Díky Robertovi Ericksonovi, knifeandgear_swiss, Daleovi Bushnessovi a Paulovi Hartovi za to, že se stali podporovateli Patreonu Knife Steel Nerds!
Aktualizace 22.10.2020: Nyní mám článek o tom, jak tepelně zpracovávat oceli D2, PSF27 a CPM-D2, a obsahuje také testy houževnatosti jednotlivých ocelí a testy zachování ostří oceli D2. https://knifesteelnerds.com/2020/08/31/how-to-heat-treat-d2-psf27-and-cpm-d2/
Ocel D2
D2 je běžná nástrojová a nožová ocel. Je známá i pod jinými názvy, například pod japonským označením SKD11, německým označením 1.2379, Hitachi SLD, Uddeholm Sverker 21 a mnoha dalšími. Jak dlouho je na trhu? Odkud pochází? Kdo ji začal používat v nožích? Jaké jsou její vlastnosti ve srovnání s jinými ocelemi? Odpovědi naleznete zde!
Rané chromové oceli
Vývoj oceli D2 se částečně shoduje s vynálezem nerezové oceli a také rychlořezné oceli. Článek o historii nerezové oceli si můžete přečíst zde nebo historii rychlořezné oceli zde. Ocel D2 patří do kategorie nástrojových ocelí nazývaných „oceli s vysokým obsahem uhlíku a chromu“. Výroba oceli legované chromem nebyla praktická, dokud nebyl v roce 1821 vyvinut ferochrom a praktickyji v roce 1895 s vývojem nízkouhlíkového ferochromu. První komerčně vyráběnou ocel s přídavkem chromu vyrobil v roce 1861 Robert Mushet, vynálezce první nástrojové oceli . Patent na chromovou ocel byl udělen Juliu Baurovi v New Yorku v roce 1865 . Robert Hadfield podal v roce 1892 zprávu o vlastnostech ocelí legovaných chromem a zabýval se také ocelmi s vysokým obsahem uhlíku a chromu, které byly v počátcích své existence . Došel však k závěru, že kujnost těchto slitin je špatná a často praská, a uvedl, že ocel s 1,27 % C a 11,13 % Cr je na hranici použitelnosti.
Vývoj ocelí s vysokým obsahem uhlíku a chromu
Po roce 1900 prudce vzrostl počet lidí experimentujících s chromovými ocelemi a nástrojovými ocelemi obecně . Toto datum se shoduje s objevem rychlořezných ocelí, na které jsem odkazoval výše. Také na počátku tohoto období byly vyvinuty rychlořezné oceli, které pro kalitelnost používaly spíše slitiny Cr než Mn, kde se používalo asi 4 % Cr. Přidávali také velké množství wolframu pro zvýšení tvrdosti za tepla. Období rychlého vývoje, k němuž došlo krátce po roce 1900, je velmi obtížné určit. Ocel vyvíjelo mnoho společností a lidí a docházelo také k rozsáhlému kopírování. James Gill (přečtěte si o něm zde) v roce 1929 napsal, že nemůže zjistit, která společnost jako první vyrobila ocel s vysokým obsahem uhlíku a chromu . V Beckerově knize High Speed Steel z roku 1910 uvádí, že v Evropě, zejména ve Francii, se používala ocel s 2,25 % C a 15 % Cr. V USA byl v roce 1916 udělen patent Richardu Patchovi a Radclyffu Furnessovi na ocel s 1-2 % uhlíku a 15-20 % chromu . Uvedli příklad složení 1,35 % C a 19,5 % Cr, které vypadá jako nerezová ocel, ale jako taková patentována nebyla. V patentu uvedli, že slyšeli pouze o ocelích s obsahem uhlíku nad 2 % a chromu mezi 12-16 %. Oceli s vysokým obsahem uhlíku a chromu se v Anglii během první světové války často používaly pro řadu aplikací včetně zápustek a řezných nástrojů. Řezné nástroje se v té době typičtěji vyráběly z rychlořezné oceli s vysokým obsahem wolframu, protože rychlořezná ocel měla vyšší tvrdost za tepla. O tvrdosti za tepla si můžete přečíst v článku o rychlořezné oceli. Wolfram byl však drahý a obtížně dostupný, což vedlo k používání oceli s vysokým obsahem chromu jako alternativy. Tyto rané oceli s vysokým obsahem uhlíku a vysokým obsahem chromu se podobaly spíše moderním ocelím D3 nebo D4 než D2, protože obsah uhlíku v nich byl vyšší, přibližně 2,2-2,4 %.
