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ZDP-189 et Cowry-X
ZDP-189 est un acier produit par Hitachi et Cowry-X est produit par Daido. Je n’ai pas pu trouver beaucoup d’informations de base sur le développement de ces aciers. Sal Glesser de Spyderco a rapporté avoir entendu parler de ZDP-189 pour la première fois vers l’an 2000, et la première référence que j’ai trouvée à Cowry-X sur les lames en 2001. Donc, les deux aciers existent depuis un certain temps. Le fait que deux sociétés aient commercialisé essentiellement le même produit indique peut-être que l’acier n’était pas breveté, ce qui signifie que peu d’informations seraient disponibles sur son développement. Les deux aciers ont une composition intéressante avec 3% de carbone et 20% de chrome ainsi que quelques autres petits ajouts. Il existe quelques compositions différentes rapportées pour le ZDP-189 en termes de teneur en Mo, V et W, mais ci-dessous provient de Spyderco.
Je suis curieux de cet acier depuis un certain temps maintenant en raison de sa dureté potentielle très élevée, j’ai donc été excité lorsque Richard Airey de Barmond Special Steels m’a offert un morceau de ZDP-189 pour analyse.
Mise à jour le 4/02/2020: Le lecteur de Nerds en acier au couteau Yudai m’a envoyé des liens vers les brevets de Daido et Hitachi. C’est bien d’avoir des lecteurs qui sont meilleurs pour rechercher des brevets en langues étrangères.
https://patents.google.com/patent/JPH11279677A/en?oq=11-279677
https://patents.google.com/patent/JP3894373B2/en?oq=09-104954
Dureté
La chose la plus intrigante à propos de ZDP-189 et Cowry-X est la dureté très élevée pouvant être obtenue, 67 Rc ou même plus. Selon la fiche technique ZDP-189, la dureté maximale est d’environ 70 Rc si on lui administre un traitement à froid dans de la glace carbonique.
L’un des plus grands mystères du ZDP-189 est donc la raison pour laquelle il est capable d’atteindre une dureté aussi élevée. J’ai fait des expériences de traitement thermique sur une gamme de différents aciers à outils en acier inoxydable et la plupart max autour de 63-65 Rc, alors comment ZDP-189 peut-il atteindre 70 Rc? Pour répondre à cette question, nous devons discuter de ce qui contrôle la dureté afin que nous puissions voir quels facteurs ZDP-189 exploite.
Carbone dans la martensite
Le principal facteur qui contrôle la dureté des aciers à outils est la quantité de carbone qui se trouve dans la martensite. Pendant l’austénitisation, le carbure est dissous en mettant du carbone en solution dans de l’austénite, puis l’acier est rapidement trempé pour « verrouiller » le carbone dans la martensite. En savoir plus sur la force de la martensite dans cet article. Avec 3% de carbone, il est possible d’obtenir un peu de carbone en solution avec ZDP-189 et Cowry-X.
Vous pouvez voir que la dureté maximale atteint un pic d’environ 67 Rc et se stabilise ou même diminue au-delà d’une teneur en carbone d’environ 1%. La raison pour laquelle la dureté peut chuter est due à une austénite trop retenue. Cela peut être vu dans le tableau de trempe « sans sous zéro » du ZDP-189 où l’austénitisation à 1025 ° C a conduit à une dureté inférieure à celle de l’austénitisation à 1000 ° C. L’austénite plus élevée a conduit à plus de carbone en solution, mais une austénite trop retenue a donc réduit sa dureté.
