Как делают порошковую сталь

Обновлено: 12.05.2024

Порошковая металлургия является одной из отраслей металлургической промышленности, включающей в себя ряд малоотходных способов изготовления изделий и материалов из порошков различных металлов в чистом виде либо в составе определенных композиций. Технология имеет общие черты с керамическим производством, поэтому продукция, полученная посредством данного метода, нередко именуется металлокерамической, или просто металлокерамикой. Технология получения металлокерамики особенно широко применяется для массового производства, позволяя получать без дополнительной обработки, а значит, и без отходов, изделия высоких классов точности. Метод порошковой металлургии востребован также в случаях, когда он является единственной возможностью наделить изготавливаемую продукцию теми или иными уникальными свойствами.

Применяемые порошки и способы их получения

Получение металлических порошков – самый затратный и трудоемкий этап производственного процесса. При этом набор заданных эксплуатационных характеристик определяется физико-химическими свойствами, насыпной плотностью, размерами частиц и рядом других функциональных критериев применяемых порошков.

метод электролиза (электролитический метод) с осаждением на катоде металлов из растворов/расплавов под воздействием постоянного тока (порошки электролитические ПЭ);
метод карбонильной диссоциации – разложение карбонилов на металлическую порошковую фракцию и газообразный монооксид углерода (СО) (порошки карбонильные ПК);
метод химического восстановления металла из первичного сырья (руд, окалины и т.п.).

железа (Fe) электролитический;
меди (Cu) электролитический; (Ti) электролитический;
циркония (Zr) электролитический;
ниобия (Nb) электролитический;
тантала (Та) электролитический;
урана (U) электролитический.

Путем разложения карбонилов получают, в частности, никелевый порошок (Ni) карбонильный, вольфрамовый порошок (W) карбонильный и молибденовый порошок (Mo) карбонильный, а также карбонильный порошок железа (Fe).

Методом химического восстановления получают кобальтовый порошок (Co), никелевый порошок (Ni), вольфрамовый порошок (W), молибденовый порошок (Mo), а также порошки железа (Fe), меди (Cu), ниобия (Nb) и других металлов.

Технологические этапы производственного процесса

смешивание;
формовка;
спекание;
калибровка.

На этапе смешивания из металлических порошков с различным химико-гранулометрическим составом (возможны неметаллические порошковые добавки) готовят однородную порошкообразную субстанцию – шихту.

Этап формовки заключается в преобразовании полученной сыпучей шихты в достаточно прочные первичные заготовки пористой структуры. Наиболее распространенным видом формовки является способ холодного прессования, когда шихту, засыпаемую в специальные пресс-формы, спрессовывают под давлением от 32 до 1100 МПа на механических, пневматических или гидравлических прессах.

Следующим технологическим этапом метода порошковой металлургии является термообработка (спекание) сформованных заготовок при температурах более низких, чем t° плавления, в результате чего за счет когезии (когезия - связь между молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределах одной фазы) частицы порошка преобразуются в единый монолит на молекулярном уровне. При этом в заготовках из однородного металлического порошка максимальный эффект достигается в режиме, составляющем 72–92% t° плавления металла. При спекании смесей на основе цементированных карбидов применяется температурный режим, близкий к t° плавления связующего компонента. Чтобы не допустить окисления, процесс спекания во всех случаях проводят в защитной вакуумной либо газовой среде (Н, СО, N, Ar).

Заключительной стадией процесса является калибрование получаемых изделий с целью обеспечить требуемую точность заданных габаритных параметров, повысить степень прочности и класс чистоты поверхности.

Продукты порошковой металлокерамики и области их использования

Металлокерамические материалы, изготавливаемые при помощи метода порошковой металлургии, называются спеченными. Все спеченные материалы подразделяют на ряд функциональных категорий.

Конструкционная металлокерамика, обладающая высокими механическими характеристиками, используется в машиностроении для производства высоконагруженных деталей (шестерни, зубчатые колеса, червячные пары, клапаны, муфты и т.д.).

Структура антифрикционных металлокерамических материалов построена таким образом, что в ней органично сочетаются твердая матрица и мягкий наполнитель, чего можно добиться лишь порошковым методом. Антифрикционные материалы имеют стабильно невысокий коэффициент трения и хорошо прирабатываются. Из них производят, в частности, большинство разновидностей подшипников скольжения.

Фрикционную металлокерамику отличают прочность и высокие показатели стойкости к износу. Поэтому она находит особенно широкое применение в станкостроении при изготовлении узлов передачи кинетической энергии.

Фильтрующие спеченные материалы, в отличие от получаемых иными способами, имеют более оптимальные значения термостойкости, очистительной способности, абразивной износостойкости и прочих функциональных параметров. Помимо непосредственно фильтров, из них также производят специальные уплотнительные прокладки, элементы пламегасителей, систем антиобледенения, конденсаторов и целый ряд других изделий.

Порошковые твердые сплавы обладают композитной структурой, включающей в себя частицы тугоплавких карбидов высокой твердости (WC, TiC и т.д.) и пластичное металлическое связующее (чаще всего зерна Co). Их применяют для производства активных компонентов металлорежущего, штамповочного, бурового инструмента.

К категории высокотемпературной порошковой металлокерамики принадлежат сплавы на базе тугоплавких металлов (W, Mo, Nb, Та, Zr, Re, Ti и др.). Они востребованы в космической, авиационной, судостроительной, электротехнической, радиоэлектронной и многих других отраслях. Электротехническая порошковая металлокерамика – это так называемые псевдосплавы сложной композиционной структуры, получение которых иными способами не представляется возможным. Они незаменимы для изготовления электрических контактных групп, на их основе производят постоянные магниты, ферриты, другие токопроводящие материалы и диэлектрики.

Порошковая металлокерамика для ядерной энергетики с набором особых свойств (на основе В, Hf, Cd, Zr, W, Pb, U, РЗЭ и т.д.) применяется в изготовлении регуляционных стержней, ТВЭЛов, замедлителей, поглотителей, других компонентов атомных реакторов.

