Tak til Aaron @ Gough Custom, Aaron McVay, Mark Scott, Jeffrey St. Claire, Grant Seim III og saiiiiiiiii1 for at blive Knife Steel Nerds Patreon-tilhængere!
I sidste ende vil jeg holde op med at plukke min bog Knife Engineering i hver ny artikel, men den dag er ikke i dag. Gå ud og køb en til dig selv, og alle du kender, som julegave.
S110V forhistorie
S110V er et pulvermetallurgisk rustfrit værktøjsstål med meget høj slidstyrke. Ligesom mange andre rustfrie ståltyper med meget høj slidstyrke (S90V, M398) blev det udviklet til plastinjektionsanvendelser, som kræver en kombination af høj slidstyrke og høj korrosionsbestandighed. Patentet på stålet blev først indgivet i 2006 af opfinderne Alojz Kajinic, Andrzej Wojcieszynski og Maria Sawford, alle fra Crucible Steel.
Da Crucible allerede havde stålene S90V og S125V før S110V, er vi nødt til kort at diskutere historien om disse ståltyper. Jeg har behandlet deres historie mere detaljeret i en tidligere artikel. S90V blev patenteret omkring 1996, og den største nyskabelse i forhold til tidligere stål var en reduktion af Cr ned til 14 %, hvilket førte til dannelse af mere vanadiumcarbid for en given mængde vanadium. Tidligere ståltyper som S60V, Elmax og M390 havde alle 17-20% Cr, hvilket gav dem mere chromcarbid og mindre vanadiumcarbid. Chromcarbider er blødere end vanadiumcarbider og bidrager derfor mindre til slidstyrken. En mindre mængde hårdere carbider (som vanadiumcarbid) giver en bedre kombination af sejhed og slidstyrke. Få mere at vide i denne artikel om karbider. Desuden blev kromindholdet “i opløsning”, der bidrager til korrosionsbestandigheden, faktisk forbedret i S90V i forhold til den tidligere S60V ved omhyggelig kontrol af kulstof- og vanadiumindholdet, selv om kromindholdet i bulk er lavere. Alt dette i kombination med pulvermetallurgiteknologien giver S90V en relativt fin mikrostruktur for god sejhed sammen med høj slidstyrke fra det høje vanadiumindhold.
Design af S110V
For at sætte S110V i kontekst bør vi sammenligne stålets sammensætning med tidligere Crucible-produkter for at se, hvordan udviklingen har ført til S110V. Du vil også se, at jeg har to sammensætninger opført for S110V, en med betegnelsen “patent” og en med betegnelsen “endelig”. Den oprindelige version af S110V blev ændret, hvilket førte til den version, som vi har i dag. Jeg vil diskutere forskellene efter at have beskrevet mere om stålets generelle design.
Niobium
En af de store ændringer, der blev foretaget i S110V i forhold til S90V/S125V, var tilføjelsen af niobium. Læs mere om niobiumtilsætninger i denne artikel. Niobium danner ligesom vanadium meget hårde karbider, der i høj grad bidrager til slidstyrken. Som forklaret ovenfor med S90V er det imidlertid en udfordring at afbalancere vanadium og chrom for at opnå en høj kombination af slidstyrke og korrosionsbestandighed. Det høje chromindhold påvirker mængden af vanadiumcarbid, der dannes, og det høje vanadiumindhold fremmer faktisk dannelsen af chromcarbid, hvilket mindsker korrosionsbestandigheden og sejheden. Desuden er der en vis mængde krom i vanadiumcarbid, hvilket yderligere reducerer korrosionsbestandigheden. Niobium er imidlertid en “stærkere” karbiddanner end vanadium, hvilket betyder, at det kan danne niobiumkarbid selv i tilstedeværelse af store mængder krom. Og niobiumcarbid indeholder meget lidt krom. Disse to faktorer betyder, at anvendelse af niobium i stedet for vanadium kan føre til et stål med høj slidstyrke på grund af hårde niobiumcarbider, samtidig med at det har høj korrosionsbestandighed, fordi der kun er ringe interaktion mellem krom og niobium, så krom alene kan bidrage til korrosionsbestandigheden.
