鋼材の比較

使った事のある鋼材を、硬さ、耐磨耗性、耐食性、組織微細、靱性の項目に、五段階に評価してみた。耐磨耗性、耐食性、靱性については主観である。

組織写真は600倍で、横の画角が約100μmになる。

ATS34

硬さ　　　3

耐磨耗性　3

耐食性　　3

組織微細　2

靱性　　　3

硬さは高温焼戻しで60、低温焼戻しだと63程度まで上がる。オーステナイト化温度は高目。

十数μmの共晶炭化物があるため、精緻に刃先を研いでも使用中に脱落して刃先の劣化になる。

耐食性は低温焼戻しの方がいいが、高温焼戻しでも実用上は問題ない。

突出した部分はないが、概ね平均的。

D2

硬さ　　　4

耐磨耗性　3

耐食性　　1

組織微細　1

靱性　　　2

比較的オーステナイト化の温度が低い。高目で熱処理すると、基地の結晶粒肥大化になる。

30μm近くの共晶炭化物が存在する場合がある。このためミクロンレベルの靱性は比較的低くなる。精緻な刃付けにはむかない。

C量が多いため、Crが炭化物に食われ基地に固溶する量が減り耐食性は悪い。

硬さがある程度あり粘りも少ないので、ザラッと研ぐには使いやすい。

RWL34

硬さ　　　4　

耐磨耗性　3

耐食性　　3

組織微細　3

靱性　　　4

低温焼戻し、高温焼戻しとも、ATS34より硬さは1程度高くなる。

炭化物は顕微鏡観察で見える範囲では4μm程度。Vの含有量は少ないので炭化物自体はそれ程硬くなく、そのため耐磨耗性は大きくない。

巨大な炭化物がないので、ATS34より若干耐食性はいい。

ATS34の欠点を解決した鋼材といえる。

10C28Mo2

硬さ　　　2

耐磨耗性　2

耐食性　　4

組織微細　5

靱性　　　5

共晶炭化物がなく、炭化物の量が少なく細かい。炭化物は大きくても1μm程度。研ぎあげれば精緻な刃が付く。炭素鋼並みに組織は細かい。

炭素量を抑えて基地に固溶するCr量を多くする事で耐食性をよくしている。

炭化物量が少ないのでオーステナイト化で溶け込むC量は少なく、硬さは低めになる。概ね60ぐらい。

14C28N

硬さ　　　3

耐磨耗性　2

耐食性　　4

組織微細　5

靱性　　　5

10C28MO2より炭化物量が多く、大きさも僅かに大きい。

硬さは10C28MO2より1程度高い。

 耐食性と靱性は10C28MO2より幾らか低くなると思われるが、実質上はほぼ変わらない。

10C28Mo2ほどの組織の細かさが必要ないならば、これの方がバランスがいいかもしれない。中研程度までで使うなら十分だろう。

SPG2

硬さ　　　3

耐磨耗性　4

耐食性　　4

組織微細　3

靱性　　　4

真空炉の気体冷却では硬さが僅かに低くなる。高温焼戻しで60程度、低温焼戻しだと61ちょっと。

炭化物は顕微鏡観察で3～4μm程度。Vにより炭化物は硬い。耐磨耗性は高いが、S30Vほどではない。しかしその分、靱性はやや高い。

耐食性は比較的よく、高温焼戻しでも実用上問題ない。

S30V

硬さ　　　2

耐磨耗性　5

耐食性　　2

組織微細　3

靱性　　　3

