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ZDP-189 e Cowry-X
ZDP-189 è un acciaio prodotto da Hitachi e Cowry-X è prodotto da Daido. Non sono stato in grado di trovare molte informazioni di base sullo sviluppo di questi acciai. Sal Glesser di Spyderco ha riferito di aver sentito parlare di ZDP-189 intorno all’anno 2000 , e il primo riferimento che ho trovato a Cowry-X su Bladeforums nel 2001 . Quindi entrambi gli acciai sono in circolazione da un po ‘ di tempo. Il fatto che due società abbiano rilasciato essenzialmente lo stesso prodotto indica forse che l’acciaio non è stato brevettato, il che significa che sarebbero disponibili poche informazioni sul suo sviluppo. Entrambi gli acciai hanno una composizione interessante con il 3% di carbonio e il 20% di cromo insieme ad alcune altre piccole aggiunte. Ci sono alcune diverse composizioni riportate per ZDP-189 in termini di contenuto Mo, V e W, ma sotto è da Spyderco.
Sono stato curioso di questo acciaio per qualche tempo a causa della sua elevata durezza potenziale, quindi ero eccitato quando Richard Airey di Barmond Special Steels mi ha offerto un pezzo di ZDP-189 per l’analisi.
Aggiornamento 2/4/2020: Knife Steel Nerds reader Yudai mi ha inviato link ai brevetti di Daido e Hitachi. È bello avere lettori che sono più bravi a cercare brevetti in lingua straniera.
https://patents.google.com/patent/JPH11279677A/en?oq=11-279677
https://patents.google.com/patent/JP3894373B2/en?oq=09-104954
Durezza
La cosa più intrigante di ZDP-189 e Cowry-X è l’altissima durezza ottenibile, 67 Rc o anche superiore. Secondo la scheda tecnica ZDP-189, la durezza massima è di circa 70 Rc se somministrato un trattamento a freddo in ghiaccio secco.
Quindi uno dei più grandi misteri su ZDP-189 è il motivo per cui è in grado di raggiungere una durezza così elevata. Ho fatto esperimenti di trattamento termico su una gamma di diversi acciai inossidabili per utensili e la maggior parte dei max intorno a 63-65 Rc, quindi come è ZDP-189 in grado di arrivare a 70 Rc? Per rispondere a questa domanda dobbiamo discutere su quali controlli la durezza in modo da poter vedere quali fattori ZDP-189 sta sfruttando.
Carbonio nella martensite
Il fattore principale che controlla la durezza negli acciai per utensili è la quantità di carbonio presente nella martensite. Durante l’austenitizzazione, il carburo viene disciolto mettendo il carbonio in soluzione in austenite, e quindi l’acciaio viene rapidamente spento per “bloccare” il carbonio nella martensite. Leggi di più sulla forza della martensite in questo articolo. Con il 3% di carbonio, è possibile ottenere un bel po ‘ di carbonio in soluzione con ZDP-189 e Cowry-X.
Puoi vedere che la durezza massima raggiunge un picco intorno a 67 Rc o giù di lì e si livella o addirittura diminuisce oltre un contenuto di carbonio di circa 1%. Il motivo per cui la durezza può cadere è a causa dell’eccessiva austenite trattenuta. Questo può essere visto nel grafico di tempra “senza sottozero” di ZDP-189 dove l’austenizzazione 1025°C ha portato a una durezza inferiore rispetto all’austenizzazione 1000°C. Il più alto austenitize ha condotto a più carbonio nella soluzione ma austenite trattenuta eccessiva in modo dalla sua durezza è stata ridotta.