For at se på denne forskel brugte jeg ThermoCalc til at estimere mængden af kulstof, chrom og molybdæn i opløsning med S90V, patentversionen af S110V (2,8C-14Cr-9V-3,5Mo-3,5Nb-2Co) og derefter en modificeret version af S110V, som har 11% V i stedet for 9%V-3,5%Nb (2,8C-14Cr-11V-3,5Mo-2Co). Der blev foretaget en lignende sammenligning i patentet, da 11% V stort set svarer til V-Nb-kombinationen i S110V. Man kan se, at kulstoffet i opløsningen er ens på tværs af de tre kvaliteter, hvilket betyder, at de hver især ville opnå samme hårdhed. S90V og den modificerede S110V (mærket 11V) har dog 11,5 % Cr i opløsningen, mens S110V (9Nb-3,5Nb) har 12,3 % Cr i opløsningen, hvilket ville give en bedre korrosionsbestandighed. 11V-stålet vil stadig være en forbedring i forhold til S90V med hensyn til korrosionsbestandighed på grund af det højere indhold af Mo i opløsningen (se afsnittet om molybdæn senere i denne artikel). En stigning i både Cr og Mo betyder dog en betydelig forbedring af korrosionsbestandigheden for S110V.
En anden fordel ved en delvis udskiftning af vanadium med niobium er, at karbidstørrelsen reduceres. Niobiumcarbider er meget små, når de anvendes i pulvermetallurgisk stål, og kan også bidrage til at mindske størrelsen af krom- og vanadiumcarbider i stålet som beskrevet i niobiumartiklen. Du kan se forskellen på mikrobillederne nedenfor. S110V har en finere karbidstruktur end enten S90V eller S125V. S110V har noget mere karbid end S90V, hvilket gør det endnu mere imponerende, at karbidstørrelsen er finere. Karbidvolumenet i S110V er tættere på S125V, som er betydeligt grovere. Dette vil være relevant for diskussionen om sejhed senere.
S110V 2050°F (~27% carbidvolumen)
S90V 2050°F (~21% carbidvolumen)
S125V 2150°F (~27% carbidvolumen)
En fuldstændig udskiftning af vanadium med niobium er imidlertid vanskelig at foretage. Da niobium er en stærk karbiddanner, ønsker det at danne karbider ved meget høje temperaturer, ofte i det flydende stål. Og hvis dannelsestemperaturen er for høj, vil karbiderne blive dannet i smeltet, før stålet kan gasforstøves til pulverformning. Hvis karbiderne dannes i væsken, er de meget større, end hvis de dannes under størkning af pulveret. Så der er en maksimal mængde niobium, der kan anvendes, før dette sker, et sted i 3-4%-området. Derfor var tilgangen med S110V at have en kombination af vanadium og niobium for at forbedre korrosionsbestandigheden mest muligt og samtidig undgå de problemer, der følger med overskydende niobium.
