Děkuji Aaronovi @ Gough Custom, Aaronovi McVayovi, Markovi Scottovi, Jeffreymu St. Clairovi, Grantovi Seimovi III a saiiiiiiiii1 za to, že se stali příznivci Patreonu Knife Steel Nerds!
Nakonec přestanu v každém novém článku uvádět svou knihu Knife Engineering, ale ten den není dnes. Běžte si ji koupit pro sebe a pro všechny, které znáte, jako vánoční dárek.
Předchozí historie S110V
S110V je prášková metalurgická nerezová nástrojová ocel s velmi vysokou odolností proti opotřebení. Stejně jako mnoho dalších nerezových ocelí s velmi vysokou odolností proti opotřebení (S90V, M398) byla vyvinuta pro aplikace vstřikování plastů, které vyžadují kombinaci vysoké odolnosti proti opotřebení a vysoké odolnosti proti korozi. Patent na tuto ocel poprvé podali v roce 2006 vynálezci Alojz Kajinic, Andrzej Wojcieszynski a Maria Sawford, všichni ze společnosti Crucible Steel.
Protože společnost Crucible měla již před ocelí S110V oceli S90V a S125V, musíme stručně probrat historii těchto ocelí. Podrobněji jsem se jejich historií zabýval v předchozím článku. S90V byla patentována kolem roku 1996, hlavní inovací oproti předchozím ocelím bylo snížení obsahu Cr až na 14 %, což vedlo k tvorbě většího množství karbidu vanadu při daném množství vanadu. Předchozí oceli jako S60V, Elmax a M390 měly 17-20 % Cr, což jim dávalo více karbidu chromu a méně karbidu vanadu. Karbidy chromu jsou měkčí než karbidy vanadu, a proto méně přispívají k odolnosti proti opotřebení. Menší množství tvrdších karbidů (jako je karbid vanadu) poskytuje lepší kombinaci houževnatosti a odolnosti proti opotřebení. Další informace naleznete v tomto článku o karbidech. Také množství chromu „v roztoku“, které přispívá k odolnosti proti korozi, bylo ve skutečnosti u S90V oproti dřívějšímu S60V zlepšeno pečlivou kontrolou obsahu uhlíku a vanadu, přestože objemový obsah chromu je nižší. To vše v kombinaci s technologií práškové metalurgie dává oceli S90V relativně jemnou mikrostrukturu pro dobrou houževnatost spolu s vysokou odolností proti opotřebení díky vysokému obsahu vanadu.
Konstrukce oceli S110V
Pro zasazení oceli S110V do kontextu bychom měli porovnat složení oceli s předchozími výrobky Crucible, abychom viděli, jak vývoj vedl k S110V. Uvidíte také, že u S110V mám uvedena dvě složení, jedno označené jako „patent“ a druhé jako „konečné“. Původní verze S110V byla upravena, což vedlo k verzi, kterou máme dnes. Rozdíly proberu poté, co popíšu více o celkové konstrukci oceli.
Niob
Jednou z hlavních změn, které se prováděly na S110V ve srovnání s S90V/S125V, bylo přidání niobu. Více o přídavcích niobu se dočtete v tomto článku. Niob, stejně jako vanad, tvoří velmi tvrdé karbidy, které výrazně přispívají k odolnosti proti opotřebení. Jak však bylo vysvětleno výše u S90V, vyvážení vanadu a chromu je náročné pro dosažení vysoké kombinace odolnosti proti opotřebení a odolnosti proti korozi. Vysoký obsah chromu ovlivňuje množství vznikajícího karbidu vanadu a vysoký obsah vanadu ve skutečnosti podporuje tvorbu karbidu chromu, čímž klesá korozní odolnost a houževnatost. Kromě toho je v karbidu vanadu přítomno určité množství chromu, což dále snižuje odolnost proti korozi. Niob je však „silnější“ karbidový prvek než vanad, což znamená, že může tvořit karbid niobu i za přítomnosti vysokého množství chromu. A karbid niobu obsahuje velmi málo chromu. Tyto dva faktory znamenají, že použití niobu místo vanadu může vést k oceli s vysokou odolností proti opotřebení z tvrdých karbidů niobu a zároveň s vysokou odolností proti korozi, protože mezi chromem a niobem dochází k malé interakci, takže ke korozní odolnosti přispívá pouze chrom.
