CPM MagnaCut – The Next Breakthrough in Knife Steel

(chấm da cam là thép bột không chống rỉ, chấm xanh là thép bột chống rỉ)

Crucible sau đó phát triển S90v và S30v có hàm lượng crom ít hơn (14%) để có ít carbide crom hơn, giúp cải thiện tính chất so với các thép có hàm lượng crom cao hơn. Với hàm lượng Crom giảm đi, k có nghĩa là khả năng chống ăn mòn sẽ phải giảm xuống bởi vì lượng Crom hòa tan mới góp phần cho khả năng chống rỉ. Lượng Crom hòa tan thường ở mức 10-13%, còn lại chúng hình thành carbide. Vì vậy thép không rỉ có thể được phát triển chỉ với mức 10% crom. Thực tế, con số 10% này còn có thể giảm xuống bởi vì bản thân với 1 số loại thép là thép carbide. Nếu trong thép có 10% carbide, còn lại sẽ là 90% ma trận, với 10% crom có thể có 11.1% hòa tan (10/0.9).

Vậy với các tính chất được cải thiện bởi việc giảm lượng crom xuống 14%, vậy tại sao các nhà sản xuất không giảm lượng crom ngay từ đầu? Việc cân bằng các nguyên tố giúp lượng crom hòa tan hoàn toàn trong quá trình nhiệt luyện để ta có được cấu trúc chỉ gồm lượng carbide nhỏ và cứng so với carbide crom to và mềm có khả thi?

Giả lập trên phần mềm Thermo-Calc không cho ra kết quả mong đợi. Giảm lượng Crom giống như s30v có thể khiến lượng crom hòa tan ít đi, đồng nghĩa chống rỉ giảm nhưng vẫn không giảm được carbide crom mềm, thô. Lượng cacbon cũng phải giảm xuống để carbide crom có thể hòa tan ở nhiệt độ hợp lí, tuy nhiên có thể dẫn đến không đủ độ cứng.

Tác giả quyết định giữ hàm lượng carbon ở 1 dải khá hẹp, mục tiêu để tìm ra lượng carbon hợp lí và khi đó crom sẽ hòa tan hết để đảm nhiệm khả năng chống rỉ, đồng thời sử dụng hợp lí vanadium và niobium để cân bằng chống mài mòn và dẻo dai.

Mục tiêu của loại thép mới

Việc loại bỏ carbide crom chỉ là 1 phần của bài toán, tác giả phải quyết định sự cân bằng giữa dẻo dai và chống mài mòn.

Tổng kết lại, thép không chống rỉ có sự thay đổi tính chất rất rộng từ Z-Tuf (cực kì dẻo dai nhưng giữ sắc kém) đến 15V (giữ sắc rất tốt nhưng dẻo dai cực thấp). Với tác giả mục tiêu cho loại thép không rỉ mới này sẽ là không rỉ nhưng có tính chất giống CPM- Cruwear, 4v, M4. Chúng được biết đến với sự cân bằng tuyệt vời giữa dẻo dai và giữ sắc. 4V nổi tiếng từ những con chopper thi đấu đến những con dao bếp. Chúng có cấu trúc hạt mịn và sự dẻo dai ở mức trung bình, kết hợp với khả năng giữ sắc ở trên mức trung bình khiến chúng có ứng dụng rất linh hoạt trong nhiều loại dao.

Vì vậy, mục tiêu của tác giả là thiết kế ra loại thép mới có tính chất như CPM-Cruwear/4V nhưng chống rỉ.

Thuyết phục nhà sản xuất thép thực hiện ý tưởng của tác giả

Với sự trợ giúp của Niagara specialty Metals (công ty chuyên cán thép bột để bán tấm ra thị trường cho Crucible), tác giả đã liên hệ với Crucible Industries để đưa ra đề nghị, và họ đã đồng ý.

Việc chuẩn bị cho phôi thép đầu tiên này được chuẩn bị trong một năm. Rất may mắn, phôi thép đầu tiên đã thành công với đúng theo thiết kế của tác giả.

Phôi thép mất 6 tháng để rèn sau đó cán nóng.

Đặt tên cho loại thép mới – CPM MagnaCut

Magna trong tiếng latin có nghĩa là tuyệt vời. Tác giả lấy ý tưởng này từ công ty Vanadium Alloys steel (VASCO) (công ty phát triển m4, 3v, Cruwear, 1V), họ đặt tên thép như Van Cut, Telecut, Red Cut, Grey Cut, vì vậy tác giả lấy tên là MagnaCut.

Thử nghiệm

Tác giả gửi thép đến các maker có tiếng với việc xử lí thép hợp kim cao và công ty chuyên nhiệt luyện như Peter’s Heattreating để thử nghiệm.

