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ZDP-189 y Cowry-X
ZDP-189 es un acero producido por Hitachi y Cowry-X es producido por Daido. No he podido encontrar mucha información de fondo sobre el desarrollo de estos aceros. Sal Glesser de Spyderco informó que escuchó por primera vez sobre ZDP-189 alrededor del año 2000 , y la primera referencia que he encontrado a Cowry-X en Bladeforums en 2001 . Así que ambos aceros han existido por algún tiempo. El hecho de que dos empresas liberaran esencialmente el mismo producto tal vez indique que el acero no estaba patentado, lo que significa que se dispondría de poca información sobre su desarrollo. Ambos aceros tienen una composición interesante con 3% de carbono y 20% de cromo, junto con algunas otras adiciones pequeñas. Hay algunas composiciones diferentes reportadas para ZDP-189 en términos de contenido Mo, V y W, pero a continuación es de Spyderco.
He sentido curiosidad por este acero desde hace algún tiempo debido a su muy alta dureza potencial, así que me emocioné cuando Richard Airey de Barmond Special Steels me ofreció una pieza de ZDP-189 para su análisis.
Actualización 2/4/2020: El lector de Nerds de acero Cuchillo Yudai me envió enlaces a las patentes de Daido y Hitachi. Es agradable tener lectores que son mejores en la búsqueda de patentes de idiomas extranjeros.
https://patents.google.com/patent/JPH11279677A/en?oq=11-279677
https://patents.google.com/patent/JP3894373B2/en?oq=09-104954
Dureza
Lo más intrigante de ZDP-189 y Cowry-X es la dureza muy alta que se puede obtener, 67 Rc o incluso más. De acuerdo con la hoja de datos ZDP-189, la dureza máxima es de aproximadamente 70 Rc si se administra un tratamiento en frío en hielo seco.
Así que uno de los mayores misterios sobre ZDP-189 es por qué es capaz de alcanzar una dureza tan alta. He realizado experimentos de tratamiento térmico en una gama de diferentes aceros inoxidables para herramientas y la mayoría de los max out alrededor de 63-65 Rc, entonces, ¿cómo es capaz ZDP-189 de llegar a 70 Rc? Para responder a esa pregunta, necesitamos discutir qué controla la dureza para que podamos ver qué factores está explotando ZDP-189.
Carbono en martensita
El factor principal que controla la dureza en los aceros para herramientas es la cantidad de carbono que hay en la martensita. Durante la austenización, el carburo se disuelve poniendo carbono en solución en austenita, y luego el acero se apaga rápidamente para «bloquear» el carbono en la martensita. Lea más sobre la fuerza de la martensita en este artículo. Con un 3% de carbono, es posible obtener bastante carbono en solución con ZDP-189 y Cowry-X.
Puede ver que la dureza máxima alcanza un pico de alrededor de 67 Rc o algo así y se nivela o incluso disminuye más allá de un contenido de carbono de aproximadamente 1%. La razón por la que la dureza puede caer es debido a la austenita retenida en exceso. Esto se puede ver en la tabla de templado» sin cero » de ZDP-189, donde la austenitización de 1025°C llevó a una dureza menor que la austenitización de 1000°C. La mayor austenitización condujo a más carbono en solución, pero austenita retenida en exceso, por lo que su dureza se redujo.
Austenita retenida
Cuando el acero se apaga a partir de la fase de austenita de alta temperatura, el acero forma martensita a medida que se enfría progresivamente. La formación de martensita no está controlada por el tiempo, sino casi en su totalidad por la temperatura. Por lo tanto, la formación de martensita se describe por temperaturas como el inicio de martensita (la temperatura a la que comienza a formarse la martensita) y el acabado de martensita (100% martensita). Los diferentes elementos de aleación, incluido el carbono, reducen las temperaturas de inicio y de acabado de martensita, y la temperatura de acabado puede estar por debajo de la temperatura ambiente. Cuando la transformación de martensita es incompleta, queda austenita en la microestructura, que se llama austenita «retenida». La austenita es mucho más suave que la martensita y, por lo tanto, cuando está presente en cantidades significativas, reducirá la dureza. Se utilizan tratamientos fríos como hielo seco o nitrógeno líquido para enfriar el acero más cerca de la temperatura de acabado de martensita y, por lo tanto, reducir el contenido de austenita retenido y aumentar la dureza. Puede leer más sobre los tratamientos para el resfriado en estos artículos: Parte 1, Parte 2, Parte 3. Sin embargo, hay un punto en el que incluso el nitrógeno líquido ya no convierte toda la austenita retenida, por lo que hay un límite de dureza que se puede obtener incluso con tratamientos criogénicos.
