La métallurgie des poudres : d’où viennent les super-inox

La métallurgie des poudres n’est pas née pour les couteaux et ne répondait pas à un problème de coutellerie. Mais c’est bien elle qui a déplacé la limite contre laquelle les aciers à couteaux butaient depuis des décennies.

La limite

Tout se ramène aux carbures. Ils donnent la résistance à l’usure et ils donnent la fragilité : les carbures sont durs et cassants, la fissure y naît facilement, et plus ils sont nombreux, plus le fil s’écaille et plus la pointe casse volontiers. Plus de carbures : ça coupe plus longtemps et ça casse plus facilement.

Il n’y a qu’une sortie de ce dilemme, et elle ne tient pas à la quantité mais à la qualité. La dureté d’un carbure n’influe généralement pas sur la ténacité. Donc, si l’on prend des carbures plus durs — le carbure de vanadium par exemple, parmi les plus durs qui soient — et qu’on les maintient fins, on obtient à quantité de carbures égale davantage de résistance à l’usure. Ou, vu de l’autre côté, davantage de résistance à l’usure à niveau de ténacité égal.

« Les maintenir fins » : c’est là que la métallurgie ordinaire s’arrête.

Comment on procède

Dans le procédé poudre, l’acier liquide est pulvérisé à travers une buse par des jets d’azote gazeux, et il se fige en particules minuscules. Les carbures y sont d’emblée très fins — simplement parce qu’ils n’ont pas le temps de grossir. La poudre est ensuite consolidée en lingot solide par compression isostatique à chaud, la CIC.

Après quoi les ennuis commencent. Les carbures grossissent tout seuls, par un processus naturel appelé mûrissement d’Ostwald. Plus la température est haute, plus c’est rapide. Et les hautes températures sont inévitables en production : pendant la CIC, pendant le forgeage, pendant le laminage, l’acier passe du temps là où les carbures grossissent lentement mais sûrement.

Ils ne grossissent pas tous pareil. Les carbures de chrome sont moins stables que ceux de vanadium et grossissent donc plus vite. C’est pourquoi le CPM-D2, dont le carbure est chromé, a des carbures plus gros que le Vanadis 8, dont le carbure est vanadié — à quantité identique.

Le résultat

La meilleure combinaison de ténacité et de résistance à l’usure vient des aciers poudre alliés principalement au carbure de vanadium : CPM-1V, CPM-3V, Vanadis 4 Extra, CPM-4V, CPM-10V, K390, Vanadis 8. Ce sont des aciers rouillables, et l’écart avec les inox n’est pas cosmétique : chez les aciers poudre rouillables, la ténacité à niveau de tenue du fil donné est pratiquement doublée.

Le sens pratique d’une ténacité doublée est direct. Le fil s’écaille moins ; on peut monter la dureté sans perdre en solidité ; on peut affûter plus fin et obtenir une meilleure coupe.

Les inox poudre n’y ont pas droit. Ils contiennent toujours une quantité notable de carbure de chrome — au moins 9 à 10 %, pour un total d’au moins 15 % de carbures. Au-delà de quinze pour cent de carbures, la haute ténacité n’existe plus.

Le niobium

L’étape logique suivante : un carbure encore plus stable que celui de vanadium. Il existe, c’est celui de niobium. Il grossit plus lentement pendant la CIC et le laminage à chaud, et dans l’acier fini les carbures de niobium sont même plus fins que ceux de vanadium. Une version modifiée du CPM-3V, alliée principalement au niobium plutôt qu’au vanadium, a bel et bien été réalisée : taille de carbure réduite, ténacité améliorée. Elle n’a jamais été produite en série.

La physique s’y oppose. Le niobium est un carburigène très puissant : il commence à former des carbures à haute température, alors que l’acier est encore liquide. Plus il y a de niobium, plus cette température est élevée. À un moment donné, les carbures se forment avant qu’on ait eu le temps de pulvériser le bain — et là ils grossissent vite, parce que c’est liquide et que c’est chaud. Au passage, ils peuvent boucher la buse par laquelle l’acier liquide traverse les jets d’azote. Le plafond pratique est d’environ 3 % de niobium.

Un contournement a été imaginé : pulvériser d’abord l’acier sans ajout de carbone du tout, pour qu’il se forme du FeNb au lieu du carbure de niobium, puis mélanger la poudre à du graphite avant de la presser en lingot. Le brevet Bohler sur ces aciers poudre à haute teneur en niobium a été déposé dès 2009. Dans l’une des compositions, on n’a laissé que 12 % de chrome, et la résistance à la corrosion s’est révélée meilleure que celle du M390 — sans doute en partie grâce au molybdène plus élevé. Il n’y a toujours aucun produit sur le marché.

