Порошковая сталь Crucible CPM® S90V™

Cталь CPM® S90V™ - высокохромистая, высокованадиевая, коррозионностойкая порошковая сталь, производимая концерном «Crucible Industries» (США). В данный момент является ветераном модельного ряда, не уступающим своих позиций в ножевом производстве. Сплав содержит первичные карбиды ванадия, что несколько ограничивает механику лезвий для ножей, но придает им высокую износостойкость. Сталь прекрасно зарекомендовала себя как материал для самых лучших, самых дорогих авторских и серийных ножей

Cталь CPM® S90V™ держит заточку  режущей кромку дольше, чем S30V, но она более хрупкаяи точить ножи из нее значительно сложнее. Чрезвычайно тяжело обрабатывается шлифованием. На практике применения ее в заметной степени ограничивает максимально достижимая твердость (зачастую 59 – 60 HRC).

Сталь изготавливается по технологии аморфных металлических сплавов, более известной среди производителей и любителей ножей под аббревиатурой СРМ (Crucible Particle Metallurgy Metallurgy). Процесс CPM  позволяет производить очень однородную, высококачественную сталь, которая характеризуется превосходной стабильностью, однородностью и жесткостью по сравнению со сталями традиционного производства плавок.

Порошковая быстрорежущая сталь была разработана в конце 60-х годов прошлого века в Швеции. Метод порошковой металлургии позволяет вводить в сталь большее количество легирующих элементов, при этом не происходит снижение прочности и обрабатываемости.

Порошковая сталь, в отличие от обыкновенной, в расплавленном виде подается через специальную насадку через поток жидкого азота. Сталь быстро затвердевает в виде небольших частиц. В результате получается порошок с равномерным расположением карбидов (место скопления карбидов – это место зарождения трещин). Карбиды выполняют в составе стали ту же функцию, что и булыжники на улице: они (карбиды) тверже, чем сталь, их окружающая, и способствуют повышению ее износостойкости.

Полученный порошок просеивается и помещается в стальной контейнер, в котором создается вакуум. Далее содержимое контейнера спекается при высокой температуре и давлении — таким образом достигается однородность материала. Этот процесс называется горячим изостатическим прессованием. После этого сталь обрабатывается давлением. В результате получается быстрорежущая сталь с очень маленькими частицами карбидов, равномерно распределенных в стальной основе. Полученная сталь может прокатываться традиционным способом, так же как и серийные марки стали, в результате чего достигается ее повышенная прочность.

Различия в показателях износостойкости разных марок порошковой стали объясняются наличием в их составе разных карбидов в разных пропорциях и с разной равномерностью распределения по всему объему стали. Из двух сталей, имеющих примерно одинаковую твердость, более износостойкой будет та, в составе которой карбидов больше или же они более твердые.

Состав стали:

C 2.3% — содержание углерода в сплаве составляет 2.3%. Углерод — наиболее важный элемент в стали, он повышает ее прочность, придает металлу хорошую твердость.

Сr 14.0% — содержание хрома в сплаве составляет 14.0%. Хром — серовато-белый блестящий твердый металл. Хром влияет на способность стали к закаливанию, придает сплаву антикоррозийные свойства и повышает его износостойкость. Содержится в нержавеющей стали любой марки.

Mo 1,0% — содержание молибдена в сплаве составляет 1,0%. Молибден — серебристо-белый металл. Молибден — твердоплавкий элемент, он предотвращает ломкость и хрупкость клинка, придавая ему необходимую жесткость, делает его достаточно стойким к высоким температурам.

V 9,0% — содержание ванадия в сплаве составляет 9,0%. Ванадий — серовато-белый блестящий металл, обладающий большой твердостью. Он отвечает за упругость и усиливает свойства хрома, придает металлу инертность к агрессивным химическим средам.

Спасибо Гейбу Ньюэллу, Джорджу Торпу, Джейсону, Рохелио Эскобедо, Уэсу Ньюману и Уэйну Сирсу за то, что они стали сторонниками Knife Steel Nerds Patreon ! На Patreon появилась новая статья, эксклюзивная для сторонников, об эксклюзивной стали AR-RPM9 от Artisan Cutlery. Недавно был объявлен состав, поэтому я его проанализировал.