Austénite retenue
Lorsque l’acier est trempé de la phase austénite à haute température, l’acier forme de la martensite au fur et à mesure de son refroidissement. La formation de martensite n’est pas contrôlée par le temps mais presque entièrement par la température. Ainsi, la formation de martensite est décrite par des températures telles que le début de la martensite (la température à laquelle la martensite commence à se former) et la finition de la martensite (100% de martensite). Différents éléments d’alliage, y compris le carbone, réduisent les températures de début et de fin de martensite, et la température de finition peut être inférieure à la température ambiante. Lorsque la transformation de martensite est incomplète, il reste de l’austénite dans la microstructure, appelée austénite « retenue ». L’austénite est beaucoup plus douce que la martensite et, par conséquent, lorsqu’elle est présente en quantités importantes, elle réduira la dureté. Des traitements à froid comme la glace carbonique ou l’azote liquide sont utilisés pour refroidir l’acier plus près de la température de finition de la martensite et donc réduire la teneur en austénite retenue et augmenter la dureté. Vous pouvez en savoir plus sur les traitements par le froid dans ces articles: Partie 1, Partie 2, Partie 3. Il y a un moment, cependant, où même l’azote liquide ne convertit plus toute l’austénite retenue, il y a donc une certaine limite à la dureté qui peut être obtenue même avec des traitements de cryothérapie.
Les aciers inoxydables contiennent une quantité importante de chrome en solution pour améliorer la résistance à la corrosion. Cependant, le chrome réduit les températures de début et de fin de martensite, ce qui augmente l’austénite retenue. Voici une équation qui se rapproche de la contribution de chaque élément sur le début de la martensite:
Ms (°C) = 539 – 423 *C (%) – 30,4 * Mn (%) – 12,1 * Cr (%) – 7,5 *Mo (%) – 7.5 * Si (%)
Vous pouvez voir que le chrome n’a pas l’effet le plus fort sur la sep, mais lorsque vous avez 10-15% de Cr en solution, il commence à s’additionner. C’est la principale raison pour laquelle la plupart des aciers à outils en acier inoxydable dépassent environ 63-64 Rc, car avec 11-12% de Cr en solution, c’est à peu près la limite en termes d’éviter l’austénite retenue avec cryo. Les aciers à haute résistance à la corrosion avec 14-15% de Cr en solution ont des limites encore plus basses, ce qui explique probablement pourquoi LC200N / Z-Fini et Vanax sont limités à environ 61 Rc. En savoir plus sur les limites de dureté de ces aciers dans cet article.
Le ZDP-189 contient-il peu de chrome en solution pour atteindre sa dureté élevée? Selon les estimations de Thermo-Calc, la réponse est oui, prédisant environ 6,5% de chrome en solution à 1025 ° C. J’ai été assez choqué par ce nombre car les aciers inoxydables devraient avoir au moins 10% de chrome en solution. Cependant, lorsque l’on regarde le rapport Cr: C, cela a du sens. Ci-dessous, j’ai montré l’équilibre Cr: C pour une gamme d’aciers qui ont peu d’autres éléments d’alliage pour brouiller l’analyse:
Vous pouvez voir que même l’acier D2 non inoxydable a un Cr plus élevé:C équilibre que ZDP-189. Ce n’est pas un moyen idéal pour estimer le chrome en solution mais cela nous donne une simple vérification de l’estimation Thermo-Calque. Qu’est-ce que cela signifie pour la résistance à la corrosion du ZDP-189? Nous y reviendrons plus tard, mais d’abord
Carbures de trempe
En général, la dureté est principalement contrôlée par la résistance de la martensite, puis limitée par la teneur en austénite retenue. Cependant, les carbures affectent également la dureté. Lors du revenu, de très petits carbures se forment et, à certaines températures de revenu, ces carbures ont la bonne taille pour augmenter la dureté. Avec les aciers inoxydables, il y a deux pics, que vous pouvez voir dans les courbes de dureté ZDP-189 affichées ci-dessus. L’un est d’environ 100 ° C (212 ° F) et l’autre est d’environ 525 ° C (975 ° F). Vous pouvez en savoir plus sur ce « renforcement des précipitations » dans cet article sur la trempe. La fiche technique ZDP-189 recommande une plage de revenu de 100 à 150 ° C (212 à 300 ° F), ce qui est la température de revenu la plus basse que j’ai jamais vue recommandée dans une fiche technique. Cette recommandation consiste apparemment à utiliser ce pic de renforcement des précipitations avec les basses températures de revenu, sans tenir compte de la ténacité ou d’autres effets néfastes des températures de revenu très basses. Cette recommandation est étrange pour moi car la dureté est encore assez élevée même avec une température de revenu de 200 ° C (400 ° F). Apparemment, ils recherchent la dureté par rapport à tout le reste.