Рисунок 1. Изделия порошковой металлургии.

Достоинства и недостатки метода порошковой металлургии в сравнении с другими технологиями

Производство изделий из спеченных материалов имеет целый ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями металлообработки (резание, литье, ковка, штамповка и т.д).

невозможность изготовления многих видов продукции иными методами, кроме порошкового;
безотходность (с пользой задействуется до 95-98% исходного материала);
наличие высоких эксплуатационных характеристик получаемых изделий;
экономичность, особенно при массовом производстве, вследствие относительной простоты технологии (за исключением этапа изготовления порошков).

сложность техпроцесса получения металлических порошков и, как следствие, их высокая себестоимость;
необходимость спекания в защитно-восстановительных средах, что также повышает себестоимость продуктов порошковой металлокерамики;
сложность производства заготовок обширных габаритов и криволинейных конфигураций.

Порошковая металлургия являясь одним из относительно новых направлений современного материаловедения, развивается стремительными темпами. Вот почему ее немногочисленные недостатки вряд ли следует воспринимать в качестве постоянно действующих факторов. По мере дальнейшего становления научно-технического прогресса метод порошковой металлургии будет становиться все более значимым для повседневной жизнедеятельности.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Современные технологии изготовления дамаска.

Дамасская сталь — это композитная углеродистая сталь с видимым рисунком, которая изготовляется человечеством уже несколько тысячелетий. Oдним из нaибoлee pacпpocтpaнeнныx и oднoвpeмeннo нaибoлee пpocтыx в изгoтoвлeнии типoв дaмaccкoй cтaли являeтcя тaк нaзывaeмый "дикий дaмacк". Для его изготовления применяется cвapка пaкeтa пoлoc из нecкoлькиx copтoв cтaли, с мнoгoкpaтнoй пepeгибкoй и пpoкoвкoй. Пакет нагревают в горне и добавляют сверху различные материалы (так называемый флюс), который сплавляясь с образовавшейся на поверхности пластин окалиной, очищает от нее свариваемые поверхности. Растворяя окалину, флюс одновременно образует жидкий шлак, предохраняющий поверхность металла от дальнейшего окисления. Пакет с жидким шлаком разогревают до белого каления и проковывают. После первой сварки пакета его расковывают на полосу и разрубают на несколько частей, которые снова складывают стопкой и производят вторую сварку. Сварка может повторяться множество раз, вплоть до появления нужных характеристик стали. B peзультaтe пpoиcxoдит беспорядочное пepeмeшивaниe cлoeв мeтaллa и на поверхности бруска образуется pиcунoк. Внешний вид узора зависит oт кoличecтвa cлoeв и мapoк пpимeняeмыx cтaлeй. Светлые линии в рисунке стали дает высокий уровень хрома или никеля. Темные линии показывают применение углеродистых сталей.

Но существует ряд традиционных проблем связанных с созданием дамаска. Главным качеством дамасской стали считают чередование слоев с высоким содержанием углерода, которые дают агрессивный рез, и низким содержанием углерода, который придает ему прочность. Однако в ходе кузнечной сварки слоев стали с разным содержанием углерода, происходит его диффузия и эти слои перемешиваются между собой. Это ухудшает режущие свойства высокоуглеродистых составляющих пакета за счет обеднения количества углерода, а большое количество сварочных швов может снижать прочность клинка. Более того, в процессе сварки количество углерода может выгорать до ощутимых величин, ослабляя износостойкость стали. В результате потребитель не может зачастую предугадать свойства полученного клинка. Широко известно, что дамаск может без видимой причины просто перестать резать даже на хорошо заточенном ноже, может выкрашиваться, становиться очень хрупким. Борьба с этими недостатками и развитие технологий производства порошковых сталей подтолкнули изготовителей ножей сначала к кустарным экспериментам с порошковыми сталями, а затем и к применению сложных высокотехнологичных решений.

Ключевую роль в развитии современных технологий изготовления дамаска сыграло появление в ножевой индустрии нового технологического оборудования. Для изготовления ножевой стали начали применяться промышленные кузнечные прессы, вакуумные прокатные станы, электродуговые печи с контролируемой атмосферой и т.п. В частности специализированные вакуумные прокатные станы, расширили производительность и позволили развить промышленное изготовление дамаска на базе новейших технологий порошковой металлургии.

Применение вакуумных технологий для производства дамасской стали, позволяет использовать в качестве сырья как металлические бруски, так и порошковый метод.

Главным достоинством вакуумного метода при сварке пластин традиционного дамаска является отсутствие окисления металла при нагреве. Это дает возможность для предварительной сварки высоколегированных, в том числе нержавеющих сталей без флюса. Соединяемые отшлифованные пластины свариваются методом диффузионной сварки в вакуумной камере под прессом. Сваренный таким образом пакет расковывается на пластины, которые снова шлифуются и свариваются до получения нужного количество слоев. Этим методом можно изготовлять дамаск из нержавеющих и легированных сталей. Отличным методом сварки высоколегированных сталей является и прокатка пакета шлифованных или очищенных другим методом пластин на вакуумном прокатном стане.

Ваккумный метод применяется и в порошковой металлургии. В наполненную инертным газом камеру газостата помещают герметичную, лишенную кислорода капсулу, наполненную проволокой, металлическим порошком или смесями. Капсула нагревается до 1200-1400°С и камера заполняется газом, до давления примерно 1500 атмосфер. После завершения процесса спекания композитного материала под давлением, спекшуюся с композитом оболочку удаляют механическим путем и очищенный композит проковывают прессом или прокатывают через прокатный стан. Этим методом можно получить практически любой вид дамаска.

