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S110V Pre-Storia
S110V è un acciaio per utensili inossidabile per metallurgia delle polveri con resistenza all’usura molto alta. Come molti altri acciai inossidabili ad altissima resistenza all’usura (S90V, M398) è stato sviluppato per applicazioni di iniezione plastica che richiedono una combinazione di alta resistenza all’usura e alta resistenza alla corrosione. Il brevetto per l’acciaio fu depositato nel 2006 dagli inventori Alojz Kajinic, Andrzej Wojcieszynski e Maria Sawford, tutti di Crucible Steel.
Perché Crucible aveva già gli acciai S90V e S125V prima dell’S110V, dobbiamo discutere brevemente la storia di questi acciai. Ho coperto la loro storia in modo più dettagliato in un articolo precedente. S90V è stato brevettato intorno al 1996, la principale innovazione rispetto agli acciai precedenti è stata una riduzione del Cr fino al 14% che ha portato alla formazione di più carburo di vanadio per una data quantità di vanadio. Gli acciai precedenti come S60V, Elmax e M390 avevano tutti il 17-20% di Cr che dava loro più carburo di cromo e meno carburo di vanadio. I carburi di cromo sono più morbidi di quelli di vanadio e quindi contribuiscono meno alla resistenza all’usura. Una quantità minore di carburi più duri (come il carburo di vanadio) dà una migliore combinazione di tenacità e resistenza all’usura. Scopri di più in questo articolo sui carburi. Inoltre, il cromo “in soluzione” per contribuire alla resistenza alla corrosione è stato effettivamente migliorato nell’S90V rispetto al precedente S60V grazie a un attento controllo del contenuto di carbonio e vanadio, nonostante il cromo sfuso sia inferiore. Tutto questo, in combinazione con la tecnologia della metallurgia delle polveri, dà a S90V una microstruttura relativamente fine per una buona tenacità insieme ad un’alta resistenza all’usura dall’alto contenuto di vanadio.
Progettazione di S110V
Per mettere S110V nel contesto, dovremmo confrontare la composizione dell’acciaio con i precedenti prodotti Crucible per vedere come l’evoluzione ha portato a S110V. Vedrete anche che ho due composizioni elencate per S110V, una etichettata “brevetto” e una etichettata “finale”. La versione iniziale di S110V è stata modificata portando alla versione che abbiamo oggi. Discuterò le differenze dopo aver descritto meglio il design generale dell’acciaio.
Niobio
Uno dei maggiori cambiamenti che veniva fatto a S110V rispetto a S90V/S125V era l’aggiunta di niobio. Leggi di più sulle aggiunte di niobio in questo articolo. Il niobio, come il vanadio, forma carburi molto duri che contribuiscono notevolmente alla resistenza all’usura. Tuttavia, come spiegato sopra con S90V, bilanciare vanadio e cromo è impegnativo per ottenere un’alta combinazione di resistenza all’usura e alla corrosione. Il cromo elevato influisce sulla quantità di carburo di vanadio che si forma, e il vanadio elevato promuove effettivamente la formazione di carburo di cromo, facendo cadere la resistenza alla corrosione e la tenacità. Inoltre, c’è del cromo presente nel carburo di vanadio, riducendo ulteriormente la resistenza alla corrosione. Tuttavia, il niobio è un carburo “più forte” del vanadio, il che significa che può formare carburo di niobio anche in presenza di elevate quantità di cromo. E il carburo di niobio contiene pochissimo cromo. Questi due fattori significano che usare il niobio al posto del vanadio può portare a un acciaio con un’alta resistenza all’usura da carburi di niobio duri, pur avendo un’alta resistenza alla corrosione perché c’è poca interazione tra cromo e niobio, lasciando solo il cromo a contribuire alla resistenza alla corrosione.
