冶金学家评刀具钢材：韧性、边缘保持力与耐腐蚀性

October 19, 2021 Larrin

感谢 Bill Smutz, Alex Topfer, Florian Bachler, Brunhard, Art, Rod H, Sach, Jinny Koh, Jon Duda, Cory Henderson, 和 UPKnife 成为 Knife Steel Nerds Patreon 的支持者！也感谢 Michael Fitzgerald, Tim Marais, 和 Head VI 增加了他们的捐助。下面显示的所有实验之所以成为可能，都要归功于支持者们。

视频 https://www.youtube.com/watch?v=dg4qcdDba9w&t=109s

我还制作了一个视频，总结了以下部分信息，同时展示了一些实验是如何进行的。不过，许多信息仍然是本文特有的。我认为它们是互补的，你应该同时观看和阅读。

本文背景

在进入评分之前，我有一个（相对）简短的介绍，其中包含一些重要的背景信息。这样你可以快速了解钢材评分。关于评分是如何产生的、各种注意事项和细节等大部分讨论都在评分之后。如果你想了解更多，请继续阅读评分之后的内容。

我在 2018 年写过一篇关于刀具钢材评分的文章，结论是当时市面上的评分都不太好。在那篇文章的末尾，我列出了为什么我还没有制作自己的评分表的一系列原因，其中两个主要原因是：1) 我还没有写过解释什么是边缘保持力和韧性的文章（那是 Knife Steel Nerds 的早期阶段），2) 我没有许多钢材的良好实验数据。现在这两点都不再是问题，因为我现在已经写了太多的文章，甚至出了一本书。而且我对刀具钢材进行了大量的实验工作，这让我对自己的评分更有信心。虽然仍有一些我不了解的地方，但我们已经有足够的信息在没有数据的情况下进行合理的推测。我保留根据新信息更改评分的权利。

韧性 vs 边缘保持力

韧性是衡量钢材抗断裂能力的指标。在刀具的背景下，这就是崩口或断刀。边缘保持力是刀具在切割过程中保持切割能力的能力。我将专注于 CATRA 边缘保持力测试，它衡量刀具的磨粒磨损。我对不同刀具进行了一项大型研究，这些刀具具有相同的磨削和边缘几何形状。我想强调的一个重要概念是，没有哪一种属性是最重要的。许多钢材评分似乎过度强调了边缘保持力。或者，即使他们试图对韧性的重要性持更开放的态度，高边缘保持力钢材的良好声誉也意味着它们会随之获得虚高的韧性评分。韧性和边缘保持力通常是相对的属性，很难同时提高两者。因此，我将通过韧性-边缘保持力平衡图来展示钢材的评分，其中位于右上方位置的钢材具有最佳组合，你可以根据刀具所需的韧性或边缘保持力水平来选择钢材。不存在在韧性和边缘保持力方面都是“10”分的钢材。甚至在两个类别中都达到 7 分的钢材也不存在。

边缘几何形状的重要性

在进入评分之前的另一个重要警告是，这些评分仅针对钢材本身。这并不能预测哪把刀切割时间更长或更抗崩口。原因是磨削和边缘几何形状也会极大地控制性能。例如，请看下面的图表，了解单一钢材（本例中为 154CM 和 CPM-154）的边缘保持力会随边缘几何形状发生多大的变化。使用每侧 10 度（10 dps）的磨角（图表上为 20 度全角）所带来的边缘保持力大约是 25 dps 的 5 倍。

抗崩口和边缘变形的情况也类似。较钝的边缘角度比较锐的角度更抗崩口。因此，根据刀具类型和预期用途设置边缘几何形状非常重要。这在通过锐角提高切割能力和边缘保持力，与通过钝角获得坚固且抗崩口的边缘之间是一个重大的权衡。下图显示了一把 61 Rc 硬度的刀在不同能量水平下受到 3/16 英寸钢棒冲击的图片。25 dps 磨削的刀在 2 ft-lbs 时几乎没有边缘损伤，而 15 dps 的边缘在仅 0.3 ft-lbs 时就出现了明显的崩口，在 1.4 ft-lbs 时出现了灾难性的碎裂。这些图像取自我的书《刀具工程》(Knife Engineering)。

