Mulțumiri lui Aaron @ Gough Custom, Aaron McVay, Mark Scott, Jeffrey St. Claire, Grant Seim III și saiiiiiii1 pentru că au devenit susținătorii Knife Steel Nerds Patreon!
În cele din urmă voi înceta să-mi mai promovez cartea Knife Engineering în fiecare articol nou, dar acea zi nu este astăzi. Du-te și cumpără-ți unul pentru tine și pentru toți cei pe care îi cunoști, ca un cadou de Crăciun.
S110V Pre-istorie
S110V este un oțel inoxidabil pentru scule din metalurgia pulberilor cu rezistență foarte mare la uzură. La fel ca multe alte oțeluri inoxidabile cu rezistență foarte mare la uzură (S90V, M398), a fost dezvoltat pentru aplicații de injecție a plasticului care necesită o combinație de rezistență mare la uzură și rezistență mare la coroziune. Brevetul pentru acest oțel a fost depus pentru prima dată în 2006 de inventatorii Alojz Kajinic, Andrzej Wojcieszynski și Maria Sawford, toți de la Crucible Steel.
Pentru că Crucible avea deja oțelurile S90V și S125V înainte de S110V, trebuie să discutăm pe scurt istoria acestor oțeluri. Am abordat istoria acestora mai în detaliu într-un articol anterior. S90V a fost patentat în jurul anului 1996, inovația majoră față de oțelurile anterioare a fost o reducere a Cr până la 14%, ceea ce a dus la formarea unei cantități mai mari de carbură de vanadiu pentru o cantitate dată de vanadiu. Oțelurile anterioare, cum ar fi S60V, Elmax și M390, aveau toate 17-20% Cr, ceea ce le conferea mai multă carbură de crom și mai puțină carbură de vanadiu. Carburile de crom sunt mai moi decât carburile de vanadiu și, prin urmare, contribuie mai puțin la rezistența la uzură. O cantitate mai mică de carburi mai dure (cum ar fi carbura de vanadiu) oferă o combinație mai bună de tenacitate și rezistență la uzură. Aflați mai multe în acest articol despre carburi. De asemenea, cantitatea de crom „în soluție” pentru a contribui la rezistența la coroziune a fost de fapt îmbunătățită în S90V în raport cu S60V anterior prin controlul atent al conținutului de carbon și vanadiu, în ciuda faptului că volumul de crom este mai mic. Toate acestea, în combinație cu tehnologia de metalurgie a pulberilor, conferă S90V o microstructură relativ fină pentru o bună tenacitate, împreună cu o rezistență ridicată la uzură datorită conținutului ridicat de vanadiu.
Proiectarea S110V
Pentru a pune S110V în context, ar trebui să comparăm compoziția oțelului cu produsele anterioare Crucible pentru a vedea cum evoluția a dus la S110V. Veți vedea, de asemenea, că am două compoziții listate pentru S110V, una etichetată „patent” și una etichetată „final”. Versiunea inițială a S110V a fost modificată conducând la versiunea pe care o avem astăzi. Voi discuta diferențele după ce voi descrie mai multe despre designul general al oțelului.
Niobiu
Una dintre schimbările majore care se făceau la S110V în comparație cu S90V/S125V era adăugarea de niobiu. Citiți mai multe despre adaosurile de niobiu în acest articol. Niobiul, ca și vanadiul, formează carburi foarte dure care contribuie foarte mult la rezistența la uzură. Cu toate acestea, așa cum s-a explicat mai sus cu S90V, echilibrarea vanadiului și a cromului este o provocare pentru a obține o combinație ridicată de rezistență la uzură și rezistență la coroziune. Cantitatea mare de crom afectează cantitatea de carbură de vanadiu care se formează, iar cantitatea mare de vanadiu favorizează de fapt formarea carburii de crom, scăzând rezistența la coroziune și duritatea. În plus, în carbura de vanadiu este prezent o anumită cantitate de crom, ceea ce reduce și mai mult rezistența la coroziune. Cu toate acestea, niobiul este un formator de carbură „mai puternic” decât vanadiul, ceea ce înseamnă că poate forma carbură de niobiu chiar și în prezența unor cantități mari de crom. Iar carbura de niobiu conține foarte puțin crom. Acești doi factori înseamnă că utilizarea niobiului în loc de vanadiu poate duce la un oțel cu rezistență ridicată la uzură datorită carburilor dure de niobiu, având în același timp o rezistență ridicată la coroziune, deoarece există o interacțiune redusă între crom și niobiu, lăsând doar cromul să contribuie la rezistența la coroziune.
