刀具用马氏体类不锈钢的原理和展望

s1jack

一、刀具用马氏体类不锈钢
     这个刀具钢材主要是指厨刀的、玩具刀的切割部分钢材。因为我们对切割有一定的希望和要求，所以硬度一般追求的是在56HRC及以上。这个时候，基本上只有马氏体类为主的（特指不锈钢类）可以达到我们的希望和要求。其它例如奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢等等都不能满足我们的要求。


二、简单的防锈元素
     我们已知铬和镍可以有效快速提高钢材的防锈能力。镍很贵，而且大量添加会扩大和稳定化奥氏体，配合大量的铬，就是304了。所以，更常见的是通过添加大量的铬来快速有效提升钢材的综合耐腐蚀性能。一些其它贵金属也可以提高电位，但是价格、冶炼、综合性能、热处理等综合考量下并不合适。比如钼，它主要是提高钢对氯化物的抗点蚀能力，在以耐腐蚀为重要考量的钢种里面，只做少量添加。


三、简单的硬度关系
     硬度受到碳的绝对影响。单纯的碳钢，一般碳含量在0.45%，常见淬火最高可以到59HRC左右，一般含碳量达到0.5%，硬度可以到60HRC以上。（以上为常见值，特殊情况下可略高1-2HRC）。


四、简单的二合一
     当我们添加足够的铬和碳元素，就拥有了一定防锈的且带有硬度的钢材。足量的铬，一般是指12%（11.8%）及以上。但是这个数据是不含碳的，因为碳和铬会优先形成碳化物，也就是会占用一部分碳、一部分铬。所以一般情况下，铬含量会略高一点点。这就是著名的Cr13系列钢材的理论基础之一。最著名的就是4cr13，也就是420。


     不过420的耐磨性很低，为了提高耐磨性，就需要让组织里面带一些碳化物。碳化物尺寸太大，会降低冲击韧性，所以后来有一些钢种，让钢中带有一点小的碳化物，既提高了耐磨、又不会降低太多的冲击韧性。这种宗旨下，比较出名的就有山特维克的12C27，13C26，14C28，还有AEB-L等。选择在尽量小的碳化物范围内，较高的铬和碳含量的平衡。







如图一参考，在1150度下，12C27、13C26、14C28等都挨着左下角的半圆弧曲线的上方。也就是奥氏体加额外的M7C3型碳化物。由于比较接近完全奥氏体化，所以其碳化物是很容易做到很小的。


如图二参考，第一排第二张图，13%铬的相图。可以得知12C27、13C26，在正常淬火温度下，也是γ（奥氏体）加M7C3型碳化物为主，并且靠近左边完全γ区域。


由图二的1-2-3-4图的演变顺序可以发现。随着铬含量的增加，γ区域减少直到消失。γ+C2渐渐右移。γ+C/C1/C2和γ+C1+C2右移且与γ的交点上移。

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五、二合一的硬度
不管是420，还是14C28，我们都知道硬度并不是特别高，正常淬火硬度到不了65HRC，回火之后，即便追求保持性为主，硬度也不会超过62HRC。解决办法最粗暴的就是加碳。比如19C27就可以突破62HRC到63HRC。还有一种近似Cr13系列，但是并不是Cr13系列的钢种。它归属于Cr12系列钢种，就是Cr12系列的鼻祖Cr12。2%的碳含量加上12%的铬含量，可以轻松突破65HRC。

但是随着碳含量的增加，碳化物的数量和尺寸都会增加。碳化物占用了大量的铬，导致钢材防锈性能的下降。不易锈钢变成易锈钢。

六、提高不锈钢类的硬度和耐磨性
因为我们已知碳含量是影响硬度的关键，而过高的碳含量会降低防锈，并且相对条件下降低韧性。所以我们需要一个相对较高但是不特别高的碳含量。我们也需要足够的保持性，也就是拥有足够细腻的、足够高硬度的碳化物，这就需要添加其它稀有金属。

较高的碳含量不一定硬度较高，以传统440C为例，因为铬的大量添加，其淬火态有较高的残奥，是影响硬度的提高的原因之一。到了VG10、154CM这类产品，我们可以显著发现铬含量的下降，耐磨性的提升。但是最终目标却不一样。VG10是加钴为主，提高抑制高温晶粒增大能力，降低铬含量同时添加其它少量稀有金属，提高了硬度、保持性、防锈性。

154CM本来是为航空发动机研究的高温轴承用钢。拥有很高的钼含量。后来刀具用钢引用过来。其最高硬度已经提高到了63HRC。钼比铬对碳有更强的亲和力，可以优先形成碳化物，降低了铬与碳的碳化物总质量，使基体可以有更高的铬含量，加上钼的作用，二者合一有效提高了防锈能力。同时还增加了硬度。


