Мы уже рассказывали об истории развития американской компании Crucible в статье о стали CPM S30V. Тогда было кратко упомянуто, что в 1970-х годах на этом предприятии впервые освоили потоковое производство порошковых сталей. Обозначение CPM расшифровывается как Crucible Particle Metallurgy ─ металлургия частиц, а название компании, кстати, переводится как «тигель». Теперь же, касательно описания другой известной инструментальной порошковой стали CPM 3V, разработанной специалистами Crucible, хотелось бы подробней раскрыть принципы эффективности этой технологии.
Итак, в 1970-м году появился альтернативный процесс кристаллизации расплава, который по сути является камнем преткновения в придании стали нужных однородных свойств. Дело в том, что при традиционном производстве отлитый в изложницу металл затвердевает медленно, и за это время в нем выделяются легирующие элементы, а карбиды, соединяясь, образуют грубую кристаллическую структуру. Поэтому, чем крупнее отливка, тем неоднороднее получается ее состав, и, соответственно, разные ее части обладают различными характеристиками, что неприемлемо для дальнейшего изготовления инструментов. Операции по преобразованию микроструктуры, горячая прокатка, увеличивают энергозатраты, и не могут полностью устранить эффекты сегрегации, которые возрастают с повышением содержания углерода в стали.
Созданная порошковая технология производства сталей решила проблему однородности структуры стали, чистоты ее состава, а также позволила разрабатывать высоколегированные марки, которые невозможно производить традиционным способом. В процессе CPM расплав вместо разливки в формы пропускают через узкое сопло с подачей газа (аргон) под давлением и разбрызгивают на крошечные сферические капли, которые быстро затвердевают и собираются на дне распылительной башни. Каждая частица представляет собой однородный микрослиток, в котором процесс сегрегации не успевает начаться, а карбиды имеют минимальный размер. Для сравнения, карбиды в порошковой стали величиной 2-4 микрон, а в обычной ─ 50 микрон и более. Частицы составляют металлопорошок, который сохраняет мелкую однородную структуру в ходе дальнейшей обработки.
На завершающем этапе просеянные металлопорошки смешивают в нужных пропорциях, загружают в контейнеры, вакуумируют, герметично запечатывают и подвергают горячему изостатическому прессованию в установках HIP (газостат). Температура в камере газостата соответствует ковке, под высоким давлением стальные частицы спекаются и уплотняются. Полученные прессовки проходят прокатку для придания нужной формы, которая также способствует повышению ударной вязкости. Так в результате получаются стальные заготовки с чистым составом, однородной мелкозернистой структурой и равномерным распределением карбидов.
За главную инструментальную функцию износостойкости в составе стали отвечают именно карбиды, так как они концентрируют в себе наибольшую твердость, и являются структурообразователями.
Твердость разных элементов в составе стали:
- Карбиды закаленной стали ─ 60-65 HRC;
- Карбиды хрома ─ 66-68 HRC;
- Карбиды молибдена ─ 72-77 HRC;
- Карбиды вольфрама ─ 72-77 HRC;
- Карбиды ванадия ─ 82-84 HRC.
Таким образом, тип и количество легирующего элемента в составе влияют на износостойкость стали.
Важно отметить, что в порошковых инструментальных сталях углерод не особо влияет на упрочнение стали, он выполняет роль связующего для соединения с легирующими карбидообразующими элементами: ванадием, вольфрамом, молибденом и хромом. Содержание углерода в таких сталях составляет 0,5 - 2,0 %, тогда как на легирующий состав приходится примерно 5 - 20 %. При одинаковой твердости стали с содержанием различных карбидообразователей отличаются по стойкости к износу (O1, A2, D2, M4). Таким образом, легирующие элементы вводятся в инструментальную сталь в том количестве, которое обеспечит необходимую степень износостойкости. С другой стороны, перенасыщение карбидами может вызвать снижение ударной вязкости и затруднение механической обработки.