Vývoj D2
V roce 1918 podal Paul Kuehnrich v Anglii patent na ocel s vysokým obsahem uhlíku a vysokým obsahem chromu modifikovanou kobaltem, přibližně 3,5 %. Přídavek kobaltu měl zlepšit tvrdost oceli za tepla tak, aby se blížila rychlořezné oceli. Více o tom, jak kobalt působí na ocel, si můžete přečíst v tomto článku. Patent má poměrně široký rozsah chemického složení: 1,2-3,5 % uhlíku, 8-20 % chromu a 1-6 % kobaltu. Zajímavé však je, že uvedená příkladová slitina měla 1,5 % C, 12 % Cr a 3,5 % kobaltu, což by bez kobaltu bylo velmi blízké moderní oceli D2.
Zatímco v USA se oceli s vysokým obsahem uhlíku a chromu nepoužívaly jako náhrada rychlořezných ocelí, u zápustkových ocelí získaly na popularitě. Zápustkové oceli vyžadovaly vysokou odolnost proti opotřebení, která byla získána díky velkému množství karbidu chromu přítomného v těchto ocelích. Zpočátku se jednalo o 2,2-2,4% chromové oceli typu D3, které měly poměrně nízkou houževnatost a obrobitelnost. Tyto oceli také obvykle neobsahovaly vanad nebo molybden. Složení odpovídající oceli D2 Gill v roce 1929 neuvedl, takže i kdyby v té době existovala, pravděpodobně nebyla široce používána.
Aktualizace 4.11.2019: Konečně jsem našel patent na D2, přihlášku podal 30. června 1927 Gregory Comstock ze společnosti Firth-Sterling Steel. Comstock, Gregory J. „Alloy steel“ (Legovaná ocel). U.S. Patent 1,695,916, vydaný 18. prosince 1928.
Do roku 1934 se hovořilo o složení shodném s D2 s 1,55 % C, 12 % Cr, 0,25 % V a 0,8 % Mo . Nebylo ovšem ještě pojmenováno D2. Molybden byl přidán proto, aby se jednalo o skutečnou „vzduchem kalitelnou“ ocel, která umožňuje plné zpevnění oceli v tlustých řezech nebo bez oleje. Bez Mo sice vysoký obsah Cr učinil ocel dosti kalitelnou, ale ne natolik, aby byla skutečně kalitelná na vzduchu. Přídavek vanadu měl zlepšit houževnatost, což se podařilo zjemněním velikosti zrn a také karbidové struktury. Tato nová ocel typu D2 získávala na popularitě díky svým „vlastnostem kalení na vzduchu, nízké deformaci a lepší kvalitě obrábění než ostatní “ . Uvádělo se také, že je „nejuniverzálněji přizpůsobitelná ze všech … ocelí s vysokým obsahem uhlíku a chromu“ . A jak již bylo zmíněno, nižší obsah uhlíku znamenal mnohem větší houževnatost než u dřívější oceli podobné D3, což můžete vidět na obrázku níže. U oceli typu D3 s 2,2 % uhlíku se experimentovalo s přídavkem vanadu a niklu, ale i když to zlepšilo houževnatost, ocel D2 s nižším obsahem uhlíku byla mnohem houževnatější. Od té doby se D2 stala jednou z nejoblíbenějších nástrojových ocelí, zejména v zápustkách. Nové „lepší“ oceli vyráběné pro zápustky se stále srovnávají s D2, protože je všudypřítomná.
