Podziękowania dla Aarona @ Gough Custom, Aarona McVaya, Marka Scotta, Jeffreya St. Claire, Granta Seima III i saiiiiiiiii1 za to, że stali się zwolennikami Patreonu Knife Steel Nerds!
W końcu przestanę umieszczać moją książkę Knife Engineering w każdym nowym artykule, ale ten dzień nie nadszedł dzisiaj. Kup jedną dla siebie i wszystkich, których znasz, jako prezent pod choinkę.
S110V Pre-Historia
S110V to nierdzewna stal narzędziowa z metalurgii proszkowej o bardzo wysokiej odporności na ścieranie. Podobnie jak wiele innych stali nierdzewnych o bardzo wysokiej odporności na zużycie (S90V, M398) został opracowany do zastosowań wtrysku tworzyw sztucznych, które wymagają połączenia wysokiej odporności na zużycie i wysokiej odporności na korozję. Patent na stali został po raz pierwszy złożony w 2006 roku przez wynalazców Alojz Kajinic, Andrzej Wojcieszyński, i Maria Sawford, wszystkie z Crucible Steel.
Ponieważ Crucible już miał stali S90V i S125V przed S110V musimy krótko omówić historię tych stali. Ich historię omówiłem bardziej szczegółowo w jednym z poprzednich artykułów. S90V został opatentowany około 1996 roku, główną innowacją w stosunku do poprzednich stali było obniżenie Cr do 14%, co doprowadziło do powstania większej ilości węglika wanadu przy danej ilości wanadu. Poprzednie stale, takie jak S60V, Elmax i M390 miały 17-20% Cr, co dawało im więcej węglików chromu i mniej węglików wanadu. Węgliki chromu są bardziej miękkie niż węgliki wanadu i dlatego w mniejszym stopniu przyczyniają się do odporności na zużycie. Mniejsza ilość twardszych węglików (takich jak węgliki wanadu) daje lepsze połączenie ciągliwości i odporności na zużycie. Dowiedz się więcej w tym artykule o węglikach. Ponadto, chrom „w roztworze”, aby przyczynić się do odporności na korozję została faktycznie poprawiona w S90V w stosunku do wcześniejszego S60V przez staranną kontrolę węgla i zawartości wanadu, mimo że luzem chromu jest niższa. Wszystko to w połączeniu z technologią metalurgii proszków daje S90V stosunkowo drobną mikrostrukturę zapewniającą dobrą ciągliwość wraz z wysoką odpornością na ścieranie dzięki wysokiej zawartości wanadu.
Projekt S110V
Aby umieścić S110V w kontekście, powinniśmy porównać skład stali z poprzednimi produktami Crucible, aby zobaczyć jak ewolucja doprowadziła do S110V. Zauważycie również, że mam dwa składy wymienione dla S110V, jeden oznaczony jako „patent” i jeden oznaczony jako „ostateczny”. Początkowa wersja S110V została zmodyfikowana prowadząc do wersji, którą mamy dzisiaj. Omówię różnice po opisaniu więcej o ogólnej konstrukcji stali.
Niob
Jedną z głównych zmian, które zostały wykonane do S110V w porównaniu do S90V/S125V było dodanie niobu. Więcej o dodatkach niobu można przeczytać w tym artykule. Niob, podobnie jak wanad, tworzy bardzo twarde węgliki, które w znacznym stopniu przyczyniają się do zwiększenia odporności na zużycie. Jednakże, jak wyjaśniono powyżej w przypadku S90V, zrównoważenie wanadu i chromu stanowi wyzwanie, aby uzyskać wysoką kombinację odporności na zużycie i odporności na korozję. Wysoka zawartość chromu wpływa na ilość tworzących się węglików wanadu, a wysoka zawartość wanadu w rzeczywistości sprzyja tworzeniu się węglików chromu, obniżając odporność na korozję i ciągliwość. Ponadto, jest trochę chromu obecnego w węglika wanadu, co dodatkowo zmniejsza odporność na korozję. Jednakże, niob jest „silniejszym” węglikiem niż wanad, co oznacza, że może tworzyć węglik niobu nawet w obecności dużej ilości chromu. Ponadto, węglik niobu zawiera bardzo mało chromu. Te dwa czynniki oznaczają, że stosowanie niobu zamiast wanadu może prowadzić do stali o wysokiej odporności na ścieranie z twardych węglików niobu, a jednocześnie o wysokiej odporności na korozję, ponieważ jest mało interakcji między chromem i niobem, pozostawiając sam chrom, aby przyczynić się do odporności na korozję.
