本文最初发表于 Field & Stream。
钢是我们大多数人习以为常的合金。最简单的形式，它是铁和碳的混合物。但刀刃钢中还有很多其他元素会影响刀具的性能。这些少量添加的元素有助于刀具保持锋利、不易生锈，以及在跌落时不易破碎。为了更深入地了解它们，我们采访了 Benchmade Knives 的测试与创新主管 Martin Mills。以下是关于熔融金属如何变成优质刀刃的科学原理。
刀钢的权衡之道
在理想世界里，一把刀应该价格实惠、永不生锈，并且坚固到可以当作撬棍使用。然而，所有刀刃钢都是硬度、耐用性、锋利度保持性、防锈性和价格之间的权衡。如果钢材太硬，它会极好地保持锋利，但容易崩口或断裂。如果钢材完全防锈，它可能太软，无法保持锋利。一些刀刃钢也提供惊人的整体性能，但价格非常昂贵。
构成优质刀钢的元素
每种刀钢都有其优点和缺点，在购买刀具之前，重要的是要考虑您将如何以及在哪里使用它。根据应用的不同，冶金学家会在钢中添加元素，以提高不同类别的性能。以下是一些优质钢材中常见的元素：
碳
碳是将铁转化为钢的主要元素。刀刃钢通常被称为“高碳”钢，通常情况下，碳含量越高，硬度就越大。碳还能提高抗拉强度、耐磨性和锋利度保持性。但过犹不及，过多的碳会导致钢材变脆。
铬
在钢中添加铬可以提高其耐腐蚀性。钢材需要至少含有 13% 的铬才能被归类为“不锈钢”。除了以未改变的化学状态分布在材料中之外，铬还会与碳结合形成称为碳化物的颗粒（稍后详细介绍）。铬碳化物是所有碳化物中最软的，但它们仍然比钢硬，并且它们的分布有助于提高整体硬度、抗拉强度和锋利度保持性。
钼
钼，或称 moly，用量相对较少。它也是一种形成碳化物的材料，可以提高刀刃钢的韧性。
钒
钒形成了现代刀刃钢中最硬的碳化物；它对刀具的属性有显著影响。这些坚硬、超细晶粒的碳化物有助于提高成品刀刃的耐磨性。许多新型、高端刀刃钢都含有大量的钒。
现代不锈钢刀具中常见的其他元素包括镍、钴、锰、硅、铌、钨，甚至铜。
碳化物的形成及其重要性
上述元素在坩埚中熔炼形成合金，从而成为制造刀具的金属。在此过程中，当它们与碳结合时，还会形成称为碳化物的小而非常坚硬的颗粒。Mills 解释说，这些碳化物的作用很像混凝土中的骨料，与水泥混合以增强其强度。碳化物比单独的基体钢更硬，它们有助于锋利度保持性、刀刃强度和耐用性。
合金化工艺会影响钢材中碳化物的类型，而制造方法则影响这些碳化物的尺寸、均匀性和分布。这些因素共同决定了刀刃钢的整体质量。
刀钢合金的铸造和制造方法
有两种方法可以制造刀钢。“常规”方法是将所有元素与碳和铁放在一起，加热至熔化并充分混合，然后将混合物倒入模具中形成巨大的锭。冷却后的混合物称为合金，刀钢就这样制作了数百年。
唯一的缺点是钢材冷却缓慢且不均匀。构成合金的元素在不同的温度下固化，这导致它们在微观层面分离。形成的碳化物在形状或尺寸上不一致，或者在整个合金中分布不均。这仍然是最常见的炼钢方法，以此方法制造的刀刃钢包括 1095、440 系列钢、154CM 以及 D2 等工具钢。
但有一种由 Crucible Industries 公司首创的新型制造技术，它利用粉末金属来解决冷却速率问题。