Моя новая книга «Инженерия ножей» сейчас имеет более 100 оценок на Amazon, и это очень интересно. Обзоры на Amazon очень помогают книге появляться в результатах поиска и сообщают людям, чего ожидать, поэтому, если они у вас есть, напишите рецензию.

И спасибо Кену Пинноу, Эду Северсону и Элу Каджинику за то, что рассказали мне о разработке S90V и S125V.

Нержавеющие стали с высокой износостойкостью

Здесь у меня есть еще одна статья о нержавеющих сталях с высокой износостойкостью, которая приведет к статье о моем тестировании M398 (читайте мой ранний анализ здесь ). Где установить границу между «высокой» износостойкостью нержавеющих сталей и «средней» я не уверен, но статьи про ЗДП-189 , С60В , М390 и С30В у меня тоже есть . Будут S110V и, конечно же, M398.

История S90V

CPM-S90V первоначально назывался CPM-420V и был выпущен примерно в 1996 году [1]. В патенте на сталь [1] перечислено множество изученных составов, и я не буду рассматривать их все, поэтому рекомендую прочитать патент, если вы хотите просмотреть все проведенные испытания.

В то время было доступно несколько нержавеющих сталей для порошковой металлургии, как от Crucible, так и от конкурентов. Первой нержавеющей сталью PM от Crucible была S60V (первоначально 440V), о которой я писал в этой статье . Затем компания Crucible запатентовала сталь с очень высокой износостойкостью под названием MPL-1, патент на которую был подан в 1986 году [2]. Болер запатентовал сталь М390 в 1988 году. А Уддехольм выпустил Elmax примерно в 1990 году [3]. Все эти ранее выпущенные нержавеющие стали PM имели высокое содержание хрома (16-24%) для коррозионной стойкости в сочетании с некоторым количеством ванадия для износостойкости. Этого, возможно, и следовало ожидать, поскольку наиболее распространенной мартенситной нержавеющей сталью для применений с высокой степенью износа была 440C с содержанием хрома ~17%. Фактически и S60V, и Elmax представляют собой модификации 440C с добавлением ванадия и углерода. Повышенное количество ванадия в порошковой металлургии использовалось в таких сталях, как CPM-10V, которые обеспечивали лучшее сочетание прочности и износостойкости, поэтому это имеет смысл в качестве пути для разработки первых нержавеющих сталей для порошковой металлургии. Карбиды ванадия очень тверды и в значительной степени способствуют износостойкости, но вредны для ударной вязкости сталей, производимых традиционным способом. Однако было обнаружено, что в сталях порошковой металлургии карбиды очень малы и, следовательно, имеют лучшую ударную вязкость, чем другие типы карбидов.

Таким образом, S90V отличался от предыдущих нержавеющих сталей, легированных ванадием для порошковой металлургии, так это снижение содержания Cr до 14%. Зачем снижать содержание Cr и чего это дало? Важно знать, что в то время компания Crucible использовала «испытание на износ скрещенных цилиндров» для измерения стойкости к адгезионному износу своих сталей. В этом испытании цилиндр из инструментальной стали изнашивается против цилиндра из карбида вольфрама. Стали с высоким содержанием ванадия, такие как 10V, показали очень высокие результаты в тесте на износ скрещенных цилиндров, поэтому металлурги Crucible также пытались получить более высокие значения для своих нержавеющих сталей. В патенте S90V они указывают, что основным улучшением конструкции стали стало улучшение адгезионного износа, измеренное в тесте на износ скрещенных цилиндров.

Испытание на износ скрещенных цилиндров

Однако существующие PM-нержавеющие стали, такие как S60V, M390, Elmax и даже MPL-1, имели очень низкие значения при испытании скрещенными цилиндрами по сравнению с 10V. Причина заключалась в том, что высокое содержание хрома в стали приводило к образованию карбида хрома, а не карбида ванадия высокой твердости. Чем выше содержание хрома, тем меньше образуется карбида ванадия. Маленькие карбиды ванадия являются ключом к высоким значениям в тесте со скрещенными цилиндрами. Подробнее о снижении содержания карбида ванадия при повышении содержания хрома вы можете прочитать в этой статье о карбидах .