Pro zjištění tohoto rozdílu jsem použil ThermoCalc k odhadu množství uhlíku, chromu a molybdenu v roztoku u S90V, patentové verze S110V (2,8C-14Cr-9V-3,5Mo-3,5Nb-2Co) a pak upravené verze S110V, která má 11 % V místo 9 % V-3,5 % Nb (2,8C-14Cr-11V-3,5Mo-2Co). Podobné srovnání bylo provedeno v patentu, protože 11 % V zhruba odpovídá kombinaci V-Nb v S110V. Je vidět, že obsah uhlíku v roztoku je u všech tří tříd podobný, což znamená, že každá z nich by dosáhla podobné tvrdosti. Nicméně S90V a modifikovaná S110V (označená 11V) mají 11,5 % Cr v roztoku, zatímco S110V (9Nb-3,5Nb) má 12,3 % Cr v roztoku, což by zajistilo lepší odolnost proti korozi. Ocel 11V by byla stále lepší než ocel S90V z hlediska odolnosti proti korozi kvůli vyššímu obsahu Mo v roztoku (viz oddíl o molybdenu dále v tomto článku). Zvýšení obsahu Cr i Mo však pro S110V znamená výrazné zlepšení korozní odolnosti.
Další výhodou částečné náhrady vanadu niobem je snížení velikosti karbidů. Karbidy niobu jsou při použití v oceli práškové metalurgie velmi malé a mohou také pomoci snížit velikost karbidů chromu a vanadu v oceli, jak je popsáno v článku o niobu. Rozdíl můžete vidět na mikrofotografiích níže. S110V má jemnější strukturu karbidů než S90V nebo S125V. S110V má o něco více karbidů než S90V, takže je ještě působivější, že velikost karbidů je jemnější. Objem karbidu S110V se blíží S125V, který je výrazně hrubší. To bude důležité pro pozdější diskusi o houževnatosti.
S110V 2050°F (~27 % objemu karbidu)
S90V 2050°F (~21 % objemu karbidu)
S125V 2150°F (~27 % objemu karbidu)
Úplné nahrazení vanadu niobem je však obtížné. Protože niob je silný karbidový prvek, chce vytvářet karbidy při velmi vysokých teplotách, často v kapalné oceli. A pokud je teplota tvorby příliš vysoká, karbidy se vytvoří v tavenině dříve, než může být ocel rozprašována plynem za vzniku prášku. Pokud se karbidy vytvoří v kapalině, jsou mnohem větší, než když se vytvoří při tuhnutí prášku. Existuje tedy maximální množství niobu, které lze použít, než k tomu dojde, někde v rozmezí 3-4 %. Proto byl přístup u S110V takový, aby kombinace vanadu a niobu co nejvíce zlepšila odolnost proti korozi a zároveň se vyhnula problémům, které přicházejí s nadbytkem niobu.