オーステナイト化が高い必要があり、真空炉の気体冷却では硬さが出にくい。低温焼戻しで60、高温焼戻しで59程度。

炭化物はVにより硬く量も多いので、耐磨耗性は非常にいい。観察では3μm前後で分布しているが、密度か高く繋がっている部分も見られる。そのためか靱性はやや低い。

炭化物に食われるCr量がやや多いため、耐食性も若干低い。

手で研いで使うより、動力機械で刃付けして使う方がいと思う。

ZDP189

硬さ　　　5

耐磨耗性　3

耐食性　　1

組織微細　3

靱性　　　1

炭化物の多くがCrによるため、オーステナイト化温度がやや低め。D2と同じぐらい。

Cr炭化物が主体のため炭化物自体による耐磨耗性は高くないが、基地の硬さがあるためそこそこの耐磨耗性になっている。

炭化物は概ね3～4μm程度で観察され、密度が非常に高い。このため基地の硬さも高い事もあり靱性は比較的低い。

Cr量に対しC量が多いので、基地に固溶するCrが少なく耐食性は低い。

VANAX

硬さ　　　3

耐磨耗性　4

耐食性　　5

組織微細　4

靱性　　　4

オーステナイト化温度が高目である必要はあるが、V含有が多い粉末鋼の割には真空炉の気体冷却でも硬さは出やすい。61程度。

他の粉末鋼より炭化物は幾分細かい。Vによる窒炭化物の様で、硬さがある程度あるので耐磨耗性はいい。細かいため靱性もよい。概ね3μmより小さい。

C量を抑えているので、Crが基地に多く固溶するため、耐食性はステンレス鋼のなかでは非常にいい。

H1

硬さ　　　1

耐磨耗性　1

耐食性　　5

組織微細　5

靱性　　　5

基本的にはオーステナイト系ステンレス鋼を、加工誘起のマルテン化で硬化させるらしい。硬さは57程度。耐熱性がある様に言われるが、実際は加熱すれば硬さは落ちる。

Cはほとんど含まないので、炭化物はほぼ存在しない。そのため耐磨耗性は非常に低い。硬さが低く炭化物がないので靱性は高い。

基地の結晶粒は大きい様にも見えるが、炭化物がないので、相対的に組織は細かく感じる。

Cを含まないので含有するCrのほとんどが基地にあるため、耐食性は非常に高い。

オーステナイト系ステンレス鋼特有の問題で、組織中に僅かにデルタフェライトが存在する。これは基本的にフェライト相なので柔らかいため、刃先の劣化の原因になる。炭化物がない事もあわせてH1特有の切れ味の原因になっていると思われる。

CV134　(11/6追記)

硬さ　　　4

耐磨耗性　5

耐食性　　2

組織微細　2

靱性　　　3

共晶炭化物はD2とATS34の中間的な大きさで、その密度は非常に高い。Vにより炭化物の硬さもあり耐摩耗性はとても高い。

大きく硬い炭化物のため、研ぎ上げて精緻な刃付けには向かない。ザラっと研いでザクザク切る用途に向く。手研ぎより動力機械の刃付けの方がいいのかもしれない。

V含有の多い粉末鋼の様な気体冷却で硬さが出にくくなる事はないので、真空炉の熱処理で十分いける。

D2の熱処理条件でも十分硬さは出るが、オーステナイト化温度を高めにした方が硬さと耐食性で有利になる。64近くの硬さが出るが、若干焼き戻し温度を高めて62程度で使うのがいい。

