Порошкова сталь Crucible CPM® S90V™

Cталь CPM® S90V™ - високохромна, високованадієва, корозійностійка порошкова сталь, вироблена концерном «Crucible Industries» (США). На даний момент є ветераном модельного ряду, який не поступається своїми позиціями в ножовому виробництві. Сплав містить первинні карбіди ванадію, що обмежує механіку лез для ножів, але надає їм високу зносостійкість. Сталь чудово зарекомендувала себе як матеріал для найкращих, найдорожчих авторських та серійних ножів

Cталь CPM® S90V™ тримає заточування ріжучої кромки довше, ніж S30V , але вона більш тендітна і точити ножі з неї значно складніше. Надзвичайно важко обробляється шліфуванням. На практиці застосування її помітно обмежує максимально досяжна твердість (часто 59 – 60 HRC).

Сталь виготовляється за технологією аморфних металевих сплавів, більш відомою серед виробників та любителів ножів під абревіатурою СРМ (Crucible Particle Metallurgy Metallurgy). Процес CPM дозволяє виробляти дуже однорідну, високоякісну сталь, яка характеризується чудовою стабільністю, однорідністю та жорсткістю порівняно зі сталями традиційного виробництва плавок.

Порошкова швидкорізальна сталь була розроблена наприкінці 60-х років минулого століття у Швеції. Метод порошкової металургії дозволяє вводити в сталь більшу кількість легуючих елементів, при цьому не відбувається зниження міцності та оброблюваності.

Порошкова сталь, на відміну від звичайної, у розплавленому вигляді подається через спеціальну насадку через потік рідкого азоту. Сталь швидко твердне у вигляді невеликих частинок. В результаті виходить порошок з рівномірним розташуванням карбідів (місце скупчення карбідів - це зародження тріщин). Карбіди виконують у складі сталі ту ж функцію, що і камені на вулиці: вони (карбіди) твердіші, ніж сталь, що їх оточує, і сприяють підвищенню її зносостійкості.

Отриманий порошок просівається і міститься в сталевий контейнер, в якому створюється вакуум. Далі вміст контейнера спікається при високій температурі та тиску - таким чином досягається однорідність матеріалу. Цей процес називається гарячим ізостатичним пресуванням. Після цього сталь обробляється тиском. В результаті виходить швидкорізальна сталь з дуже маленькими частинками карбідів, рівномірно розподілених у сталевій основі. Отримана сталь може прокочуватися традиційним способом, як і серійні марки сталі, у результаті досягається її підвищена міцність.

Відмінності в показниках зносостійкості різних марок порошкової сталі пояснюються наявністю в їхньому складі різних карбідів у різних пропорціях та з різною рівномірністю розподілу по всьому об'єму сталі. З двох сталей, що мають приблизно однакову твердість, більш зносостійкою буде та, у складі якої карбідів більше або вони більш тверді.

Склад стали:

З 2.3% - вміст вуглецю в сплаві становить 2.3%. Вуглець — найважливіший елемент сталі, він підвищує її міцність, надає металу хорошу твердість.

Сr 14.0% - вміст хрому у сплаві становить 14.0%. Хром – сірувато-білий блискучий твердий метал. Хром впливає на здатність сталі до загартовування, надає сплаву антикорозійних властивостей і підвищує його зносостійкість. Міститься в нержавіючій сталі будь-якої марки.

Mo 1,0% - вміст молібдену у сплаві становить 1,0%. Молібден – сріблясто-білий метал. Молібден - твердоплавкий елемент, він запобігає ламкості і крихкості клинка, надаючи йому необхідної жорсткості, робить його досить стійким до високих температур.

V 9,0% - вміст ванадію у сплаві становить 9,0%. Ванадій - сірувато-білий блискучий метал, що має велику твердість. Він відповідає за пружність і посилює властивості хрому, надає металу інертності до агресивних хімічних середовищ.

Дякуємо Гейбу Ньюеллу, Джорджу Торпу, Джейсону, Рохеліо Ескобедо, Весу Ньюману та Вейну Сірсу за те, що вони стали прихильниками Knife Steel Nerds Patreon ! На Patreon є нова ексклюзивна стаття для прихильників про ексклюзивну сталь AR-RPM9 від Artisan Cutlery. Композиція була нещодавно оголошена, тому я її проаналізував.