Per vedere questa differenza ho usato ThermoCalc per stimare la quantità di carbonio, cromo e molibdeno in soluzione con S90V, la versione brevettata di S110V (2.8C-14Cr-9V-3.5Mo-3.5Nb-2Co), e poi una versione modificata di S110V che ha 11% V invece di 9%V-3.5%Nb (2.8C-14Cr-11V-3.5Mo-2Co). Un confronto simile è stato fatto nel brevetto, poiché l’11% di V è più o meno equivalente alla combinazione V-Nb in S110V. Si può vedere che il carbonio in soluzione è simile in tutti e tre i gradi, il che significa che ognuno raggiungerebbe una durezza simile. Tuttavia, S90V e S110V modificato (etichettato 11V) hanno l’11,5% di Cr in soluzione, mentre S110V (9Nb-3,5Nb) ha il 12,3% di Cr in soluzione, che fornirebbe una migliore resistenza alla corrosione. L’acciaio 11V sarebbe ancora un miglioramento rispetto a S90V per la resistenza alla corrosione a causa del maggiore Mo in soluzione (vedere la sezione Molibdeno più avanti in questo articolo). Tuttavia, un aumento sia di Cr che di Mo significa un miglioramento significativo della resistenza alla corrosione per S110V.
Un altro vantaggio di una parziale sostituzione del vanadio con il niobio è la riduzione della dimensione dei carburi. I carburi di niobio sono molto piccoli quando vengono usati nell’acciaio da metallurgia delle polveri, e possono anche aiutare a diminuire le dimensioni dei carburi di cromo e vanadio nell’acciaio come descritto nell’articolo sul niobio. Potete vedere la differenza nelle micrografie qui sotto. S110V ha una struttura di carburi più fine rispetto a S90V o S125V. S110V ha un po’ più carburo di S90V, il che rende ancora più impressionante che la dimensione del carburo sia più fine. Il volume di carburo di S110V è più vicino a quello di S125V che è significativamente più grossolano. Questo sarà rilevante per la discussione sulla tenacità più avanti.
S110V 2050°F (~27% volume di carburo)
S90V 2050°F (~21% volume di carburo)
S125V 2150°F (~27% volume di carburo)
Tuttavia, una sostituzione completa di vanadio con niobio è difficile da fare. Poiché il niobio è un forte formatore di carburi, vuole formare carburi a temperature molto alte, spesso nell’acciaio liquido. E se la temperatura di formazione è troppo alta, i carburi si formeranno nella fusione prima che l’acciaio possa essere atomizzato a gas per formare la polvere. Se i carburi si formano nel liquido sono molto più grandi che se si formano durante la solidificazione della polvere. Quindi c’è una quantità massima di niobio che può essere usata prima che questo accada, da qualche parte nell’intervallo del 3-4%. Pertanto, l’approccio con S110V è stato quello di avere una combinazione di vanadio e niobio per migliorare la resistenza alla corrosione il più possibile, evitando i problemi che vengono con un eccesso di niobio.
Molibdeno
S30V non è nella stessa classe di resistenza all’usura come gli altri acciai, ma il design di questo acciaio può aver influenzato gli altri così l’ho incluso. Per esempio, S30V aveva un Mo aumentato rispetto al precedente S90V/S60V per una migliore resistenza alla corrosione, e questa tendenza è continuata in seguito con altri prodotti Crucible. Tuttavia, una versione di S125V con il 2,7% di Mo era nel brevetto S90V, che ha preceduto S30V, quindi non è chiaro al 100% in quale direzione sia avvenuta l’ispirazione. Indipendentemente da ciò, lo sviluppo di S30V e S125V significava che i metallurgisti del Crogiolo erano ben consapevoli che il Mo poteva migliorare la resistenza alla corrosione con lo stesso livello di cromo. Questa non era necessariamente una nuova scoperta; era noto da tempo negli acciai inossidabili austenitici che un alto Mo migliorava la “resistenza al pitting”, e gli acciai destinati ad applicazioni in acqua di mare necessitano tipicamente di un alto Mo. Il 154CM, risalente a circa il 1959, aveva il 4% di Mo, anche se l’aggiunta di Mo serviva a mantenere la durezza a temperature più alte nelle applicazioni per cuscinetti, non necessariamente a migliorare la resistenza alla corrosione. Tuttavia, il brevetto per S110V chiama specificamente 154CM come base di progettazione con il suo 14Cr-4Mo, fornendo una buona resistenza alla corrosione con meno Cr, e questo può essere visto nella versione iniziale di S110V con 14Cr-3.5Mo.