Molybden
S30V nepatří do stejné třídy odolnosti proti opotřebení jako ostatní oceli, ale konstrukce této oceli mohla ovlivnit ostatní, proto jsem ji zahrnul. Například u oceli S30V byl oproti dřívějším ocelím S90V/S60V zvýšen obsah Mo kvůli lepší odolnosti proti korozi a tento trend pak pokračoval i u dalších výrobků Crucible. Nicméně verze S125V s 2,7 % Mo byla v patentu S90V, který předcházel S30V, takže není stoprocentně jasné, kterým směrem došlo k inspiraci. Bez ohledu na to vývoj S30V a S125V znamenal, že metalurgové společnosti Crucible si byli dobře vědomi toho, že Mo může zlepšit odolnost proti korozi při stejné úrovni chromu. Nebyl to nutně nový objev; u austenitických nerezových ocelí bylo již dlouho známo, že vysoký obsah Mo zlepšuje „odolnost proti důlkové korozi“, a oceli určené pro použití v mořské vodě obvykle potřebují vysoký obsah Mo. V oceli 154CM z roku 1959 byla 4 % Mo, ačkoli přídavek Mo sloužil k udržení tvrdosti při vyšších teplotách v ložiskových aplikacích, nikoli nutně ke zlepšení odolnosti proti korozi. Patent na ocel S110V však výslovně uvádí jako základ konstrukce ocel 154CM s přídavkem 14Cr-4Mo, která poskytuje dobrou odolnost proti korozi s menším množstvím Cr, což je vidět na původní verzi oceli S110V s přídavkem 14Cr-3,5Mo.
Kobalt
O přídavcích kobaltu jsem již psal v tomto článku o oceli VG10. Ten článek zkoumá mnoho aspektů o kobaltu, protože není moc dobrý důvod, aby byl ve VG10 vůbec. Existuje však velmi specifický důvod, proč se kobalt nachází v S110V. Když se nožířská ocel tepelně zpracovává, musíte ji před kalením zahřát na vysokou teplotu, aby se ocel „austenitizovala“ a přeměnila se na tvrdý martenzit. Vytvoření austenitu při vysoké teplotě je tedy prvním nezbytným krokem pro konečné tepelné zpracování nože. Různé oceli se přeměňují na austenit při různých teplotách. Ocel S110V je určena k tepelnému zpracování v rozmezí 2050 až 2150 °C, takže ocel by měla být v tomto rozmezí austenitizována. Chrom, vanad, niob a molybden jsou „stabilizátory feritu“, což znamená, že zvyšují teplotu, při které se vytvoří austenit, protože stabilizují typickou fázi oceli a železa při pokojové teplotě zvanou ferit. Vzhledem k tomu, že S110V obsahuje poměrně velké množství každého z těchto prvků, nemůže být ocel plně zpevněna, když v ní není kobalt. To se potvrdilo při zkouškách uvedených v patentu, kdy verze bez kobaltu měla po tepelném zpracování přítomný ferit a dosáhla pouze asi 54 Rc.
Existují i další prvky, které mohou stabilizovat austenit, zejména uhlík, nikl a mangan, i když tyto prvky také zvyšují zadržený austenit. Výroba ocelí s vysokou korozní odolností s vysokým obsahem chromu v roztoku také vede k většímu množství zadrženého austenitu, jak je vysvětleno v tomto článku o Vanaxově oceli. Množství Ni a Mn je tedy třeba udržovat na relativně nízkých hodnotách, aby bylo možné dosáhnout dobré kombinace tvrdosti a korozní odolnosti. Obvykle místo toho konstruktér oceli zvyšuje obsah uhlíku do té míry, aby ocel mohla být austenitizována. Více uhlíku však znamená více karbidů, což snižuje korozní odolnost a houževnatost, jak je popsáno v tomto článku. Místo toho vynálezci oceli S110V použili kobalt, který je stabilizátorem austenitu při vysokých teplotách, ale na rozdíl od Ni a Mn nezvyšuje zachovaný austenit při kalení na martenzit. To je jediný mně známý příklad použití kobaltu pro tento účel v nerezové nástrojové oceli a podle mého názoru je to jedna z největších inovací S110V.
Druhá verze S110V
V patentu na S110V a v původním datasheetu vydaném v září 2008 (archivoval jsem ho zde) je původní složení označené v tabulce složení jako „patent“. Byla však vydána revidovaná verze oceli a datasheet byl revidován v červenci 2010. Neviděl jsem téměř žádnou diskusi o změně složení a myslím, že většina lidí neví, že se vůbec změnilo. Ve skutečnosti jsou v revidovaném datasheetu uvedeny všechny stejné údaje o korozní odolnosti, tvrdosti a odolnosti proti opotřebení, přestože změna složení byla poměrně podstatná.
