Рейтинг стали для изготовления лезвий ножей – это не «ранжирование» с точки зрения того, какая из них лучше другой. Это понимание смысла различных физических свойств, таких как прочность, удержание остроты режущей кромки (УОК), коррозионная стойкость, твердость и даже стоимость. Не существует единого критерия, по которому та или иная сталь оценивалась как «премиальная» или «лучшая». Термообработка металла и геометрия кромки могут иметь большее значение для производительности и функциональности ножа, чем конкретная марка стали, используемой в качестве материала для лезвия. Наилучший сценарий - это когда для изготовления клинка и его применения выбран оптимальный баланс материала стали, термообработки и геометрии режущей кромки.
Наиболее свежим, полным и объективным исследованием в области рейтинга ножевых сталей являются работы молодого доктора металлургии и материаловедения Ларрина Томаса (Larrin Thomas) из Питтсбурга (Пенсильвания). Его отец Дэвин широко известен в США как мастер по производству дамасской стали. С 16 лет сын вместе с ним принимал участие в крупнейших американских ножевых выставках. В настоящее время Ларрин занимается разработкой сталей и для автомобильной, и для ножевой промышленности. Он также пишет книги об использовании наилучших материалов при изготовлении ножей и консультирует ряд ножевых компаний, например, CRKT.
Прочность стали и удержание кромки
Прочность или ударная вязкость показывает, насколько устойчива сталь к механическому разрушению. В контексте ножей это иллюстрируют сколотые края кромок, заусенцы или сломанные лезвия. Удержание остроты кромки - это свойство ножа сохранять режущую способность во время процесса резки каких-либо материалов. Ассоциация CATRA (Cutlery and Allied Trades Research Association) провела исследования в области абразивного износа ножей и опубликовала следующие выводы:
- не существует универсального угла заточки режущей кромки, который бы способствовал сохранению остроты любого ножа;
- выбор угла заточки представляет собой компромисс между качеством стали, легкостью резания и способностью лезвия удерживать остроту, не требуя заточки длительный период времени;
- оптимальный угол заточки определяется опытным путем для ножа с конкретными параметрами, который сделан для выполнения определенного вида работы;
- угол заточки меньше оптимального приводит к быстрой потере остроты режущей кромки. То есть не следует «перетачивать» нож, придавая ему большую остроту меньшим углом кромки.
Ножевая сталь не имеет ни одного свойства, которое было бы важнее других. Многие марки стали лучше других удерживают заточку, но при этом завышают показатели ударной вязкости. Улучшить эти свойства одновременно невозможно – нет такой стали, которая получила бы в рейтинге одинаковые показатели по этим двум свойствам, например, 10 и 10 или хотя бы 7 и 7. Следует учесть, что одна и та же сталь может вести по-разному в зависимости от того, как вы используете нож. Геометрия лезвия также имеет большое значение: более тупой угол кромки гораздо устойчивей к сколам, чем острый край.
Производители ножей вынуждены выбирать компромисс между улучшенной режущей способностью и удержанием кромки под острым углом или же между прочной и устойчивой к сколам кромкой, но с тупым углом. Это видно на фотографиях лезвия одного и того же ножа из инструментальной шведской стали AEB-L прочностью 61 HRC, по которому с разной силой и интенсивностью били стальным стержнем. Результаты показывают, что редкие удары с меньшей силой наносят геометрии кромки больший ущерб, чем сильные, но более частые удары. Таким образом, когда мы видим поваров, быстро шинкующих овощи или мясо, это не значит, что они хотят вас удивить. Просто если совершать рубящие движения с такой скоростью, кухонный нож придется реже затачивать.
