупым).
Упругость (эластичность) — свойство вещества оказывать влияющей на него силе механическое сопротивление и принимать после её спада исходную форму (противоположность упругости называется пластичностью).
Предел упругости — максимальная величина механического напряжения, при которой деформация данного материала остаётся упругой, то есть полностью исчезает после снятия нагрузки.
Хрупкость — свойство материала разрушаться при небольшой (преимущественно упругой) деформации под действием напряжений, средний уровень которых ниже предела текучести
Набор параметров в дополнение к предыдущим определяет свойства режущей кромки держать заточку.
Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела, а также свойство более твёрдого тела проникать в другие материалы. Твёрдость определяется как величина нагрузки необходимой для начала разрушения материала.
Ударная вязкость — способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Обычно оценивается работой до разрушения надрезанного образца при ударном изгибе, отнесённой к площади его сечения в месте надреза. Выражается в Дж/м2.
Износостойкость – это свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определённых условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.
Коррозионная стойкость — способность материалов сопротивляться коррозии. У металлов и сплавов определяется скоростью коррозии, то есть массой материала, превращенной в продукты коррозии, с единицы поверхности в единицу времени, либо толщиной разрушенного слоя в мм в год. Повышение коррозионной стойкости достигается легированием, нанесением защитных покрытий и т. д.
Основные понятия о сталях.
Большинство клинков ножей изготавливают из стали. Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержание углерода в котором не превышает 2,14 % (современные технологии позволяют создавать «суперстали» и с большим содержанием углерода ), но не меньше 0,02 %. Именно углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая, правда, пластичность и вязкость. Сталь, которая кроме обычных примесей содержит элементы, специально вводимые в определенных количествах для обеспечения требуемых свойств называют — Легированная сталь . Легирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают опасность хрупкого разрушения.
Сталь представляет из себя сложную, неоднородную массу, состоящую из различных химических структурных и фазных состояний и соединений, отдельных кристаллов и образований.
Фазы железоуглеродистых сплавов
Феррит (твердый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой)
Аустенит (твердый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой)
Цементит (карбид железа; Fe3C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Структуры железоуглеродистых сплавов
Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит)
Мартенсит (сильно пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с объемно-центрированной тетрагональной решеткой)
Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)
Сорбит (дисперсный перлит)
Троостит (высокодисперсный перлит)
Бейнит (устар: игольчатый троостит) - ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа
Сравнительная твёрдость (HB) структурных составляющих стали с 0.9% углерода.
Феррит 60-80
Цементит 800-840
Перлит зернистый 160-190
Перлит пластинчатый 190-230
Перлит сорбитообразный 230-260
Сорбит 250-300
Тростит 300-400
Смеси троостита с мартенситом 400-650
Мартенсит 650-750
Мартенсит после отпуска 700-750
Аустенит 200
Химический состав сталей и влияние легирующих компонентов.
Легирование — введение в расплав или шихту дополнительных элементов, улучшающих механические, прочностные, технологические, физические и химические свойства основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции. Стали легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы (хром, марганец, никель и др.).
Легирующие элементы могут растворяться в феррите или аустените, образовывать карбиды, давать интерметаллические соединения, располагаться в виде включений, не взаимодействуя с ферритом и аустенитом, а также с углеродом. Свойства стали зависят от того, как легирующие элементы взаимодействуют с железом или углеродом. Растворение легирующих элементов в феррите, например, приводит к упрочнению стали без термической обработки.
Основные легирующие элементы и их влияние на свойства сталей.
C (Углерод): - Улучшает сохранность режущей кромки и прочность на растяжение
- Увеличивает твердость и улучшает устойчивость к износу и истиранию
Cr (Хром): - Увеличивает твердость, прочность на растяжение и жесткость
- Обеспечивает устойчивость к износу и коррозии
Co (Кобальт): - Увеличивает прочность и твердость и
- Позволяет производить закалку при высоких температурах
- Увеличивает эффект других элементов, входящих в состав стали
Cu (Медь): -Улучшает коррозионную стойкость
- Обеспечивает устойчивость к износу
Mn (Марганец): - Увеличивает твердость, устойчивость к износу и прочность на растяжение
- Улучшает отделение кислорода от расплава.
- В больших количествах увеличивает хрупкость
Mo (Молибден): - Увеличивает твердость, жесткость и прочность
- Улучшает обрабатываемость и коррозионную стойкость
Ni (Никель): - Улучшает прочность, твердость, устойчивость к коррозии
P (Фосфор): - Улучшает прочность, твердость, обрабатываемость
- В больших количествах увеличивает хрупкость
Si (Кремний): - Увеличивает прочность на растяжение.
- Улучшает отделение кислорода от расплава
S (Сера): - В минимальном количестве облегчает обработку
W (Вольфрам): - Увеличивает твердость, устойчивость к износу и прочность
V (Ванадий): - Увеличивает твердость, устойчивость к ударам и прочность
- Замедляет рост кристаллов
Технологии производства стали.