Nevím, kolik by se z oceli S110V vyrobilo nožů před změnou složení, ale je zajímavé, že došlo k poměrně velké změně oceli, ale bez změny názvu. Ptal jsem se současného metalurga Crucible Boba Skibitskiho i hlavního vynálezce patentu Alojze Kajiniče a ani jeden z nich nevěděl, proč byla změna provedena, protože se na ní přímo nepodíleli. Mám však určité spekulace o tom, proč bylo složení změněno.
Změny byly pravděpodobně provedeny kvůli zlepšení „vyrobitelnosti“, například kvůli problémům s rozprašováním plynu, kováním nebo žíháním oceli. Jednou ze změn u oceli S110V bylo snížení obsahu Nb z 3,5 % na 3 %. Jak bylo uvedeno v části o niobu, existují limity pro legování niobem při typické výrobě oceli práškovou metalurgií. Je možné, že společnost Crucible usoudila, že niob je příliš blízko nebezpečné zóně. Zda to bylo způsobeno problémem, který byl pozorován ve výrobě, nebo prostě opatrností, si nejsem jistý. Nevím o žádné jiné oceli práškové metalurgie, která by měla dokonce tolik jako 3 % v současné verzi S110V.
Snížení obsahu Nb mohlo vést k dalším změnám v oceli. Protože Nb zlepšuje odolnost proti korozi tím, že pomáhá Cr jít dále, mohli se pokusit kompenzovat snížení Nb zvýšením objemového Cr ze 14 % na 15,25 %. Zvýšení obsahu chromu však bylo větší, než bylo nutné k dosažení podobného množství chromu v roztoku (viz tabulka níže), a také snížili obsah Mo o podobnou hodnotu, o kolik byl zvýšen Cr (z 3,5 na 2,25 %), takže důvod této změny mi není zcela jasný. Možná identifikovali jako problém i vysoký obsah Mo, například obtíže při žíhání nebo nadměrnou kalitelnost vedoucí k praskání při chlazení po kování. Při zvýšeném obsahu Cr v roztoku, ale sníženém obsahu Mo, není jasné, která verze by měla lepší odolnost proti korozi. Při předchozích korozních zkouškách, které jsem prováděl, jsem zjistil, že účinek Mo vyvrcholil na určité úrovni, ale bylo by překvapivé, kdyby k podobnému závěru došel i Crucible.
Obsah kobaltu byl zvýšen z 2 na 2,5 %, pravděpodobně na základě aktualizovaných odhadů, kolik je nutné stabilizovat austenitu po změnách Nb, Cr a Mo. Nebo si možná mysleli, že to dává trochu větší „bezpečnostní faktor“, aby se zajistilo, že bude možná plná austenitizace. Ve starších verzích programu ThermoCalc ukazoval, že S110V s 2 % Co bude v pořádku, což by Crucible v té době používal, ale novější verze ukazují malé množství feritu při 2150 °F, kolem 4 %. Pokud by zjistili malé množství feritu v S110V, přispělo by to samozřejmě k rozhodnutí zvýšit Co.
Pokud jde o rozdíly v obsahu karbidů, celkový obsah karbidů byl v konečné verzi mírně zvýšen, především díky zvýšení obsahu karbidu chromu (označeného níže jako M7C3). To by pravděpodobně způsobilo, že by nová verze byla mírně horší z hlediska poměru houževnatosti a odolnosti proti opotřebení, protože původní verze měla vyšší podíl NbC a VC a o něco méně celkového karbidu.
Experimenty na S110V
Všechny následující experimenty byly provedeny na pozdější verzi S110V, protože je k dispozici pouze tato verze ke koupi. Odhaduji, že bylo vyrobeno jen málo žárů původního složení, takže experimenty na této verzi jsou v tuto chvíli převážně akademické.
