Aaron @ Gough Custom, Aaron McVay, Mark Scott, Jeffrey St.Claire, Grant Seim III, and saiiiii1 に感謝します！
新しい記事のたびに私の本Knight Engineeringを差し挟まないつもりだがその日は今日ではない.
S110V Pre-History
S110Vは、非常に高い耐摩耗性を持つ粉末冶金ステンレス工具鋼である。 他の多くの高耐摩耗性ステンレス鋼（S90V、M398）と同様に、高耐摩耗性と高耐食性の組合せが要求されるプラスチック射出成形用途に開発されました。 この鋼の特許は、発明者Alojz Kajinic、Andrzej Wojcieszynski、およびマリアSawford、すべてのクルーシブル鋼の2006年に最初に提出された。
クルーシブルはすでにS110V前に鋼S90VおよびS125Vを持っていたので、我々は簡単にそれらの鋼の歴史を議論する必要があります。 その歴史については、以前の記事で詳しく紹介しました。 S90Vは1996年頃に特許を取得し、それまでの鋼よりもCrを14%まで下げることで、バナジウム量に対してより多くの炭化バナジウムを生成させるという大きな改革を行った。 S60V、エルマックス、M390といった従来の鋼は、いずれも17〜20％のCrで、炭化クロムが多く、炭化バナジウムが少なかった。 クロム炭化物はバナジウム炭化物に比べて柔らかいので、耐摩耗性への寄与は少ない。 硬い炭化物（炭化バナジウムなど）を少なくすることで、靭性と耐摩耗性を両立させることができるのです。 詳しくは、炭化物についての記事でご紹介しています。 また、耐食性に寄与する「溶液中の」クロムは、バルクのクロムが低いにもかかわらず、炭素とバナジウムの含有量を慎重に制御することによって、S90Vは初期のS60Vに比べて実際に改善されている。 S110Vの設計
S110Vの文脈を理解するために、Crucible社の以前の製品と鋼の組成を比較して、どのようにS110Vに進化したかを見てみる必要があります。 S110Vには、”特許 “と “最終 “の2種類の組成が記載されているのがおわかりになると思います。 S110Vの初期バージョンは、現在のバージョンに至るまで修正されました。 3894>
ニオブ
S90V/S125Vと比較して、S110Vに加えられた大きな変更の1つは、ニオブの追加でした。 ニオブの添加については、こちらの記事で詳しく紹介しています。 ニオブはバナジウムと同様、非常に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性に大きく貢献します。 しかし、上記のS90Vで説明したように、バナジウムとクロムのバランスをとることは、耐摩耗性と耐食性を高い次元で両立させるためには難しいことなのです。 クロムが高いとバナジウム炭化物の生成量に影響し、バナジウムが高いと実際にはクロム炭化物の生成が促進され、耐食性と靭性が低下するのである。 さらに、炭化バナジウムの中にもクロムが存在し、耐食性をさらに低下させる。 しかし、ニオブはバナジウムよりも「強い」炭化物フォーマーであり、クロムが多くてもニオブカーバイドを形成することができるのである。 そして、ニオブカーバイドにはクロムがほとんど含まれていない。 つまり、バナジウムの代わりにニオブを使うことで、硬いニオブ炭化物による高い耐摩耗性と、クロムとニオブの相互作用が少なく、クロムだけが耐食性に寄与するため高い耐食性を持つ鋼になるのです。
この違いを見るために、ThermoCalcを使って、S90V、特許版S110V（2.8C-14Cr-9V-3.5Mo-3.5Nb-2Co）、さらにS110Vの改良版として9%V-3.5%Nbではなく、11%Vとなったもの（2.8C-14Cr-11V-3.5Mo-2Co）の溶液中の炭素・クロム・モリブデンを推定してみたのですが、その結果はどうでした。 特許では、11％VがS110VのV-Nbの組み合わせとほぼ同等であることから、同様の比較がなされている。 溶液中の炭素は3つのグレードで同様であり、それぞれが同様の硬度を達成することを意味することがわかる。 しかし、S90Vと改良型S110V（11Vと表示）は11.5%のCrを含有し、S110V（9Nb-3.5Nb）は12.3%のCrを含有し、耐食性はより優れています。 11V鋼は、溶液中のMoが高いため、耐食性は依然としてS90Vより優れている（この記事の後のモリブデンの項を参照）。 しかし、CrとMoの両方が増加すると、S110Vの耐食性が大幅に向上することを意味する。