Aby przyjrzeć się tej różnicy użyłem ThermoCalc do oszacowania ilości węgla, chromu i molibdenu w roztworze z S90V, wersja patentowa S110V (2.8C-14Cr-9V-3.5Mo-3.5Nb-2Co), a następnie zmodyfikowana wersja S110V, który ma 11% V zamiast 9%V-3.5%Nb (2.8C-14Cr-11V-3.5Mo-2Co). Podobne porównanie zostało dokonane w patencie, ponieważ 11% V jest w przybliżeniu równoważne kombinacji V-Nb w S110V. Można zauważyć, że węgiel w roztworze jest podobny we wszystkich trzech gatunkach, co oznacza, że każdy z nich osiągnąłby podobną twardość. Jednakże, S90V i zmodyfikowany S110V (oznaczony jako 11V) mają 11,5% Cr w roztworze, podczas gdy S110V (9Nb-3,5Nb) ma 12,3% Cr w roztworze, co zapewni lepszą odporność na korozję. Stal 11V nadal będzie uaktualnienie nad S90V na odporność na korozję z powodu wyższej Mo w roztworze (patrz sekcja Molibden w dalszej części tego artykułu). Jednak wzrost zarówno Cr, jak i Mo oznacza znaczną poprawę odporności na korozję dla S110V.
Inną korzyścią z częściowego zastąpienia wanadu niobem jest zmniejszenie rozmiaru węglików. Węgliki niobu są bardzo małe, gdy są stosowane w stali metalurgii proszków, a także może pomóc zmniejszyć rozmiar węglików chromu i wanadu w stali, jak opisano w artykule niobu. Różnicę można zobaczyć na poniższych mikrografach. S110V ma drobniejszą strukturę węglików niż S90V lub S125V. S110V ma nieco więcej węglików niż S90V, co czyni jeszcze bardziej imponującym fakt, że rozmiar węglików jest drobniejszy. Objętość węglika S110V jest bliższa S125V, który jest znacznie grubszy. Będzie to miało znaczenie dla dyskusji na temat ciągliwości w dalszej części artykułu.
S110V 2050°F (~27% objętości węglików)
S90V 2050°F (~21% objętości węglików)
S125V 2150°F (~27% objętości węglików)
Jednakże pełne zastąpienie wanadu niobem jest trudne do wykonania. Ponieważ niob jest silny węglik były, to chce tworzyć węgliki w bardzo wysokich temperaturach, często w ciekłej stali. A jeśli temperatura formowania jest zbyt wysoka, węgliki będą tworzyć się w stopie, zanim stal będzie mogła być rozpylana gazowo w celu utworzenia proszku. Jeśli węgliki tworzą się w cieczy, są one znacznie większe niż wtedy, gdy tworzą się podczas krzepnięcia proszku. Więc jest maksymalna ilość niobu, które mogą być stosowane przed tym się dzieje, gdzieś w 3-4% zakresu. W związku z tym, podejście do S110V polegało na połączeniu wanadu i niobu w celu poprawy odporności na korozję tak bardzo, jak to możliwe, przy jednoczesnym uniknięciu problemów związanych z nadmiarem niobu.
