Dank aan Aaron @ Gough Custom, Aaron McVay, Mark Scott, Jeffrey St. Claire, Grant Seim III, en saiiiiiii1 voor het worden van Knife Steel Nerds Patreon supporters!
Ik ga uiteindelijk stoppen met het pluggen van mijn boek Knife Engineering in elk nieuw artikel, maar die dag is niet vandaag. Ga er een kopen voor jezelf, en iedereen die je kent, als een kerstcadeau.
S110V Voorgeschiedenis
S110V is een poedermetallurgie roestvrij gereedschapsstaal met een zeer hoge slijtvastheid. Zoals vele andere roestvrije staalsoorten met zeer hoge slijtageweerstand (S90V, M398) werd het ontwikkeld voor kunststofinjectietoepassingen die een combinatie van hoge slijtageweerstand en hoge corrosieweerstand vereisen. Het patent voor het staal werd in 2006 aangevraagd door de uitvinders Alojz Kajinic, Andrzej Wojcieszynski en Maria Sawford, allen van Crucible Steel.
Omdat Crucible al vóór S110V de staalsoorten S90V en S125V had, moeten we de geschiedenis van die staalsoorten kort bespreken. Ik heb de geschiedenis van deze staalsoorten meer in detail behandeld in een vorig artikel. S90V werd rond 1996 gepatenteerd. De belangrijkste vernieuwing ten opzichte van de vorige staalsoorten was een vermindering van Cr tot 14%, wat leidde tot de vorming van meer vanadiumcarbide voor een gegeven hoeveelheid vanadium. Eerdere staalsoorten zoals S60V, Elmax, en M390 hadden allemaal 17-20% Cr waardoor ze meer chroomcarbide en minder vanadiumcarbide hadden. Chroomcarbiden zijn zachter dan vanadiumcarbiden en dragen daarom minder bij aan de slijtvastheid. Een kleinere hoeveelheid hardere carbiden (zoals vanadiumcarbide) geeft een betere combinatie van taaiheid en slijtvastheid. Lees meer in dit artikel over carbiden. Ook is het chroom “in oplossing” dat bijdraagt aan de corrosiebestendigheid in S90V verbeterd ten opzichte van het vroegere S60V door een zorgvuldige beheersing van het koolstof- en vanadiumgehalte, ondanks het feit dat het bulkchroom lager is. Dit alles in combinatie met de poedermetallurgietechnologie geeft S90V een relatief fijne microstructuur voor een goede taaiheid samen met een hoge slijtvastheid door het hoge vanadiumgehalte.
Ontwerp van S110V
Om S110V in de juiste context te plaatsen, moeten we de samenstelling van het staal vergelijken met eerdere Crucible producten om te zien hoe de evolutie tot S110V heeft geleid. U zult ook zien dat ik voor S110V twee samenstellingen heb vermeld, één met het label “patent” en één met het label “definitief”. De oorspronkelijke versie van S110V werd gewijzigd en leidde tot de versie die we vandaag hebben. Ik zal de verschillen bespreken nadat ik meer over het algemene ontwerp van het staal heb verteld.
Niobium
Een van de belangrijkste wijzigingen die aan S110V werden aangebracht in vergelijking met S90V/S125V was de toevoeging van niobium. Lees meer over niobium toevoegingen in dit artikel. Niobium vormt, net als vanadium, zeer harde carbiden die in hoge mate bijdragen tot de slijtvastheid. Maar, zoals hierboven bij S90V uitgelegd, is het in evenwicht brengen van vanadium en chroom een uitdaging om een hoge combinatie van slijtvastheid en corrosiebestendigheid te verkrijgen. Het hoge chroom beïnvloedt de hoeveelheid vanadiumcarbide die wordt gevormd, en het hoge vanadium bevordert in feite de vorming van chroomcarbide, waardoor de corrosieweerstand en taaiheid afnemen. Bovendien is er wat chroom aanwezig in vanadiumcarbide, waardoor de corrosiebestendigheid nog verder afneemt. Niobium is echter een “sterkere” carbidevormer dan vanadium, wat betekent dat het niobiumcarbide kan vormen, zelfs in de aanwezigheid van grote hoeveelheden chroom. En niobiumcarbide bevat zeer weinig chroom. Deze twee factoren betekenen dat het gebruik van niobium in plaats van vanadium kan leiden tot een staal met een hoge slijtvastheid door harde niobiumcarbiden, terwijl het een hoge corrosieweerstand heeft omdat er weinig interactie is tussen chroom en niobium, waardoor het chroom alleen overblijft om bij te dragen aan de corrosieweerstand.