Углеродистые и низколегированные инструментальные стали
Эти стали обычно используются для кастомных кованых лезвий, традиционных карманных ножей и некоторых ножей с фиксированным клинком. В них, кроме углерода, входит некоторое количество марганца или кремния. Низколегированные инструментальные стали содержат небольшие добавки сплава для повышения «прокаливаемости», поэтому они легче затвердевают в масле, а не в воде. Некоторые из этих сталей для повышения износостойкости содержат ванадий (как CruForgeV) или вольфрам (как Blue Super, V-Toku2, 1.2519). Как правило, высокоуглеродистые стали обладают более высокой прочностью кромок, но более низкой ударной вязкостью. Максимальное значение степени УОК в этой группе невелико, поскольку большая часть износостойкости обеспечивается мягким карбидом железа. Положительной чертой этих сталей является легкость ковки и шлифовки. Сталь 8670 и 5160 - хороший выбор для больших ножей, которым требуется очень высокая прочность. 52100 и CruForgeV хороши для ножей общего назначения. Blue Super и 1.2562 обладают более высокой степенью удержания остроты кромок, но относительно низкой ударной вязкостью. ApexUltra - это экспериментальная сталь, которая выпускается в США малыми партиями до 20 кг.
Высоколегированные инструментальные и быстрорежущие стали
Высоколегированные инструментальные стали предназначены для закалки на воздухе, поэтому их можно охлаждать даже медленнее, чем выдержанные в горячем масле. Это облегчает термообработку больших партий заготовок и обеспечивает их равномерное остывание, что значительно уменьшает деформацию и изменение размеров. Быстрорежущие стали представляют собой подгруппу сталей со значительными добавками молибдена и/или вольфрама, что делает их устойчивыми к размягчению при использовании для операций механической обработки. Однако большая разница в свойствах по сравнению с низколегированными сталями заключается в более твердых карбидах, содержащихся в этих сталях. Карбиды ванадия являются одними из самых твердых, образующихся в стали, а карбиды хрома занимают промежуточное положение между карбидом железа и карбидом ванадия. Стали с очень высоким содержанием ванадия, такие как Vanadis 8, CPM-10V, K390, CPM-15V и т.д., обладают чрезвычайно высокой прочностью кромок. Maxamet и Rex 121 настолько превосходны с точки зрения износостойкости и удержания кромок, что их оценивают даже выше максимального 10-бального рейтинга, потому что в противном случае оценка остальных сталей будет слишком низкой. Стали порошковой металлургии с низким содержанием ванадия, такие как CPM-1V и Z-Tuff/CD#1, обладают чрезвычайно высокой ударной вязкостью. К лучшим сталям с максимальными сбалансированными свойствами относятся 4V/Vanadis4E, CPM-CruWear и CPM-M4. Фаворитами баланса показателей по лучшему удержанию кромок, прочности и стойкости к коррозии также являются Vanadis 8 и CPM-10V.
Нержавеющие стали
Нержавеющие стали - это еще одна разновидность высоколегированных инструментальных сталей, в которых содержится достаточное количество хрома для обеспечения высокой коррозионной стойкости. Однако сопротивляемость ржавчине зависит не только от содержания хрома. Например, сталь D2 содержит достаточно хрома, чтобы считаться нержавейкой (~ 12%), но высокое содержание углерода образует слишком много карбида хрома. Это, в свою очередь, снижает коррозионную стойкость. У MagnaCut самое низкое содержание хрома, но при этом он находится в несвязанном с углеродом состоянии (без образования карбида). Благодаря такому составу данная сталь имеет максимальную степень коррозионной стойкости при минимуме содержания хрома. Кроме того, стойкость к ржавчине придают добавки молибдена.
Как и в случае с высоколегированными инструментальными сталями, количество ванадия определяет рейтинг общего уровня износостойкости и удержания кромок. CPM-S90V - фаворит в категории высокопрочных кромок из-за его приличной прочности. S110V обладает улучшенной коррозионной стойкостью за счет более низкой ударной вязкости по сравнению с S90V. AEB-L и 14C28N являются лучшими в группе высокой ударной вязкости. LC200N обладает свойствами, аналогичными этим двум сталям, но с более высоким уровнем коррозионной стойкости в соленой воде. Основным недостатком является то, что такая сталь труднее поддается термообработке и не может быть тверже 60-61 HRC. Наиболее сбалансированной маркой является CPM-MagnaCut. Эта сталь была разработана так, чтобы не содержать карбидов хрома, и получила свойства, сходные со сбалансированными нержавеющими инструментальными сталями CPM-4V и CPM-CruWear. По уровню коррозионной стойкости к соленой воде Vanax превосходит MagnaCut, но уступает ей по прочности, поэтому нуждается в дополнительной термообработке.
