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S110V Pré-História
S110V é um aço inox para ferramentas em pó de metalurgia com muito alta resistência ao desgaste. Como muitos outros aços inoxidáveis de muito alta resistência ao desgaste (S90V, M398) foi desenvolvido para aplicações de injeção de plástico que necessitam de uma combinação de alta resistência ao desgaste e alta resistência à corrosão. A patente do aço foi registada pela primeira vez em 2006 pelos inventores Alojz Kajinic, Andrzej Wojcieszynski e Maria Sawford, todos de Crucible Steel.
Porque o Crucible já tinha aços S90V e S125V antes do S110V temos de discutir brevemente a história desses aços. Eu cobri a história deles com mais detalhes num artigo anterior. O S90V foi patenteado por volta de 1996, a maior inovação em relação aos aços anteriores foi uma redução do Cr para 14%, o que levou à formação de mais carboneto de vanádio para uma determinada quantidade de vanádio. Aços anteriores como o S60V, Elmax e M390 tinham todos 17-20% de Cr, o que lhes deu mais carboneto de crómio e menos carboneto de vanádio. Os carburetos de cromo são mais macios que os de vanádio e, portanto, contribuem menos para a resistência ao desgaste. Uma menor quantidade de carbonetos mais duros (como o carboneto de vanádio) dá uma melhor combinação de tenacidade e resistência ao desgaste. Saiba mais neste artigo sobre os carburetos. Além disso, o cromo “em solução” para contribuir para a resistência à corrosão foi realmente melhorado em S90V em relação ao S60V anterior através de um controle cuidadoso do conteúdo de carbono e vanádio, apesar de o cromo a granel ser menor. Tudo isto em combinação com a tecnologia da metalurgia do pó dá ao S90V uma microestrutura relativamente fina para uma boa tenacidade, juntamente com uma elevada resistência ao desgaste do elevado teor de vanádio.
Design de S110V
Para contextualizar o S110V, devemos comparar a composição do aço com os produtos de cadinho anteriores para ver como a evolução levou ao S110V. Você também verá que tenho duas composições listadas para S110V, uma rotulada “patente” e outra rotulada “final”. A versão inicial do S110V foi modificada, levando à versão que temos hoje. Vou discutir as diferenças depois de descrever mais sobre o design geral do aço.
Niobium
Uma das maiores alterações que estava sendo feita no S110V quando comparado ao S90V/S125V foi a adição de niobium. Leia mais sobre a adição de nióbio neste artigo. O nióbio, tal como o vanádio, forma carbonetos muito duros que contribuem muito para a resistência ao desgaste. No entanto, como explicado acima com o S90V, equilibrar o vanádio e o cromo é um desafio para obter uma alta combinação de resistência ao desgaste e resistência à corrosão. O alto cromo afeta a quantidade de carboneto de vanádio que se forma, e o alto vanádio realmente promove a formação de carboneto de cromo, diminuindo a resistência à corrosão e a tenacidade. Além disso, há algum cromo presente no carboneto de vanádio, reduzindo ainda mais a resistência à corrosão. No entanto, o nióbio é um formador de carboneto “mais forte” do que o vanádio, o que significa que pode formar carboneto de nióbio mesmo na presença de altas quantidades de cromo. E o carboneto de nióbio contém muito pouco crómio. Esses dois fatores significam que o uso de nióbio em vez de vanádio pode levar a um aço com alta resistência ao desgaste dos carburetos de nióbio duros, ao mesmo tempo em que tem alta resistência à corrosão, pois há pouca interação entre cromo e nióbio, deixando o cromo sozinho para contribuir com a resistência à corrosão.
Para ver esta diferença, usei ThermoCalc para estimar a quantidade de carbono, cromo e molibdênio em solução com S90V, a versão patenteada do S110V (2.8C-14Cr-9V-3.5Mo-3.5Nb-2Co), e depois uma versão modificada do S110V que tem 11% V ao invés de 9%V-3.5%Nb (2.8C-14Cr-11V-3.5Mo-2Co). Uma comparação semelhante foi feita na patente, já que 11% V é aproximadamente equivalente à combinação V-Nb em S110V. Você pode ver que o carbono em solução é similar nos três graus, o que significa que cada um alcançaria dureza similar. Entretanto, o S90V e o S110V modificado (rotulado 11V) têm 11,5% Cr em solução, enquanto o S110V (9Nb-3,5Nb) tem 12,3% Cr em solução, o que proporcionaria melhor resistência à corrosão. O aço de 11V ainda seria uma atualização em relação ao S90V para resistência à corrosão devido ao Mo em solução mais alto (veja a seção Molibdênio mais adiante neste artigo). Entretanto, um aumento em Cr e Mo significa uma melhora significativa na resistência à corrosão para S110V.