L’azote à la place du carbone

La seconde piste consiste à remplacer le carbone par de l’azote. Dans le réseau cristallin, l’atome d’azote se comporte comme l’atome de carbone et monte la dureté de la même façon, mais il nuit beaucoup moins à la résistance à la corrosion. De plus, les nitrures de chrome et de vanadium grossissent plus lentement que leurs équivalents carbures. Quand une particule contient à la fois du carbone et de l’azote, on l’appelle carbonitrure.

En petites quantités, l’azote est employé depuis longtemps : le S30V, sorti en 2001, en contient environ 0,2 %. Le Cronidur 30, alias LC200N, en contient 0,4 % et a été mis au point à la fin des années 1980, pas du tout pour des couteaux mais pour des roulements.

C’est le Vanax qui est allé le plus loin. L’acier liquide dissout mal l’azote : on le pulvérise donc avec une teneur relativement basse, puis on nitrure la poudre elle-même, avant la CIC. On atteint ainsi 1,55 % d’azote. La comparaison est parlante : Vanax et Elmax ont des compositions très proches, sauf que l’Elmax contient 1,7 % de carbone et environ 0,1 % d’azote, tandis que le Vanax contient 1,55 % d’azote et 0,35 % de carbone.

Le miracle n’a pas eu lieu. Le Vanax comporte malgré tout beaucoup de carbonitrures — environ 10 % de chromés et 4 % de vanadiés, soit au total autant que de carbures dans les autres inox — et sa ténacité n’a rien d’exceptionnel. En revanche, sa résistance à la corrosion est hors norme avec une excellente tenue du fil, et le Vanax s’affûte assez facilement.

Les deux procédés fonctionnent aussi ensemble. Le S45VN contient 0,5 % de niobium et environ 0,17 % d’azote, et il n’a guère plus de carbure de chrome que le S30V ou le S35VN, alors qu’il titre 16 % de chrome contre quatorze.

Les super-inox proprement dits

Une branche à part : les aciers dont la résistance aux piqûres et à la corrosion dépasse de loin celle des inox ordinaires. Ils sont austénitiques et amagnétiques, et ont été conçus pour les milieux où l’inox ordinaire abandonne : eau salée, forte humidité, forêts tropicales, marécages.

Les compositions y sont d’un autre ordre : de 26 % à 42 % de chrome, de 10 % à 22 % de nickel et de 1,5 % à 10 % de titane, tantale, vanadium, niobium, aluminium, silicium, cuivre ou molybdène — ou de leurs combinaisons.

• H1, produit par Myodo Metals, Japon. Spyderco le monte sur ses couteaux d’eau salée et de plongée ; Benchmade l’a utilisé aussi, avant de le remplacer par le X15TN.
• X15TN — un acier français breveté par Aubert & Duval, développé à l’origine pour l’industrie médicale et les roulements à billes de réacteurs. Selon la fiche du fabricant, il répond à la norme EN 1.4123 (désignation X40CrMoNV16-2) et à l’UNS42025. Acier inoxydable martensitique à haute teneur en azote, refondu pour obtenir une structure optimale.
• Vanax, produit par Uddeholm — précisément cet acier poudre de troisième génération où le carbone est en grande partie remplacé par de l’azote.
• LC200N, alias Z-FiNit, Cronidur 30 et N360, produit par Zapp Precision Metals — un acier à outils à haute teneur en azote, offrant une résistance à la corrosion remarquable avec une ténacité élevée, même à une dureté allant jusqu’à 60 HRC.

Tout cela n’a presque rien à voir avec la cuisine. Un couteau d’eau salée a plus besoin de résistance à la corrosion que de tenue du fil ; à la maison, ce troc n’est pas nécessaire.

Le volet cuisine

En cuisine, les aciers poudre apparaissent sous une autre forme : des nuances à très haute teneur en carbone et à très haute dureté. Le SG-2, alias R2, de Takefu donne 62-63 HRC. Le japonais SRS-15, à très haute teneur en carbone plus tungstène et vanadium, se trempe à 64-65 HRC. Le Cowry-X de Daido — 3 % de carbone et 20 % de chrome, 64-65 HRC. Le ZDP-189 de Hitachi — mêmes carbone et chrome, mais avec molybdène, tungstène et vanadium, et certains fabricants le poussent à 65 voire 67 HRC.

Cela ne se paie pas qu’en argent. Ces aciers sont très difficiles à affûter comparés aux autres, et à dureté extrême ils sont relativement sensibles à l’écaillage. La métallurgie des poudres a déplacé la frontière du possible, mais elle n’a pas aboli la dichotomie entre résistance à l’usure et ténacité — elle l’a seulement déplacée.