Cobalto
In precedenza ho scritto sulle aggiunte di cobalto in questo articolo su VG10. Quell’articolo esplora un sacco di aspetti sul cobalto, perché non c’è una buona ragione per essere in VG10 a tutti. Tuttavia, c’è una ragione molto specifica per cui il cobalto si trova in S110V. Quando l’acciaio per coltelli viene trattato termicamente, bisogna riscaldarlo ad alta temperatura per “austenitizzare” l’acciaio prima di temprarlo per trasformarlo in martensite dura. Quindi la formazione di austenite ad alta temperatura è il primo passo necessario per il trattamento termico finale di un coltello. Acciai diversi si trasformano in austenite a temperature diverse. S110V è progettato per essere trattato termicamente tra 2050 e 2150°F, quindi l’acciaio dovrebbe essere austenitizzato in quella gamma. Il cromo, il vanadio, il niobio e il molibdeno sono tutti “stabilizzatori della ferrite”, il che significa che aumentano la temperatura alla quale si formerà l’austenite, perché stabilizzano la tipica fase a temperatura ambiente dell’acciaio e del ferro chiamata ferrite. Con S110V che ha un bel po’ di ciascuno di questi elementi, l’acciaio non può essere completamente temprato quando non ha cobalto. Questo è stato confermato nei test riportati nel brevetto, dove una versione senza cobalto aveva un po’ di ferrite presente dopo il trattamento termico, e ha raggiunto solo circa 54 Rc.
Ci sono anche altri elementi che possono stabilizzare l’austenite, in particolare carbonio, nichel e manganese, sebbene questi elementi aumentino anche l’austenite trattenuta. Fare acciai ad alta resistenza alla corrosione con alto cromo in soluzione porta anche a più austenite trattenuta, come spiegato in questo articolo sull’acciaio Vanax. Quindi la quantità di Ni e Mn deve essere mantenuta a livelli relativamente bassi in modo da ottenere una buona combinazione di durezza e resistenza alla corrosione. Tipicamente invece il progettista dell’acciaio aumenta il livello di carbonio fino al punto in cui l’acciaio può essere austenitizzato. Tuttavia, più carbonio significa più carburi che riducono la resistenza alla corrosione e la tenacità, come descritto in questo articolo. Invece, gli inventori di S110V hanno usato il cobalto, che è uno stabilizzatore dell’austenite alle alte temperature, ma non aumenta l’austenite conservata quando si raffredda in martensite, a differenza di Ni e Mn. Questo è l’unico esempio di utilizzo del cobalto per questo scopo in un acciaio inossidabile per utensili di cui sono a conoscenza, ed è una delle più grandi innovazioni di S110V secondo me.
Seconda versione di S110V
Il brevetto per S110V e la scheda tecnica originale rilasciata nel settembre 2008 (l’ho archiviata qui) è la composizione originale etichettata come “brevetto” nella tabella della composizione. Tuttavia, una versione rivista dell’acciaio è stata rilasciata, e il datasheet è stato rivisto nel luglio 2010. Non ho visto quasi nessuna discussione sul cambiamento di composizione, e penso che la maggior parte delle persone non sa che sia mai cambiato. Infatti la scheda tecnica rivista mostra tutti gli stessi dati per la resistenza alla corrosione, la durezza e la resistenza all’usura nonostante il fatto che il cambiamento nella composizione era relativamente sostanziale.
