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Préhistoire du S110V
Le S110V est un acier à outils inoxydable à métallurgie des poudres avec une très haute résistance à l’usure. Comme beaucoup d’autres aciers inoxydables à très haute résistance à l’usure (S90V, M398), il a été développé pour les applications d’injection plastique qui nécessitent une combinaison de haute résistance à l’usure et de haute résistance à la corrosion. Le brevet pour cet acier a été déposé pour la première fois en 2006 par les inventeurs Alojz Kajinic, Andrzej Wojcieszynski et Maria Sawford, tous de Crucible Steel.
Parce que Crucible avait déjà des aciers S90V et S125V avant le S110V, nous devons discuter brièvement de l’histoire de ces aciers. J’ai couvert l’histoire de ces derniers de manière plus détaillée dans un article précédent. Le S90V a été breveté vers 1996, l’innovation majeure par rapport aux aciers précédents était une réduction du Cr à 14%, ce qui a conduit à la formation de plus de carbure de vanadium pour une quantité donnée de vanadium. Les aciers précédents comme le S60V, l’Elmax et le M390 avaient tous une teneur en chrome de 17 à 20 %, ce qui leur donnait plus de carbure de chrome et moins de carbure de vanadium. Les carbures de chrome sont plus mous que les carbures de vanadium et contribuent donc moins à la résistance à l’usure. Une plus petite quantité de carbures plus durs (comme le carbure de vanadium) donne une meilleure combinaison de ténacité et de résistance à l’usure. Pour en savoir plus, consultez cet article sur les carbures. En outre, le chrome « en solution » contribuant à la résistance à la corrosion a été amélioré dans le S90V par rapport au S60V antérieur grâce à un contrôle minutieux de la teneur en carbone et en vanadium, bien que le chrome en vrac soit plus faible. Tout cela, en combinaison avec la technologie de la métallurgie des poudres, donne au S90V une microstructure relativement fine pour une bonne ténacité ainsi qu’une résistance élevée à l’usure grâce au contenu élevé en vanadium.
Conception de S110V
Pour mettre S110V en contexte, nous devrions comparer la composition de l’acier avec les produits Crucible précédents pour voir comment l’évolution a conduit à S110V. Vous verrez également que j’ai deux compositions répertoriées pour S110V, une étiquetée » brevet » et une étiquetée » finale « . La version initiale de S110V a été modifiée pour aboutir à la version que nous avons aujourd’hui. Je discuterai des différences après avoir décrit davantage la conception générale de l’acier.
Niobium
L’une des principales modifications apportées au S110V par rapport au S90V/S125V était l’ajout de niobium. Pour en savoir plus sur les ajouts de niobium, consultez cet article. Le niobium, comme le vanadium, forme des carbures très durs qui contribuent grandement à la résistance à l’usure. Cependant, comme expliqué ci-dessus avec le S90V, il est difficile d’équilibrer le vanadium et le chrome pour obtenir une combinaison élevée de résistance à l’usure et à la corrosion. La teneur élevée en chrome affecte la quantité de carbure de vanadium qui se forme, et la teneur élevée en vanadium favorise en fait la formation de carbure de chrome, ce qui diminue la résistance à la corrosion et la ténacité. En outre, une certaine quantité de chrome est présente dans le carbure de vanadium, ce qui réduit encore la résistance à la corrosion. Cependant, le niobium est un formateur de carbure « plus fort » que le vanadium, ce qui signifie qu’il peut former du carbure de niobium même en présence de grandes quantités de chrome. Et le carbure de niobium contient très peu de chrome. Ces deux facteurs signifient que l’utilisation du niobium à la place du vanadium peut conduire à un acier avec une résistance élevée à l’usure à partir de carbures de niobium durs, tout en ayant une résistance élevée à la corrosion parce qu’il y a peu d’interaction entre le chrome et le niobium, laissant le chrome seul contribuer à la résistance à la corrosion.