Моя нова книга Knife Engineering тепер має понад 100 рейтингів на Amazon, що дуже цікаво. Відгуки на Amazon дуже допомагають книжці з’являтися в результатах пошуку та повідомляють людям, чого очікувати, тому, якщо у вас є, напишіть відгук.

І дякую Кену Піноу, Еду Северсону та Елу Каджініку за розмову зі мною про розробку S90V та S125V.

Висока зносостійкість нержавіючої сталі

Тут у мене є ще одна стаття про нержавіючу сталь з високою зносостійкістю, яка веде до можливої ​​статті про моє тестування M398 (прочитайте мій ранній аналіз тут ). Де встановити межу між «високою» зносостійкістю нержавіючих сталей і «середньою», я не впевнений, але в мене також є статті про ZDP-189 , S60V , M390 і S30V . Попереду будуть S110V і, звичайно, M398.

Історія S90V

CPM-S90V спочатку називався CPM-420V, випущений приблизно в 1996 році [1]. У патенті на сталь [1] перераховано багато досліджених складів, і я не буду розглядати їх усі, тому я рекомендую прочитати патент, якщо ви хочете переглянути всі випробування, які були проведені.

У той час було доступно кілька нержавіючих сталей порошкової металургії, як від Crucible, так і від конкурентів. Перша нержавіюча сталь Crucible була S60V (спочатку 440V), про яку я писав у цій статті . Тоді Crucible запатентував сталь з дуже високою зносостійкістю під назвою MPL-1, патент на яку був поданий у 1986 році [2]. Bohler запатентував сталь M390 у 1988 році. А Uddeholm випустив Elmax приблизно в 1990 році [3]. Усі ці раніше випущені нержавіючі сталі PM мали високий вміст хрому (16-24%) для стійкості до корозії в поєднанні з деякою кількістю ванадію для стійкості до зносу. Можливо, це очікувано, оскільки найпоширеніша мартенситна нержавіюча сталь для застосувань із високим зносом була 440C з ~17% хрому. Насправді і S60V, і Elmax є модифікаціями 440C з додаванням ванадію та вуглецю. Збільшення кількості ванадію в порошковій металургії використовувалося в таких сталях, як CPM-10V , які досягали кращого поєднання міцності та зносостійкості, тому це має сенс як шлях для розробки ранніх нержавіючих сталей порошкової металургії. Карбіди ванадію дуже тверді та значною мірою сприяють підвищенню зносостійкості, але шкодять ударній в’язкості сталей традиційного виробництва. Однак було виявлено, що в сталях порошкової металургії карбіди дуже малі, і тому насправді вони кращі за міцністю, ніж інші типи карбідів.

Отже, де S90V відхилився від попередніх нержавіючих сталей, легованих ванадієм, порошкової металургії, це зниження Cr до 14%. Навіщо зменшувати вміст Cr і що це дало? Важливо знати, що Crucible у той час використовував «перехресний циліндровий тест на знос» для вимірювання адгезійної зносостійкості своєї сталі. У цьому тесті циліндр з інструментальної сталі натирається на циліндр з карбіду вольфраму. Сталі з високим вмістом ванадію, як-от 10V, мали дуже високі результати у випробуванні на знос циліндрів, тому металурги Crucible також намагалися отримати вищі значення для своїх нержавіючих сталей. У патенті S90V вони вказують на те, що основним удосконаленням у конструкції сталі було покращене адгезійне зношування, виміряне під час тесту на зношування перехресного циліндра.

Випробування на знос перехресних циліндрів

Однак існуючі нержавіючі сталі PM, такі як S60V, M390, Elmax і навіть MPL-1, мали дуже низькі значення в тесті на перехресному циліндрі порівняно з 10 В. Причина полягала в тому, що високий вміст хрому в сталях призведе до утворення карбіду хрому, а не високотвердого карбіду ванадію. Чим вищий вміст хрому, тим менше утворюється карбіду ванадію. Малі карбіди ванадію є ключем до високих значень у тесті на перехресному циліндрі. Ви можете прочитати більше про зменшення вмісту карбіду ванадію з вмістом хрому в цій статті про карбіди .

