Optimal steels for stainless knives

Хромистая оксидная пленка

Known, что высокую коррозионную стойкость нержавеющим сталям, в том числе и тем, из которых делают нержавеющие ножи, дает очень тонкая, богатая хромом оксидная пленка. Это пленка настолько тонкая – ее толщина около 2 нанометров или 0,002 мкм – что она является прозрачной. Эта оксидная пленка защищает нижележащую сталь от дальнейшего химического взаимодействия с окружающей средой.

Когда на стали образуется такая защитная пленка, говорят, что произошла пассивация стали или, что сталь находится в пассивированном состоянии. Способность сталей к пассивации возрастает с увеличением в ней содержания хрома. For, чтобы сталь считалась нержавеющей она должна содержать не менее 12 % chrome.

nozhi-nerzhaveyushchie

Нержавеющие ножитолько из мартенситных сталей

Нержавеющие стали бывают ferritic, martensitic, аустенитные, а также нержавеющие стали переходных, промежуточных типов между ними. Из всех типов нержавеющих сталей для изготовления ножей применяют только мартенситные – только они способны обеспечить необходимый уровень твердости. Как следует из их названия, мартенситные нержавеющие стали термически обрабатывают на мартенситную структуру.

Особенности термообработки мартенситных нержавеющих сталей

Упрочняющая термическая обработка мартенситных нержавеющих сталей в основном похожа на термическую обработку рядовых углеродистых и низкоуглеродистых сталей. Она также включает три этапа: аустенитизацию (нагрев под закалку), закалку и отпуск.

Однако термическую обработку мартенситных нержавеющих сталей производят значительно медленнее по двум причинам:

  • карбиды, характерные для этих сталей, растворяются в аустените значительно медленнее, чем обычные цементитные карбиды из-за присутствия в них хрома;
  • теплопроводность этих сталей значительно ниже, чем у обычных углеродистых сталей.

Первый фактор требует увеличения длительности нагрева под закалку, чтобы обеспечить растворение карбидов в аустените. Из-за второго фактора в изделии возникают более высокие градиенты температуры, что может приводить образованию трещин и короблению даже при нагреве. Поэтому обычно рекомендуется сложные изделия подвергать промежуточному низкотемпературному нагреву для сглаживания различий в температуре и только затем – полный нагрев под закалку.

Влияние содержания углерода на твердость мартенсита

Как и для обычных углеродистых и низколегированных сталей твердость неотпущенного мартенсита в нем содержания углерода:

  • at carbon content 0,06-0,14 %: 38-49 HRC;
  • at carbon content 0,2-0,4 %: 44-54 HRC;
  • at carbon content 0,65-1,2 %: 56-61 HRC.

Карбиды в нержавеющих сталях

Сопротивление коррозии мартенситных нержавеющих сталей обычно ниже, чем у ферритных и аустенитных нержавеющих сталей. Это происходит из-за наличия в них повышенного содержания углерода. The thing is, что высокий уровень содержания углерода снижает количество хрома, который мог бы растворяться в аустените. Besides, высокое содержание углерода увеличивает возможность формирования карбида (Cr,Fe)23C6, который «забирает» значительное количество хрома.

Когда образуется малая частица карбида (Cr,Fe)23C6, то матрица вокруг нее – феррита или аустенитаобедняется хромом. Если это обеднение таково, что содержание хрома падает ниже 12 %, то сталь становиться подверженной коррозии.

Определенную роль в нержавеющих сталях играет также другой хромистый карбид – (Cr,Fe)7C3.

Требования к сталям для нержавеющих ножей

Чтобы обеспечить ножу оптимальные свойства сталь должна иметь:

  • высокий уровень твердости;
  • равномерное распределение мелких карбидов для высокой износостойкости лезвия и его способности лезвия к заточке;
  • содержание хрома, которое обеспечивает коррозионную стойкость.

Для этого должны быть выполнены два основных требования:

  • аустенитная фаза стали перед закалкой должна иметь уровень содержания углерода около 0,6 % или выше для создания твердости в интервале 63-64 HRC;
  • аустенитная фаза стали перед закалкой должна иметь содержание хрома 12 % и выше для достижения высокой коррозионной стойкости.

Популярные стали для нержавеющих ножей

Для изготовления нержавеющих ножей в мире применяется большое количество сталей. Не все из них являются оптимальными с точки зрения указанных выше требований.

FROMреднее содержание углерода и хрома в тринадцати популярных ножевых сталях:
1) 440A (стандарт AISI): 0,7 and 17,0 %;
2) 440В (стандарт AISI): 0,85 and 17,0 %;
3) 440FROM (стандарт AISI): 1,1 and 17 %;
4)12C27 (фирма Sandvik): 0,6 and 13,5 %;
5) AEBL (фирма Uddeholm): 0,65 and 12,8 %;
6) DD400 (фирма Minebea): 0,61 and 12,9 %;
7) 425M (фирма Crucible): 0,54 and 14,2 %;
8) 154СМ (фирма Crucible): 1,05 and 14,0 %;
9) ATS55 (фирма Hitachi): 1,0 and 14,0 %;
10) ATS34 (фирма Hitachi): 1,0 and 14,0 %;
11) AUS6: 0,6 and 13,8 %;
12) AUS8: 0,73 and 13,8 %;
13) AUS10: 1,0 and 13,8 %.

Недостатки ножей из сталей 440А, 440В и 440С

С учетом выше сказанного популярные американские стали (ANSI) 440A, 440В и 440С не являются оптимальными для изготовления ножей.

Среднее содержание углерода и хрома – марочное и фактическое в аустените при нагреве стали под закалку до 1100 ºС is, соответственно:

  • сталь 440А: 0,70/17 % and 0,48/15,1 %;
  • сталь 440В: 0,85/17 % and 0,52/14,6 %;
  • сталь 440С: 1,07/ 17 % and 0,56/13,6 %.

У всех трех сплавов содержание хрома в аустените снижается по сравнению марочным содержанием 17 %, но остается выше содержания 12 %, необходимого для хорошей пассивации. Содержание углерода в аустените уменьшается, хотя и незначительно, ниже уровня 0,6 %, необходимо для достижения твердости 63-64 HRC. Besides, оказывается, сплав с самым высоким содержанием углерода – сталь 440С – обычно содержит неблагоприятные крупные частицы первичного карбида, которые образуются при затвердевании исходного стального слитка.

Optimal steels for stainless knives

Только четыре стали из приведенного выше списка являются оптимальными. К ним относятся следующие стали (выделены жирным в общем списке):

  • сталь 12C27 (фирма Sandvik);
  • сталь AEB-L (фирма Uddeholm);
  • сталь DD400 (фирма Minebea);
  • сталь AUS6.

Среди других сталей эти стали обеспечивают лучшее сочетание свойств для материала лезвия ножа:

  • Уровень твердости в закаленном состоянии 63-64 HRC, что обеспечивает высокое сопротивление износу.
  • Уровень хрома в аустените при нагреве стали под закалку более 12 %, что обеспечивает хорошую коррозионную стойкость.
  • Присутствие в стали равномерно распределенных мелких карбидов, что обеспечивает высокую сопротивление износу, а также отсутствие крупных первичных хромистых карбидов, которые снижают способность лезвия к заточке.

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