Los aceros inoxidables tienen una cantidad significativa de cromo en solución para mejorar la resistencia a la corrosión. Sin embargo, el cromo reduce las temperaturas de inicio y final de martensita, lo que aumenta la austenita retenida. Aquí hay una ecuación que se aproxima a la contribución de cada elemento en el inicio de martensita:
Ms (°C) = 539 – 423*C (%) – 30.4*Mn (%) – 12.1*Cr (%) – 7.5*Mo (%) – 7.5 * Si (%)
Puede ver que el cromo no tiene el efecto más fuerte en la Em, pero cuando tiene 10-15% de Cr en solución, comienza a acumularse. Esta es la razón principal por la que la mayoría de los aceros para herramientas inoxidables superan alrededor de 63-64 Rc, porque con un 11-12% de Cr en solución, es aproximadamente el límite en términos de evitar la austenita retenida con crio. Los aceros de mayor resistencia a la corrosión con 14-15% de Cr en solución tienen límites aún más bajos, por lo que es probable que LC200N/Z-Finit y Vanax se limiten a aproximadamente 61 Rc. Lea más sobre los límites de dureza de esos aceros en este artículo.
¿ZDP-189 tiene una solución de bajo contenido de cromo para lograr su alta dureza? De acuerdo con las estimaciones de Termocalc, la respuesta es sí, prediciendo aproximadamente un 6,5% de cromo en solución a 1025°C. Me sorprendió bastante este número, ya que se espera que los aceros inoxidables tengan al menos un 10% de cromo en solución. Sin embargo, al observar la relación Cr:C, esto tiene sentido. A continuación he mostrado la balanza Cr:C para una gama de aceros que tienen pocos otros elementos de aleación para enturbiar el análisis:
Puede ver que incluso el acero D2 no inoxidable tiene un Cr más alto:Balance de C que ZDP-189. Esta no es una manera perfecta de estimar el cromo en solución, pero nos da una comprobación simple de la estimación de Termocalc. ¿Qué significa esto para la resistencia a la corrosión de ZDP-189? Llegaremos a eso más adelante, pero primero
Carburos de templado
En general, la dureza está controlada principalmente por la resistencia de la martensita y luego limitada por el contenido de austenita retenido. Sin embargo, los carburos también afectan a la dureza. Al revenido, se forman carburos muy pequeños, y a ciertas temperaturas de revenido, estos carburos tienen el tamaño adecuado para aumentar la dureza. Con los aceros inoxidables hay dos picos, que se pueden ver en las curvas de dureza ZDP-189 publicadas anteriormente. Uno está a unos 100 ° C (212°F) y el otro a unos 525°C (975°F). Puede leer más sobre este «fortalecimiento de la precipitación» en este artículo sobre templado. La hoja de datos ZDP-189 recomienda un rango de templado de 100-150°C (212-300°F), que son las temperaturas de templado más bajas que he visto recomendadas en una hoja de datos. Esta recomendación es, aparentemente, utilizar ese pico de fortalecimiento de la precipitación con las bajas temperaturas de templado, sin tener en cuenta la dureza u otros efectos adversos de las temperaturas de templado muy bajas. Esta recomendación me resulta extraña porque la dureza sigue siendo bastante alta incluso con una temperatura de templado de 200°C (400°F). Aparentemente están buscando dureza sobre todo lo demás.
Carburos primarios
Los carburos «primarios» más grandes que se forman durante la fundición y contribuyen a la resistencia al desgaste también pueden afectar a la dureza, al menos cuando están presentes en cantidades muy grandes. A continuación tengo una comparación entre Vanadis 4 Extra (8% de carburo), 10V (16% de carburo) y 15V (23% de carburo) que son aceros relativamente similares pero con diferentes cantidades de carburo de vanadio. Esta es la dureza «como templado» para cada acero después de austenizar, apagar la placa y luego sumergirse en nitrógeno líquido durante una hora. Se puede ver que la dureza máxima era mayor cuando había más carburo en el acero:
ZDP-189 tiene un contenido muy alto de carburo, alrededor del 30%. Este contenido de carburo muy alto probablemente ayuda a aumentar la dureza del acero. A continuación se muestra una micrografía que tomé de mi ZDP-189 y tiene más carburo que cualquier acero que haya fotografiado que no sea Rex 121, que he mostrado a continuación como comparación. Puede comparar con otros aceros en este artículo.