评分表

我将先给出评分，然后再对评分的生成方式进行更多解释。

碳钢和低合金工具钢

这些钢材通常由锻造刀匠、传统折刀和一些生产型固定直刀使用。碳钢是主要添加了碳以及一些锰（Mn）或硅（Si）的钢材。低合金工具钢添加了少量合金以增加“淬透性”，因此它们更容易在油中而不是水中硬化。水是一种剧烈的淬火介质，通常会导致变形或开裂。其中一些钢材还含有钒 (CruForgeV) 或钨 (Blue Super, V-Toku2, 1.2519) 以增加耐磨性。通常，碳含量较高的钢材具有较高的边缘保持力，但韧性较低。该组中可获得的最高边缘保持力并不是特别高，因为大部分耐磨性来自碳化铁，也称为渗碳体，它是不同类型碳化物中最软的一种。从积极的一面来看，它们非常易于锻造和研磨。

8670 和 5160 是需要极高韧性的大型刀具的良好选择。52100 和 CruForgeV 适用于通用刀具。Blue Super 和 1.2562 具有较高的边缘保持力，但韧性相对较低。ApexUltra 是我们正在研制的一种钢材，在小批量生产（50 磅）中表现出优异的性能。我很期待看到它在全面量产中的表现。

碳钢和低合金工具钢评分

高合金工具钢和高速钢

高合金工具钢设计为空气硬化，因此它们可以比上面发现的油硬化钢冷却得更慢。这有利于大批量热处理的便利性，以及均匀冷却，从而大大减少变形和尺寸变化。高速钢是一个子集，含有大量的钼（Mo）和/或钨（W），使其在用于机加工操作时能抵抗软化。然而，与低合金钢相比，性能上的巨大差异在于这些钢中发现的更硬的碳化物。钒碳化物是钢中形成的最硬的碳化物之一，铬碳化物介于碳化铁和钒碳化物之间。钒含量极高的钢材，如 Vanadis 8、CPM-10V、K390、CPM-15V 等，具有极高的边缘保持力。Maxamet 和 Rex 121 在耐磨性和边缘保持力方面非常极端，我给它们的评分高于 10 分，否则会打乱其他所有钢材的评分。低钒含量的粉末冶金钢，如 CPM-1V 和 Z-Tuff/CD#1，具有极高的韧性。性能最均衡的钢材包括 4V/Vanadis4E、CPM-CruWear 和 CPM-M4。在高边缘保持力组中，我最喜欢的是 Vanadis 8 和 CPM-10V。

高合金工具钢和高速钢评分

不锈钢

不锈钢是高合金工具钢的另一个子集，其含有足够的铬，具有不锈钢级别的耐蚀性。你不能只看钢材的铬含量来了解耐蚀性水平。例如，D2 含有足够的铬可以被称为不锈钢（~12%），但其高碳含量意味着形成了过多的铬碳化物，导致没有足够的铬留在固溶体中以达到不锈钢级别的耐蚀性。MagnaCut 的铬含量在以下任何钢材中是最低的，但其所有的铬都在固溶体中（没有铬碳化物），而且它没有铬碳化物这一事实也使其在给定的铬含量下具有最高水平的耐蚀性。此外，添加钼可以提高特定铬含量下的耐蚀性。

