podziękowania dla Aarona T Grote, J. Brauna, Mr. KnifeGuy, jethro fluegel, Philipa Warda i Matta Petersona za to, że stali się oni zwolennikami Patreona!
ZDP-189 i Cowry-X
ZDP-189 to stal produkowana przez Hitachi, a Cowry-X jest produkowana przez Daido. Nie byłem w stanie znaleźć wiele podstawowych informacji na temat rozwoju tych stali. Sal Glesser ze Spyderco poinformował, że po raz pierwszy usłyszał o ZDP-189 około roku 2000 , a najwcześniejszą wzmiankę o Cowry-X znalazłem na Bladeforums w 2001 . Obie stale istnieją już od jakiegoś czasu. Fakt, że dwie firmy wypuściły zasadniczo ten sam produkt, być może wskazuje na to, że stal nie została opatentowana, co oznacza, że niewiele informacji na temat jej rozwoju byłoby dostępnych. Obie stale mają ciekawy skład z 3% węgla i 20% chromu wraz z kilkoma innymi drobnymi dodatkami. Istnieje kilka różnych zgłoszonych kompozycji dla ZDP-189 pod względem zawartości Mo, V i W, ale poniżej pochodzi od Spyderco.
od jakiegoś czasu interesowałem się tą stalą ze względu na jej bardzo wysoką potencjalną twardość, więc byłem podekscytowany, gdy Richard Airey z Barmond Special Steels zaproponował mi kawałek ZDP-189 do analizy.
Aktualizacja 2 / 4/ 2020: czytnik kujonów Ze Stali nożowej Yudai wysłał mi linki do patentów Daido i Hitachi. Miło mieć czytelników, którzy są lepsi w wyszukiwaniu patentów obcojęzycznych.
https://patents.google.com/patent/JPH11279677A/en?oq=11-279677
https://patents.google.com/patent/JP3894373B2/en?oq=09-104954
twardość
najbardziej intrygującą rzeczą w ZDP-189 i Cowry-X jest bardzo wysoka osiągalna twardość, 67 Rc lub nawet wyższa. Według arkusza danych ZDP-189 maksymalna twardość wynosi około 70 Rc, jeśli jest poddawana obróbce na zimno w suchym lodzie.
jedną z największych tajemnic ZDP-189 jest to, dlaczego jest w stanie osiągnąć tak wysoką twardość. Przeprowadziłem eksperymenty z obróbką cieplną na różnych stalach narzędziowych ze stali nierdzewnej i większość z nich wynosi około 63-65 Rc, więc w jaki sposób ZDP-189 jest w stanie zrobić to do 70 Rc? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy omówić, co kontroluje twardość, abyśmy mogli zobaczyć, które czynniki wykorzystuje ZDP-189.
węgiel w Martenzycie
podstawowym czynnikiem kontrolującym twardość stali narzędziowych jest ilość węgla, która znajduje się w martenzycie. Podczas austenityzacji węglik rozpuszcza się, umieszczając węgiel w roztworze austenitu, a następnie stal jest szybko hartowana, aby „zablokować” węgiel w martenzycie. Przeczytaj więcej o sile martenzyt w tym artykule. Przy 3% węgla można uzyskać sporo węgla w roztworze z ZDP-189 i Cowry-X.
można zobaczyć, że maksymalna twardość osiąga szczyt około 67 Rc lub tak i albo poziom off lub nawet zmniejsza się obok zawartości węgla o 1%. Powodem, dla którego twardość może spaść, jest nadmierny zachowany austenit. Można to zobaczyć na wykresie odpuszczania” bez podzero ” ZDP-189, gdzie austenityzacja 1025°C doprowadziła do niższej twardości niż austenityzacja 1000°C. Wyższa austenityzacja doprowadziła do większej ilości węgla w roztworze, ale nadmiernie zatrzymanego austenitu, dzięki czemu jego twardość została zmniejszona.