Om dit verschil te bekijken heb ik ThermoCalc gebruikt om de hoeveelheid koolstof, chroom en molybdeen in oplossing te schatten met S90V, de gepatenteerde versie van S110V (2,8C-14Cr-9V-3,5Mo-3,5Nb-2Co), en vervolgens een gewijzigde versie van S110V die 11% V heeft in plaats van 9%V-3,5%Nb (2,8C-14Cr-11V-3,5Mo-2Co). In het octrooi werd een soortgelijke vergelijking gemaakt, aangezien 11% V ongeveer gelijk is aan de V-Nb combinatie in S110V. Men kan zien dat de koolstof in oplossing vergelijkbaar is voor de drie kwaliteiten, wat betekent dat elke kwaliteit een vergelijkbare hardheid zou bereiken. S90V en de gewijzigde S110V (aangeduid met 11V) hebben echter 11,5% Cr in oplossing, terwijl S110V (9Nb-3,5Nb) 12,3% Cr in oplossing heeft, wat een betere corrosieweerstand zou opleveren. Het 11V staal zou nog steeds een upgrade zijn over S90V voor corrosieweerstand wegens de hogere Mo in oplossing (zie de Molybdeen sectie verderop in dit artikel). Een toename van zowel Cr als Mo betekent echter een aanzienlijke verbetering van de corrosieweerstand voor S110V.
Een ander voordeel van een gedeeltelijke vervanging van vanadium door niobium is dat de carbidegrootte kleiner wordt. Niobiumcarbiden zijn zeer klein bij gebruik in poedermetallurgiestaal, en kunnen ook helpen de grootte van chroom- en vanadiumcarbiden in het staal te verkleinen, zoals beschreven in het niobiumartikel. U kunt het verschil zien in de microfoto’s hieronder. S110V heeft een fijnere carbidestructuur dan S90V of S125V. S110V heeft iets meer carbide dan S90V, waardoor het nog indrukwekkender is dat de carbidegrootte fijner is. Het carbidevolume van S110V ligt dichter bij dat van S125V, dat aanzienlijk grover is. Dit zal van belang zijn voor de taaiheidsdiscussie later.
S110V 2050°F (~27% carbidevolume)
S90V 2050°F (~21% carbidevolume)
S125V 2150°F (~27% carbidevolume)
Een volledige vervanging van vanadium door niobium is echter moeilijk te realiseren. Omdat niobium een sterke carbidevormer is, wil het carbiden vormen bij zeer hoge temperaturen, vaak in het vloeibare staal. En als de vormingstemperatuur te hoog is, zullen zich carbiden vormen in de smelt voordat het staal met gas kan worden verstoven om het poeder te vormen. Als de carbiden zich in de vloeistof vormen, zijn ze veel groter dan wanneer ze zich tijdens het stollen van het poeder vormen. Er is dus een maximale hoeveelheid niobium die kan worden gebruikt voordat dit gebeurt, ergens in het 3-4% bereik. Daarom werd bij S110V gekozen voor een combinatie van vanadium en niobium om de corrosieweerstand zoveel mogelijk te verbeteren en tegelijk de problemen te vermijden die gepaard gaan met een teveel aan niobium.
