Подобрать сталь по твердости

Обновлено: 16.05.2024

Твёрдость — свойство стали (или другого сплава) оказывать сопротивление сдавливанию более твёрдым телом, например, быстрорежущей сталью или победитом.

Что это такое?

Твёрдость стали – одна из важнейших величин (показателей), имеющих основное значение для её использования при разных условиях. Это значит, что стальной сплав, не обладающий минимально необходимой при выполнении определённых задач твёрдостью, быстро выходит из строя в режиме частой и длительной нагрузки.

Например, гвоздь, будучи изготовленным из железа, в котором почти нет углерода, нельзя было бы вбить даже в деревяшку. Он тут же затупился и согнулся бы. Чтобы избежать подобных ситуаций, в сталь вводят важнейший компонент – углерод. Твёрдость стали по шкале Роквелла должна достигать как минимум 36 единиц, только тогда стальной состав можно будет с большим успехом применить, например, в качестве конструкционного материала.

Но если такое свойство не обеспечивается в полной мере, то железо подлежит переплавке. Чистое железо, не обладающее достаточной твёрдостью, присущей стали, можно встретить только в лабораториях.

Виды шкал по методу измерения

Твёрдость стали как характеристика влияет на конкретное её применение. Она определяется как частное от деления величин нагрузки и площади поверхности друг на друга. Однако различают поверхностную, объёмную и проекционную твёрдость. Поверхностная определяется величиной давления, которую выдерживает заготовка. Проекционная – деление значения силовой нагрузки к площади проекции области давления. Объёмная – та же величина, поделённая на конкретный объём испытуемой зоны.

Макротвёрдость – воздействие от 2 Н до 3 кН силы для внедрения давящего тела в сдавливаемое на глубину в 200 нанометров. Микротвёрдость – сила менее 2 ньютона на ту же глубину. Нанотвёрдость – внедрение тела с любой силой воздействия на глубину менее 200 нм.

По Бринеллю

Суть метода определения твёрдости по Бринеллю сводится к диаметру отпечатка, который оставляется шариком из твёрдого сплава, вжимаемым в испытуемую поверхность. Величина твёрдости в этом случае равна отношению усилия, прилагаемого к шарику, к площади оставленного на поверхности следа испытательной нагрузки. Площадь отпечатка при этом равна площади части поверхности шарика. Значение твёрдости по Бринеллю равно килограммам силового воздействия на квадратный миллиметр. Встречающееся обозначение HB (что значит «твёрдость Бринелля») указывает на неиспользование испытательных шариков для определения искомой величины.

По Роквеллу

Метод Роквелла, по своей сути, напоминает испытание вдавления алмазного конуса в тестируемый материал. Размерность – конкретные единицы, включая производные – не задана. Несмотря на существования нескольких шкал по Роквеллу, используют лишь две из них – A (до 100 единиц) и B (до 130 по HRC). Твёрдость алмаза – максимальная, аналогов у данного материала в природе, да и при промышленном их получении, не существует. Для сравнения, эльбор имеет всего лишь 90, а не 100 единиц твёрдости.

По Моосу

Метод определения твёрдости по шкале Мооса основан на сравнении с эталонами 10 минеральных веществ – от талька до алмаза. К примеру, если испытуемая деталь процарапывается апатитом, но не поддаётся флюориту, то его твёрдость оказалась в диапазоне 4-5 единиц. Но абсолютная твёрдость колеблется от 1 до 1600 единиц.

По Виккерсу

Метод Виккерса несколько отличается от своего предыдущего аналога. Вдавливание осуществляется не конусом, а пирамидкой, из того же алмаза. Единицы измерения – как и в случае метода Бринелля.

По Шору

В отличие от метода Роквелла и иных аналогов вместо алмазного острия применяют закалённую иглу под действием настраиваемой пружины. Область применения – в основном для полимерных, а не стальных составов. Шкала в основном представлена вариантами A – для мягких пластиков, и D – для твёрдых. Для вычисления твёрдости стали определяют не глубину проникновения, а высоту отскакивания иглы или специального бойка.

Другие

Метод Кузнецова–Герберта– Ребиндера состоит в следующем: величина твёрдости вычисляется по времени затухания колебания маятника, опёртого об исследуемый образец.

