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Actualización 10/22/2020: Ahora tengo un artículo con cómo tratar térmicamente D2, PSF27 y CPM-D2 y también incluye pruebas de tenacidad de cada acero y pruebas de retención de filo de D2. https://knifesteelnerds.com/2020/08/31/how-to-heat-treat-d2-psf27-and-cpm-d2/
Acero D2
El D2 es un acero común para herramientas y cuchillos. También se conoce con otros nombres como la designación japonesa SKD11, la designación alemana 1.2379, Hitachi SLD, Uddeholm Sverker 21, y muchos otros. ¿Desde cuándo existe? ¿De dónde procede? ¿Quién empezó a utilizarlo en los cuchillos? Cómo se comparan sus propiedades con las de otros aceros? Encuentre sus respuestas aquí!
Los primeros aceros al cromo
El desarrollo del acero D2 coincide en parte con la invención del acero inoxidable y del acero de alta velocidad. Puede leer un artículo sobre la historia del acero inoxidable aquí o la historia del acero rápido aquí. El D2 forma parte de una categoría de acero para herramientas denominada aceros de «alto carbono y alto cromo». La producción de acero con aleación de cromo no fue práctica hasta que se desarrolló el ferrocromo en 1821 y, de forma más práctica, en 1895 con el desarrollo del ferrocromo de bajo contenido en carbono. El primer acero producido comercialmente con adición de cromo fue en 1861 por Robert Mushet, el inventor del primer acero para herramientas. La patente del acero al cromo se concedió a Julius Baur en Nueva York en 1865. Robert Hadfield informó sobre las propiedades de los aceros con aleación de cromo en 1892 y también se refirió a los aceros con alto contenido de carbono y cromo, que estaban en sus inicios. Sin embargo, llegó a la conclusión de que la forjabilidad de las aleaciones era pobre y a menudo se agrietaba, y dijo que un acero con 1,27% de C y 11,13% de Cr estaba en el límite.
Desarrollo de los aceros de alto carbono y alto cromo
Después de 1900 se disparó el número de personas que experimentaban con aceros al cromo y aceros para herramientas en general. Esa fecha coincide con el descubrimiento de los aceros de alta velocidad que he enlazado más arriba. También a principios de ese período se desarrollaron aceros de alta velocidad que utilizaban la aleación de Cr en lugar de la de Mn para la templabilidad, donde utilizaban alrededor del 4% de Cr. También añadieron grandes cantidades de tungsteno para la dureza en caliente. El periodo de rápido desarrollo que se produjo en el periodo poco posterior a 1900 es muy difícil de precisar. Muchas empresas y personas desarrollaron el acero, y también hubo una copia generalizada. James Gill (lea sobre él aquí) escribió en 1929 que no pudo encontrar qué empresa fue la primera en producir acero con alto contenido de carbono y cromo. En el libro High Speed Steel de Becker, de 1910, se informa de que en Europa, sobre todo en Francia, se utilizaba un acero con un 2,25% de C y un 15% de Cr. En Estados Unidos se concedió una patente en 1916 a Richard Patch y Radclyffe Furness para un acero con 1-2% de carbono y 15-20% de cromo. En el ejemplo de la composición de 1,35% de carbono y 19,5% de cromo, parece que se trata de un acero inoxidable, pero no se patentó como tal. En la patente afirmaban que sólo habían oído hablar de aceros con más del 2% de carbono y entre el 12 y el 16% de cromo. Los aceros con alto contenido de carbono y cromo se utilizaron con frecuencia en Inglaterra durante la Primera Guerra Mundial para una serie de aplicaciones, como matrices y herramientas de corte. Las herramientas de corte se producían más típicamente con acero rápido de alto tungsteno en ese momento debido a la superior dureza en caliente con el acero rápido. Puede leer sobre la dureza en caliente en el artículo sobre el acero rápido. Sin embargo, el tungsteno era caro y difícil de obtener, por lo que se utilizó el acero de alto cromo como alternativa. Estos primeros aceros con alto contenido de carbono y cromo eran más parecidos a los modernos aceros D3 o D4 que a los D2, ya que su contenido de carbono era mayor, en torno al 2,2-2,4%.
Desarrollo del D2
En 1918, Paul Kuehnrich presentó una patente en Inglaterra para un acero con alto contenido de carbono y cromo modificado con cobalto, aproximadamente al 3,5%. La adición de cobalto tenía como objetivo mejorar la dureza en caliente de los aceros para que fueran más parecidos al acero rápido. Puede leer más sobre lo que el cobalto hace al acero en este artículo. La patente tiene unos rangos químicos bastante amplios: 1,2-3,5% de carbono, 8-20% de cromo y 1-6% de cobalto. Sin embargo, es interesante que la aleación de ejemplo que se da tenga un 1,5% de C, un 12% de Cr y un 3,5% de cobalto, lo que sin el cobalto sería muy parecido al D2 moderno.
