鋼刀合金元素的冶金學功能解析
根據 Dr. Larrin Thomas（KnifeSteelNerds）的實驗數據與冶金學分析整理
前言
鋼刀的性能取決於其化學組成與微結構。各種合金元素在鋼中扮演特定角色，直接影響硬度、耐磨性、韌性與耐蝕性。本文根據 Dr. Larrin Thomas 的 CATRA 切紙測試與冶金學研究，系統性地說明各元素的功能與機制。[1][2][3]
碳（C）：硬化與碳化物形成
主要功能： 馬氏體硬化與碳化物基質
碳是鋼硬化的根本元素。在淬火過程中，碳被固溶在奧氏體中，冷卻時形成馬氏體相，是鋼中最硬的結晶結構。同時，碳與鉻、釩、鎢、鉬等元素化合形成各種碳化物——這些微硬粒子是刃口耐磨性的主要來源。[2][3]
刀鋼的碳含量通常在 0.5% 到 3% 之間。碳含量增加會產生更多碳化物，提升耐磨性，但同時降低韌性與耐蝕性，因為增加的碳會與保護性元素（如鉻）結合，減少可用於耐蝕性的游離元素。[1][2]
鉻（Cr）：耐蝕性、淬透性與碳化物形成
主要功能： 鈍化膜形成、淬透性、碳化物基質
不鏽鋼的定義標準是鉻含量達到約 11.5–12%。在此濃度下，鉻在鋼表面形成氧化鉻（Cr₂O₃）鈍化膜，防止進一步腐蝕。[4][5]
然而，耐蝕性的有效性受微結構影響。在高碳工具鋼（如 D2，名義含 12% 鉻）中，大量鉻被束縛在碳化物內，導致基體中游離鉻不足，耐蝕性遠低於設計為不鏽鋼的合金。相反，CPM-154 雖然游離鉻僅約 9.5%（低於不鏽鋼門檻），但因其微結構設計與鉬元素的加強作用，仍能維持良好的耐蝕性。[5][6][4]
鉻還提升鋼的淬透性，減緩冷卻中珠光體的形成，使厚截面能夠完全淬硬。作為碳化物形成元素，鉻形成的 CrC 與 CrVC 碳化物硬度介於鐵碳化物與釩碳化物之間。[3][7]
釩（V）：超硬碳化物形成與耐磨性
主要功能： MC 型碳化物形成，極高耐磨貢獻
釩是提升刃口耐久性最有效的元素。釩碳化物（VC，屬 MC 型）是鋼中最硬的碳化物之一。[3]
根據 Dr. Larrin Thomas 對 48 種鋼材的 CATRA 迴歸分析，每增加 1% 釩碳化物，切紙總長度（TCC）增加約 26.2 mm，遠超過提升 1 HRC 帶來的 15.8 mm 效果。這表明碳化物類型對耐磨性的影響強度遠大於基體硬度。[2][1]
粉末冶金技術通過快速凝固消除偏析，使釩的溶解度大幅增加。這使得現代 PM 鋼種（如 10V、15V、Vanadis 8）能達到 10–15% 的釩含量，傳統鑄造方法無法實現此水準。[8][3]
限制因素： 釩含量增加會提高碳化物體積分數，降低基體韌性，增加崩刀風險。在不鏽鋼基體中，鉻與釩競爭碳資源；鉻含量過高（如 S110V 的 20%）會減少釩碳化物的形成，相比之下鉻含量較低的 S90V（14%）反而形成更多釩碳化物，在 CATRA 測試中表現更優。[2][3]
鉬（Mo）：淬透性與耐點蝕性
主要功能： 空冷硬化能力、鈍化膜強化
鉬在工具鋼與不鏽鋼中均有應用。其最重要的冶金效應是顯著延緩珠光體與貝氏體的形成，允許使用較低的冷卻速率（如空氣冷卻）而仍能完全淬硬。A2 工具鋼能夠空冷硬化而避免變形，鉬是關鍵添加元素。[9]
在不鏽鋼中，鉬強化了鉻氧化膜，特別提升了對點蝕（pitting corrosion）的抵抗力，這在含氯環境（如海水、鹽分）中尤為重要。[6]
鉬通常不單獨形成主要碳化物。在不鏽鋼系統中，鉬濃縮在鉻碳化物內，並在回火過程中析出細微的鉬碳化物（Mo₂C），貢獻二次硬化效應。[3]
鎢（W）：高硬度碳化物
主要功能： 超硬碳化物形成，高溫硬度保持
鎢形成的碳化物（WC）硬度極高，但在現代刃物鋼設計中扮演輔助角色。相比釩對碳的親和力，鎢的碳結合能力較弱，相同的添加量下釩能形成更多與更細的碳化物。[3]
鎢曾在高速切削工具中廣泛應用但因成本與效率考量，已部分被鉬取代。在當代刀鋼中，鎢的使用量通常低於 1%，主要作為補充元素而非主要碳化物來源。[3]
錳（Mn）：脫氧與淬透性輔助
主要功能： 冶煉脫氧、硫結合、淬透性促進
錳在幾乎所有鋼材中存在，主要作為脫氧劑在冶煉階段移除有害氧氣，防止高溫脆性裂紋。[7]
錳與硫結合形成 MnS 介質，防止硫在高溫下引起熱脆性。它也溫和促進馬氏體轉變，增加淬透性，效果介於鉻與硫之間。[7]
錳含量超過 1% 時會增加硬度與脆性，對刀鋼設計通常不利。[10]
矽（Si）：固溶強化與脫氧
主要功能： 基體強化、冶煉脫氧
矽在冶煉中作為脫氧劑，同時溶解在鐵基體內進行固溶強化，不形成碳化物。固溶矽能直接提升鋼的硬度與強度，M390 中 0.7% 的矽含量對整體硬度有明確貢獻。[11][12]
過量矽會降低韌性，也可能微幅影響耐蝕性，因為矽會干擾鈍化膜的完整性。
鎳（Ni）：韌性與耐蝕性促進
主要功能： 奧氏體穩定化、低溫韌性、酸耐蝕性
鎳不形成碳化物，而是溶解在基體中穩定奧氏體結構，改變晶體晶格為面心立方，從而提升低溫衝擊韌性。[10]
現代高級刃物鋼（如 S35VN、S110V）含有 1–2% 鎳，用於增強低溫韌性，遠低於傳統奧氏體不鏽鋼（如 304 型）的 8–10% 含量。[2]
鎳增強對某些酸的耐蝕性，特別是硫酸環境。
鈮（Nb）：碳化物形成與晶體粒細化
主要功能： MC 型碳化物形成、熱加工晶粒控制
鈮具有極強的碳親和力，形成的鈮碳化物（NbC）硬度高於釩碳化物。鈮在熱加工與熱處理中析出的細微碳化物能釘扎晶粒，防止晶粒粗化，改善韌性。[3]