Більший вміст хрому означає менше карбіду ванадію

Вищий вміст хрому означає більше карбіду хрому

Таким чином, металурги Crucible виявили, що якщо зменшити вміст хрому, у сталі утворюватиметься більше карбіду ванадію (і менше карбіду хрому), а отже, підвищаться результати випробувань на знос циліндрів. Вони порівняли вміст ванадію та зносостійкість для ряду сталей з різними рівнями хрому та виявили, що 14% вміст Cr значно покращує продуктивність. (Примітка: чим вище, тим краще).

А якщо вміст хрому зменшити далі, ви отримаєте нержавіючі PM інструментальні сталі, які мають ще кращу стійкість до адгезії.

Також виявилося, що S90V має покращену стійкість до корозії та міцність порівняно з попереднім S60V. І, звичайно, краща міцність, ніж MPL-1. У таблиці нижче вищі значення означають кращу міцність, але для корозійної стійкості нижчі значення кращі.

Інші конструкції сталі, розглянуті в патенті

Примітка: ~0,1% азоту є «базовим» азотом, який сталь отримує від розпилення азоту та атмосфери. Середній вміст азоту в комерційному S125V не є публічною інформацією.

Високий вміст азоту S90V

Цікаво, що металурги Crucible також досліджували часткові заміни вуглецю азотом у кількості 0,32 або 0,46%. Автори патенту заявили, що вищий вміст азоту досліджувався для покращення корозійної стійкості без впливу на зносостійкість. І, здається, їм вдалося це зробити (див. попередній графік для сорту S90VN щодо підвищення корозійної стійкості). І що цікаво, тест на знос перехресних циліндрів також показав помітно покращені результати в S90VN з 0,32% азоту та 2,01% вуглецю. Це може бути тому, що азот сприяє утворенню карбіду ванадію, а не карбіду хрому, про що я писав у цій статті на S45VN . Тож я не впевнений, чому вони далі не переслідували модифіковану азотом версію, оскільки заявлене вдосконалення в патенті стосувалося області перехресного зносу циліндрів. Мені вдалося поговорити з одним із розробників S90V, доктором Кеном Піноу, і він сказав, що користь від використання азоту недостатньо велика, тому замість цього вони використали простіший дизайн. Лише через кілька років S30V навмисне додавання 0,2% азоту було використано в комерційному продукті. У результатах перехрещених циліндрів точно був певний розкид (трохи інша сталь або термічна обробка могли призвести до суттєво відмінних значень), тому, можливо, різниця між S90V і S90VN була не такою великою, як здається.

S125V і S145V

Вони також розглянули ще більший вміст ванадію, ніж S90V, включаючи сталі, які я позначив як S90V-12%V, S125V і S145V. Вони розглянули кілька різних варіантів 12% ванадієвої сталі, включаючи один з 1% Mo і два з 2,7% Mo (з двома різними рівнями вуглецю). Версія з вмістом 12% ванадію не відразу була комерційно продана, але зрештою ми отримали її версію з 2,5% Mo десь у 2005 році під назвою S125V [4]. Остаточна версія також мала навіть більший вміст вуглецю, ніж будь-яка версія, показана в патенті (3,3 проти 2,95% вуглецю). Я не знаю, чому вони вибрали більший вміст вуглецю, тому що в патенті вони показують вищу твердість, ніж S90V, за нижчого вмісту вуглецю. Зменшена кількість вуглецю означатиме кращу корозійну стійкість і міцність. Однак, твердість S90V і S125V не є неймовірно далекою, як це буде видно в тестах на твердість далі в цій статті, тому, можливо, потрібні були модифікації. Очевидно, вони вибрали версію з 2,5% Mo, оскільки вона мала кращу зносостійкість, як показано на діаграмі вище, і трохи кращу стійкість до корозії. Я розмовляв з Елом Каджінічем, який раніше працював у Crucible Research, і він сказав, що не пам’ятає жодних деталей, але він і Марія Соуфорд визначилися з остаточним складом S125V. Через кілька років Kajinic також запатентував S110V.

Наскільки я знаю, версія з 14,5% V, яку я назвав S145V, ніколи не випускалася в промислових масштабах.

