tack till Aaron t Grote, J. Braun, MR KnifeGuy, jethro fluegel, Philip Ward och Matt Peterson för att bli Knivstålnördar Patreon-supportrar!
ZDP-189 och Cowry-X
ZDP-189 är ett stål tillverkat av Hitachi och Cowry-X tillverkas av Daido. Jag har inte kunnat hitta mycket bakgrundsinformation om utvecklingen av dessa stål. Sal Glesser från Spyderco rapporterade att han först hörde talas om ZDP-189 runt år 2000 , och den tidigaste referensen jag har hittat till Cowry-X på Bladeforums 2001 . Så båda stålen har funnits länge. Det faktum att två företag släppte i huvudsak samma produkt tyder kanske på att stålet inte var patenterat, vilket innebär att lite information skulle finnas tillgänglig om dess utveckling. Båda stålen har en intressant komposition med 3% kol och 20% krom tillsammans med några andra små tillsatser. Det finns några olika rapporterade kompositioner för ZDP-189 när det gäller Mo -, V-och W-innehållet men nedan är från Spyderco.
jag har varit nyfiken på detta stål under en tid nu på grund av dess mycket höga potentiella hårdhet, så jag var upphetsad när Richard Airey från Barmond Special Steels erbjöd mig en bit ZDP-189 för analys.
Uppdatering 2/4/2020: Knife Steel Nerds reader Yudai skickade mig länkar till patenten av Daido och Hitachi. Det är trevligt att ha läsare som är bättre på att söka främmande språkpatent.
https://patents.google.com/patent/JPH11279677A/en?oq=11-279677
https://patents.google.com/patent/JP3894373B2/en?oq=09-104954
hårdhet
det mest spännande med ZDP-189 och Cowry-X är den mycket höga erhållna hårdheten, 67 Rc eller ännu högre. Enligt databladet ZDP-189 är den maximala hårdheten cirka 70 Rc om den ges en kall behandling i torris.
så en av de största mysterierna om ZDP-189 är varför den kan nå så hög hårdhet. Jag har gjort värmebehandlingsexperiment över en rad olika rostfria verktygsstål och mest max ut runt 63-65 Rc, så hur kan ZDP-189 göra det till 70 Rc? För att svara på den frågan måste vi diskutera vad som styr hårdhet så att vi kan se vilka faktorer ZDP-189 utnyttjar.
kol i martensit
den primära faktorn som styr hårdheten i verktygsstål är mängden kol som finns i martensiten. Under austenitisering löses karbid och sätter kol i lösning i austenit, och sedan släckes stålet snabbt för att ”låsa in” kolet i martensiten. Läs mer om martensitens styrka i den här artikeln. Med 3% kol är det möjligt att få en hel del kol i lösning med ZDP-189 och Cowry-X.
du kan se att maxhårdheten når en topp runt 67 Rc eller så och antingen nivåer av eller till och med minskar förbi ett kolinnehåll på ca 1%. Anledningen till att hårdheten kan sjunka är på grund av överdriven kvarhållen austenit. Detta kan ses i” utan subzero ” -tempereringstabellen för ZDP-189 där 1025 C austenitize ledde till lägre hårdhet än 1000 C austenitize. Ju högre austenitize ledde till mer kol i lösning men överdriven kvarhållen austenit så att hårdheten reducerades.
bibehållen austenit
när stål släckes från högtemperaturaustenitfasen bildar stålet martensit när det gradvis kyls. Martensitbildning styrs inte av tiden utan nästan helt av temperaturen. Så martensitbildning beskrivs av temperaturer som martensitstart (temperaturen vid vilken martensit börjar bildas) och martensitfinish (100% martensit). Olika legeringselement, inklusive kol, minskar martensitens start-och sluttemperaturer, och sluttemperaturen kan ligga under rumstemperatur. När martensittransformationen är ofullständig finns det austenit kvar i mikrostrukturen, som kallas ”bibehållen” austenit. Austenit är mycket mjukare än martensit och därför kommer det att minska hårdheten när den är närvarande i betydande mängder. Kallbehandlingar som torris eller flytande kväve används för att kyla stålet närmare martensitfinishtemperaturen och därmed minska det kvarhållna austenitinnehållet och öka hårdheten. Du kan läsa mer om kalla behandlingar i dessa artiklar: Del 1, del 2, del 3. Det finns en viss punkt, dock, där även flytande kväve inte längre omvandlar alla behållna austenit så det finns en viss gräns för hårdhet som kan erhållas även med cryo behandlingar.