D2 v nožích
Někdy trvalo, než se D2 začala používat v nožích. První zaznamenané použití, které jsem našel, je od D. E. Henryho z roku 1965 nebo 1966 . Nejprve vyzkoušel vyšší uhlík D3 a poté D2, čímž nechtěně napodobil pořadí, v jakém byly vyvinuty. Vzhledem k její oblibě jako nástrojové oceli bylo jen otázkou času, kdy někdo použije D2. Díky své relativně vysoké odolnosti proti opotřebení spolu s dobrou tvrdostí a houževnatostí se dobře uplatnila jako nožířská ocel. Díky vysokému obsahu chrómu měla jedinečné postavení v debatě mezi nerezovou a uhlíkovou ocelí. D2 má o něco lepší odolnost proti opotřebení a houževnatost než 440C, nejčastěji používaná nerezová ocel v 70. letech, takže pro výrobce, kteří měli pocit, že odolnost proti skvrnám je u D2 „dost dobrá“, mohla nabídnout lepší vlastnosti. Více o tom, jak je D2 odolná proti korozi, si můžete přečíst v tomto článku. Měla také mnohem větší odolnost proti opotřebení než uhlíkové oceli běžně používané kováři nožů, takže ji používali někteří výrobci nožů, kteří chtěli ocel s vysokou odolností proti opotřebení. Od té doby se ocel D2 používá v mnoha nožích, které proslavil například Bob Dozier.
Struktura karbidů v D2
Velké množství karbidů v D2 omezuje její houževnatost a také stabilitu ostří. Kolem roku 2007 byla uvedena na trh prášková metalurgická verze CPM-D2, která zmenšuje velikost karbidů, což údajně zlepšuje houževnatost, odolnost proti korozi a reakci na tepelné zpracování. Více informací o tom, proč má D2 velké karbidy, a o procesu práškové metalurgie si můžete přečíst v tomto článku. Sprayform je do jisté míry podobná technologie, která vede k poněkud větší velikosti karbidů než prášková metalurgie. Existuje sprayform verze D2 nazvaná PSF27 vyráběná společností Dan Spray v Dánsku, vyráběná přinejmenším od roku 2002 . Na obrázcích níže můžete vidět snižující se velikost karbidu v konvenční (no, každopádně ESR), sprejové formě a PM D2 . Všimněte si, že PM je při větším zvětšení.
To jsou mikrofotografie s dost nízkým rozlišením. Pořídil jsem mikrofotografie D2, PSF27 a CPM-D2, které jsou uvedeny níže:
Konvenční D2
PSF27
CPM-D2
Vlastnosti D2
Bohler Uddeholm měřil spolu s dalšími ocelemi pomocí testů CATRA retenci hran D2 a zjistil, že je o něco lepší než N690, ATS-34/154CM a 440C, na stejné úrovni jako 3V, ale horší než S35VN, Vanadis 4 Extra, Elmax, S30V, M4 a M390 . Vypočítal jsem také zachování hran vzhledem k 440C, což je hodnota, kterou Crucible v minulosti uváděl.
Crucible uvádí, že D2 má houževnatost zhruba stejnou jako 10V, lepší než 440C a S90V, ale horší než 3V, CruWear a A2 .
