CPMS30V su Crucible Tool Steel

[Aldebaran]

Nel catalogo la Crucible Tool Steel annovera acciai, della serie CPM, con caratteristiche molto diverse tra loro.
Alcuni possiedono caratteristiche decisamente esasperate. Vedere il caso di CPM S125V o, tra gli altolegati non inossidabili il CPM 15V.
Sono caratterizzati da elevata resistenza all'usura, indubbiamente, però la loro resilienza è davvero minima.
Il 9V e 10V in questo senso sono migliori, ma comunque non penso che lame forgiate con tali materiali siano molto sempilci da riaffilare.
La presenza di molti carburi puo' creare infatti problemi di microchipping.
Decisamente piu' interessanti sono invece il CPM 3V e il CPM 1V. Peccato che quest'ultimo sia usato pochissimo nella coltelleria. Tra l'altro il CPM 3V mi sembra un A18 leggermente modificato, prodotto con la metallurgia delle polveri.
Il CPM S90V ( in Europa commercializzato come CPM420V) è nettamente superiore in resistenza ad usura, il 9% di vanadio fa la sua parte, ma perde molto in elasticità, proprieta'che è il punto di forza del CPM S30V.
ll CPM10V che con il suo 9,75% di vanadio ha altrettanta resistenza all'usura come Il CPM420V, e il tenore di cromo più basso conferisce meno fragilità.Sia del CPM3V che del CPM10V esistono varie dimensioni di lamiere a partire dal 2 millimetri in su.
I difetti negli utensili da taglio son dovuti al non perfetto trattamento termico del loro acciaio e, di conseguenza, il non omogeneo scioglimento in soluzione dei carburi.
Per certi acciai altolegati, con buon o alto contenuto di elementi di lega formatori di carburi (Cr, Mo, V, W, Nb, Ti, Ta, ecc), è possibile sfruttare l'indurimento secondario, ovvero l'aumento di durezza che avviene per rinvenimenti a temperature comprese tra i 400 e i 550°C circa.
Tale aumento di durezza è dovuto alla precipitazione di carburi fini, di forma sferoidale, di Mo, V, Nb, Cr, o altro, a seconda della composizione dell'acciaio.
Ora, sfruttando la precipitazione dei carburi secondari si può trasformare l'austenite residua in martensite rinvenuta (formata da una matrice ferritica in cui sono dispersi i carburi secondari).
L'andamento della quantità di austenite residua, in funzione della temperatura di rinvenimento, è diverso a seconda dell'acciaio preso in esame, ma per diversi acciai altolegati (da utensili per lavorazioni a freddo, a caldo, acciai Hs, Hss e inossidabili martensitici) la quantità di austenite residua tende a diminuire (praticamente viene completamente trasformata) solo a temperature nelle quali avviene la precipitazione dei carburi secondari.
Quindi, nel caso si voglia fare un rinvenimento a bassa temperatura (200-350°C circa), per acciai come D2, RWL 34, CPM S30V, un metodo veloce ed efficace per trasformare l'austenite residua è quella di fare il sottoraffreddamento.
La scelta di fare un rinvenimento a bassa o ad alta tempratura dipende principalmente dalle caratteristiche che si vorrebbero privilegiare.
Solitamente si usano basse temperature di rinvenimento per avere migliori valori di resistenza alla corrosione.
Infatti quando si fanno rinvenimenti ad alte temprature tra i vari carburi secondari precipitati ci sono anche quelli del cromo.
Ha una grande importanza comunque anche la temperatura di austenizzazione, che influenza la quantità di elementi di lega formatori di carburi che entrano in soluzione nel ferro gamma.
In genere all'aumentare della T di austenizzazione, per gli acciai altolegati di cui parliamo e anche per il CPM S30V, aumenta la quantità di austenite residua dopo lo spegnimento e la quantità di cromo libero in soluzione nell'austenite ( aumenta anche la durezza massima ottenibile sfruttando la precipitazione dei carburi secondari).
Gli acciai come S30V, ATS 34, RWL e altri hanno una curva di rinvenimento "complessa", ovvero la durezza tende a diminuire sino a T di rinvenimento di 350°C per poi aumentare nuovamente, per via della precipitazione di carburi secondari molto duri e fini, di forma sferoidale. Sono carburi di Cr, Mo, V, Nb, ecc (anche a seconda della composizione dell'acciaio ovviamente). Questo è l'indurimento secondario.