Чем выше содержание хрома, тем меньше карбида ванадия.

Чем выше содержание хрома, тем больше карбида хрома.

Таким образом, металлурги Crucible обнаружили, что если содержание хрома будет уменьшено, в стали будет образовываться больше карбида ванадия (и меньше карбида хрома), и, следовательно, улучшатся результаты испытаний на износ скрещенных цилиндров. Они сравнили содержание ванадия с износостойкостью для ряда сталей с различным содержанием хрома и обнаружили, что содержание Cr в 14% приводит к значительному увеличению производительности. (Примечание: чем выше, тем лучше).

А если содержание хрома будет снижено еще больше, вы получите нержавеющие инструментальные стали PM, которые обладают еще большей стойкостью к адгезионному износу.

Также было обнаружено, что S90V обладает улучшенной коррозионной стойкостью и прочностью по сравнению с более ранним S60V. И, конечно, лучшая прочность, чем у MPL-1. В таблице ниже более высокие значения означают лучшую ударную вязкость, но для коррозионной стойкости чем меньше, тем лучше.

Другие стальные конструкции, рассмотренные в патенте

Примечание. Азот ~0,1% — это «базовый» азот, который сталь поглощает в результате распыления азота и атмосферы. Среднее содержание азота в коммерческом S125V не является общедоступной информацией.

Высокое содержание азота S90V

Интересно, что металлурги Crucible также рассматривали частичные замены углерода азотом в количествах 0,32 или 0,46%. Авторы патента заявили, что более высокое содержание азота было исследовано в попытке улучшить коррозионную стойкость, не влияя при этом на износостойкость. И, похоже, им это удалось (см. предыдущую таблицу для марки с маркировкой S90VN для улучшения коррозионной стойкости). И что интересно, тест на износ скрещенных цилиндров также показал заметно улучшенные результаты у S90VN с 0,32% азота и 2,01% углерода. Это может быть связано с тем, что азот способствует образованию карбида ванадия, а не карбида хрома, как я писал в этой статье о S45VN . Поэтому я не уверен, почему они не продолжили разработку версии с модифицированным азотом, поскольку заявленное в патенте улучшение касалось износа скрещенных цилиндров. Мне удалось поговорить с одним из разработчиков S90V, доктором Кеном Пинноу, и он сказал, что польза от использования азота недостаточно велика, и поэтому вместо этого они использовали более простую конструкцию. Лишь несколько лет спустя S30V намеренно добавил в коммерческий продукт 0,2% азота. Определенно был некоторый разброс в результатах скрещенных цилиндров (немного отличающаяся сталь или термическая обработка могли привести к существенно отличающимся значениям), так что, возможно, разница между S90V и S90VN была не такой большой, как кажется.

С125В и С145В

Они также рассматривали еще более высокое содержание ванадия, чем S90V, включая стали, которые я обозначил как S90V-12%V, S125V и S145V. Они рассмотрели несколько различных вариантов стали с содержанием ванадия 12%, в том числе один с 1% Mo и два с 2,7% Mo (с двумя разными уровнями углерода). Версия с 12% ванадия не сразу поступила в продажу, но в конце концов где-то в 2005 году мы получили версию с 2,5% Mo под названием S125V [4]. В окончательной версии также было даже больше углерода, чем в любой версии, указанной в патенте (3,3% против 2,95%). Я не знаю, почему они пошли на более высокий уровень углерода, потому что в патенте они показывают более высокую твердость, чем S90V, при более низком содержании углерода. Снижение содержания углерода будет означать лучшую коррозионную стойкость и прочность. Тем не менее, твердость S90V и S125V не так уж сильно отличается друг от друга, как будет видно из испытаний на твердость далее в этой статье, поэтому, возможно, были необходимы модификации. Очевидно, они выбрали версию с содержанием молибдена 2,5%, потому что она имела лучшую износостойкость, как показано на диаграмме выше, и немного лучшую устойчивость к коррозии. Я разговаривал с Элом Каджиничем, который раньше работал в Crucible Research, и он сказал, что не помнит никаких подробностей, но что он и Мария Соуфорд определились бы с окончательным составом S125V. Несколько лет спустя Каинич также запатентовал S110V.

