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Update 22.10.2020: Ich habe jetzt einen Artikel über die Wärmebehandlung von D2, PSF27 und CPM-D2 und er enthält auch Zähigkeitstests für jeden Stahl und Tests zur Kantenfestigkeit von D2. https://knifesteelnerds.com/2020/08/31/how-to-heat-treat-d2-psf27-and-cpm-d2/
D2 Stahl
D2 ist ein gängiger Werkzeug- und Messerstahl. Er ist auch unter anderen Namen wie der japanischen Bezeichnung SKD11, der deutschen Bezeichnung 1.2379, Hitachi SLD, Uddeholm Sverker 21 und vielen anderen bekannt. Wie lange gibt es ihn schon? Woher stammt es? Wer hat angefangen, ihn in Messern zu verwenden? Wie sind seine Eigenschaften im Vergleich zu anderen Stählen? Finden Sie Ihre Antworten hier!
Frühe Chromstähle
Die Entwicklung des D2-Stahls fällt zum Teil mit der Erfindung des rostfreien Stahls und des Schnellstahls zusammen. Einen Artikel über die Geschichte des rostfreien Stahls können Sie hier lesen, die Geschichte des Schnellstahls hier. D2 gehört zur Kategorie der Werkzeugstähle mit hohem Kohlenstoffgehalt und hohem Chromanteil. Die Herstellung von chromlegiertem Stahl war erst mit der Entwicklung von Ferrochrom im Jahr 1821 und – noch praktischer – im Jahr 1895 mit der Entwicklung von kohlenstoffarmem Ferrochrom praktisch möglich. Der erste kommerziell hergestellte Stahl mit einem Chromzusatz wurde 1861 von Robert Mushet, dem Erfinder des ersten Werkzeugstahls, hergestellt. Ein Patent auf Chromstahl wurde Julius Baur in New York 1865 erteilt. Robert Hadfield berichtete 1892 über die Eigenschaften von chromlegierten Stählen und befasste sich auch mit kohlenstoff- und chromreichen Stählen, die noch in den Kinderschuhen steckten. Er kam jedoch zu dem Schluss, dass die Schmiedbarkeit der Legierungen schlecht war und häufig Risse auftraten, und stellte fest, dass ein Stahl mit 1,27 % C und 11,13 % Cr an der Grenze lag.
Entwicklung von Stählen mit hohem Kohlenstoff- und Chromgehalt
Nach 1900 explodierte die Zahl derer, die mit Chromstählen und Werkzeugstählen im Allgemeinen experimentierten. Dieses Datum fällt mit der Entdeckung der Schnellarbeitsstähle zusammen, die ich oben verlinkt habe. In dieser Zeit wurden auch Schnellarbeitsstähle entwickelt, bei denen die Härtbarkeit durch Cr-Legierung statt durch Mn-Legierung erreicht wurde, wobei etwa 4 % Cr verwendet wurden. Sie fügten auch große Mengen an Wolfram für die Warmhärte hinzu. Die rasante Entwicklung in der Zeit kurz nach 1900 lässt sich nur schwer eingrenzen. Viele Unternehmen und Personen entwickelten Stahl, und es gab auch zahlreiche Nachahmer. James Gill (lesen Sie hier über ihn) berichtete 1929, dass er nicht herausfinden konnte, welches Unternehmen als erstes Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt und hohem Chromgehalt herstellte. In Beckers Buch High Speed Steel von 1910 berichtet er, dass in Europa, insbesondere in Frankreich, ein Stahl mit 2,25 % C und 15 % Cr verwendet wurde. In den USA wurde 1916 Richard Patch und Radclyffe Furness ein Patent für einen Stahl mit 1-2 % Kohlenstoff und 15-20 % Chrom erteilt. Sie gaben eine Beispielzusammensetzung von 1,35 % C und 19,5 % Cr an, die wie ein rostfreier Stahl aussieht, aber nicht als solcher patentiert wurde. In dem Patent hieß es, man habe nur von Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von über 2 % und einem Chromgehalt von 12-16 % gehört. Stähle mit hohem Kohlenstoff- und Chromgehalt wurden in England während des Ersten Weltkriegs häufig für eine Reihe von Anwendungen verwendet, unter anderem für Matrizen und Schneidwerkzeuge. Schneidewerkzeuge wurden damals in der Regel aus Schnellarbeitsstahl mit hohem Wolframgehalt hergestellt, da dieser eine höhere Warmhärte aufweist. Mehr über die Warmhärte erfahren Sie in dem Artikel über Schnellarbeitsstahl. Wolfram war jedoch teuer und schwer zu beschaffen, was zur Verwendung von hochchromhaltigem Stahl als Alternative führte. Diese frühen kohlenstoffreichen Chromstähle ähnelten eher den modernen D3- oder D4-Stählen als D2, da ihr Kohlenstoffgehalt höher war, etwa 2,2-2,4 %.
