Tack till Aaron @ Gough Custom, Aaron McVay, Mark Scott, Jeffrey St. Claire, Grant Seim III och saiiiiiiiii1 för att de har blivit Knife Steel Nerds Patreon-supportrar!
Jag ska så småningom sluta att plocka in min bok Knife Engineering i varje ny artikel, men det är inte idag. Gå och köp en till dig själv och alla du känner som julklapp.
S110V Förhistoria
S110V är ett pulvermetallurgiskt rostfritt verktygsstål med mycket hög slitstyrka. Liksom många andra rostfria stål med mycket hög slitstyrka (S90V, M398) utvecklades det för plastinjektionstillämpningar som kräver en kombination av hög slitstyrka och hög korrosionsbeständighet. Patentet för stålet lämnades in första gången 2006 av uppfinnarna Alojz Kajinic, Andrzej Wojcieszynski och Maria Sawford, alla från Crucible Steel.
Om Crucible redan hade stålen S90V och S125V före S110V måste vi kortfattat diskutera dessa ståls historia. Jag behandlade deras historia mer ingående i en tidigare artikel. S90V patenterades omkring 1996, den stora innovationen jämfört med tidigare stål var en minskning av Cr ner till 14 % vilket ledde till att det bildades mer vanadinkarbid för en given mängd vanadin. Tidigare stål som S60V, Elmax och M390 hade alla 17-20 % Cr, vilket gav dem mer kromkarbid och mindre vanadiumkarbid. Kromkarbider är mjukare än vanadinkarbider och bidrar därför mindre till slitstyrkan. En mindre mängd hårdare karbider (som vanadinkarbid) ger en bättre kombination av seghet och slitstyrka. Läs mer i denna artikel om karbider. Dessutom förbättrades faktiskt kromet ”i lösning” för att bidra till korrosionsbeständigheten i S90V jämfört med det tidigare S60V genom noggrann kontroll av kol- och vanadininnehållet, trots att bulkkromet var lägre. Allt detta i kombination med pulvermetallurgitekniken ger S90V en relativt fin mikrostruktur för god seghet tillsammans med hög slitstyrka från den höga vanadinhalten.
Design av S110V
För att sätta S110V i ett sammanhang bör vi jämföra stålets sammansättning med tidigare Crucible-produkter för att se hur utvecklingen ledde till S110V. Du kommer också att se att jag har två sammansättningar listade för S110V, en som är märkt ”patent” och en som är märkt ”slutlig”. Den ursprungliga versionen av S110V modifierades vilket ledde till den version som vi har i dag. Jag kommer att diskutera skillnaderna efter att ha beskrivit mer om stålets allmänna utformning.
Niobium
En av de stora förändringarna som gjordes i S110V jämfört med S90V/S125V var tillägget av niobium. Läs mer om niobiumtillsatser i den här artikeln. Niobium bildar, liksom vanadin, mycket hårda karbider som i hög grad bidrar till slitstyrkan. Som förklarats ovan med S90V är det dock en utmaning att balansera vanadin och krom för att få en hög kombination av slitstyrka och korrosionsbeständighet. Det höga kromet påverkar mängden vanadinkarbid som bildas, och det höga vanadinvärdet främjar faktiskt bildandet av kromkarbid, vilket sänker korrosionsbeständigheten och segheten. Dessutom finns det en del krom i vanadiumkarbid, vilket ytterligare minskar korrosionsbeständigheten. Niobium är dock en ”starkare” karbidbildare än vanadin, vilket innebär att niobiumkarbid kan bildas även i närvaro av stora mängder krom. Och niobkarbid innehåller mycket lite krom. Dessa två faktorer innebär att användning av niob i stället för vanadin kan leda till ett stål med hög slitstyrka på grund av hårda niobkarbider, samtidigt som det har hög korrosionsbeständighet eftersom det finns liten interaktion mellan krom och niob, vilket gör att kromet ensamt kan bidra till korrosionsbeständigheten.
