Tak til Robert Erickson, knifeandgear_swiss, Dale Bushness og Paul Hart for at blive Knife Steel Nerds Patreon-tilhængere!
Opdatering 22/10/2020: Jeg har nu en artikel med hvordan man varmebehandler D2, PSF27 og CPM-D2, og den indeholder også toughness test af hvert stål og edge retention test af D2. https://knifesteelnerds.com/2020/08/31/how-to-heat-treat-d2-psf27-and-cpm-d2/
D2-stål
D2 er et almindeligt værktøjsstål og knivstål. Det er også kendt under andre navne som f.eks. den japanske betegnelse SKD11, den tyske betegnelse 1.2379, Hitachi SLD, Uddeholm Sverker 21 og mange andre. Hvor længe har det eksisteret? Hvor kommer det fra? Hvem begyndte at bruge det i knive? Hvordan er dets egenskaber sammenlignet med andre ståltyper? Find svarene her!
Første kromstål
D2-stålets udvikling falder til dels sammen med opfindelsen af rustfrit stål samt højhastighedsstål. Du kan læse en artikel om historien om rustfrit stål her eller historien om højhastighedsstål her. D2 er en del af en kategori af værktøjsstål kaldet “high carbon, high chromium”-stål. Produktionen af kromlegeret stål var ikke praktisk anvendelig, før ferrochrom blev udviklet i 1821 og mere praktisk i 1895 med udviklingen af ferrochrom med lavt kulstofindhold. Det første kommercielt producerede stål med en chromtilsætning blev fremstillet i 1861 af Robert Mushet, opfinderen af det første værktøjsstål, i 1861. Julius Baur i New York fik patent på kromstål i 1865 . Robert Hadfield rapporterede om egenskaberne ved kromlegerede ståltyper i 1892 og behandlede også ståltyper med højt kulstofindhold og højt chromindhold, som var i sin vorden . Han konkluderede dog, at smedbarheden af legeringerne var dårlig og ofte knækkede, og sagde, at et stål med 1,27% C og 11,13% Cr var på grænsen.
Udvikling af stål med højt kulstofindhold og højt chromindhold
Efter 1900 eksploderede antallet af personer, der eksperimenterede med kromstål og værktøjsstål i almindelighed . Denne dato falder sammen med opdagelsen af højhastighedsstål, som jeg har linket til ovenfor. Også tidligt i denne periode udviklede man højhastighedsstål, som brugte Cr-legering snarere end Mn-legering til hærdning, hvor man brugte ca. 4% Cr. De tilføjede også store mængder wolfram for at opnå varmehårdhed. Den periode med hurtig udvikling, der fandt sted i perioden kort efter 1900, er meget vanskelig at fastlægge. Mange virksomheder og personer var i gang med at udvikle stål, og der var også udbredt kopiering. James Gill (læs om ham her) skrev i 1929, at han ikke kunne finde ud af, hvilket firma der var det første til at fremstille stål med højt kulstofindhold og højt chromindhold. I Beckers bog om højhastighedsstål fra 1910 rapporterede han, at et stål med 2,25 % C og 15 % Cr blev brugt i Europa, især i Frankrig. I USA blev der i 1916 udstedt et patent til Richard Patch og Radclyffe Furness på stål med 1-2% kulstof og 15-20% chrom . De gav et eksempel på en sammensætning på 1,35 % C og 19,5 % Cr, som ser ud til at være et rustfrit stål, men som ikke blev patenteret som sådan. I patentet angav de, at de kun havde hørt om stål med over 2% kulstof og mellem 12-16% chrom. Stål med højt kulstofindhold og højt chromindhold blev ofte anvendt i England under Første Verdenskrig til en række anvendelser, herunder matricer og skærende værktøjer. Skærende værktøjer blev mere typisk fremstillet af hurtigstål med høj wolframindhold dengang på grund af den overlegne varmehårdhed af hurtigstål. Du kan læse mere om varm hårdhed i artiklen om hurtigstål. Wolfram var imidlertid dyrt og vanskeligt at skaffe, hvilket førte til anvendelse af kromstål med højt kromindhold som et alternativ. Disse tidlige kromstål med højt kulstofindhold lignede mere de moderne D3- eller D4-stål end D2, fordi deres kulstofindhold var højere, omkring 2,2-2,4 %,
Udvikling af D2
I 1918 blev der i England indgivet et patent af Paul Kuehnrich på et kromstål med højt kulstofindhold, modificeret med kobolt, ca. 3,5 %. Kobolttilsætningen skulle forbedre stålets varmehårdhed, så det lå tættere på hurtigstål. Du kan læse mere om, hvad cobalt gør ved stål i denne artikel. Patentet har ret brede kemiområder: Det har en bred kemikaliekategori: 1,2-3,5 % kulstof, 8-20 % chrom og 1-6 % kobolt. Det er dog interessant, at den angivne eksempellegering havde 1,5 % C, 12 % Cr og 3,5 % cobalt, hvilket uden cobalt ville være meget tæt på moderne D2.