zachowany austenit
gdy Stal jest hartowana z fazy austenitu o wysokiej temperaturze, stal tworzy martenzyt, gdy jest stopniowo chłodzona. Tworzenie martenzytu nie jest kontrolowane przez czas, ale prawie całkowicie przez temperaturę. Tak więc tworzenie martenzytu jest opisywane przez temperatury takie jak początek martenzytu (temperatura, w której martenzyt zaczyna się formować) i koniec martenzytu (100% martenzytu). Różne pierwiastki stopowe, w tym węgiel, zmniejszają temperaturę początkową i końcową martenzytu, a temperatura końcowa może być niższa niż temperatura pokojowa. Gdy transformacja martenzytu jest niekompletna, w mikrostrukturze pozostaje austenit, który nazywa się” zachowanym ” austenitem. Austenit jest znacznie bardziej miękki niż martenzyt i dlatego, gdy jest obecny w znacznych ilościach, zmniejsza twardość. Obróbka na zimno, taka jak suchy lód lub ciekły azot, służy do chłodzenia stali bliżej temperatury wykończenia martenzytu, a tym samym zmniejsza zachowaną zawartość austenitu i zwiększa twardość. Możesz przeczytać więcej na temat zabiegów na zimno w tych artykułach: Część 1, część 2, Część 3. Jest jednak pewien punkt, w którym nawet ciekły azot nie przekształca już całego zachowanego austenitu, więc istnieje pewna granica twardości, którą można uzyskać nawet przy obróbce kriogenicznej.
stale nierdzewne mają znaczną ilość chromu w roztworze, aby poprawić odporność na korozję. Jednak chrom zmniejsza temperaturę początkową i końcową martenzytu, co zwiększa zachowany austenit. Oto równanie, które przybliża udział każdego elementu na początku martenzytu:
Ms (°C) = 539 – 423*C(%) – 30,4*Mn(%) – 12,1*Cr(%) – 7,5*Mo(%) – 7.5 * Si (%)
widać, że chrom nie ma najsilniejszego wpływu na Ms, ale gdy masz 10-15% Cr w roztworze, zaczyna się sumować. Jest to główny powód, dla którego większość stali narzędziowych ze stali nierdzewnej top out około 63-64 Rc, ponieważ z 11-12% Cr w roztworze, który jest o granicy pod względem unikania zatrzymanego austenitu z krio. Stale o wyższej odporności na korozję z 14-15% Cr w roztworze mają jeszcze niższe limity, dlatego lc200n / z-Finit i Vanax są ograniczone do około 61 Rc. Przeczytaj więcej o granicach twardości tych stali w tym artykule.
czy ZDP-189 ma niską zawartość chromu w roztworze, aby osiągnąć wysoką twardość? Według szacunków Thermo-Calc odpowiedź brzmi tak, przewidując około 6,5% chromu w roztworze w temperaturze 1025°C. byłem zszokowany tą liczbą, ponieważ oczekuje się, że stale nierdzewne będą miały co najmniej 10% chromu w roztworze. Jednak patrząc na stosunek Cr: C ma to sens. Poniżej pokazałem równowagę Cr: C dla szeregu stali, które mają niewiele innych pierwiastków stopowych, aby zmącić analizę:
widać, że nawet nie nierdzewna stal D2 ma wyższy Cr:C balans niż ZDP-189. Nie jest to idealny sposób na oszacowanie chromu w roztworze, ale daje nam prostą kontrolę oszacowania termo-Calc. Co to oznacza dla odporności na korozję ZDP-189? Dojdziemy do tego później, ale najpierw …
odpuszczanie węglików
ogólnie twardość jest kontrolowana przede wszystkim przez wytrzymałość martenzytu, a następnie ograniczona przez zachowaną zawartość austenitu. Jednak węgliki wpływają również na twardość. Podczas odpuszczania powstają bardzo małe węgliki, a w pewnych temperaturach odpuszczania węgliki te mają odpowiedni rozmiar, aby zwiększyć twardość. W przypadku stali nierdzewnych istnieją dwa piki, które można zobaczyć w krzywych twardości ZDP-189 zamieszczonych powyżej. Jeden ma temperaturę około 100°C (212°F), a drugi około 525°C (975°f). Możesz przeczytać więcej o tym „wzmacnianiu opadów” w tym artykule na temat hartowania. Karta katalogowa ZDP-189 zaleca zakres odpuszczania 100-150°C (212-300°F), które są najniższymi temperaturami odpuszczania, jakie kiedykolwiek widziałem, zalecanymi w arkuszu danych. Zalecenie to jest najwyraźniej do wykorzystania, że opady wzmocnienie szczyt z niskich temperaturach odpuszczania, bez względu na wytrzymałość lub inne niekorzystne skutki z bardzo niskich temperaturach odpuszczania. To zalecenie jest dla mnie dziwne, ponieważ twardość jest nadal dość wysoka, nawet przy temperaturze odpuszczania 200°C (400°F). Widocznie oni szukają twardości nad wszystkim innym.