Появление этих технологий дало возможность для крупных металлургических компаний производить дамаск в очень больших объемах. Крупнейшей из таких компаний стала шведская Damasteel АВ, которая 1996 году получила патент на изготовление заготовок из порошкового дамаска. Технологией производства дамаска стало «горячее изостатическое прессование», которое превращает быстротвердеющий порошок в компактную заготовку. Порошки двух или более типов стали помещаются в центр стальной капсулы, в которой создают вакуум и герметично запаивают. Порошки спекаются между собой под высоким давлением в горячем изостатическом прессе. Прессование продолжается до тех пор, пока плотность не достигнет 100%. Damasteel производит методом порошковой металлургии два типа заготовок – прутки со слоистым концентрическим рисунком и многослойный пакет с параллельными слоями. В дальнейшем заготовки могут использоваться для создания более сложных узоров в процессе ковки.

Преимуществами стали Damasteel являются высокая коррозионная стойкость, предсказуемые режимы термообработки, чистый химический состав с минимальным количеством примесей, очень хорошие режущие свойства при легировании стали ванадием. Также важно, что твердость стали после термообработки достигает 63,5 HRC. У обычного дамаска невозможно точно говорить о твердости, она будет крайне неоднородна по всему клинку после ковки. Порошковый дамаск решает эту проблему, создавая однородную структуру. Помимо изготовления ножей дамасская сталь используется и для создания различных ювелирных украшений и бижутерии. Также из стали Damasteel создаются предметы, выполненные по японской технике «мокумэ-ганэ».

Основой для создания дамаска является сталь RWL34 - порошковая, высокоуглеродистая сталь дополнительно легированная молибденом и ванадием, со средней коррозионной устойчивостью. Она производится самой компанией Damasteel AB. Обладает хорошим сочетанием стойкости режущей кромки, коррозионной стойкости и механических характеристик, хорошо держит именно тонкую режущую кромку. Имеет в своем составе большое количество легирующих элементов, в том числе марганец, молибден, ванадий, хром и сера. При высокой твердости сталь хорошо обрабатывается - шлифуется и полируется, отлично подходит для клинков сложной геометрии и считается одной из лучших сталей для художественного травления. С применением этой стали производиться несколько пакетов дамаска, самыми популярными среди них являются:

Пакет DS93X - это мартенситная сталь с рисунком из дамасской стали. Состоит из двух разных закаленных ножевых марок стали. Светлым компонентом является порошковая сталь RWL34, а темным компонентом – углеродистая сталь марки РМС-27.

Пакет Damacore DC18N — это также мартенситная сталь. Содержит три разных сплава. Центральное ядро состоит из N11X, легированной стали с высоким содержанием азота. Внешние слои с рисунком дамаска состоят из RWL34 и PMC27. Сталь обладает высокой твердостью после закалки и отпуска.

Оба пакета имеют отличную коррозионную стойкость и высокую механическую прочность. Также у этих сталей хорошая пластичность, они легко шлифуются и полируются.

Таким образом на примере порошкового дамаска, мы видим гармоничное сочетание древних технологий производства красивой и прочной стали с самыми передовыми технологиями порошкового передела.

Технология изготовления порошковых сталей

Порошковые стали используются для изготовления ножей уже более 30 лет. За эти годы цена на такие стали существенно снизилась, они стали более доступны и применимы в самых разных ножах, в том числе и не только премиального сегмента. В чем же отличие порошковой стали от «обычной» и каким образом она создается?

Порошковая сталь – это измельченная до состояния порошка сталь, которую распыляют в инертном газе, затем взвесь подают на специальный кристаллизатор, а затем полученные микрослитки прессуют при сверхвысоких температурах и спекают в специальной печи. В результате этих действий происходит так называемый порошковый передел - сталь получает большое количество карбидов, которые отвечают за рез ножа и при этом ее можно легировать дополнительными укрепляющими прочность элементами.

Структура любой закаленной стали состоит из двух важнейших элементов: карбидов и мартенсита.

Мартенсит — это основная структурная составляющая закалённой стали (матрица). Она представляет собой упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе такой же концентрации, как у исходного материала стали (аустенита). Структура мартенсита неравновесна, и в ней есть большие внутренние напряжения, что в значительной степени определяет высокую твёрдость и прочность сталей с мартенситной структурой.

Карбиды – это соединения металлов и неметаллов с углеродом. Особенностью карбидов является большая электроотрицательность углерода, по сравнению с другим элементом. Карбиды — тугоплавкие твёрдые вещества. Они нелетучие и не растворимы ни в одном из известных растворителей. Карбиды применяют в производстве чугунов и сталей, керамики, различных сплавов, как абразивные и шлифующие материалы, как восстановители, раскислители, катализаторы и др. Из карбида кремния SiC (карборунд) изготавливают шлифовальные круги и другие абразивы; карбид железа Fe3C (цементит) входит в состав чугунов и сталей, из карбида вольфрама и карбида хрома производят порошки, используемые при газотермическом напылении.

Большинство сталей, используемых для производства клинков, после термообработки имеют структуру: мартенсит + карбиды (+ остаточный аустенит + неметаллические включения и т.д.). Карбиды, более твёрдые и хрупкие, чем мартенситная матрица, увеличивают износостойкость стали, но ухудшают ее механические характеристики, негативно влияя прочность и вязкость. Степень снижения прочностных свойств зависит от количества карбидной фазы, её типа, размера карбидов и их скоплений и равномерности распределения карбидов в структуре.

Кроме того, выраженная карбидная неоднородность создаёт проблемы при шлифовании, увеличивает склонность к поводкам и трещинам. Стали с большим количеством крупных и неравномерно распределённых карбидов хуже поддаются горячей деформации. Такая сталь приобретает при термообработке неоднородную структуру, а сами результаты термообработки становятся менее предсказуемыми.