Версия с напряжением 14,5% В, которую я назвал S145V, насколько мне известно, никогда не производилась серийно.

Раннее использование S90V в ножах

Фил Уилсон написал статью о новой стали CPM-420V в 1996 году [5] и продолжение в 1998 году [6]. Первоначальная статья была выпущена во время выпуска стали, поэтому его эксперименты со сталью ограничивались в основном термообработкой и измерением твердости. В своей более поздней статье он сделал из него более 30 ножей, а также поговорил с другими производителями об его использовании. Фил известен тем, что пробовал новые и высоколегированные стали, и он является одним из самых активных пользователей S90V, особенно на ранних этапах.

В то время Фил был несколько ограничен в твердости, поскольку его печь могла достигать только 2000°F, поэтому он подвергал термообработке ножи в диапазоне 55-58 Rc. Позже он приобрел новую печь и начал термообработку ножей до более высокой твердости. Относительно низкая твердость также была приемлемой, отчасти потому, что именно здесь большинство производителей проводили термообработку своих CPM-440V (S60V).

Фил сообщил о тестировании двух ножей для филе на 22 тунцах Альбакора. Он использовал 5-дюймовое филе для первоначального разреза по боковой линии и за головой, а затем более длинный 9-дюймовый нож для филе для остальных разрезов. Этот процесс включает в себя разрезание очень жесткой кожи и воздействие соленой воды во время резки. После 22-го тунца ножи по-прежнему легко разрезали кожу и веревку. И никакой коррозии на ножах не было видно.

Он также получил отзывы от клиентов, которые имели опыт работы с нестандартными ножами из различных сталей. Супружеская пара, которая ранее тестировала ножи Фила, сообщила, что обработала 75 крупных лососей, прежде чем нож потребовал переточки. И раввин Юрман, который в то время перерезал шеи 1000 курам в день. Он сообщил, что нож прожил целую неделю, не затупившись.

Фил Уилсон также сообщил об обсуждениях с другими производителями ножей, которые использовали эту сталь, включая Уэйна Годдарда, Барри Галлахера и Пи Джей Томса. Годдард провел свой стандартный тест на разрезание веревки и измерил 64 разреза на веревке диаметром 1/2 дюйма и сказал, что большинство сталей имеют около 30 разрезов, а немногие превышают 45 (Годдард также кратко написал о стали в журнале Blade Magazine за март 1997 года). Барри Галлахер, П.Дж. Томес и Фил Уилсон согласились, что шлифовка и чистовая обработка S90V были очень трудными, чего и следовало ожидать, учитывая его высокую износостойкость. П.Дж.Томс сообщил, что в своих тестах по резке картона S90V значительно превзошел все другие стали, которые он тестировал.

Другие ранние ножи CPM-420V, которые я нашел: Кит Карсон в журнале Blade Magazine за май 1999 года. Кен Онион упоминается как использующий CPM-420V в августе 1999 года. Даррел Ральф в декабре 1999 года. Дэвид Бродвелл в феврале 2000 года. Роджер Гэмбл в мае 2000 года. Грег Лайтфут в мае 2000 года. Брайан Тай в августе 2000 года.

Что касается производства ножей, к середине 2000 года Microtech предлагала ножи на напряжение 420 В.

В июле 2000 года 420В и 440В были переименованы в S90V и S60V [7].

S90V использовался в ножах практически с момента его первого выпуска, но он так и не стал обычной ножевой сталью. Это связано, прежде всего, с его очень высокой износостойкостью и сложностью шлифовки и отделки. Обычно ее рассматривают как эксклюзивную сталь для клиентов, которые ценят очень высокую износостойкость и сохранение кромки и согласны с несколько более высокими затратами или временем на заточку. Я думаю, на это также повлиял выпуск S30V в 2001 году, который рекламировался как созданный специально для ножей и с которым легче работать. Например, к 2002 году Тони Марфионе из Microtech заявил, что S30V станет их новой «стандартной сталью», а S90V — «сталью премиум-класса» [9].