För att undersöka denna skillnad använde jag ThermoCalc för att uppskatta mängden kol, krom och molybden i lösning med S90V, patentversionen av S110V (2,8C-14Cr-9V-3,5Mo-3,5Nb-2Co) och sedan en modifierad version av S110V som har 11 % V i stället för 9 %V-3,5 %Nb (2,8C-14Cr-11V-3,5Mo-2Co). En liknande jämförelse gjordes i patentet, eftersom 11 % V är ungefär likvärdigt med V-Nb-kombinationen i S110V. Du kan se att kolet i lösningen är likartat i de tre kvaliteterna, vilket innebär att var och en av dem skulle uppnå liknande hårdhet. S90V och den modifierade S110V (märkt 11V) har dock 11,5 % Cr i lösningen medan S110V (9Nb-3,5Nb) har 12,3 % Cr i lösningen, vilket skulle ge bättre korrosionsbeständighet. 11V-stålet skulle fortfarande vara en uppgradering jämfört med S90V när det gäller korrosionsbeständighet på grund av det högre Mo i lösningen (se avsnittet om molybden längre fram i denna artikel). En ökning av både Cr och Mo innebär dock en betydande förbättring av korrosionsbeständigheten för S110V.
En annan fördel med en partiell ersättning av vanadin med niob är att karbidstorleken minskar. Niobkarbider är mycket små när de används i pulvermetallurgiskt stål och kan också bidra till att minska storleken på krom- och vanadinkarbider i stålet enligt beskrivningen i artikeln om niob. Du kan se skillnaden i mikrograferna nedan. S110V har en finare karbidstruktur än varken S90V eller S125V. S110V har något mer karbid än S90V, vilket gör det ännu mer imponerande att karbidstorleken är finare. Karbidvolymen för S110V ligger närmare S125V som är betydligt grövre. Detta kommer att vara relevant för diskussionen om seghet senare.
S110V 2050°F (~27% karbidvolym)
S90V 2050°F (~21% karbidvolym)
S125V 2150°F (~27% karbidvolym)
Hur som helst är det svårt att ersätta vanadin fullständigt med niob. Eftersom niobium är en stark karbidbildare vill det bilda karbider vid mycket höga temperaturer, ofta i det flytande stålet. Och om bildningstemperaturen är för hög kommer karbider att bildas i smältan innan stålet kan gasatomiseras för att bilda pulver. Om karbiderna bildas i vätskan är de mycket större än om de bildas under stelningen av pulvret. Det finns alltså en maximal mängd niobium som kan användas innan detta inträffar, någonstans i intervallet 3-4 %. Därför var tillvägagångssättet med S110V att ha en kombination av vanadin och niob för att förbättra korrosionsbeständigheten så mycket som möjligt samtidigt som man undviker de problem som följer med ett överskott av niob.
Molybden
S30V är inte i samma klass av slitstyrka som de andra stålen, men utformningen av det stålet kan ha påverkat de andra, så jag tog med det. S30V hade till exempel ökat Mo jämfört med det tidigare S90V/S60V för förbättrad korrosionsbeständighet, och den trenden fortsatte därefter med andra Crucible-produkter. En version av S125V med 2,7 % Mo fanns dock i S90V-patentet, som föregick S30V, så det är inte 100 % klart i vilken riktning inspirationen skedde. Oavsett detta innebar utvecklingen av S30V och S125V att Crucibles metallurger var väl medvetna om att Mo kunde förbättra korrosionsbeständigheten med samma nivå av krom. Detta var inte nödvändigtvis en ny upptäckt; det var länge känt i austenitiska rostfria stål att högt Mo förbättrade ”gropbeständigheten”, och stål som är avsedda för havsvattentillämpningar behöver vanligtvis högt Mo. 154CM, som daterar sig tillbaka till omkring 1959, hade 4 % Mo, även om Mo-tillsatsen var till för att bibehålla hårdheten vid högre temperaturer i lagertillämpningar, inte nödvändigtvis för att förbättra korrosionsbeständigheten. I patentet för S110V nämns dock specifikt 154CM som konstruktionsgrund med dess 14Cr-4Mo, vilket ger god korrosionsbeständighet med mindre Cr, och det kan ses i den ursprungliga versionen av S110V med 14Cr-3,5Mo.
Kobolt
Jag har tidigare skrivit om kobolttillsatser i denna artikel om VG10. I den artikeln utforskas många aspekter om kobolt eftersom det inte finns särskilt många goda skäl att vara i VG10 överhuvudtaget. Det finns dock en mycket specifik anledning till att kobolt finns i S110V. När knivstål värmebehandlas måste man värma upp det till hög temperatur för att ”austenitisera” stålet före avkylning för att omvandla stålet till hård martensit. Att bilda austenit vid hög temperatur är alltså det första nödvändiga steget för den slutliga värmebehandlingen av en kniv. Olika stål omvandlas till austenit vid olika temperaturer. S110V är konstruerat för att värmebehandlas mellan 2050 och 2150°F så stålet skulle behöva austenitisera i det intervallet. Krom, vanadin, niob och molybden är alla ”ferritstabilisatorer”, vilket innebär att de höjer den temperatur vid vilken austenit bildas, eftersom de stabiliserar den typiska rumstemperaturfasen i stål och järn som kallas ferrit. Eftersom S110V innehåller en hel del av vart och ett av dessa element kan stålet inte härdas fullt ut när det inte innehåller något kobolt. Detta bekräftades i tester som rapporterades i patentet, där en koboltfri version hade en del ferrit närvarande efter värmebehandling och endast nådde cirka 54 Rc.