rostfritt stål har en betydande mängd krom i lösning för att förbättra korrosionsbeständigheten. Krom minskar dock martensit start-och sluttemperaturer som ökar kvarhållen austenit. Här är en ekvation som approximerar bidraget från varje element på martensitstart:
Ms (239-423*C (%) – 30,4*Mn (%) – 12,1*Cr (%) – 7,5*Mo (%) – 7.5 * Si (%)
du kan se att Krom inte har den starkaste effekten på Ms, men när du har 10-15% Cr i lösning börjar det lägga till. Detta är den främsta anledningen till att de flesta rostfria verktygsstål toppar runt 63-64 Rc, för med 11-12% Cr i lösning som handlar om gränsen när det gäller att undvika kvarhållen austenit med cryo. Högre korrosionsbeständighet stål med 14-15% Cr i lösning har ännu lägre gränser, vilket är troligt varför LC200N / Z-Finit och Vanax är begränsade till cirka 61 Rc. Läs mer om hårdhetsgränserna för dessa stål i den här artikeln.
har ZDP – 189 låg krom i lösning för att uppnå sin höga hårdhet? Enligt Thermo-Calc uppskattningar svaret är ja, förutsäga om 6.5% krom i lösning vid 1025 C. jag var ganska chockad av detta antal som rostfritt stål förväntas ha minst 10% krom i lösning. Men när man tittar på CR: C-förhållandet är det meningsfullt. Nedan har jag visat CR: C-balansen för en rad stål som har lite andra legeringselement för att leriga analysen:
du kan se att även det icke-rostfria D2-stålet har en högre Cr:C balans än ZDP-189. Detta är inte ett perfekt sätt för att uppskatta krom i lösning, men det ger oss en enkel kontroll av Thermo-Calc uppskattning. Vad betyder detta för korrosionsbeständigheten hos ZDP-189? Vi kommer till det senare, men först…
härdande karbider
i allmänhet styrs hårdheten främst av martensitens styrka och begränsas sedan av det kvarhållna austenitinnehållet. Karbider påverkar emellertid också hårdheten. Vid härdning bildas mycket små karbider, och vid vissa härdningstemperaturer är dessa karbider rätt storlek för att öka hårdheten. Med rostfritt stål finns det två toppar, som du kan se i ZDP-189 hårdhetskurvor som anges ovan. Den ena är ca 100 CCB (212 FCB) och den andra är ca 525 CCB (975 FCB). Du kan läsa mer om denna ”utfällningsförstärkning” i den här artikeln om temperering. ZDP – 189-databladet rekommenderar ett tempereringsområde på 100-150 C (212-300 F) som är de lägsta tempereringstemperaturerna jag någonsin sett rekommenderas i ett datablad. Denna rekommendation är tydligen att utnyttja den nederbördsförstärkningstoppen med låga tempereringstemperaturer, utan hänsyn till seghet eller andra negativa effekter från mycket låga tempereringstemperaturer. Denna rekommendation är konstigt för mig eftersom hårdheten är fortfarande ganska hög även med en 200 C (400 F) anlöpningstemperatur. Tydligen söker de hårdhet över allt annat.
primära karbider
de större ”primära” karbiderna som bildas under gjutning och bidrar till slitstyrka kan också påverka hårdheten, åtminstone när de finns i mycket stora mängder. Nedan har jag en jämförelse mellan Vanadis 4 Extra (8% karbid), 10V (16% karbid) och 15V (23% karbid) som är relativt lika stål men med olika mängder vanadinkarbid. Detta är den” As-quenched ” hårdheten för varje stål efter austenitisering, plåtsläckning och sedan ett dopp i flytande kväve i en timme. Du kan se att topphårdheten var högre när det fanns mer hårdmetall i stålet:
ZDP-189 har ett mycket högt innehåll av karbid, ca 30%. Detta mycket höga karbidinnehåll bidrar förmodligen till att öka hårdheten hos stålet. Nedan är en mikrograf jag tog av min ZDP-189 och den har mer karbid än något stål jag har fotograferat annat än Rex 121 som jag har visat nedan som en jämförelse. Du kan jämföra med andra stål i den här artikeln.