Thành phần

Thành phần của MagnaCut không thực sự phức tạp. Nito và Niobium được thêm vào giúp tính chất tốt hơn tuy nhiên k nhiều. Thử thách lớn nhất là cân bằng giữa hàm lượng Cacbon và Crom để đảm bảo độ cứng và chống rỉ mà vẫn có thể hòa tan hết lượng carbide crom ở nhiệt độ tôi hợp lí (với các maker nhiệt luyện tại nhà?).

Bảng thành phần trên là ví dụ điển hình cho việc rất khó đánh giá thép chỉ dựa vào việc nhìn vào thành phần. 4% V + 2% Niobium có vẻ như chống mài mòn sẽ được tăng lên so với CPM 4V chỉ có khoảng dưới 4% V. Thép chống rỉ yêu cầu nhiệt độ cao hơn dẫn đến MagnaCut và 4V sẽ có lượng carbide giống nhau sau khi nhiệt luyện. Và với chỉ 10%, 1 số người sẽ cho rằng đây chỉ là thép bán rỉ cho dù nó có khả năng chống rỉ tuyệt vời.

.

Cấu trúc tế vi

Cấu trúc carbide của MagnaCut mịn hơn so với thép bột khác như Cpm-154, M390, Elmax, S35VN… Thép bột duy nhất có thể so với nó là thép nito Vanax. MagnaCut thậm chí còn mịn hơn 4V và Vanadis extra4 là những thép tiền đề tác giả dựa trên để phát triển MagnaCut. Đây là tiền đề cực tốt để có thể mong chờ các tính chất khác.

MagnaCut

CPM-154

M390

Elmax

S30v

Vanax

CPM4V

Tác giả sử dụng máy SEM để xem liệu có thể phân biệt các loại carbide xem nó liệu có thể là Niobium carbide và Vanadium carbide riêng biệt hay là sự kết hợp phức tạp Niobium-vanadium carbide. Ảnh tán xạ ngược cho thấy nó tồn tại cả 2. Niobium carbide màu trắng và màu xám là Vanadium carbide. Nio carbide mịn hơn khiến kích thước carbide trung bình giảm xuống và lượng vanadium carbide cũng ít hơn khi so sánh với 4V (nhiều vanadium carbide hơn khiến kích cỡ hạt trung bình to hơn). Việc Vanadium carbide bị Niobium carbide thay thế một phần dẫn đến kích thước hạt trung bình của MagnaCut nhỏ hơn 4V cho dù tổng hàm lượng carbide là như nhau. Nito có thể làm nhỏ hạt carbide trong thép bốt tuy nhiên tác giả không chắc chắn chỉ với 0.2% có thể gây ra khác biệt đáng chú ý. Tuy nhiên, sau tất cả, cấu trúc carbide của MagnaCut là cực kì tốt.

Kích thước hạt

Thông thường chúng ta không cần lo lắng quá nhiều về kích thước hạt vì trong thép hợp kim luôn có nhiều carbide ở ranh giới giữa các hạt ngăn sự phát triển. Tuy nhiên với nhiệt độ tôi cao ở 2200F (1205 độ C) được khuyên bởi Crucible thì việc hạt trở nên to có thể xảy ra. Quá trình austenitize diễn ra ở 2150F (1175 C) diễn ra cho thấy kích thước hạt không thay đổi so với ở nhiệt độ thấp hơn.

Kích thước trung bình của các hạt là 5.5 micron, có thể nói là các hạt cực kì mịn. Ở nhiệt độ 2050F kích thước cũng không thay đổi nhiều.

Độ cứng

Độ cứng được đo độc lập bởi cả tác giả và Crucible. Tác giả dử dụng nhiệt độ cao và thời gian giữ ngắn. 30ph ở  1065 độ C, 25ph ở 1095 độ C.. 5ph ở 2105 độ C. Tác giả thử nghiệm tôi lạnh với tủ lạnh và nito lỏng, phôi thép được xử lí lạnh ngay sau khi tôi vì đây là cách hiệu quả hơn so với ram trước hoặc đo độ cứng trước ngay sau tôi.

Thép có thể đạt độ cứng cao, hơn 63Hrc và 64Hrc với tôi lạnh (có thể đến 65hrc). Có sự đánh đổi giữa độ cứng và khả năng chống rỉ, thép như Vanax hay LC200N có khả năng chống rỉ tuyệt vời nhưng độ cứng chỉ ở khoảng 60-61 cho dù có xử lí lạnh. MagnaCut với mục tiêu cân bằng giữa độ cứng cao và khả năng chống rỉ. Độ cứng khá tương đồng cho dù có xử lí lạnh hay không ở 1120 độ C, austenite dư không quá nhiều ở nhiệt độ

 Shawn Houston đã nhiệt luyện lên tới 65.5Hrc cho thấy tiềm năng về độ cứng của MagnaCut. Và phản hồi lại của các maker khác về độ cứng cũng không chênh lệch nhiều (khoảng 1Rc). Dao to khi tôi sẽ nguội châm hơn là các mẫu thử mà tác giả thử nên có thể dẫn đến độ cứng giảm đôi chút.