węgliki pierwotne
większe „pierwotne” węgliki, które tworzą się podczas odlewania i przyczyniają się do odporności na zużycie, mogą również wpływać na twardość, przynajmniej gdy są obecne w bardzo dużych ilościach. Poniżej mam porównanie Vanadis 4 Extra (8% węglika), 10V (16% węglika) i 15V (23% węglika), które są stosunkowo podobnymi stalami, ale z różnymi ilościami węglika wanadu. Jest to twardość „as-hartowana” dla każdej stali po austenityzowaniu, hartowaniu płyty, a następnie zanurzeniu w ciekłym azocie przez godzinę. Widać, że szczytowa twardość była wyższa, gdy w stali było więcej węglika:
ZDP-189 ma bardzo wysoką zawartość węglika, około 30%. Ta bardzo wysoka zawartość węglików prawdopodobnie pomaga zwiększyć twardość stali. Poniżej znajduje się mikrograf, który wziąłem z mojego ZDP-189 i ma więcej węglika niż jakakolwiek stal, którą sfotografowałem, inna niż Rex 121, którą pokazałem poniżej jako porównanie. Możesz porównać z innymi stalami w tym artykule.
ZDP-189-1850°f austenityzacja (31% objętości węglika)
Rex 121-1925°f austenityzacja (32% objętości węglika)
podsumowanie twardości
dlatego ZDP-189 maksymalizuje twardość na kilka sposobów: 1) wysoki węgiel w roztworze, 2) niski zachowany austenit z niskiego chromu w roztworze, 3) niskie zalecane temperatury odpuszczania dla wzmocnienia strącania i 4) wysoka objętość węglika. Wykonałem tylko jedną obróbkę cieplną za pomocą ZDP-189, który używał austenityzacji 1850°F, ciekłego azotu i temperatury 400°F. Arkusz danych pokazuje o 67 Rc, ale mam 65 Rc z tą obróbką cieplną. Nie wiem, co spowodowało tę rozbieżność. Nie wykonałem szeregu obróbki cieplnej, aby zobaczyć jego maksymalną potencjalną twardość. Jednak odchylenie 2 Rc nie jest niewiarygodnie duże, a co najmniej 67 Rc powinno być możliwe dzięki zmniejszeniu temperatury odpuszczania, której użyłem. Być może bardziej zoptymalizowana temperatura austenityzacji mogłaby dodatkowo zwiększyć twardość.
wytrzymałość
wykonałem pomiar wytrzymałości przy użyciu tej samej obróbki cieplnej: 1850°F, hartowanie płyty, ciekły azot i temperatura 400 ° F dla 65 Rc. Dzięki wysokiej zawartości węglików i wysokiej twardości wytrzymałość ZDP-189 nie powinna być wysoka. I rzeczywiście stwierdzono to w pomiarze wytrzymałości. Mam szerszy widok wykresu ze stali nierdzewnej, a także powiększony-aby zobaczyć, gdzie pasuje lepiej:
ZDP-189 miał najniższą wytrzymałość jakąkolwiek inną stal nierdzewną poza być może 62.5 RC N690. Jednak żadna inna stal nierdzewna nie była testowana powyżej 64 Rc. AEB-L i CPM-154 miały znacznie lepszą wytrzymałość przy 64 Rc. Rex 121 i Maxamet były testowane Z jeszcze niższą wytrzymałością, ale były to 67 Rc lub wyższe. Nie ma więc wielu porównań w podobnym zakresie twardości. Niezależnie od tego, wytrzymałość nie jest szczególnie wysoka, jak można by oczekiwać od stali w 65 Rc z dużą ilością węglika. Ponownie, ten pomiar wytrzymałości nie jest dużym zaskoczeniem, ponieważ nawet Hitachi nie zmierzył wytrzymałości ZDP-189 jako bardzo dobrej:
retencja krawędzi
mam wynik eksperymentalny dla ZDP-189 z testów CATRA, o wartości 162%. Odsetek ten jest względny do 440C przy 58-59 Rc (z identyczną geometrią krawędzi). Więc 440C jest ustawione na 100% i wszystko inne jest porównywane do tej wartości. Ta retencja krawędzi ZDP-189 jest stosunkowo wysoka, ale nadal poniżej stali nierdzewnych, takich jak S90V. dzieje się tak dlatego, że ZDP-189 składa się z bardziej miękkich węglików chromu, które nie przyczyniają się tak bardzo do retencji krawędzi, jak węgliki wanadu, takie jak S90V.