Pour examiner cette différence, j’ai utilisé ThermoCalc pour estimer la quantité de carbone, de chrome et de molybdène en solution avec S90V, la version brevetée de S110V (2,8C-14Cr-9V-3,5Mo-3,5Nb-2Co), puis une version modifiée de S110V qui a 11% de V au lieu de 9%V-3,5%Nb (2,8C-14Cr-11V-3,5Mo-2Co). Une comparaison similaire a été faite dans le brevet, car 11% V est à peu près équivalent à la combinaison V-Nb dans le S110V. Vous pouvez constater que le carbone en solution est similaire dans les trois nuances, ce qui signifie que chacune d’entre elles atteindrait une dureté similaire. Toutefois, le S90V et le S110V modifié (appelé 11V) contiennent 11,5 % de Cr en solution, tandis que le S110V (9Nb-3,5Nb) contient 12,3 % de Cr en solution, ce qui lui confère une meilleure résistance à la corrosion. L’acier 11V serait toujours supérieur à l’acier S90V en termes de résistance à la corrosion en raison de la teneur plus élevée en Mo en solution (voir la section Molybdène plus loin dans cet article). Cependant, une augmentation à la fois du Cr et du Mo signifie une amélioration significative de la résistance à la corrosion pour le S110V.
Un autre avantage d’un remplacement partiel du vanadium par du niobium est que la taille du carbure est réduite. Les carbures de niobium sont très petits lorsqu’ils sont utilisés dans l’acier de la métallurgie des poudres, et peuvent également aider à diminuer la taille des carbures de chrome et de vanadium dans l’acier, comme décrit dans l’article sur le niobium. Vous pouvez voir la différence dans les micrographies ci-dessous. S110V a une structure de carbure plus fine que S90V ou S125V. S110V a un peu plus de carbure que S90V, ce qui rend encore plus impressionnant le fait que la taille du carbure soit plus fine. Le volume de carbure de S110V est plus proche de celui de S125V qui est nettement plus grossier. Cela sera pertinent pour la discussion sur la ténacité plus tard.
S110V 2050°F (~27% volume de carbure)
S90V 2050°F (~21% volume de carbure)
S125V 2150°F (~27% volume de carbure)
Cependant, un remplacement complet du vanadium par du niobium est difficile à faire. Parce que le niobium est un fort formateur de carbure, il veut former des carbures à des températures très élevées, souvent dans l’acier liquide. Et si la température de formation est trop élevée, les carbures se formeront dans la masse fondue avant que l’acier puisse être atomisé au gaz pour former la poudre. Si les carbures se forment dans le liquide, ils sont beaucoup plus gros que s’ils se forment pendant la solidification de la poudre. Il y a donc une quantité maximale de niobium qui peut être utilisée avant que cela ne se produise, quelque part dans la gamme des 3-4%. Par conséquent, l’approche avec S110V était d’avoir une combinaison de vanadium et de niobium pour améliorer la résistance à la corrosion autant que possible tout en évitant les problèmes qui viennent avec l’excès de niobium.
Molybdène
S30V n’est pas dans la même classe de résistance à l’usure que les autres aciers, mais la conception de cet acier peut avoir influencé les autres donc je l’ai inclus. Par exemple, le S30V présentait une augmentation de Mo par rapport au S90V/S60V antérieur pour une meilleure résistance à la corrosion, et cette tendance s’est poursuivie par la suite avec d’autres produits Crucible. Cependant, une version du S125V avec 2,7 % de Mo était dans le brevet S90V, qui a précédé le S30V, donc il n’est pas clair à 100 % dans quelle direction l’inspiration s’est produite. Quoi qu’il en soit, le développement de S30V et S125V signifie que les métallurgistes du creuset étaient bien conscients que le Mo pouvait améliorer la résistance à la corrosion avec le même niveau de chrome. Ce n’était pas nécessairement une nouvelle découverte ; on savait depuis longtemps que les aciers inoxydables austénitiques avaient une teneur élevée en Mo qui améliorait la » résistance aux piqûres « , et les aciers destinés aux applications en eau de mer ont généralement besoin d’une teneur élevée en Mo. L’acier 154CM, qui date d’environ 1959, contenait 4 % de Mo, mais l’ajout de Mo visait à maintenir la dureté à des températures plus élevées dans les applications de roulement, sans nécessairement améliorer la résistance à la corrosion. Cependant, le brevet du S110V appelle spécifiquement le 154CM comme base de conception avec son 14Cr-4Mo, offrant une bonne résistance à la corrosion avec moins de Cr, et cela peut être vu dans la version initiale du S110V avec 14Cr-3,5Mo.