Austenite mantenuta
Quando l’acciaio viene spento dalla fase austenitica ad alta temperatura, l’acciaio forma la martensite mentre viene progressivamente raffreddato. La formazione della martensite non è controllata dal tempo ma quasi interamente dalla temperatura. Quindi la formazione della martensite è descritta da temperature come l’inizio della martensite (la temperatura alla quale la martensite inizia a formarsi) e la finitura della martensite (100% martensite). Diversi elementi di lega, compreso il carbonio, riducono le temperature di inizio e fine della martensite e la temperatura di finitura può essere inferiore alla temperatura ambiente. Quando la trasformazione della martensite è incompleta, c’è austenite che rimane nella microstruttura, che è chiamata austenite “mantenuta”. L’austenite è molto più morbida della martensite e quindi quando è presente in quantità significative ridurrà la durezza. Trattamenti a freddo come ghiaccio secco o azoto liquido vengono utilizzati per raffreddare l’acciaio più vicino alla temperatura di finitura martensite e quindi ridurre il contenuto di austenite trattenuto e aumentare la durezza. Puoi leggere di più sui trattamenti a freddo in questi articoli: Parte 1, Parte 2, Parte 3. C’è un certo punto, tuttavia, in cui anche l’azoto liquido non converte più tutta l’austenite trattenuta, quindi c’è un limite alla durezza che può essere ottenuto anche con i trattamenti criogenici.
Gli acciai inossidabili hanno una quantità significativa di cromo in soluzione per migliorare la resistenza alla corrosione. Tuttavia, il cromo riduce le temperature di inizio e di fine della martensite che aumenta l’austenite trattenuta. Ecco un’equazione che approssima il contributo di ciascun elemento all’inizio della martensite:
Ms (°C) = 539 – 423*C (%) – 30,4*Mn (%) – 12,1*Cr (%) – 7,5*Mo (%) – 7.5 * Si (%)
Puoi vedere che il cromo non ha l’effetto più forte sulla SM, ma quando hai il 10-15% di Cr in soluzione inizia a sommarsi. Questo è il motivo principale per cui la maggior parte degli acciai inossidabili per utensili supera circa 63-64 Rc, perché con 11-12% Cr in soluzione che è circa il limite in termini di evitare l’austenite trattenuta con crio. Gli acciai più resistenti alla corrosione con una soluzione di Cr del 14-15% hanno limiti ancora più bassi, motivo per cui LC200N/Z-Finit e Vanax sono limitati a circa 61 Rc. Per saperne di più sui limiti di durezza di tali acciai in questo articolo.
ZDP-189 ha basso cromo in soluzione per raggiungere la sua elevata durezza? Secondo le stime di Thermo-Calc, la risposta è sì, prevedendo circa il 6,5% di cromo in soluzione a 1025°C. Sono rimasto piuttosto scioccato da questo numero poiché gli acciai inossidabili dovrebbero avere almeno il 10% di cromo in soluzione. Tuttavia, quando si guarda il rapporto Cr: C questo ha senso. Qui di seguito ho mostrato il Cr: C equilibrio per una gamma di acciai che hanno poco altri elementi di lega per confondere l’analisi:
Puoi vedere che anche l’acciaio D2 non inossidabile ha un Cr più alto:Equilibrio di C che ZDP-189. Questo non è un modo perfetto per stimare il cromo in soluzione, ma ci dà un semplice controllo della stima Termo-Calc. Che cosa significa questo per la resistenza della corrosione di ZDP-189? Ci arriveremo più tardi, ma prima
Carburi di rinvenimento
In generale, la durezza è controllata principalmente dalla forza della martensite e quindi limitata dal contenuto di austenite mantenuto. Tuttavia, i carburi influenzano anche la durezza. Durante il rinvenimento, si formano carburi molto piccoli e, a determinate temperature di rinvenimento, questi carburi hanno le dimensioni giuste per aumentare la durezza. Con gli acciai inossidabili ci sono due picchi, che potete vedere nelle curve di durezza ZDP-189 pubblicate sopra. Uno è di circa 100°C (212°F) e l’altro è di circa 525°C (975°F). Puoi leggere di più su questo “rafforzamento delle precipitazioni” in questo articolo sul rinvenimento. La scheda tecnica ZDP-189 raccomanda un intervallo di rinvenimento di 100-150°C (212-300°F) che sono le temperature di rinvenimento più basse che abbia mai visto raccomandate in una scheda tecnica. Questa raccomandazione è apparentemente di utilizzare quel picco di rafforzamento delle precipitazioni con le basse temperature di rinvenimento, indipendentemente dalla tenacità o da altri effetti negativi derivanti da temperature di rinvenimento molto basse. Questa raccomandazione è strana per me perché la durezza è ancora piuttosto alta anche con una temperatura di rinvenimento di 200°C (400°F). A quanto pare sono alla ricerca di durezza su tutto il resto.