Det finns andra element som också kan stabilisera austenit, särskilt kol, nickel och mangan, även om dessa element också ökar den bibehållna austeniten. Att tillverka stål med hög korrosionsbeständighet med mycket krom i lösning leder också till mer bibehållen austenit, vilket förklaras i denna artikel om Vanax-stål. Mängden Ni och Mn måste alltså hållas på relativt låga nivåer så att en bra kombination av hårdhet och korrosionsbeständighet kan erhållas. Typiskt sett ökar stålkonstruktören i stället kolhalten till den punkt där stålet kan austenitiseras. Mer kol innebär dock fler karbider, vilket minskar korrosionsbeständigheten och segheten, vilket beskrivs i den här artikeln. I stället använde uppfinnarna av S110V kobolt, som är en austenitstabilisator vid höga temperaturer men som inte ökar den bibehållna austeniten vid avkylning till martensit, till skillnad från Ni och Mn. Detta är det enda exemplet på användning av kobolt för detta ändamål i ett rostfritt verktygsstål som jag känner till, och det är en av de största innovationerna i S110V enligt min mening.
Den andra versionen av S110V
Patentet för S110V och det ursprungliga databladet som släpptes i september 2008 (jag arkiverade det här) är den ursprungliga kompositionen som är märkt som ”patent” i kompositionstabellen. En reviderad version av stålet släpptes dock och databladet reviderades i juli 2010. Jag har nästan inte sett någon diskussion om den ändrade sammansättningen, och jag tror att de flesta människor är omedvetna om att den någonsin ändrades. Faktum är att det reviderade databladet visar alla samma data för korrosionsbeständighet, hårdhet och slitstyrka trots att ändringen av sammansättningen var relativt omfattande.
Jag vet inte hur mycket S110V skulle ha gjorts till knivar före ändringen av sammansättningen, men det är intressant att en relativt stor förändring gjordes i stålet men utan att namnet ändrades. Jag har frågat nuvarande Crucible-metallurg Bob Skibitski samt huvuduppfinnaren på patentet, Alojz Kajinic, och ingen av dem visste varför ändringen gjordes eftersom de inte var direkt inblandade i den. Jag har dock en del spekulationer om varför sammansättningen ändrades.
Förändringarna gjordes sannolikt för att förbättra ”tillverkningsbarheten”, t.ex. problem med gasförstoftning, smidning eller glödgning av stålet. En förändring av S110V var en minskning av Nb från 3,5 % till 3 %. Som nämnts i avsnittet om niob finns det gränser för nioblegering med typisk pulvermetallurgisk stålproduktion. Det kan vara så att Crucible beslutade att niobet var för nära farozonen. Om detta berodde på ett problem som observerades i produktionen eller om man helt enkelt var försiktig är jag inte säker på. Jag känner inte till några andra pulvermetallurgiska stål som ens har så mycket som de 3 % i den nuvarande versionen av S110V.
Den minskade mängden Nb kan ha lett till de andra förändringarna i stålet. Eftersom Nb förbättrar korrosionsbeständigheten genom att hjälpa Cr att gå längre, kan de ha försökt kompensera för minskningen av Nb genom att öka Cr i bulk från 14 % till 15,25 %. Men kromökningen var mer än vad som var nödvändigt för att uppnå en liknande mängd krom i lösningen (se tabellen nedan), och de minskade också Mo-innehållet med en liknande mängd som hur mycket Cr ökades (från 3,5 till 2,25 %), så orsaken till den förändringen är inte helt klar för mig. Kanske identifierade de hög Mo som ett problem också, t.ex. svårigheter vid glödgning eller överdriven härdbarhet som leder till sprickbildning vid kylning efter smidning. Med ökat Cr i lösningen, men minskat Mo, är det inte klart vilken version som skulle ha överlägsen korrosionsbeständighet. I tidigare korrosionstester jag utfört fann jag att effekten av Mo toppade vid en viss nivå, men det skulle vara förvånande om Crucible också kom till en liknande slutsats.