ZDP-189-1850 f AUSTENITIZE (31% karbid volym)
Rex 121-1925 Occubic f austenitize (32% karbidvolym)
Hårdhetsöversikt
därför ZDP-189 maximerar hårdheten på flera sätt: 1) högt kol i lösning, 2) låg kvarhållen austenit från det låga kromet i lösning, 3) låga rekommenderade tempereringstemperaturer för utfällningsförstärkning och 4) hög karbidvolym. Jag utförde bara en värmebehandling med ZDP-189 som använde 1850 kcal f austenitize, flytande kväve och 400 kcal f-temperament. Databladet visar om 67 Rc men jag fick 65 Rc med den värmebehandlingen. Jag är inte säker på vad som orsakade avvikelsen. Jag utförde inte en rad värmebehandlingar för att se sin maximala potentiella hårdhet. En 2 Rc avvikelse är dock inte otroligt stor, och minst 67 Rc bör vara möjligt genom att minska tempereringstemperaturen jag använde. Kanske kan en mer optimerad austenitiseringstemperatur ytterligare öka hårdheten.
seghet
jag utförde en seghetsmätning med samma värmebehandling: 1850 kg f, plattavkylning, flytande kväve och 400 kg f-temperament för 65 Rc. Med sin höga karbidhalt och hög hårdhet förväntas inte segheten hos ZDP-189 vara hög. Och det hittades faktiskt i seghetsmätningen. Jag har en bredare bild av det rostfria diagrammet och även en inzoomad för att se var den passar bättre:
ZDP – 189 hade den lägsta segheten hos någon annan rostfri bortsett från kanske 62.5 Rc N690. Inget annat rostfritt stål testades dock över 64 Rc. AEB-L och CPM-154 hade båda betydligt bättre seghet vid 64 Rc. Rex 121 och Maxamet testades med ännu lägre seghet men de var 67 Rc eller högre. Så det finns inte många jämförelser i ett liknande hårdhetsområde. Oavsett är segheten inte särskilt hög som vi förväntar oss av ett stål vid 65 Rc med en hög volym hårdmetall. Återigen är denna seghetsmätning inte en stor överraskning, eftersom även Hitachi inte mätte segheten hos ZDP-189 som mycket bra:
Edge Retention
jag har ett experimentellt resultat för ZDP-189 från CATRA-testning, med ett värde av 162%. Den procentsatsen är relativt 440C vid 58-59 Rc (med identisk kantgeometri). Så 440C är inställd på 100% och allt annat jämförs med det värdet. Denna kantretention av ZDP-189 är relativt hög men fortfarande under rostfria stål som S90V. detta beror på att ZDP-189 består av de mjukare kromkarbiderna som inte bidrar lika mycket till kantretention som vanadinkarbider som i S90V.
i diagrammet ovan ser man på trendlinjen för kromkarbid ZDP-189 en smula låg. Om detta beror på experimentell variation (som något annorlunda kantgeometri eller skärpning som leder till ett lägre värde) som skulle ta ZDP-189 närmare S90V, cirka 190%. Eller kanske detta indikerar att det finns en viss mättnad av effekten av karbidvolymen förbi en viss mängd. Förhoppningsvis kan vi genomföra några CATRA-experiment i framtiden för att undersöka detta mer. Ett stål som S90V får emellertid högre kantretention med mindre total karbid vilket förmodligen innebär att det skulle ha överlägsen seghet för sin givna nivå av kantretention.
korrosionsbeständighet
som anges i hårdhetssektionen verkar ZDP-189 ha lågt krom ”i lösning” vilket främst är det som styr korrosionsbeständighet. Hitachi presenterade emellertid korrosionsexperiment med ZDP-189 som visar att stålet har jämförbar korrosionsbeständighet mot 440C och ATS34:
jag skrev tidigare om korrosionsbeständighet i den här artikeln, där jag gav ZDP-189 ett mycket lågt betyg för korrosionsbeständighet och förutspådde att det inte kvalificerades som ”rostfritt.”I den artikeln avslutade jag en rad stål till 400 grit efter att ha värmebehandlat dem och sprutat vatten på dem. Alla stål var rost / korrosionsfria förutom XHP och så ansåg jag att det inte kvalificerar sig som ett ”rostfritt” stål, men den definitionen är förvånansvärt tvivelaktig bland metallurgister. Jag upprepade detta experiment med ZDP-189 tillsammans med Takefu SG2 och VG10 samtidigt. De två Takefu-stålen passerade utan korrosion men ZDP-189-stålet såg betydande rost efter bara 8 timmar.