用量通常很小（＜0.5%），但效果明顯。在某些高性能粉末冶金鋼（如 K390 等）中應用，鈮能精化晶粒結構，提高低溫抗衝擊性能。[3]
過量鈮會將鉻束縛在複合碳化物中，損害耐蝕性。
鈷（Co）：基體強化與高溫性能
主要功能： 基體強化、高溫硬度保持
鈷通常用於高速鑽頭與特種硬質合金（如 Stellite 鈷基合金），而非普通刀鋼。鈷強化鐵基體，允許更高回火溫度下保持硬度。[10]
在鈷基硬質合金中，鈷基質緊密支撐碳化物顆粒，提供極高耐磨性。鈷的高成本限制了其在日常刀鋼中的應用。
氮（N）：不鏽鋼中的碳替代元素
主要功能： 碳化物替代、耐蝕性保護
氮是高級不鏽刀鋼中的創新添加元素，通過高壓電冶（ESR）或粉末製程加入。[13][14]
氮與鉻結合形成鉻氮化物，保留游離鉻用於形成鈍化膜，同時用硬質氮化物提升耐磨性。LC200N、Vanax 與 Cronidur 30 等鋼種基於此原理設計。[14][13]
限制： CATRA 測試表明，氮碳化物系統的耐磨性在量化上低於釩碳化物系統，這意味著純氮化物鋼種在刃口保持性上可能不如高釩粉末冶金鋼。[14]
元素協奏與設計原則
有效的鋼種設計涉及元素間的協調與權衡。不同的應用目標需要不同的元素組合策略：[4][11][2]
結論
鋼刀的性能由其化學組成與冶金工藝共同決定。單個元素的作用必須在整個系統背景下理解。釩與其他高硬度碳化物形成元素直接提升耐磨性，鉻與鉬保護耐蝕性，鎳與鈮提升韌性。當代粉末冶金技術使設計師能夠突破傳統固體冶金的限制，實現曾經不可能的元素組合。
對於刀具選擇而言，理解基礎鋼種設計理念——而非單純追求某個元素的最高含量——是做出適當決策的基礎。
資料來源：
根據 Dr. Larrin Thomas（KnifeSteelNerds）的以下發表文章編譯：
• CATRA 切紙測試與迴歸分析[15][1][2]
• 碳化物類型分析[3]
• 粉末冶金工藝說明[8]
• 不鏽鋼耐蝕性機制[5][6][4]
• 工具鋼歷史與性能[9][7]
• 氮化鋼的限制[13][14]
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• https://knifesteelnerds.com/2018/11/26/steel-edge-retention2/
• https://knifesteelnerds.com/2021/10/19/knife-steels-rated-by-a-metallurgist-toughness-edge-retention-and-corrosion-resistance/
• https://knifesteelnerds.com/2019/07/15/carbide-types-in-knife-steels/
• https://www.leatherman.com/blogs/product-deep-dives/talking-magnacut-steel-with-dr-larrin-thomas
• https://urbanedc.com/blogs/analog-field-guide/cpm-magnacut-corrosion-resistance-hardness-edc-strengths
• https://knifesteelnerds.com/2025/07/14/corrosion-resistance-vs-hardness-in-knife-steels/
• https://knifesteelnerds.com/2019/01/28/history-and-properties-of-52100-steel/
• https://knifesteelnerds.com/2018/08/20/what-is-powder-metallurgy/
• https://knifesteelnerds.com/2019/04/22/a2-steel-history-and-properties/
• https://www.koiknives.com/blogs/japanese-knives/common-blade-alloying-elements
• https://knifesteelnerds.com/2024/12/08/can-artificial-intelligence-design-a-new-knife-steel/
• https://urbanedc.com/blogs/analog-field-guide/m390-steel-edge-life-toughness-edc-pros-cons
• https://knifesteelnerds.com/2018/09/17/nitrogen-alloyed-knife-steels/
• https://knifesteelnerds.com/2022/07/25/vancron-and-the-problem-with-nitrogen-knife-steels/
• https://knifesteelnerds.com/2020/05/01/testing-the-edge-retention-of-48-knife-steels/