Carbures primaires
Les plus gros carbures « primaires » qui se forment pendant la coulée et contribuent à la résistance à l’usure peuvent également affecter la dureté, du moins lorsqu’ils sont présents en très grandes quantités. Ci-dessous, j’ai une comparaison entre les aciers Vanadis 4 Extra (carbure à 8%), 10V (carbure à 16%) et 15V (carbure à 23%) qui sont des aciers relativement similaires mais avec des quantités différentes de carbure de vanadium. Il s’agit de la dureté « trempée » pour chaque acier après austénitisation, trempe de la plaque, puis immersion dans de l’azote liquide pendant une heure. Vous pouvez voir que la dureté maximale était plus élevée lorsqu’il y avait plus de carbure dans l’acier:
Le ZDP-189 a une teneur très élevée en carbure, environ 30%. Cette teneur très élevée en carbure contribue probablement à augmenter la dureté de l’acier. Voici une micrographie que j’ai prise de mon ZDP-189 et il a plus de carbure que n’importe quel acier que j’ai photographié autre que le Rex 121 que j’ai montré ci-dessous à titre de comparaison. Vous pouvez comparer avec d’autres aciers dans cet article.
ZDP–189-1850°F austénitique (volume de carbure de 31%)
Rex 121 – 1925 ° F austénitise (volume de carbure de 32%)
Résumé de la dureté
Par conséquent, le ZDP-189 maximise la dureté de plusieurs manières: 1) haute teneur en carbone en solution, 2) basse austénite retenue du bas chrome en solution, 3) basses températures de revenu recommandées pour le renforcement de précipitation, et 4) volume élevé de carbure. Je n’ai effectué qu’un seul traitement thermique avec du ZDP-189 qui utilisait une austénitise à 1850 ° F, de l’azote liquide et une température de 400 ° F. La fiche technique montre environ 67 Rc mais j’ai eu 65 Rc avec ce traitement thermique. Je ne sais pas ce qui a causé l’écart. Je n’ai pas effectué une gamme de traitements thermiques pour voir sa dureté potentielle maximale. Cependant, un écart de 2 Rc n’est pas incroyablement grand, et au moins 67 Rc devrait être possible en réduisant la température de revenu que j’ai utilisée. Peut-être qu’une température d’austénitisation plus optimisée pourrait encore augmenter la dureté.
Ténacité
J’ai effectué une mesure de ténacité en utilisant le même traitement thermique: 1850 ° F, trempe à plaque, azote liquide et température de 400 ° F pour 65 Rc. Avec sa teneur élevée en carbure et sa dureté élevée, la ténacité du ZDP-189 ne devrait pas être élevée. Et en effet, cela a été trouvé dans la mesure de la ténacité. J’ai une vue plus large du graphique en acier inoxydable et aussi une vue agrandie pour voir où il convient le mieux:
Le ZDP-189 avait la ténacité la plus faible de tout autre acier inoxydable à part peut-être le 62.5 Rc N690. Cependant, aucun autre acier inoxydable n’a été testé au-dessus de 64 Rc. L’AEB-L et le CPM-154 avaient tous deux une ténacité nettement meilleure à 64 Rc. Rex 121 et Maxamet ont été testés avec une ténacité encore plus faible, mais ceux-ci étaient de 67 Rc ou plus. Il n’y a donc pas beaucoup de comparaisons dans une gamme de dureté similaire. Quoi qu’il en soit, la ténacité n’est pas particulièrement élevée que l’on pourrait s’y attendre d’un acier à 65 Rc avec un volume élevé de carbure. Encore une fois, cette mesure de ténacité n’est pas une surprise majeure, car même Hitachi n’a pas mesuré la ténacité du ZDP-189 comme étant très bonne:
Rétention des bords
J’ai un résultat expérimental pour le ZDP-189 du test CATRA, avec une valeur de 162%. Ce pourcentage est relatif à 440C à 58-59 Rc (avec une géométrie de bord identique). Ainsi, 440C est défini sur 100% et tout le reste est comparé à cette valeur. Cette rétention des bords du ZDP-189 est relativement élevée, mais reste inférieure aux aciers inoxydables comme le S90V. En effet, le ZDP-189 est composé de carbures de chrome plus mous qui ne contribuent pas autant à la rétention des bords que les carbures de vanadium tels que le S90V.