バナジウムの一部をニオブで置換した場合のもう一つの利点は、炭化物のサイズを小さくすることである。 ニオブの炭化物は、粉末冶金鋼に使用すると非常に小さくなり、ニオブの記事で説明したように、鋼中のクロムやバナジウムの炭化物のサイズを小さくすることも可能である。 下の顕微鏡写真でその違いがわかると思います。 S110Vは、S90VやS125Vよりも微細な炭化物構造を持っています。 S110VはS90Vよりも炭化物がやや多く、炭化物の大きさがより細かいことがさらに印象的です。 S110Vの炭化物量は、著しく粗いS125Vに近い。 このことは、後の靭性の議論に関係してきます。
S110V 2050°F (~27% carbide volume)
S90V 2050°F (~21% carbide volume)
S125V 2150°F (~27% carbide volume)
しかし、ニオブでバナジウムを完全に代替することは困難である。 ニオブは強い炭化物フォーマーであるため、非常に高い温度で炭化物を形成したがり、多くの場合、溶鋼の中で炭化物を形成する。 そして、形成温度が高すぎると、鋼をガスアトマイズして粉末にする前に、溶鋼の中で炭化物が形成されてしまう。 炭化物が液体中に形成されると、粉末の凝固中に形成される場合よりもはるかに大きくなる。 そのため、この現象が起こる前に使用できるニオブの量は、3〜4％の範囲に限られています。
モリブデン
S30Vは他の鋼と耐摩耗性のクラスが違いますが、この鋼の設計が他の鋼に影響を与えたと思われるので、この鋼を含めました。 例えば、S30Vは初期のS90V/S60VよりMoを増やして耐食性を向上させており、その傾向はその後も他のCrucible製品に続いています。 ただし、S30Vより前のS90Vの特許には、S125VのMoを2.7％にしたものがあり、どの方向から着想を得たかは100％明らかではありません。 いずれにせよ、S30VとS125Vの開発により、Crucible社の冶金学者は、同じレベルのクロムでMoが耐食性を向上させることを十分に認識したことになる。 これは必ずしも新しい発見ではなく、高Moが「耐孔食性」を向上させることはオーステナイト系ステンレス鋼で古くから知られており、海水用途の鋼は通常高Moを必要とします。 1959年頃の154CMはMoが4%であったが、Mo添加はベアリング用途で高温での硬度維持のためであり、必ずしも耐食性を向上させるものではなかった。 しかし、S110Vの特許では、14Cr-4Moの154CMが設計の基礎として特に言及されており、少ないCrで良好な耐食性を実現し、それは14Cr-3.5MoのS110Vの初期バージョンに見ることができます。 その記事では、VG10に入る良い理由が全くと言っていいほどないため、コバルトについていろいろな面を探っています。 しかし、S110Vにコバルトが含まれるのは、非常に特殊な理由があるのです。 ナイフ鋼を熱処理する場合、焼入れの前に高温に加熱して鋼を「オーステナイズ」し、硬いマルテンサイトに変化させる必要があります。 つまり、高温でオーステナイトを形成することが、包丁の最終熱処理に必要な第一段階なのです。 鋼材によって、オーステナイトに変化する温度は異なる。 S110Vは2050～2150°Fで熱処理するように設計されているので、その範囲内で鋼をオーステナイト化する必要があります。 クロム、バナジウム、ニオブ、モリブデンはすべて「フェライト安定剤」であり、鋼や鉄のフェライトと呼ばれる室温相を安定させるため、オーステナイトを形成する温度を上昇させることを意味します。 S110Vは、これらの元素を多く含んでいるため、コバルトを含まない場合、鋼を十分に硬化させることができません。 このことは、特許で報告されている試験でも確認されており、コバルトを含まないものは、熱処理後にフェライトが存在し、約54Rc.にしか達しませんでした。 バナックス鋼の記事で説明したように、溶液中のクロムを高くして高耐食性鋼を作ると、保持オーステナイトも多くなる。 したがって、硬さと耐食性を両立させるためには、NiとMnの量を比較的少なくする必要がある。 通常、鋼の設計者はその代わりに、鋼をオーステナイト化できる程度まで炭素の量を増やします。 しかし、炭素を多くすると炭化物が多くなり、耐食性と靭性が低下することは、この記事で説明したとおりである。 S110Vの発明者は、その代わりに、高温でオーステナイトを安定化させるが、NiやMnとは異なりマルテンサイトに急冷してもオーステナイト保持量を増加させないコバルトを使用したのである。 これは、私が知る限り、ステンレス工具鋼にこの目的でコバルトを使用した唯一の例であり、私の考えでは、S110Vの最大の革新の一つです。
S110Vの第2バージョン