Раннє використання S90V у ножах

Філ Вілсон написав статтю про новий сталевий CPM-420V у 1996 році [5], а в 1998 році — продовження [6]. Початкова стаття була на момент випуску сталі, тому його експерименти зі сталлю обмежувалися в основному термообробкою та вимірюванням твердості. Згідно зі своєю пізнішою статтею, він зробив з нього понад 30 ножів, а також спілкувався з іншими виробниками про його використання. Філ був відомий тим, що випробував нові сталі та високолеговані сталі, і він є одним із найбільш активних користувачів S90V, особливо на ранніх стадіях.

У той час Філ був дещо обмежений у твердості, оскільки його піч могла досягати лише 2000°F, тому він термічно обробляв ножі в діапазоні 55-58 Rc. Пізніше він отримав нову піч і почав термічно обробляти ножі для підвищення твердості. Відносно низька твердість також була прийнятною, частково тому, що більшість виробників термічно обробляли свої CPM-440V (S60V).

Філ повідомив, що випробував два ножі для філе на 22 тунцях Альбакора. Він використовував 5-дюймове філе на початковому розрізі по бічній лінії та позаду голови, а потім довший 9-дюймовий ніж для філе для решти розрізів. Цей процес передбачає зрізання дуже жорсткої шкіри та вплив солоної води під час різання. Після 22 тунців ножі все ще легко різали шкіру та мотузку. І корозії на ножах не було видно.

Він також отримав звіти від клієнтів, які мали досвід роботи з нестандартними ножами з різних сталей. Подружня пара, яка раніше тестувала ножі Філа, повідомила, що обробила 75 великих лосося, перш ніж ніж потрібно було заточити. І рабин Юрман, який у той час робив розріз шиї 1000 курчат на день. Він повідомив, що ніж цілий тиждень не затупився.

Філ Вілсон також повідомив про дискусії з іншими майстрами ножів, які використовували сталь, зокрема Вейном Годдардом, Баррі Галлахером і Пі Джей Томсом. Годдард провів свій стандартний тест на різання мотузки та виміряв 64 надрізи на 1/2 дюймовій мотузці, і він сказав, що більшість сталей мали близько 30 надрізів, а деякі перевищували 45 (Годдард також коротко написав про сталь у березневому журналі Blade Magazine 1997 року). Баррі Галлахер, Пі Джей Томс і Філ Вілсон погодилися, що шліфування та фінішна обробка S90V було дуже важким, чого ми й очікували, виходячи з його високої зносостійкості. PJ Tomes повідомив, що в його тестах на різання картону S90V значно перевершив усі інші види сталі, які він перевіряв.

Інші ранні ножі CPM-420V, які я знайшов: Кіт Карсон у журналі Blade за травень 1999 року. Згадується, що Кен Вініон використовував CPM-420V у серпні 1999 р. Даррел Ральф у грудні 1999 р. Девід Бродуелл у лютому 2000 р. Роджер Гембл у травні 2000 р. Грег Лайтфут у травні 2000 р. Браян Тіґе у серпні 2000 р.

Що стосується виробництва ножів, Microtech пропонувала ножі на 420 В до середини 2000 року.

420V і 440V були перейменовані в S90V і S60V в липні 2000 року [7].

S90V використовувався в ножах в основному з моменту його першого випуску, але він ніколи не зайняв поширену сталь для ножів. В першу чергу це пов’язано з його дуже високою зносостійкістю та складністю шліфування та обробки. Загалом її розглядають як бутикову сталь для клієнтів, які цінують дуже високу зносостійкість і утримання кромок, і погодяться на дещо вищі витрати або час на заточування. Я думаю, що на це також вплинув випуск S30V у 2001 році, який рекламували як розроблений спеціально для ножів і з яким легше працювати. Наприклад, до 2002 року Тоні Марфіоне з Microtech сказав, що S30V стане їх новою «стандартною сталлю», а S90V — «преміальною сталлю» [9].

Використання S125V в ножах

Частково через репутацію S90V, що з нею важко працювати та заточувати, використання S125V ще більш обмежене. Також складно виготовляти сталь [8], тому в основному від початку до кінця нікому не подобається працювати з нею. Він майже виключно використовується в ножах на замовлення, і їх також не так багато. Сталь користується дещо більшою популярністю в російських нестандартних ножах, оскільки там, очевидно, більше цікавляться нержавіючою сталлю з дуже високою зносостійкістю.