Dans le graphique ci-dessus, la ligne de tendance du carbure de chrome ZDP-189 semble un peu basse. Si cela est dû à une variabilité expérimentale (telle qu’une géométrie de bord quelque peu différente ou un affûtage conduisant à une valeur inférieure), cela rapprocherait ZDP-189 de S90V, autour de 190%. Ou peut-être cela indique-t-il qu’il y a une certaine saturation de l’effet du volume de carbure au-delà d’une certaine quantité. J’espère que nous pourrons mener des expériences CATRA à l’avenir pour examiner cela plus en détail. Cependant, un acier comme le S90V obtient une rétention de bord plus élevée avec moins de carbure global, ce qui signifie probablement qu’il aurait une ténacité supérieure pour son niveau de rétention de bord donné.
Résistance à la corrosion
Comme indiqué dans la section dureté, le ZDP-189 semble avoir un faible chrome « en solution », ce qui est principalement ce qui contrôle la résistance à la corrosion. Cependant, Hitachi a présenté des expériences de corrosion avec ZDP-189 qui montrent que l’acier a une résistance à la corrosion comparable à 440C et ATS34:
J’ai déjà écrit sur la résistance à la corrosion dans cet article, où j’ai donné au ZDP-189 une très faible cote de résistance à la corrosion et prédit qu’il ne se qualifiait pas comme « inoxydable. »Dans cet article, j’ai fini une gamme d’aciers à grain 400 après les avoir traités thermiquement et pulvérisés de l’eau dessus. Tous les aciers étaient exempts de rouille / corrosion à l’exception du XHP et j’ai donc jugé qu’il ne se qualifiait pas comme un acier « inoxydable » bien que cette définition soit étonnamment douteuse chez les métallurgistes. J’ai répété cette expérience avec ZDP-189 avec Takefu SG2 et VG10 en même temps. Les deux aciers Takefu sont passés sans corrosion mais l’acier ZDP-189 a connu une rouille importante après seulement 8 heures.
Je n’ai aucune bonne explication pour expliquer pourquoi Hitachi a trouvé une résistance à la corrosion décente avec ZDP-189 alors que je ne l’ai pas fait. Peut-être que ces tests acides de perte de masse ne prédisent pas bien la rouille. Ou peut-être qu’ils avaient de mauvaises procédures de test ou exagéré leurs résultats; je ne peux pas dire. Cependant, Thermo-Calc prédit un faible Cr en solution, le rapport Cr: C est très faible et la dureté élevée pouvant être obtenue indique que le Cr en solution est faible. En outre, des utilisateurs signalent que la résistance à la corrosion du ZDP-189 est relativement faible. Je fais donc confiance à mon test de corrosion par rapport à celui de Hitachi. Le ZDP-189 n’est pas un acier inoxydable.
Affûtage et finition
ZDP-189 contient tout le carbure de chrome qui est bon du point de vue de l’affûtage ou de la finition car ces carbures sont plus mous que l’oxyde d’aluminium. Le ZDP-189 est utilisé dans de nombreux couteaux de cuisine japonais de haute dureté qui sont souvent affûtés avec des pierres d’eau à base d’oxyde d’aluminium. Les carbures de vanadium dans les aciers tels que S30V et S90V sont plus durs que l’oxyde d’aluminium, ce qui peut rendre leur affûtage plus difficile avec des abrasifs à base d’oxyde d’aluminium. Pas impossible, mais plus difficile. Ce fait rend probablement l’affûtage du ZDP-189 un peu plus facile par rapport à d’autres aciers avec un niveau de rétention des bords similaire. La finition ou le polissage de l’acier serait également plus facile grâce à l’absence de carbure de vanadium.