S110Vの特許と2008年9月に発表したオリジナルのデータシート（私はそれをここにアーカイブしました）は、組成表に「特許」と記されたオリジナルの組成になっています。 しかし、2010年7月に鋼材の改訂版がリリースされ、データシートも改訂されました。 組成が変わったという話はほとんど見たことがありませんし、ほとんどの人は組成が変わったことを知らないと思います。
成分変更前のS110Vがどの程度包丁に使われていたかは分かりませんが、比較的大きな変更があったにもかかわらず、名称が変更されていないのは興味深いことです。 現在のCrucibleの冶金学者であるBob Skibitskiや、この特許の主な発明者であるAlojz Kajinicに尋ねたところ、どちらも直接関与していないため、この変更が行われた理由を知りませんでした。 しかし、なぜ組成が変更されたのかについては、いくつかの推測があります。
変更はおそらく、ガス噴霧、鍛造、または鋼の焼きなましの問題など、「製造性」を改善するために行われたのでしょう。 S110Vの変更点としては、Nbが3.5%から3%に減少したことが挙げられる。 ニオブの項で述べたように、一般的な粉末冶金鋼の製造では、ニオブの合金化に限界がある。 Crucible社がニオブを危険水域に近づけすぎたと判断したのかもしれない。 それが、生産現場で確認された問題によるものなのか、単に慎重になっただけなのか、私にはよくわかりません。 他の粉末冶金鋼で、現在の S110V の 3%と同程度の含有量のものさえ知りません。
Nb の減少が、鋼の他の変更につながったのかもしれません。 NbはCrをより多くすることで耐食性を向上させるので、バルクCrを14%から15.25%に増やすことでNbの減少を補おうとしたのだろう。 しかし、このクロムの増加は、溶液中のクロムの量を同程度にするために必要な量以上であり（下表参照）、また、Crの増加量と同程度（3.5→2.25％）にMo量を減少させており、その変化の理由は私には全く分からない。 おそらく、Moが多いと焼鈍しにくいとか、焼入れ性が高すぎて鍛造後の冷却で割れるとか、そういうことも問題視したのでしょう。 Crを増やしてMoを減らした場合、どちらが耐食性に優れるかは分かりませんが、Crを増やしてMoを減らした場合、どちらが耐食性に優れるでしょうか？ 以前行った腐食試験で、Mo の効果はあるレベルで頭打ちになることがわかりましたが、Crucible も同様の結論に達していたら驚きです。
コバルト含有量を 2 から 2.5% に増やしたのは、Nb と Cr と Mo を変更した後にどの程度のオーステナイト安定化が必要かという最新の推定に基づいていると思われます。 あるいは、完全なオーステナイト化を確実にするために、もう少し「安全率」を高めた方がよいと考えたのかもしれません。 ThermoCalcの古いバージョンでは、2％のCoを含むS110Vは問題ないと表示されており、Crucible社は当時これを使用していたと思われますが、新しいバージョンでは2150°Fで約4％と少量のフェライトを表示しています。
炭化物の違いについては、最終版では総炭化物量がわずかに増加し、主に炭化クロム（下記 M7C3 と表示）が増加したためです。
S110V の実験
以下の実験はすべて、購入可能なすべての S110V の後期バージョンで行われたものである。
硬度と熱処理
S110Vのすべての熱処理実験を行ったわけではないが、S90Vと比較すると、両者は比較的よく似た熱処理をしていることがわかる。 どちらも非常に高い硬度を得ることができます。
余談ですが、S110Vのデータシートのオリジナル版と新版の両方に、熱処理/硬度データとして次のように書かれています：
しかしこれは主に上部焼き戻し領域で生じる硬度を示しており、Moが硬度に最大の影響を及ぼす領域となっています。 オリジナル版（3.5%）から最終版（2.25%）へのMoの減少は、これらの値がもはや正確でないことを意味していると思われる。
エッジリテンション
この記事にまとめられているエッジリテンションの実験を大量に行い、さらにここで取り上げたM398を追加しました。 これは、400グリットのCBNマトリックスストーンで15dpsの最終エッジをつける前に、0.015″に研磨した標準的な長方形のナイフを使用しています。
S110Vは予想通り非常に高い刃持ちを示し、CPM-10Vと同様です。 しかし、意外だったのは、S90Vよりも成績が悪かったことです。 S110Vは基本的にS90VにC、Cr、Co、Mo、Nbを追加したものであり、これらの元素を追加することでエッジ保持力が低下するシナリオは考えにくい。 また、S110Vで行った試験では、いずれもS90Vの平均値ほど高い値を示していない（それぞれ3回試験）ので、実験のばらつきの問題ではないようだ。 最初の記事で、私は、おそらく超硬合金のサイズが小さいことが違いだと推測し、テストに使用した砥粒のサイズといくつか比較しました。 しかし、なぜS110VがS90Vに及ばないのか、その理由はまだはっきりしません。 ともあれ、刃持ちは高いですし、S90Vと同等かどうかを気にすることは、実用上意味がないのかもしれません。