na powyższym wykresie patrząc na linię trendu dla węglika chromu ZDP-189 wygląda nieco nisko. Jeśli wynika to z eksperymentalnej zmienności (takiej jak nieco inna geometria krawędzi lub ostrzenie prowadzące do niższej wartości), ZDP-189 zbliżyłby się do S90V, około 190%. A może to wskazuje, że istnieje pewne nasycenie efektu objętości węglika powyżej pewnej ilości. Miejmy nadzieję, że w przyszłości będziemy mogli przeprowadzić eksperymenty z CATRĄ, aby przyjrzeć się temu bliżej. Jednak stal taka jak s90v ma wyższą retencję krawędzi przy mniejszej ogólnej liczbie węglików, co prawdopodobnie oznacza, że miałaby lepszą wytrzymałość dla danego poziomu retencji krawędzi.
odporność na korozję
jak wskazano w sekcji twardości, ZDP-189 wydaje się mieć niski poziom chromu „w roztworze”, który przede wszystkim kontroluje odporność na korozję. Jednak firma Hitachi przedstawiła eksperymenty korozyjne z ZDP-189, które pokazują, że stal ma porównywalną odporność na korozję do 440C i ATS34:
wcześniej pisałem o odporności na korozję w tym artykule, w którym dałem ZDP-189 bardzo niską ocenę odporności na korozję i przewidywałem, że nie kwalifikuje się jako „nierdzewny.”W tym artykule skończyłem gamę stali do ziarna 400 po obróbce cieplnej i spryskałem je wodą. Wszystkie stale były wolne od rdzy / korozji z wyjątkiem XHP, więc uznałem, że nie kwalifikuje się jako stal „nierdzewna”, chociaż definicja ta jest zaskakująco wątpliwa wśród metalurgów. Powtórzyłem ten eksperyment z ZDP-189 wraz z Takefu SG2 i VG10 w tym samym czasie. Dwie stale Takefu przeszły bez korozji, ale stal ZDP-189 uległa znacznemu rdzewieniu po zaledwie 8 godzinach.
nie mam dobrego wyjaśnienia, dlaczego Hitachi znalazł przyzwoitą odporność na korozję z ZDP-189, podczas gdy ja nie. Być może te testy na utratę masy nie przewidują dobrze rdzewienia. A może mieli słabe procedury testowania lub wyolbrzymiali swoje wyniki; nie mogę powiedzieć. Jednak Thermo-Calc przewiduje niski Cr w roztworze, stosunek Cr: C jest bardzo niski, a wysoka osiągalna twardość wskazuje na niski Cr w roztworze. Ponadto istnieją doniesienia od użytkowników o stosunkowo niskiej odporności na korozję ZDP-189 . Więc ufam moim testom korozyjnym nad Hitachi. ZDP-189 nie jest stalą nierdzewną.
ostrzenie i wykańczanie
ZDP-189 ma cały węglik chromu, który jest dobry z punktu widzenia ostrzenia lub wykańczania, ponieważ węgliki te są bardziej miękkie niż tlenek glinu. ZDP-189 jest stosowany w wielu japońskich nożach kuchennych o wysokiej twardości, które często są zaostrzone kamieniami wodnymi na bazie tlenku glinu. Węgliki wanadu w stalach takich jak S30V i S90V są twardsze niż tlenek glinu, który może utrudnić ich ostrzenie za pomocą materiałów ściernych z tlenku glinu. Nie niemożliwe, ale trudniejsze. Fakt ten prawdopodobnie sprawia, że ostrzenie ZDP – 189 jest nieco łatwiejsze w porównaniu z innymi stalami o podobnym poziomie retencji krawędzi. Wykończenie lub polerowanie stali byłoby również łatwiejsze dzięki braku węglika wanadu.
