Закалка ножа: сталь углеродистая и сталь легированная

Лезвия ножей могут делать как из высокоуглеродистой стали, так и из низколегированной. Обычно лезвия ножей закаливают. Результат закалки этих – весьма различных – сталей может быть также совершенно различным. Ниже на примере двух сталей показаны особенности закалки лезвий ножей из углеродистой и легированной стали.

Закалка стального ножа

Две марки стали – американские 1086 и 5150 (наши аналоги — стали 85 и 50Х) – были откованы на одинаковые заготовки для ножей, как это показано на рисунке 1.

zakalka-nozhaРисунок 1 – Две возможные конфигурации распределения мартенсита и перлита
в закаленных стальных лезвиях:
а) ожидаемое распределение мартенсита (М);
б) фактическое распределение мартенсита

Ширина лезвия ножа составляла 25 мм, а толщина изменялась от 6 мм до 0,3 мм. Для каждой стали были приготовлены образцы с мелким и крупным зерном. закалку производили в масляном баке при комнатной температуре с перемешиванием масла. Затем заготовки разрезали пополам, полировали, травили и осматривали под микроскопом.

Три образца их четырех имели 100%-ный мартенсит: оба образца – мелкозернистый и крупнозернистый из легированной стали 5160 и крупнозернистый образец из углеродистой стали 1086.

Микроструктура стали лезвия ножа

Структура образца из мелкозернистой стали 1086 оказалась смесью мартенсита и мелкодисперсного перлита. При этом распределение  мартенсита по сечению оказалось неожиданным. Поскольку скорость охлаждения должна была быть самой высокой на поверхности лезвия, то, казалось бы, вдоль всей поверхности должен был образоваться мартенсит. Однако мартенсит был обнаружен только в узкой части лезвия и немного в углах на толстом крае (рисунок 1, б).

Тот факт, что мартенсит не образовался, как ожидалось, вдоль поверхности, означает то, что у этого сужающегося лезвия при охлаждении его в масле скорость охлаждения в центре лезвия почти такая же как на поверхности утолщенной части 6 мм. Такой эффект для тонких образцов известен и он связан с пленочным кипением на его поверхности.

Твердость стали лезвия ножа

Все закаленные образцы затем были исследованы путем измерения твердости HRC с интервалом 0,06 мм по сечению лезвия от тонкого до толстого края. Твердость по толщине лезвия показана на рисунке 2.

tverdost-nozhaРисунок 2 – Твердости HRC по толщине лезвия

Микротвердость стали по сечению лезвия показывает, однако, что твердость остается постоянной по толщине лезвия от 2 мм до тонкого края лезвия, где толщина примерно 0,8 мм.

Влияние размера зерна на прокаливаемость стали

  • Результаты для лезвия из стали 1086 показывают сильное влияние размера зерна.
  • В крупнозернистой стали (балл зерна 11) лезвие является полностью мартенситным с HRC = 65 по всей толщине.
  • В лезвии из мелкозернистой стали 1086 (балл зерна 15) 100%-ный мартенсит смог образоваться только до толщины около 2 мм.
  • При толщине 4 мм мартенсита уже нет совсем, и структура стали состоит из бейнита или перлита. Сталь 5160 намного меньше чувствует влияние размера зерна. Небольшая потеря мартенсита наблюдается только при толщине более 4 мм.

Это пример демонстрирует преимущества низколегированных сталей по сравнению с обыкновенными углеродистыми. Мелкое зерно дает им высокую вязкость, а хорошая прокаливаемость – большую глубину закалки – значительно глубже, чем у углеродистых сталей.

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