Cobalt
J’ai précédemment écrit sur les ajouts de cobalt dans cet article sur le VG10. Cet article explore beaucoup d’aspects sur le cobalt parce qu’il n’y a pas beaucoup de bonnes raisons d’être dans le VG10 du tout. Cependant, il y a une raison très spécifique pour laquelle le cobalt se trouve dans le S110V. Lorsque l’acier à couteau est traité thermiquement, vous devez le chauffer à haute température pour « austénitiser » l’acier avant de le tremper pour le transformer en martensite dure. La formation d’austénite à haute température est donc la première étape nécessaire au traitement thermique final d’un couteau. Différents aciers se transformeront en austénite à différentes températures. Le S110V est conçu pour être traité thermiquement entre 2050 et 2150°F, l’acier doit donc être austénitisé dans cette plage. Le chrome, le vanadium, le niobium et le molybdène sont tous des « stabilisateurs de ferrite », ce qui signifie qu’ils augmentent la température à laquelle l’austénite se forme, car ils stabilisent la phase typique de l’acier et du fer à température ambiante appelée ferrite. Le S110V contenant une grande quantité de chacun de ces éléments, l’acier ne peut pas être entièrement durci lorsqu’il ne contient pas de cobalt. Cela a été confirmé dans les tests rapportés dans le brevet, où une version sans cobalt avait un peu de ferrite présente après le traitement thermique, et n’a atteint qu’environ 54 Rc.
Il existe d’autres éléments qui peuvent également stabiliser l’austénite, notamment le carbone, le nickel et le manganèse, bien que ces éléments augmentent également l’austénite retenue. Faire des aciers à haute résistance à la corrosion avec beaucoup de chrome en solution conduit également à plus d’austénite retenue, comme expliqué dans cet article sur l’acier Vanax. Ainsi, la quantité de Ni et de Mn doit être maintenue à des niveaux relativement bas afin d’obtenir une bonne combinaison de dureté et de résistance à la corrosion. En général, le concepteur de l’acier augmente plutôt le niveau de carbone jusqu’à ce que l’acier puisse être austénitisé. Cependant, plus de carbone signifie plus de carbures, ce qui réduit la résistance à la corrosion et la ténacité, comme décrit dans cet article. Au lieu de cela, les inventeurs de S110V ont utilisé le cobalt, qui est un stabilisateur d’austénite à haute température mais n’augmente pas l’austénite retenue lors de la trempe en martensite, contrairement au Ni et au Mn. C’est le seul exemple d’utilisation du cobalt à cette fin dans un acier à outils inoxydable que je connaisse, et c’est l’une des plus grandes innovations de S110V à mon avis.
Deuxième version de S110V
Le brevet de S110V et la fiche technique originale publiée en septembre 2008 (je l’ai archivée ici) est la composition originale étiquetée « brevet » dans le tableau de composition. Cependant, une version révisée de l’acier a été publiée, et la fiche technique a été révisée en juillet 2010. Je n’ai vu pratiquement aucune discussion sur le changement de composition, et je pense que la plupart des gens ne savent pas qu’elle a changé. En fait, la fiche technique révisée montre toutes les mêmes données pour la résistance à la corrosion, la dureté et la résistance à l’usure, malgré le fait que le changement de composition était relativement important.