Molybdæn
S30V er ikke i samme slidbestandighedsklasse som de andre stål, men designet af dette stål kan have påvirket de andre, så jeg har taget det med. S30V havde f.eks. øget Mo i forhold til det tidligere S90V/S60V for at forbedre korrosionsbestandigheden, og denne tendens fortsatte derefter med andre Crucible-produkter. En version af S125V med 2,7 % Mo var dog i S90V-patentet, som gik forud for S30V, så det er ikke 100 % klart, i hvilken retning inspirationen gik. Uanset hvad betød udviklingen af S30V og S125V, at Crucible-metallurgerne var klar over, at Mo kunne forbedre korrosionsbestandigheden med det samme kromniveau. Dette var ikke nødvendigvis en ny opdagelse; det var længe kendt i austenitiske rustfrie ståltyper, at højt Mo forbedrede “pittingresistensen”, og ståltyper, der er beregnet til havvandsanvendelse, har typisk brug for højt Mo. 154CM, der stammer tilbage fra omkring 1959, havde 4% Mo, selv om tilsætningen af Mo var for at opretholde hårdheden ved højere temperaturer i lejeapplikationer, ikke nødvendigvis for at forbedre korrosionsbestandigheden. Patentet på S110V nævner dog specifikt 154CM som designgrundlag med sine 14Cr-4Mo, der giver god korrosionsbestandighed med mindre Cr, og det kan ses i den oprindelige version af S110V med 14Cr-3,5Mo.
Kobolt
Jeg har tidligere skrevet om kobolttilsætninger i denne artikel om VG10. Den artikel udforsker en masse aspekter om kobolt, fordi der ikke er meget god grund til at være i VG10 overhovedet. Der er dog en meget specifik grund til, at der findes kobolt i S110V. Når knivstål varmebehandles, er man nødt til at opvarme det til høj temperatur for at “austenitisere” stålet før nedkøling for at omdanne stålet til hård martensite. Så dannelse af austenit ved høj temperatur er det første nødvendige trin for den endelige varmebehandling af en kniv. Forskellige ståltyper vil omdanne sig til austenit ved forskellige temperaturer. S110V er beregnet til at blive varmebehandlet mellem 2050 og 2150°F, så stålet skal austenitiseres inden for dette område. Chrom, vanadium, niobium og molybdæn er alle “ferritstabilisatorer”, hvilket betyder, at de øger den temperatur, ved hvilken austenit dannes, fordi de stabiliserer den typiske rumtemperaturfase i stål og jern, der kaldes ferrit. Da S110V har en hel del af hvert af disse elementer, kan stålet ikke hærdes fuldt ud, når der ikke er kobolt i det. Dette blev bekræftet i de forsøg, der er rapporteret i patentet, hvor en koboltfri version havde en del ferrit til stede efter varmebehandling og kun nåede ca. 54 Rc.
Der er også andre elementer, der kan stabilisere austenit, især kulstof, nikkel og mangan, selv om disse elementer også øger den tilbageholdte austenit. Fremstilling af stål med høj korrosionsbestandighed med højt chromindhold i opløsningen fører også til mere tilbageholdt austenit, som forklaret i denne artikel om Vanax-stål. Så mængden af Ni og Mn skal holdes på et relativt lavt niveau, så der kan opnås en god kombination af hårdhed og korrosionsbestandighed. Typisk øger stålkonstruktøren i stedet kulstofindholdet til det punkt, hvor stålet kan austenitiseres. Mere kulstof betyder imidlertid flere karbider, hvilket reducerer korrosionsbestandigheden og sejheden, som beskrevet i denne artikel. I stedet har opfinderne af S110V anvendt kobolt, som er en austenitstabilisator ved høje temperaturer, men som ikke øger den bevarede austenit ved nedkøling til martensite i modsætning til Ni og Mn. Dette er det eneste eksempel på anvendelse af kobolt til dette formål i et rustfrit værktøjsstål, som jeg er bekendt med, og det er en af de største nyskabelser i S110V efter min mening.
Den anden version af S110V
Patentet for S110V og det oprindelige datablad, der blev udgivet i september 2008 (jeg arkiverede det her), er den oprindelige sammensætning mærket som “patent” i sammensætningstabellen. Der blev imidlertid frigivet en revideret version af stålet, og databladet blev revideret i juli 2010. Jeg har næsten ikke set nogen diskussion om ændringen i sammensætningen, og jeg tror, at de fleste mennesker ikke er klar over, at den nogensinde er blevet ændret. Faktisk viser det reviderede datablad alle de samme data for korrosionsbestandighed, hårdhed og slidstyrke på trods af, at ændringen i sammensætningen var relativt væsentlig.