与高合金工具钢一样，钒含量可以是预测耐磨性和边缘保持力总体水平的捷径。CPM-S90V 是我在高边缘保持力类别中最喜欢的，因为它具有不错的韧性。S110V 与 S90V 相比，以牺牲一些韧性为代价提高了耐蚀性。AEB-L 和 14C28N 是高韧性组中最好的。LC200N 具有与这两者相似的性能，但具有海水级别的耐蚀性。主要的缺点是该钢材更难热处理，且硬度不能超过约 60 或 61 Rc。性能最平衡的是 CPM-MagnaCut，它在图表中独占一域。这种钢材研发的初衷是不含铬碳化物，这使其性能类似于平衡的非不锈钢工具钢，如 CPM-4V 和 CPM-CruWear。Vanax 与 MagnaCut 相比牺牲了一些韧性和硬度，以换取海水级别的耐蚀性。它的最高硬度也在 60-61 Rc 左右，像 LC200N 一样，并且需要相对精细的热处理才能达到该硬度。但我会将其推荐给需要极端耐蚀性的应用。

不锈钢评分

钢材成分

我列出了上述评分钢材（以及一些额外的钢材）的平均成分，以便你了解不同名称指的是什么。每种元素都有一个可接受的范围，所以这并不意味着 1084 总是恰好含有 0.84% 的碳。并非所有元素都显示在图表中。例如，几种碳钢的 Si 空间是空白的，因为它们的可接受范围相对较宽，而不是因为没有添加该元素。高合金钢根本没有显示 Mn 和 Si，尽管这些元素都被添加到所有的钢中。这是为了将重点放在产生最大差异的元素上。

实际上，我不建议爱好者花费太多时间分析不同钢材的确切成分并试图猜测它们的性能。即使是冶金学家也很难仅仅根据元素来估计性能。它们之间有太多的相互作用，如果没有模拟软件，预测是很困难的。通常，碳含量较高和钒含量较高的钢材具有较高的耐磨性和边缘保持力，但韧性较低。至少含有 10% 铬的钢材可能是准不锈钢，但有几个重要的例外，如 D2 和 ZDP-189。

碳钢成分

低合金钢成分

高合金工具钢成分

高速钢成分

不锈钢成分

边缘保持力

你可以在这篇文章中阅读关于我的 CATRA 边缘保持力测试。每种钢材都使用专门为测试生产的刀具进行测试，然后针对每次测试以相同的方式磨削（15 dps，400 目 CBN 磨削）。此后添加了一些钢材，如 MagnaCut 和 M398。我还在这项研究中增加了更多的钢材。研究证实，主要的控制因素是钢材的硬度、碳化物的体积和碳化物的硬度。边缘保持力最高的钢材是 Rex 121，其硬度为 70 Rc，并结合了大量高硬度钒碳化物。我们可以根据硬度和碳化物体积，在相对较窄的范围内预测钢材的边缘保持力。我们应该对任何声称在低硬度和少量碳化物的情况下具有极高边缘保持力的人表示怀疑。下图中的虚线表示硬度对任何给定钢材的平均影响。因此，你可以通过遵循这些线条的斜率来估计硬度变化对边缘保持力的影响程度。

下面显示了碳化物硬度图表、我们创建的根据边缘角度、硬度和碳化物体积预测边缘保持力的方程，以及显示良好相关性的图表：

TCC (mm) = -157 + 15.8Hardness (Rc) – 17.8EdgeAngle(°) + 11.2CrC(%) + 14.6CrVC(%) + 26.2MC(%) + 9.5M6C(%) + 20.9MN(%) + 19.4CrN(%)

韧性

韧性很难仅链接到一篇文章，因为我还没有对我们所做的所有韧性测试进行总结。它大多零散地呈现在我们对优化不同钢材热处理所做的所有研究中，如 CPM-CruWear、AEB-L、52100 等。我们使用尺寸为 2.5 x 10 x 55 mm 的子尺寸无缺口夏比测试（Chapy test）。每项测试都使用 3 个或更多样本以获得良好的平均值。下面显示的图表总结了迄今为止讨论的主要类别的不同钢材测试：低合金钢、高合金非不锈钢和不锈钢。通常，钢材含有的碳化物越多、碳化物越大，韧性就越低。碳化物的硬度对韧性的影响不像对边缘保持力那么大。还有一些其他的复杂因素，例如固溶体中的碳和片状马氏体，特别是在低合金钢中，如这篇文章所述。