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) заключается в следующем: твёрдость измеряют путём сопоставления с твёрдостью образцовой заготовки и эталонной детали. Последовательно вдавливают шарик в тот и другой образцы.

Метод Бухгольца применяют в основном для выяснения значения твёрдости лака или краски, слой которой успел полностью высохнуть и затвердеть. Для проверки может использоваться любое остриё.

Метод Янка рассчитан для определения твёрдости древесных изделий и заготовок. Предусматривает использование статики и динамики для вычисления значения твёрдости.

Во всех случаях применяются приборы-твердомеры. Покрытие или поверхность основного материала предусматривает разрушение или сохранение поверхностного слоя. Ни один из вышеописанных методов не является истиной в последней инстанции – данные способы применяются в качестве приближённого, оценочного суждения о значениях твёрдости материала той или иной разновидности.

Для одних и тех же сортов стали величины могут существенно отличаться, а диапазоны величин для разных марок стали одного и того же рода – располагаться так, что любые зависимости окажутся в виде отчётливых кривых на графике. А также твёрдость меняется при разных внешних температуре и давлении.

Твёрдость сталей разных марок

Чем твёрже сталь, тем больше в ней должно содержаться углерода. Это задаёт то значение твёрдости, которое превысить не удастся, сколько данную марку сплава ни пытаться перезакалить. Для Ст20 твёрдость по шкале Роквелла в среднем равна 38 единиц, для Ст60 – 63. Повышение твёрдости промежуточных сортов стали начиная от наиболее низкоуглеродистой приближённо линейное. Наибольшей популярностью пользуются сорта стали 3, 30, 20, 53, 20Х, 55, 45, 35, 65Г, 12ХФ, 30Х, 25, 38ХА, при этом легирующие добавки управляют не столько параметром твёрдости, сколько иными – ударной вязкостью, упругостью, стойкостью к коррозии. Например, хромистые стали типа 20Х, 12Х, 30Х, 38ХА – несколько более устойчивы к ржавлению, чем простые их собратья без данной добавки. Никель, к примеру, повышает прокаливаемость. В целом же тенденция к повышению твёрдости прослеживается следующим образом: у Ст3 она не превышает 35 единиц по всё той же шкале Роквелла, у Ст30 в состоянии поставки – уже 44, у проката Ст35 – 47, Ст40 – 53, Ст45 – 57, Ст50 – 59, Ст55 – 61. Стали с содержанием углерода менее 0,3% по массе не поддаются закаливанию – из них изготавливают проволоку и гвозди.

Однако у некоторых высоколегированных и среднелегированных сталей твёрдость по Роквеллу может колебаться в значительных пределах (в режиме закалки и отпускания): 20Х – 55… 63, 65Г – 45… 47, Х12МФ – 61… 64, 30Х – 48… 54, 38ХА – 60… 61,5. Здесь, опять же, отслеживается аналогичная закономерность: чем больше углерода в сплаве, тем выше твёрдость. Однако вместе с ней растёт и способность крошиться при прикладывании к острию значительной силы при разрезании – с увеличением количества углерода по массе состава.

Для сравнения, твёрдость чугуна, содержание угля в котором превышает 2,14% по массе, преодолевает сама себя как явление: хрупкость чугуна настолько велика, что многие чугунные изделия растрескиваются от удара молотка, чего не происходит со стальными.

Как проверить в домашних условиях?

Общеизвестно, что сталь не царапается большинством цветных металлов. Можно попробовать поцарапать заготовкой стеклянную бутылку или осколок от листового оконного стекла, однако такой метод окажется весьма приближённым.

Проверка твёрдости в домашних условиях достигается попыткой высверлить сломанным, но подточенным заново сверлом из быстрорежущей стали. Если сталь при этом затупится, то твёрдость сплава явно превышает 64 единицы по Роквеллу. Сверлить эксклюзивные приборы, например, дорогостоящие ножи, вряд ли кто возьмётся, но просверлить отверстие в обычной детали, которая после подобного испытания вряд ли потеряет исходную функциональность, можно.

