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Atualização 22/10/2020: Eu agora tenho um artigo com como tratar D2, PSF27, e CPM-D2 e também inclui teste de resistência de cada aço e teste de retenção de bordas de D2. https://knifesteelnerds.com/2020/08/31/how-to-heat-treat-d2-psf27-and-cpm-d2/
D2 Aço
D2 é um aço para ferramentas comum e aço para facas. É também conhecido por outros nomes como a designação japonesa SKD11, designação alemã 1.2379, Hitachi SLD, Uddeholm Sverker 21, e muitos outros. Há quanto tempo existe? De onde veio? Quem o começou a usar em facas? Como se comparam as suas propriedades com as de outros aços? Encontre as suas respostas aqui!
Aços ao Crómio Saudável
O desenvolvimento do aço D2 coincide em parte com a invenção do aço inoxidável, bem como do aço de alta velocidade. Você pode ler um artigo sobre a história do aço inoxidável aqui ou sobre a história do aço de alta velocidade aqui. D2 é parte de uma categoria de aços ferramenta chamada “aços de alto carbono, alto cromo”. A produção de aços ligados ao cromo não era prática até que o ferrocrómio foi desenvolvido em 1821 e mais praticamente em 1895 com o desenvolvimento do ferrocrómio de baixo carbono. O primeiro aço produzido comercialmente com adição de cromo foi em 1861 por Robert Mushet, o inventor do primeiro aço ferramenta. A patente do aço cromo foi concedida a Julius Baur, em Nova York, em 1865. Robert Hadfield relatou as propriedades dos aços ligados ao cromo em 1892 e também cobriu os aços de alto carbono e alto cromo que estavam em sua infância . Contudo, ele concluiu que a forjabilidade das ligas era pobre e frequentemente trincada, e disse que um aço com 1,27% C e 11,13% Cr estava no limite.
Desenvolvimento dos aços de alto carbono e alto cromo
A partir de 1900, o número de pessoas que experimentaram aços ao cromo e aços ferramenta em geral explodiu . Essa data coincide com a descoberta dos aços de alta velocidade que eu liguei acima. Também no início desse período desenvolveram aços de alta velocidade que utilizavam o Cr-alloying em vez do Mn-alloying para a temperabilidade, onde utilizavam cerca de 4% de Cr. Eles também adicionaram grandes quantidades de tungstênio para a dureza a quente. O período de desenvolvimento rápido que ocorreu no período pouco depois de 1900 é muito difícil de pregar para baixo. Muitas empresas e pessoas estavam desenvolvendo aço, e também houve uma cópia generalizada. James Gill (leia sobre ele aqui) escrevendo em 1929 relatou que não conseguiu encontrar qual empresa foi a primeira a produzir aço com alto teor de carbono e alto teor de cromo. No livro de Becker High Speed Steel, em 1910, ele relatou que um aço com 2,25% C e 15% Cr estava sendo usado na Europa, particularmente na França. Nos EUA, uma patente foi concedida em 1916 a Richard Patch e Radclyffe Furness para aço com 1-2% de carbono e 15-20% de cromo . Eles deram um exemplo de composição de 1,35% C e 19,5% Cr que parece que seria um aço inoxidável, mas não foi patenteado como tal. Na patente eles declararam que só tinham ouvido falar de aços com carbono acima de 2% e crómio entre 12-16%. Aços de alto carbono e alto cromo foram frequentemente utilizados na Inglaterra durante a Primeira Guerra Mundial para uma gama de aplicações, incluindo matrizes e ferramentas de corte. As ferramentas de corte eram mais tipicamente produzidas com aço de alta velocidade de tungstênio na época, devido à dureza superior a quente com aço de alta velocidade. Você pode ler sobre a dureza a quente no artigo sobre aço de alta velocidade. No entanto, o tungstênio era caro e difícil de obter, levando ao uso de aço de alto cromo como alternativa. Esses aços com alto teor de carbono foram mais parecidos com os aços modernos D3 ou D4 em vez de D2 porque seu teor de carbono era mais alto, cerca de 2,2-2,4%.
Desenvolvimento de D2
Em 1918, uma patente foi registrada na Inglaterra por Paul Kuehnrich para um aço com alto teor de carbono com alto teor de cromo modificado com cobalto, aproximadamente 3,5%. A adição de cobalto foi para melhorar a dureza a quente dos aços de modo a que estes estivessem mais próximos do aço de alta velocidade. Você pode ler mais sobre o que o cobalto faz ao aço neste artigo. A patente tem uma gama bastante ampla de produtos químicos: 1,2-3,5% de carbono, 8-20% de crómio e 1-6% de cobalto. Entretanto, curiosamente a liga de exemplo dada tinha 1,5% C, 12% Cr e 3,5% cobalto que sem o cobalto seria muito próxima da moderna D2.
