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Prehistoria del S110V
El S110V es un acero inoxidable pulvimetalúrgico para herramientas con una gran resistencia al desgaste. Al igual que muchos otros aceros inoxidables de muy alta resistencia al desgaste (S90V, M398) se desarrolló para aplicaciones de inyección de plástico que requieren una combinación de alta resistencia al desgaste y alta resistencia a la corrosión. La patente del acero fue presentada por primera vez en 2006 por los inventores Alojz Kajinic, Andrzej Wojcieszynski y Maria Sawford, todos ellos de Crucible Steel.
Debido a que Crucible ya tenía los aceros S90V y S125V antes del S110V, tenemos que hablar brevemente de la historia de esos aceros. En un artículo anterior traté la historia de estos aceros con más detalle. El S90V se patentó alrededor de 1996, y la principal innovación con respecto a los aceros anteriores fue la reducción del Cr al 14%, lo que permitió la formación de más carburo de vanadio para una cantidad determinada de vanadio. Los aceros anteriores, como el S60V, el Elmax y el M390, tenían un 17-20% de Cr, lo que les daba más carburo de cromo y menos carburo de vanadio. Los carburos de cromo son más blandos que los de vanadio y, por tanto, contribuyen menos a la resistencia al desgaste. Una menor cantidad de carburos más duros (como el carburo de vanadio) proporciona una mejor combinación de tenacidad y resistencia al desgaste. Obtenga más información en este artículo sobre los carburos. Además, el cromo «en solución» que contribuye a la resistencia a la corrosión se ha mejorado en el S90V en relación con el anterior S60V mediante un cuidadoso control del contenido de carbono y vanadio, a pesar de que el cromo en masa es menor. Todo esto, en combinación con la tecnología pulvimetalúrgica, hace que el S90V tenga una microestructura relativamente fina que le confiere una buena tenacidad, además de una gran resistencia al desgaste gracias al alto contenido de vanadio.
Diseño del S110V
Para situar el S110V en su contexto, debemos comparar la composición del acero con los productos anteriores de Crucible para ver cómo ha evolucionado hasta el S110V. También verá que tengo dos composiciones listadas para S110V, una etiquetada como «patente» y otra como «final». La versión inicial de S110V fue modificada hasta llegar a la versión que tenemos hoy. Discutiré las diferencias después de describir más sobre el diseño general del acero.
Niobio
Uno de los principales cambios que se introdujeron en el S110V en comparación con el S90V/S125V fue la adición de niobio. Lea más sobre las adiciones de niobio en este artículo. El niobio, al igual que el vanadio, forma carburos muy duros que contribuyen en gran medida a la resistencia al desgaste. Sin embargo, como se ha explicado anteriormente con el S90V, equilibrar el vanadio y el cromo es un reto para obtener una combinación elevada de resistencia al desgaste y a la corrosión. El alto nivel de cromo afecta a la cantidad de carburo de vanadio que se forma, y el alto nivel de vanadio favorece la formación de carburo de cromo, lo que disminuye la resistencia a la corrosión y la tenacidad. Además, hay algo de cromo presente en el carburo de vanadio, lo que reduce aún más la resistencia a la corrosión. Sin embargo, el niobio es un formador de carburo más «fuerte» que el vanadio, lo que significa que puede formar carburo de niobio incluso en presencia de altas cantidades de cromo. Además, el carburo de niobio contiene muy poco cromo. Estos dos factores significan que el uso de niobio en lugar de vanadio puede dar lugar a un acero con alta resistencia al desgaste de los carburos de niobio duros, mientras que tiene una alta resistencia a la corrosión porque hay poca interacción entre el cromo y el niobio, dejando el cromo solo para contribuir a la resistencia a la corrosión.
Para observar esta diferencia utilicé ThermoCalc para estimar la cantidad de carbono, cromo y molibdeno en solución con S90V, la versión de la patente de S110V (2,8C-14Cr-9V-3,5Mo-3,5Nb-2Co), y luego una versión modificada de S110V que tiene 11% de V en lugar de 9%V-3,5%Nb (2,8C-14Cr-11V-3,5Mo-2Co). En la patente se hizo una comparación similar, ya que el 11% de V es más o menos equivalente a la combinación de V-Nb en S110V. Se puede ver que el carbono en solución es similar en los tres grados, lo que significa que cada uno alcanzaría una dureza similar. Sin embargo, el S90V y el S110V modificado (etiquetado como 11V) tienen un 11,5% de Cr en solución, mientras que el S110V (9Nb-3,5Nb) tiene un 12,3% de Cr en solución, lo que proporcionaría una mejor resistencia a la corrosión. El acero 11V seguiría siendo mejor que el S90V en cuanto a resistencia a la corrosión debido al mayor contenido de Mo en la solución (véase la sección sobre el molibdeno más adelante en este artículo). Sin embargo, un aumento tanto del Cr como del Mo supone una mejora significativa de la resistencia a la corrosión para el S110V.