Если сталь легко процарапывается осколком бутылочного или оконного стекла, то перед вами, скорее всего, подделка. Быстрорежущую сталь особой твёрдости нелегко процарапать стеклом. А вот твёрдость победита, к примеру, такова, что победитовое сверло не царапается стеклом – скорее оно само его с лёгкостью процарапает.

Чтобы убедиться, что перед вами стальное сверло, а не победитовое, можно попробовать им просверлить глиняный кирпич или гранитный камень. Если при этом оно быстро затупится, то вы столкнулись с обычным сверлом из стали (оно сверлит лишь дерево).

Быстрорежущее сверло можно проверить на качество, просверлив им стальную деталь. Верно и обратное: заострённым обломком старого быстрорежущего сверла, который был подточен вручную, на напильнике или наждачке, высверливают заготовку с той стороны и в том участке, чьё повреждение не влияет на качество работы детали (например, это некритичная комплектующая вроде части стальной рамы). В этом случае проверяется качество закалки, нормализации, отжига или отпуска. Данный приём позволяет проверить, насколько нарушена технология термообработки отдельных деталей устройства, выдержит ли оно заявленный уровень ударно-вибрационной нагрузки.

Кроме механических способов проверки, присутствуют и термические. Например, инструментальная сталь, из которой изготовлен нож, нагревается до температуры закалки, указанной в инструкции к закаливанию конкретной массы стали. Далее инструмент охлаждается в масле. Затем его нагревают до температуры отпуска – и вновь охлаждают. В описании к определённой марке стали указано, что сталь приобретает определённый оттенок при нагреве – нагревать её нужно, пока она не приобретёт данный оттенок, затем вновь охладить. После отпуска исчезнут все усталостные напряжения, и стальной сплав обретёт ту твёрдость, что указана в его описании.

Если оказалось, что твёрдость далека от ожидаемой, значит, вы столкнулись с подделкой, закалить и отпустить изделие, как это наблюдалось бы с заявленной маркой стали, не удастся. Такие изделия годятся лишь для переплавки в качестве металлолома.

Как повысить?

Повышению твёрдости через закаливание и отпускание не подлежат сорта низкоуглеродистой стали. Даже когда изначально кажется, что масло, прижигаемое к поверхности закаливаемой заготовки, превратится в уголь и этим обогатит процентное содержание углерода, то на самом деле это не так. Сталь должна обладать более чем тремя промилле углерода (по массе), только тогда возможно немного повысить её твёрдость в домашних условиях. Дополнительному закаливанию и отпусканию подвергаются все быстрорежущие составы, относящиеся к инструментальным сталям, а также нержавейки начиная с серии Ст-31Х14.

Перед закаливанием рекомендуется выполнить отжиг. Температура отжига, как правило, ниже, чем во время закалки, но заметно выше, чем при отпускании. Например, сталь У12А обладает твёрдостью 64 по шкале Роквелла. Закаливают при 800 по Цельсию – вначале раскалённый инструмент ненадолго (на доли секунды) опускают в воду, затем – несколько раз на это же время – в масло. Сталь эта раскаляется до светло-красного, для чего достаточно применить большой костёр, к примеру, в шашлычнице или печке из огнеупорного кирпича, либо в самодельной муфельной печи. Причём работать эта печь вполне может от спирали, залитой в огнеупорную глину или даже помещённой в керамику. Но в качестве источника нагрева допустимо и использование паяльной лампы – например, газосварки, переведённой из турборежима в режим обычного горения пропана или метана. О том, что раскаливание инструмента происходит штатно, свидетельствует покраснение металла.

Однако, превысив температуру до 1300 и более градусов, велик риск перегреть сплав, из которого изготовлен прокаливаемый инструмент – сталь делается почти белой и окончательно теряет твёрдость.

Все о твердости стали для ножей

Нож как изделие начинается не с рукоятки и украшений, так как это не сувенир. Поскольку он является режущим инструментом, решающую роль в выборе такого изделия играет качество стали, из которой изготовлен клинок.

Какой должна быть твёрдость?