总体来说，现有的不锈钢类刀具用钢，满足了高防锈、高耐磨、高硬度、高强度。在相当多的刀具领域，已经满足了大部分使用者的日常实用需求。

七、马氏体不锈钢类的短板
冲击韧性低是马氏体不锈钢的短板。传统冶炼的马氏体不锈钢为了有足够的硬度和防锈能力，需要添加很多铬和碳，形成了大量的大块碳化物，降低了钢材的韧性。即使154CM、VG10，通过降低铬含量，提升其它合金含量。冲击韧性依然不是其主打优势，在宣传上也不作为主要卖点。
     AEB-L\14C28这类牺牲了耐磨性，降低了价格，提高了冲击韧性（1、相对传统的440C类；2、很遗憾没有找到官方的相关数据。只有其类似的国产版本的数据（数据源于钢院），其冲击韧性低于D2，只有当硬度低至56HRC的时候，才和D2大约硬度在62HRC时冲击韧性相当。对比钢种均为国产，仅供参考。山特维克的冶炼纯净度会更高，冲击韧性受益于此也会更高。）
     直到粉末冶金技术的发展，不锈钢类的刀具用钢，才解决了碳化物和耐磨性的冲突。可以在相对较小的碳化物尺寸下，生产各种高耐磨的不锈钢。例如154CM和CPM-154。虽然官方并没有给过详细数据下的对比，仅仅参考图来说，粉末化的154韧性依然急剧提高。
     可惜通过检索山特维克、武生、博乐、坩埚、一胜百、大同、日立、国产特殊钢厂等常见特殊钢厂的不锈钢类刀具用钢。我并没有发现同时具备高硬度、高耐磨、高韧性、高防锈的钢种。我个人认为韧性依然是马氏体不锈钢的短板。

八、合金含量和广义韧性的冲突
在现实做刀的钢中，高的合金含量，总体趋势是降低了冲击韧性。不同的稀有金属，不同的含量，对冲击韧性影响也不同。有很多稀有金属，在少量添加的时候，是有利于在一定条件下提高冲击韧性，在大量添加时又反过来降低冲击韧性。比如Cr12Mo1V1比Cr12MoV的冲击韧性高非常多，是因为提高了钼和钒的添加量。但是坩埚公司的高钒钢，随着钒含量大幅度提升，冲击韧性也极速下降（高钒钢，钒提升，碳含量也要提升，所以对比不完全严谨）。


我们已知马氏体不锈钢必须有超过12%的铬，为了耐磨和硬度，又需要添加适量的稀有元素和较高（指0.6%以上）的碳含量。
在此基础之上，冲击韧性就已经很难做到极高了。合金含量已经非常高了，即使粉末冶金技术优化了碳化物，也难出现以冲击韧性为特长的此类钢种。

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九、没有专业为高韧性不锈钢类刀具研发钢材的特殊钢厂
高韧性、高耐磨的不锈钢这种特性，并不适合普通家庭。普通人难以打磨较高硬度、高耐磨的钢种。不良打磨会导致切割感受非常低，最终就是消费者嘴里的“真不好用”。这种特性的钢主要是刀友需求居多。即使jun方也不会对此类钢有较大的需求，毕竟jun刀对成本极度压缩。

特定的客户群体里面，还要减掉对价格、不同需求等不会实际够买的客户，结果就是极小的需求量。最终没有特殊钢厂有动力去研发一种以韧性为主兼顾较高硬度和耐磨的马氏体不锈钢钢种。

对于特殊钢企业来说。他们首先要保证这个钢种，在工业生产中有存在的价值，包括性价比、有效寿命等。在同类产品中能提供更好的价格或者更高的性能，而耐磨对于工业生产非常重要，即使这个钢的耐磨性已经超过了正常刀友的使用范围，但是为了保证工业价值，也不会去牺牲耐磨性。


十、期待新的研究
以目前的原理来说，高铬+高碳，再添加少量稀有金属提升韧性，最终以粉末冶金技术进行生产，还有一定的上升空间。毕竟现在的高铬+高碳+稀有金属+粉末化，最终产品实际是追求耐磨性，如果在研发的时候去掉高的耐磨性指标，还是很有可能提升冲击韧性。


随着广大研究人员的深入研究，新的微观层面的机理不断发现。也许在将来某时，科学家可以在一个新的理论基础之上，创造一种新的高韧性高硬度高防锈高强度的钢种。


这里要额外说一下冲击韧性的测定。全世界这些大型特殊钢厂，并没有采用比较标准且流行的夏比V口测量冲击韧性。他们都自行发明了各种标准。比如日本某些公司使用大圆棒，坩埚使用自己设计的C口，欧洲还有无缺口和特定尺寸的试样。如果都换算成夏比V口，很多钢会真实的让你感觉到恐怖~~~


比如神钢S7，夏比V口也只有16.9J。很多钢，实际只有几J的水平。这个水平很难看，所以这些特钢厂要么加粗试样，要么改变缺口样式。比如坩埚公司换成C口，S7就在数据上从16J变成了190J。不同的标准，不能换算。而有些博主并不知道这些，也不知道V口的含义。所以，我们可以在网上看见一些很神奇的数据。就是因为这些博主根本没有在意不同测量标准下，其数据的差异性。简单的加减乘除，结果就是数据极度的夸张可笑。


冲击韧性试验是定性，而不是定量。不能直接用作设计计算，一般只作为数据指标要求。比如10J的A钢和5J的B钢，不能简单的说A是B的2倍。



对很多小白和小白博主来说，误以为冲击韧性是定量的。定性的区别，在做刀的时候，直观的表现为，当你用3V对比T10，两者都在59HRC的时候，其冲击韧性数据相差10倍以上，但你在砍铁、砍木头、砍骨头的时候，不会出现10倍的差距。
如果是定量的数据，比如A钢是60HRC，2倍的差距，那B钢就是30HRC。当然，数据越高，肯定越好。但请勿错误理解定性的意义。


以上内容随着学习的深入和自我理解的局限性，会有一定的错误，欢迎各位指导，也感谢各位读者的包含。

升少

一早发现好贴，先留意，再细看，顶楼主

风凌

没事闲翻出来个 硬核技术帖，楼主nb

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Rock2001

刀具为什么追求高耐磨性呢？难道不是应该易于研磨吗？因为在正常生活的情况下，应该便于打磨刀刃啊

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loudlan

难得有这种技术贴了 顶一下

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阳光伽蓝雨

现在科普贴越来越少越来越真贵啊！

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