Je ne sais pas combien de S110V aurait été fabriqué en couteaux avant le changement de composition, mais il est intéressant qu’un changement relativement important ait été apporté à l’acier, mais sans changement de nom. J’ai demandé à Bob Skibitski, le métallurgiste actuel des Creusets, ainsi qu’à Alojz Kajinic, le principal inventeur du brevet, et ni l’un ni l’autre n’a su pourquoi le changement a été effectué, car ils n’étaient pas directement impliqués. Cependant, j’ai quelques spéculations sur la raison pour laquelle la composition a été changée.
Les changements ont probablement été faits pour améliorer la « manufacturabilité », comme des problèmes avec l’atomisation du gaz, le forgeage ou le recuit de l’acier. L’un des changements apportés au S110V était une réduction de la teneur en Nb de 3,5 % à 3 %. Comme mentionné dans la section sur le niobium, il existe des limites à l’alliage de niobium dans la production typique d’acier par métallurgie des poudres. Il se peut que Crucible ait décidé que le niobium était trop proche de la zone de danger. Je ne sais pas si c’est en raison d’un problème observé en production ou simplement par prudence. Je ne connais pas d’autres aciers à métallurgie des poudres qui ont même autant que les 3% dans la version actuelle de S110V.
La réduction de Nb peut avoir conduit aux autres changements dans l’acier. Comme le Nb améliore la résistance à la corrosion en aidant le Cr à aller plus loin, ils ont peut-être tenté de compenser la réduction du Nb en augmentant le Cr global de 14% à 15,25%. Mais l’augmentation du chrome était supérieure à ce qui était nécessaire pour obtenir une quantité similaire de chrome en solution (voir le tableau ci-dessous), et ils ont également diminué la teneur en Mo d’une quantité similaire à celle de l’augmentation du Cr (de 3,5 à 2,25%), donc la raison de ce changement n’est pas complètement claire pour moi. La raison de ce changement n’est pas tout à fait claire pour moi. Peut-être ont-ils identifié la teneur élevée en Mo comme un problème, comme une difficulté de recuit ou une durcissement excessif conduisant à des fissures pendant le refroidissement après le forgeage. Avec une augmentation du Cr en solution, mais une diminution du Mo, il n’est pas clair quelle version aurait une résistance à la corrosion supérieure. Dans les tests de corrosion précédents que j’ai effectués, j’ai constaté que l’effet du Mo plafonnait à un certain niveau, mais il serait surprenant que Crucible arrive également à une conclusion similaire.
La teneur en cobalt a été augmentée de 2 à 2,5%, probablement sur la base d’estimations actualisées de la quantité de stabilisation de l’austénite nécessaire après les modifications apportées au Nb, au Cr et au Mo. Ou peut-être ont-ils pensé que cela donnait un peu plus de « facteur de sécurité » pour garantir que l’austénitisation complète serait possible. Dans les anciennes versions de ThermoCalc, il était indiqué que S110V avec 2 % de Co serait parfait, ce que Crucible utilisait à l’époque, mais les nouvelles versions montrent une petite quantité de ferrite à 2150°F, autour de 4 %. S’ils ont trouvé une petite quantité de ferrite dans S110V, cela aurait contribué à la décision d’augmenter le Co, bien sûr.
En termes de différences de carbure, la teneur totale en carbure a été légèrement augmentée dans la version finale, principalement à partir d’une augmentation du carbure de chrome (étiqueté M7C3 ci-dessous). Cela rendrait probablement la nouvelle version marginalement pire en termes d’équilibre ténacité-résistance à l’usure, car la version originale avait une proportion plus élevée de NbC et de VC et un peu moins de carbure global.
Expériences sur S110V
Toutes les expériences suivantes ont été réalisées sur la version ultérieure de S110V, car c’est tout ce qui est disponible à l’achat. Mon hypothèse est que peu de chaleurs de la composition originale ont été produites, donc les expériences sur cette version sont surtout académiques à ce stade.