A medida que nos EUA os aços com alto teor de carbono e cromo não eram usados como substitutos dos aços de alta velocidade, ele ganhou em popularidade com os aços para moldes. Os aços para moldes exigiam uma elevada resistência ao desgaste que era obtida através das grandes quantidades de carboneto de crómio presentes nesses aços. Estes foram inicialmente os aços ao crómio tipo D3 de 2,2-2,4%, que apresentavam uma tenacidade e maquinabilidade relativamente fracas. Estes aços também não continham normalmente vanádio ou molibdénio. Uma composição consistente com D2 não foi relatada pela Gill em 1929, por isso, mesmo que já existisse, provavelmente não estava em uso generalizado.
Atualização 4/11/2019: Finalmente encontrei a patente para D2, o pedido foi apresentado em 30 de junho de 1927 por Gregory Comstock da empresa Firth-Sterling Steel. Comstock, Gregory J. “Alloy Steel.” Patente americana 1.695.916, emitida em 18 de dezembro de 1928.
Até 1934, uma composição consistente com D2 foi discutida com 1,55% C, 12% Cr, 0,25% V, e 0,8% Mo . Ainda não se chamava D2, é claro. O molibdênio foi adicionado para torná-lo um verdadeiro aço “temperado ao ar”, que permite que o aço endureça totalmente em seções espessas ou sem óleo. Sem Mo, o Cr alto tornou o aço bastante endurecido, mas não o suficiente para torná-lo verdadeiramente endurecedor ao ar. A adição de vanádio foi feita para melhorar a tenacidade, o que é feito refinando tanto o tamanho do grão como também a estrutura de carboneto. Este novo aço do tipo D2 estava ganhando popularidade devido à sua “propriedade de endurecimento a ar, baixa distorção e melhor qualidade de usinagem do que o outro”. Também foi relatado ser, “o mais universalmente adaptável dos…aços com alto teor de carbono e alto cromo” . E como mencionado anteriormente, o baixo carbono significava uma tenacidade muito maior do que o aço anterior do tipo D3 que você pode ver na figura abaixo. O vanádio e as adições de níquel tinham sido experimentados com o aço de carbono do tipo D3, 2,2%, mas enquanto isso melhorou a tenacidade, o baixo carbono D2 foi muito mais resistente. A partir desse ponto, o D2 tornou-se um dos aços para ferramentas mais populares, particularmente em estampos. Os novos aços “melhores” fabricados para estampos continuam a ser comparados ao D2 devido à sua ubiquidade.
D2 em Facas
Levou algum tempo até que D2 fosse usado em facas. O primeiro uso registrado que posso encontrar é por D.E. Henry em 1965 ou 1966 . Ele tentou o carbono D3 mais alto primeiro seguido por D2, imitando involuntariamente a ordem em que eles foram desenvolvidos. Devido à sua popularidade como aço ferramenta, era apenas uma questão de tempo até que alguém usasse o D2. A sua resistência ao desgaste relativamente elevada, juntamente com a sua boa dureza e tenacidade, fez com que funcionasse bem como um aço-faca. Com seu alto teor de cromo, tinha uma posição única no debate aço inoxidável vs aço carbono. D2 tem uma resistência ao desgaste e tenacidade um pouco melhor do que 440C, o aço inoxidável mais utilizado nos anos 70, por isso para os fabricantes que sentiam que a resistência às manchas de D2 era “suficientemente boa”, podia oferecer propriedades superiores. Você pode ler mais sobre como o D2 é resistente à corrosão neste artigo. Ele também tinha muito mais resistência ao desgaste do que os aços carbono comumente usados por forjadores de lâminas, por isso foi usado por alguns fabricantes de facas que queriam um aço de alta resistência ao desgaste. Desde então, o D2 tem sido usado em muitas facas, famosamente por fabricantes como Bob Dozier.
Estrutura de carboneto de D2
Os grandes carbonetos em D2 limitam a sua tenacidade e também a sua estabilidade de bordo. Uma versão de metalurgia em pó, CPM-D2, foi lançada por volta de 2007 para reduzir o tamanho do carboneto, que é relatado para melhorar a tenacidade, resistência à corrosão, e resposta ao tratamento térmico. Você pode ler mais sobre porque D2 tem grandes carbonetos e o processo de metalurgia do pó neste artigo. Sprayform é uma tecnologia um pouco semelhante que leva a um tamanho de carboneto um pouco maior do que a metalurgia do pó. Existe uma versão em spray do D2 chamada PSF27 produzida pela Dan Spray na Dinamarca, feita pelo menos desde 2002. Você pode ver o tamanho decrescente de carboneto no convencional (bem, ESR de qualquer forma), forma de spray, e PM D2 nas imagens abaixo. Note que o PM está com uma ampliação maior.
