Карбиды в инструментальных сталях

Именно карбиды, которые присутствуют в инструментальных сталях, обеспечивают им их замечательные механические свойства. Типичная микроструктура инструментальных сталей после их термической обработки похожа на ту, что показана на рисунке ниже – характерное  равномерное распределение мелких карбидов. Такое распределение  карбидов и обеспечивает инструментальной стали необходимую ей высокую износостойкость.

Рисунок 1 – Равномерное распределение мелких карбидов в стали

Типы карбидов в инструментальных сталях

Тип карбида, который присутствует в инструментальной стали, зависит от легирующих элементов в ней. В инструментальных сталях применяют четыре основных легирующих элемента в различных количествах:
– хром;
– ванадий;
– вольфрам;
– молибден.
Все эти элементы образуют стабильные карбиды.

В таблице ниже перечислены все основные типы карбидов, которые могут быть в инструментальных сталях.

Таблица – Карбиды в инструментальных сталях

Твердость карбидов по Роквеллу вниз по таблице возрастает. Каждый из этих карбидов характеризуется различной кристаллической структурой в соответствии с их различными химическим формулами. Формула карбида M₃C имеет на самом деле формулу (Fe + X)₃C, где Х обозначает различные комбинации марганца с четырьмя основными легирующими элементами – хромом, ванадием, вольфрамом и молибденом.

Если Х содержит только железо и марганец, то это простой цементитный карбид, который присутствует в обычных углеродистых сталях. Таблица показывает, что в инструментальных сталях М в М₃С является в основном железом, марганцем и хромом с небольшими добавками вольфрама, молибдена и ванадия.

Два карбида, кстати, которые доминируют в нержавеющий сталях, обозначаются К₁ и К₂. Карбид К₁ – карбид М₂₃С₆ и карбид К₂ –   карбид М₇С₃ – присутствуют и в инструментальных сталях, причем для них М означает в основном хром. У остальных трех карбидов – M₆C, M₂C и MC – М содержит в основном молибден, вольфрам и ванадий.

Нагрев стали с карбидами

При нагреве стали, которая содержит карбиды, до достаточно высокой температуры в ней будет образовываться аустенит. При этом карбиды в исходной стали будут становиться все меньше по размерам, по мере того как атомы М в карбидах будут растворяться в аустените. Чем труднее атомы М растворяются в аустените, тем выше нужно разогревать сталь для ее нагрева под закалку, а также, чтобы оставить в матрице аустените  только мелкие карбиды.

«Хромистый» карбид M₂₃C₆ растворяется при относительно низкой температуре, тогда как карбиды M₆C и MC, которые содержат в основном молибден, вольфрам и ванадий, не будут растворяться, пока температура не станет достаточно высокой. Поэтому температура нагрева под закалку, например,  низколегированной инструментальной стали AISI W1 составляет 760-840 ºС, а высоколегированной инструментальной стали AISI Т1 – 1260-1300 ºС.

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007