Molybdeen
S30V behoort niet tot dezelfde slijtvastheidsklasse als de andere staalsoorten, maar het ontwerp van dat staal kan de andere staalsoorten hebben beïnvloed, zodat ik het heb opgenomen. S30V had bijvoorbeeld meer Mo dan het vroegere S90V/S60V voor een betere corrosiebestendigheid, en die trend zette zich daarna voort bij andere Crucible-producten. Echter, een versie van S125V met 2,7% Mo zat in het S90V patent, dat van vóór S30V dateert, dus het is niet 100% duidelijk in welke richting de inspiratie ging. Hoe dan ook, de ontwikkeling van S30V en S125V betekende dat de metallurgen van Crucible zich er terdege van bewust waren dat Mo de corrosiebestendigheid kon verbeteren met hetzelfde chroomgehalte. Dit was niet noodzakelijk een nieuwe ontdekking; bij austenitische roestvaste staalsoorten was al lang bekend dat een hoog Mo de “putweerstand” verbeterde, en staalsoorten die bedoeld zijn voor zeewatertoepassingen hebben meestal een hoog Mo nodig. 154CM, dat van rond 1959 dateert, had 4% Mo, maar de Mo-toevoeging diende om de hardheid bij hogere temperaturen in lagertoepassingen te handhaven, niet noodzakelijk om de corrosieweerstand te verbeteren. In het octrooi voor S110V wordt 154CM echter specifiek genoemd als basis voor het ontwerp met zijn 14Cr-4Mo, dat een goede corrosieweerstand biedt met minder Cr, en dat is te zien in de eerste versie van S110V met 14Cr-3,5Mo.
Kobalt
Ik schreef eerder over kobalttoevoegingen in dit artikel over VG10. In dat artikel worden veel aspecten over kobalt belicht, omdat er helemaal geen goede reden is om in VG10 te zitten. Er is echter een zeer specifieke reden waarom kobalt in S110V zit. Wanneer messenstaal een warmtebehandeling ondergaat, moet het op hoge temperatuur worden verhit om het staal te “austenitiseren” alvorens het te laten afschrikken om het staal om te vormen tot harde martensiet. Dus het vormen van austeniet bij hoge temperatuur is de eerste vereiste stap voor de uiteindelijke warmtebehandeling van een mes. Verschillende staalsoorten transformeren naar austeniet bij verschillende temperaturen. S110V is ontworpen om een warmtebehandeling te ondergaan tussen 2050 en 2150°F, dus moet het staal in dat bereik austenitisch worden gemaakt. Chroom, Vanadium, Niobium, en Molybdeen zijn alle “ferriet stabilisatoren” wat betekent dat zij de temperatuur verhogen waarbij austeniet zal vormen, omdat zij de typische kamertemperatuurfase van staal en ijzer stabiliseren die ferriet wordt genoemd. Aangezien S110V vrij veel van elk van deze elementen bevat, kan het staal niet volledig worden gehard wanneer er geen kobalt in aanwezig is. Dit werd bevestigd in proeven die in het octrooi worden gerapporteerd, waar een kobaltvrije versie na warmtebehandeling nog wat ferriet aanwezig had, en slechts ongeveer 54 Rc bereikte.
Er zijn ook andere elementen die austeniet kunnen stabiliseren, met name koolstof, nikkel en mangaan, hoewel die elementen ook het behouden austeniet verhogen. Het maken van staal met hoge corrosieweerstand en veel chroom in oplossing leidt ook tot meer behouden austeniet, zoals uitgelegd in dit artikel over Vanax-staal. De hoeveelheid Ni en Mn moet dus relatief laag worden gehouden, zodat een goede combinatie van hardheid en corrosiebestendigheid kan worden verkregen. In plaats daarvan verhoogt de staalontwerper gewoonlijk het koolstofgehalte tot het punt waarop het staal austenitisch kan worden gemaakt. Meer koolstof betekent echter meer carbiden, wat de corrosieweerstand en de taaiheid vermindert, zoals in dit artikel wordt beschreven. In plaats daarvan gebruikten de uitvinders van S110V kobalt, dat een austenietstabilisator is bij hoge temperaturen, maar dat het behoud van austeniet niet verhoogt bij het afschrikken tot martensiet, in tegenstelling tot Ni en Mn. Dit is het enige voorbeeld van het gebruik van kobalt voor dit doel in een roestvrij gereedschapsstaal dat ik ken, en is een van de grootste innovaties van S110V naar mijn mening.
Tweede versie van S110V
Het octrooi voor S110V en de oorspronkelijke datasheet uitgebracht in september 2008 (ik heb het hier gearchiveerd) is de oorspronkelijke samenstelling gelabeld als “octrooi” in de samenstellingstabel. Er werd echter een herziene versie van het staal vrijgegeven, en de datasheet werd herzien in juli 2010. Ik heb bijna geen discussie gezien over de verandering in samenstelling, en ik denk dat de meeste mensen zich er niet van bewust zijn dat het ooit veranderd is. In feite toont de herziene datasheet alle dezelfde gegevens voor corrosiebestendigheid, hardheid en slijtvastheid, ondanks het feit dat de verandering in samenstelling relatief substantieel was.