Non so quanto S110V sarebbe stato fatto in coltelli prima del cambiamento nella composizione, ma è interessante che un cambiamento relativamente grande è stato fatto per l’acciaio ma senza un cambiamento di nome. Ho chiesto l’attuale metallurgista Crucible Bob Skibitski così come l’inventore principale sul brevetto, Alojz Kajinic, e nessuno dei due sapeva perché il cambiamento è stato fatto come non erano direttamente coinvolti con esso. Tuttavia, ho alcune speculazioni sul perché la composizione è stata cambiata.
Le modifiche sono state probabilmente fatte per migliorare la “producibilità”, come i problemi con l’atomizzazione del gas, la forgiatura, o la ricottura dell’acciaio. Un cambiamento a S110V è stata una riduzione di Nb dal 3,5% al 3%. Come menzionato nella sezione sul niobio, ci sono limiti alla lega di niobio con la tipica produzione di acciaio da metallurgia delle polveri. Potrebbe essere che Crucible abbia deciso che il niobio era troppo vicino alla zona di pericolo. Se questo era dovuto a un problema che è stato osservato in produzione o semplicemente essere prudenti non sono sicuro. Non conosco altri acciai da metallurgia delle polveri che abbiano anche solo il 3% nella versione attuale di S110V.
La riduzione di Nb può aver portato agli altri cambiamenti nell’acciaio. Poiché il Nb migliora la resistenza alla corrosione aiutando il Cr ad andare oltre, potrebbero aver tentato di compensare la riduzione del Nb aumentando il Cr bulk dal 14% al 15,25%. Ma l’aumento di cromo era più di quanto fosse necessario per ottenere una quantità simile di cromo in soluzione (vedi la tabella sotto), e hanno anche diminuito il contenuto di Mo di una quantità simile a quanto è stato aumentato il Cr (da 3,5 a 2,25%), quindi la ragione di quel cambiamento non mi è completamente chiara. Forse hanno identificato l’alto Mo come un problema, come la difficoltà di ricottura o l’eccessiva temprabilità che porta alla rottura durante il raffreddamento dopo la forgiatura. Con un aumento del Cr in soluzione, ma una diminuzione del Mo, non è chiaro quale versione avrebbe una resistenza alla corrosione superiore. Nei precedenti test di corrosione che ho eseguito, ho trovato che l’effetto di Mo ha raggiunto un certo livello, ma sarebbe sorprendente se anche Crucible arrivasse a una conclusione simile.
Il contenuto di cobalto è stato aumentato dal 2 al 2,5%, probabilmente in base alle stime aggiornate di quanta stabilizzazione dell’austenite è necessaria dopo le modifiche a Nb, Cr e Mo. O forse hanno pensato che desse un po’ più di “fattore di sicurezza” per assicurare che l’austenitizzazione completa fosse possibile. Nelle vecchie versioni di ThermoCalc mostrava che S110V con il 2% di Co sarebbe andato bene, che Crucible avrebbe usato all’epoca, ma le versioni più recenti mostrano una piccola quantità di ferrite a 2150°F, circa il 4%. Se hanno trovato una piccola quantità di ferrite in S110V che avrebbe contribuito alla decisione di aumentare il Co, naturalmente.
In termini di differenze di carburo, il contenuto totale di carburo è stato leggermente aumentato nella versione finale, principalmente da un aumento del carburo di cromo (etichettato M7C3 sotto). Questo probabilmente renderebbe la nuova versione marginalmente peggiore in termini di equilibrio tra tenacità e resistenza all’usura, dato che la versione originale aveva una proporzione più alta di NbC e VC e un po’ meno carburo complessivo.
Esperimenti su S110V
Tutti i seguenti esperimenti sono stati eseguiti sulla versione successiva di S110V, dato che è tutto ciò che è disponibile all’acquisto. La mia ipotesi è che pochi calori della composizione originale siano stati prodotti, quindi gli esperimenti su quella versione sono per lo più accademici a questo punto.