Entwicklung von D2
Im Jahr 1918 wurde in England ein Patent von Paul Kuehnrich für einen kohlenstoffreichen Chromstahl angemeldet, der mit Kobalt, etwa 3,5 %, modifiziert war. Der Kobaltzusatz sollte die Warmhärte des Stahls verbessern, so dass er dem Schnellarbeitsstahl näher kam. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Auswirkungen von Kobalt auf Stahl. Das Patent hat eine ziemlich breite chemische Bandbreite: 1,2-3,5 % Kohlenstoff, 8-20 % Chrom und 1-6 % Kobalt. Interessanterweise hatte die angegebene Beispiellegierung jedoch 1,5 % Kohlenstoff, 12 % Chrom und 3,5 % Kobalt, was ohne das Kobalt dem modernen D2 sehr nahe käme.
Während in den USA die kohlenstoffreichen Chromstähle nicht als Ersatz für Schnellarbeitsstahl verwendet wurden, gewannen sie bei Gesenkstählen an Beliebtheit. Matrizenstähle erforderten eine hohe Verschleißfestigkeit, die durch die großen Mengen an Chromkarbid in diesen Stählen erreicht wurde. Ursprünglich handelte es sich dabei um Stähle des Typs D3 mit einem Chromgehalt von 2,2-2,4 %, die eine relativ schlechte Zähigkeit und Bearbeitbarkeit aufwiesen. Diese Stähle enthielten in der Regel auch kein Vanadium oder Molybdän. Eine Zusammensetzung, die mit D2 übereinstimmt, wurde von Gill 1929 nicht berichtet, so dass sie, selbst wenn sie zu diesem Zeitpunkt existierte, wahrscheinlich noch nicht weit verbreitet war.
Aktualisierung 4/11/2019: Ich habe endlich das Patent für D2 gefunden, die Anmeldung wurde am 30. Juni 1927 von Gregory Comstock von Firth-Sterling Steel Company eingereicht. Comstock, Gregory J. „Alloy steel“. U.S. Patent 1,695,916, erteilt am 18. Dezember 1928.
Bis 1934 wurde eine Zusammensetzung diskutiert, die mit D2 übereinstimmt, mit 1,55% C, 12% Cr, 0,25% V, und 0,8% Mo. Sie wurde natürlich noch nicht D2 genannt. Das Molybdän wurde hinzugefügt, um ihn zu einem echten „lufthärtenden“ Stahl zu machen, der es ermöglicht, den Stahl in dicken Abschnitten oder ohne Öl vollständig zu härten. Ohne Molybdän machte der hohe Cr-Gehalt den Stahl zwar recht härtbar, aber nicht genug, um ihn wirklich luftgehärtet zu machen. Der Vanadiumzusatz sollte die Zähigkeit verbessern, was durch die Verfeinerung der Korngröße und der Karbidstruktur auch gelang. Dieser neue Stahl der Sorte D2 erfreute sich zunehmender Beliebtheit, da er „lufthärtend, verzugsarm und besser zu bearbeiten ist als andere Stähle“. Es wurde auch berichtet, dass er „der am universellsten anpassbare Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt und hohem Chromgehalt“ sei. Und wie bereits erwähnt, bedeutete der niedrigere Kohlenstoffgehalt eine viel höhere Zähigkeit als der frühere D3-ähnliche Stahl, wie Sie in der Abbildung unten sehen können. Mit dem D3-ähnlichen Stahl mit 2,2 % Kohlenstoffgehalt war mit Vanadium- und Nickelzusätzen experimentiert worden, aber obwohl dies die Zähigkeit verbesserte, war der D2-Stahl mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt viel zäher. Von diesem Zeitpunkt an wurde D2 zu einem der beliebtesten Werkzeugstähle, insbesondere für Gesenke. Neue „bessere“ Stähle für Matrizen werden weiterhin mit D2 verglichen, weil er allgegenwärtig ist.