Carburi primari
I carburi “primari” più grandi che si formano durante la fusione e contribuiscono alla resistenza all’usura possono anche influire sulla durezza, almeno se presenti in quantità molto elevate. Di seguito ho un confronto tra Vanadis 4 Extra (8% carbide), 10V (16% carbide) e 15V (23% carbide) che sono acciai relativamente simili ma con diverse quantità di carburo di vanadio. Questa è la durezza” as-quenched ” per ogni acciaio dopo austenitizzazione, tempra piastra, e poi un tuffo in azoto liquido per un’ora. Puoi vedere che la durezza di picco era più alta quando c’era più carburo nell’acciaio:
ZDP-189 ha un contenuto molto elevato di carburo, circa il 30%. Questo contenuto molto alto del carburo probabilmente contribuisce ad aumentare la durezza dell’acciaio. Di seguito è riportato un micrografo che ho preso del mio ZDP-189 e ha più carburo di qualsiasi acciaio che ho fotografato diverso da Rex 121 che ho mostrato di seguito come confronto. È possibile confrontare con altri acciai in questo articolo.
ZDP-189-1850 ° F austenitize (volume del carburo di 31%)
Rex 121-1925 ° F austenitize (volume del carburo di 32%)
Riassunto di durezza
Quindi ZDP-189 supera la durezza in parecchi modi: 1) alto tenore di carbonio in soluzione, 2) austenite bassa trattenuta dal basso cromo in soluzione, 3) basse temperature di rinvenimento raccomandate per il rafforzamento delle precipitazioni e 4) alto volume di carburo. Ho eseguito solo un trattamento termico con ZDP-189 che ha utilizzato 1850°F austenitize, azoto liquido e temperamento 400°F. La scheda tecnica mostra circa 67 Rc ma ho ottenuto 65 Rc con quel trattamento termico. Non sono sicuro di cosa abbia causato la discrepanza. Non ho eseguito una serie di trattamenti termici per vedere la sua massima durezza potenziale. Tuttavia, una deviazione di 2 Rc non è incredibilmente grande e almeno 67 Rc dovrebbe essere possibile riducendo la temperatura di rinvenimento che ho usato. Forse una temperatura austenitizzazione più ottimizzata potrebbe aumentare ulteriormente la durezza.
Tenacità
Ho eseguito una misurazione della tenacità utilizzando lo stesso trattamento termico: 1850°F, tempra a piastre, azoto liquido e tempera a 400°F per 65 Rc. Con il suo alto contenuto di carburo e l’elevata durezza, la tenacità di ZDP-189 non dovrebbe essere elevata. E in effetti questo è stato trovato nella misurazione della tenacità. Ho la visione più ampia del grafico inossidabile e anche una vista ingrandita per vedere dove si adatta meglio:
ZDP-189 aveva la durezza più bassa di qualsiasi altro acciaio a parte forse il 62.5 Rc N690. Tuttavia, nessun altro acciaio inossidabile è stato testato sopra 64 Rc. AEB-L e CPM-154 avevano entrambi una durezza significativamente migliore a 64 Rc. Rex 121 e Maxamet sono stati testati con tenacità ancora inferiore, ma quelli erano 67 Rc o superiore. Quindi non ci sono molti confronti in una gamma di durezza simile. Indipendentemente da ciò, la tenacità non è particolarmente elevata come ci aspetteremmo da un acciaio a 65 Rc con un elevato volume di carburo. Ancora una volta, questa misurazione della tenacità non è una grande sorpresa, poiché anche Hitachi non ha misurato la tenacità di ZDP-189 come molto buona:
Edge Retention
Ho un risultato sperimentale per ZDP-189 dal test CATRA, con un valore di 162%. Tale percentuale è relativa a 440C a 58-59 Rc (con geometria del bordo identica). Quindi 440C è impostato su 100% e tutto il resto viene confrontato con quel valore. Questa ritenzione di ZDP-189 è relativamente alta, ma ancora al di sotto di acciai inossidabili come S90V. Questo perché ZDP-189 è fatto più morbido di carburi di cromo che non contribuirà a bordo di conservazione come vanadio carburi come in S90V.