Pentru a analiza această diferență am folosit ThermoCalc pentru a estima cantitatea de carbon, crom și molibden în soluție cu S90V, versiunea brevetată a S110V (2,8C-14Cr-9V-3,5Mo-3,5Nb-2Co) și apoi o versiune modificată a S110V care are 11% V în loc de 9%V-3,5%Nb (2,8C-14Cr-11V-3,5Mo-2Co). O comparație similară a fost făcută în brevet, deoarece 11% V este aproximativ echivalent cu combinația V-Nb din S110V. Puteți vedea că carbonul în soluție este similar în cele trei calități, ceea ce înseamnă că fiecare dintre ele ar obține o duritate similară. Cu toate acestea, S90V și S110V modificat (etichetat 11V) au 11,5% Cr în soluție, în timp ce S110V (9Nb-3,5Nb) are 12,3% Cr în soluție, ceea ce ar oferi o rezistență mai bună la coroziune. Oțelul 11V ar fi totuși un upgrade față de S90V în ceea ce privește rezistența la coroziune din cauza cantității mai mari de Mo în soluție (a se vedea secțiunea Molibden mai departe în acest articol). Cu toate acestea, o creștere atât a Cr cât și a Mo înseamnă o îmbunătățire semnificativă a rezistenței la coroziune pentru S110V.
Un alt beneficiu al înlocuirii parțiale a vanadiului cu niobiu este acela că dimensiunea carburilor este redusă. Carburile de niobiu sunt foarte mici atunci când sunt utilizate în oțelul pentru metalurgia pulberilor și pot contribui, de asemenea, la scăderea dimensiunii carburilor de crom și de vanadiu din oțel, așa cum este descris în articolul despre niobiu. Puteți vedea diferența în micrografiile de mai jos. S110V are o structură de carburi mai fină decât S90V sau S125V. S110V are ceva mai mulți carburi decât S90V, ceea ce face și mai impresionant faptul că dimensiunea carburilor este mai fină. Volumul carburii din S110V este mai apropiat de cel din S125V, care este semnificativ mai grosier. Acest lucru va fi relevant pentru discuția despre duritate mai târziu.
S110V 2050°F (~27% volum de carbură)
S90V 2050°F (~21% volum de carbură)
S125V 2150°F (~27% volum de carbură)
Cu toate acestea, o înlocuire completă a vanadiului cu niobiu este dificil de realizat. Deoarece niobiul este un puternic formator de carburi, acesta dorește să formeze carburi la temperaturi foarte ridicate, adesea în oțelul lichid. Iar dacă temperatura de formare este prea mare, carburile se vor forma în topitură înainte ca oțelul să poată fi atomizat cu gaz pentru a forma pulberea. Dacă carburile se formează în lichid, acestea sunt mult mai mari decât dacă se formează în timpul solidificării pulberii. Așadar, există o cantitate maximă de niobiu care poate fi utilizată înainte ca acest lucru să se întâmple, undeva în intervalul 3-4%. Prin urmare, abordarea cu S110V a fost aceea de a avea o combinație de vanadiu și niobiu pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune cât mai mult posibil, evitând în același timp problemele care apar odată cu excesul de niobiu.