jag har ingen bra förklaring till varför Hitachi hittade anständigt korrosionsbeständighet med ZDP-189 medan jag inte gjorde det. Kanske förutsäger dessa massförlustsyretester inte rostning bra. Eller kanske hade de dåliga testprocedurer eller överdrivna sina resultat; jag kan inte säga. Thermo-Calc förutspår dock låg Cr i lösning, CR: C-förhållandet är mycket lågt och den höga erhållna hårdheten pekar alla på att Cr i lösning är låg. Dessutom finns det rapporter från användare om att ZDP-189-korrosionsbeständigheten är relativt dålig . Så jag litar på mitt korrosionstest över Hitachis. ZDP-189 är inte ett rostfritt stål.
slipning och efterbehandling
ZDP-189 har allt kromkarbid vilket är bra från en skärpning eller efterbehandling eftersom dessa karbider är mjukare än aluminiumoxid. ZDP – 189 används i många japanska köksknivar med hög hårdhet som ofta slipas med aluminiumoxidbaserade vattenstenar. Vanadinkarbider i stål som S30V och S90V är hårdare än aluminiumoxid vilket kan göra det svårare att skärpa dem med slipmedel av aluminiumoxid. Inte omöjligt, men svårare. Detta faktum gör sannolikt skärpning ZDP-189 lite lättare jämfört med andra stål med en liknande nivå av kanthållning. Efterbehandling eller polering av stålet skulle också vara lättare tack vare bristen på vanadinkarbid.
byte av ZDP-189 med ett riktigt rostfritt
det finns många icke-rostfria stål som kan uppnå 66+ Rc vilket gör ZDP-189 lite mindre speciell. Men vad händer om en tillverkare vill ha ETT stål för att matcha prestandan hos ZDP-189 men vill ha en som faktiskt är rostfritt snarare än ett ”halvrostfritt” stål? Först bör vi lista de egenskaper vi vill matcha:
- hög hårdhet
- hög kantretention
- brist på vanadinkarbider för att hjälpa till med skärpning
CPM-154
för att uppnå hög hårdhet vill vi att krom i lösning ska vara på undersidan men ändå vara rostfritt. Ett sätt att förbättra korrosionsbeständigheten utan krom är med molybden, som visas i detta diagram från mina korrosionsbeständighetsexperiment:
du kan se att CPM-154 har den lägsta CR av stålen på diagrammet, men har anständigt korrosionsbeständighet tack vare sitt höga Mo-innehåll. CPM – 154 passerade också ” är det rostfritt?”testa med destillerat vatten. Molybden har mindre effekt på kvarhållen austenit än Cr (se Ms-ekvationen) så detta kan vara ett sätt att uppnå relativt hög hårdhet trots att det är rostfritt. Jag försökte också låga tempereringstemperaturer (<300 kcal F) för att se ökningen möjlig från utfällningsförstärkning. Jag rekommenderar normalt inte anlöpning under 300 kcal F men Hitachi gör med ZDP-189 så jag tycker att det inte är fusk. CPM – 154 har också fördelen att den består av kromkarbider så att skärpning inte påverkas av de hårdare vanadinkarbiderna.
jag visste redan den ungefärliga austenitiseringstemperaturen för topphårdhet från tidigare värmebehandlingsexperiment, så jag begränsade min analys till 2000, 2025 och 2050 kcal f austenitiseringstemperaturer med 20 minuters håll. Jag släckte sedan plattan, doppades i flytande kväve i 12 timmar eller så och tempererades sedan två gånger i 2 timmar varje gång vid följande temperaturer:
det ser ut som om vi inte riktigt nådde 66 Rc men vi kom nästan dit. Nedgången i hårdhet över 2025 kcal F är från överskott behålls austenit med allt som kol och krom i lösning. Jag gjorde en värmebehandling av 2025 f med 300 f-temperament som resulterade i cirka 64,1 RC för seghetsprover som du kan se i de tidigare seghetsdiagrammen. ~64 Rc CPM-154 hade betydligt högre seghet än ZDP-189 så det har en seghetsfördel över ZDP. Det skulle vara intressant att se hur hårdheten är som med 250 kcal f humör och 65+ Rc men kanske 64 Rc räcker för de flesta.