Otro beneficio de la sustitución parcial del vanadio por el niobio es que se reduce el tamaño del carburo. Los carburos de niobio son muy pequeños cuando se utilizan en el acero pulvimetalúrgico, y también pueden ayudar a disminuir el tamaño de los carburos de cromo y vanadio en el acero, como se describe en el artículo sobre el niobio. Puede ver la diferencia en las micrografías de abajo. El S110V tiene una estructura de carburo más fina que el S90V o el S125V. El S110V tiene algo más de carburo que el S90V, lo que hace aún más impresionante que el tamaño del carburo sea más fino. El volumen de carburo de S110V está más cerca de S125V, que es significativamente más grueso. Esto será relevante para la discusión de la tenacidad más adelante.
S110V 2050°F (~27% de volumen de carburo)
S90V 2050°F (~21% de volumen de carburo)
S125V 2150°F (~27% de volumen de carburo)
Sin embargo, es difícil sustituir completamente el vanadio por el niobio. Como el niobio es un fuerte formador de carburos, quiere formar carburos a temperaturas muy altas, a menudo en el acero líquido. Y si la temperatura de formación es demasiado alta, los carburos se formarán en la masa fundida antes de que el acero pueda ser atomizado con gas para formar el polvo. Si los carburos se forman en el líquido, son mucho más grandes que si se forman durante la solidificación del polvo. Por lo tanto, hay una cantidad máxima de niobio que puede utilizarse antes de que esto ocurra, entre el 3% y el 4%. Por lo tanto, el enfoque con el S110V fue tener una combinación de vanadio y niobio para mejorar la resistencia a la corrosión tanto como sea posible, evitando al mismo tiempo los problemas que vienen junto con el exceso de niobio.
Molibdeno
El S30V no está en la misma clase de resistencia al desgaste que los otros aceros, pero el diseño de ese acero puede haber influido en los otros por lo que lo incluí. Por ejemplo, el S30V tenía más Mo que el anterior S90V/S60V para mejorar la resistencia a la corrosión, y esa tendencia continuó después con otros productos de Crucible. Sin embargo, una versión del S125V con un 2,7% de Mo estaba en la patente del S90V, que fue anterior al S30V, por lo que no está 100% claro en qué dirección se produjo la inspiración. En cualquier caso, el desarrollo del S30V y el S125V significaba que los metalúrgicos de Crucible eran conscientes de que el Mo podía mejorar la resistencia a la corrosión con el mismo nivel de cromo. Esto no era necesariamente un descubrimiento nuevo; en los aceros inoxidables austeníticos se sabía desde hace tiempo que un alto contenido de Mo mejoraba la «resistencia a las picaduras», y los aceros destinados a aplicaciones en agua de mar suelen necesitar un alto contenido de Mo. El 154CM, que data de alrededor de 1959, tenía un 4% de Mo, aunque la adición de Mo era para mantener la dureza a temperaturas más altas en aplicaciones de rodamientos, no necesariamente para mejorar la resistencia a la corrosión. Sin embargo, la patente del S110V menciona específicamente el 154CM como base de diseño con su 14Cr-4Mo, que proporciona una buena resistencia a la corrosión con menos Cr, y eso puede verse en la versión inicial del S110V con 14Cr-3,5Mo.
Cobalto
Ya escribí anteriormente sobre las adiciones de cobalto en este artículo sobre el VG10. Ese artículo explora un montón de aspectos sobre el cobalto porque no hay mucha razón para estar en VG10 en absoluto. Sin embargo, hay una razón muy específica por la que el cobalto se encuentra en el S110V. Cuando el acero para cuchillos se trata térmicamente, hay que calentarlo a alta temperatura para «austenizar» el acero antes del enfriamiento para transformar el acero en martensita dura. Así pues, la formación de austenita a alta temperatura es el primer paso necesario para el tratamiento térmico final de un cuchillo. Diferentes aceros se transformarán en austenita a diferentes temperaturas. El S110V está diseñado para ser tratado térmicamente entre 2050 y 2150 °F, por lo que el acero tendría que ser austenitizado en ese rango. El cromo, el vanadio, el niobio y el molibdeno son todos «estabilizadores de la ferrita», lo que significa que aumentan la temperatura a la que se formará la austenita, porque estabilizan la fase típica a temperatura ambiente del acero y el hierro llamada ferrita. Como el S110V tiene bastante de cada uno de esos elementos, el acero no puede endurecerse del todo cuando no tiene cobalto. Esto se confirmó en las pruebas que figuran en la patente, en las que una versión sin cobalto tenía algo de ferrita después del tratamiento térmico, y sólo alcanzó unos 54 Rc.