Durezza e trattamento termico
Non ho eseguito una gamma completa di esperimenti di trattamento termico su S110V, ma i confronti con S90V mostrano che i due trattamenti termici sono relativamente simili. Entrambi sono capaci di livelli molto alti di durezza. Vedere altre misure di durezza di S90V in questo articolo.
Come nota a margine, sia la versione originale che quella nuova della scheda tecnica di S110V mostra quanto segue per i dati di trattamento termico/durezza:
Tuttavia questo mostra principalmente la durezza che risulta nella gamma superiore di tempra, dove Mo ha il maggiore effetto sulla durezza. La riduzione di Mo dalla versione originale (3,5%) a quella finale (2,25%) significa probabilmente che questi valori non sono più accurati.
Ritenzione del bordo
Ho fatto un gran numero di esperimenti di ritenzione del bordo che sono stati riassunti in questo articolo, e ho anche aggiunto M398 che è stato discusso qui. Questo utilizza un coltello rettangolare standard macinato a 0,015″ prima di mettere un bordo finale di 15 dps con una pietra di matrice CBN da 400 grit. I risultati possono essere visti qui sotto.
S110V ha una ritenzione del bordo molto alta, come previsto, essendo simile a CPM-10V. Tuttavia, ciò che è sorprendente è che ha fatto peggio di S90V. S110V è essenzialmente S90V con più C, Cr, Co, Mo e Nb, ed è difficile pensare a scenari in cui l’aggiunta di più di questi elementi porterebbe a una ridotta ritenzione dei bordi. Questo non sembra essere un problema di variabilità sperimentale, dato che nessuno dei test eseguiti su S110V ha portato a valori così alti come il risultato medio di S90V (ognuno è stato testato 3 volte). Nel mio articolo originale sulla ritenzione dei bordi ho ipotizzato che forse la differenza fosse dovuta alle dimensioni ridotte del carburo e ho fatto alcuni confronti con le dimensioni delle particelle abrasive utilizzate nei test. Ma ancora non so con certezza perché la S110V non era così buona come la S90V nei test. Indipendentemente da ciò, la ritenzione del bordo dell’acciaio è alta e forse preoccuparsi se è buono o meno come S90V non è di utilità pratica.
Nei test di resistenza all’usura di Crucible dell’originale S110V, mostrano il seguente grafico per la resistenza all’usura, che sembra mostrare un miglioramento rispetto all’S90V:
Tuttavia, se si confrontano questi valori con la durezza, diventa evidente che i due acciai hanno la stessa resistenza all’usura:
Quindi i dati di Crucible mostrano che non c’è stato alcun miglioramento nella resistenza all’usura da S90V a S110V, che si allinea relativamente bene con i nostri test di ritenzione del bordo. Tuttavia, i test di Crucible erano con l’originale S110V che, come ho descritto prima, avrebbe una proporzione maggiore di NbC e carburi VC per la resistenza all’usura.
Durezza
Ho testato due condizioni di S110V, una austenitizzata a 2050 e un’altra a 2150°F, con entrambe temperate a 500°F. Questi trattamenti termici includevano tutti un passaggio criogenico dopo la tempra. Un po’ sorprendentemente, entrambi hanno portato a una tenacità identica, nonostante la temperatura di austenitizzazione più alta abbia portato a una durezza maggiore. Nei trattamenti termici di S30V, S35VN, S45VN, e SPY27, un aumento della temperatura di austenitizzazione è stato trovato per aumentare sia la durezza che la tenacità, quindi questo risultato sarebbe coerente con questo. Tuttavia, questo acciaio ha un’elevata durezza e resistenza alla corrosione che può significare un eccesso di austenite trattenuta che a volte porta a valori di tenacità gonfiati. Questo comportamento è stato visto con M390 quando l’austenitizzazione è troppo alta. E con alcuni utenti che riportano difficoltà nella sbavatura di S110V (di solito significa alta austenite trattenuta), non sono sicuro che raccomanderei effettivamente di trattare termicamente S110V da 2150°F nonostante l’apparente equilibrio superiore tra durezza e tenacità.