Следовательно, чтобы увеличить износостойкость стали и длительное удержание остроты, нужно увеличивать количество карбидной фазы, а чтобы сохранить приемлемые механические характеристики уменьшать и улучшать их распределение. Добиться этой цели можно несколькими методами. Среди них:

1. Оптимизация состава стали. К примеру, можно насытить сталь карбидами других типов, чаще всего большим количеством ванадия.

2. Микролегирование. Насыщение стали элементами, которые улучшают распределение карбидов и несколько уменьшают их размеры.

3. Высокоинтенсивная пластическая деформация. При увеличении степени деформации карбиды частично дробятся, и улучшается их распределение (особенно при использовании специальных приёмов деформации).

4. Увеличение скорости кристаллизации. Именно этот принцип лежит в основе технологии порошковой металлургии. Для того, чтобы увеличить скорость охлаждения нужно уменьшить размеры слитка. При размере слитка порядка 150 мкм, скорость охлаждения достигает 104105 к/с, при таких скоростях и размерах эвтектика (жидкий раствор, кристаллизующийся при наиболее низкой температуре для сплавов данной системы) получается очень тонкой, а размер карбидов не превышает 23 мкм. Для того, чтобы этого добиться нужно применить порошковый метод или метод порошкового передела.

Порошковый метод (порошковый передел).

Переде́л— одна из стадий получения или переработки металла в чёрной и цветной металлургии. К переделам относятся: плавка и разливка металла, обжатие, прокат, трубное и метизное производство. Сущность технологии метода порошковой металлургии состоит в получении порошков чистых металлов и многокомпонентных сплавов с их последующим поэтапным безотходным преобразованием в готовые к эксплуатации материалы, изделия и покрытия требуемых функциональных параметров.

Свойства порошков

Порошки металлов различаются по своим физико-химическим и технологическим свойствам. К категории физических свойств относятся форморазмеры и гранулометрический состав частиц, характеристики их удельной поверхности, а также плотность и способность деформироваться, которая называется микротвердостью.

Набор химических свойств определяется химическим составом сырья и метода/способа изготовления. Допустимая концентрация в готовой порошковой продукции нежелательных примесей не должна превышать значения 1,5-2%. Одним из важнейших химических свойств является степень газонасыщенности порошка, что особенно актуально для порошков, получаемых путем восстановления, из состава которых бывает трудно удалить определенную часть газообразных восстановителей и продуктов реакции.

Основными методами изготовления порошков из сырья являются:

1. Физико-механический метод

В рамках данного метода исходное сырье преобразуется в порошок без нарушения химсостава, посредством механического измельчения, как в твердом агрегатном состоянии, так и виде жидкого расплава. Физико-механическое измельчение производят способами: дробления и размола; распыления и грануляции. При дроблении и размоле твердого сырья изначальные размерные параметры частиц уменьшаются до заданных значений.

2. Химико-металлургический метод

Этот метод получения металлических порошков также можно реализовывать различными способами, среди которых наиболее востребованные:

Химическое восстановление металла из исходного сырья (восстановительный способ). Он применением различных химических веществ-восстановителей, которыми воздействуют на соли и оксиды металлов для отделения неметаллической фракции (солевого остатка, газов).

Электролиз - способ изготовления порошков состоит в осаждении частиц чистого металла на катоде под воздействием постоянного тока на соответствующий электролит в виде раствора либо расплава.

Термокарбонильная диссоциация (карбонильный способ). Порошки карбонильные изготавливают путем разложения в заданном температурном режиме карбонильных металлических соединений на исходные составляющие: частицы чистого металла и газообразный монооксид углерода СО, который удаляется.

Процесс изготовления порошковой стали включает в себя ряд этапов: предварительную подготовку порошковой смеси (шихты); формовку; спекание.

Предварительная подготовка порошковой смеси

П реобразование уже изготовленного металлического порошка в конечные изделия начинается с предварительной подготовки исходной смеси (шихты), которая в последующем будет подвергаться формованию и спеканию. Процесс подготовки исходной шихты является трехэтапным и последовательно осуществляется в виде: отжига, затем сортировки по фракциям (классификации) и непосредственно смешивания.

Рекристаллизационный отжиг порошков необходим для повышения показателей их пластичности и прессуемости. Путем отжига удается восстановить остаточные оксиды и удалить внутреннее напряжение – наклеп. Для отжига порошки подвергают нагреву в восстановительно-защитных газовых или вакуумных средах.

Классификацию порошков осуществляют их разделением по фракциям (в зависимости от тех или иных размерных параметров частиц) с применением специальных вибросит, имеющих ячейки соответствующих диаметров. Для разделения по фракциям применяют также воздушные сепараторы, а для классификации жидких смесей – способ центробежной дисперсной седиментации.

Порошковый материал направляется нагнетаемым турбиной воздушным потоком в область разделения, где под действием центробежной силы происходит отделение и оседание тяжелых крупных частиц, удаляемых в нижнем направлении через разгрузочный клапан. Мелкие легкие частицы увлекаются циклонным потоком воздуха вверх и направляются на дополнительную сепарацию.

Смешивание – важнейшая из подготовительных операций, она производится путем приготовления из металлопорошков различного химико-гранулометрического состава (возможны легирующие добавки порошков неметаллических элементов) однородной субстанции – шихты. От того, насколько тщательно происходит смешивание, зависит однородность шихты, что исключительно важно для конечных функциональных свойств готовой металлокерамической продукции. Чаще всего смешивание порошковых составляющих осуществляют механическим способом с применением специальных миксерах. Смешивание, не сопровождающееся измельчением, выполняют в миксерах непрерывного действия барабанного, шнекового, лопастного, центробежного и других типов. По завершении процесса получаемая шихта тщательно высушивается и просеивается.

Формование (формовка) в порошковой металлургии – это технологическая стадия, целью которой является уплотнение поступающего в пресс-форму заданного количества готовой сыпучей шихты и ее обжатие для придания форморазмеров готового к последующему спеканию изделия. Деформация частиц при формовке по своему генезу может быть одновременно упругой, хрупкой и пластической. Формовка шихты в большинстве случаев осуществляется путем ее размещения в прочных стальных пресс-формах и последующего спрессовывания под давлением от 30 до 1200 МПа на прессовых агрегатах механического, пневматического или гидравлического принципа действия.