Использование S125V в ножах

Отчасти из-за репутации S90V, с которым трудно работать и затачивать, использование S125V еще более ограничено. Кроме того, сталь сложно производить [8], поэтому практически от начала до конца никому не нравится с ней работать. Он используется почти исключительно в кастомных ножах, и их тоже выпускается не так много. Эта сталь стала более популярной в российских кастомных ножах, так как, очевидно, там больше интересуются нержавеющими сталями с очень высокой износостойкостью.

Свойства S90V и S125V

Твердость

S90V и S125V способны иметь довольно высокую твердость, около 66 Rc, при соответствующей термообработке. Обе стали имеют относительно одинаковую твердость после закалки или низкую температуру отпуска 300°F, хотя S125V, по-видимому, имеет несколько лучшую стойкость к отпуску (твёрдость выше при отпуске 400°F). Следующие значения твердости были получены в результате термообработки небольших образцов с 20-минутной аустенизацией, пластинчатой ​​закалкой, криожидким азотом и двойным отпуском по два часа каждый раз.

Нож S90V CATRA, термически обработанный с помощью 2050-400, дал результат 61,7 Rc, что находится в пределах вышеуказанных значений. Однако образцы с ударной вязкостью оказались примерно на 1 Rc ниже. Возможно, скорость закалки была несколько медленнее из-за большего объема стали. Нож CATRA и образцы S125V по прочности были примерно на 0,5 Rc выше, чем S90V. В таблице данных S90V рекомендуется аустенизация при температуре 2100–2150°F; однако я думаю, очевидно, что более низкие температуры аустенизации могут обеспечить большую твердость, по крайней мере, при криогенной обработке. Термическая обработка с использованием 2050-400 приводит к довольно сбалансированным свойствам S90V или S125V.

Микроструктура

С90В имеет более мелкую микроструктуру, чем М390 или ЗДП-189, средний размер карбидов оказывается меньше, чем С60В, хотя в С90В наблюдается большее «слипание» карбидов. Модель 10 В, не изготовленная из нержавеющей стали, без карбидов хрома, имеет более мелкую общую карбидную структуру с меньшим слипанием карбидов. S125V имеет внешний вид карбида, аналогичный S90V, но с более крупными карбидами, как и следовало ожидать из-за более высокого содержания углерода и ванадия. Сравнить с другими сталями можно в этой статье .

С90В

С125В

М390

С60В

С110В

ЗДП-189

10 В

Прочность

Мы проверили ударную вязкость S90V и S125V с помощью нашего стандартного испытания, используя образцы Шарпи без надреза размером 1/4. Технические характеристики этих образцов можно посмотреть здесь . S90V имеет такую ​​же вязкость, как и другие нержавеющие стали PM, такие как S60V, S30V и M390. Несмотря на то, что Crucible обнаружил, что прочность S90V превосходит S60V, я обнаружил, что они очень близки. Я также показал пунктирную линию, обозначающую приблизительное влияние твердости на ударную вязкость, чтобы было легче сравнивать разные стали. S125V находится на ступень ниже остальных сталей из-за большего количества карбидов. Общая разница в футах-фунтах относительно невелика, но различия более значительны при низких значениях. Другими словами, соотношение 5 против 2,5 фут-фунтов примерно так же значимо, как 10 против 5 фут-фунтов. Ни одна из этих нержавеющих сталей порошковой металлургии не является особенно прочной, но есть четкие уровни: S125V и M398 внизу, затем стали вдоль линии с S90V и S60V, а затем такие стали, как S35VN, CPM-154, XHP и Vanax. Однако нержавеющие стали, легированные высоким содержанием ванадия, такие как 10V и Vanadis 8, имеют ударную вязкость, аналогичную или превышающую S35VN, а также сохранение кромки, аналогичное S90V.

Удержание края

Удержание кромки S90V и S125V является самым высоким среди всех нержавеющих ножевых сталей, которые мы до сих пор тестировали с помощью CATRA . Высокое содержание ванадия и 14% хрома обеспечивает очень высокую износостойкость, что, в свою очередь, приводит к отличным результатам в испытаниях на износ кромок. На этой диаграмме также есть пунктирные линии, которые указывают приблизительное влияние твердости на сравнение различных сталей.