Austenitización ZDP-189 – 1850°F (31% de volumen de carburo)
Rex 121-1925 ° F austenitize (32% de volumen de carburo)
Resumen de dureza
Por lo tanto, ZDP-189 supera la dureza de varias maneras: 1) alto contenido de carbono en solución, 2) austenita de baja retención del cromo bajo en solución, 3) bajas temperaturas de templado recomendadas para fortalecer la precipitación y 4) alto volumen de carburo. Solo realicé un tratamiento térmico con ZDP-189 que usó austenitización de 1850°F, nitrógeno líquido y temple de 400°F. La hoja de datos muestra unos 67 Rc, pero obtuve 65 Rc con ese tratamiento térmico. No estoy seguro de qué causó la discrepancia. No realicé una gama de tratamientos térmicos para ver su dureza potencial máxima. Sin embargo, una desviación de 2 Rc no es increíblemente grande, y al menos 67 Rc deberían ser posibles reduciendo la temperatura de templado que usé. Tal vez una temperatura de austenización más optimizada podría aumentar aún más la dureza.
Tenacidad
Realicé una medición de tenacidad utilizando el mismo tratamiento térmico: 1850°F, temple de placa, nitrógeno líquido y temple de 400 ° F para 65 Rc. Con su alto contenido de carburo y su alta dureza, no se espera que la tenacidad del ZDP-189 sea alta. Y de hecho eso se encontró en la medición de dureza. Tengo la vista más amplia de la tabla de acero inoxidable y también una vista ampliada para ver dónde se ajusta mejor:
El ZDP-189 tenía la dureza más baja de cualquier otro acero inoxidable, excepto quizás el 62.5 Rc N690. Sin embargo, ningún otro acero inoxidable fue probado por encima de 64 Rc. El AEB-L y el CPM-154 tenían una resistencia significativamente mejor a 64 Rc. El Rex 121 y el Maxamet se probaron con una resistencia aún menor, pero eran de 67 Rc o más. Así que no hay muchas comparaciones en un rango de dureza similar. En cualquier caso, la dureza no es particularmente alta como cabría esperar de un acero de 65 Rc con un alto volumen de carburo. Una vez más, esta medición de tenacidad no es una gran sorpresa, ya que incluso Hitachi no midió la tenacidad del ZDP-189 como muy buena:
Retención de bordes
Tengo un resultado experimental para ZDP-189 de la prueba CATRA, con un valor de 162%. Ese porcentaje es relativo a 440C en 58-59 Rc (con geometría de borde idéntica). Por lo tanto, 440C se establece en 100% y todo lo demás se compara con ese valor. Esta retención de bordes de ZDP-189 es relativamente alta, pero aún por debajo de los aceros inoxidables como S90V. Esto se debe a que ZDP-189 está compuesto por carburos de cromo más blandos que no contribuyen tanto a la retención de bordes como los carburos de vanadio, como en S90V.
En el gráfico de arriba, la línea de tendencia para el carburo de cromo ZDP-189 parece un poco baja. Si esto se debe a la variabilidad experimental (como una geometría de borde algo diferente o un afilado que conduce a un valor más bajo), eso llevaría a ZDP-189 más cerca de S90V, alrededor del 190%. O tal vez esto indica que hay cierta saturación del efecto del volumen de carburo más allá de cierta cantidad. Esperemos que podamos llevar a cabo algunos experimentos de CATRA en el futuro para analizar esto más a fondo. Sin embargo, un acero como S90V obtiene una mayor retención de bordes con menos carburo en general, lo que presumiblemente significa que tendría una dureza superior para su nivel dado de retención de bordes.
Resistencia a la corrosión
Como se indica en la sección de dureza, ZDP-189 parece tener bajo contenido de cromo «en solución», que es principalmente lo que controla la resistencia a la corrosión. Sin embargo, Hitachi presentó experimentos de corrosión con ZDP-189 que muestran que el acero tiene una resistencia a la corrosión comparable a 440C y ATS34:
Anteriormente escribí sobre la resistencia a la corrosión en este artículo, donde le di a ZDP-189 una calificación muy baja de resistencia a la corrosión y predije que no calificaba como «inoxidable».»En ese artículo terminé una gama de aceros a grano 400 después de tratarlos con calor y rociarlos con agua. Todos los aceros estaban libres de óxido/corrosión, excepto el XHP, por lo que consideré que no califica como acero «inoxidable», aunque esa definición es sorprendentemente dudosa entre los metalúrgicos. Repetí este experimento con ZDP-189 junto con Takefu SG2 y VG10 al mismo tiempo. Los dos aceros Takefu pasaron sin corrosión, pero el acero ZDP-189 vio una oxidación significativa después de solo 8 horas.