Последней стадией технологического метода порошковой металлургии является термическая обработка сформованных заготовок. Она осуществляется методом спекания. Спекание – одна из наиболее ответственных технологических процедур в рамках метода ПМ, в результате которой малопрочные заготовки преобразуются в исключительно прочные спеченные тела. В ходе спекания из заготовки удаляются адсорбированные в них газы, происходит возгонка нежелательных примесей, и снимаются остаточные напряжения в частицах и точках контакта между ними, устраняются оксидные пленки, происходит диффузионное преобразование поверхностного слоя, качественно преобразуется форма пор. Спекание осуществляют двумя способами: твердофазным (по мере нагрева заготовок не образуется жидкий расплав одного из компонентов), и жидкофазным. В результате спекания получается металлический брусок или пластина, которые и становиться основой для изготовления ножа.

Преимущества порошковых сталей

За счёт мелких размеров и равномерному распределению карбидов в порошковых сталях можно существенно увеличить степень легирования и объем карбидной фазы, и тем самым повысить стойкостные свойства стали. Достигаются лучшие механические характеристики, в частности порошковые стали гораздо лучше шлифуются и куются. При закалке стали получается более насыщенный твёрдый раствор, более мелкое и равномерное зерно, что способствует некоторому повышению твёрдости, теплостойкости, механических свойств и коррозионной стойкости. Порошковая технология позволяет достаточно легко получать высокоазотистые стали методами твердофазного азотирования. В целом порошковый передел практически не имеет недостатков, повышая все качества стали.

Порошковая сталь для ножей

Сейчас всё чаще можно встретить в описании ножей термин «порошковая сталь». В данной статье мы расскажем, что же это за новый материал, будет ли нож из него крепче и долговечнее привычной нам стали. Для этого потребуется изучить саму технологию процесса изготовления и историю возникновения этого сплава.

История

Первыми, кто её изготовил, были индусы. Они ещё в конце VII века до нашей эры сделали железную колонну именно из порошковой стали. Она была весом почти 6 тонн и длиной около 7 метров. Что самое интересное, эта колонна отлично сохранилась до наших дней! Однако широко использовать данную технологию начали только в 60х годах XX века. В США пытались повысить твёрдость путём введения легирующих добавок.

Состав и свойства ножа из порошковой стали

Для ножей из порошковой стали используются разных виды сплавов. От того, какие металлы в составе, будут зависеть характеристики каждого конкретного ножа.

Металл	Свойства
Молибден

Влияет на стойкость к износу и твёрдость, но снижает прочность. Такие ножи имеют стойкость к коррозии, не требуют частой заточки.

Сталь, содержащая 13% и более хрома, называют нержавеющей. Однако она также требует ухода.

Влияет на стойкость к износу и твёрдость, однако снижает прочность.

Для того чтобы глубже погрузиться в данную тему, нам потребуется разобраться в составе современной стали.

Итак, в настоящее время большинство сталей (по ТО) имеют структуру:

мартенсит + карбиды (+ остаточный аустенит + неметаллические включения и т.д.).

Рассмотрим каждые из этих частиц:

карбиды твёрдые, но хорошо ломаются. Они крупнее других частиц и поэтому плохо распределяются между ними. Из-за этого может страдать прочность изделия;
мартенсит легче и прочнее, чем карбид, но более тягучие, чем карбиды.

Технология изготовления порошковой стали

От того, как много карбидов, и насколько хорошо они распределены, будет зависеть прочность готового ножа. Большое количество мартенситов ведёт к большей гибкости и меньшей твёрдости.

Карбиды – это крупные частицы, и распределение будет неравномерным.

Поэтому качество изделий из такой стали сложно заранее предсказать. Они могут плохо поддаваться шлифовке, гнуться и ломаться.

Чтобы добиться высокой прочности, нужно улучшать распределение частиц.

Как же этого можно добиться? Технология изготовления довольно сложна:

Для этого размер карбида делают не очень большим, распыляя сталь в виде порошка, микрочастицы которого похожи на слитки. Их теперь можно быстрее охладить (т.е. кристаллизировать).

Далее идёт обработка и прессовка под высоким давлением.
Далее идёт сплавление твердофазное и двухфазное. В сплав возможно добавлять самые различные добавки. Это позволит улучшить необходимые показатели.
Полученная из порошка сталь на выходе получается прочнее обычной (даже при одинаковой твёрдости).

Порошковая сталь для ножей плюсы и минусы.

У порошковой стали есть не только существенные плюсы, но и некоторые минусы. Рассмотрим их:

Дорогое производство. Для создания порошковой стали требуется более сложное и дорогое оборудование. На обычных станках невозможно повторить всю многоступенчатую технологию.
Высокая цена готовых изделий. Она, в свою очередь, вытекает из стоимости производства.
Трудность в заточке. За счёт того, что на выходе получается очень крепкий металл, снять верхний слой с него становится сложно. Обычная заточка для ножей вряд ли справится с такой задачей.

Плюсов больше:

Гибкость.
Прочность.
Точность.
Долговечность. Их гибкость, прочность, точность и долговечность превосходят во много раз обычную сталь.
Экологичность. Производство таких ножей безотходное, лишних остатков металла нет.

Виды порошковых сплавов для изготовления ножей

Исходя из предназначения ножа, выбирают соответствующую сталь. Существует 4 класса порошковой стали:

премиум;
хай энд;
средний;
низкий класс.

Предлагаем подробнее остановиться на двух классах.

Премиум класс

Вид	Описание
CPM S30V	Этот сплав производят в США. Сейчас из него производят дорогие премиальные ножи. В основном это охотничьи ножи, которые обладают повышенной износостойкостью, в то же время, лезвия хорошо затачиваются.