Molibden
S30V nie jest w tej samej klasie odporności na ścieranie, co inne stale, ale projekt tej stali mógł mieć wpływ na inne, więc go uwzględniłem. Na przykład, stal S30V miała zwiększoną zawartość Mo w stosunku do wcześniejszych stali S90V/S60V w celu poprawy odporności na korozję, a trend ten utrzymywał się później w innych produktach Crucible. Jednakże, wersja S125V z 2,7% Mo znalazła się w patencie S90V, który poprzedzał S30V, więc nie jest w 100% jasne, w którym kierunku nastąpiła inspiracja. Niezależnie od tego, rozwój S30V i S125V oznaczał, że metalurdzy z Tygla byli świadomi, że Mo może poprawić odporność na korozję przy takim samym poziomie chromu. To niekoniecznie było nowe odkrycie, to było dawno znane w austenitycznych stali nierdzewnych, że wysoki Mo poprawiła „odporność na wżery”, i stali przeznaczonych do zastosowań w wodzie morskiej zazwyczaj potrzebują wysokiej Mo. 154CM, pochodzący z około 1959 roku, miał 4% Mo chociaż dodatek Mo było utrzymanie twardości w wyższych temperaturach w zastosowaniach łożyskowych, niekoniecznie poprawy odporności na korozję. Jednak patent na S110V wyraźnie nazywa 154CM jako podstawa projektu z jego 14Cr-4Mo, zapewniając dobrą odporność na korozję przy mniejszej ilości Cr, i że można zobaczyć w początkowej wersji S110V z 14Cr-3.5Mo.
Kobalt
Wcześniej pisałem o dodatkach kobaltu w tym artykule o VG10. Ten artykuł bada wiele aspektów o kobaltu, ponieważ nie ma wiele dobrego powodu, aby być w VG10 w ogóle. Jednakże, istnieje bardzo szczególny powód, że kobalt znajduje się w S110V. Kiedy nóż stal jest poddawany obróbce cieplnej trzeba go podgrzać do wysokiej temperatury, aby „austenityzować” stali przed hartowaniem, aby przekształcić stal w twardy martenzyt. Więc formowanie austenitu w wysokiej temperaturze jest pierwszym wymaganym krokiem do ostatecznej obróbki cieplnej noża. Różne stale będą przekształcać się w austenit w różnych temperaturach. S110V jest przeznaczony do obróbki cieplnej między 2050 a 2150°F, więc stal musi być austenityzowana w tym zakresie. Chrom, wanad, niob i molibden są „stabilizatorami ferrytu”, co oznacza, że podnoszą temperaturę, w której tworzy się austenit, ponieważ stabilizują typową fazę stali i żelaza w temperaturze pokojowej zwaną ferrytem. Z S110V ma dość dużo każdego z tych elementów, stal nie może być w pełni hartowana, gdy nie ma kobaltu w nim. Zostało to potwierdzone w testach opisanych w patencie, gdzie wersja bez kobaltu miała pewne ferryt obecny po obróbce cieplnej, a tylko osiągnął około 54 Rc.
Istnieją inne elementy, które mogą ustabilizować austenit, jak również, zwłaszcza węgla, niklu i manganu, choć elementy te również zwiększyć zatrzymane austenitu. Dokonywanie wysokiej odporności na korozję stali o wysokiej chromu w roztworze prowadzi również do bardziej zachowane austenitu, jak wyjaśniono w tym artykule na Vanax stali. Tak więc ilość Ni i Mn musi być utrzymywana na stosunkowo niskim poziomie, aby można było uzyskać dobre połączenie twardości i odporności na korozję. Zazwyczaj zamiast tego projektant stali zwiększa poziom węgla do punktu, w którym stal może być austenityzowana. Jednakże, więcej węgla oznacza więcej węglików, co zmniejsza odporność na korozję i ciągliwość, jak opisano w tym artykule. Zamiast tego, wynalazcy S110V użyli kobaltu, który jest stabilizatorem austenitu w wysokich temperaturach, ale nie zwiększa zachowanego austenitu podczas hartowania do martenzytu, w przeciwieństwie do Ni i Mn. Jest to jedyny przykład użycia kobaltu do tego celu w nierdzewnej stali narzędziowej, że jestem świadomy, i jest jednym z największych innowacji S110V w mojej opinii.
Druga wersja S110V
Patent na S110V i oryginalny arkusz danych wydany we wrześniu 2008 roku (zarchiwizowałem go tutaj) jest oryginalny skład oznaczony jako „patent” w tabeli składu. Jednakże, poprawiona wersja stali została wydana, a arkusz danych został poprawiony w lipcu 2010 roku. Nie widziałem prawie żadnej dyskusji na temat zmiany składu, i myślę, że większość ludzi nie jest świadoma, że to się kiedykolwiek zmieniło. W rzeczywistości poprawiony arkusz danych pokazuje wszystkie te same dane dotyczące odporności na korozję, twardości i odporności na ścieranie, pomimo faktu, że zmiana składu była stosunkowo znacząca.