Чуть раньше я уже писал про структурные и фазовые составляющие сталей, отвлечемся теперь от «заумных» слов. В расплаве все компоненты (железо, углерод и легирующие добавки) находятся в жидком состоянии, частично они образуют химические соединения, частично просто растворены друг в друге. Температура плавления, как отдельных компонентов, так и химических соединений различна. При остывании эти компоненты кристаллизуются с разной скоростью (одни – при более высоких температурах, другие – при более низких). Получается неоднородная структура, с частичками, имеющими разные свойства. Чем крупнее размеры этих частиц – тем неоднороднее свойства в объёме металла и больше вероятность разрушения материала, сколов, трещин, коррозии. Мне это немного напоминает по своей природе бетон, с песком, щебнем и камнями (и арматурой J).
Металлурги стараются получить стали с максимально однородной или мелкозернистой структурой. Для этого применяются современные сталеплавильные агрегаты с корректировкой химического состава, точными дозаторами, продувкой аргоном и вакуумированием для повышенной дегазации. Прибегают к регулируемой скорости охлаждения всего объёма расплава, добиваясь оптимальной микроструктуры. Для уменьшения количества крупных (первичных) карбидов, которые являются также своеобразными «ловушками» углерода и легирующих элементов, используют диффузионный отжиг, при этом значительно улучшается однородность структуры.
Некоторые стали 440С, например, легируют большими концентрациями хрома и углерода, это позволяет (применительно к ножам) получить кристаллы очень твёрдого карбида хрома внедрённого в прочную структуру более мягкого (обеднённого углеродом) основного материала. Это при твёрдости 59-61HRC привело к значительному увеличению режущих свойств и износостойкости РК, но, к сожалению, к повышенной хрупкости и к выщербливанию при изгибных и ударных нагрузках . Уменьшение твёрдости до 56-58HRC приводит к значительному снижению режущих свойств (10-15%). Вместе с тем ухудшилась сопротивляемость коррозии.
Ещё один способ использования неоднородности в «мирных» целях применил Дэвид Бае. Он делает клинки из «дендритной стали» на основе всё той же 440С. Фасонным литьём в сложные формы с постепенным остыванием формируется древовидная хромкарбидная структура. На отливках видна чёткая крупнозернистая структура. Такие заготовки обычно принято рассматривать как брак. После низкотемпературной ковки, призванной улучшить структуру материала, удаётся получить клинки со свойствами, значительно превышающими традиционную 440С (износостойкость повышается в 5-10 раз).
Высокие технологии.
Наиболее современными, но и дорогими, сталями стали т.н. «суперстали», полученные по порошковым технологиям из аморфных металлических сплавов. Основная идея получения таких сплавов заключается в сверхбыстром (104-106 град/сек.) охлаждении расплава. При такой скорости не происходит кристаллизации (не успевают кристаллизоваться как отдельные элементы, так и железо). Полученные таким методом металлы и сплавы с беспорядочным расположением элементов называют аморфными металлическими стеклами. Они изготавливаются распылением струи расплава газом или жидкостью с мгновенным охлаждением без доступа кислорода. Полученные таким образом порошки затем спекаются (под действием огромного давления и нагрева в электромагнитном поле) в экструдере. Далее его подвергают термообработке , приводящей к кристаллизации, но без негативных моментов, характерных для традиционных процессов.
В полученных таким образом материалах удается добиться не только уникальной однородности и равномерности распределения примесей, но и увеличить содержание легирующих элементов без их взаимодействия между собой (так, например, содержание углерода в сплаве Cowry X и ZDP 189 достигает 3%). Потребительские свойства таких материалов тоже уникальны. Традиционные материалы имеют либо большую прочность, либо упругость, стали из металлических стёкол при прочности как у стали или больше имеют предел упругости как у полимеров. За счёт равномерного распределения хрома такие стали имеют значительно лучшую коррозионную стойкость. Повышается ударная вязкость (Шарпи-тест для закаленных на твёрдость 58HRC традиционной 440С и порошковой CPM S30V отличается в 10 раз), увеличивается износостойкость (для той же пары материалов на 45%)
Термическая обработка.
За счёт термической обработки можно изменять структуру стали и, соответственно, её свойства. К основным видам термической обработки относят отжиг, закаливание и отпуск.
Отжиг — вид термической обработки, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для повышения обрабатываемости, улучшение структуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений.
Закалка — вид термической обработки изделий, заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т.е. полиморфного превращения), с последующим быстрым охлаждением, как правило, в жидкости (воде или масле).
В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например, при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча. Такая обработка оставляет на металле хамон — видимую границу между закаленным и незакаленным металлом.
Материал, подвергшийся закалке, приобретает большую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и вязким.
Отпуск — технологический процесс, заключающийся в термической обработке закалённого на мартенсит сплава или металла, при которой основными процессами являются распад мартенсита, а также полигонизация и рекристаллизация. Отпуск проводят с целью получения более высокой пластичности и снижения хрупкости материала при сохранении приемлемого уровня его прочности. Для этого изделие подвергается нагреву в печи до температуры от 150°C-260°C до 370°C-650°C с последующим медленным остыванием.
| 