Molibdenul
S30V nu se află în aceeași clasă de rezistență la uzură ca și celelalte oțeluri, dar este posibil ca proiectarea acestui oțel să fi influențat celelalte, așa că l-am inclus. De exemplu, S30V a avut o cantitate crescută de Mo față de oțelurile anterioare S90V/S60V pentru o mai bună rezistență la coroziune, iar această tendință a continuat ulterior cu alte produse Crucible. Cu toate acestea, o versiune de S125V cu 2,7% Mo se afla în brevetul S90V, care a precedat S30V, astfel încât nu este 100% clar în ce direcție s-a produs inspirația. În orice caz, dezvoltarea S30V și S125V a însemnat că metalurgiștii Crucible erau conștienți de faptul că Mo poate îmbunătăți rezistența la coroziune cu același nivel de crom. Aceasta nu era neapărat o descoperire nouă; se știa de mult timp în cazul oțelurilor inoxidabile austenitice că un nivel ridicat de Mo îmbunătățește „rezistența la înțepături”, iar oțelurile destinate aplicațiilor în apă de mare au nevoie, de obicei, de un nivel ridicat de Mo. 154CM, datând din jurul anului 1959, avea 4% Mo, deși adaosul de Mo avea ca scop menținerea durității la temperaturi mai ridicate în aplicațiile cu rulmenți, nu neapărat îmbunătățirea rezistenței la coroziune. Cu toate acestea, brevetul pentru S110V menționează în mod specific 154CM ca bază de proiectare cu al său 14Cr-4Mo, oferind o bună rezistență la coroziune cu mai puțin Cr, iar acest lucru poate fi văzut în versiunea inițială a S110V cu 14Cr-3,5Mo.
Cobalt
Am scris anterior despre adaosurile de cobalt în acest articol despre VG10. Acel articol explorează o mulțime de aspecte despre cobalt, deoarece nu există un motiv prea bun pentru a fi în VG10 deloc. Cu toate acestea, există un motiv foarte specific pentru care cobaltul se găsește în S110V. Atunci când oțelul pentru cuțite este tratat termic, trebuie să îl încălziți la temperaturi ridicate pentru a „austenitiza” oțelul înainte de călire pentru a transforma oțelul în martensită dură. Așadar, formarea austenitei la temperaturi ridicate este primul pas necesar pentru tratamentul termic final al unui cuțit. Oțeluri diferite se vor transforma în austenită la temperaturi diferite. S110V este proiectat pentru a fi tratat termic între 2050 și 2150°F, astfel încât oțelul ar trebui să fie austenitizat în acest interval. Cromul, vanadiul, niobiul și molibdenul sunt toți „stabilizatori de ferită”, ceea ce înseamnă că măresc temperatura la care se va forma austenita, deoarece stabilizează faza tipică la temperatura camerei a oțelului și a fierului, numită ferită. Având în vedere că S110V are o cantitate destul de mare din fiecare dintre aceste elemente, oțelul nu poate fi întărit complet atunci când nu are cobalt în el. Acest lucru a fost confirmat în testele raportate în brevet, unde o versiune fără cobalt a avut ceva ferită prezentă după tratamentul termic și a atins doar aproximativ 54 Rc.
Există și alte elemente care pot stabiliza austenita, în special carbonul, nichelul și manganul, deși aceste elemente cresc și ele austenita reținută. Fabricarea de oțeluri cu rezistență ridicată la coroziune cu un conținut ridicat de crom în soluție duce, de asemenea, la mai multă austenită reținută, așa cum se explică în acest articol despre oțelul Vanax. Așadar, cantitatea de Ni și Mn trebuie menținută la niveluri relativ scăzute, astfel încât să se poată obține o combinație bună de duritate și rezistență la coroziune. De obicei, în schimb, proiectantul de oțel crește nivelul de carbon până la punctul în care oțelul poate fi austenitizat. Cu toate acestea, mai mult carbon înseamnă mai mulți carburi, ceea ce reduce rezistența la coroziune și tenacitatea, așa cum este descris în acest articol. În schimb, inventatorii S110V au folosit cobalt, care este un stabilizator al austenitei la temperaturi ridicate, dar nu crește austenita reținută la călirea în martensită, spre deosebire de Ni și Mn. Acesta este singurul exemplu de utilizare a cobaltului în acest scop într-un oțel inoxidabil pentru scule de care am cunoștință și, după părerea mea, este una dintre cele mai mari inovații ale S110V.
A doua versiune a S110V
Patentul pentru S110V și fișa tehnică originală publicată în septembrie 2008 (am arhivat-o aici) este compoziția originală etichetată ca „patent” în tabelul de compoziție. Cu toate acestea, a fost lansată o versiune revizuită a oțelului, iar fișa tehnică a fost revizuită în iulie 2010. Nu am văzut aproape nicio discuție despre schimbarea compoziției și cred că majoritatea oamenilor nu știu că aceasta s-a schimbat vreodată. De fapt, fișa tehnică revizuită prezintă toate aceleași date privind rezistența la coroziune, duritatea și rezistența la uzură, în ciuda faptului că modificarea compoziției a fost relativ substanțială.