Crucible のオリジナルの S110V の耐摩耗性テストでは、次のような耐摩耗性チャートを示しており、S90V よりも向上しているように見えます：
しかし、これらの値を硬度に対してプロットすると、2 つの鋼は同じ耐摩耗性を有することが明らかになるのです。
ですから、Crucible社のデータでは、S90VからS110Vまで耐摩耗性の向上はなく、我々の刃先保持試験と比較的よく一致していることになりますね。
靭性
私は、2050°Fと2150°Fでオーステナイト化したS110Vと、500°Fで焼戻したS110Vの2つの条件でテストを行いました。 これらの熱処理には、いずれも焼入れ後のクライオステップが含まれています。 驚いたことに、オーステナイト化温度が高いほど硬度が高くなるにもかかわらず、両者とも靭性は同じであった。 S30V、S35VN、S45VN、SPY27 の熱処理では、オーステナイ ト化温度の上昇によって硬度と靭性の両方が向上することが 確認されており、この結果もそれと一致する。 しかし、この鋼は高硬度、高耐食性であるため、過剰なオーステナイトの保持を意味し、時として靭性の値を膨らませることがある。 この挙動はM390でオーステナイト化度が高すぎた場合に見られました。 また、S110V のバリ取りが困難であるとの報告もあり (通常、保持オーステナイトが多いことを意味します)、S110V の硬度-靭性バランスが明らかに優れているにもかかわらず、2150°F からの熱処理を実際に推奨するかどうかはわかりません。 S90VとS110Vが同じような傾向線上にあることがわかります(S110Vの2150条件のみ表示されています)。 つまり、S110VはS90Vと同様の靭性を有している可能性がありますが、2050条件では靭性の向上はなく、硬度の低下につながったことも想起されます。 したがって、より低い硬度でより高い靭性が得られるかどうかを確認するためには、より多くの熱処理をテストする必要があります。 したがって、S90V は S110V よりも靭性が高く、S125V よりも靭性が高いということにな るでしょう。 これは、S90Vの炭化物含有量が低いためで、S110Vは炭化物含有量が同程度であるにもかかわらず、S125Vより優れた靭性を有しているのです。
耐食性
1%食塩水による私のオリジナルの耐食性実験では、S110Vは非常に良い耐食性を示し、S90VやS125Vを大幅に改善し、同じく非常に良い耐食性のM390と同様であることがわかりました。 この耐食性の向上は、先に述べたNbとMoによる改質から予想されたことである。 また、より新しいM398との直接比較では、S110Vは再び同様の性能を示しました。
S110V
M398
S90V
S125V
S110V vs S90V and M398
M398 記事で書いた通りである。 組織が粗く、靭性が比較的低いため、私はこの鋼をあまり好きではありません。 しかし、炭化バナジウムが少ないため、非常に高い刃持ちのステンレス鋼の中で最高の研ぎやすさを提供し、また、耐食性も非常に優れています。 したがって、私は最高の非常に高いエッジ保持ステンレスのためのS110VとS90Vの間の主な選択肢であると見ています。 この選択は、アプリケーションにどのように重要な耐腐食性に起因する。 S90Vは、それが唯一の培地耐食性を必要とするアプリケーションのためのより多くのバランスを作るやや優れた靭性とエッジ保持を提供しています。 より多くの耐食性が必要な場合は、S110Vが行くための方法です。 S90Vよりも優れた靭性が必要な場合は、S35VNやVanaxのような刃先保持力の低い鋼に移行するのが最善である。 または、AEB-Lや14C28Nで非常に高い靭性を得ることができます。 以下の値は、試験された靭性試験片の硬度に対して正規化されたものであることに注意されたい。 たとえば、S90V のエッジ保持力は、同じ硬度であれば M398 に近い。
まとめと結論
S110V は非常に興味深い鋼で、その開発には、炭化物組織の改善と耐腐食性のためのニオブ添加や、優れた耐腐食性があっても熱処理できるようにしたコバルト添加といった革新が行われたからである。 S110Vでは、理由はほとんど不明ですが（おそらく製造に関係しているのでしょう）、やや意外であまり議論されていない組成の変更が行われました。 この鋼は、高い刃先の保持力と耐食性、そして適度な靭性など、優れた特性を持っています。 S110VとS90Vは、用途に必要な耐食性のレベルに応じて、非常に高い刃先保持力のステンレス鋼のカテゴリで私のお気に入りです。