No tengo una buena explicación de por qué Hitachi encontró una resistencia a la corrosión decente con ZDP-189 mientras que yo no lo hice. Tal vez esas pruebas de ácido de pérdida de masa no predicen bien la oxidación. O tal vez tenían procedimientos de prueba deficientes o exageraron sus resultados; no puedo decirlo. Sin embargo, Termo-Calc predice un Cr bajo en solución, la relación Cr:C es muy baja, y la alta dureza obtenible apunta a que el Cr en solución es bajo. Además, hay informes de los usuarios sobre que la resistencia a la corrosión de ZDP-189 es relativamente pobre . Así que confío en mi prueba de corrosión sobre la de Hitachi. ZDP-189 no es de acero inoxidable.
Afilado y acabado
ZDP-189 tiene todo carburo de cromo que es bueno desde un punto de vista de afilado o acabado porque esos carburos son más blandos que el óxido de aluminio. ZDP-189 se utiliza en muchos cuchillos de cocina japoneses de alta dureza que a menudo se afilan con piedras de agua a base de óxido de aluminio. Los carburos de vanadio en aceros como S30V y S90V son más duros que el óxido de aluminio, lo que puede dificultar el afilado con abrasivos de óxido de aluminio. No imposible, pero más difícil. Este hecho probablemente hace que el afilado de ZDP-189 sea un poco más fácil en comparación con otros aceros con un nivel similar de retención de bordes. El acabado o pulido del acero también sería más fácil gracias a la falta de carburo de vanadio.
Reemplazar ZDP-189 con un acero inoxidable real
Hay muchos aceros no inoxidables que pueden lograr 66+ Rc haciendo que ZDP-189 sea un poco menos especial. Sin embargo, ¿qué pasa si un fabricante quiere un acero que coincida con el rendimiento de ZDP-189, pero quiere uno que sea realmente inoxidable en lugar de un acero «semi-inoxidable»? Primero debemos enumerar las propiedades que queremos que coincidan:
- Alta dureza
- Alta retención de bordes
- Falta de carburos de vanadio para ayudar a afilar
CPM-154
Para lograr una alta dureza, queremos que el cromo en solución esté en el lado inferior pero siga siendo inoxidable. Una forma de mejorar la resistencia a la corrosión sin cromo es con molibdeno, como se muestra en esta tabla de mis experimentos de resistencia a la corrosión:
Puede ver que el CPM-154 tiene el Cr más bajo de los aceros en la tabla, pero tiene una resistencia a la corrosión decente gracias a su alto contenido de Mo. CPM-154 también pasó el «¿ es inoxidable?»prueba con agua destilada. El molibdeno tiene menos efecto sobre la austenita retenida que el Cr (consulte la ecuación Ms), por lo que esta puede ser una forma de lograr una dureza relativamente alta a pesar de ser inoxidable. También probé temperaturas de templado bajas (< 300 ° F) para ver el impulso posible del fortalecimiento de la precipitación. Normalmente no recomiendo templar por debajo de 300 ° F, pero Hitachi lo hace con ZDP-189, así que me imagino que no es hacer trampa. El CPM-154 también tiene el beneficio de estar compuesto de carburos de cromo, por lo que el afilado no se ve afectado por los carburos de vanadio más duros.
Ya conocía la temperatura de austenización aproximada para la dureza máxima de experimentos de tratamiento térmico anteriores, así que restringí mi análisis a temperaturas de austenización de 2000, 2025 y 2050°F con una retención de 20 minutos. Luego, la placa se apagó, se sumergió en nitrógeno líquido durante aproximadamente 12 horas y luego se templó dos veces durante 2 horas cada vez a las siguientes temperaturas:
Parece que no llegamos a los 66 Rc, pero casi llegamos allí. La caída en la dureza por encima de 2025°F se debe al exceso de austenita retenida con todo ese carbono y cromo en solución. Hice un tratamiento térmico de 2025°F con temple de 300 ° F que resultó en aproximadamente 64.1 Rc para muestras de tenacidad que se pueden ver en los diagramas de tenacidad anteriores. El ~64 Rc CPM-154 tenía una resistencia significativamente mayor que el ZDP-189, por lo que tiene un beneficio de resistencia sobre el ZDP. Sería interesante ver cómo es la dureza con el temperamento de 250 ° F y 65 + Rc, pero quizás 64 Rc sea suficiente para la mayoría de las personas.