韧性 vs 边缘保持力

在之前的一些文章中，我展示了韧性和边缘保持力测量值之间的平衡，如下表所示，其中高合金非不锈钢为橙色，不锈钢为蓝色：

然而，这些图表的一个问题是，在韧性差异方面，线性比例的韧性对于可视化实际韧性差异有点误导。如果你看图表，你可能会注意到，在韧性较高的水平，如果你只增加相对较少量的边缘保持力，韧性就会大幅下降。例如，将边缘保持力从 Z-Tuff 增加到 3V（CATRA 测试中增加 100 mm）导致韧性下降超过 10 ft-lbs，从 3V 到 CPM-CruWear 也看到了类似的下降。但是，如果你看从 Maxamet 到 Rex 121 在 CATRA 测试中增加 100 mm，韧性只下降了 1-2 ft-lbs。然而，这些不同示例之间韧性的相对差异是相似的。当我们在对数刻度上绘制韧性与边缘保持力的关系时，我们会得到一条直线，这能更好地可视化韧性差异。这是我进行评分的基础，而不是线性刻度。

碳化物的重要性

在以上所有情况下，性能都受到碳化物的极大控制。为了获得高耐磨性和边缘保持力，你需要大量的硬碳化物。而为了获得高韧性，你需要极少或没有碳化物。因此，主要的权衡在于你想在钢材中保留多少碳化物以获得边缘保持力，而不至于为预期的刀具和用户降低过多的韧性。仅含有钒碳化物的钢材具有最佳的性能平衡，因为碳化物的硬度对边缘保持力很重要，但对韧性却不重要。因此，坚硬的钒碳化物意味着在给定碳化物含量的情况下，你可以获得更多的边缘保持力。你可以通过这篇文章查看不同刀具钢材的显微照片来比较它们的碳化物。下面我展示了 AEB-L、CPM-10V 和 Rex 121 之间碳化物体积的差异，以了解高边缘保持力钢材中的碳化物含量高出多少。

AEB-L – 6% 铬碳化物

CPM-10V – 17% 钒碳化物

Rex 121 – 23.5% 钒碳化物，4% 钼/钨碳化物 (M6C)

传统铸锭 vs 粉末冶金碳化物结构

粉末冶金是一种旨在保持微小碳化物尺寸的技术。点击此处了解更多其工作原理。它对于含有大量碳化物的钢材最有用，但也有助于能够添加某些类型的碳化物。在传统的钢材生产中，钒碳化物非常大，但在粉末冶金中非常小。对于传统钢材，这限制了钒的添加量在 4-5% 左右，而在开发粉末冶金时，这一比例大大扩展。粉末冶金在测量性能中产生的最大变化是韧性。下面显示了 D2 和 CPM-D2 之间碳化物结构的比较，以及 CruWear、D2 和 154CM 的传统版本与 PM 版本之间的韧性测量结果。

D2 – 传统生产的铸锭钢

CPM-D2 – 粉末冶金 D2

对于碳化物含量较少的钢材，碳化物的尺寸可以通过加工保持较小（见本文前面的 AEB-L 显微照片）。大多数低合金工具钢和碳钢在没有粉末冶金工艺的情况下也具有精细的碳化物结构。因此，粉末冶金对于某些钢材来说是不必要的，甚至可能略有不利。随着耐磨性的提高，传统钢和粉末冶金钢之间的差异会变得更大。

耐蚀性

我通过热处理 1 x 1.5 英寸的样片，打磨至约 400 目，然后喷洒水来测试钢材的耐蚀性。镜面抛光最抗腐蚀，而粗糙的表面意味着更有可能生锈和腐蚀。蒸馏水可以将不锈钢与非不锈钢区分开来。这表明 XHP 和 ZDP-189 的耐蚀性明显低于其他不锈钢。1% 的盐水可以区分其他不锈钢。只有 Vanax 和 LC200N 在 3.5% 的盐水溶液中没有腐蚀，尽管 MagnaCut 已经很接近了。在这篇文章中阅读我的测试。下面显示了 MagnaCut 与其他钢材的测试结果，它被标记为“New Steel”（新钢材）。