二次硬化するので、高温焼き戻しでもいける。その場合硬さは60程度。耐食性はさらに落ちるが、高負荷な使い方にはいいかもしれない。

ハンドル材の組織

この前象牙を使ったが、その性質に興味を持った。

ちょっと気になったので調べてみる事にした。

金属顕微鏡を使って組織を観察してみる。

輪切りの象牙があったので、これから試験片を切り出す。表層にはエナメル質が付いてるので、象牙質との違いが見れるだろうか？

比較として白骨化した鹿角も観察してみよう。

久しぶりに金属顕微鏡を引っ張り出してきた。

金属顕微鏡は光軸の途中にハーフミラーが有って、光源の光を対物レンズを通して試験片に照射して反射光で観察をする。金属片は光が透過しないからねｗ

象牙75倍。

中央付近の線がエナメル質と象牙質の境目。左がエナメル質で右が象牙質となり、右の方が象牙の中心になる。

肉眼だと表層側の象牙質は交差模様が見えるのだが、これは内部の濃淡が透けて見えるためであって、顕微鏡だと表面の組織でしか見えないので交差模様は出ない様だ。

象牙エナメル質600倍。

象牙は緻密で研磨しただけでは組織が出なかったので、硫酸で軽くエッチングしている。

象牙という物は10％弱の水分とコラーゲを主成分とする有機物が30％、残りはリン酸カルシウム（ハイドルキシアパタイト）などの無機物で構成されているらしい。

エナメル質と象牙質の違いは有機物と無機物の割合で、エナメル質の方がより無機物が多く、そのため硬いらしい。

象牙象牙質600倍。

研磨とエッチングが今一で画像では分かりにくいが、観察した限りでは隙間の様な状態は全くなく均一で緻密な感じだった。

象牙は磨くと表面が非常にきれいに仕上がって、金属切粉が入り込むということがなかった。確かにミクロ組織が均質だからなのだろう。

象牙放射方向600倍。

象牙は中心から外層方向に放射状に細管があるらしい。

画像では不鮮明で分からないが、観察するとポツポツと穴の様な感じが見える様な気もすくが、今一はっきりしない。これは顕微鏡の限界かもしれないｗ

白骨化鹿角75倍。

表層を削った状態で、普通にハンドル材としたなら表面になる部分。

肉眼でも見える事があるが、渦巻き模様が無数にある。木材の節に似ているが、渦の中心は穴になってる。

鹿角も骨も基本的には象牙と同じで、水分とコラーゲンとリン酸カルシウムで出来ている。

成り立ちとしては、先ずコラーゲン繊維が成長して、その隙間にリン酸カルシウムが沈着して形成されるのだと思う。

鹿角の節状の部分は樹枝状に発達したコラーゲン繊維の痕跡だはないだろうか。

白骨化鹿角600倍。

節状の部分の中心は穴になっているが、その他の部分んは結構緻密な感じだった。

節状の渦巻きは何かが濃淡となって表れている。白骨化によるコラーゲン繊維分の脱落による微細な穴なのだろうか。白骨化鹿角はエポキシや乾性油が染み込みやすいが、コラーゲン繊維が腐食で無くなり、ミクロな隙間だらけの状態なのかもしれない。

白骨化鹿角髄部75倍。鹿角を軸方向に見たところ。

髄の部分はスカスカな穴だらけ。

髄の部分はよく血管の通ていた跡だと言われるが、どちらかというとコラーゲン繊維を形成する時の幹の部分と考えた方がいいのかもしれない。

白骨鹿角軸方向75倍。

髄から離れた表層に近い部分。

この方向でも渦巻き模様が出てる。おそらくコラーゲン繊維の比較的太い枝の部分に相当するのだろう。

鹿角は磨いていると金属切粉が入り込んでなかなか取れなくなる事があるが、この節の部分が原因なのかもしれない。

アイアンウッド600倍。

ついでで見てみた。

観察した限り隙間の様なものはほとんどなかった。

アイアンウッド150倍。

木材の成分は大まかにはセルロース、ヘミセルロース、グアニンの三つで構成されてるそうだ。

見える組織がどういう意味があるのかは分からないが、非常に緻密な印象を持った。

アイアンウッドは化石化したものの様に言われる事があるが、木材である事は間違いない。珪酸分が沈着して石化してる様なものではないと思う。

タンリネンマイカルタ75倍。

分かりにくいが黒っぽい部分がリネンの繊維で、白っぽい部分が樹脂の部分。

肉眼だと繊維が交差してるのが見えるのだが、これも内部が若干透けるからの様だ。

顕微鏡だと内部の透けた部分はピントが合わないので表面だけしか見えない。

タンマイカルタ600倍。

研磨の状態と平行が出てなかったので画像は判然としないが、案外繊維の部分も緻密な状態になっている。繊維にも樹脂が十分染み込んでいるからなのだろうか。

マイカルタの厄介なところは、粗削りで繊維が毟れた状態になるので、その後の研磨を丁寧に行わないと最後まで繊維の毟れが残ってしまう。きれいに仕上げようと思うと案外手間が掛かる。