Um outro benefício de uma substituição parcial de vanádio por nióbio é que o tamanho do carboneto é reduzido. Os carbonetos de nióbio são muito pequenos quando utilizados em aço em pó para metalurgia, e também podem ajudar a diminuir o tamanho de carbonetos de cromo e vanádio no aço, como descrito no artigo de nióbio. Você pode ver a diferença nos micrografos abaixo. O S110V tem uma estrutura de carboneto mais fina do que o S90V ou S125V. S110V tem um pouco mais de carboneto do que S90V, tornando ainda mais impressionante que o tamanho do carboneto seja mais fino. O volume de carboneto de S110V é mais próximo de S125V que é significativamente mais grosseiro. Isto será relevante para a discussão sobre a dureza mais tarde.
S110V 2050°F (~27% volume de carboneto)
S90V 2050°F (~21% volume de carboneto)
S125V 2150°F (~27% volume de carboneto)
No entanto, uma substituição completa de vanádio por nióbio é difícil de se fazer. Como o nióbio é um formador de carboneto forte, ele quer formar carbonetos a temperaturas muito altas, muitas vezes no aço líquido. E se a temperatura de formação for muito alta, os carbonetos se formarão no derretimento antes que o aço possa ser atomizado a gás para formar o pó. Se os carbonetos se formam no líquido, são muito maiores do que se formam durante a solidificação do pó. Portanto, há uma quantidade máxima de nióbio que pode ser usada antes que isso aconteça, em algum lugar na faixa de 3-4%. Portanto, a abordagem com S110V foi de ter uma combinação de vanádio e nióbio para melhorar ao máximo a resistência à corrosão, evitando ao mesmo tempo os problemas que surgem com o excesso de nióbio.
Molibdênio
S30V não está na mesma classe de resistência ao desgaste que os outros aços, mas o desenho desse aço pode ter influenciado os outros, por isso o incluí. Por exemplo, o S30V tinha aumentado o Mo em relação ao anterior S90V/S60V para melhorar a resistência à corrosão, e essa tendência continuou depois com outros produtos de cadinho. No entanto, uma versão do S125V com 2,7% de Mo estava na patente do S90V, que era anterior ao S30V, portanto não é 100% claro em que direção a inspiração ocorreu. Independentemente disso, o desenvolvimento do S30V e S125V significava que os Metalúrgicos do Cadinho estavam bem conscientes de que o Mo podia melhorar a resistência à corrosão com o mesmo nível de crómio. Esta não foi necessariamente uma nova descoberta; há muito tempo era conhecido nos aços inoxidáveis austeníticos que o Mo elevado melhorava a “resistência à corrosão”, e os aços destinados a aplicações em água do mar necessitam tipicamente de Mo elevado. 154CM, por volta de 1959, tinha 4% de Mo, embora a adição de Mo fosse para manter a dureza a temperaturas mais elevadas em aplicações de rolamentos, não necessariamente melhorando a resistência à corrosão. No entanto, a patente do S110V chama especificamente 154CM como base do projeto com seu 14Cr-4Mo, fornecendo boa resistência à corrosão com menos Cr, e isso pode ser visto na versão inicial do S110V com 14Cr-3.5Mo.
Cobalto
Eu escrevi anteriormente sobre adições de cobalto neste artigo sobre o VG10. Esse artigo explora muitos aspectos sobre o cobalto porque não há muito de bom motivo para estar na VG10. Entretanto, há uma razão muito específica para que o cobalto seja encontrado no S110V. Quando o aço da faca é tratado termicamente você tem que aquecê-lo a alta temperatura para “austenitizar” o aço antes de têmpera para transformar o aço em martensite dura. Assim, formar a austenite a alta temperatura é o primeiro passo necessário para o tratamento térmico final de uma faca. Aços diferentes se transformarão em austenita a diferentes temperaturas. O S110V foi concebido para ser tratado termicamente entre 2050 e 2150°F, pelo que o aço necessitaria de ser austenitizado nessa gama. Crómio, Vanádio, Nióbio e Molibdénio são todos “estabilizadores de ferrite” o que significa que aumentam a temperatura a que a austenite se vai formar, porque estabilizam a fase típica da temperatura ambiente do aço e do ferro chamada ferrite. Com S110V tendo um pouco de cada um desses elementos, o aço não pode ser totalmente endurecido quando não tem cobalto. Isto foi confirmado em testes relatados na patente, onde uma versão livre de cobalto tinha alguma ferrita presente após tratamento térmico, e só atingiu cerca de 54 Rc.