“与之前一样，将合金元素添加到钢中并熔化，但当熔融液流从坩埚中倒出时，我们会用高压气体对其进行喷射，形成微小的液滴，这些液滴几乎瞬间冷却并凝固，”Mills 说。这些冷却的液滴成为金属粉末的颗粒。与常规方法合金中相同的元素在每个颗粒内部均匀混合，并且在颗粒内部也形成更小、更均匀的碳化物。然后将粉末放入一个腔室，施加热量和压力，使其熔合在一起形成一块实心金属。
更小、分布更均匀的碳化物显著提高了成品刀刃的性能。随着钢材在磨砺和使用中逐渐磨损，碳化物会被暴露出来，并最终脱落。常规制造工艺中形成的大碳化物在脱落时会留下大而参差不齐的缝隙。粉末金属产生的均匀碳化物留下的缝隙较小，并且残留的碳化物继续为钢材提供结构支撑。这保持了刀刃的耐用性和锋利度。
四种优质钢材
现在您已经拥有了足够多的知识，可以深入了解一下中高端价位上几种流行的刀刃钢。请记住，所有刀钢都是一种权衡，不同的制造工艺使得一些刀刃在特定任务上比其他刀刃更好。
D2 工具钢
D2 钢不含被认为是真正不锈钢所需的 13% 铬，因此有时被称为“半不锈钢”。从性能上看，它很坚韧，并且比许多钢材（包括 154CM）具有更好的锋利度保持性。然而，在整体刀刃性能方面，它无法与 S30V 等新型粉末金属钢匹敌，而且在家中也不容易磨利。那么为什么还要继续使用 D2 呢？因为它提供了出色的性价比，并且坚固耐用。D2 刀具是通用刀具的绝佳选择，而且价格不会太高。
154CM 钢
154CM 钢于 1972 年推出，是市场上最早的优质刀刃不锈钢之一，至今仍很受欢迎。它也是通过传统方法制造的，含有达到不锈钢标准所需的最低铬含量。它还含有大量的碳。
这种钢材与 440C（一种常见的普通不锈钢）相似，但添加了钼以提高性能。经过适当的热处理后，它具有出色的硬度和耐用性。它还能保持锋利，比 D2 更耐腐蚀，并且普通用户更容易磨利。154CM 钢非常适合日常携带的口袋刀或通用狩猎刀，并且通常不在大多数制造商的价格上限。
CPM S30V 钢
CPM S30V（也称为 S30V）越来越普遍，并且有充分的理由。它是粉末金属制造优势的绝佳范例，具有出色的锋利度保持性、良好的耐用性和极佳的耐腐蚀性。这种钢材还添加了钒，产生的碳化物为合金结构带来了极高的硬度。虽然 S30V 刀具可能更贵，但性能的提升是值得的，而且大多数刀具制造商可能会开始在几乎所有应用中将 154CM 替换为 S30V。它非常适合日常携带的口袋刀或用于去皮以及坚固、通用的野外工作的固定刀刃狩猎刀。
S90V 钢
使用 S90V 刀具就像驾驶赛车一样。它价格昂贵，维护困难，并且不适合所有应用。它需要大量的碳（几乎是 D2 的两倍）和大量的钒来制造 S90V，使其极其坚硬且耐磨。这种钢材采用粉末金属制造，其锋利度保持能力是其他许多刀具无法比拟的。
然而，S90V 并非没有缺点。它非常昂贵，任何 S90V 刀具的价格都会很高。它的防锈性不如 154CM 或 S30V，并且更容易断裂。这种硬度也付出了代价。如果 S90V 刀刃变钝，您需要的将远不止一块磨刀石才能恢复其锋利度——想象一下钻石甚至电动工具。
这与实际性能有何关系？S90V 刀刃在保持锋利度方面表现出色，但它们不适合作为坚固耐用的多用途刀具。然而，S90V 刀具非常适合去皮，因为不需要将刀刃楔入骨头之间或撬动关节。只需确保您有类似电动 Work Sharp 的工具来修整刀刃。