Remplacement du ZDP-189 par un véritable acier inoxydable
Il existe de nombreux aciers non inoxydables pouvant atteindre plus de 66 Rc, ce qui rend le ZDP-189 un peu moins spécial. Cependant, que se passe-t-il si un fabricant veut un acier correspondant aux performances du ZDP-189 mais en veut un qui soit en fait inoxydable plutôt qu’un acier « semi-inoxydable »? D’abord, nous devrions énumérer les propriétés auxquelles nous voulons correspondre:
- Dureté élevée
- Rétention élevée des bords
- Un manque de carbures de vanadium pour aider à l’affûtage
CPM-154
Pour obtenir une dureté élevée, nous voulons que le chrome en solution soit sur le côté inférieur tout en restant inoxydable. Une façon d’améliorer la résistance à la corrosion sans chrome est le molybdène, comme le montre ce tableau de mes expériences de résistance à la corrosion:
Vous pouvez voir que le CPM-154 a le Cr le plus bas des aciers du tableau, mais a une résistance à la corrosion décente grâce à sa teneur élevée en Mo. CPM-154 a également passé le « est-ce inoxydable? »testez avec de l’eau distillée. Le molybdène a moins d’effet sur l’austénite retenue que le Cr (voir l’équation Ms), ce qui peut donc être un moyen d’obtenir une dureté relativement élevée malgré l’acier inoxydable. J’ai également essayé des températures de trempe basses (< 300 ° F) pour voir l’augmentation possible du renforcement des précipitations. Je ne recommande normalement pas de tempérer en dessous de 300 ° F, mais Hitachi le fait avec ZDP-189, donc je pense que ce n’est pas de la triche. Le CPM-154 présente également l’avantage d’être composé de carbures de chrome, de sorte que l’affûtage n’est pas affecté par les carbures de vanadium plus durs.
Je connaissais déjà la température d’austénitisation approximative pour la dureté maximale des expériences précédentes de traitement thermique, j’ai donc limité mon analyse aux températures d’austénitisation de 2000, 2025 et 2050 ° F avec un maintien de 20 minutes. J’ai ensuite trempé la plaque, trempé dans de l’azote liquide pendant environ 12 heures, puis trempé deux fois pendant 2 heures à chaque fois aux températures suivantes:
On dirait que nous n’avons pas tout à fait atteint 66 Rc mais nous y sommes presque arrivés. La chute de dureté au-dessus de 2025 ° F provient d’un excès d’austénite retenue avec tout ce carbone et chrome en solution. J’ai fait un traitement thermique de 2025 ° F avec une température de 300 ° F qui a abouti à environ 64,1 Rc pour les échantillons de ténacité que vous pouvez voir dans les diagrammes de ténacité précédents. Le ~ 64 Rc CPM-154 avait une ténacité nettement supérieure à celle du ZDP-189, ce qui lui confère un avantage de ténacité par rapport au ZDP. Il serait intéressant de voir à quoi ressemble la dureté avec le tempérament de 250 ° F et 65 + Rc, mais peut-être que 64 Rc est suffisant pour la plupart des gens.