Nie wiem ile S110V byłoby zrobione na noże przed zmianą składu, ale interesujące jest to, że stosunkowo duża zmiana została dokonana w stali, ale bez zmiany nazwy. Pytałem obecnego metalurga Crucible, Boba Skibitskiego, jak również głównego wynalazcę patentu, Alojza Kajinica, i żaden z nich nie wiedział dlaczego dokonano zmiany, gdyż nie byli w nią bezpośrednio zaangażowani. Jednakże, mam pewne spekulacje na temat tego, dlaczego skład został zmieniony.
Zmiany zostały prawdopodobnie dokonane w celu poprawy „wykonalności”, takich jak kwestie z atomizacji gazu, kucia, lub wyżarzania stali. Jedną ze zmian w S110V było zmniejszenie zawartości Nb z 3,5% do 3%. Jak wspomniano w sekcji dotyczącej niobu, istnieją ograniczenia dotyczące stopu niobu w typowej produkcji stali w metalurgii proszków. Możliwe, że Crucible uznał, że niob jest zbyt blisko strefy zagrożenia. Nie jestem pewien, czy było to spowodowane problemem, który zaobserwowano podczas produkcji, czy po prostu zachowaniem ostrożności. Nie znam żadnej innej stali z metalurgii proszków, która miałaby nawet tyle co 3% w obecnej wersji S110V.
Zmniejszenie zawartości Nb mogło doprowadzić do innych zmian w stali. Ponieważ Nb poprawia odporność na korozję, pomagając Cr iść dalej, mogli próbować zrekompensować zmniejszenie Nb poprzez zwiększenie luzem Cr z 14% do 15,25%. Ale wzrost chromu było więcej niż było konieczne, aby osiągnąć podobną ilość chromu w roztworze (patrz tabela poniżej), a oni również zmniejszyć zawartość Mo przez podobną kwotę, jak wiele Cr został zwiększony (z 3,5 do 2,25%), więc powód tej zmiany nie jest całkowicie jasne dla mnie. Być może zidentyfikowali wysoki Mo jako problem, jak trudności w wyżarzaniu lub nadmiernej hartowności prowadzącej do pękania podczas chłodzenia po kuciu. Przy zwiększonej Cr w roztworze, ale zmniejszona Mo, nie jest jasne, która wersja będzie miała lepszą odporność na korozję. W poprzednich testach korozyjnych, które przeprowadziłem, stwierdziłem, że wpływ Mo kończy się na pewnym poziomie, ale byłoby zaskakujące, gdyby Crucible również doszedł do podobnego wniosku.
Zawartość kobaltu została zwiększona z 2 do 2,5%, prawdopodobnie na podstawie zaktualizowanych szacunków, ile stabilizacji austenitu jest konieczne po zmianach Nb, Cr i Mo. A może myśleli, że dało to trochę więcej „współczynnika bezpieczeństwa”, aby zapewnić pełną austenityzację będzie możliwe. W starszych wersjach ThermoCalc pokazano, że S110V z 2% Co będzie w porządku, czego Crucible używał w tamtym czasie, ale nowsze wersje pokazują niewielką ilość ferrytu w 2150°F, około 4%. Jeśli znaleźli niewielką ilość ferrytu w S110V, to przyczyniło się to do decyzji o zwiększeniu zawartości Co, oczywiście.
W odniesieniu do różnic w zawartości węglików, całkowita zawartość węglików została nieznacznie zwiększona w ostatecznej wersji, głównie z powodu zwiększenia zawartości węglika chromu (oznaczonego jako M7C3 poniżej). To prawdopodobnie sprawi, że nowa wersja będzie nieznacznie gorsza pod względem równowagi twardość-odporność na ścieranie, ponieważ oryginalna wersja miała wyższy udział NbC i VC i nieco mniej węglika ogółem.
Doświadczenia na S110V
Wszystkie poniższe eksperymenty zostały przeprowadzone na późniejszej wersji S110V, ponieważ jest to wszystko, co jest dostępne do zakupu. Sądzę, że wyprodukowano niewiele ciepła o oryginalnym składzie, więc eksperymenty na tej wersji są głównie akademickie w tym momencie.