Dureté et traitement thermique
Je n’ai pas effectué une gamme complète d’expériences de traitement thermique sur la S110V, mais les comparaisons avec la S90V montrent que les deux traitent thermiquement de manière relativement similaire. Les deux sont capables d’atteindre des niveaux de dureté très élevés. Voir plus de mesures de dureté du S90V dans cet article.
En marge, la version originale et la nouvelle version de la fiche technique du S110V montrent ce qui suit pour les données de traitement thermique/dureté :
Cependant, cela montre principalement la dureté qui résulte dans la plage de revenu supérieure, où Mo a le plus grand effet sur la dureté. La réduction du Mo de la version originale (3,5%) à la version finale (2,25%) signifie probablement que ces valeurs ne sont plus précises.
Rétention d’arête
J’ai fait un grand nombre d’expériences de rétention d’arête qui ont été résumées dans cet article, et j’ai également ajouté M398 qui a été discuté ici. Cela utilise un couteau rectangulaire standard affûté à 0,015″ avant de mettre un bord final de 15 dps avec une pierre à matrice CBN de 400 grains. Les résultats peuvent être vus ci-dessous.
S110V a une rétention de bord très élevée, comme prévu, étant similaire à CPM-10V. Cependant, ce qui est surprenant, c’est qu’il a fait moins bien que le S90V. S110V est essentiellement S90V avec plus de C, Cr, Co, Mo, et Nb, et il est difficile de penser à des scénarios où l’ajout de ces éléments conduirait à une rétention des bords réduite. Il ne semble pas s’agir d’un problème de variabilité expérimentale, car aucun des tests effectués sur le S110V n’a donné des valeurs aussi élevées que le résultat moyen du S90V (chacun a été testé 3 fois). Dans mon article original sur la rétention des arêtes, j’ai supposé que la différence était peut-être due à la taille plus petite du carbure et j’ai fait quelques comparaisons avec la taille des particules abrasives utilisées dans les tests. Mais je ne sais toujours pas avec certitude pourquoi le S110V n’a pas été aussi bon que le S90V lors des tests. Quoi qu’il en soit, la rétention des bords de l’acier est élevée et peut-être que s’inquiéter de savoir si oui ou non il est aussi bon que le S90V n’est pas d’une utilité pratique.
Dans les tests de résistance à l’usure de Crucible sur le S110V original, ils montrent le tableau suivant pour la résistance à l’usure, qui semble montrer une amélioration par rapport au S90V:
Mais si vous tracez ces valeurs en fonction de la dureté, il devient évident que les deux aciers ont la même résistance à l’usure :
Donc, les données de Crucible montrent qu’il n’y a pas eu d’amélioration de la résistance à l’usure de S90V à S110V, ce qui correspond relativement bien à nos essais de rétention des bords. Cependant, les tests de Crucible ont été effectués avec le S110V original qui, comme je l’ai décrit précédemment, aurait une plus grande proportion de carbures NbC et VC pour la résistance à l’usure.
Dureté
J’ai testé deux conditions de S110V, l’une austénitisée à 2050 et l’autre à 2150°F, avec les deux tempérées à 500°F. Ces traitements thermiques comprenaient tous une étape de cryogénie après la trempe. De manière assez surprenante, ils ont tous deux donné lieu à une ténacité identique, bien que la température d’austénitisation plus élevée ait conduit à une dureté supérieure. Dans les traitements thermiques de S30V, S35VN, S45VN et SPY27, on a constaté qu’une augmentation de la température d’austénitisation augmentait à la fois la dureté et la ténacité, ce résultat serait donc cohérent avec cela. Cependant, cet acier a une dureté et une résistance à la corrosion élevées, ce qui peut signifier un excès d’austénite retenue qui conduit parfois à des valeurs de ténacité gonflées. Ce comportement a été observé avec le M390 lors d’une austénitisation trop élevée. Et avec certains utilisateurs rapportant des difficultés à ébavurer le S110V (ce qui signifie généralement une austénite retenue élevée), je ne suis pas sûr que je recommanderais réellement le traitement thermique du S110V à partir de 2150°F malgré l’équilibre apparent supérieur de dureté-tolérance.