Jeg ved ikke, hvor meget S110V ville være blevet lavet til knive før ændringen i sammensætningen, men det er interessant, at der blev foretaget en relativt stor ændring i stålet, men uden at der blev ændret navn. Jeg har spurgt den nuværende Crucible-metalurg Bob Skibitski samt hovedopfinderen på patentet, Alojz Kajinic, og ingen af dem vidste, hvorfor ændringen blev foretaget, da de ikke var direkte involveret i den. Jeg har dog nogle spekulationer om, hvorfor sammensætningen blev ændret.
Der blev sandsynligvis foretaget ændringer for at forbedre “fremstillbarheden”, f.eks. problemer med gasforstøvning, smedning eller udglødning af stålet. En af ændringerne i S110V var en reduktion af Nb fra 3,5 % til 3 %. Som nævnt i niobiumafsnittet er der grænser for niobiumlegering i forbindelse med typisk pulvermetallurgisk stålproduktion. Det kunne være, at Crucible besluttede, at niobium var for tæt på farezonen. Om det skyldtes et problem, der blev observeret i produktionen, eller om det blot skyldtes forsigtighed, er jeg ikke sikker på. Jeg kender ikke til andre pulvermetallurgiske ståltyper, der overhovedet har så meget som de 3 % i den nuværende version af S110V.
Reduktionen af Nb kan have ført til de andre ændringer i stålet. Da Nb forbedrer korrosionsbestandigheden ved at hjælpe Cr til at gå længere, kan de have forsøgt at kompensere for reduktionen i Nb ved at øge bulk-Cr fra 14% til 15,25%. Men kromforøgelsen var mere end nødvendigt for at opnå en tilsvarende mængde krom i opløsningen (se tabellen nedenfor), og de sænkede også Mo-indholdet med et beløb svarende til, hvor meget Cr blev øget (fra 3,5 til 2,25%), så årsagen til denne ændring er ikke helt klar for mig. Måske har de også identificeret et højt indhold af Mo som et problem, f.eks. vanskeligheder ved udglødning eller for stor hærdningsevne, der fører til revner under afkøling efter smedning. Med øget Cr i opløsningen, men reduceret Mo, er det ikke klart, hvilken version der ville have den bedste korrosionsbestandighed. I tidligere korrosionstest, som jeg har udført, fandt jeg, at effekten af Mo toppede ved et vist niveau, men det ville være overraskende, hvis Crucible også kom til en lignende konklusion.
Koboltindholdet blev øget fra 2 til 2,5%, sandsynligvis baseret på opdaterede skøn over, hvor meget austenitstabilisering der er nødvendig efter ændringerne af Nb, Cr og Mo. Eller måske mente de, at det gav en lidt større “sikkerhedsfaktor” for at sikre, at fuld austenitisering ville være mulig. I ældre versioner af ThermoCalc viste det, at S110V med 2% Co ville være fint, hvilket Crucible ville have brugt på det tidspunkt, men nyere versioner viser en lille mængde ferrit ved 2150°F, omkring 4%. Hvis de fandt en lille mængde ferrit i S110V, ville det naturligvis have bidraget til beslutningen om at øge Co.
Med hensyn til karbidforskelle blev det samlede karbidindhold øget en smule i den endelige version, primært på grund af en stigning i chromkarbid (mærket M7C3 nedenfor). Dette vil sandsynligvis gøre den nye version marginalt dårligere med hensyn til balancen mellem sejhed og slidstyrke, da den oprindelige version havde en højere andel af NbC og VC og lidt mindre samlet karbid.
Eksperimenter på S110V
Alle de følgende eksperimenter blev udført på den senere version af S110V, da det er den eneste, der er tilgængelig at købe. Mit gæt er, at der kun blev produceret få opvarmninger af den oprindelige sammensætning, så eksperimenter på denne version er mest akademiske på dette tidspunkt.