Баланс прочности и устойчивости

Прочность и удержание кромки — два основных свойства ножевой стали, которые конфликтуют друг с другом. Увеличение одного приводит к уменьшению другого. Поэтому мне нравится сопоставлять два свойства друг с другом, чтобы получить представление о категории производительности, в которой находится сталь. Для этой диаграммы я скорректировал значение CATRA, основываясь на той же твердости, что и купон на прочность для каждой стали, поскольку предсказать влияние твердости на удержание кромки легче, чем с учетом ударной вязкости. Вы можете видеть, что S90V имеет очень хороший баланс прочности и удержания кромки по сравнению с другими нержавеющими сталями с аналогичным диапазоном удержания кромки. Он имеет более высокую стойкость кромки и прочность, чем, например, M390, ZDP-189 и S110V. Это ожидаемо, исходя из нашего обсуждения выше, где S90V имел вязкость, аналогичную многим сталям, с более низким удержанием кромки. Более высокая доля карбида ванадия обеспечивает S90V лучший баланс свойств. S125V, конечно, имеет более высокую стойкость кромки и меньшую прочность.

Вы можете увидеть это на фоне превосходных свойств нержавеющих сталей PM, легированных ванадием, на следующей диаграмме:

Легкость заточки, шлифовки и полировки

S90V и S125V обеспечивают превосходный баланс прочности кромки благодаря карбиду ванадия. Карбиды ванадия тверже, чем оксид алюминия, который является наиболее распространенным абразивом в точильных камнях, лентах, наждачной бумаге и т. д. Это может затруднить заточку, шлифовку и полировку. Заточка намного проще при использовании алмазных или CBN-камней, поскольку эти абразивы тверже карбида ванадия.

Устойчивость к коррозии

Ранее я тестировал S90V на коррозионную стойкость, и это было практически середина пути. Я не тестировал S125V; в растворе он содержит около 10,3% Cr и 1,6% Mo. Таким образом, он может иметь немного лучшую коррозионную стойкость, чем S90V, в том же диапазоне, что и S30V/S35VN. В этой статье вы можете прочитать больше об испытаниях на коррозию и прогнозировании коррозионной стойкости на основе состава . S90V имеет более низкую коррозионную стойкость, чем S110V и 204P (M390), хотя ее вполне достаточно для большинства ножей.

Резюме и выводы

S90V и S125V были разработаны, чтобы обеспечить очень высокий уровень износостойкости, а также быть нержавеющими и иметь потенциал относительно высокой твердости. Пониженное содержание Cr (14%) по сравнению с более ранними нержавеющими сталями PM (16%+) привело к лучшей износостойкости без ущерба для ударной вязкости или коррозионной стойкости. S90V на протяжении многих лет использовался в ножах, хотя его использование остается относительно ограниченным из-за его высокой износостойкости. С125В используется еще реже из-за сложности работы с ним. Твердость, коррозионная стойкость и баланс прочности и износостойкости у S90V довольно хороши. В частности, S90V имеет такую ​​же вязкость, как и многие другие нержавеющие стали PM, но при этом значительно лучше удерживает кромку. S125V имеет самое высокое удержание кромки среди всех доступных нержавеющих сталей, хотя при этом он уступает по прочности и обрабатываемости S90V.

[1] Пинноу, Кеннет Э., Уильям Стаско и Джон Хаузер. «Изделия из инструментальной стали, устойчивые к коррозии, с высоким содержанием ванадия, полученные методом порошковой металлургии, с улучшенной износостойкостью металла по металлу, и способ их производства». Патент США № 5936169, выданный 10 августа 1999 г.

[2] Хаузер, Джон Дж., Уильям Стаско и Кеннет Э. Пинноу. «Износостойкие и коррозионностойкие изделия из чугуна, легированного ПМ». Патент США 4765836, выданный 23 августа 1988 г.

[3] Современные пластмассы, вып. 67, нет. 7-12 , с. 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 ровно». Журнал «Блейд».  Март 2001 г., с. 69.

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

[9] Керцман, Джо. «Звездные стали». Журнал «Блейд». Сентябрь 2002 г., с. 49.