Há outros elementos que podem estabilizar a austenita também, notadamente o carbono, o níquel e o manganês, embora esses elementos também aumentem a austenita retida. Fazer aços de alta resistência à corrosão com alto teor de cromo em solução também leva a uma maior retenção de austenita, como explicado neste artigo sobre o aço Vanax. Portanto, a quantidade de Ni e Mn precisa ser mantida a níveis relativamente baixos para que se possa obter uma boa combinação de dureza e resistência à corrosão. Normalmente, ao invés disso, o projetista do aço aumenta o nível de carbono ao ponto de que o aço pode ser austenitizado. No entanto, mais carbono significa mais carbonetos, o que reduz a resistência à corrosão e a tenacidade, como descrito neste artigo. Em vez disso, os inventores do S110V utilizaram cobalto, que é um estabilizador de austenita a altas temperaturas, mas que não aumenta a austenita retida ao tingir a martensite, ao contrário do Ni e do Mn. Este é o único exemplo de utilização do cobalto para este fim em um aço inoxidável que eu conheço, e é uma das maiores inovações do S110V na minha opinião.
Segunda Versão do S110V
A patente do S110V e a folha de dados original lançada em setembro de 2008 (eu a arquivei aqui) é a composição original rotulada como “patente” na tabela de composição. Entretanto, uma versão revisada do aço foi lançada, e a folha de dados foi revisada em julho de 2010. Não vi quase nenhuma discussão sobre a mudança na composição, e acho que a maioria das pessoas desconhece que ela já mudou. Na verdade, a folha de dados revisada mostra todos os mesmos dados de resistência à corrosão, dureza e resistência ao desgaste, apesar de a mudança na composição ter sido relativamente substancial.
Não sei quanto S110V teria sido feito em facas antes da mudança na composição, mas é interessante que uma mudança relativamente grande foi feita no aço, mas sem uma mudança de nome. Eu perguntei ao atual metalúrgico Bob Skibitski, assim como ao principal inventor da patente, Alojz Kajinic, e também não sabia porque a mudança foi feita, pois eles não estavam diretamente envolvidos com ela. No entanto, tenho algumas especulações sobre o porquê da alteração da composição.
As alterações foram provavelmente feitas para melhorar a “manufacturabilidade”, tais como questões com atomização de gás, forjamento, ou recozimento do aço. Uma mudança para S110V foi uma redução em Nb de 3,5% para 3%. Como mencionado na seção de nióbio, há limites para a liga de nióbio com a típica produção de aço em pó para metalurgia. Pode ser que o Cadinho tenha decidido que o nióbio estava muito próximo da zona de perigo. Não tenho a certeza se isto se deveu a um problema que foi observado na produção ou simplesmente a ser cauteloso. Não conheço outros aços para a metalurgia do pó que tenham até 3% na versão atual do S110V.
A redução do Nb pode ter levado a outras mudanças no aço. Como o Nb melhora a resistência à corrosão ajudando o Cr a ir mais além, eles podem ter tentado compensar a redução do Nb aumentando o Cr a granel de 14% para 15,25%. Mas o aumento de cromo foi mais do que o necessário para atingir uma quantidade semelhante de cromo em solução (ver tabela abaixo), e eles também diminuíram o teor de Mo em uma quantidade semelhante ao quanto o Cr foi aumentado (de 3,5 para 2,25%), então a razão para essa mudança não é completamente clara para mim. Talvez eles também tenham identificado o Mo elevado como um problema, como dificuldade de recozimento ou endurecimento excessivo, levando a rachaduras durante o resfriamento após a forja. Com o aumento do Cr em solução, mas a diminuição do Mo, não está claro qual versão teria uma resistência superior à corrosão. Em testes de corrosão anteriores que realizei, descobri que o efeito do Mo atingiu um certo nível, mas seria surpreendente se o Cadinho também chegasse a uma conclusão semelhante.