然而，腐蚀不仅关乎外观和生锈，还会影响边缘性能。我用 440A（不锈钢）、D2（具有一定耐蚀性的高合金钢）和 1095（无耐蚀性）对刀具进行了测试。我将每把刀浸入柠檬汁中并放置在空气中，分别在 30、100 和 300 分钟后进行测试，每次都重新浸入柠檬汁。1095 的锋利度损失显著，440A 几乎没有损失，D2 介于两者之间。

硬度 vs 评分

对于我评分的钢材，我给出了单一评分，而不是基于可以执行的不同热处理给出范围。通常，随着硬度的提高，钢材看起来会“变差”，因为韧性的降低超过了边缘保持力的增加。因此，对于大多数钢材，它们的评分硬度在 59-62 Rc 左右，除了一些从不在此硬度下使用的钢材。我下面有一些例子，说明我对韧性和边缘保持力都进行了硬度范围测试的钢材。你可以看到 64 Rc 的 AEB-L 韧性和边缘保持力都低于 61 Rc 的 MagnaCut，所以我认为通常用单点更能让你感觉到钢材所处的位置。此外，图表会变得更乱，而且我并不总是有大范围硬度值的数据。 [

虽然更高的硬度确实会导致边缘保持力的提高，但拥有更高硬度的更大原因是抵抗边缘变形。这对于砍伐刀和具有薄刃以增强切割能力及边缘保持力的刀具尤为重要。例如，下面是一个视频，比较了 55-57 Rc 的 1095 ESEE 刀和 62.5 Rc 的 MagnaCut 刀，两者的边缘角度相同。两把刀都被用来砍断钉子。ESEE 出现了严重的边缘损伤，而 MagnaCut 刀则没有。这不一定是因为韧性优越，而是因为 MagnaCut 在更高硬度下的强度更佳。MagnaCut 非常出色的韧性意味着尽管硬度相对较高且测试难度较大，它也没有发生崩口。

视频： https://www.youtube.com/watch?v=-j_UYX8CgVs&t=7s

热处理 vs 评分

许多钢材评分文章只是口头上说热处理很重要，却没有提供例子。我给出的评分是针对“最佳”热处理的。我的意思不是说不可能有更好的热处理，而是避免了热处理中的重大错误。刀匠或热处理公司完全有可能做出性能不佳的热处理。我有一篇文章列出了热处理中经常犯的主要错误。

奥氏体化是在淬火（快速冷却）硬化钢材之前将钢加热到高温的过程。如果在奥氏体化中钢材过热，韧性可能会大幅下降。请看下面的图表，显示了 52100 钢由于一位刀匠（无意中）过度奥氏体化而寄给我的韧性测试样本。使用受控的熔炉热处理产生的韧性在 61-62 Rc 时约为 23-28 ft-lbs，而刀匠热处理的样本为 7 ft-lbs 或更低。

另一种甚至不被归类为“错误”的常见热处理选择是在高温区间（~1000°F）而不是低温区间（~400°F）进行回火。钢材淬火后，会重新加热到较低的温度以增加韧性并降低硬度。钢材随回火温度升高而变软，但某些钢材在特定的较高温度范围内硬度会增加，如下面所示的高速钢，它们就是为这种回火而设计的：

这种高温回火可以出于多种原因，例如在研磨期间更好地抵抗过热，或者因为刀具将应用需要高温的涂层。然而，在我们的测试中，使用高温区间而不是低温区间会导致韧性降低，正如在 CPM-CruWear (Z-Wear) 或 CPM-10V 中发现的那样。在 1000°F 回火的 10V 样本为 4-5 ft-lbs，而在 400-500°F 回火的样本为 7-8 ft-lbs。