Мы видим, что карбиды ванадия обладают наибольшей твердостью и оказывают основное влияние на свойства износостойкости, поэтому содержание этого элемента в порошковой инструментальной стали является доминирующим. Технология CPM позволяет получать марки стали с содержанием 3-15% ванадия, обеспечивающим максимальную износоустойчивость и повышенную ударную вязкость. Сталь 3V по уровню ударной вязкости занимает место между А2 и 9V. В 1960-х годах марка D2 получила статус высокого стандарта среди инструментальных сталей, однако в 1978 году в Crucible была разработана марка CPM10V, которая стала базовой в порошковом классе. Затем на ее основе было создано новое поколение сталей «Killer V»: CPM 9V, 15V, CPM M4HCHS, а последним усовершенствованием стала марка 3V. Износостойкость стали 10V в четыре раза превышает D2. 15V, подобно твердосплавным сталям, на 50% больше устойчива к износу, чем 10V, и без излишней хрупкости.
Сталь CPM 3V разработана как наиболее прочная из порошковой инструментальной серии Crucible. При твердости 58-62 HRC, эта сталь обладает высокой ударной вязкостью, аналогичной марке S7, и превышает по износостойкости D2, поэтому особенно подходит для изготовления ножей. Лезвия из CPM 3V устойчивы к сколам, рубящей, ударной и боковой нагрузке на излом.
Химический состав стали CPM 3V:
- Углерод: 0,8%;
- Хром: 7,5%;
- Ванадий: 2,75%;
- Молибден: 1,3%.
Скромный легирующий состав не позволяет назвать CPM 3V нержавейкой. Скорее у нее базовая противокоррозионная стойкость, не исключающая появление ржавчины. Плотность стали составляет 7800 кг/куб. м, модуль упругости ─ 207 ГПа (у Bohler M390 ─ 227 ГПа).
Помимо бытовых ножей CPM 3V находит широкое применение в промышленности для изготовления инструментов штамповки и формовки, пуансонов, вырубных матриц, прессов, режущих устройств, ножниц, измельчителей лома, валков, наконечников для подачи пластмасс под давлением. Сталь этой марки подходит для замены деталей и инструментов, которые выходят из строя, скалываются при высокой механической или ударной нагрузке.
При температуре 1025 °C (выдержка 45 мин) происходит аустенизация стали CPM 3V с показателем твердости 58 HRC, при 1065 °C (30 мин) ─ 60 HRC, при 1120 °C (20 мин) ─ 62 HRC.
Отжиг выполняется в течение 2 часов при 900 °C, с последующим медленным охлаждением 15 °C в час до 595 °C, затем естественное охлаждение в печи или на воздухе.
Отпуск происходит в течение 2 часов при 595-705 °C с последующим охлаждением в печи или на воздухе.
Перед закалкой CPM 3V предварительного нагревают до 815-845 °C, затем доводят до аустенизации (1025-1120 °C). Закалка происходит под давлением (минимум 2 бар) при 50 °C, или в масляно-солевой ванне при 540 °C, с последующим воздушным охлаждением до температуры ниже 50 °C.
Повторное закаливание: троекратный нагрев до 540-565 °C с выдержкой 2 часа и последующим охлаждением.
Поверхность стали CPM 3V хорошо шлифуется, допускает азотирование и нанесение ПВД-покрытий. Благодаря хорошему сочетанию прочности, вязкости и износостойкости эта сталь наиболее подходит для изготовления туристических ножей и с фиксированным клинком, и складных моделей. На кухне и рыбалке ножи из CPM 3V могли бы служить, если бы не слабая противокоррозионная составляющая. Клинки требуют ухода после применения, хранения в сухости и чистоте.
Конструкционная прочность стали CPM 3V позволяет делать тонкую заточку лезвия под острым углом 15°-20°, что придает ножу бритвенную остроту, уменьшает сопротивление при резке и благоприятно для износостойкости. Клинки из CPM 3V легко затачиваются и правятся вручную, не требуют особых приспособлений.
Сталь CPM 3V используют отечественные производители ножей «Южный Крест», BeaverKnife, ZH knife. Из зарубежных можно назвать Cold Steel, Benchmade, Kizer, Boker.
В общем, в своем ножевом сегменте высокотехнологичная сталь CPM 3V превосходит привычные распространенные марки D2 и Х12МФ, так как при том же или немного превосходящим уровне износоустойчивости обладает отличной ударной вязкостью и высочайшей прочностью. Это, конечно, не суперсталь, но определенно экстра-класс, поэтому клинки из CPM 3V не дешевые.