Nel grafico sopra, guardando la linea di tendenza per il carburo di cromo ZDP-189 sembra un po ‘ basso. Se ciò è dovuto alla variabilità sperimentale (come la geometria del bordo leggermente diversa o l’affilatura che porta a un valore inferiore), lo ZDP-189 si avvicinerebbe a S90V, intorno al 190%. O forse questo sta indicando che c’è una certa saturazione dell’effetto del volume di carburo passato una certa quantità. Speriamo di poter condurre alcuni esperimenti CATRA in futuro per esaminare questo più. Tuttavia, un acciaio come S90V ottiene una maggiore ritenzione del bordo con meno carburo complessivo, il che presumibilmente significa che avrebbe una tenacità superiore per il suo livello di ritenzione del bordo.
Resistenza della corrosione
Come indicato nella sezione di durezza, ZDP-189 sembra avere cromo basso “nella soluzione” che è soprattutto che cosa controlla la resistenza della corrosione. Tuttavia, Hitachi ha presentato alla corrosione esperimenti con ZDP-189, che mostra l’acciaio omogenei per una resistenza alla corrosione 440C e ATS34:
ho già scritto su di resistenza alla corrosione in questo articolo, dove ho dato ZDP-189 una valutazione molto bassa per la resistenza alla corrosione e previsto che non si qualificano come “acciaio inox.”In quell’articolo ho finito una gamma di acciai a grana 400 dopo averli trattati a caldo e spruzzato acqua su di essi. Tutti gli acciai erano privi di ruggine / corrosione ad eccezione di XHP e quindi ho ritenuto che non si qualificasse come acciaio “inossidabile” anche se questa definizione è sorprendentemente dubbia tra i metallurgisti. Ho ripetuto questo esperimento con ZDP-189 insieme a Takefu SG2 e VG10 allo stesso tempo. I due acciai Takefu passarono senza corrosione, ma l’acciaio ZDP-189 vide una significativa ruggine dopo sole 8 ore.
Non ho una buona spiegazione del motivo per cui Hitachi ha trovato una resistenza alla corrosione decente con ZDP-189 mentre non l’ho fatto. Forse quei test acidi di perdita di massa non prevedono bene la ruggine. O forse avevano procedure di test scadenti o esagerato i loro risultati; non posso dire. Tuttavia, Thermo-Calc predice un basso Cr in soluzione, il rapporto Cr:C è molto basso e l’elevata durezza ottenibile indica che il Cr in soluzione è basso. Inoltre, ci sono segnalazioni da parte degli utenti sulla resistenza alla corrosione ZDP-189 relativamente scarsa . Quindi mi fido del mio test di corrosione su Hitachi. ZDP-189 non è un acciaio inossidabile.
Affilatura e finitura
ZDP-189 ha tutto il carburo di cromo che è buono dal punto di vista dell’affilatura o della finitura perché quei carburi sono più morbidi dell’ossido di alluminio. ZDP-189 è utilizzato in molti coltelli da cucina giapponesi ad alta durezza che sono spesso affilati con pietre acquatiche a base di ossido di alluminio. I carburi di vanadio in acciai come S30V e S90V sono più duri dell’ossido di alluminio che può renderli più difficili da affilare con abrasivi all’ossido di alluminio. Non impossibile, ma più difficile. Questo fatto probabilmente rende l’affilatura ZDP-189 un po ‘ più facile rispetto ad altri acciai con un livello simile di ritenzione del bordo. Finitura o lucidatura dell’acciaio sarebbe anche più facile grazie alla mancanza di carburo di vanadio.