也许高温回火更大的问题在于不锈钢，因为在 1000°F 回火而不是 400°F 回火会导致耐蚀性显著下降。硬度的提升来自于钢中精细碳化物的析出，其中包括铬碳化物。钢材失去了固溶体中用于耐蚀性的一些铬，从而形成这些精细碳化物以获得硬度。这可以将超强耐蚀的 LC200N 或 Vanax 变成一种在 1% 盐水中就会生锈的“普通”不锈钢。下面显示了 Vanax 在 1% 盐水中放置 24 小时后，左边是 400°F 回火，右边是 1000°F 回火的结果：

还有许多其他方式会通过热处理降低刀具钢材的性能，但我无法在本文中涵盖所有内容，希望这些说明性的例子已经足够了。

耐蚀性 vs 硬度

通常，对于给定的钢材，耐蚀性的增加意味着潜在硬度的降低。这在关于 Vanax 热处理的文章中有所描述。非不锈钢可以热处理到 66 Rc 甚至更高，具体取决于特定钢材。不锈钢通常最高在 64 Rc 左右，并且可能需要精细的热处理才能达到。具有超高耐蚀性的钢材 Vanax 或 LC200N 最高硬度在 60-61 Rc 左右。为了达到这些硬度水平，深冷处理和严密的温度控制是必要的。大多数刀具的目标硬度在 63 Rc 或以下，因此不锈钢的这一限制并不总是发挥作用，但对于某些追求高性能和薄刃的刀具来说，这可能是一个重要因素。下面显示了几种不锈钢刀具钢材的近似最高硬度与不锈钢等级的关系。这是为了将钢材相互比较，而不是单个钢材的限制。换句话说，将钢材热处理到其最高硬度并不一定意味着耐蚀性会降低。

钢材成本

刀具钢材成本的最大因素是它是使用传统铸锭技术生产还是粉末冶金生产。但是，还有其他因素。一些钢铁公司的收费比其他公司高。某些钢材对钢铁公司来说更难制造，或者含有更昂贵的合金元素，因此成本会增加。从欧洲进口钢材到美国，或反之亦然，通常会增加成本。中国生产的钢材通常较便宜。供应不足可能会有效地增加钢材成本。在许多情况下，刀具公司加工钢材的成本比钢材本身的成本更显著。在折刀中，钢材的总量相当小。然而，高耐磨性意味着磨料消耗得更快，为了避免过热需要更精细的研磨，精整和抛光也更加耗时等。高韧性钢可以在没有粉末冶金的情况下生产，并且具有较低的耐磨性，从而降低制造成本。高耐磨性钢的购买和加工成本更高，尤其是因为许多需要粉末冶金。你可以在这里阅读我写的一篇关于廉价钢材的文章。

易磨性

我没有提供易磨性的评分。通常这是“难磨损钢材”的代称。在这种情况下，打磨难度将是边缘保持力评分的反函数。换句话说，Rex 121 将是最难打磨的，而 5160 和 8670 将是最容易的。然而，即使在这种情况下，也有碳化物和磨料硬度的复杂因素。氧化铝用于大多数常见的磨石，它比钒碳化物软，这使得打磨高钒钢更加困难。金刚石和 CBN 磨石使打磨这些钢材更容易。然而，我认为纯粹的材料去除通常不是易磨性的限制步骤。刃口去毛刺通常比去除材料以产生边缘所需的时间更长。较软的钢通常会形成较大的毛刺，并且更难去毛刺。热处理不当的钢含有过多的残余奥氏体，这使得它们极难去毛刺。通常，被报道为“难以”打磨的钢实际上是由于热处理不当且去毛刺具有挑战性。

总结与结论

钢材评分并不是为了根据哪种钢比另一种更好来进行“排名”，而是为了理解韧性与边缘保持力等不同的平衡。可以添加的其他因素包括耐蚀性、硬度和成本。没有哪一个类别意味着一种钢比另一种更“高端”或“更好”。热处理和边缘几何形状对刀具性能的影响可能比刀具中使用的特定钢材更大。最好的情况是为刀具和用途选择合适的钢材、热处理和几何形状。你可以在我的书《刀具工程》(Knife Engineering)中阅读更多关于这些因素的信息。

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发布者：Larrin