Brad ở Peter’s heat treating đã thử một loạt mẫu trong lò tôi chân không. Brad thử nghiệm tôi khí (2bar) và cả việc xử lí lẫn không xử lí lạnh. Độ cứng cho ra thấp hơn 0.5-1Rc so với tôi khí hay dầu.

Dẻo dai

Mục tiêu chính của việc thiết kế thép mới này chính là tạo ra loại thép bột không rỉ có sự dẻo dai vượt trội hơn so với tiền bối của nó. Tác giả thử nghiệm sự dẻo dai trên các dải nhiệt khác nhau (1065-1205) để tìm ra nhiệt độ tối ưu sự dẻo dai. Với nhiệt độ 1120 độ C cho ra khả năng cân bằng tuyệt vời giữ dẻo dai và độ cứng. Vì vậy tác giả khuyên dùng nhiệt độ này khi tôi với mong muốn tối ưu sự dẻo dai.

Với nhiệt độ ram, độ dẻo dai ở 167 độ C cao hơn so với 150 độ C, do độ cứng giảm ở nhiệt độ ram cao hơn. Ở 204 độ C độ dẻo dai tương đồng với 167 độ C, thỉnh thoảng có chút cao hơn tuy nhiên không đáng kể.

Có thể tăng cường độ dẻo dai bằng cách tăng nhiệt độ ram tuy nhiên việc này khiến độ cứng giảm khá manh, vậy nên tác giả đề nghị nhiệt độ ram tối ưu là 167 độ C.

Khi so sánh với các loại thép khác, MagnaCut tương đồng với CPM-4V và Vanadis 4 Extra như mong đợi. Thậm chí còn tốt hơn so với các thép không chống rỉ khác như M4 hay A2. MagnaCut còn thậm chí làm tốt hơn nhiều so với thép bột không rỉ thông thường như 20CV, M390, S30V, S35VN, CPM-154CM, S90V…

Nó không dẻo dai đến mức như AEB-L (61hrc) bởi vì AEB-L có ít carbide hơn và vì thế dẻo dai hơn cũng đồng nghĩa với giữ sắc kém hơn. Tuy nhiên MagnaCut lại có sự dẻo dai ngang bằng với AEB-L ở độ cứng cao.

Khi ở độ cứng cao nhất (65hrc) MagnaCut có độ dẻo dai ngang bằng với các thép bột không rỉ có độ dẻo dai tốt nhất chỉ ở 60-61hrc như S35Vn và Vanax. Độ dẻo dai tốt hơn hẳn so với M390 hay s30v.

Giữ sắc lưỡi

Tác giả thử nghiệm 2 lưỡi dao ở 2 độ cứng khác nhau với thí nghiệm CATRA.

https://youtu.be/BkG0vCJLG4s

MagnaCut có kết quả trung bình tương đương với các thép khác như S35Vn, CPM-4V và Cruwear như mong đợi.

Chống rỉ

Bất ngờ lớn nhất khi thử nghiệm MagnaCut là nó chống rỉ cực tốt. Tác giả mong đợi nó chống ri tương đượng hoặc tốt hơn một chút so với s35Vn hay s45vn. Tuy nhiên kết quả cho ra nó chống rỉ tốt hơn 20CV và chỉ kém một chút so với Vanax hay LC200N.

Với 1% nước muối, sau 72h gần như không có vết rỉ nào. MagnaCut được đánh dấu là “new steel” trong ảnh dưới.

Thử nghiệm trên được thực hiện ở nhiệt độ tôi 1150 độ C. Để kết luận xem nó chống rỉ thế nào so với vanax và tác động bởi nhiệt độ tôi, tác giả thực hiện lần lượt thử nghiệm ở các giải nhiệt độ tôi khác nhau như 1065,1093,1120 và 1150 độ C. Nhiệt độ tôi thấp hơn thường dẫn đến khả năng chống rỉ giảm nên tác giả muốn xem có sự thay đổi lớn nào không.

Lần thử mới với 3.5% nước muối trong 72h, ở 1065 và 1093 không xuất hiện vết rỉ, trong khi 1120 và 1150 xuất hiện vết rỉ nhỏ. trong khi đó vanax thì rỉ toàn bộ bên ngoài bề mặt.

Khả năng chống rỉ tuyệt vời này có được do lượng carbide crom rất ít khi so với các thép bột chống rỉ khác. Do carbide crom thường hình thành các vùng cục bộ của crom bao quanh các carbide này, vì carbide được hình thành do kéo crom ra khỏi ma trận dẫn. Giống như thép không rỉ thấp carbon được loại bỏ hoàn toàn carbide crom để tăng cường khả năng chống rỉ, MagnaCut loại bỏ carbide crom khiến nó có khả năng kháng rỉ cực tốt.