D2 in Messern
Es dauerte einige Zeit, bis D2 in Messern verwendet wurde. Die erste dokumentierte Verwendung, die ich finden kann, stammt von D.E. Henry aus dem Jahr 1965 oder 1966. Er probierte zuerst den kohlenstoffreicheren D3 aus, gefolgt von D2, womit er unbeabsichtigt die Reihenfolge ihrer Entwicklung nachahmte. Aufgrund seiner Beliebtheit als Werkzeugstahl war es nur eine Frage der Zeit, bis jemand D2 verwenden würde. Seine relativ hohe Verschleißfestigkeit sowie seine gute Härte und Zähigkeit machten ihn zu einem guten Messerstahl. Mit seinem hohen Chromgehalt hatte er eine einzigartige Position in der Debatte zwischen rostfreiem Stahl und Kohlenstoffstahl. D2 hat eine etwas bessere Verschleißfestigkeit und Zähigkeit als 440C, der in den 70er Jahren am häufigsten verwendete rostfreie Stahl, so dass er Herstellern, denen die Fleckenbeständigkeit von D2 „gut genug“ war, bessere Eigenschaften bieten konnte. Mehr über die Korrosionsbeständigkeit von D2 können Sie in diesem Artikel lesen. Außerdem war er wesentlich verschleißfester als die üblicherweise von Klingenschmieden verwendeten Kohlenstoffstähle und wurde daher von einigen Messermachern verwendet, die einen Stahl mit hoher Verschleißfestigkeit wollten. D2 wurde seitdem in vielen Messern verwendet, berühmt durch Hersteller wie Bob Dozier.
Karbidstruktur von D2
Die großen Karbide in D2 begrenzen seine Zähigkeit und auch seine Kantenstabilität. Eine pulvermetallurgische Version, CPM-D2, wurde um 2007 auf den Markt gebracht, um die Karbidgröße zu reduzieren, was Berichten zufolge die Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und das Wärmebehandlungsverhalten verbessert. In diesem Artikel erfahren Sie mehr darüber, warum D2 große Karbide aufweist und wie das pulvermetallurgische Verfahren funktioniert. Das Sprühformen ist eine ähnliche Technologie, die zu einer etwas größeren Karbidgröße führt als die Pulvermetallurgie. Es gibt eine Sprayform-Version von D2 namens PSF27, die von Dan Spray in Dänemark hergestellt wird und mindestens seit 2002 produziert wird. Sie können die abnehmende Karbidgröße bei konventionellem (nun ja, ESR sowieso), sprühgeformtem und PM-D2 in den folgenden Bildern sehen. Beachten Sie, dass PM in einer höheren Vergrößerung zu sehen ist.
Das sind ziemlich niedrig aufgelöste Mikrofotografien. Ich habe Mikroaufnahmen von D2, PSF27 und CPM-D2 gemacht, die unten gezeigt werden:
Konventionelles D2
PSF27
CPM-D2
Eigenschaften von D2
Bohler Uddeholm hat die Kantenfestigkeit von D2 zusammen mit anderen Stählen mit CATRA-Tests gemessen und festgestellt, dass sie etwas besser ist als bei N690, ATS-34/154CM und 440C, gleichauf mit 3V, aber schlechter als S35VN, Vanadis 4 Extra, Elmax, S30V, M4 und M390. Ich habe auch die Kantenfestigkeit im Vergleich zu 440C berechnet, ein Wert, den Crucible in der Vergangenheit angegeben hat.