Quando si ha tale precipitazione la matrice dell'acciaio si definisce ferritica e a determinare la durezza dell'acciaio è la quantità di carburi, la natura dei carburi e le loro dimensioni. Difatti, dopo la completa precipitazione di tali carburi, all'aumentare della T di rinvenimento, aumenta la loro diminsione e quindi la durezza diminuisce. La velocità della caduta di durezza in funzione dell'aumento della T di rinvenimento dipende dalla resistenza alla coalescenza di tali carburi.
Attuando rinvenimenti multipli in zona di indurimento secondario l'austenite residua si impoverisce sempre più di carbonio (ed eventualmente altri elementi di lega formatori di carburi), innalzando i suoi orizzonti Ms e Mf e trasformandosi, di conseguenza, prima in martensite TCC e poi in martensite rinvenuta (ovvero formata da una matrice ferritica in cui sono dispersi i carburi secondari sferoidali).

La trasformazione dell'austenite residua in martensite non avviene (o comunque avviene solo in minima parte) se il rinvenimento è fatto a basse temperature (200-350°C), eccezion fatta per certi acciai altolegati da utensili (come A2 o S7) per cui la curva "temperatura di rinvenimento/quantità di austenite residua" è irregolare.
Per acciai inossidabili martensitici come l' S30V, RWL 34, ecc, la quantità di austenite residua dopo lo spegnimento non è proprio bassa (dal 15 al 30%), anche se varia anche in funzione della T di austenizzazione.
In particolare aumentando al T di austenizzazione aumenta la quantità di austenite residua perchè aumenta la quantità di carbonio e altri lementi di lega che entrano in soluzione nel ferro gamma.
Ciò comporta la diminuzione della temperatura di Ms e Mf.
C'è da dire però che aumentando la T di austenizzazione aumenta anche la durezza massima ottenibile sfruttando l'indurimento secondario.
Per questo motivo solitamente si consigliano temperature di austenizzazione basse o medie per rinvenimenti a basse temperature, mentre si utilizzano alte temperature di austenizzazione nel caso si voglia sfruttare l'indurimento secondario.
Sfruttando l'indurimento secondario però si diminuisce la resistenza a corrosione perchè precipitano anche i carburi di cromo, diminuendo quindi la quantità di cromo libero.
Il sottoraffreddamento permette di trasformare tutta l'austenite residua in martensite TCC, aumentando quindi la durezza dell'acciaio. Si possono usare anche alte T di austenizzazione, portando in soluzione buone quantità di cromo (e altri elementi di lega, tra cui il carbonio), fare un rinvenimento a basse temperature (che non comporta la precipitazione di carburi secondari ma solo di cementite epsilon e X) e non avere austenite residua.
La differenza di durezza per due lame nello stesso acciaio, con stessi parametri di tempra, dipende dal fatto che comunque le colate non sono del tutto omogenee. La sinterizzazione, il processo ESR e altre tecniche di produzione moderna tendono a diminuire questo "problema", ma non lo eliminano.
In forum americani e non (Svedesi come Antracite o Francesi, ne parlai con Bellerofonte),ho notato che l'aspetto teorico non è fondamentale,e la poca teoria va applicata e sperimentata.
In particolare una cosa è parlare di tempra dell'acciaio ed una cosa è parlare della tempra di una lama in acciaio.Altri coltellinai per esempio invece che adoperare la tecnica del sottoraffreddamento preferiscono realizzare 3 rinvenimenti di cui il primo inizia quando ancora la temperatura della lama dalla tempra è di circa 80°C, in questo modo si ha il doppio pregio di diminuire la probabilità di insorgenza di fratture e di distendere in maniera ottimale l'acciaio, azzerando quasi tutte le tensioni residue interne all’acciaio.

In un forum americano io ho posto il seguente quesito:-
"I have a little question for you. In your experience we can recive the same effects on the steel (like ATS34) if we use criogenic treatment or the technic of three tempered (between 1000-1025°F)."?
La risposta piu' indicativa è stata questa:-
"At this point in time we know that cryo will reduce retained austenite and raise hardness by 1-2 HRc points .Other claims have not been proven to my satisfaction. High temperature temper will also reduce retained austenite. The hardness levels for those high temperatures involve secondary hardening due to the Mo, V, or W in the steel. I don't see any need to temper ATS-34, 154CM or similar steels at high temperature for knives. 400 F will work fine .I just had a custom CPM154 knife heat treatd to 400 F to my specification ,works fine !"