Nu știu cât de mult S110V ar fi fost transformat în cuțite înainte de modificarea compoziției, dar este interesant faptul că s-a făcut o modificare relativ mare a oțelului, dar fără o schimbare de nume. L-am întrebat pe actualul metalurgist al Crucible, Bob Skibitski, precum și pe principalul inventator al brevetului, Alojz Kajinic, și niciunul dintre ei nu știa de ce a fost făcută schimbarea, deoarece nu au fost implicați direct în aceasta. Cu toate acestea, am câteva speculații cu privire la motivul pentru care a fost schimbată compoziția.
Probabil că modificările au fost făcute pentru a îmbunătăți „manufacturabilitatea”, cum ar fi problemele legate de atomizarea gazelor, forjarea sau recoacerea oțelului. Una dintre modificările aduse la S110V a fost o reducere a Nb-ului de la 3,5% la 3%. După cum s-a menționat în secțiunea dedicată niobiului, există limite pentru alierea niobiului în cazul producției tipice de oțel prin metalurgia pulberilor. S-ar putea ca Crucible să fi decis că niobiul era prea aproape de zona periculoasă. Nu sunt sigur dacă acest lucru s-a datorat unei probleme care a fost observată în producție sau pur și simplu a fost o măsură de precauție. Nu cunosc alte oțeluri obținute prin metalurgia pulberilor care să aibă chiar atât de mult ca cei 3% din versiunea actuală a S110V.
Reducerea Nb-ului ar fi putut duce la alte modificări ale oțelului. Deoarece Nb îmbunătățește rezistența la coroziune ajutând Cr-ul să meargă mai departe, este posibil ca ei să fi încercat să compenseze reducerea Nb-ului prin creșterea Cr-ului în vrac de la 14% la 15,25%. Dar creșterea cantității de crom a fost mai mare decât era necesar pentru a obține o cantitate similară de crom în soluție (a se vedea tabelul de mai jos) și, de asemenea, au scăzut conținutul de Mo cu o cantitate similară cu cât a fost crescut Cr (de la 3,5 la 2,25%), astfel încât motivul acestei schimbări nu este complet clar pentru mine. Poate că au identificat un nivel ridicat de Mo ca fiind și o problemă, cum ar fi dificultăți în recoacere sau o călire excesivă care să ducă la fisurarea în timpul răcirii după forjare. Cu Cr crescut în soluție, dar Mo scăzut, nu este clar care versiune ar avea o rezistență superioară la coroziune. În testele anterioare de coroziune pe care le-am efectuat, am constatat că efectul Mo s-a plafonat la un anumit nivel, dar ar fi surprinzător dacă și Crucible ar ajunge la o concluzie similară.
Contenutul de cobalt a fost mărit de la 2 la 2,5%, probabil pe baza unor estimări actualizate cu privire la cât de multă stabilizare a austenitei este necesară după modificările aduse la Nb, Cr și Mo. Sau poate că s-au gândit că a dat un pic mai mult „factor de siguranță” pentru a se asigura că va fi posibilă austenitizarea completă. În versiunile mai vechi ale ThermoCalc arăta că S110V cu 2% Co ar fi în regulă, ceea ce Crucible ar fi folosit la momentul respectiv, dar versiunile mai noi arată o cantitate mică de ferită la 2150°F, în jur de 4%. Dacă au găsit o cantitate mică de ferită în S110V, acest lucru ar fi contribuit la decizia de a crește Co, desigur.
În ceea ce privește diferențele de carbură, conținutul total de carbură a fost ușor crescut în versiunea finală, în principal din cauza unei creșteri a carburii de crom (etichetată M7C3 mai jos). Acest lucru ar face probabil ca noua versiune să fie marginal mai proastă în ceea ce privește echilibrul tenacitate-rezistență la uzură, deoarece versiunea originală avea o proporție mai mare de NbC și VC și o cantitate totală de carbură ușor mai mică.