Koboltinnehållet ökades från 2 till 2,5 %, troligen baserat på uppdaterade uppskattningar av hur mycket austenitstabilisering som krävs efter förändringarna av Nb, Cr och Mo. Eller så trodde de kanske att det gav lite mer ”säkerhetsfaktor” för att säkerställa att full austenitisering skulle vara möjlig. I äldre versioner av ThermoCalc visade det sig att S110V med 2 % Co skulle vara bra, vilket Crucible skulle ha använt vid den tidpunkten, men nyare versioner visar en liten mängd ferrit vid 2150°F, omkring 4 %. Om de fann en liten mängd ferrit i S110V skulle det naturligtvis ha bidragit till beslutet att öka Co.
När det gäller skillnader i fråga om karbid ökade det totala karbidinnehållet något i den slutliga versionen, främst på grund av en ökning av kromkarbid (märkt M7C3 nedan). Detta skulle sannolikt göra den nya versionen marginellt sämre när det gäller balansen mellan seghet och slitstyrka, eftersom den ursprungliga versionen hade en högre andel NbC och VC och något mindre total karbid.
Experiment på S110V
Alla nedanstående experiment utfördes på den senare versionen av S110V, eftersom det är allt som finns att köpa. Min gissning är att få värmer av den ursprungliga sammansättningen någonsin producerades, så experiment på den versionen är mestadels akademiska vid denna tidpunkt.
Hårdhet och värmebehandling
Jag har inte utfört ett fullständigt utbud av värmebehandlingsförsök på S110V, men jämförelser med S90V visar att de två värmebehandlas relativt likartat. Båda kan uppnå mycket höga hårdhetsnivåer. Se fler hårdhetsmätningar av S90V i denna artikel.
Som en sidobemärkning visar både den ursprungliga och den nya versionen av databladet för S110V följande för värmebehandling/hårdhetsdata:
Detta visar dock i första hand hårdheten som resulterar i det övre anlöpningsområdet, där Mo har störst effekt på hårdheten. Minskningen av Mo från den ursprungliga versionen (3,5 %) till den slutliga versionen (2,25 %) innebär sannolikt att dessa värden inte längre är korrekta.
Kanthållning
Jag gjorde ett stort antal experiment med kanthållning som sammanfattades i den här artikeln, och jag lade också till M398 som diskuterades här. Här används en rektangulär standardkniv som slipats till 0,015″ innan man sätter en slutkant på 15 dps med en CBN-matrissten med kornstorlek 400. Resultaten kan ses nedan.
S110V har mycket hög kanthållning, som förväntat, och liknar CPM-10V. Vad som dock är överraskande är att den klarade sig sämre än S90V. S110V är i huvudsak S90V med mer C, Cr, Co, Mo och Nb, och det är svårt att tänka sig scenarier där ett tillägg av fler av dessa element skulle leda till minskad kanthållning. Detta verkar inte vara en fråga om experimentell variabilitet eftersom ingen av de tester som utfördes på S110V resulterade i lika höga värden som genomsnittsresultatet för S90V (var och en testades tre gånger). I min ursprungliga artikel om kanthållning spekulerade jag i att det kanske var den mindre karbidstorleken som var skillnaden och jag gjorde några jämförelser med storleken på de slippartiklar som användes i testerna. Men jag vet fortfarande inte säkert varför S110V inte var lika bra som S90V i testerna. Oavsett detta är stålets kanthållning hög och kanske är det inte av praktisk nytta att oroa sig för om det är lika bra som S90V eller inte.
I Crucible’s testning av slitstyrka av den ursprungliga S110V visar de följande diagram för slitstyrka, som tycks visa en förbättring jämfört med S90V:
Men om man plottar dessa värden mot hårdheten blir det uppenbart att de två stålen har samma slitstyrka:
Så Crucibles data visar att det inte fanns någon förbättring av slitstyrkan från S90V till S110V, vilket stämmer relativt väl överens med våra tester av kanthållning. Crucibles testning var dock med den ursprungliga S110V som, som jag beskrev tidigare, skulle ha en större andel NbC- och VC-karbider för slitstyrka.