Wymiana ZDP-189 na prawdziwą stal nierdzewną
istnieje wiele stali nie nierdzewnych, które mogą osiągnąć 66+ RC, dzięki czemu ZDP-189 jest nieco mniej wyjątkowy. Co jednak, jeśli producent chce, aby Stal pasowała do wydajności ZDP-189, ale chce taką, która jest rzeczywiście nierdzewna, a nie” pół-nierdzewna ” stal? Najpierw powinniśmy wymienić właściwości, które chcemy dopasować:
- wysoka twardość
- wysoka retencja krawędzi
- brak węglików wanadu, aby pomóc w ostrzeniu
CPM-154
aby osiągnąć wysoką twardość, chcemy, aby chrom w roztworze był na dolnej stronie, ale nadal był nierdzewny. Jednym ze sposobów na poprawę odporności na korozję bez chromu jest molibden, jak pokazano na tym wykresie z moich eksperymentów odporności na korozję:
widać, że CPM-154 ma najniższy Cr ze stali na wykresie, ale ma przyzwoitą odporność na korozję dzięki wysokiej zawartości Mo. CPM – 154 również przeszedł „czy to jest stal nierdzewna?”test z wodą destylowaną. Molibden ma mniejszy wpływ na zatrzymanego austenitu niż Cr (patrz równanie Ms), więc może to być sposób na osiągnięcie stosunkowo wysokiej twardości pomimo stali nierdzewnej. Próbowałem również niskich temperatur odpuszczania (<300°F), aby zobaczyć możliwy wzrost od wzmocnienia opadów. Normalnie nie polecam odpuszczania poniżej 300°F, ale Hitachi robi z ZDP-189, więc pomyślałem, że to nie oszustwo. CPM-154 ma również tę zaletę, że składa się z węglików chromu, więc na ostrzenie nie mają wpływu twardsze węgliki wanadu.
znałem już przybliżoną temperaturę austenityzacji dla twardości szczytowej z poprzednich eksperymentów obróbki cieplnej, więc ograniczyłem moją analizę do temperatur austenityzowania 2000, 2025 i 2050°F z 20 minutowym zatrzymaniem. Następnie płyta hartowana, zanurzana w ciekłym azocie przez około 12 godzin, a następnie hartowana dwa razy przez 2 godziny za każdym razem w następujących temperaturach:
wygląda na to, że nie dotarliśmy do 66 Rc, ale prawie tam dotarliśmy. Spadek twardości powyżej 2025°F wynika z nadmiaru zatrzymanego austenitu z całym tym węglem i chromem w roztworze. Zrobiłem obróbkę cieplną 2025°F z temperamentem 300 ° F, co dało około 64.1 Rc dla próbek o wytrzymałości, które można zobaczyć w poprzednich diagramach wytrzymałości. CPM-154 ~64 RC miał znacznie wyższą wytrzymałość niż ZDP-189, więc ma przewagę wytrzymałości nad ZDP. Byłoby interesujące zobaczyć, jaka jest twardość z temperamentem 250 ° F i 65 + Rc, ale być może 64 RC wystarczy dla większości ludzi.
S90V i s110v
więc myślę, że CPM-154 jest przyzwoitą opcją ze względu na względną łatwość ostrzenia, Potencjał 65+ Rc i dobrą odporność na plamy. Jednak prawdopodobnie jest to krok w dół od ZDP-189 pod względem retencji krawędzi, nawet gdy obróbka cieplna jest tak wysoka twardość ze względu na zmniejszoną zawartość węglika. Istnieją dwie inne opcje, na które należy spojrzeć, jeśli zrezygnujemy z wymogu unikania węglików wanadu, co prowadzi nas do s90v i S110V. stale te przekraczają retencję krawędzi ZDP-189, ale są nieco bardziej czasochłonne do wykończenia lub polerowania z powodu twardych węglików. Zrobiłem zestaw obróbki cieplnej z tymi dwoma, próbując maksymalnie zwiększyć twardość i odkryłem, że mogą osiągnąć 66 + Rc:
stale te pomagają w osiągnięciu wysokiej twardości ze względu na wysoką zawartość węglików, znacznie wyższą niż CPM-154. S110V ma więcej chromu w roztworze, co prowadziłoby do bardziej zatrzymanego austenitu, ale kobalt w S110V zmniejsza zatrzymany austenit, więc chrom jest kompensowany. Niestety nie mam wyników wytrzymałości dla żadnej z tych stali, czy to przy wysokiej twardości, czy nie. Przyjdą w przyszłości. Ale te stale mają wysoką twardość, wysoką retencję krawędzi i dobrą odporność na korozję. Dlatego polecam CPM – 154 dla wytrzymałości i łatwości ostrzenia oraz S90V lub s110v dla najwyższej retencji krawędzi i twardości.