Twardość i obróbka cieplna
Nie przeprowadziłem pełnego zakresu eksperymentów z obróbką cieplną na S110V, ale porównania z S90V pokazują, że te dwa rodzaje obróbki cieplnej są stosunkowo podobne. Oba są w stanie osiągnąć bardzo wysoki poziom twardości. Zobacz więcej pomiarów twardości S90V w tym artykule.
Jako uwaga uboczna, zarówno oryginalna i nowa wersja arkusza danych S110V pokazuje następujące dane dotyczące obróbki cieplnej/twardości:
Jednakże pokazuje to przede wszystkim twardość, która wynika w górnym zakresie odpuszczania, gdzie Mo ma największy wpływ na twardość. Zmniejszenie Mo z oryginalnej wersji (3,5%) do ostatecznej wersji (2,25%) prawdopodobnie oznacza, że te wartości nie są już dokładne.
Edge Retention
Wykonałem wiele eksperymentów z zachowaniem krawędzi, które zostały podsumowane w tym artykule, a także dodałem M398, który został omówiony tutaj. Użyto standardowego prostokątnego noża szlifowanego do 0,015″ przed nałożeniem ostatecznej krawędzi 15 dps z kamieniem matrycowym CBN o ziarnistości 400. Wyniki można zobaczyć poniżej.
S110V ma bardzo wysoką retencję krawędzi, zgodnie z oczekiwaniami, będąc podobnym do CPM-10V. Zaskakujące jest jednak to, że poradził sobie gorzej niż S90V. S110V jest zasadniczo S90V z większą ilością C, Cr, Co, Mo i Nb, i trudno jest wyobrazić sobie scenariusze, w których dodanie większej ilości tych elementów prowadziłoby do zmniejszenia retencji krawędzi. Nie wydaje się to być kwestią zmienności eksperymentalnej, ponieważ żaden z testów przeprowadzonych na S110V nie przyniósł tak wysokich wartości jak średni wynik dla S90V (każdy z nich był testowany 3 razy). W moim oryginalnym artykule o retencji krawędzi spekulowałem, że być może mniejszy rozmiar węglika jest przyczyną różnicy i dokonałem pewnych porównań z rozmiarem cząstek ściernych użytych w testach. Ale nadal nie wiem na pewno dlaczego S110V nie był tak dobry jak S90V w testach. Niezależnie od tego, trwałość krawędzi tej stali jest wysoka i być może martwienie się o to, czy jest ona tak dobra jak S90V nie ma praktycznego zastosowania.
W testach odporności na ścieranie przeprowadzonych przez Crucible dla oryginalnego S110V, pokazano następujący wykres odporności na ścieranie, który wydaje się wskazywać na poprawę w stosunku do S90V:
Jednakże, jeśli wykreślić te wartości w stosunku do twardości, staje się oczywiste, że obie stale mają taką samą odporność na ścieranie:
Więc dane Crucible pokazują, że nie nastąpiła poprawa odporności na ścieranie z S90V na S110V, co pokrywa się stosunkowo dobrze z naszymi testami zachowania krawędzi. Jednakże, testy Crucible’a dotyczyły oryginalnego S110V, który, jak opisałem wcześniej, miałby większy udział węglików NbC i VC dla odporności na ścieranie.
Twardość
Testowałem dwa warunki S110V, jeden austenityzowany w 2050 i drugi w 2150°F, a oba odpuszczane w 500°F. Wszystkie te obróbki cieplne obejmowały etap krio po hartowaniu. Nieco zaskakujące jest to, że w obu przypadkach uzyskano identyczną ciągliwość, pomimo wyższej temperatury austenityzowania prowadzącej do wyższej twardości. W obróbce cieplnej stali S30V, S35VN, S45VN i SPY27, stwierdzono, że wzrost temperatury austenityzowania zwiększa zarówno twardość jak i ciągliwość, więc ten wynik byłby z tym zgodny. Jednakże, stal ta ma wysoką twardość i odporność na korozję, co może oznaczać nadmiar zatrzymanego austenitu, który czasami prowadzi do zawyżonych wartości ciągliwości. Takie zachowanie zaobserwowano w przypadku M390, gdy austenityzacja była zbyt wysoka. I z niektórych użytkowników zgłaszających trudności w gratowania S110V (zwykle oznacza wysoki austenit zatrzymany), nie jestem pewien, czy rzeczywiście polecam obróbkę cieplną S110V od 2150°F pomimo pozornie lepszej równowagi twardość-twardość.