Властивості S90V і S125V

Твердість

S90V і S125V здатні мати досить високу твердість, приблизно 66 Rc за умови відповідної термічної обробки. Дві сталі мають відносно однакову твердість після загартування або низький відпуск 300°F, хоча S125V, здається, має дещо кращий опір відпуску (твердість вища при відпуску 400°F). Наступні значення твердості були отримані в результаті термічної обробки невеликих зразків з 20-хвилинною аустенітизацією, загартуванням пластини, кріо рідким азотом і відпусткою двічі протягом двох годин кожного разу.

Ніж S90V CATRA I, термічно оброблений 2050-400, дав 61,7 Rc, що знаходиться в діапазоні вищезазначених значень. Проте в'язкість зразків була приблизно на 1 Rc нижчою. Можливо, швидкість загартування була дещо повільнішою через більший об'єм сталі. Нож CATRA та зразки міцності S125V були приблизно на 0,5 Rc вищими, ніж S90V. Специфікація S90V рекомендує аустенітизацію 2100-2150°F; однак я вважаю зрозумілим, що нижчі температури аустенізації можуть забезпечити велику твердість, принаймні за допомогою кріогенної обробки. Термічна обробка з використанням 2050-400 призводить до досить збалансованих властивостей для S90V або S125V.

Мікроструктура

S90V має більш тонку мікроструктуру, ніж M390 або ZDP-189, середній розмір карбіду менший, ніж S60V, хоча S90V має більше «злипання» карбідів. Нержавіючий 10V без карбідів хрому має більш тонку загальну карбідну структуру з меншим утворенням карбідів. S125V має карбідний вигляд, подібний до S90V, але з більшими карбідами, як можна очікувати від більш високого вмісту вуглецю та ванадію. Ви можете порівняти з іншими сталями в цій статті .

S90V

S125V

M390

S60V

S110V

ЗДП-189

10В

Жорсткість

Ми перевірили міцність S90V і S125V за допомогою нашого стандартного випробування на зразках Шарпі без насічки розміром 1/4. Технічні характеристики цих зразків можна переглянути тут . S90V має подібну міцність до інших нержавіючих сталей PM, таких як S60V, S30V і M390. Незважаючи на те, що Crucible виявив, що міцність S90V перевершує S60V, я виявив, що вони дуже близькі. Я також показав пунктирну лінію, щоб вказати приблизний вплив твердості на в’язкість, щоб було легше порівнювати сталі. S125V є ще однією сходинкою нижче інших сталей через більший об’єм карбіду. Загальна різниця у фут-фунтах є відносно невеликою, але відмінності більш значні при низьких значеннях. Іншими словами, 5 проти 2,5 фут-фунтів приблизно таке ж значення, як 10 проти 5 футів-фунтів. Жодна з цих нержавіючих сталей порошкової металургії не є особливо міцною, але є чіткі яруси, з S125V і M398 у нижній частині, потім стали вздовж лінії з S90V і S60V, потім сталі, такі як S35VN, CPM-154, XHP і Vanax. Однак нержавіючі сталі, леговані високим вмістом ванадію, такі як 10V і Vanadis 8, мають в'язкість, подібну або більшу, ніж S35VN, а також утримання кромок, подібне до S90V.

Утримання країв

Стійкість кромки S90V і S125V є найвищою з усіх нержавіючих сталей для ножів, які ми перевіряли на CATRA . Високий вміст ванадію та 14% хрому забезпечує дуже високу зносостійкість, що, у свою чергу, забезпечує відмінні показники під час випробувань на знос країв. На цій діаграмі також є пунктирні лінії, які вказують на приблизний вплив твердості для порівняння між різними сталями.