Tvrdost a tepelné zpracování
Neprováděl jsem celou řadu experimentů s tepelným zpracováním S110V, ale porovnání s S90V ukazuje, že obě verze se tepelně zpracovávají relativně podobně. Obě jsou schopny dosáhnout velmi vysoké úrovně tvrdosti. Další měření tvrdosti S90V naleznete v tomto článku.
Ještě poznámka, v původní i nové verzi datasheetu S110V jsou u údajů o tepelném zpracování/tvrdosti uvedeny následující údaje:
Ukazuje to však především tvrdost, která vzniká v horním rozsahu popouštění, kde má Mo největší vliv na tvrdost. Snížení obsahu Mo z původní verze (3,5 %) na konečnou verzi (2,25 %) pravděpodobně znamená, že tyto hodnoty již nejsou přesné.
Zadržení hrany
Provedl jsem velké množství experimentů se zadržením hrany, které byly shrnuty v tomto článku, a přidal jsem také M398, který byl diskutován zde. Ten používá standardní obdélníkový nůž broušený na 0,015″ před nasazením finální hrany 15 dps s matným kamenem CBN zrnitosti 400. Výsledky můžete vidět níže.
S110V má podle očekávání velmi vysokou retenci ostří, přičemž je podobný CPM-10V. Překvapivé však je, že si vedl hůře než S90V. S110V je v podstatě S90V s větším množstvím C, Cr, Co, Mo a Nb a je obtížné si představit scénáře, kdy by přidání většího množství těchto prvků vedlo ke snížení retence hran. Nezdá se, že by šlo o problém experimentální variability, protože žádný z testů provedených na S110V nedosáhl tak vysokých hodnot jako průměrný výsledek S90V (každý byl testován třikrát). Ve svém původním článku o zachování ostří jsem spekuloval, že rozdíl je možná způsoben menší velikostí karbidu, a provedl jsem několik srovnání s velikostí brusných částic použitých při testování. Stále však s jistotou nevím, proč S110V nebyl při testování tak dobrý jako S90V. Bez ohledu na to, že zachování ostří této oceli je vysoké a možná, že zabývat se tím, zda je nebo není stejně dobrá jako S90V, nemá praktický význam.
Při testování odolnosti proti opotřebení původní oceli S110V společností Crucible uvádějí následující graf odolnosti proti opotřebení, který zřejmě ukazuje zlepšení oproti oceli S90V:
Pokud však tyto hodnoty vynesete do grafu v závislosti na tvrdosti, je zřejmé, že obě oceli mají stejnou odolnost proti opotřebení:
Z údajů společnosti Crucible tedy vyplývá, že nedošlo ke zlepšení odolnosti proti opotřebení z oceli S90V na S110V, což se poměrně dobře shoduje s naším testováním odolnosti hran. Nicméně testování Crucible probíhalo s původní S110V, která, jak jsem popsal dříve, by měla mít větší podíl karbidů NbC a VC pro odolnost proti opotřebení.
Tvrdost
Testoval jsem dva stavy S110V, jeden austenitizovaný při 2050 a druhý při 2150°F, přičemž oba byly temperovány při 500°F. Všechny tyto tepelné úpravy zahrnovaly kryokrok po kalení. Poněkud překvapivě obě vedly ke stejné houževnatosti, přestože vyšší austenitizační teplota vedla k vyšší tvrdosti. U tepelných zpracování S30V, S35VN, S45VN a SPY27 bylo zjištěno, že zvýšení austenitizační teploty vede ke zvýšení tvrdosti i houževnatosti, takže tento výsledek by tomu odpovídal. Tato ocel má však vysokou tvrdost a korozní odolnost, což může znamenat nadbytek zadrženého austenitu, který někdy vede k nadsazeným hodnotám houževnatosti. Toto chování bylo pozorováno u oceli M390 při příliš vysoké austenitizaci. A vzhledem k tomu, že někteří uživatelé uvádějí potíže při odstraňování otřepů z S110V (obvykle to znamená vysoký zadržený austenit), nejsem si jistý, zda bych skutečně doporučil tepelné zpracování S110V od 2150 °C, a to i přes zjevně lepší poměr tvrdosti a houževnatosti.