Poniżej wykreśliłem stal również w odniesieniu do innych stali nierdzewnych wraz z linią trendu twardość-twardość z S60V. Można zauważyć, że S90V i S110V są wzdłuż podobnej linii trendu (tylko 2150 warunek S110V jest pokazany). Więc może być tak, że S110V ma podobną ciągliwość do S90V, ale również przypomnijmy, że warunek 2050 doprowadził do niższej twardości bez poprawy ciągliwości. Więc więcej obróbki cieplnej musiałoby być przetestowane, aby zobaczyć, czy większa ciągliwość przy niższej twardości może być osiągnięta. Więc będąc konserwatywnym powiedzielibyśmy, że S90V jest twardsza niż S110V, która ma wyższą twardość niż S125V. Ma to sens ze względu na niższą zawartość węglików w S90V, podczas gdy mniejsze węgliki w S110V zapewniają lepszą ciągliwość niż S125V pomimo podobnej zawartości węglików. S90V i S110V oferują doskonałą strukturę węglików i wytrzymałość w porównaniu z M398.
Odporność na korozję
W moich oryginalnych eksperymentach z odpornością na korozję w 1% słonej wody stwierdziłem, że S110V ma bardzo dobrą odporność na korozję, z pewnością znaczącą poprawę w stosunku do S90V i S125V, i jest podobny do M390, innego gatunku o bardzo dobrej odporności na korozję. Ta poprawa odporności na korozję była oczekiwana w oparciu o modyfikacje z Nb i Mo, które zostały opisane wcześniej. A w nowszym porównaniu bezpośrednio z M398, S110V ponownie wypadł podobnie.
S110V
M398
S90V
S125V
S110V vs S90V i M398
Jak napisałem w artykule o M398, Nie jestem wielkim fanem tej stali z powodu jej gruboziarnistej struktury i stosunkowo niskiej ciągliwości. Oferuje ona jednak najlepszą ostrzalność spośród stali nierdzewnych o bardzo wysokiej retencji krawędzi z powodu mniejszej ilości węglików wanadu, a także ma bardzo dobrą odporność na korozję. Dlatego widzę, że głównym wyborem jest między S110V i S90V dla najlepszych bardzo wysokiej retencji krawędzi nierdzewnej. Wybór ten sprowadza się do tego, jak ważna jest odporność na korozję do aplikacji. S90V oferuje nieco lepszą wytrzymałość i retencji krawędzi co czyni go bardziej zrównoważony dla zastosowań, które wymagają tylko średniej odporności na korozję. Jeśli wymagana jest większa odporność na korozję, wtedy S110V jest drogą do zrobienia. Jeśli lepsza ciągliwość niż S90V jest pożądana, wtedy najlepiej byłoby przejść do niższych stali retencji krawędzi, takich jak S35VN i Vanax. Lub bardzo wysoka ciągliwość w przypadku stali AEB-L lub 14C28N. Należy pamiętać, że wartości poniżej są znormalizowane do twardości testowanych próbek ciągliwości. Na przykład, zachowanie krawędzi S90V jest bliższe M398 przy tej samej twardości.
Podsumowanie i wnioski
S110V jest bardzo interesującą stalą ze względu na innowacje, które weszły w jej rozwój, w tym dodatek niobu w celu poprawy struktury węglików i odporności na korozję oraz dodatek kobaltu, aby zapewnić możliwość obróbki cieplnej pomimo doskonałej odporności na korozję. Nieco zaskakująca i mało dyskutowana była zmiana składu stali S110V, z nieznanych powodów (choć prawdopodobnie związanych z produkcją). Stal ma dobre właściwości, w tym wysokie zachowanie krawędzi i odporność na korozję wraz z przyzwoitą ciągliwością. S110V i S90V są moimi ulubionymi w kategorii stali nierdzewnej o bardzo wysokiej retencji krawędzi, w zależności od poziomu odporności na korozję, która jest niezbędna do zastosowania.