También hay otros elementos que pueden estabilizar la austenita, especialmente el carbono, el níquel y el manganeso, aunque esos elementos también aumentan la austenita retenida. La fabricación de aceros de alta resistencia a la corrosión con alto contenido de cromo en solución también conduce a más austenita retenida, como se explica en este artículo sobre el acero Vanax. Por tanto, la cantidad de Ni y Mn debe mantenerse en niveles relativamente bajos para poder obtener una buena combinación de dureza y resistencia a la corrosión. En cambio, el diseñador del acero suele aumentar el nivel de carbono hasta el punto de que el acero pueda ser austenitizado. Sin embargo, más carbono significa más carburos, lo que reduce la resistencia a la corrosión y la tenacidad, como se describe en este artículo. En su lugar, los inventores del S110V utilizaron cobalto, que es un estabilizador de la austenita a altas temperaturas pero que no aumenta la austenita retenida cuando se enfría a martensita, a diferencia del Ni y el Mn. Este es el único ejemplo de uso de cobalto para este fin en un acero inoxidable para herramientas que conozco, y es una de las mayores innovaciones del S110V en mi opinión.
Segunda versión del S110V
La patente del S110V y la hoja de datos original publicada en septiembre de 2008 (la archivé aquí) es la composición original etiquetada como «patente» en la tabla de composición. Sin embargo, se publicó una versión revisada del acero y la hoja de datos se revisó en julio de 2010. No he visto casi ninguna discusión sobre el cambio de composición, y creo que la mayoría de la gente no sabe que ha cambiado. De hecho, la hoja de datos revisada muestra todos los mismos datos de resistencia a la corrosión, dureza y resistencia al desgaste, a pesar de que el cambio en la composición fue relativamente sustancial.
No sé qué cantidad de S110V se habría fabricado en cuchillos antes del cambio de composición, pero es interesante que se haya hecho un cambio relativamente grande en el acero pero sin un cambio de nombre. He preguntado al actual metalúrgico de Crucible, Bob Skibitski, así como al principal inventor de la patente, Alojz Kajinic, y ninguno de los dos sabía por qué se hizo el cambio, ya que no estaban directamente involucrados en él. Sin embargo, tengo algunas especulaciones sobre por qué se cambió la composición.
Es probable que los cambios se hicieran para mejorar la «fabricabilidad», como los problemas de atomización del gas, la forja o el recocido del acero. Uno de los cambios introducidos en el S110V fue la reducción del Nb del 3,5% al 3%. Como se mencionó en la sección sobre el niobio, hay límites para la aleación de niobio con la producción típica de acero pulvimetalúrgico. Podría ser que Crucible decidiera que el niobio estaba demasiado cerca de la zona de peligro. No estoy seguro de si esto se debió a un problema observado en la producción o simplemente a la precaución. No conozco ningún otro acero pulvimetalúrgico que tenga tanto como el 3% de la versión actual del S110V.
La reducción del Nb puede haber provocado los otros cambios en el acero. Dado que el Nb mejora la resistencia a la corrosión ayudando a que el Cr vaya más allá, es posible que hayan intentado compensar la reducción del Nb aumentando el Cr masivo del 14% al 15,25%. Pero el aumento de cromo fue mayor de lo necesario para conseguir una cantidad similar de cromo en la solución (véase la tabla siguiente), y también redujeron el contenido de Mo en una cantidad similar a la que aumentaron el Cr (del 3,5 al 2,25%), así que la razón de ese cambio no me queda del todo clara. Tal vez identificaron el alto contenido de Mo como un problema, como la dificultad en el recocido o la excesiva templabilidad que conduce a la formación de grietas durante el enfriamiento después de la forja. Con el aumento de Cr en la solución, pero la disminución de Mo, no está claro qué versión tendría una resistencia a la corrosión superior. En las pruebas de corrosión que realicé anteriormente, descubrí que el efecto del Mo llegaba a un nivel máximo, pero sería sorprendente que Crucible también llegara a una conclusión similar.