Essas são micrografias de muito baixa resolução. Eu tirei as micrografias de D2, PSF27, e CPM-D2 que são mostradas abaixo:
Convencional D2
PSF27
CPM-D2
Propriedades de D2
Bohler Uddeholm mediu a retenção da borda de D2 junto com outros aços com testes CATRA e achou-a um pouco melhor que N690, ATS-34/154CM, e 440C, ao mesmo tempo que 3V, mas pior que S35VN, Vanadis 4 Extra, Elmax, S30V, M4, e M390 . Eu também calculei a retenção da borda em relação a 440C, que é um valor que o Cadinho relatou no passado.
Crucible relata que D2 tem tenacidade aproximadamente equivalente a 10V, melhor que 440C e S90V, mas pior que 3V, CruWear, e A2 .
No nosso teste de tenacidade D2 não foi muito impressionante embora tenhamos testado apenas um tratamento térmico e não nos tenhamos comparado a muitos outros aços de baixa tenacidade como 10V, 440C e S90V:
Eu escrevi anteriormente sobre a potencial resistência à corrosão de D2 neste artigo. A sua resistência à corrosão tem sido um pouco exagerada em alguns casos devido ao seu alto teor de cromo. Aproximadamente metade desse cromo é amarrada em carbonetos onde não contribui para a resistência à corrosão. Portanto, ele tem boa resistência à corrosão para um aço ferramenta, embora existam alguns aços não inoxidável que potencialmente têm melhor resistência à corrosão, particularmente muitos dos aços 8% Cr como o 3V ou CruWear. Aqui está a tabela desse artigo com os aços classificados por “cromo em solução” que é aproximadamente igual à resistência à corrosão de cada aço:
D2 em Facas Hoje
D2 continua a ver uso em facas; uma pesquisa em BladeHQ traz 1.690 facas disponíveis em D2. Knifemakers como Bob Dozier construíram sua reputação em fazer uma faca superior com D2. Com a ascensão dos aços com vanádio de metalurgia do pó, existem agora outras opções com maior resistência ao desgaste e dureza. Ou aços inoxidáveis para a metalurgia do pó que podem igualar ou exceder sua resistência ao desgaste e tenacidade, mas com melhor resistência à corrosão. Os aços para a metalurgia do pó são muito mais caros que os aços D2, uma vez que o D2 é convencionalmente produzido e amplamente disponível em praticamente todas as empresas de aços para ferramentas. Portanto, do ponto de vista dos custos, o D2 ainda tem uma vantagem sobre muitos aços mais novos. As novas versões sprayform e PM do D2 ajudam a compensar parte da diferença de propriedades em relação a outros aços para a metalurgia do pó. Devido às suas boas propriedades e reputação construída ao longo de décadas, o D2 provavelmente continuará a ser visto em facas.
Conclusões
Aço de alto carbono e alto cromo foi desenvolvido como uma alternativa ao aço de alta velocidade na Inglaterra no início do século 20. Estes aços eram similares aos aços modernos para ferramentas D3 com muito alto carbono (2,2%). O carbono foi reduzido para 1,5% e foram feitas adições de Mo e V para melhorar a tenacidade e a temperabilidade do aço que estava em uso em 1934. Este aço tornou-se o que conhecemos como D2, que é popular como um aço para ferramentas. O aço foi usado pela primeira vez em facas por D.E. Henry em 1965 ou 1966 e tornou-se popular em facas. Foram produzidas versões em spray e metalurgia em pó para melhorar a tenacidade e refinar a microestrutura do D2. D2 tem boa resistência ao desgaste, dureza e tenacidade adequada.
Gill, J. P. “Aços com alto teor de carbono e cromo”. Trans. ASST 15 (1929): 387-400.
Hadfield, Robert Abbott. “Ligas de ferro e crómio, incluindo um relatório de F. Osmond.” J. Iron Steel Inst. 42 (1892): 49.
Patch, Richard H., e Radclyffe Furness. “Liga de aço-ferramenta.” Patente americana 1.206.902, emitida a 5 de Dezembro de 1916.
Gill, James Presley, Robert Steadman Rose, George Adam Roberts, Harry Grant Johnstin, e Robert Burns George. Aços para ferramentas. Sociedade Americana de Metais, 1944.
Kuehnrich, Paul Richard. “Aço.” Patente americana 1.277.431, emitida a 3 de Setembro de 1918.
Wills, W. H. “Observações práticas sobre aços para ferramentas de alto teor de carbono.” Trans. ASM 23 (1935): 469.
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https://www.bladeforums.com/threads/cpm-d2.470623/
Schruff, I., V. Schüler, e C. Spiegelhauer. “Aços-ferramenta avançados produzidos via spray forming.” O Uso de Aços para Ferramentas: Experiência e Pesquisa 2 (2002): 973-990.
https://knifesteelnerds.com/wp-content/uploads/2018/08/Bohler-Uddeholm-CATRA.pdf
https://www.alphaknifesupply.com/Pictures/Blade-Steel/CPMS90V-Crucible.pdf
http://www.crucible.com/PDFs/DataSheets2010/ds10Vv1%202010.pdf
http://www.crucible.com/PDFs/DataSheets2010/dsD2v12010.pdf