Sostituzione ZDP-189 con un vero acciaio
Ci sono molti acciai non inossidabili che possono raggiungere 66+ Rc rendendo ZDP-189 un po ‘ meno speciale. Tuttavia, cosa succede se un produttore vuole un acciaio per abbinare le prestazioni di ZDP-189, ma vuole uno che è in realtà inox, piuttosto che un acciaio “semi-inox”? Per prima cosa dovremmo elencare le proprietà che vogliamo abbinare:
- Alta durezza
- Alta ritenzione del bordo
- Una mancanza di carburi di vanadio per aiutare con l’affilatura
CPM-154
Per ottenere un’elevata durezza vogliamo che il cromo in soluzione sia sul lato inferiore ma sia ancora inossidabile. Un modo per migliorare la resistenza alla corrosione senza cromo è con molibdeno, come mostrato in questo grafico dai miei esperimenti di resistenza alla corrosione:
Si può vedere che CPM-154 ha il Cr più basso degli acciai sul grafico, ma ha una resistenza alla corrosione decente grazie al suo alto contenuto di Mo. CPM-154 ha anche superato il “è inossidabile?”prova con acqua distillata. Molibdeno ha meno effetto sulla austenite trattenuta di Cr (vedi l’equazione Ms) quindi questo può essere un modo per ottenere relativamente elevata durezza pur essendo inossidabile. Ho anche provato le basse temperature di rinvenimento (<300°F) per vedere la spinta possibile dal rafforzamento delle precipitazioni. Normalmente non consiglio di temperare sotto i 300°F, ma Hitachi lo fa con ZDP-189, quindi immagino che non stia imbrogliando. CPM-154 ha anche il vantaggio di essere costituito da carburi di cromo, quindi l’affilatura non è influenzata dai carburi di vanadio più duri.
Conoscevo già la temperatura approssimativa di austenitizzazione per la durezza di picco da precedenti esperimenti di trattamento termico, quindi ho limitato la mia analisi a 2000, 2025 e 2050°F temperature di austenitizzazione con una presa di 20 minuti. Ho poi piatto spento, immerso in azoto liquido per 12 ore o giù di lì, e poi temperato due volte per 2 ore ogni volta alle seguenti temperature:
Sembra che non abbiamo abbastanza raggiunto 66 Rc, ma ci siamo quasi arrivati. Il calo della durezza superiore a 2025 ° F deriva dall’austenite in eccesso con tutto il carbonio e il cromo in soluzione. Ho fatto un trattamento termico di 2025°F con temperatura di 300 ° F che ha portato a circa 64,1 Rc per campioni di tenacità che puoi vedere nei diagrammi di tenacità precedenti. Il ~ 64 Rc CPM-154 aveva una tenacità significativamente più elevata rispetto allo ZDP-189, quindi ha un vantaggio di tenacità rispetto allo ZDP. Sarebbe interessante vedere come è la durezza con il temperamento 250°F e 65 + Rc, ma forse 64 Rc è sufficiente per la maggior parte delle persone.