Experimente pe S110V
Toate experimentele de mai jos au fost efectuate pe versiunea finală a S110V, deoarece aceasta este singura care este disponibilă pentru a fi achiziționată. Bănuiala mea este că puține călduri din compoziția originală au fost produse vreodată, așa că experimentele pe acea versiune sunt în mare parte academice în acest moment.
Duritate și tratament termic
Nu am efectuat o gamă completă de experimente de tratament termic pe S110V, dar comparațiile cu S90V arată că cele două se tratează termic relativ asemănător. Ambele sunt capabile să atingă niveluri foarte ridicate de duritate. Vedeți mai multe măsurători de duritate ale S90V în acest articol.
Ca o notă secundară, atât versiunea originală, cât și cea nouă a fișei tehnice a S110V arată următoarele pentru datele de tratament termic/duritate:
Dar aceasta arată în primul rând duritatea care rezultă în intervalul superior de revenire, unde Mo are cel mai mare efect asupra durității. Reducerea cantității de Mo de la versiunea originală (3,5%) la versiunea finală (2,25%) înseamnă probabil că aceste valori nu mai sunt exacte.
Reținerea marginilor
Am făcut un număr mare de experimente de reținere a marginilor, care au fost rezumate în acest articol, și am adăugat și M398, care a fost discutat aici. Acesta folosește un cuțit dreptunghiular standard rectificat la 0,015″ înainte de a pune o muchie finală de 15 dps cu o piatră de matrice CBN cu granulație de 400. Rezultatele pot fi văzute mai jos.
S110V are o retenție foarte mare a muchiei, așa cum era de așteptat, fiind similar cu CPM-10V. Cu toate acestea, ceea ce este surprinzător este că s-a descurcat mai prost decât S90V. S110V este, în esență, S90V cu mai mult C, Cr, Co, Mo și Nb și este dificil să ne gândim la scenarii în care adăugarea mai multor astfel de elemente ar duce la o retenție redusă a marginilor. Aceasta nu pare a fi o problemă de variabilitate experimentală, deoarece niciunul dintre testele efectuate pe S110V nu a avut valori la fel de mari ca rezultatul mediu al S90V (fiecare a fost testat de 3 ori). În articolul meu inițial despre retenția marginilor am speculat că poate dimensiunea mai mică a carburii a fost diferența și am făcut câteva comparații cu dimensiunea particulelor abrazive utilizate în cadrul testelor. Dar tot nu știu cu siguranță de ce S110V nu a fost la fel de bun ca S90V în teste. Indiferent de asta, retenția la tăiș a oțelului este ridicată și poate că îngrijorarea cu privire la faptul că este sau nu la fel de bun ca S90V nu este de folos în practică.
În testele de rezistență la uzură efectuate de Crucible pentru S110V original, ei arată următorul grafic pentru rezistența la uzură, care pare să arate o îmbunătățire față de S90V:
Cu toate acestea, dacă se trasează aceste valori în funcție de duritate, devine evident că cele două oțeluri au aceeași rezistență la uzură:
Așa că datele Crucible arată că nu a existat nicio îmbunătățire a rezistenței la uzură de la S90V la S110V, ceea ce se aliniază relativ bine cu testele noastre de păstrare a marginilor. Cu toate acestea, testele Crucible au fost efectuate cu S110V original care, așa cum am descris mai înainte, ar avea o proporție mai mare de carburi NbC și VC pentru rezistența la uzură.
Treziciune
Am testat două condiții de S110V, una austenitizată la 2050 și alta la 2150°F, ambele fiind temperate la 500°F. Toate aceste tratamente termice au inclus o etapă de criogenizare după stingere. În mod oarecum surprinzător, ambele au avut ca rezultat o tenacitate identică, în ciuda faptului că temperatura de austenitizare mai mare a dus la o duritate mai mare. În tratamentele termice ale S30V, S35VN, S45VN și SPY27, s-a constatat că o creștere a temperaturii de austenitizare crește atât duritatea, cât și tenacitatea, astfel încât acest rezultat ar fi în concordanță cu acesta. Cu toate acestea, acest oțel are o duritate și o rezistență la coroziune ridicate, ceea ce poate însemna un exces de austenită reținută, ceea ce duce uneori la valori umflate ale tenacității. Acest comportament a fost observat la M390 în cazul unei austenitizări prea mari. Și, având în vedere că unii utilizatori raportează dificultăți în debavurarea S110V (de obicei înseamnă austenită reținută ridicată), nu sunt sigur că aș recomanda de fapt tratarea termică a S110V de la 2150°F, în ciuda echilibrului aparent superior între duritate și duritate.