Tålighet
Jag testade två tillstånd av S110V, ett austenitiserat vid 2050 och ett annat vid 2150°F, med båda härdade vid 500°F. Dessa värmebehandlingar innehöll alla ett kryosteg efter avkylning. Något överraskande resulterade de båda i identisk seghet trots att den högre austenitiseringstemperaturen ledde till högre hårdhet. Vid värmebehandlingar av S30V, S35VN, S45VN och SPY27 konstaterades en ökning av austenitiseringstemperaturen öka både hårdhet och seghet, så detta resultat skulle stämma överens med detta. Detta stål har dock hög hårdhet och korrosionsbeständighet, vilket kan innebära ett överskott av bibehållen austenit som ibland leder till uppblåsta värden för seghet. Detta beteende sågs med M390 vid för hög austenitisering. Och med vissa användare som rapporterar svårigheter med att avborra S110V (innebär vanligtvis hög bibehållen austenit) är jag inte säker på att jag faktiskt skulle rekommendera värmebehandling av S110V från 2150°F trots den uppenbart överlägsna balansen mellan hårdhet och seghet.
Omedelbart nedan har jag plottat stålet även i förhållande till andra rostfria stål tillsammans med en trendlinje för hårdhet och seghet från S60V. Du kan se att S90V och S110V ligger längs en liknande trendlinje (endast tillståndet 2150 för S110V visas). Det kan alltså vara så att S110V har liknande seghet som S90V, men kom också ihåg att tillståndet 2050 ledde till lägre hårdhet utan att segheten förbättrades. Så fler värmebehandlingar skulle behöva testas för att se om större seghet vid lägre hårdhet kan uppnås. Om vi är försiktiga skulle vi säga att S90V är hårdare än S110V som har högre seghet än S125V. Detta är logiskt på grund av det lägre karbidinnehållet i S90V, medan de mindre karbiderna i S110V ger bättre seghet än S125V trots det liknande karbidinnehållet. S90V och S110V erbjuder båda överlägsen karbidstruktur och seghet jämfört med M398.
Korrosionsbeständighet
I mina ursprungliga korrosionsbeständighetsexperiment med 1 % saltvatten fann jag att S110V hade en mycket god korrosionsbeständighet, säkerligen en betydande uppgradering jämfört med S90V och S125V, och att den är likartad med M390, en annan kvalitet med mycket god korrosionsbeständighet. Denna förbättring av korrosionsbeständigheten var förväntad utifrån de modifieringar med Nb och Mo som beskrevs tidigare. I den senaste jämförelsen direkt med M398 uppvisade S110V återigen liknande resultat.
S110V
M398
S90V
S125V
S110V vs S90V och M398
Som jag skrev i min artikel om M398, Jag är inget stort fan av stålet på grund av dess grova struktur och relativt låga seghet. Det erbjuder dock den bästa slipbarheten av de rostfria stålen med mycket hög kanthållfasthet på grund av mindre vanadiumkarbid, och det har också mycket god korrosionsbeständighet. Därför ser jag att huvudvalet står mellan S110V och S90V för bästa rostfria stål med mycket hög kanthållfasthet. Detta val beror på hur viktig korrosionsbeständigheten är för tillämpningen. S90V erbjuder något bättre seghet och kanthållning vilket gör den mer balanserad för tillämpningar som endast behöver medelhög korrosionsbeständighet. Om mer korrosionsbeständighet krävs är S110V rätt val. Om bättre seghet än S90V önskas är det bäst att gå över till stål med lägre kanthållfasthet som S35VN och Vanax. Eller mycket hög seghet med AEB-L eller 14C28N. Observera att värdena nedan är normaliserade till hårdheten hos de testade seghetsproverna. Till exempel är S90V:s kanthållfasthet närmare M398 vid samma hårdhet.
Sammanfattning och slutsatser
S110V är ett mycket intressant stål på grund av de innovationer som gjordes i samband med utvecklingen av det, bland annat ett niobiumtillsats för förbättrad karbidstruktur och korrosionsbeständighet, och ett kobolttillsats för att se till att det kunde värmebehandlas trots den utmärkta korrosionsbeständigheten. Det skedde en något överraskande och föga diskuterad kompositionsförändring med S110V, av mestadels okända skäl (men troligen relaterade till tillverkningen). Stålet har goda egenskaper, bland annat hög kanthållfasthet och korrosionsbeständighet tillsammans med hyfsad seghet. S110V och S90V är mina favoriter i kategorin rostfritt stål med mycket hög kanthållfasthet, beroende på vilken nivå av korrosionsbeständighet som är nödvändig för tillämpningen.