Mens i USA blev stål med højt kulstofindhold og højt chromindhold ikke brugt som erstatning for hurtigstål, blev det mere og mere populært i forbindelse med matricestål. Stål til matricestål krævede høj slidstyrke, som blev opnået gennem de store mængder kromcarbid, der var til stede i disse ståltyper. Oprindeligt var der tale om D3-stål af typen 2,2-2,4 % chrom, som havde en relativt dårlig sejhed og bearbejdelighed. Disse ståltyper indeholdt heller ikke typisk vanadium eller molybdæn. En sammensætning, der er i overensstemmelse med D2, blev ikke rapporteret af Gill i 1929, så selv hvis den fandtes på det tidspunkt, var den sandsynligvis ikke i udbredt brug.
Opdatering 4/11/2019: Jeg har endelig fundet patentet på D2, ansøgningen blev indgivet 30. juni 1927 af Gregory Comstock fra Firth-Sterling Steel company. Comstock, Gregory J. “Legeret stål.” U.S. Patent 1,695,916, udstedt den 18. december 1928.
I 1934 blev der diskuteret en sammensætning i overensstemmelse med D2 med 1,55% C, 12% Cr, 0,25% V og 0,8% Mo . Den var naturligvis endnu ikke navngivet D2. Molybdænet blev tilføjet for at gøre det til et ægte “lufthærdende” stål, som gør det muligt for stålet at hærde fuldt ud i tykke sektioner eller uden olie. Uden Mo gjorde det høje Cr-indhold stålet ganske hærdbart, men ikke nok til at gøre det virkelig lufthærdende. Vanadiumtilsætningen blev foretaget for at forbedre sejheden, hvilket den gør ved at forfine både kornstørrelsen og også karbidstrukturen. Dette nye D2-stål blev mere og mere populært på grund af dets “lufthærdningsegenskaber, lave forvrængning og bedre bearbejdningskvalitet end de andre” . Det blev også rapporteret som værende “det mest universelt anvendelige stål med højt kulstofindhold og højt chromindhold” . Og som tidligere nævnt betød det lavere kulstofindhold en langt større sejhed end det tidligere D3-lignende stål, som du kan se på figuren nedenfor. Der var blevet eksperimenteret med vanadium- og nikkeltilsætning i D3-stålet med 2,2 % kulstof, men selv om det forbedrede sejheden, var D2-stålet med lavere kulstofindhold meget sejere. Fra det tidspunkt blev D2 et af de mest populære værktøjsstål, især i matricer. Nye “bedre” ståltyper til matricer bliver fortsat sammenlignet med D2 på grund af dets allestedsnærværende karakter.
D2 i knive
Det tog noget tid, før D2 blev brugt i knive. Den første registrerede brug, jeg kan finde, er af D.E. Henry i 1965 eller 1966 . Han prøvede først D3 med højere kulstofindhold efterfulgt af D2, hvilket utilsigtet efterlignede den rækkefølge, i hvilken de blev udviklet. På grund af dets popularitet som værktøjsstål var det kun et spørgsmål om tid, før nogen brugte D2. Dets relativt høje slidstyrke sammen med god hårdhed og sejhed gjorde, at det fungerede godt som knivstål. Med sit høje kromindhold havde det en unik position i debatten om rustfrit stål vs. kulstofstål. D2 har en noget bedre slidstyrke og sejhed end 440C, det mest anvendte rustfrie stål i 70’erne, så for producenter, der mente, at D2’s smudsafvisende egenskaber var “gode nok”, kunne det tilbyde overlegne egenskaber. Du kan læse mere om, hvor korrosionsbestandigt D2 er, i denne artikel. Det havde også en meget større slidstyrke end de kulstofstål, der almindeligvis blev brugt af smedeklingesmede, så det blev brugt af nogle knivmagere, der ønskede et stål med høj slidstyrke. D2 er siden da blevet brugt i mange knive, berømt af producenter som Bob Dozier.
Karbidstruktur i D2
De store karbider i D2 begrænser dets sejhed og også dets kantstabilitet. En pulvermetallurgisk version, CPM-D2, blev frigivet omkring 2007 for at reducere karbidstørrelsen, hvilket angiveligt forbedrer sejheden, korrosionsbestandigheden og varmebehandlingsresponsen. Du kan læse mere om, hvorfor D2 har store karbider og om pulvermetallurgiprocessen i denne artikel. Sprayform er en noget lignende teknologi, som fører til en noget større karbidstørrelse end pulvermetallurgi. Der findes en sprayform-version af D2 kaldet PSF27 produceret af Dan Spray i Danmark, fremstillet i hvert fald siden 2002 . Du kan se den aftagende karbidstørrelse i konventionel (altså ESR i hvert fald), sprayform og PM D2 i billederne nedenfor . Bemærk, at PM er ved en højere forstørrelse.