Хай энд

Теперь рассмотрим разновидности металлов из порошковой стали класса «хай энд». С английского «high-end» переводится, как «высший класс». Ножи данной категории считаются лучшими среди не премиальной категории. В качестве охотничьего такое изделие немного уступает ножам класса «премиум», однако для неискушённых владельцев, такая сталь станет отличным приобретением.

Производства США, противостоит коррозии и хорошо затачивается. Он очень схож с CPM S35VN, но характеристики немного скромнее.
ATS-34. Сплав производства Японии, похожий свойствами на 154CM. Он часто применяется для профессиональных ножей. Очень хорошо затачивается, обладает антикоррозийными свойствами.
D-2. В этой стали малое содержание хрома. Из-за этого она ржавеет, однако данный сплав более твёрдый и износостойкий, чем аналоги 154CM и ATS-34.
VG-10. Японский сплав, который содержит ванадий и хром. Благодаря этому он прочнее 154CM, ATS-34 и D-2. Главный его минус – требуется частая заточка.

Механические и химические свойства стали Elmax

Рассмотрев взаимосвязь состава и характеристик можно выделить сплав Elmax. Он содержит молибден, ванадий, хром. Благодаря этому лезвие хорошо затачивается и долго не поддаётся коррозии.

Хром составляет 17,8%, углерод — 1,72%, поэтому Elmax относится к высокоуглеродистым. Легирующие элементы это:

ванадий, он повышает твёрдость и прочность;
кремний позволяет сохранить вязкость;
молибден увеличивает упругость и помогает противостоять коррозии и сопротивляемость окислению при высоких температурах;
никель делает ножи пластичнее, также противодействует коррозии;
вольфрам делает изделия менее хрупкими;
магний также улучшает характеристики изделия.

Как делают ножи из порошковой стали

Процесс изготовления ножей из порошковой стали включает несколько этапов:

Материал распыляется в порошок на мельчайшие слитки.
Если необходимо, сплав обрабатывается специальным образом.
Порошок из металла помещается в вакуумную пресс-форму.
Происходит прессовка под высоким давлением.
Далее производится твердофазное или двухфазное спекание приз воздействии высокой температуры и давления.

Далее создаётся рукоять, сам клинок может быть украшен.

Как заточить нож из порошковой стали

Один из минусов порошковой стали – это, несомненно, сложность её заточки. На обычной кухне заточить нож, не допустив неровностей и мельчайших сколов очень сложно. Для этого необходимо специальное оборудование. Самый простой путь – обратиться в мастерскую, которая на этом специализируется.

Удобство и простота применения

Удобство и простота – это самые сильные стороны ножей из порошковой стали. Они очень острые, долго не тупятся. Их отличные свойства позволяют использовать их даже на охоте, рыбалке и в специализированном армейском снаряжении.

Дешёвые аналоги Elmax

Без сомнений, Elmax – лучших выбор, особенно для кухни. Однако есть его более дешёвые аналоги. Это сплавы Beta-ti Alloy, Blue Paper Super. Для их производства используется порошковая сталь более низкого качества. Если бюджет ограничен, то такие сплавы также станут неплохим вариантом.

Итак, мы можем сделать вывод, что порошковая сталь превосходит по своим характеристикам обычную. Однако сложность её изготовления влечёт за собой высокую цену, которую она, впрочем, оправдывает.

Лучший выбор сплава для ножа из порошковой стали – это Elmax. Если же бюджет ограничен, то можно остановиться на более дешёвых аналогах, которые могут использоваться даже на кухне.

Порошковые стали. Вчера, сегодня, завтра.

Вот уже несколько лет наблюдая за дискуссиями, проводимыми среди мастеров ножевого дела о выборе стали для ножа, замечаю, что больше половины тем посвящены обсуждению порошковых сталей. Собственно, интерес к этой группе материалов понятен, поскольку именно «порошки» сейчас прочно оккупировали «ножевой Олимп». Именно им принадлежит большинство «рекордов» как по способности удерживать режущую кромку (РК), так и по устойчивости к различным нагрузкам. И именно из порошковых сталей производится заметное количество ножей среднего и высокого классов.

Вместе с тем вокруг «порошков» витает много легенд, хватает преувеличений достоинств и непонимания недостатков. Поэтому давно назрела необходимость рассказать о самой технологии «порошковый передел», структуре и свойствах порошковых сталей, о перспективах развития этого класса материалов. Что я сейчас и попытаюсь сделать.

Давайте рассмотрим саму технологию, но сначала начнём издалека.

Большинство сталей, используемых для производства клинков, после термообработки (ТО) имеют структуру: мартенсит + карбиды (+ остаточный аустенит + неметаллические включения и т.д.). Карбиды, более твёрдые и хрупкие, чем мартенситная матрица, увеличивают износостойкость стали и ухудшают (сверх некоторого предела) механические характеристики, особенно прочность и вязкость. Степень снижения прочностных свойств зависит от количества карбидной фазы, её типа, размера карбидов и их скоплений и равномерности распределения карбидов в структуре. Например, для стали Р18 при переходе от балла 12 к баллу 78 по неоднородности прочность падает примерно вдвое, а вязкость втрое.

Крупные, неравномерно распределённые карбиды не только снижают механические характеристики стали, но и появляется заметная анизотропия этих характеристик, т.е. неравномерность свойств в зависимости от направления. Для клинков ситуация ещё более усугубляется самое неблагоприятное направление (трансверсальное, т.е. перпендикулярно полосе клинка) ещё и совпадает с направлением наименьшей конструктивной прочности.