Оптимальный показатель твёрдости для профессиональных ножей – порядка 65 единиц по шкале Роквелла. Победитовых или покрытых алмазным напылением ножей, естественно, не выпускают, а выплавить победит и нанести алмазную крошку в домашних условиях почти невозможно. Если отбросить оба этих варианта, то современная сталелитейная и кузнечная промышленности предлагают десятки сортов сталей.

Отбросив самые низкокачественные, метко прозванные в народе «пластилином, который тупится через пять минут работы», стоит присмотреться к оптимальным вариантам, не слишком твёрдым. Дело в том, что твёрдость имеет оборотное качество – хрупкость, в основном обусловленную наличием в составе стали серы и фосфора.

Сера, к примеру, портит сталь, делая её хрупкой, поэтому в высококачественных сплавах её содержание сокращают почти до следовых количеств.

Показатели у разных марок

Выбирая сталь с оптимальным сочетанием твёрдости и хрупкости, потребитель останавливается на лучшем по соотношению цены и качества изделии. Легирование сталей хромом, молибденом, кобальтом улучшает противодействие сплава образованию ржавчины, а также улучшает упругостный (ударная вязкость) и прочностной показатели (является следствием оптимального сочетания твёрдости и упругости). В качестве схожего примера – свёрла, в сплаве которых содержится кобальт.

Из нижеследующей подборки исключены все стали не вполне качественных марок. Когда стоит задача не взять первый попавшийся товар, а как следует изучить ассортимент и выбрать наилучшее за свой бюджет, выделенный на покупку ножа, то обратить внимание нужно на следующие марки стали.

CPM-S30V – сплав с содержанием ниобия и карбида. Устойчив к образованию ржавчины и способен выдержать режущую кромку даже после нескольких тысяч циклов допустимой нагрузки на остриё. Ниобий позволяет легко подточить лезвие. Является сбалансированным по прочности и твёрдости составом.
CPM-S35VN – мелкозернистая сталь, содержит только ниобий. Усовершенствованный вариант предыдущего сплава. Качества сохранены на уровне предыдущего образца.
CPM-M4 – высокоуглеродистая сталь с вольфрамом, молибденом и ванадием. Почти не содержит хрома. Высокая прочность, устойчивость и склонность к лёгкой обработке, но не в полной мере: затачивать необходимо с помощью особого точильного круга или диска. Подвержена образованию ржавчины, но достаточно долго удерживает остроту.
CTS-XHP обладает заявленной твёрдостью по шкале Роквелла в 61 единицу. Производство налажено на основе порошковой стали, после спекания порошкообразного состава образуется мелкозернистая структура. Устойчивый к ржавлению состав, но точится долго.
Elmax содержит много молибдена, ванадия и хрома. Износостойкий состав, противодействующий пищевым окислителям и воде. Несмотря на принадлежность к нержавейке, имеет отношение к высокоуглеродистым составам. Благодаря гораздо более облегчённой по сравнению с предыдущим вариантом заточке пользуется большей популярностью.
ZDP-189 – состав с твёрдостью в 64 единицы по шкале Роквелла, заметно лучше многих своих собратьев по данному признаку. Ржавеющий состав требует ухода. Сложен в заточке.
M390 – стальной сплав третьего поколения, содержащий в своём составе вольфрам, молибден, ванадий и хром. Уверенное удержание кромки и противостояние ржавлению, повышенному износу. Закалённая сталь данной марки достигает значения твёрдости в 62 единицы по Роквеллу.
CPM-S90V – высокоуглеродистая сталь с повышенным содержанием ванадия. Состав отличается износоустойчивостью даже к наждачке, отчего заточить его сложно.

Другие марки сталей, не вошедшие в данный список, для серьёзных задач можно даже не рассматривать. Даже когда вы не рубите кости и не разделываете туши убитой дичи, не стоит пытаться одним кухонным ножом решить все насущные вопросы.

Опытные туристы и путешественники не станут тратиться на низкопробный ширпотреб, а вложатся в клинок с качеством хотя бы выше среднего.

Как определить?