Crucible berichtet, dass D2 eine Zähigkeit hat, die ungefähr 10V entspricht, besser als 440C und S90V, aber schlechter als 3V, CruWear und A2 .
Bei unseren Zähigkeitstests war D2 nicht sehr beeindruckend, obwohl wir nur eine Wärmebehandlung getestet haben und nicht mit vielen anderen Stählen mit niedriger Zähigkeit wie 10V, 440C und S90V verglichen haben:
Ich habe bereits in diesem Artikel über die potenzielle Korrosionsbeständigkeit von D2 geschrieben. Seine Korrosionsbeständigkeit wurde in einigen Fällen wegen seines hohen Chromgehalts etwas überbewertet. Ungefähr die Hälfte dieses Chroms ist in Karbiden gebunden, wo es nicht zur Korrosionsbeständigkeit beiträgt. Daher weist er für einen Werkzeugstahl eine gute Korrosionsbeständigkeit auf, obwohl es einige nicht rostfreie Stähle gibt, die potenziell eine bessere Korrosionsbeständigkeit aufweisen, insbesondere viele der 8%-Cr-Stähle wie 3V oder CruWear. Hier ist die Tabelle aus diesem Artikel mit den Stählen, geordnet nach „Chrom in Lösung“, was ungefähr der Korrosionsbeständigkeit jedes Stahls entspricht:
D2 in Knives Today
D2 wird weiterhin in Messern verwendet; eine Suche auf BladeHQ ergibt 1.690 verfügbare Messer in D2. Messermacher wie Bob Dozier haben sich einen Namen gemacht, indem sie hervorragende Messer aus D2 hergestellt haben. Mit dem Aufkommen der pulvermetallurgisch hergestellten vanadiumhaltigen Stähle gibt es jetzt andere Optionen mit höherer Verschleißfestigkeit und Zähigkeit. Oder pulvermetallurgisch hergestellte rostfreie Stähle, die die Verschleißfestigkeit und Zähigkeit von D2 erreichen oder sogar übertreffen können, aber eine bessere Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Pulvermetallurgisch hergestellte Stähle sind viel teurer als D2, da D2 konventionell hergestellt wird und von praktisch jedem Werkzeugstahlhersteller erhältlich ist. Daher ist D2 aus Kostensicht immer noch im Vorteil gegenüber vielen neueren Stählen. Die neueren Sprühform- und PM-Versionen von D2 tragen dazu bei, einen Teil des Eigenschaftsunterschieds zu anderen pulvermetallurgischen Stählen wettzumachen. Aufgrund seiner guten Eigenschaften und seines über Jahrzehnte aufgebauten Rufs wird D2 wahrscheinlich weiterhin in Messern zu finden sein.
Schlussfolgerungen
Hochgekohlter, hochchromhaltiger Stahl wurde im frühen 20. Jahrhundert in England als Alternative zu Schnellarbeitsstahl entwickelt. Diese Stähle ähnelten dem modernen D3-Werkzeugstahl mit sehr hohem Kohlenstoffgehalt (2,2 %). Der Kohlenstoffgehalt wurde auf 1,5 % gesenkt, und es wurden Mo- und V-Zusätze hinzugefügt, um die Zähigkeit und Härtbarkeit des Stahls zu verbessern, der bis 1934 in Gebrauch war. Dieser Stahl wurde zu dem, was wir als D2 kennen, der als Matrizenstahl beliebt ist. Der Stahl wurde erstmals 1965 oder 1966 von D.E. Henry in Messern verwendet und wurde zu einem beliebten Messerstahl. Zur Verbesserung der Zähigkeit und zur Verfeinerung des Gefüges von D2 wurden spritzgegossene und pulvermetallurgische Versionen hergestellt. D2 hat eine gute Verschleißfestigkeit, Härte und ausreichende Zähigkeit.
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.
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Gill, James Presley, Robert Steadman Rose, George Adam Roberts, Harry Grant Johnstin, und Robert Burns George. Tool steels. American Society for Metals, 1944.
Kuehnrich, Paul Richard. „Steel.“ U.S. Patent 1,277,431, erteilt am 3. September 1918.
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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