Hårdhed og varmebehandling
Jeg har ikke udført et komplet udvalg af varmebehandlingsforsøg på S110V, men sammenligninger med S90V viser, at de to varmebehandles relativt ens. Begge er i stand til at opnå meget høje hårdhedsgrader. Se flere hårdhedsmålinger af S90V i denne artikel.
Som en sidebemærkning viser både den oprindelige og den nye version af S110V-databladet følgende for varmebehandling/hårdhedsdata:
Dette viser dog primært den hårdhed, der opstår i det øverste anløbsområde, hvor Mo har den største effekt på hårdheden. Reduktionen i Mo fra den oprindelige version (3,5 %) til den endelige version (2,25 %) betyder sandsynligvis, at disse værdier ikke længere er nøjagtige.
Kantfastholdelse
Jeg foretog et stort antal kantfastholdelseseksperimenter, som blev opsummeret i denne artikel, og jeg tilføjede også M398, som blev diskuteret her. Her bruges en standard rektangulær kniv slebet til 0,015″ før der sættes en slutkant på 15 dps med en 400 grit CBN-matrixsten. Resultaterne kan ses nedenfor.
S110V har som forventet en meget høj kantfastholdelse, idet den svarer til CPM-10V. Det overraskende er dog, at den klarede sig dårligere end S90V. S110V er i det væsentlige S90V med mere C, Cr, Co, Mo og Nb, og det er svært at forestille sig scenarier, hvor tilføjelse af flere af disse elementer ville føre til en reduceret kantfastholdelse. Dette synes ikke at være et spørgsmål om eksperimentel variabilitet, da ingen af de test, der blev udført på S110V, resulterede i lige så høje værdier som det gennemsnitlige resultat for S90V (hver test blev udført 3 gange). I min oprindelige artikel om kantfastholdelse spekulerede jeg i, at det måske var den mindre karbidstørrelse, der var forskellen, og jeg foretog nogle sammenligninger med størrelsen af de slibepartikler, der blev anvendt i testen. Men jeg ved stadig ikke med sikkerhed, hvorfor S110V ikke var lige så god som S90V i testen. Uanset hvad, så er stålets kantfasthed høj, og måske er det ikke til praktisk nytte at bekymre sig om, hvorvidt det er lige så godt som S90V eller ej.
I Crucibles slidbestandighedstest af det originale S110V viser de følgende diagram for slidbestandighed, der ser ud til at vise en forbedring i forhold til S90V:
Hvis hvis man plotter disse værdier mod hårdhed, bliver det tydeligt, at de to stål har samme slidbestandighed:
Så Crucible’s data viser, at der ikke var nogen forbedring i slidstyrke fra S90V til S110V, hvilket stemmer relativt godt overens med vores test af kantfastholdelse. Crucibles test var dog med den oprindelige S110V, der, som jeg beskrev før, ville have en større andel af NbC- og VC-carbider til slidstyrke.
Slidstyrke
Jeg testede to tilstande af S110V, en austenitiseret ved 2050 og en anden ved 2150°F, med begge hærdet ved 500°F. Disse varmebehandlinger omfattede alle et kryotrin efter nedkøling. Noget overraskende resulterede de begge i identisk sejhed på trods af den højere austenitiserende temperatur, der fører til højere hårdhed. Ved varmebehandlinger af S30V, S35VN, S45VN og SPY27 blev det konstateret, at en stigning i austenitiserings-temperaturen øger både hårdhed og sejhed, så dette resultat er i overensstemmelse hermed. Dette stål har imidlertid en høj hårdhed og korrosionsbestandighed, hvilket kan betyde overskydende tilbageholdt austenit, som undertiden fører til opblæste sejhedsværdier. Denne adfærd blev set med M390, når austenitiseringen blev for høj. Og da nogle brugere rapporterer om vanskeligheder med at afgratte S110V (betyder normalt høj tilbageholdt austenit), er jeg ikke sikker på, at jeg faktisk ville anbefale varmebehandling af S110V fra 2150°F på trods af den tilsyneladende overlegne hårdheds-tålegenskabsbalance.