На что влияет химический состав сталей
Количественные характеристики содержания тех или иных добавок в стали могут изменяться в разных партиях отливок. Поэтому, например, марка 1084 не гарантирует, что в этой стали всегда будет ровно 0,84% углерода. Некоторые химические элементы, такие как кремний или марганец практически не влияют на свойства высоколегированных сталей, хотя входят в их состав. Не стоит тратить время на анализ точного состава стали для того, чтобы спрогнозировать ее свойства – это не удается даже опытным металлургам. Между химическими элементами существует так много взаимодействий, что без программного обеспечения для моделирования трудно делать прогнозы поведения материала в разных условиях. Как правило, стали с более высоким содержанием углерода и ванадия обладают более высокой износостойкостью и удержанием остроты кромок, но меньшей прочностью. А стали, содержащие не менее 10% хрома, являются нержавеющими, за исключением нескольких важных исключений, таких как D2 и ZDP-189.
Твердость стали имеет решающее значение для удержания остроты кромки лезвия. Здесь с большим отрывом лидирует REX-121 твердостью 70 НRС, затем идут Z-Max, Maxamet, REX-76 и Apex Ultra твердостью 69 HRC. Худшие показатели у стали 420 твердостью 55 HRC, а также 80CrV2 и 8670 твердостью 60 HRC. Замечено, что чем больше карбида в стали и чем крупнее его кристаллы, тем ниже прочность или ударная вязкость. Хуже ведут себя и низколегированные стали со свободным углеродом – они менее прочные и хуже держат кромку.
Свойства сталей в значительной степени контролируются карбидами. Для обеспечения высокой износостойкости и удержания кромок требуется большое количество твердых карбидов. А для получения высокой ударной вязкости, то есть прочности, он вообще не нужен. Таким образом, основной компромисс заключается в том, какое содержание углерода должно быть в стали, чтобы она обладала максимальным удержанием остроты кромки без потери прочности. Наиболее сбалансированы в этом отношении стали, содержащие только карбиды ванадия. Чтобы зерна карбида сохраняли небольшой размер (иначе сталь приобретает хрупкость), используют порошковую металлургию. В результате получают так называемые «порошковые стали», у которых прочность и острота кромок выше, чем у традиционных углеродистых.
Как себя ведут различные ножевые стали по отношению к 3,5% соляному раствору, показано на фото. Максимальной стойкостью к коррозии обладает Vanax, быстрее и сильнее других ржавеет сталь XHP. Коррозия не только способствует разрушению металла – было установлено, что лезвие из стали 1095, которое обмакнули в лимонный сок, значительно утратило способность к острому резу, то есть его кромка затупилась от воздействия лимонной кислоты.
Четкой зависимости между твердостью лезвия и его способностью держать кромку не обнаружено. Например, сталь 64 HRC AEB-L обладает меньшей прочностью и хуже держит кромку, чем 61 HRC MagnaCut, но в диапазоне твердости от 59 до 62 HRC такого эффекта не наблюдается. Хотя более высокая твердость действительно приводит к лучшему удержанию кромки, более важным аспектом является повышение сопротивления кромок к деформациям. Это особенно важно для филейных ножей и подобных им клинков с тонкими лезвиями и узкими кромками.
Отмечено, что термообработка или закалка стали, которую используют для повышения твердости, может привести к снижению коррозионной стойкости. Наконец, применение порошковых технологий удорожает сталь. Здесь важен баланс: либо тратите сразу больше, покупая нож, который придется редко затачивать, либо экономите на ноже, но тратите средства для покупки абразивов, точилок и прочих аксессуаров для поддержания режущей кромки в нормальном состоянии.
Легкость заточки обратно пропорциональна степени удержания остроты кромки. Труднее всего заточить лезвие из стали Rex 121, проще всего - из 5160 и 8670. Однако удаление заусенцев с кромок часто занимает даже больше времени, чем удаление материала для придания кромке нужного угла заточки. На более мягкой стали обычно образуются крупные заусенцы, которые удалять труднее. Стали, подвергнутые неправильной термообработке, также трудно затачивать и удалять с лезвия заусенцы. Поэтому, выбирая нож из какой-то определенной стали, четко определитесь с задачами, которые вы собираетесь решать с его помощью. Иначе вы рискуете либо переплатить, либо приобрести клинок, с которым намучаетесь.