Ik weet niet hoeveel S110V zou zijn gemaakt in messen vóór de verandering in samenstelling, maar het is interessant dat een relatief grote verandering werd aangebracht in het staal, maar zonder een naamsverandering. Ik heb navraag gedaan bij de huidige Crucible metallurg Bob Skibitski en bij de belangrijkste uitvinder van het patent, Alojz Kajinic, en geen van beiden wist waarom de wijziging werd doorgevoerd, omdat zij er niet direct bij betrokken waren. Ik heb echter enige speculaties over de reden waarom de samenstelling werd gewijzigd.
De wijzigingen werden waarschijnlijk aangebracht om de “maakbaarheid” te verbeteren, zoals problemen met gasverstuiving, smeden, of gloeien van het staal. Eén wijziging in S110V was een vermindering van Nb van 3,5% tot 3%. Zoals vermeld in de paragraaf over niobium, zijn er grenzen aan het legeren van niobium bij de typische productie van poedermetallurgisch staal. Het zou kunnen dat Crucible besloot dat het niobium te dicht bij de gevarenzone zat. Of dit nu het gevolg was van een probleem dat tijdens de productie werd waargenomen of gewoon van voorzichtigheid, ik weet het niet zeker. Ik ken geen andere poedermetallurgiestalen die zelfs maar zoveel hebben als de 3% in de huidige versie van S110V.
De vermindering van Nb kan hebben geleid tot de andere veranderingen in het staal. Aangezien Nb de corrosieweerstand verbetert door de Cr verder te helpen, heeft men misschien geprobeerd de vermindering van Nb te compenseren door de bulk Cr te verhogen van 14% tot 15,25%. Maar de chroomverhoging was meer dan nodig was om een vergelijkbare hoeveelheid chroom in oplossing te krijgen (zie de tabel hieronder), en zij hebben ook het Mo-gehalte verlaagd met eenzelfde hoeveelheid als waarmee het Cr was verhoogd (van 3,5 naar 2,25%), dus de reden voor die verandering is mij niet helemaal duidelijk. Misschien zagen zij ook een hoog Mo-gehalte als een probleem, zoals moeilijkheden bij het gloeien of overmatige hardbaarheid die leidt tot scheurvorming tijdens het afkoelen na het smeden. Met verhoogde Cr in oplossing, maar verlaagde Mo, is het niet duidelijk welke versie superieure corrosieweerstand zou hebben. In eerdere corrosietests die ik heb uitgevoerd, vond ik dat het effect van Mo op een bepaald niveau ophield, maar het zou verrassend zijn als Crucible ook tot een dergelijke conclusie zou komen.
Het kobaltgehalte werd verhoogd van 2 naar 2,5%, waarschijnlijk gebaseerd op bijgewerkte schattingen van hoeveel austenietstabilisatie nodig is na de veranderingen in Nb, Cr, en Mo. Of misschien dacht men dat het een beetje meer “veiligheidsfactor” gaf om zeker te zijn dat volledige austenitisatie mogelijk zou zijn. In oudere versies van ThermoCalc was te zien dat S110V met 2% Co prima zou zijn, wat Crucible destijds gebruikt zou hebben, maar nieuwere versies laten een kleine hoeveelheid ferriet zien bij 2150°F, rond de 4%. Als zij een kleine hoeveelheid ferriet in S110V hebben gevonden, zou dat natuurlijk hebben bijgedragen tot het besluit om Co te verhogen.
In termen van carbideverschillen is het totale carbidegehalte in de definitieve versie licht verhoogd, voornamelijk door een toename van chroomcarbide (hieronder aangeduid met M7C3). Dit zou de nieuwe versie waarschijnlijk marginaal slechter maken in termen van hardheid-slijtageweerstandsbalans, aangezien de oorspronkelijke versie een hoger aandeel NbC en VC had en iets minder totaal carbide.
Experimenten op S110V
Al de volgende experimenten werden uitgevoerd op de latere versie van S110V, aangezien dat alles is dat beschikbaar is om te kopen. Mijn gok is weinig warmte van de oorspronkelijke samenstelling ooit werden geproduceerd, dus experimenten op die versie zijn meestal academisch op dit punt.