Mai jos am trasat oțelul și în raport cu alte oțeluri inoxidabile, împreună cu o linie de tendință duritate-duritate de la S60V. Puteți vedea că S90V și S110V se află de-a lungul unei linii de trend similare (este prezentată doar condiția 2150 a S110V). Așadar, s-ar putea ca S110V să aibă o tenacitate similară cu cea a S90V, dar rețineți, de asemenea, că starea 2050 a dus la o duritate mai mică fără nicio îmbunătățire a tenacității. Așadar, ar trebui testate mai multe tratamente termice pentru a vedea dacă se poate obține o duritate mai mare la o duritate mai mică. Deci, fiind conservatori, am spune că S90V este mai dur decât S110V, care are o duritate mai mare decât S125V. Acest lucru are sens din cauza conținutului mai mic de carburi din S90V, în timp ce carburile mai mici din S110V asigură o duritate mai bună decât S125V, în ciuda conținutului similar de carburi. Atât S90V, cât și S110V oferă o structură și o tenacitate superioară a carburilor în comparație cu M398.
Rezistența la coroziune
În experimentele mele inițiale de rezistență la coroziune cu 1% apă sărată am constatat că S110V are o rezistență foarte bună la coroziune, cu siguranță o îmbunătățire semnificativă față de S90V și S125V, fiind similar cu M390, un alt grad cu o rezistență foarte bună la coroziune. Această îmbunătățire a rezistenței la coroziune era de așteptat pe baza modificărilor cu Nb și Mo care au fost descrise anterior. Iar în comparația mai recentă direct cu M398, S110V a avut din nou o performanță similară.
S110V
M398
S90V
S125V
S110V vs S90V și M398
Cum am scris în articolul meu despre M398, nu sunt un mare fan al acestui oțel din cauza structurii sale grosiere și a tenacității relativ scăzute. Cu toate acestea, oferă cea mai bună ascuțibilitate dintre oțelurile inoxidabile cu retenție foarte mare a tăișului, datorită unei cantități mai mici de carbură de vanadiu, și are, de asemenea, o rezistență foarte bună la coroziune. Prin urmare, consider că alegerea principală este între S110V și S90V pentru cel mai bun oțel inoxidabil cu păstrare foarte bună a tăișului. Această alegere se reduce la cât de importantă este rezistența la coroziune pentru aplicație. S90V oferă o tenacitate și o retenție a muchiei ceva mai bune, ceea ce îl face mai echilibrat pentru aplicațiile care au nevoie doar de o rezistență medie la coroziune. Dacă este necesară o rezistență mai mare la coroziune, atunci S110V este cel mai potrivit. Dacă se dorește o tenacitate mai bună decât S90V, atunci cel mai bine ar fi să se treacă la oțeluri cu retenție mai scăzută a marginilor, cum ar fi S35VN și Vanax. Sau o duritate foarte mare cu AEB-L sau 14C28N. Rețineți că valorile de mai jos sunt normalizate în funcție de duritatea epruvetelor de duritate testate. De exemplu, retenția la muchie a S90V este mai apropiată de M398 atunci când se află la aceeași duritate.
Rezumat și concluzii
S110V este un oțel foarte interesant datorită inovațiilor care au stat la baza dezvoltării sale, inclusiv un adaos de niobiu pentru îmbunătățirea structurii carburilor și a rezistenței la coroziune și un adaos de cobalt pentru a se asigura că poate fi tratat termic, în ciuda rezistenței excelente la coroziune. A existat o schimbare oarecum surprinzătoare și puțin discutată a compoziției cu S110V, din motive în mare parte necunoscute (deși probabil legate de fabricație). Oțelul are proprietăți bune, inclusiv retenție ridicată a muchiei și rezistență la coroziune, împreună cu o tenacitate decentă. S110V și S90V sunt preferatele mele în categoria oțelurilor inoxidabile cu retenție foarte mare a muchiei, în funcție de nivelul de rezistență la coroziune care este necesar pentru aplicație.