ブラックキャンバスマイカルタ75倍。

これも黒っぽい部分が繊維で、白っぽい部分が樹脂になる。

ブラックキャンバスマイカルタ600倍。

繊維のサイズの違いだけで、タンリネンと本質的には変わらない様だ。

14C28N

昨年の関の刃物まつりで買ってきた14C28Nを使ってみる。

10C28Mo2との違いが知りたいので、両方で作ってみる事にした。

一番の疑問は焼入れのオーステナイト化の温度が1080℃で行けるという事。

オーバーヒートにならないのか？

アレイマの人に聞くと組織の状態が鍵らしい。

硬さを測ってみた。

若干炭素量が多い事と窒素を少量含有しているので、10C28Mo2よりは硬さは高くなるとは予想していたが、思った以上に高かった。

13%Crの時、Cは0.8%以下になると一次(共晶)炭化物はなくなる。420の系統がこれに相当する。

CRMO7、10C28Mo2はこの系統になる。14C28Nもこれに入る。

420はC量が少ないためにオーステナイト化の温度は低めになるのだが、CRMO7は１%程度Moがあるためにオーステナイト化温度が高めになってる。

14C28NはMoの様な炭化物生成傾向の高い合金元素は含まれないので、オーステナイト化温度は低めだと思っていた。

以下は顕微鏡観察した結果。

600倍は横の画角がちょうど100μmになる。

 

14C28N　マトリックスアイダCRMO7の条件　600倍

14C28N　マトリックスアイダCRMO7の条件　150倍

14C28N　生材　600倍

14C28N　生材　150倍

10C28Mo2　マトリックスアイダCRMO7の条件　600倍

10C28Mo2　マトリックスアイダCRMO7　150倍

10C28Mo2　生材　600倍

10C28Mo2　生材　150倍

研磨とエッチングが今一であるが、14C28Nの熱処理後の組織は観察した限りではオーバーヒート等の組織の異常はなかった。

10C28Mo2と比較すると、熱処理後は幾分14C28Nの方が炭化物が大きく密度も高い様だ。溶け残った炭化物も多い。オーステナイト化が高くても過熱にならない理由は、この辺にあるのかもしれない。

10C28Mo2,14C28Nとも生材と比較すると、熱処理後は炭化物が固溶している様子がわかる。10C28Mo2は溶け込む量が多く、ぎりぎりオーバーヒートになってない感もある。

エッチングした時の感触では、10C28Mo2の方が若干耐食性がいい様だ。

マトリックスアイダの熱処理条件は、ATS34、CRMO7、それ以外、の三通りある。

「それ以外」というのはD2に適した条件になっている。

ATS34とCRMO7はD2の条件よりオーステナイト化の温度が40℃ほど高い。

おそらく14C28Nをそのまま出すと硬さは59～60ぐらいになるんじゃなかろうか。

CRMO7の条件だとやや硬すぎる感もある。場合によっては160℃程度で2時間ほど追加で焼き戻した方がいいかもしれない。60～61程度になると思う。

VANAXという鋼材

VANAXに興味があったので、ハーフタングの小ナイフを作る事にした。窒素含有を多くして炭素量を下げて耐食性を狙った粉末鋼らしい。

オーステナイト化の温度は高めらしいので、マトリックスアイダのATS34とCRMO7の条件で試してみる。

硬さを測ってみた。

高温焼き戻しのATS34の条件で約60、低温焼き戻しになるCRMO7の条件で61程度になる様だ。まあこんなもんなのだろう。とりあえず真空炉でも十分硬さは出る様だ。

生材の削りと研磨はごく普通な感じだったが、熱処理後は高番手になると磨き難さを感じる。SPGⅡやELMAXほどではなさそうだが耐摩耗性はよさそうだ。

 