Hardheid en warmtebehandeling
Ik heb niet uitgevoerd een volledige reeks van warmtebehandeling experimenten op S110V, maar vergelijkingen met S90V tonen de twee warmtebehandeling relatief vergelijkbaar. Beide zijn in staat tot zeer hoge niveaus van hardheid. Zie meer hardheidsmetingen van S90V in dit artikel.
Tenzijde, zowel de originele als de nieuwe versie van de S110V datasheet toont het volgende voor warmtebehandeling/hardheidsgegevens:
Dit toont echter voornamelijk de hardheid die het resultaat is in het bovenste ontlaatbereik, waar Mo het grootste effect heeft op de hardheid. De verlaging van Mo van de oorspronkelijke versie (3,5%) naar de uiteindelijke versie (2,25%) betekent waarschijnlijk dat deze waarden niet langer accuraat zijn.
Edge Retention
Ik heb een groot aantal experimenten met randbehoud gedaan die in dit artikel zijn samengevat, en ik heb ook M398 toegevoegd die hier is besproken. Dit maakt gebruik van een standaard rechthoekig mes geslepen tot 0.015″ voorafgaand aan het zetten van een definitieve rand van 15 dps met een 400 grit CBN matrix steen. De resultaten zijn hieronder te zien.
S110V heeft een zeer hoge randscherpte, zoals verwacht, en is vergelijkbaar met CPM-10V. Wat echter verbaast, is dat hij het slechter doet dan S90V. S110V is in wezen S90V met meer C, Cr, Co, Mo, en Nb, en het is moeilijk scenario’s te bedenken waarbij het toevoegen van meer van deze elementen zou leiden tot een verminderde randscherpte. Dit lijkt geen kwestie te zijn van experimentele variabiliteit, aangezien geen van de op S110V uitgevoerde proeven resulteerde in waarden die even hoog waren als het gemiddelde resultaat van S90V (elk van deze proeven werd 3 maal uitgevoerd). In mijn oorspronkelijke artikel over randscherpte speculeerde ik dat misschien de kleinere hardmetaalgrootte het verschil was en ik maakte enkele vergelijkingen met de grootte van de slijpdeeltjes die bij de testen werden gebruikt. Maar ik weet nog steeds niet zeker waarom S110V niet zo goed was als S90V tijdens de testen. Hoe dan ook, de randscherpte van het staal is hoog en misschien is het niet van praktisch nut om je zorgen te maken of het al dan niet even goed is als S90V.
In Crucible’s slijtvastheidstesten van de originele S110V, tonen zij de volgende grafiek voor slijtvastheid, die een verbetering lijkt aan te tonen ten opzichte van S90V:
Als je deze waarden uitzet tegen de hardheid, blijkt echter dat de twee staalsoorten dezelfde slijtvastheid hebben:
Uit de gegevens van Crucible blijkt dus dat de slijtvastheid niet verbeterde van S90V tot S110V, wat relatief goed overeenkomt met onze randscherpte-tests. Echter, Crucible’s testen waren met de oorspronkelijke S110V die, zoals ik al eerder beschreef, zou een groter deel van NbC en VC carbiden voor slijtvastheid.
Toughness
Ik testte twee voorwaarden van S110V, een austenitized bij 2050 en een ander bij 2150 ° F, met beide ontlaten bij 500 ° F. Deze warmtebehandelingen omvatten allen een cryostap na het doven. Enigszins verrassend, resulteerden zij beide in identieke taaiheid, ondanks de hogere austenitiseertemperatuur die tot hogere hardheid leidt. Bij warmtebehandelingen van S30V, S35VN, S45VN, en SPY27 bleek een verhoging van de austeniteringstemperatuur zowel de hardheid als de taaiheid te verhogen, dus dit resultaat zou daarmee in overeenstemming zijn. Echter, dit staal heeft een hoge hardheid en corrosiebestendigheid, wat een overmaat aan vastgehouden austeniet kan betekenen, wat soms leidt tot opgeblazen taaiheidswaarden. Dit gedrag werd gezien bij M390 wanneer het staal te hoog austenitiseerde. En omdat sommige gebruikers problemen melden bij het ontbramen van S110V (wat meestal betekent dat er veel austeniet vastgehouden wordt), ben ik er niet zeker van dat ik zou aanraden S110V te verhitten vanaf 2150°F, ondanks de schijnbaar superieure hardheid-taaiheid balans.