S90V y S110V
Así que creo que CPM-154 es una opción decente dada su relativa facilidad de afilado, potencial para 65+ Rc y buena resistencia a las manchas. Sin embargo, es probable que sea un paso hacia abajo de ZDP-189 en términos de retención de bordes, incluso cuando se trata térmicamente con esa alta dureza debido al contenido reducido de carburo. Hay otras dos opciones a considerar si dejamos de lado el requisito de evitar los carburos de vanadio, lo que nos lleva a S90V y S110V. Estos aceros exceden la retención de bordes de ZDP-189, pero consumen un poco más de tiempo para terminar o pulir debido a los carburos duros. Hice un conjunto de tratamientos térmicos con estos dos en un intento de maximizar la dureza y descubrí que podían alcanzar 66 + Rc:
Esos aceros se ayudan a lograr una alta dureza debido al alto contenido de carburo, significativamente más alto que el CPM-154. El S110V tiene más cromo en solución, lo que conduciría a una austenita más retenida, pero el cobalto en el S110V reduce la austenita retenida, por lo que el cromo se compensa. Desafortunadamente, no tengo resultados de dureza para ninguno de estos aceros, ya sea con alta dureza o no. Vendrán en el futuro. Pero estos aceros tienen una alta capacidad de dureza, alta retención de bordes y buena resistencia a la corrosión. Por lo tanto, recomiendo CPM-154 para mayor resistencia y facilidad de afilado y S90V o S110V para mayor retención de bordes y dureza.
¿Se podría rediseñar ZDP-189 para que sea inoxidable?
ZDP-189 se podría rediseñar para ser inoxidable, dependiendo del nivel de dureza que sería aceptable y aún así cumplir con las propiedades objetivo. Para mantener un volumen de carburo de cromo similar para resistencia al desgaste pero mayor resistencia a la corrosión, necesitamos un cromo más alto pero un carbono más bajo. Aumentar el cromo por sí solo conduciría a una mayor resistencia a la corrosión, pero aún más carburo que no queremos. Reducir el carbono por sí solo conduciría a una reducción del carburo y la dureza, pero mejoraría la resistencia a la corrosión. Pero el aumento del cromo y la reducción del carbono pueden mantener el volumen de carburo al tiempo que aumentan la resistencia a la corrosión. Por ejemplo, de acuerdo con Thermo-Calc, un acero con 2,28% de C y 24% de Cr mantendría un contenido similar de carburo de cromo del 30% mientras aumentaba el cromo en solución al 11% a 1875°F. Eso también significaría una reducción significativa en el carbono en solución al 0,4%, reduciendo la dureza, probablemente todavía 63 Rc más o menos dado todo ese carburo y un tratamiento criogénico. Con una temperatura de austenización más alta, sería tratable térmicamente a al menos 64 Rc, si no un par de puntos más altos. Al igual que con CPM-154 y muchos otros aceros inoxidables, uno de los principales factores limitantes para la dureza sería el exceso de austenita retenida. Pero parece poco probable que alguna versión modificada de ZDP-189 llegue pronto.
ZDP-189 vs Cowry-X
Como es de esperar, no se espera que las pequeñas diferencias de adición de aleación entre ZDP-189 y Cowry-X hagan una diferencia significativa en las propiedades entre los dos. Tal vez el mayor Mo y W en ZDP-189 mejora un poco la resistencia a la corrosión, pero como se ve en este artículo, no es suficiente. Me sorprendería que hubiera mucha diferencia mensurable entre los dos aceros.
Resumen y Conclusiones
ZDP-189 es un acero interesante debido a su alta capacidad de dureza a pesar de ser anunciado como acero inoxidable. Sin embargo, tiene baja tenacidad, y los experimentos de resistencia a la corrosión confirman que el acero no es realmente muy resistente a las manchas. No lo considero un acero inoxidable. Su retención de bordes es buena, pero obtiene esa retención de bordes por un contenido muy alto de carburo que reduce la dureza y el comportamiento de bordes finos. Hay muchas otras opciones de acero que pueden lograr una alta dureza y/o retención de bordes si no se requieren niveles inoxidables de resistencia a la corrosión, lo que hace que el ZDP-189 sea mucho menos especial. Debido a la publicidad falsa de este acero como «inoxidable», le doy a ZDP-189 el premio «Acero más Sobrevalorado» de Knife Steel Nerds.
Hashew, Mike. «¿El Ferrari de los Aceros de Hoja?»Blade Magazine, febrero de 2005, pp. 66-69.
https://www.bladeforums.com/threads/vg-10-steel.180486/
https://www.bladeforums.com/threads/zdp-189-corrosion-resistance-compared.992801/#post-11297843
Como De Carga…