Баланс збереження міцності

Жорсткість і стійкість кромки є двома основними властивостями, які конфліктують одна з одною в ножовій сталі. Збільшення одного має тенденцію до зменшення іншого. Тож я люблю порівнювати дві властивості одна з одною, щоб отримати уявлення про категорію продуктивності, де знаходиться сталь. Для цієї діаграми я відкоригував значення CATRA на основі такої ж твердості, як купон на в’язкість для кожної сталі, оскільки передбачити вплив твердості на утримання кромки легше, ніж на в’язкість. Ви бачите, що S90V має дуже хороший баланс міцності й утримання кромки порівняно з іншими нержавіючими сталями при подібному діапазоні утримання кромки. Він має вищу стійкість і міцність, ніж, наприклад, M390, ZDP-189 і S110V. Це очікувано, виходячи з нашого обговорення вище, де S90V мав подібну в'язкість до багатьох сталей із нижчим утриманням краю. Вища частка карбіду ванадію надає S90V кращий баланс властивостей. Звичайно, S125V має вищий рівень міцності та нижчу міцність.

Ви можете побачити їх у порівнянні з чудовими властивостями нержавіючих сталей PM, легованих ванадієм, на наступній діаграмі:

Легкість у заточуванні, шліфуванні, поліруванні

Карбід ванадію S90V і S125V досягають чудового балансу міцності й утримання кромки. Карбіди ванадію твердіші за оксид алюмінію, який є найпоширенішим абразивом у точильних каменях, стрічках, наждачному папері тощо. Це може ускладнити заточування, шліфування та полірування. Заточувати набагато легше, якщо використовувати алмазні або CBN камені, оскільки ці абразиви твердіші за карбід ванадію.

Стійкість до корозії

Раніше я тестував корозійну стійкість S90V, і це було в основному посеред дороги. Я не тестував S125V; він має приблизно 10,3% Cr у розчині разом із 1,6% Mo. Таким чином, він може мати дещо кращу стійкість до корозії, ніж S90V, у такому ж діапазоні, як S30V/S35VN. Ви можете прочитати більше про випробування на корозію та прогнозування стійкості до корозії на основі складу в цій статті . S90V має нижчу стійкість до корозії, ніж S110V і 204P (M390), хоча вона достатня для більшості ножів.

Підсумки та висновки

S90V і S125V були розроблені, щоб забезпечити дуже високий рівень зносостійкості, а також бути нержавіючими та мати потенціал щодо високої твердості. Зменшений Cr (14%) порівняно з більш ранніми нержавіючими сталями PM (16%+) призвів до кращої зносостійкості без шкоди для ударної в’язкості чи стійкості до корозії. S90V протягом багатьох років використовувався в ножах, хоча його використання залишається відносно обмеженим через його високу зносостійкість. S125V використовується ще рідше через складність роботи з ним. Твердість, стійкість до корозії та баланс міцності та зносостійкості досить хороші для S90V. Зокрема, S90V має таку ж міцність, як і багато інших нержавіючих сталей PM, а також значно краще утримання краю. S125V має найвищий показник стійкості кромок серед будь-якої доступної нержавіючої сталі, хоча вона поступається міцністю та придатністю до обробки порівняно з S90V.

[1] Пінноу, Кеннет Е., Вільям Стаско та Джон Хаузер. «Стійкі до корозії вироби з інструментальної сталі порошкової металургії з високим вмістом ванадію з покращеною зносостійкістю метал до металу та метод їх виготовлення». Патент США 5,936,169, виданий 10 серпня 1999 року.

[2] Хаузер, Джон Дж., Вільям Стаско та Кеннет Е. Пінноу. «Вироби, стійкі до зносу та корозії, виготовлені з чавуну, легованого ПМ». Патент США 4765836, виданий 23 серпня 1988 року.

[3] Modern Plastics, вип. 67, вип. 7-12 , стор. 16, 1990.

[4] https://forum.spyderco.com/viewtopic.php?t=18915

[5] http://www.seamountknifeworks.com/js/web/viewer.html?file=articles/pdf/Newest_Particle_Steel_CPM420V.pdf

[6] http://www.seamountknifeworks.com/js/web/viewer.html?file=articles/pdf/CPM_S90V_Update.pdf

[7] «2000 точніше». Журнал Blade.  Березень 2001, стор. 69.

[8] https://www.bladeforums.com/threads/cpm-s125v.711116/#post-7800595

[9] Керцман, Джо. «Зоряні сталі». Журнал Blade. Вересень 2002 р., стор. 49.