El contenido de cobalto se aumentó del 2 al 2,5%, probablemente basándose en estimaciones actualizadas de cuánta estabilización de la austenita es necesaria después de los cambios en el Nb, el Cr y el Mo. O tal vez pensaron que daba un poco más de «factor de seguridad» para asegurar que la austenitización completa sería posible. En las versiones más antiguas de ThermoCalc se mostraba que S110V con un 2% de Co estaría bien, lo que Crucible habría estado utilizando en ese momento, pero las versiones más recientes muestran una pequeña cantidad de ferrita a 2150°F, alrededor del 4%. Si encontraron una pequeña cantidad de ferrita en S110V, eso habría contribuido a la decisión de aumentar el Co, por supuesto.
En cuanto a las diferencias de carburo, el contenido total de carburo aumentó ligeramente en la versión final, principalmente por un aumento del carburo de cromo (etiquetado como M7C3 a continuación). Esto probablemente haga que la nueva versión sea marginalmente peor en términos de equilibrio entre dureza y resistencia al desgaste, ya que la versión original tenía una mayor proporción de NbC y VC y un poco menos de carburo total.
Experimentos en S110V
Todos los experimentos siguientes se realizaron en la última versión de S110V, ya que es todo lo que está disponible para comprar. Creo que se produjeron pocos calores de la composición original, por lo que los experimentos con esa versión son más bien académicos en este momento.
Dureza y tratamiento térmico
No he realizado una gama completa de experimentos de tratamiento térmico con el S110V, pero las comparaciones con el S90V muestran que los dos tienen un tratamiento térmico relativamente similar. Ambos son capaces de alcanzar niveles muy altos de dureza. Vea más mediciones de dureza del S90V en este artículo.
Como nota al margen, tanto la versión original como la nueva de la hoja de datos del S110V muestran lo siguiente para los datos de tratamiento térmico/dureza:
Sin embargo, esto muestra principalmente la dureza que resulta en el rango superior de templado, donde el Mo tiene el mayor efecto en la dureza. La reducción de Mo de la versión original (3,5%) a la versión final (2,25%) probablemente significa que estos valores ya no son exactos.
Retención de filo
Hice un gran número de experimentos de retención de filo que fueron resumidos en este artículo, y también añadí el M398 que fue discutido aquí. Esto utiliza un cuchillo rectangular estándar afilado a 0,015″ antes de poner un borde final de 15 dps con una piedra de matriz CBN de grano 400. Los resultados se pueden ver a continuación.
S110V tiene una retención de borde muy alta, como se esperaba, siendo similar a CPM-10V. Sin embargo, lo sorprendente es que lo hizo peor que S90V. S110V es esencialmente S90V con más C, Cr, Co, Mo y Nb, y es difícil pensar en escenarios en los que la adición de más de esos elementos llevaría a una menor retención de bordes. Esto no parece ser un problema de variabilidad experimental, ya que ninguna de las pruebas realizadas con S110V dio lugar a valores tan altos como el resultado medio de S90V (cada una se probó 3 veces). En mi artículo original sobre la retención del filo, especulé con la posibilidad de que el menor tamaño del carburo fuera la diferencia e hice algunas comparaciones con el tamaño de las partículas abrasivas utilizadas en las pruebas. Pero aún no sé con certeza por qué el S110V no fue tan bueno como el S90V en las pruebas. En cualquier caso, la retención del filo del acero es alta y quizás preocuparse de si es o no tan bueno como el S90V no tenga una utilidad práctica.
En las pruebas de resistencia al desgaste del S110V original realizadas por Crucible, se muestra la siguiente tabla de resistencia al desgaste, que parece mostrar una mejora con respecto al S90V:
Sin embargo, si se representan esos valores frente a la dureza, resulta evidente que los dos aceros tienen la misma resistencia al desgaste:
Así que los datos de Crucible muestran que no hubo ninguna mejora en la resistencia al desgaste de S90V a S110V, lo que coincide relativamente bien con nuestras pruebas de retención de bordes. Sin embargo, las pruebas de Crucible se realizaron con el S110V original que, como he descrito antes, tendría una mayor proporción de carburos de NbC y VC para la resistencia al desgaste.