V našich testech houževnatosti nebyla D2 příliš působivá, ačkoli jsme testovali pouze jedno tepelné zpracování a neporovnávali jsme ji s mnoha dalšími ocelemi s nízkou houževnatostí, jako jsou 10V, 440C a S90V:
O potenciální korozní odolnosti D2 jsem již psal v tomto článku. Její korozní odolnost byla v některých případech poněkud přehnaně propagována kvůli vysokému obsahu chromu. Přibližně polovina tohoto chromu je vázána v karbidech, kde nepřispívá ke korozní odolnosti. Proto má na nástrojovou ocel dobrou odolnost proti korozi, ačkoli existují některé ne-nerezové oceli, které mají potenciálně lepší odolnost proti korozi, zejména mnohé z 8 % Cr ocelí jako 3V nebo CruWear. Zde je tabulka z uvedeného článku, kde jsou oceli seřazeny podle „obsahu chromu v roztoku“, což přibližně odpovídá korozní odolnosti jednotlivých ocelí:
D2 in Knives Today
D2 se nadále používá v nožích; vyhledávání na BladeHQ přináší 1 690 dostupných nožů v D2. Výrobci nožů, jako je Bob Dozier, si vybudovali svou pověst na výrobě špičkových nožů z D2. S rozvojem práškové metalurgie ocelí obsahujících vanad jsou nyní k dispozici další možnosti s vyšší odolností proti opotřebení i houževnatostí. Nebo práškově metalurgické nerezové oceli, které se mohou vyrovnat nebo překonat její odolnost proti opotřebení a houževnatost, ale s lepší odolností proti korozi. Práškové metalurgické oceli jsou mnohem dražší než D2, protože D2 se vyrábí konvenčně a je široce dostupná prakticky u všech výrobců nástrojových ocelí. Z hlediska nákladů má proto D2 stále výhodu oproti mnoha novějším ocelím. Novější nástřikové a PM verze oceli D2 pomáhají vyrovnat část rozdílu ve vlastnostech oproti jiným ocelím práškové metalurgie. Díky svým dobrým vlastnostem a pověsti budované po desetiletí bude D2 pravděpodobně i nadále k vidění v nožích.
Závěry
Ocel s vysokým obsahem uhlíku a chromu byla vyvinuta jako alternativa k rychlořezné oceli v Anglii na počátku 20. století. Tyto oceli byly podobné moderní nástrojové oceli D3 s velmi vysokým obsahem uhlíku (2,2 %). Uhlík byl snížen na 1,5 % a byly přidány Mo a V, aby se zlepšila houževnatost a kalitelnost oceli, která se používala do roku 1934. Z této oceli se stala ocel, kterou známe pod označením D2 a která je oblíbená jako zápustková ocel. Tato ocel byla poprvé použita v nožích firmou D. E. Henry v roce 1965 nebo 1966 a stala se oblíbenou v nožích. Pro zlepšení houževnatosti a zdokonalení mikrostruktury oceli D2 byly vyrobeny verze s nástřikem a práškovou metalurgií. D2 má dobrou odolnost proti opotřebení, tvrdost a přiměřenou houževnatost.
Gill, J. P. „High-carbon high chrom steels“. Trans. ASST 15 (1929): 387-400.
Hadfield, Robert Abbott. „Alloys of Iron and Chromium, Including a Report by F. Osmond.“ (Slitiny železa a chromu, včetně zprávy F. Osmonda). J. Iron Steel Inst. 42 (1892): 49.
Patch, Richard H., and Radclyffe Furness. „Tool-steel alloy.“ U.S. Patent 1,206,902, vydaný 5. prosince 1916.
Gill, James Presley, Robert Steadman Rose, George Adam Roberts, Harry Grant Johnstin a Robert Burns George. Nástrojové oceli. American Society for Metals, 1944.
Kuehnrich, Paul Richard. „Steel.“ U.S. Patent 1,277,431, vydaný 3. září 1918.
Wills, W. H. „Practical Observations on High-Carbon High-Chromium Tool Steels“. Trans. ASM 23 (1935): 469.
Warner, Ken. Knives,’84. DBI Books, 1983.
Henry, D.E. Collins Machetes and Bowies, 1845-1965. Krause Publications, 1995.
https://www.bladeforums.com/threads/cpm-d2.470623/
Schruff, I., V. Schüler a C. Spiegelhauer. „Pokročilé nástrojové oceli vyráběné metodou tváření nástřikem“. Využití nástrojových ocelí: Zkušenosti a výzkum 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