Кроме того, выраженная карбидная неоднородность (именно этим термином характеризуется «качество» карбидной фазы и её распределения, измеряется в баллах к.н.) создаёт проблемы при шлифовании, увеличивает склонность к поводкам и трещинам. Стали с большим количеством крупных и неравномерно распределённых карбидов хуже поддаются горячей деформации, и, начиная с некоторой степени к.н., материал перестаёт деформироваться в обычных условиях. Такая сталь приобретает при ТО неоднородную структуру, а сами результаты ТО становятся менее предсказуемыми.

В результате получается замкнутый круг чтобы повысить стойкость, нужно увеличивать количество карбидной фазы, а чтобы сохранить приемлемые механические характеристики уменьшать и улучшать распределение. Так как количество и тип карбидной фазы зависят от состава стали (в основном от содержания углерода и количества и типа легирующих элементов), то в сталях классического передела существует некоторый предел по легированию (и соответственно содержанию карбидной фазы), при котором сталь ещё обладает минимально допустимыми механическими и технологическими свойствами. А соответственно существует и предел стойкостных характеристик.

Теперь, думаю, стоит перечислить типы карбидов (по происхождению и составу) и отметить степень их отрицательного влияния на свойства стали.

Рассмотрим процесс кристаллизации слитка (сильно упрощённо).

Итак, если идти сверху вниз по температурной шкале, то при охлаждении расплава последовательно выделяются:

Первичные карбиды они выделяются непосредственно из расплава. Как правило, это карбиды и карбонитриды элементов 4-й и 5-й групп, наиболее часто встречаются карбиды ванадия при содержании последнего в стали выше 67%;
Эвтектические карбиды входят в состав эвтектики и выделяются при застывании последних порций жидкости. Из-за своего большого размера (до 50 мкм) и морфологии (эвтектика «обволакивает» дендриты и первичные зёрна, образуя сетку) именно эвтектические карбиды наиболее сильно влияют на прочностные и технологические свойства стали. Эвтектические карбиды в основном представлены карбидами на базе хрома и вольфрама (молибдена). В высокованадиевых сталях может присутствовать эвтектика на базе карбида ванадия (более «тонкого» строения);
Вторичные карбиды выделяются из аустенита при охлаждении. Имеют малые размеры и весьма равномерное распределение. В определённых условиях могут образовывать грубые скопления, ухудшая карбидную неоднородность;
Третичные карбиды выделяются из мартенсита. Имеют субмикронные размеры.

Как правило, с увеличением количества карбидной фазы растут размеры карбидов и ухудшается их распределение.

Таким образом, мы видим, что для того чтобы при большом количестве карбидной фазы сохранить приемлемые прочностные и технологические свойства, необходимо уменьшить размер карбидов и сделать их распределение более равномерным. И главным образом следует «бороться» с эвтектическими карбидами как самыми «вредными». А это непросто. Практически все быстрорежущие и подавляющее большинство коррозионно-стойких и штамповых сталей относятся к ледебуритному классу, т.е. имеют в структуре эвтектические карбиды. Из наиболее распространённых марок можно назвать Р18, Р6М5, Х12МФ, 95Х18 и т.д.

Как же быть? Есть несколько путей решения проблемы.

Оптимизация состава стали. При этом уменьшается количество эвтектических карбидов, а необходимая износостойкость достигается за счёт карбидов других типов. Типичный пример такого решения многие высокованадиевые стали.
Микролегирование. Многие элементы делают эвтектическую сетку более «тонкой», улучшают распределение эвтектических карбидов и несколько уменьшают их размеры. Как правило, это сильные карбидообразователи, элементы 2й группы и РЗМ.
Высокоинтенсивная пластическая деформация. При увеличении степени деформации карбиды частично дробятся, и улучшается их распределение (особенно при использовании специальных приёмов деформации).
Увеличение скорости кристаллизации.

Именно последний принцип, доведённый почти до абсолюта, и лежит в основе технологии порошковой металлургии. Как можно увеличить скорость охлаждения? Элементарно уменьшить размеры слитка. При размере слитка порядка 150 мкм (типичная «порошинка») скорость охлаждения достигает 104105 К/с, при таких скоростях и размерах эвтектика получается очень «тонкой», а размер карбидов не превышает 23 мкм. Как это реализуется практически? В несколько стадий, последовательное выполнение которых называется порошковым переделом.

Расплав с составом, соответствующим составу стали, распыляют различными способами (могут использоваться воздух, азот, инертные газы, вода, углеводороды и т.д.). Частички распылённого металла кристаллизуются. При этом каждая «порошинка» представляет собой микрослиток. На выходе получается металлический порошок.
Если есть необходимость, порошок подвергают дополнительной обработке (удалению неметаллических включений, твердофазному азотированию и т.д.).
Далее порошок насыпают в контейнер из пластичного материала, вакуумируют и заваривают.
Контейнер подвергают прессованию при высоких давлениях (несколько сотен/тысяч атмосфер при обычной температуре). (Опционально.)
Проводят твердофазное или двухфазное (в присутствии некоторого количества жидкой фазы) спекание при высоких Т (1150-1300 °С) и давлениях (десятки/сотни атмосфер).

Собственно, на этом различия порошкового и стандартного методов получения сталей заканчиваются. Заготовки из порошковых сталей подвергают горячей деформации и т.д. (рис. 1).

Технология была разработана в середине 1960-х годов в Швеции (в СССР порошковую технологию некоторое время называли «Шведским процессом»). Порошковые стали начали широко применяться с начала 1970-х годов. В настоящее время за рубежом порошковым переделом производится значительное количество марок сталей, в основном высоколегированных. В СССР центром порошковой металлургии была УССР, и после распада Союза почти все предприятия оказались на Украине.

Преимущества порошковой технологии.