組織を観察してみた。
先ずは生材の600倍。横方向の画角が約100μｍ。研磨の都合上、上下方向が鋼材の長手方向になってる。

研磨とエッチングが今一で見にくいが、炭化物（炭窒化物か？）は概ね３μm前後だろうか。

生材150倍。

炭化物は粉末鋼らしく均一に分布している。とくにメタルフローは見られない。

マトリックスアイダATS34の条件600倍。

生材と比べると炭化物の溶け込みからか、やや粗な感じになっている。

マトリックスアイダATS34の条件150倍。

マトリックスアイダCRMO7の条件600倍。

低温焼き戻しだと酸による腐食が非常にしにくかった。仕方がないので塩化第二鉄でエッチングしたが、それでも今一だった。

画像はエッチングが上手く出来ず不鮮明であるが、観察した限りでは本質的にはATS34の条件と大きな違いはない様だ。

マトリックスアイダCRMO7の条件150倍。

これも不鮮明であるが、概ねATS34の条件と違いはない。

ざっと見た感じではVANAXはSPGⅡ、S30V、ELMAXから比べると炭化物が幾分細かい様だ。実際は炭窒化物なのだろうが、硬さがあって耐摩耗性もよさそうだ。

高温焼き戻しでは耐食性はそれほどでもなさそうだが、低温焼き戻しではとてもよいだろう。

細かく均一な炭窒化物は靭性にも有利と思われる。

但し高価な鋼材なので、それに見合うのかはどうなんだろうか・・・

二度焼入れする

magnacutの実験の続。

前回マトリックスアイダで、ATS34の条件、CRMO7の条件、magnacutの条件（D2か？）、で熱処理したものを再度マトリックスアイダでCRMO7の条件で熱処理した。

通常二度続けて焼入れするとオーステナイトに過剰に炭化物が溶け込んでオーバーヒートの組織になりやすい。

しかしもともとオーステナイト化の温度が足りないのなら、二度焼入れする事で適正状態に近づけるのではないかと考えた。

とりあえず硬さを測定してみた。

二度焼入れする事で確かにいくらか硬さは上がったが、思ったほどではなかった・・・

前回ATS34の条件が56.9だったので、硬さが上がる事は間違いない。しかしそれでもまだオーステナイトに固溶する炭素量は十分でないのかもしれない。

組織を観察しようとエッチングしたのだが、何故かなかなか腐食しない。

一回目の熱処理では普通にエッチングできたのだが、二回目はえらく腐食しにくかった。

もしかしたらCrの基地への固溶量が増えて耐食性がよくなっているのかもしれない。

そうだとするとオーステナイト化温度が足りないのは、硬さの問題だけでなく耐食性にも影響があるのかもしれない。

以下に組織観察した結果を貼る。

600倍の横の画角は約100μm。

エッチングに手間取って何回も研磨しなおさないといけなかった。研磨状態が悪くて今一な写真だが勘弁してほしいｗ

一回目ATS34の条件→二回目CRMO7の条件、600倍。

一回目ATS34の条件→二回目CRMO7の条件、150倍。

一回目CRMO7の条件→二回目CRMO7の条件、600倍。

一回目CRMO7の条件→二回目CRMO7の条件、150倍。

一回目magnacutの条件→二回目CRMO7の条件、600倍。

一回目magnacutの条件→二回目CRMO7の条件、150倍。

参考までに。

magnacut生材、600倍。

magnacut生材、150倍。

三通りの熱処理条件になったが、概ねどれも大きな違いはなかった。

写真では研磨状態が悪くてはっきりしないが、基地の異常な粗大化や炭化物の溶け込みすぎは観察のかぎりでは見られなかったので、熱処理としては適正の範囲なのだと思う。

ATS34→CRMO7の順はATS34の条件が高温焼き戻しなので、若干マルテンサイトからの炭素の吐き出しがあるため、僅かに硬さが低いのかもしれない。

CRMO7→CRMO7とmagnacut(D2?)→CRMO7の条件は誤差の範囲だと思う。

CRMO7の条件を二回続けるのが現実的な気がするが、はたして費用対効果を考えるとどうなんだろうか・・・

硬さだけで考えれば僅かに0.6～0.7程度の上昇しかないが、耐食性にはいい結果が得られるかもしれない。

究極的にはソルトバスで適正のオーステナイト化温度と保持時間を指定して、冷却も歪みを覚悟して油冷でやるべきなのかもしれない。

しかし肌荒れや薄く作る事ができないのであれば、やはり真空炉でやるしかない。

magnacutって厄介な鋼材だな・・・