S90V et S110V
Je pense donc que CPM-154 est une option décente compte tenu de sa relative facilité d’affûtage, de son potentiel de 65 Rc et de sa bonne résistance aux taches. Cependant, il s’agit probablement d’un abaissement par rapport au ZDP-189 en termes de rétention des bords, même lorsqu’il est traité thermiquement à cette dureté élevée en raison de la teneur réduite en carbure. Il y a deux autres options à envisager si nous abandonnons l’exigence d’éviter les carbures de vanadium, ce qui nous conduit à S90V et S110V. Ces aciers dépassent la rétention des bords du ZDP-189 mais prennent un peu plus de temps à finir ou à polir en raison des carbures durs. J’ai fait une série de traitements thermiques avec ces deux pour tenter de maximiser la dureté et j’ai constaté qu’ils pouvaient atteindre 66 + Rc:
Ces aciers sont aidés à atteindre une dureté élevée en raison de la teneur élevée en carbure, nettement supérieure à celle du CPM-154. Le S110V contient plus de chrome en solution, ce qui conduirait à plus d’austénite retenue, mais le cobalt contenu dans le S110V réduit l’austénite retenue, de sorte que le chrome est compensé. Malheureusement, je n’ai pas de résultats de ténacité pour l’un ou l’autre de ces aciers, que ce soit à haute dureté ou non. Ils viendront à l’avenir. Mais ces aciers ont une capacité de dureté élevée, une rétention élevée des bords et une bonne résistance à la corrosion. Par conséquent, je recommande CPM-154 pour la ténacité et la facilité d’affûtage et S90V ou S110V pour la rétention et la dureté des bords les plus élevées.
Le ZDP-189 pourrait-il être redessiné pour être inoxydable?
Le ZDP-189 pourrait être redessiné pour être inoxydable, en fonction du niveau de dureté qui serait acceptable tout en respectant les propriétés cibles. Pour maintenir un volume de carbure de chrome similaire pour une résistance à l’usure mais une résistance à la corrosion accrue, nous avons besoin d’un chrome plus élevé mais d’un carbone plus faible. Augmenter le chrome seul conduirait à une résistance à la corrosion plus élevée mais encore plus de carbure dont nous ne voulons pas. La réduction du carbone seul entraînerait une réduction du carbure et de la dureté, mais une meilleure résistance à la corrosion. Mais l’augmentation du chrome et la réduction du carbone peuvent maintenir le volume de carbure tout en augmentant la résistance à la corrosion. Par example, selon Thermo-Calc, un acier à 2,28%C et 24% Cr conserverait une teneur similaire en carbure de chrome de 30% tout en augmentant le chrome en solution à 11% à 1875 °F. Cela signifierait également une réduction significative du carbone en solution à 0,4%, réduisant la dureté, probablement encore de 63 Rc environ compte tenu de tout ce carbure et d’un traitement cryo. Avec une température d’austénitisation plus élevée, il serait traitable à la chaleur à au moins 64 Rc sinon quelques points plus élevés. Tout comme pour le CPM-154 et de nombreux autres aciers inoxydables, l’un des principaux facteurs limitatifs de la dureté serait l’excès d’austénite retenue. Mais il semble peu probable qu’une version modifiée de ZDP-189 arrive de sitôt.
ZDP-189 vs Cowry-X
Comme vous pouvez vous y attendre, les petites différences d’addition d’alliage entre ZDP-189 et Cowry-X ne devraient pas faire de différence significative dans les propriétés entre les deux. Peut-être que le Mo et le W plus élevés du ZDP-189 améliorent quelque peu la résistance à la corrosion, mais comme on le voit dans cet article, ce n’est pas suffisant. Je serais surpris qu’il y ait une grande différence mesurable entre les deux aciers.
Résumé et conclusions
Le ZDP-189 est un acier intéressant en raison de sa capacité de dureté élevée bien qu’il soit annoncé comme un acier inoxydable. Cependant, il a une faible ténacité et des expériences de résistance à la corrosion confirment que l’acier n’est pas vraiment très résistant aux taches. Je ne le considère pas comme un acier inoxydable. Sa rétention des bords est bonne mais obtient cette rétention des bords grâce à une teneur très élevée en carbure, ce qui réduit la ténacité et le comportement des bords fins. Il existe de nombreux autres choix d’acier qui peuvent atteindre une dureté élevée et / ou une rétention des bords si des niveaux de résistance à la corrosion en acier inoxydable ne sont pas requis, ce qui rend le ZDP-189 beaucoup moins spécial. En raison de la publicité mensongère de cet acier comme étant « inoxydable », je donne à ZDP-189 le prix de « l’acier le plus surestimé » des Nerds d’acier au couteau.
Hashew, Mike. » La Ferrari des Aciers à lame ? » Blade Magazine Février 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
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