O conteúdo de cobalto foi aumentado de 2 para 2,5%, provavelmente baseado em estimativas atualizadas de quanto de estabilização da austenita é necessário após as mudanças de Nb, Cr, e Mo. Ou talvez eles pensassem que isso dava um pouco mais de “fator de segurança” para garantir que a austenitização total seria possível. Em versões mais antigas do ThermoCalc mostrou que S110V com 2% Co ficaria bem, que o Cadinho estaria usando na época, mas versões mais novas mostram uma pequena quantidade de ferrite a 2150°F, cerca de 4%. Se eles encontrassem uma pequena quantidade de ferrite em S110V que teria contribuído para a decisão de aumentar Co, é claro.
Em termos de diferenças de carboneto, o conteúdo total de carboneto foi ligeiramente aumentado na versão final, principalmente a partir de um aumento no carboneto de cromo (rotulado M7C3 abaixo). Isto provavelmente tornaria a nova versão marginalmente pior em termos de balanço de resistência ao desgaste, já que a versão original tinha uma proporção maior de NbC e VC e um pouco menor de carboneto total.
Experimentos em S110V
Todos os experimentos a seguir foram realizados na versão posterior de S110V, já que isso é tudo o que está disponível para compra. O meu palpite é que foram produzidos poucos aquecedores da composição original, por isso os experimentos nessa versão são, na sua maioria, acadêmicos neste ponto.
Dureza e Tratamento Térmico
Não fiz uma gama completa de experimentos de tratamento térmico em S110V, mas as comparações com S90V mostram os dois tratamentos térmicos de forma relativamente semelhante. Ambos são capazes de níveis muito altos de dureza. Veja mais medições de dureza de S90V neste artigo.
Como nota lateral, tanto a versão original como a nova versão da folha de dados de S110V mostra o seguinte para dados de tratamento térmico/dureza:
No entanto, isto mostra principalmente a dureza que resulta na faixa superior de têmpera, onde Mo tem o maior efeito sobre a dureza. A redução do Mo da versão original (3,5%) para a versão final (2,25%) provavelmente significa que esses valores não são mais precisos.
Edge Retention
Fiz um grande número de experimentos de retenção de bordas que foram resumidos neste artigo, e também adicionei M398 que foi discutido aqui. Isto usa uma faca retangular padrão moída a 0.015″ antes de colocar uma borda final de 15 dps com uma pedra de matriz CBN de 400 grit. Os resultados podem ser vistos abaixo.
S110V tem retenção de borda muito alta, como esperado, sendo semelhante ao CPM-10V. No entanto, o que é surpreendente é que ele fez pior que S90V. S110V é essencialmente S90V com mais C, Cr, Co, Mo e Nb, e é difícil pensar em cenários onde adicionar mais desses elementos levaria a uma redução da retenção das bordas. Isto não parece ser um problema de variabilidade experimental, pois nenhum dos testes realizados com S110V resultou em valores tão altos quanto o resultado médio de S90V (cada um foi testado 3 vezes). No meu artigo original sobre retenção de borda especulei que talvez o tamanho menor de carboneto fosse a diferença e fiz algumas comparações com o tamanho das partículas abrasivas usadas nos testes. Mas ainda não sei ao certo porque é que o S110V não era tão bom como o S90V nos testes. Independentemente disso, a retenção da borda do aço é alta e talvez seja preocupante se é ou não tão bom quanto o S90V não é de uso prático.
Em Crucible’s Crucible’s teste de resistência ao desgaste do S110V original, eles mostram o seguinte gráfico de resistência ao desgaste, que parece mostrar uma melhoria em relação ao S90V:
No entanto, se você traçar esses valores versus dureza, torna-se aparente que os dois aços têm a mesma resistência ao desgaste:
Então os dados do Cadinho mostram que não houve melhoria na resistência ao desgaste de S90V para S110V, o que se alinha relativamente bem com os nossos testes de retenção de arestas. Entretanto, os testes do Cadinho foram com o S110V original que, como descrevi anteriormente, teria uma proporção maior de carbonetos NbC e VC para resistência ao desgaste.