За счёт мелких размеров и близкого к идеальному распределения карбидов в порошковых сталях:
- Можно заметно увеличить степень легирования (соответственно «впихнуть» в сталь больше карбидной фазы) и тем самым повысить стойкостные свойства стали (рис. 2);
- При разумном ограничении количества карбидной фазы достигаются лучшие механические характеристики;
- Порошковые стали гораздо лучше шлифуются (иногда на порядок) и куются;
- При закалке стали получается более насыщенный твёрдый раствор, более мелкое и равномерное зерно, что способствует некоторому повышению твёрдости, теплостойкости, механических свойств и коррозионной стойкости.
Порошковая технология позволяет достаточно легко получать высокоазотистые стали методами твердофазного азотирования (например стали Vancron 40/50 и Vanax 35/75).
Порошки могут применяться для создания материалов методами механического легирования (карбидостали, керметы, ДУО стали).

Недостатки порошковой технологии.

Порошковый передел расширяет, но не отменяет пределов по легированию. Например, порошковый процесс практически не влияет на размеры и морфологию первичных карбидов (они присутствуют в составе таких сталей, как CPM10V, CPMS90V и т.?д.). Увеличение количества первичных карбидов приводит к быстрой деградации механических и технологических свойств стали (например, CPM15V). Есть и предел снизу если сталь не имеет в структуре эвтектических карбидов, то порошковый передел не имеет смысла и часто приводит к некоторому ухудшению свойств.
Порошковые стали, как правило, имеют больше неметаллических включений (хотя с этим успешно борются).
Порошковые стали заметно дороже (относительно малолегированные стали примерно втрое, для высоколегированных разница меньше). Их производство требует дорогого оборудования, ограничен максимальный размер заготовок.

Необходимо понимать, что порошковый передел это не палочка-выручалочка. Он решает одну задачу борется с карбидной неоднородностью. Наиболее целесообразно получение этим методом высоколегированных сталей (например, быстрорежущих или коррозионно-стойких), где улучшение стойкости, механических и технологических свойств компенсирует повышение стоимости.

А теперь хотелось бы рассмотреть основные направления развития порошковой металлургии.

Изменение состава сталей с учётом применения порошковой технологии. Если изначально порошковым переделом вырабатывались стали того же состава, что и при традиционном способе, то примерно 15 лет назад появились стали, система легирования которых изначально подразумевала производство порошковым переделом. В качестве примера можно привести сверхбыстрорежущие стали типа HAP 72 или сверхвысокованадиевые стали типа CPM15V, производство которых традиционным способом практически невозможно. В качестве другого примера можно назвать сталь CPMS110, которая содержит 3,5% ниобия, тогда как для сталей, полученных обычным переделом, максимально допустимое содержание этого элемента порядка 2% (при большем содержании в структуре стали появляется очень хрупкая эвтектика).
Улучшение металлургического качества сталей. В первую очередь, борьба с неметаллическими включениями. Если изначально металл перед распылением плавился в открытой печи, то впоследствии перешли к вакуумным агрегатам, добавили обработку шлаком и приняли специальные меры против попадания шлака в распыляемый металл. Это привело к заметному росту свойств сталей последнего поколения.
Получение высокоазотистых сталей методом твердофазного азотирования порошков. На этом хотел бы остановиться особо и рассмотреть новейшие стали Uddeholm высокоазотистые стали семейств Vancron и Vanax.

Стали производятся путём твердофазного азотирования распылённых порошков и последующего компактирования аналогично другим порошковым сталям. В процессе азотирования, проводимого при умеренных температурах (500550 °С), распылённый порошок реагирует со специальной газовой смесью в «псевдоожиженном» кипящем слое. При этом происходит сквозное азотирование «порошинок». При высокотемпературном компактировании содержание азота в стали выравнивается и достигает 4%. Азот в стали ведёт себя практически аналогично углероду, за несколькими НО:

Как правило, нитриды и карбонитриды имеют меньший размер и гораздо более равномерно распределены, у них несколько меньшая твёрдость, чем у карбидов, но они заметно лучше удерживаются матрицей;
Высокое содержание азота обеспечивает высокую адгезионную износостойкость, часто на порядок выше, чем это показатель у «обычных» сталей;
Высокоазотистые стали, даже с относительно низким содержанием хрома, часто имеют весьма высокую коррозионную стойкость.

По совокупности свойств эти стали видятся самыми перспективными как среди инструментальных сталей (Vancron), так и среди коррозионно-стойких (Vanax).

По составу высокоазотистая вольфрамомолибденовая полубыстрорежущая сталь с 8,5% ванадия.
Замена азотом значительной части углерода позволила поднять содержание ванадия почти на 3% без появления в структуре первичных карбонитридов. Это, а также малые размеры и особые свойства карбонитридов позволили получить весьма высокие значения стойкости, особенно при адгезивном износе (на мой взгляд, часто являющемся определяющим для деградации РК). Кроме того, в процессе износа сталь должна образовывать гораздо более «едкую» микропилу (рис. 3).

Новейшая штамповая сталь от «Uddeholm».
Как видно, по составу сталь весьма похожа на штамповые стали с 10% V, но благодаря тому, что 2/3 углерода замещено азотом, стало возможным поднять содержание ванадия (а соответственно и нитридной/карбонитридной фазы) до 12,4%, при этом в структуре нет первичных выделений.

Сталь пока находится в полупромышленном производстве и, теоретически, должна обеспечивать новый уровень стойкости РК.

Vanax 35 и Vanax 75

Фактически Vanax 35 является высокоазотистой версией таких сталей, как Elmax или M390 (с несколько увеличенным содержанием молибдена), Vanax 75 близка по составу к Vanax 35, отличаясь главным образом по содержанию ванадия и азота (при чуть меньшем содержании молибдена).

Обе стали при высокой стойкости (Vanax 75, я думаю, вообще должна быть одним из лидеров) обеспечивают высокие механические свойства и высокую коррозионную стойкость (в том числе в присутствии хлоридов). Это первые стали с весьма высокой стойкостью РК на ноже, имеющие коррозионную стойкость, достаточную для применения их в пищевой индустрии и для эксплуатации в морской воде.

Vanax 35 уже можно встретить в серийном производстве, Vanax 75 пока редкость.

Читайте также: