Марки стали для ножа. Как выбрать

Лезвия ножей всегда работают в тяжёлых условиях. Обусловлено это тем, что в начальный момент резки усилие резко увеличивается от нуля до своего максимального значения, а затем так же стремительно снижается. Вдобавок, если нож используется часто, и в быстром темпе, подобные чередования максимальных нагрузок с нулевыми приводят к появлению в тонком лезвии ножа усталостных напряжений противоположного знака: растяжения и сжатия. Стойкость любой стали в такой обстановке – минимальна.

Так как же выбрать сталь для клинка ножа?

Особенность эксплуатации лезвий ножей

Для обеспечения своей долговечности, клинок ножа должен отвечать ряду требований, многие из которых противоречат одно другому:

1. 

   Обладать высокой твёрдостью, причём в достаточно широком диапазоне температур: от -300С до +1000С. Последнее значение связано не с тем, что ножом пытаются разрезать раскалённый материал – хотя и это бывает – но и с тем, что в процессе резки из-за сопротивления разрезаемого материала нож нагревается силами механического трения.

2. Иметь повышенную устойчивость от продольного изгиба, особенно, если клинок узкий и достаточно длинный.
3. Способствовать минимальной деформации лезвия во время его использования.
4. Прочность ножа должна быть наибольшей, поскольку иначе лезвие быстро тупится.
5. Материал должен способствовать лёгкой заточке лезвия, с минимальными пореями металла и при наименьшей трудоёмкости процесса.
6. Иметь повышенную упругость, что воспрепятствует ломке ножа при критических нагрузках и сделает его пользование безопасным для окружающих.

В полном виде такие требования выполнить невозможно, поэтому производители рассматриваемого инструмента идут на разумный компромисс, и сочетают такие условия, которые бы способствовали максимальной функциональности и работоспособности ножа для конкретных условий его применения.

Стали, применяемые для производства ножей

Горячая резка – случай, достаточно экзотичный, поэтому в дальнейшем будем рассматривать стали, порог эксплуатационной стойкости которых не превышает 2000С.

Нет смысла использовать для изготовления ножей конструкционные стали, процентное содержание углерода и карбидов железа в которых недостаточно для того, чтобы гарантировать приемлемую долговечность лезвия ножа. Остаются инструментальные стали, и ряд специальных, которые по совокупности своих характеристик также могут быть причислены к приемлемым для изготовления ножей.

К таким сталям относятся:

1. Углеродистые нелегированные инструментальные стали, которые поставляются в соответствии с требованиями ГОСТ 1435.
2. Среднелегированные инструментальные стали пониженной теплостойкости поставляемые по ГОСТ 5950.
3. Специальные подшипниковые стали с повышенным содержанием хрома, производство которых ведётся согласно ГОСТ 801.
4. Высокоуглеродистые стали с повышенным содержанием кремния и марганца, которые формально относятся к конструкционным, однако фактически ими уже не являются, а входят в группу рессорно-пружинных сталей (ГОСТ 14959).

Практически ко всем вышеперечисленным сталям имеются их зарубежные аналоги.

Ножи из сталей, которые не вошли в приведенный выше перечень, изготавливать не рекомендуется: их сочетание твёрдость — прочность — пластичность будут низкими, даже при условии их закалки на максимально возможную твёрдость.

Особенности технологии ковки ножевых клинков

Ковка клинков считается древнейшей операцией пластической обработки металлов и сплавов. Суть процесса состоит в том, чтобы не только оттянуть и заострить с одной стороны лезвие, но и обеспечить в результате выполнения кузнечных переходов наиболее благоприятные макро- и микроструктуру металла.

Исходной заготовкой для ножа служит стальная полоса, причём лучше горячекатаная: исходный металл получается  более высокопластичным, и легче поддаётся последующей ковке. Окалина же легко сбивается ударами молота, и негативного влияния на проковку не оказывает.

Вначале полосу разделяют на штучные заготовки, длина которых определяется расчётным путём, и зависит от требуемых рабочих характеристик самого ножа. Чем прочнее должен быть клинок, тем длиннее заготовка. Для разделки можно использовать любые технические решения – резать металл на пилах, рубить  кузнечными топорами, либо использовать резку на кривошипных ножницах. Механическая резка сопряжена с повышенным расходом металла (практически, в зависимости от конструкции пил, отходы составляют 2…8%). Кроме того, в зоне реза происходит естественный отжиг, сопровождающийся снижением прочности стали, и это надо учитывать при выборе последующих переходов ковки.

Рубка кузнечным инструментом не изменяет исходные характеристики стали, но не отличается особой точностью. Кроме того, при рубке (особенно нагретой заготовки) происходит её деформация, что вынуждает перед собственно ковкой вводить  переход правки заготовки.

Резка на пресс-ножницах – наиболее современный способ получения  заготовок ножей. Точность резки и конфигурация конечного изделия вполне пригодны для изготовления высококачественных клинков. Кроме того, резка сдвигом – самый производительный вариант для получения заготовок под ножи.

Для ножей особенно важно обеспечить мелкозернистую структуру в стали. Для этого производится многократная проковка, причём с каждым последующим ударом молота зерно становится всё более мелким, что повышает однородность свойств металла по всей длине клинка. Таким образом достигают оптимальных характеристик твёрдость — прочность — пластичность стали клинка ножа. На рисунде справа изображена структура металла. В левой части рисунка крупнозернистая, в правой — мелкозернистая.

С повышением процентного содержания в стали углерода и легирующих элементов число проходов ковки увеличивается. После проковки следует оттяжка краёв заготовки, и калибровка острой части лезвия клинка. Её ведут при уже несколько подостывшем материале, из-за чего усилие несколько возрастает, но зато одновременно увеличивается и точность течения металла.

Термическая обработка ножей

Именно на этом этапе клинку сообщаются те физико-механические характеристики, которые важны для эксплуатационной долговечности ножа. Среди наиболее часто встречающихся дефектов ножей следующие:

• Хрупкое выкрашивание режущей кромки;
• Трещинообразование;
• Пластический изгиб лезвия;
• Недостаточная твёрдость (затупление или смятие).

Соответственно этому подбирается режим термической обработки. При этом учитывается также и материал ножа.

Далее рассматриваются нюансы термообработки ножей из сталей всех групп, перечисленных ранее.

Ножи из нелегированных инструментальных сталей

Ножи из нелегированных инструментальных сталей. Чаще применяют стали марок для ножей У7, У8А, У9. Ковка таких заготовок производится в температурном диапазоне 11000С…8500С (здесь, и далее первая цифра соответствует температуре начала технологической операции, а вторая – температуре её завершения).

При нарушении температурного режима в стали образуются трещины, как внешние, так и внутренние.

Закалку таких сталей производят с температур 780…8500С, причём с целью снижения окислообразования применяют солевые ванны с расплавами солей BCl2, MgF2 и NaCl. Это снижает упругую деформацию клинка, и практически не влияет на остаточную прочность лезвия. После закалки производят отпуск клинка от температур 150…2000С на твёрдость HRC 63…65.

Готовый нож из таких сталей будет иметь наименьшую себестоимость производства, но и минимальную стойкость, кроме того, ножи из нелегированных сталей не отличаются высокой устойчивостью от коррозии. Положительная особенность – отличная гибкость клинка – позволяет изготавливать из таких сталей достаточно длинные лезвия (при соотношении длины к толщине 1000:1 и даже более).

Ножи из среднелегированных сталей пониженной теплостойкости

Ножи из среднелегированных сталей пониженной теплостойкости. Для изготовления чаще принимают стали марок для клинка ножа типа 4ХС, 9ХС, ХВГ, Х6ВФ, 6Х3ФС и им подобные. Наличие хрома обуславливает повышенную твёрдость готового  изделия в сочетании с повышенным пределом текучести, который, к тому же, мало зависит от температуры на режущей кромке ножа. Кроме того, клинки, изготовленные из таких сталей, отличаются повышенной размерной точностью, на значение которой не влияет режим  термической обработки.

Нагрев под ковку заготовок из таких сталей производят в довольно узком диапазоне температур: от 1100…11200С до 750…7800С, что обуславливается интервалом аустенитных превращений в данных сталях, с одной стороны, и влиянием легирующих элементов – с другой. Более жёсткими являются и требования к технологии самой закалки: её ведут при 830…8500С на конечную твёрдость 63…65 HRC. Но такая твёрдость для лезвия клинка неприемлема, поскольку резко снижается его упругость, поэтому далее обязательно производится отпуск при 170…2000С. В качестве закалочной среды используют масло; скорость охлаждения клинка при этом несколько снижается, что обезопасит изделие от излишней хрупкости при последующем использовании.  Подобная технология применяется и при изготовлении ножей из шарикоподшипниковых сталей типа ШХ6, ШХ9 или ШХ15.

Ножи из рессорно-пружинных сталей

Ножи из рессорно-пружинных сталей типа 70ХФ, 60С2 или нелегированных сталей марок 75, 80 отличаются высокими упругими показателями, что определяется высоким процентом углерода и легирующих элементов, способствующих повышению твёрдости – кремния и марганца. При высоких показателях твёрдости (от 54…58 НRC) такие стали характеризуются повышенными упругими свойствами. Это достигается закалкой со средним (400…5000С) отпуском.

Однако ножи, изготовленные из сталей перечисленных марок, не рекомендуется применять при повышенных температурах более 2000С, из-за склонности к разупрочнению.