S90V och S110V
så jag tror att CPM-154 är ett anständigt alternativ med tanke på dess relativa lätthet i skärpning, potential för 65+ Rc och bra fläckmotstånd. Det är emellertid sannolikt ett steg ner från ZDP-189 när det gäller kantretention även när värmebehandlas till den höga hårdheten på grund av det reducerade karbidinnehållet. Det finns två andra alternativ att titta på om vi släpper kravet på att undvika vanadinkarbider, vilket leder oss till S90V och S110V. dessa stål överstiger kantretentionen av ZDP-189 men är något mer tidskrävande att avsluta eller polera på grund av hårda karbider. Jag gjorde en uppsättning värmebehandlingar med dessa två i ett försök att maximera hårdheten och fann att de kunde nå 66 + Rc:
dessa stål hjälper till att uppnå hög hårdhet på grund av det höga karbidinnehållet, betydligt högre än CPM-154. S110V har mer krom i lösning vilket skulle leda till mer kvarhållen austenit, men kobolt i S110V minskar kvarhållen austenit så att krom kompenseras. Tyvärr har jag inte seghet resultat för någon av dessa stål, vare sig vid hög hårdhet eller inte. De kommer i framtiden. Men dessa stål har hög hårdhetskapacitet, hög kanthållning och god korrosionsbeständighet. Därför rekommenderar jag CPM-154 för seghet och lätthet vid skärpning och S90V eller S110V för högsta kanthållning och hårdhet.
kan ZDP-189 omformas för att vara rostfritt?
ZDP-189 kan omformas för att vara rostfritt, beroende på hårdhetsnivån som skulle vara acceptabel och fortfarande uppfylla målegenskaperna. För att upprätthålla en liknande kromkarbidvolym för slitstyrka men ökad korrosionsbeständighet behöver vi högre krom men lägre kol. Att öka krom ensam skulle leda till högre korrosionsbeständighet men ännu mer karbid som vi inte vill ha. Att minska kol enbart skulle leda till minskad karbid och hårdhet men förbättrad korrosionsbeständighet. Men ökat krom och reducerat kol kan bibehålla karbidvolymen samtidigt som korrosionsbeständigheten ökar. Till exempel, enligt Thermo-Calc, skulle ett stål med 2,28% C och 24% Cr bibehålla en liknande kromkarbidhalt på 30% samtidigt som kromet i lösning ökas till 11% vid 1875 kcal F. Det skulle också innebära en signifikant minskning av kol i lösning till 0,4%, vilket minskar hårdheten, förmodligen fortfarande 63 Rc eller så med tanke på allt som karbid och en kryobehandling. Med högre austenitiserande temperatur skulle det vara värmebehandlat till minst 64 Rc om inte ett par poäng högre. Precis som med CPM-154 och många andra rostfria stål, skulle en av de primära begränsande faktorerna för hårdhet vara överskott kvarhållen austenit. Men det verkar osannolikt att någon modifierad version av ZDP-189 kommer någon gång snart.
ZDP-189 vs Cowry-X
som du kan förvänta dig, förväntas de små legeringstillsatsskillnaderna mellan ZDP-189 och Cowry-X inte göra någon signifikant skillnad i egenskaper mellan de två. Kanske högre Mo och W i ZDP-189 något förbättrar korrosionsbeständigheten men som framgår av denna artikel är det inte tillräckligt. Jag skulle bli förvånad om det fanns mycket mätbar skillnad mellan de två stålen.
sammanfattning och slutsatser
ZDP-189 är ett intressant stål på grund av sin höga hårdhetskapacitet trots att den annonseras som ett rostfritt stål. Det har emellertid låg seghet, och korrosionsbeständighetsexperiment bekräftar att stålet inte är mycket fläckbeständigt. Jag anser inte att det är ett rostfritt stål. Dess kantretention är bra men får den kantretentionen med ett mycket högt innehåll av karbid vilket minskar seghet och fint kantbeteende. Det finns många andra stålval som kan uppnå hög hårdhet och/eller kanthållning om rostfria nivåer av korrosionsbeständighet inte krävs, vilket gör ZDP-189 mycket mindre speciell. På grund av den falska annonseringen av detta stål som ”rostfritt” ger jag ZDP-189 Knife Steel Nerds ”Most Overrated Steel” – priset.
Hashew, Mikrofon. ”Ferrari av Bladstål?”Tidningen Blade februari 2005, s. 66-69.
https://www.bladeforums.com/threads/vg-10-steel.180486/
https://www.bladeforums.com/threads/zdp-189-corrosion-resistance-compared.992801/#post-11297843
Som Att Ladda…