Dureza
Probé dos condiciones de S110V, una austenitizada a 2050 y otra a 2150°F, y ambas templadas a 500°F. Todos estos tratamientos térmicos incluían un paso de crioterapia después del enfriamiento. Sorprendentemente, ambos dieron lugar a una tenacidad idéntica, a pesar de que la mayor temperatura de austenización dio lugar a una mayor dureza. En los tratamientos térmicos de los aceros S30V, S35VN, S45VN y SPY27, el aumento de la temperatura de austenización aumentó tanto la dureza como la tenacidad, por lo que este resultado sería coherente. Sin embargo, este acero tiene una alta dureza y resistencia a la corrosión, lo que puede significar un exceso de austenita retenida que a veces conduce a valores de tenacidad inflados. Este comportamiento se observó con el M390 cuando se austenizó demasiado. Y dado que algunos usuarios informan de dificultades para desbarbar el S110V (lo que suele significar un alto nivel de austenita retenida), no estoy seguro de recomendar el tratamiento térmico del S110V a partir de 2150°F, a pesar del aparente equilibrio superior entre dureza y tenacidad.
Abajo he representado el acero también en relación con otros aceros inoxidables junto con una línea de tendencia de dureza y tenacidad del S60V. Puede ver que el S90V y el S110V siguen una línea de tendencia similar (sólo se muestra la condición 2150 del S110V). Así que podría ser que S110V tenga una tenacidad similar a la de S90V, pero también recuerde que la condición 2050 condujo a una dureza más baja sin mejorar la tenacidad. Así que habría que probar más tratamientos térmicos para ver si se puede conseguir una mayor tenacidad con una dureza menor. Así que, siendo conservadores, diríamos que el S90V es más duro que el S110V, que tiene mayor dureza que el S125V. Esto tiene sentido debido al menor contenido de carburo del S90V, mientras que los carburos más pequeños del S110V proporcionan una mayor tenacidad que el S125V a pesar del contenido similar de carburo. Tanto el S90V como el S110V ofrecen una estructura de carburos y una tenacidad superiores en comparación con el M398.
Resistencia a la corrosión
En mis experimentos originales de resistencia a la corrosión con agua salada al 1% encontré que el S110V tenía una muy buena resistencia a la corrosión, ciertamente una mejora significativa sobre el S90V y el S125V, y siendo similar al M390, otro grado con muy buena resistencia a la corrosión. Esta mejora en la resistencia a la corrosión se esperaba en base a las modificaciones con Nb y Mo que se describieron anteriormente. Y en la comparación más reciente directamente con M398, S110V volvió a tener un comportamiento similar.
S110V
M398
S90V
S125V
S110V vs S90V y M398
Como escribí en mi artículo sobre M398, No soy un gran fan de este acero debido a su estructura gruesa y su relativamente baja dureza. Sin embargo, ofrece la mejor afilabilidad de los aceros inoxidables de muy alta retención de filo debido a la menor cantidad de carburo de vanadio, y también tiene muy buena resistencia a la corrosión. Por lo tanto, considero que la elección principal es entre el S110V y el S90V para el mejor acero inoxidable de muy alta retención de filo. Esta elección se reduce a la importancia de la resistencia a la corrosión para la aplicación. El S90V ofrece algo más de dureza y retención de bordes, lo que lo hace más equilibrado para aplicaciones que sólo necesitan una resistencia a la corrosión media. Si se requiere una mayor resistencia a la corrosión, el S110V es la mejor opción. Si se desea una mayor tenacidad que la del S90V, lo mejor sería pasar a aceros de menor retención de bordes como el S35VN y el Vanax. O una tenacidad muy alta con AEB-L o 14C28N. Obsérvese que los valores que figuran a continuación están normalizados con respecto a la dureza de las probetas de tenacidad ensayadas. Por ejemplo, la retención de bordes del S90V está más cerca de la del M398 con la misma dureza.
Resumen y conclusiones
El S110V es un acero muy interesante debido a las innovaciones que se introdujeron en su desarrollo, incluida la adición de niobio para mejorar la estructura de los carburos y la resistencia a la corrosión, y la adición de cobalto para garantizar que se pudiera tratar térmicamente a pesar de la excelente resistencia a la corrosión. En el S110V se produjo un cambio de composición algo sorprendente y poco discutido, por razones mayormente desconocidas (aunque probablemente relacionadas con la fabricación). Este acero tiene buenas propiedades, como una gran retención de los bordes y resistencia a la corrosión, además de una buena tenacidad. El S110V y el S90V son mis favoritos en la categoría de aceros inoxidables de muy alta retención de bordes, dependiendo del nivel de resistencia a la corrosión que sea necesario para la aplicación.