La tempra conferisce l'anima al coltello...Ma un coltello non è solo tempra.
In un documento in pdf, reperibile sul sito della Buck si parla di crio trattamento riferendosi a temperature di -130Gradi. Su molti data sheet di acciai leggo che la temperatura di sottoraffreddamento/criogenia consigliata oscilla in un range di -70...-90 Gradi.
I coltellinai che fanno in casa questo tipo di trattamento fanno uso di azoto liquido, o di miscele di ghiaccio e alcol , acetone etc... poi ci sono altri che realizzano un sottoraffreddamento ponendo le lame a -20/-30 Gradi per circa 24 ore.
Sempre per quanto concerne gli acciai, la quantita' di austenite residua al termine del processo di tempra e' in funzione della percentuale di carbonio presente nell'acciaio nonche' di quella degli elementi in lega. L'effetto degli alliganti e' quello di diminuire il valore della temperatura Mf (martensite finish) in prossimita' della quale si assiste alla completa trasformazione dell'austenite. In un acciaio non legato per percentuali superiori allo 0,7%C la Mf assume valori inferiori a 0 Gradi per cui, per portare a completamento la trasformazione, si rende necessario un raffreddamento del materiale sotto questa temperatura, facendo uso di bagni termostatati di alcool, ghiaccio secco, azoto liquido.
Le cose si complicano ulteriormente in presenza di acciai legati. E' importante che non sia fatto passare molto tempo tra tempra e sottoraffreddamento, a causa del processo di stabilizzazione dell'austenite, per cui la sua successiva trasformazione si rende piu' difficile (ulteriore diminuzione di Mf). L'esperienza dimostra che a -80 Gradi non si trova piu' austenite nella maggior parte degli acciai. E' quindi sufficiente un semplice trattamento freddo (cold treatment) per assistere ad un discreto incremento della resistenza all'usura dello strumento.
Il trattamento criogenico (deep criogenic treatment, DCT) si contraddistingue dal trattamento freddo per la temperatura molto piu' bassa con cui si realizza, ossia quella dell'azoto liquido (77K,--> -196Gradi). Prove condotte sul campo e di laboratorio dimostrano che questo trattamento conferisce all'acciaio un ulteriore aumento della resistenza all'usura rispetto al trattamento freddo; si sono ottenuti ottimi risultati anche su metalli non ferrosi. Al giorno d'oggi esso viene realizzato mediante apparecchiature a microprocessore in grado di controllare il raffreddamento della camera, nella quale l'azoto liquido e' immesso sotto forma di una fitta nebbia di goccioline.

Importante
Un aspetto importante e non trascurabile e' che in generale i risultati ottenuti industrialmente presentano un andamento di proprieta' talvolta altalenante. Questo fatto costituisce ancor oggi motivo di scetticismo da parte di molti potenziali utilizzatori del trattamento criogenico, i quali preferiscono evitare investimenti su tecnologie dai risultati non del tutto convincenti, derivanti dalle poche prove preliminari eseguite.
Per cui dubito fortemente che gli stessi laboratori professionali per la tempra delle lame possano effettuare un vero trattamento criogenico (cosa che invece si effettua in piccoli laoratori di ricerca), ma piuttosto realizzano un sottoraffreddamento spinto che, come nel caso di Boss, arriva al max a -130.

Poiche' sono convinto che solo l'insieme di teoria e pratica possa dare i risultati migliori credo che quanto segue possa essere di interesse per tutti.

Domanda posta su un forum americano:

Can anyone confirm some heat treatment temperatures?

Risposta:
Is it correct that Paul Bos uses 1960 F (1070 ?C) and 950 F (510 ?C) for tempering of ATS-34?
(I?m asking because tempering close to 930 F (500 ?C) can cause brittleness in steels and companies like Uddeholm recommends at least 980 F (525 ?C) when doing high temperature tempering.)

Bos risponde:
I am a service buesness, I will do what my customers want me to do. I do temper at both ranges, we have done corrosion tests, yes it will stain more at the secondary range more than the lower range, but it is percentage points. As edge chipping goes we found it was about the same. Yes your edges will chip at 60-61 R/C if you hit something hard. Ats-34, 154-CM, cpm-i54, BG-42, And D-2 all have a secondary tempering range. Most of my customers ask for the secondary range on the St/Stl. and quit a few like it on the D-2. S-30-V I harden @1975 F. Air quench, Cryo @ -280 F. for 12 to 20 hrs. double temper @ 550-600 F for 2 hrs per temper , Final R/C- 59.5 -60. Over the last 35-40 years that I have been doing Heat Treating for Custom Knife Makers, I reley on there feedback as to what works best for them. Please if you have questions about my service please give me a call, I will be happy to answer your Questions the best I can, I dont have a lot of time to spend on the Forums. Shop# (800)-326-2625 Ext. 211. If I dont answer leave callback #. Thank You Paul Bos.