Toughness
I testou duas condições de S110V, uma austenitizada a 2050 e outra a 2150°F, com ambas temperadas a 500°F. Todos estes tratamentos térmicos incluíram um passo criogênico após o têmpera. Surpreendentemente, ambos resultaram em tenacidade idêntica, apesar da temperatura de austenitização mais elevada, levando a uma dureza mais elevada. Nos tratamentos térmicos de S30V, S35VN, S45VN e SPY27, verificou-se que o aumento da temperatura de austenitização aumentava tanto a dureza como a dureza, pelo que este resultado seria consistente com isso. No entanto, este aço tem elevada dureza e resistência à corrosão, o que pode significar um excesso de austenite retida, o que por vezes leva a valores de dureza inflada. Este comportamento foi observado com o M390 quando a austenitização era demasiado elevada. E com alguns usuários relatando dificuldade em rebarbar S110V (geralmente significa austenita retida em excesso), não tenho certeza se eu realmente recomendaria o tratamento térmico de S110V a partir de 2150°F, apesar do aparente equilíbrio dureza superior – tenacidade.
Below Eu tratei o aço também em relação a outros aços inoxidáveis, juntamente com uma linha de tendência de dureza – tenacidade de S60V. Você pode ver que S90V e S110V estão ao longo de uma linha de tendência semelhante (apenas a condição 2150 de S110V é mostrada). Portanto, pode ser que S110V tenha uma dureza semelhante à de S90V, mas lembre-se também que a condição de 2050 levou a uma dureza mais baixa, sem qualquer melhoria na dureza. Portanto, mais tratamentos térmicos teriam que ser testados para ver se uma maior dureza com menor dureza poderia ser alcançada. Por isso, sendo conservador, diríamos que S90V é mais resistente do que S110V, que tem uma dureza superior a S125V. Isto faz sentido devido ao menor teor de carbonetos de S90V, enquanto que os carbonetos menores de S110V proporcionam uma tenacidade superior à de S125V, apesar do teor similar de carbonetos. S90V e S110V oferecem ambos uma estrutura e tenacidade superior de carboneto quando comparados com M398.
Resistência à corrosão
No meu experimento original de resistência à corrosão com 1% de água salgada, encontrei S110V com muito boa resistência à corrosão, certamente uma melhoria significativa em relação a S90V e S125V, e sendo semelhante a M390, outra classe com muito boa resistência à corrosão. Esta melhoria na resistência à corrosão era esperada com base nas modificações com Nb e Mo que foram descritas anteriormente. E na comparação mais recente directamente com o M398, o S110V voltou a ter um desempenho semelhante.
S110V
M398
S90V
S125V
S110V vs S90V e M398
Como escrevi no meu artigo M398, Não sou um grande fã do aço devido à sua estrutura grosseira e resistência relativamente baixa. No entanto, ele oferece a melhor afiação dos aços inoxidáveis de altíssima retenção de arestas por causa de menos carboneto de vanádio, e também tem muito boa resistência à corrosão. Portanto, eu vejo a escolha principal entre S110V e S90V para melhor retenção de arestas em aço inoxidável de altíssima retenção. Esta escolha deve-se ao quão importante é a resistência à corrosão na aplicação. O S90V oferece uma melhor tenacidade e retenção das bordas, tornando-o mais equilibrado para aplicações que necessitam apenas de uma resistência média à corrosão. Se for necessária maior resistência à corrosão, então o S110V é o caminho a seguir. Se for desejada uma tenacidade superior à do S90V, então seria melhor passar para aços de retenção de arestas mais baixas como o S35VN e Vanax. Ou muito alta tenacidade com AEB-L ou 14C28N. Observe que os valores abaixo são normalizados para a dureza das amostras de dureza testadas. Por exemplo, a retenção de arestas S90V está mais próxima de M398 quando na mesma dureza.
Resumo e Conclusões
S110V é um aço muito interessante devido às inovações que entraram no seu desenvolvimento, incluindo uma adição de nióbio para uma melhor estrutura de carboneto e resistência à corrosão, e adição de cobalto para garantir que poderia ser tratado termicamente apesar da excelente resistência à corrosão. Houve uma mudança de composição um pouco surpreendente e pouco discutida com o S110V, por razões em sua maioria desconhecidas (embora provavelmente relacionadas à fabricação). O aço tem boas propriedades, incluindo alta retenção de arestas e resistência à corrosão, juntamente com uma tenacidade decente. S110V e S90V são meus favoritos na categoria de aço inoxidável de altíssima retenção de bordas, dependendo do nível de resistência à corrosão necessário para a aplicação.