Nedenfor har jeg plottet stålet også i forhold til andre rustfrie stål sammen med en hårdheds-tålegenskabs-tendenslinje fra S60V. Du kan se, at S90V og S110V ligger langs en lignende trendlinje (kun 2150-tilstanden for S110V er vist). Så det kunne være, at S110V har samme sejhed som S90V, men husk også, at 2050-tilstanden førte til lavere hårdhed uden nogen forbedring af sejheden. Så der skal afprøves flere varmebehandlinger for at se, om der kan opnås større sejhed ved lavere hårdhed. Så hvis vi er forsigtige, vil vi sige, at S90V er sejere end S110V, som har højere sejhed end S125V. Dette giver mening på grund af det lavere karbidindhold i S90V, mens de mindre karbider i S110V giver en bedre sejhed end S125V på trods af det samme karbidindhold. S90V og S110V giver begge en overlegen karbidstruktur og sejhed sammenlignet med M398.
Korrosionsbestandighed
I mine oprindelige korrosionsbestandighedsforsøg med 1 % saltvand fandt jeg, at S110V havde en meget god korrosionsbestandighed, bestemt en betydelig opgradering i forhold til S90V og S125V, og at den svarer til M390, en anden kvalitet med meget god korrosionsbestandighed. Denne forbedring af korrosionsbestandigheden var forventet på baggrund af de ændringer med Nb og Mo, der blev beskrevet tidligere. Og i den nyere sammenligning direkte med M398 klarede S110V sig igen på samme måde.
S110V
M398
S90V
S125V
S110V vs. S90V og M398
Som jeg skrev i min M398-artikel, er jeg ikke en stor fan af stålet på grund af dets grove struktur og relativt lave sejhed. Det tilbyder dog den bedste slibbarhed af de meget høj kantfasthed rustfrie ståltyper på grund af mindre vanadiumcarbid, og det har også en meget god korrosionsbestandighed. Derfor ser jeg hovedvalget mellem S110V og S90V som det bedste rustfri stål med meget høj kantfasthed. Dette valg afhænger af, hvor vigtig korrosionsbestandighed er for anvendelsen. S90V har en noget bedre sejhed og kantfasthed, hvilket gør den mere afbalanceret til anvendelser, hvor der kun er behov for middelstor korrosionsbestandighed. Hvis der er behov for større korrosionsbestandighed, er S110V den rigtige løsning. Hvis der ønskes en bedre sejhed end S90V, er det bedst at gå over til stål med lavere kantfasthed som S35VN og Vanax. Eller meget høj sejhed med AEB-L eller 14C28N. Bemærk, at nedenstående værdier er normaliseret i forhold til hårdheden af de testede sejhedsprøver. For eksempel er S90V-kantfastholdelse tættere på M398 ved samme hårdhed.
Summary and Conclusions
S110V er et meget interessant stål på grund af de innovationer, der gik ind i dets udvikling, herunder en niobiumtilsætning for at forbedre karbidstrukturen og korrosionsbestandigheden og en kobolttilsætning for at sikre, at det kunne varmebehandles på trods af den fremragende korrosionsbestandighed. Der var en noget overraskende og lidet omtalt ændring i sammensætningen af S110V af for det meste ukendte årsager (men sandsynligvis relateret til fremstillingen). Stålet har gode egenskaber, herunder høj kantfasthed og korrosionsbestandighed sammen med en anstændig sejhed. S110V og S90V er mine favoritter i kategorien af rustfrit stål med meget høj kantfasthed, afhængigt af det niveau af korrosionsbestandighed, der er nødvendigt for anvendelsen.