S90V e S110V
Quindi penso che CPM-154 sia un’opzione decente data la sua relativa facilità nell’affilatura, potenziale per 65+ Rc e buona resistenza alle macchie. Tuttavia, è probabile un passo verso il basso da ZDP-189 in termini di ritenzione del bordo anche quando trattato termicamente a quella elevata durezza a causa del ridotto contenuto di carburo. Ci sono altre due opzioni da considerare se abbandoniamo il requisito di evitare i carburi di vanadio, che ci porta a S90V e S110V. Questi acciai superano la ritenzione del bordo di ZDP-189 ma richiedono un po ‘ più tempo per finire o lucidare a causa dei carburi duri. Ho fatto una serie di trattamenti termici con questi due nel tentativo di massimizzare la durezza e ho scoperto che potevano raggiungere 66 + Rc:
Questi acciai sono aiutati a raggiungere un’elevata durezza a causa dell’elevato contenuto di carburo, significativamente superiore a CPM-154. Il S110V ha più cromo in soluzione che porterebbe a più austenite trattenuta, ma il cobalto in S110V riduce l’austenite trattenuta in modo che il cromo sia compensato. Purtroppo non ho risultati tenacità per uno di questi acciai, se ad alta durezza o meno. Verranno in futuro. Ma questi acciai hanno un’elevata capacità di durezza, un’elevata ritenzione del bordo e una buona resistenza alla corrosione. Pertanto raccomando CPM-154 per durezza e facilità nell’affilatura e S90V o S110V per la massima ritenzione e durezza del bordo.
ZDP-189 potrebbe essere riprogettato per essere inossidabile?
ZDP-189 potrebbe essere riprogettato per essere inossidabile, a seconda del livello di durezza che sarebbe accettabile e ancora soddisfare le proprietà di destinazione. Per mantenere un volume di carburo di cromo simile per resistenza all’usura ma maggiore resistenza alla corrosione abbiamo bisogno di cromo più alto ma carbonio più basso. L’aumento del cromo da solo porterebbe a una maggiore resistenza alla corrosione, ma ancora più carburo che non vogliamo. Ridurre il carbonio da solo porterebbe a carburo e durezza ridotti ma a una migliore resistenza alla corrosione. Ma il cromo aumentato ed il carbonio riduttore possono mantenere il volume del carburo mentre aumentano la resistenza della corrosione. Ad esempio, secondo Thermo-Calc, un acciaio con 2,28% C e 24% Cr manterrebbe un contenuto di carburo di cromo simile del 30% mentre aumenterebbe il cromo in soluzione all ‘ 11% a 1875°F. Ciò significherebbe anche una significativa riduzione del carbonio in soluzione allo 0,4%, riducendo la durezza, probabilmente ancora 63 Rc o giù di lì dato tutto quel carburo e un trattamento crio. Con una temperatura di austenitizzazione più elevata, sarebbe trattabile dal calore ad almeno 64 Rc se non un paio di punti più in alto. Proprio come con CPM-154 e molti altri acciai inossidabili, uno dei principali fattori limitanti per la durezza sarebbe l’austenite trattenuta in eccesso. Ma sembra improbabile che qualsiasi versione modificata di ZDP-189 arrivi presto.
ZDP-189 vs Cowry-X
Come ci si potrebbe aspettare, le piccole differenze di aggiunta della lega tra ZDP-189 e Cowry-X non dovrebbero fare una differenza significativa nelle proprietà tra i due. Forse il più alto Mo e W in ZDP-189 migliora in qualche modo la resistenza alla corrosione, ma come visto in questo articolo non è sufficiente. Sarei sorpreso se ci fosse molta differenza misurabile tra i due acciai.
Sommario e conclusioni
ZDP-189 è un acciaio interessante a causa della sua elevata capacità di durezza nonostante sia pubblicizzato come acciaio inossidabile. Tuttavia, ha bassa tenacità e gli esperimenti di resistenza alla corrosione confermano che l’acciaio non è in realtà molto resistente alle macchie. Non lo considero un acciaio inossidabile. La sua ritenzione del bordo è buona ma ottiene quella ritenzione del bordo da un contenuto molto elevato di carburo che riduce la tenacità e il comportamento del bordo fine. Ci sono molte altre scelte d’acciaio che possono raggiungere l’alta durezza e/o la conservazione del bordo se i livelli inossidabili di resistenza della corrosione non sono richiesti, rendenti ZDP-189 molto meno speciale. A causa della falsa pubblicità di questo acciaio come “inossidabile”, do a ZDP-189 il premio “Acciaio più sopravvalutato” dei Nerds in acciaio.
Hashew, Mike. “La Ferrari degli acciai a lama?”Blade Magazine febbraio 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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