Thường điều này không được các nhà phát triển thép đề cập tới vì carbide crom được coi là không thể tránh.

Phác đồ tôi

Từ những thử nghiệm trên, tác giả đề nghị nhiệt độ tôi là 1120 độ C, tôi khí hoặc dầu, 2x2h ram ở 167 độ C.

Độ cứng có thể cao hơn khi thực hiện tôi lạnh, tủ lạnh gia đình có thể giúp độ cứng tăng tuy nhiên cần phải đặt vào ngay khi vừa tôi xong.

Với phác đồ trên cho ra sự cân bằng tốt giữa khả năng giữ cạnh, dẻo dai và chống rỉ.

Độ cứng cao hơn có thể đạt bằng cách tăng nhiệt độ tôi hoặc giảm nhiệt độ ram, ví dụ như khi cần làm dao bếp.

Cân bằng giữa các tính chất

Hai nhân tố chính đó là khả năng giữ sắc và sự dẻo dai. Giữ sắc tốt hơn thường có nghĩa độ dẻo dai sẽ giảm. Với thiết kế mới này, việc loại bỏ carbide crom giúp MagnaCut có sự cân bằng giữ sắc-dẻo dai tốt hơn so với các thép bột không rỉ trước đó và hơn nữa giúp nó có thể sánh với các thép không chống rỉ tốt nhất khác.

Khả năng chống rỉ không ngờ tới từ việc loại bỏ carbide crom có nghĩa mục tiêu sự kết hơp giữa độ cứng và độ chống rỉ đã đạt được. Ở độ cứng cao mà MagnaCut đạt được thì hầu hết các thép bột không rỉ khác đã bắt đầu rỉ. Vanax hay LC200N nổi tiếng với khả năng chống rỉ chỉ đạt được độ cứng 60-61 trong khi đó ManaCut có thể đạt 64+, mà vẫn chống rỉ tốt hơn 20CV s45Vn. Thép duy nhất có thể đạt được độ cân bằng giữa độ cứng-khả năng chống rỉ như MagnaCut là S110V.

Tác giả từng đề cập rằng S35VN là thép có sự cân bằng tốt nhất giữa giữ sắc và độ dẻo dai, tuy nhiên với MagnaCut, S35Vn đã mất vị trí này.

Đã đến lúc chúng ta mài dao mỏng hơn

Dao có thể mất đi độ sắc do nhiều yếu tố như biến dạng, mẻ dăm, mài mòn do cắt hay bị rỉ. MagnaCut có thể đáp ứng được tốt yêu cầu cho nhiều loại dao, nhiều tác vụ do tính chất cân bằng của nó.

Ví dụ với dao phi lê phải tiếp xúc nhiều với muối biển thì khả năng chống rỉ cực kì quan trọng.

Hoặc với dao gấp hoặc dao bếp không cần lắm đến độ dẻo dai, tuy nhiên với độ dẻo dai cao, bạn có thể mài mỏng mép lưỡi hơn và đương nhiên khả năng giữ sắc tốt hơn và cảm nhận cắt cũng tốt hơn.

Vì thế sự kết hợp giữa dẻo dai cao, độ cứng và chống mài mòn cao nên MagnaCut có thể sử dụng trong mọi loại dao từ dao bếp đến dao chặt.

Độ phổ biến

CPM MagnaCut được sản xuất bởi Crucible và cán nóng bởi Niagara Specialty Metals giống như các thép CPM khác như S45VN, S30V, S35VN, 20CV, S90V… vì vậy nên nó sẽ được cùng cấp rộng rãi như những thép trên. Hiện tại mẻ đầu tiên sẽ sẵn sàng vào 1/4/2021.

Tổng kết và kết luận

CPM MagnaCut là kết quả của tác giả với mong muốn loại bỏ carbide crom trong dòng thép bột không rỉ. Điều này dẫn tới sự kết hợp của các tính chất tốt hơn so với các dòng thép bột không rỉ trước đó, và tương đương độ dẻo dai, giữ sắc như các dòng thép không chống rỉ khác như CPM-Cruwear, CPM-4V và Vanadis Extra 4. Khả năng chống rỉ cũng được chứng minh là rất tuyệt vời, tại 64+hrc khả năng chống rỉ còn tốt hơn s110v, s45vn hay m390. Phác đồ nhiệt luyện khuyến nghị là 1120 độ C và 167 độ C, tôi lạnh sẽ khiến độ cứng cao hơn. Loại thép này sẽ được phổ biến trong thời gian gần qua các kênh thông thường.