Sotto ho tracciato l’acciaio anche in relazione ad altri acciai inossidabili insieme a una linea di tendenza tra durezza e tenacità da S60V. Si può vedere che S90V e S110V sono lungo una linea di tendenza simile (solo la condizione 2150 di S110V è mostrata). Quindi potrebbe essere che S110V abbia una durezza simile a S90V, ma ricordiamo anche che la condizione 2050 ha portato a una durezza inferiore senza alcun miglioramento della durezza. Quindi bisognerebbe testare più trattamenti termici per vedere se è possibile ottenere una maggiore tenacità a una durezza inferiore. Quindi, essendo conservativi, diremmo che S90V è più duro di S110V che ha una durezza maggiore di S125V. Questo ha senso a causa del contenuto di carburi più basso di S90V, mentre i carburi più piccoli di S110V forniscono una tenacità migliore di S125V nonostante il contenuto di carburi simile. S90V e S110V offrono entrambi una struttura del carburo e una tenacità superiori rispetto a M398.
Resistenza alla corrosione
Nei miei esperimenti originali di resistenza alla corrosione con acqua salata all’1% ho trovato che S110V ha una resistenza alla corrosione molto buona, certamente un miglioramento significativo rispetto a S90V e S125V, ed è simile a M390, un altro grado con una resistenza alla corrosione molto buona. Questo miglioramento della resistenza alla corrosione era previsto sulla base delle modifiche con Nb e Mo che sono state descritte in precedenza. E nel confronto più recente direttamente con M398, S110V si è comportato di nuovo in modo simile.
S110V
M398
S90V
S125V
S110V vs S90V e M398
Come ho scritto nel mio articolo sulla M398, Non sono un grande fan dell’acciaio a causa della sua struttura grossolana e della tenacità relativamente bassa. Offre la migliore affilabilità degli acciai inossidabili ad alta ritenzione del filo a causa della minore quantità di carburo di vanadio, tuttavia, e ha anche un’ottima resistenza alla corrosione. Pertanto, vedo la scelta principale tra S110V e S90V per la migliore ritenzione del bordo molto alta inossidabile. Questa scelta si riduce a quanto sia importante la resistenza alla corrosione per l’applicazione. S90V offre una tenacità e una ritenzione dei bordi un po’ migliori, il che lo rende più equilibrato per le applicazioni che hanno bisogno solo di una resistenza media alla corrosione. Se è richiesta una maggiore resistenza alla corrosione, allora S110V è la scelta giusta. Se si desidera una tenacità migliore di S90V, allora sarebbe meglio passare ad acciai a bassa ritenzione dei bordi come S35VN e Vanax. O una tenacità molto alta con AEB-L o 14C28N. Si noti che i valori qui sotto sono normalizzati alla durezza dei campioni di tenacità testati. Per esempio, la ritenzione del bordo di S90V è più vicina a quella di M398 a parità di durezza.
Sommario e conclusioni
S110V è un acciaio molto interessante per le innovazioni che sono state introdotte nel suo sviluppo, compresa un’aggiunta di niobio per migliorare la struttura dei carburi e la resistenza alla corrosione, e l’aggiunta di cobalto per garantire che potesse essere trattato termicamente nonostante l’eccellente resistenza alla corrosione. C’è stato un cambiamento di composizione un po’ sorprendente e poco discusso con S110V, per ragioni per lo più sconosciute (anche se probabilmente legate alla produzione). L’acciaio ha buone proprietà tra cui un’alta ritenzione dei bordi e la resistenza alla corrosione insieme a una discreta tenacità. S110V e S90V sono i miei preferiti nella categoria di acciaio inossidabile molto alta ritenzione del bordo, a seconda del livello di resistenza alla corrosione che è necessario per l’applicazione.