Догадаться, какая перед вами сталь: обычного кухонного или более профессионального назначения, достаточно просто. На фирменном клинке указываются марка стали и страна изготовления. Информация эта должна быть выгравирована с помощью лазерного стачивающего станка: крупные и заслуженные компании могут себе позволить лазерный гравировщик на основе ЧПУ. Если сведения напечатаны при помощи краски, пусть и износостойкой, вроде той, которой окрашивают новые автомобили, в любом случае это расчёт на то, что надпись сотрётся. Гравировка с профессиональной стали не стирается, не смазывается и не мутнеет 10 и более лет при условии, что сталь ещё и нержавеющая. На профессиональных ножевых кухонных изделиях можно встретить, к примеру, обозначение вроде AISI 420 (американская марка нержавейки) либо символы вроде X50CrMoV15, означающие европейскую систему маркировки.

По последним с высокой достоверностью определяют состав. Американские, европейские и японские фирмы часто указывают значение твёрдости по шкале Роквелла рядом с маркером применённого при изготовлении ножа состава, например, 62-64 HRC. Если вы столкнулись с подделкой, к примеру, из Китая, не стоит ждать от неё многого. Оригинальный высокопрочный товар, за который выдают поделку из «пластилиновой» стали, что легко тупится, разочарует быстро тупящимся лезвием надолго, по сравнению с радостью от низкой цены. Некоторые пользователи вместо туристического ножа могут раздобыть медицинский скальпель, притом настоящий. Такой нож сработан из высококачественной и высокопрочной нержавейки, долго остаётся острым и не будет тупиться даже после десяти тысяч разрезаний. Им можно даже скалывать щепки с засохшей ветки дерева.

Когда он затупится, заточить его будет непросто: потребуется либо специальный точильный круг, либо болгарка, заточка ножей на которой производится с помощью высокооборотистого (от 6000 оборотов в минуту) привода. Иногда за дамасскую сталь могут выдать простой чермет низкого качества. В промышленном объёме дамасскую сталь не производят, к тому же она уступает по устойчивости к затуплению «скальпельной» нержавейке.

Впрочем, узнав, из чего изготавливаются скальпели, можно приобрести на ближайшем металлургическом комбинате (или на металлобазе) нержавеющий лист аналогичного качества и самому изготовить хоть десятка два ножей, выдержав оптимальный угол заточки.

Все о твердости стали

Сталь для ножей: марки, характеристики, плюсы и минусы

При выборе ножа нужно разобраться в марках стали: какая тверже и дольше держит заточку. В этой статье мы рассмотрим 15 популярных марок ножевых сталей из трех ценовых категорий, разберем их характеристики, плюсы и минусы и выясним, действительно ли самая дорогая — самая лучшая.

Как марка стали влияет на нож

Грамотность ножевого сообщества значительно выросла, но споры о том, какой должна быть марка стали, не утихают. Помимо твердости и устойчивости к влаге, она должна удерживать режущую кромку, чистоту реза, иметь легкость заточки, малую хрупкость. От того, какая сталь подобрана, зависит форма и назначение ножа, его выносливость и практичность.

Производители иногда копируют удачную модель ножа конкурентов, но из-за разницы в сталях и закалке выходит только внешнее сходство.

Например, нож из простых бюджетных сталей типа 420 можно заточить в острейшую бритву, но кромку он держать не будет — затупится до умеренно острого состояния уже через 10-15 резов. Это не значит, что такое изделие некачественно. Некоторые производители, например Buck, осознанно применяют данную сталь на своих дорогих моделях, так как их кредо — практичность. “Мягкие” стали легко точатся и практически не ржавеют.

Элитные суперстали не дают решения всех задач: ножи удерживают заточку, обладают наибольшей твердостью, но их кромка может оказаться хрупкой и выкрашивается, а заточка таких сталей без алмазных абразивов сложна.

Большая часть ножей из суперсталей — это флагманские выставочные модели, не рассчитанные на суровую эксплуатацию: они больше подходят для украшения полки, нежели для разделки туши лося посреди заснеженной тайги.

Идеальной стали нет и не может существовать: для выносливого мачете подойдет высокоуглеродистая ржавеющая сталь марки SAE 1070, для городского складника на каждый день — недорогие нержавейки AUS-8 или 8Cr13MoV, а если дарить ценителю, то стоит выбрать СМ154 или M390.