Disse er temmelig lavopløselige mikrografiskebilleder. Jeg tog mikrobilleder af D2, PSF27 og CPM-D2, som er vist nedenfor:
Konventionel D2
PSF27
CPM-D2
Egenskaber ved D2
Bohler Uddeholm målte kantfastheden af D2 sammen med andre ståltyper med CATRA-test og fandt, at den var noget bedre end N690, ATS-34/154CM og 440C, på niveau med 3V, men dårligere end S35VN, Vanadis 4 Extra, Elmax, S30V, M4 og M390 . Jeg har også beregnet kantfastheden i forhold til 440C, som er en værdi, som Crucible tidligere har rapporteret.
Crucible rapporterer, at D2 har sejhed omtrent svarende til 10V, bedre end 440C og S90V, men dårligere end 3V, CruWear og A2 .
I vores test af sejhed var D2 ikke særlig imponerende, selv om vi kun har testet én varmebehandling og ikke har sammenlignet med mange andre stål med lav sejhed som 10V, 440C og S90V:
Jeg har tidligere skrevet om den potentielle korrosionsbestandighed af D2 i denne artikel. Dens korrosionsbestandighed er i nogle tilfælde blevet lidt overpromoveret på grund af dens høje kromindhold. Omkring halvdelen af dette krom er bundet i carbider, hvor det ikke bidrager til korrosionsbestandigheden. Derfor har det en god korrosionsbestandighed for et værktøjsstål, selv om der er nogle ikke-stålfri ståltyper, der potentielt har en bedre korrosionsbestandighed, især mange af de 8% Cr-ståltyper som 3V eller CruWear. Her er skemaet fra den pågældende artikel med stålene rangeret efter “chrom i opløsning”, som er omtrent lig med korrosionsbestandigheden for hvert stål:
D2 i knive i dag
D2 bliver fortsat brugt i knive; en søgning på BladeHQ giver 1.690 tilgængelige knive i D2. Knivmagere som Bob Dozier har opbygget deres ry på at lave en overlegen kniv med D2. Med fremkomsten af pulvermetallurgiske vanadiumholdige ståltyper er der nu andre muligheder med både højere slidstyrke og hårdhed. Eller pulvermetallurgiske rustfrie ståltyper, der kan matche eller overgå dets slidstyrke og sejhed, men med bedre korrosionsbestandighed. Pulvermetallurgiske ståltyper er meget dyrere end D2, da D2 produceres konventionelt og er bredt tilgængeligt fra stort set alle værktøjsstålsvirksomheder. Derfor har D2 ud fra et omkostningsperspektiv stadig en fordel i forhold til mange nyere ståltyper. De nyere sprayform- og PM-versioner af D2 er med til at udligne en del af forskellen i egenskaber i forhold til andre pulvermetallurgiske ståltyper. På grund af de gode egenskaber og det omdømme, der er opbygget gennem årtier, vil D2 sandsynligvis fortsat blive set i knive.
Konklusioner
Stål med højt kulstofindhold og højt kromindhold blev udviklet som et alternativ til hurtigstål i England i begyndelsen af det 20. århundrede. Disse ståltyper lignede det moderne D3-værktøjsstål med meget højt kulstofindhold (2,2 %). Kulstoffet blev reduceret til 1,5 %, og der blev tilsat Mo og V for at forbedre stålets sejhed og hærdbarhed, som var i brug i 1934. Dette stål blev det, vi kender som D2, som er populært som matricestål. Stålet blev første gang brugt i knive af D.E. Henry i 1965 eller 1966 og blev populært i knive. Der er blevet fremstillet en sprayform- og pulvermetallurgisk version for at forbedre sejheden og forfine D2’s mikrostruktur. D2 har god slidstyrke, hårdhed og tilstrækkelig sejhed.
Gill, J. P. “High-carbon high chromium steels.” Trans. ASST 15 (1929): 387-400.
Hadfield, Robert Abbott. “Alloys of Iron and Chromium, Including a Report by F. Osmond.” J. Iron Steel Inst. 42 (1892): 49.
Patch, Richard H., and Radclyffe Furness. “Værktøjsstållegering.” U.S. Patent 1,206,902, udstedt den 5. december 1916.
Gill, James Presley, Robert Steadman Rose, George Adam Roberts, Harry Grant Johnstin, og Robert Burns George. Værktøjsstål. American Society for Metals, 1944.
Kuehnrich, Paul Richard. “Steel.” U.S. Patent 1,277,431, udstedt den 3. september 1918.
Wills, W. H. “Practical Observations on High-Carbon High-Chromium Tool Steels.” Trans. ASM 23 (1935): 469.
Warner, Ken. Knive,’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, og C. Spiegelhauer. “Avancerede værktøjsstål fremstillet ved sprøjtestøbning”. Anvendelse af værktøjsstål: Experience and Research 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