Hieronder heb ik het staal ook uitgezet in verhouding tot andere roestvaste staalsoorten, samen met een hardheid-taaiheid trendlijn van S60V. U kunt zien dat S90V en S110V zich langs een soortgelijke trendlijn bevinden (alleen de 2150 toestand van S110V wordt getoond). Het zou dus kunnen dat S110V een gelijkaardige taaiheid heeft als S90V, maar herinner er ook aan dat de 2050 toestand leidde tot een lagere hardheid zonder verbetering van de taaiheid. Dus zouden meer warmtebehandelingen moeten worden getest om te zien of een grotere taaiheid bij lagere hardheid zou kunnen worden bereikt. Voorzichtigheidshalve zouden we dus zeggen dat S90V taaier is dan S110V, dat een hogere taaiheid heeft dan S125V. Dit is logisch vanwege het lagere carbidegehalte van S90V, terwijl de kleinere carbiden van S110V een betere taaiheid opleveren dan S125V ondanks het vergelijkbare carbidegehalte. S90V en S110V bieden beide een superieure carbidestructuur en taaiheid in vergelijking met M398.
Corrosieweerstand
In mijn oorspronkelijke corrosieweerstandsexperimenten met 1% zout water vond ik dat S110V een zeer goede corrosieweerstand had, zeker een aanzienlijke verbetering ten opzichte van S90V en S125V, en vergelijkbaar was met M390, een andere kwaliteit met een zeer goede corrosieweerstand. Deze verbetering van de corrosieweerstand was te verwachten op basis van de eerder beschreven modificaties met Nb en Mo. En in de recentere rechtstreekse vergelijking met M398 presteerde S110V opnieuw op soortgelijke wijze.
S110V
M398
S90V
S125V
S110V vs S90V en M398
Zoals ik al schreef in mijn M398 artikel, Ik ben geen grote fan van het staal vanwege zijn grove structuur en relatief lage taaiheid. Het biedt echter wel de beste slijpbaarheid van de roestvaste staalsoorten met zeer hoge randscherpte, omdat er minder vanadiumcarbide in zit, en het heeft ook een zeer goede corrosiebestendigheid. Daarom zie ik de belangrijkste keuze tussen S110V en S90V voor de beste zeer hoge randvastheid roestvast staal. Deze keuze komt neer op hoe belangrijk corrosiebestendigheid is voor de toepassing. S90V biedt een iets betere taaiheid en randvastheid waardoor het meer in evenwicht is voor toepassingen die slechts een gemiddelde corrosieweerstand nodig hebben. Indien meer corrosieweerstand vereist is, dan is S110V de juiste keuze. Indien een betere taaiheid dan S90V gewenst is, kan het beste worden uitgeweken naar staalsoorten met een lagere randscherpte, zoals S35VN en Vanax. Of een zeer hoge taaiheid met AEB-L of 14C28N. Merk op dat de waarden hieronder genormaliseerd zijn naar de hardheid van de geteste taaiheidsspecimens. Bijvoorbeeld, de randscherpte van S90V ligt dichter bij M398 bij dezelfde hardheid.
Samenvatting en conclusies
S110V is een zeer interessant staal vanwege de innovaties die in de ontwikkeling ervan gingen, waaronder een toevoeging van niobium voor een verbeterde carbidestructuur en corrosieweerstand, en een toevoeging van kobalt om ervoor te zorgen dat het ondanks de uitstekende corrosieweerstand een warmtebehandeling kon ondergaan. Er was een enigszins verrassende en weinig besproken wijziging in de samenstelling van S110V, om grotendeels onbekende redenen (hoewel die waarschijnlijk verband houden met de fabricage). Het staal heeft goede eigenschappen, waaronder een hoge randscherpte en corrosiebestendigheid, samen met een behoorlijke taaiheid. S110V en S90V zijn mijn favorieten in de categorie roestvast staal met zeer hoge randscherpte, afhankelijk van de mate van corrosiebestendigheid die nodig is voor de toepassing.