Характеристики ножевых сталей

Сорта стали обладают набором характеристик, но часть из них понятна лишь металлургам и кузнецам. Для новичков мы выделим основные:

Твердость — объективная характеристика, которая выражается в единицах по шкале Роквелла. Она указывается в числовом значении HRC. Для современных ножей норма от 55 до 60. Твердостью свыше 60 пунктов без повышения хрупкости материала обладают лишь порошковые суперстали, но и их предел — 65-68 HRC, после чего материал неизбежно теряет прочность. Твердость определяется не только сортом стали, но и ее закалкой. Так даже самые дорогие могут быть испорчены неумелой заточкой на гриндере или точильном круге.

Абразивная стойкость — характеристика, которая зависит от кристаллической структуры стали и отвечающая за скорость затупления ножа. Порошковые стали, обладающие равномерной мелкокристаллической структурой, точатся и тупятся дольше, чем непрокованные мягкие с неоднородной структурой.

Пластичность — обратная сторона твердости. От нее зависит то, как нож противостоит ударам и нагрузкам на изгиб. Там, где твердый клинок из высокоуглеродистой стали выкрошится, на пластичной стали будет лишь поправимый замин кромки.

Коррозионная стойкость — даже нержавеющая сталь в “правильных” условиях заржавеет, а уж про высокоуглеродистые стали и говорить нечего. Помимо коррозионного разрушения клинка существует химическое затупление кромки: некоторые сорта стали со слабой оксидной пленкой вроде D2 или 8Cr13MoV могут терять остроту со временем — влага из воздуха вызывают процессы на режущей кромке и разрушают ее. Коррозионная стойкость увеличивается за счет присадок, добавленных в ущерб другим качествам, и по-настоящему нержавеющие ножи обладают довольно скромными режущими характеристиками.

Качественная ножевая сталь — компромисс между этими взаимоисключающими характеристиками, и поэтому до сих пор не придумали марку, которая была бы лучшей из лучших.

Состав сплава ножевых сталей

Характеристики ножевых сталей регулируются этапами производства: от сталеварения до отливки, проковки, закалки и даже заточки — важна любая мелочь. Но задаются эти параметры составом сплава, в котором каждый элемент работает на общий замысел.

Ниже мы расскажем о назначении легирующих элементов, чтобы вы смогли понять свойства сплава, прочитав его состав:

Углерод (С) — то, что делает железо сталью. Чем его больше, тем клинок тверже, дольше сохраняет остроту, но более хрупкий и подверженный ржавчине. Оптимальное содержание в современной стали — около 0,5%. Много углерода в традиционных ножах якутов, пуукко, хигоноками — и тут это дань традиции, но не практическая необходимость.

Хром (Cr) — главная антикоррозионная присадка. Он существенно влияет на кристаллическую решетку материала, образовывая с углеродом крупные зерна — карбиды и повышая абразивную стойкость. Большое количество хрома может увеличить хрупкость металла, но порошковые стали значительно меньше подвержены этому недостатку за счет мелкодисперсного равного распределения зерен по всему объему. Нержавеющие стали начинаются от 13% содержания хрома.

Марганец (Mn) — еще одна ключевая присадка, которая увеличивает твердость и способность к закалке, однако может сделать сплав хрупким.

Ванадий (V) — помощник хрома. Он дополняет свойства Cr и повышает пластичность сплава.

Молибден (Mo) — увеличивает пластичность, компенсирует хрупкость других присадок. Он увеличивает способность сплава к закаливанию.

Никель (Ni) — снижает ломкость сплава, повышает тугоплавкость и способность к закалке.

Кобальт (Ko) — связывает все элементы сплава, облегчает создание химических связей и увеличивает твердость металла.

Остальные элементы используются для стабильности и качества стали на этапе варки. Они не влияют на режущие свойства ножа сами по себе.

Теперь, увидев марку стали Х50CrMoV15, можно понять, что это эталонная легкозатачиваемая нержавейка с 0,5% углерода и 15% хрома и небольшим содержанием легирующих добавок. А отечественная 95Х18 — высокоуглеродистая (0,95%) и высокохромистая (18%) сталь с большой твердостью, слабостью к ударам и склонностью к коррозии в агрессивной среде.