Ci-après, j’ai tracé l’acier également par rapport à d’autres aciers inoxydables ainsi qu’une ligne de tendance de dureté-tolérance à partir du S60V. Vous pouvez voir que le S90V et le S110V suivent une ligne de tendance similaire (seule la condition 2150 du S110V est représentée). Il se pourrait donc que la dureté de la nuance S110V soit similaire à celle de la nuance S90V, mais il faut aussi se rappeler que la condition 2050 a entraîné une baisse de la dureté sans amélioration de la dureté. Il faudrait donc tester d’autres traitements thermiques pour voir s’il est possible d’obtenir une meilleure ténacité pour une dureté inférieure. En restant prudents, nous dirions donc que le S90V est plus résistant que le S110V, dont la ténacité est supérieure à celle du S125V. Ceci est logique en raison de la plus faible teneur en carbure du S90V, tandis que les carbures plus petits du S110V offrent une meilleure ténacité que le S125V malgré une teneur en carbure similaire. S90V et S110V offrent tous deux une structure de carbure et une ténacité supérieures par rapport à M398.
Résistance à la corrosion
Dans mes expériences initiales de résistance à la corrosion avec de l’eau salée à 1%, j’ai trouvé que S110V avait une très bonne résistance à la corrosion, certainement une amélioration significative par rapport à S90V et S125V, et étant similaire à M390, un autre grade avec une très bonne résistance à la corrosion. Cette amélioration de la résistance à la corrosion était attendue sur la base des modifications avec Nb et Mo qui ont été décrites précédemment. Et dans la comparaison plus récente directement avec M398, S110V s’est à nouveau comporté de manière similaire.
S110V
M398
S90V
S125V
S110V vs S90V et M398
Comme je l’ai écrit dans mon article sur M398, Je ne suis pas un grand fan de cet acier en raison de sa structure grossière et de sa ténacité relativement faible. Il offre cependant la meilleure affûtabilité des aciers inoxydables à très haute rétention d’arête en raison d’une quantité moindre de carbure de vanadium, et il présente également une très bonne résistance à la corrosion. Par conséquent, je pense que le choix principal est entre S110V et S90V pour le meilleur acier inoxydable à très haute rétention d’arête. Ce choix se résume à l’importance de la résistance à la corrosion pour l’application. Le S90V offre une ténacité et une rétention des arêtes légèrement supérieures, ce qui le rend plus équilibré pour les applications qui ne nécessitent qu’une résistance moyenne à la corrosion. Si une résistance à la corrosion plus importante est requise, le S110V est la solution. Si une ténacité supérieure à celle du S90V est souhaitée, il est préférable d’opter pour des aciers à faible rétention d’arête comme le S35VN et le Vanax. Ou une ténacité très élevée avec AEB-L ou 14C28N. Notez que les valeurs ci-dessous sont normalisées par rapport à la dureté des éprouvettes de ténacité testées. Par exemple, la rétention des arêtes du S90V est plus proche du M398 lorsqu’il est à la même dureté.
Résumé et conclusions
Le S110V est un acier très intéressant en raison des innovations qui ont été apportées à son développement, notamment un ajout de niobium pour améliorer la structure du carbure et la résistance à la corrosion, et un ajout de cobalt pour s’assurer qu’il pouvait être traité thermiquement malgré son excellente résistance à la corrosion. Le S110V a subi un changement de composition quelque peu surprenant et peu discuté, pour des raisons inconnues (mais probablement liées à la fabrication). Cet acier présente de bonnes propriétés, notamment une rétention élevée des arêtes et une résistance à la corrosion, ainsi qu’une bonne ténacité. S110V et S90V sont mes préférés dans la catégorie des aciers inoxydables à très haute rétention d’arête, selon le niveau de résistance à la corrosion qui est nécessaire pour l’application.