czy ZDP-189 można przeprojektować na stal nierdzewną?
ZDP-189 można przeprojektować na stal nierdzewną, w zależności od poziomu twardości, który byłby akceptowalny i nadal spełniałby właściwości docelowe. Aby utrzymać podobną objętość węglika chromu dla odporności na zużycie, ale zwiększonej odporności na korozję, potrzebujemy wyższego chromu, ale niższego węgla. Zwiększenie samego chromu doprowadziłoby do wyższej odporności na korozję, ale nawet więcej węglika, którego nie chcemy. Redukcja samego węgla doprowadziłaby do zmniejszenia węglika i twardości, ale poprawiłaby odporność na korozję. Ale zwiększony chrom i zredukowany węgiel mogą utrzymać objętość węglika przy jednoczesnym zwiększeniu odporności na korozję. Na przykład, zgodnie z Thermo-Calc, Stal o 2,28% C i 24% Cr utrzymałaby podobną zawartość węglika chromu na poziomie 30%, jednocześnie zwiększając chrom w roztworze do 11% w temperaturze 1875°F. oznaczałoby to również znaczną redukcję węgla w roztworze do 0,4%, zmniejszając twardość, prawdopodobnie nadal 63 Rc lub tak, biorąc pod uwagę cały ten węglik i obróbkę krio. Przy wyższej temperaturze austenityzacji można byłoby poddać obróbce cieplnej co najmniej 64 Rc, jeśli nie kilka punktów wyżej. Podobnie jak w przypadku CPM-154 i wielu innych stali nierdzewnych, jednym z głównych czynników ograniczających twardość byłby nadmiar zatrzymanego austenitu. Ale wydaje się mało prawdopodobne, że jakakolwiek zmodyfikowana wersja ZDP-189 pojawi się w najbliższym czasie.
ZDP-189 vs Cowry-X
jak można się spodziewać, małe różnice w dodawaniu stopów między ZDP-189 i Cowry-X nie powinny mieć znaczącej różnicy we właściwościach między tymi dwoma. Być może wyższe Mo i w w ZDP-189 nieco poprawia odporność na korozję, ale jak widać w tym artykule, to nie wystarczy. Byłbym zaskoczony, gdyby między tymi dwoma stalami była duża mierzalna różnica.
Podsumowanie i wnioski
ZDP-189 jest interesującą stalą ze względu na wysoką twardość, mimo że jest reklamowana jako stal nierdzewna. Ma jednak niską wytrzymałość, a eksperymenty odporności na korozję potwierdzają, że stal nie jest w rzeczywistości bardzo odporna na plamy. Nie uważam go za stal nierdzewną. Jego zachowanie krawędzi jest dobre, ale uzyskuje to zachowanie krawędzi dzięki bardzo wysokiej zawartości węglika, co zmniejsza wytrzymałość i zachowanie krawędzi. Istnieje wiele innych opcji stali, które mogą osiągnąć wysoką twardość i / lub retencję krawędzi, jeśli nie są wymagane poziomy odporności na korozję ze stali nierdzewnej, dzięki czemu ZDP-189 jest znacznie mniej wyjątkowy. Ze względu na fałszywą reklamę tej stali jako „nierdzewnej” przyznam ZDP – 189 nagrodę „najbardziej Przereklamowanej stali”.
„Ferrari Blade Steels?”Blade Magazine February 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
Jak Ładowanie…