Níže jsem tuto ocel vynesl také ve vztahu k jiným nerezovým ocelím spolu s trendovou čárou tvrdosti a houževnatosti od S60V. Můžete vidět, že S90V a S110V jsou podél podobné trendové čáry (zobrazen je pouze stav 2150 u S110V). Mohlo by se tedy stát, že S110V má podobnou houževnatost jako S90V, ale také připomeňme, že stav 2050 vedl k nižší tvrdosti bez zlepšení houževnatosti. Bylo by tedy třeba vyzkoušet více tepelných zpracování, aby se zjistilo, zda lze dosáhnout větší houževnatosti při nižší tvrdosti. Při konzervativním přístupu bychom tedy řekli, že S90V je houževnatější než S110V, která má vyšší houževnatost než S125V. To dává smysl kvůli nižšímu obsahu karbidů u S90V, zatímco menší obsah karbidů u S110V zajišťuje lepší houževnatost než u S125V navzdory podobnému obsahu karbidů. S90V i S110V nabízejí lepší strukturu karbidů a houževnatost ve srovnání s M398.
Odolnost proti korozi
Při původních pokusech s odolností proti korozi v 1% slané vodě jsem zjistil, že S110V má velmi dobrou odolnost proti korozi, což je jistě výrazné zlepšení oproti S90V a S125V, a je podobná M390, další třídě s velmi dobrou odolností proti korozi. Toto zlepšení korozní odolnosti bylo očekáváno na základě úprav s Nb a Mo, které byly popsány dříve. A při novějším srovnání přímo s M398 si S110V opět vedla podobně.
S110V
M398
S90V
S125V
S110V vs S90V a M398
Jak jsem psal v článku o M398, nejsem velkým příznivcem této oceli kvůli její hrubé struktuře a relativně nízké houževnatosti. Nabízí však nejlepší ostřitelnost z nerezových ocelí s velmi vysokou retencí ostří díky menšímu množství karbidu vanadu a má také velmi dobrou odolnost proti korozi. Proto vidím hlavní volbu mezi S110V a S90V jako nejlepší nerezovou ocelí s velmi vysokou retencí ostří. Tato volba závisí na tom, jak důležitá je pro danou aplikaci odolnost proti korozi. S90V nabízí o něco lepší houževnatost a zachování hran, takže je vyváženější pro aplikace, které vyžadují pouze střední odolnost proti korozi. Pokud je vyžadována vyšší odolnost proti korozi, je vhodnější zvolit S110V. Pokud je požadována lepší houževnatost než S90V, pak by bylo nejlepší přejít k ocelím s nižší odolností hran, jako jsou S35VN a Vanax. Nebo velmi vysokou houževnatost s AEB-L nebo 14C28N. Všimněte si, že níže uvedené hodnoty jsou normalizovány na tvrdost zkoušených vzorků houževnatosti. Například S90V se při stejné tvrdosti retencí hran blíží M398.
Shrnutí a závěry
S110V je velmi zajímavá ocel díky inovacím, které byly použity při jejím vývoji, včetně přídavku niobu pro zlepšení karbidové struktury a odolnosti proti korozi a přídavku kobaltu, který zajišťuje, že ji lze tepelně zpracovávat i přes vynikající odolnost proti korozi. U oceli S110V došlo z většinou neznámých důvodů (i když pravděpodobně souvisejících s výrobou) k poněkud překvapivé a málo diskutované změně složení. Ocel má dobré vlastnosti, včetně vysokého zachování hran a odolnosti proti korozi spolu se slušnou houževnatostí. S110V a S90V jsou mými favority v kategorii nerezových ocelí s velmi vysokou odolností hran, v závislosti na úrovni odolnosti proti korozi, která je pro danou aplikaci nezbytná.