Aunque en EE.UU. los aceros con alto contenido de carbono y cromo no se utilizaron para sustituir al acero de alta velocidad, sí ganaron popularidad con los aceros para matrices. Los aceros para matrices requerían una alta resistencia al desgaste que se obtenía gracias a las grandes cantidades de carburo de cromo presentes en esos aceros. En un principio, se trataba de aceros de tipo D3 con 2,2-2,4% de cromo, que tenían una tenacidad y una maquinabilidad relativamente pobres. Estos aceros tampoco solían contener vanadio o molibdeno. Gill no informó de una composición consistente con el D2 en 1929, por lo que, aunque existiera en ese momento, es probable que no fuera de uso generalizado.
Actualización 4/11/2019: Finalmente encontré la patente para D2, la solicitud fue presentada el 30 de junio de 1927 por Gregory Comstock de la compañía Firth-Sterling Steel. Comstock, Gregory J. «Acero de aleación». U.S. Patent 1,695,916, emitido el 18 de diciembre de 1928.
Para 1934 se hablaba de una composición consistente con el D2 con 1,55% C, 12% Cr, 0,25% V, y 0,8% Mo . Todavía no se llamaba D2, por supuesto. El molibdeno se añadió para convertirlo en un verdadero acero de «endurecimiento al aire», que permite que el acero se endurezca completamente en secciones gruesas o sin aceite. Sin el Mo, el elevado Cr hacía que el acero se endureciera bastante, pero no lo suficiente como para que se endureciera realmente al aire. La adición de vanadio se hizo para mejorar la tenacidad, lo que se consigue refinando tanto el tamaño del grano como la estructura del carburo. Este nuevo acero de tipo D2 fue ganando en popularidad debido a su «propiedad de endurecimiento al aire, baja distorsión y mejor calidad de mecanizado que los demás». También se decía que era «el más adaptable de los aceros de alto carbono y cromo». Y, como se ha mencionado anteriormente, el menor nivel de carbono significaba una tenacidad mucho mayor que la del anterior acero tipo D3, que puede verse en la figura siguiente. Se había experimentado con adiciones de vanadio y níquel en el acero de tipo D3, con un 2,2% de carbono, pero aunque eso mejoraba la tenacidad, el D2, con menos carbono, era mucho más duro. A partir de ese momento, el D2 se convirtió en uno de los aceros para herramientas más populares, sobre todo en las matrices. Los nuevos aceros «mejores» fabricados para matrices siguen siendo comparados con el D2 debido a su ubicuidad.
El D2 en los cuchillos
Tardó algún tiempo en utilizarse el D2 en los cuchillos. El primer uso registrado que puedo encontrar es por D.E. Henry en 1965 o 1966 . Probó primero el D3, de mayor contenido en carbono, seguido del D2, imitando involuntariamente el orden en que fueron desarrollados. Debido a su popularidad como acero para herramientas, era sólo cuestión de tiempo que alguien utilizara el D2. Su resistencia al desgaste relativamente alta, junto con una buena dureza y tenacidad, lo hicieron funcionar bien como acero para cuchillos. Con su alto contenido en cromo, ocupaba una posición única en el debate entre el acero inoxidable y el acero al carbono. El D2 tiene una resistencia al desgaste y una tenacidad algo mejores que el 440C, el acero inoxidable más utilizado en los años 70, por lo que para los fabricantes que consideraban que la resistencia a las manchas del D2 era «suficientemente buena» podía ofrecer propiedades superiores. Puede leer más sobre la resistencia a la corrosión del D2 en este artículo. También tenía una resistencia al desgaste mucho mayor que los aceros al carbono utilizados habitualmente por los forjadores de cuchillas, por lo que fue utilizado por algunos fabricantes de cuchillos que querían un acero de alta resistencia al desgaste. Desde entonces, el D2 se ha utilizado en muchos cuchillos, famoso por fabricantes como Bob Dozier.
Estructura de los carburos del D2
Los grandes carburos del D2 limitan su dureza y también su estabilidad de filo. Alrededor de 2007 se lanzó una versión pulvimetalúrgica, CPM-D2, para reducir el tamaño de los carburos, lo que, según se informa, mejora la tenacidad, la resistencia a la corrosión y la respuesta al tratamiento térmico. Puede leer más sobre por qué el D2 tiene carburos grandes y el proceso de pulvimetalurgia en este artículo. El conformado por pulverización es una tecnología algo similar que da lugar a un tamaño de carburo algo mayor que el de la pulvimetalurgia. Existe una versión de D2 llamada PSF27 producida por Dan Spray en Dinamarca, fabricada al menos desde 2002. Se puede ver la disminución del tamaño del carburo en convencional (bueno, ESR de todos modos), forma de pulverización, y PM D2 en las imágenes de abajo . Tenga en cuenta que el PM está en una mayor ampliación.
Esas son micrografías bastante baja resolución. Tomé micrografías de D2, PSF27, y CPM-D2 que se muestran a continuación:
D2 convencional
PSF27
CPM-D2
Propiedades del D2
Bohler Uddeholm midió la retención de bordes del D2 junto con otros aceros con las pruebas CATRA y encontró que era algo mejor que el N690, ATS-34/154CM, y 440C, a la par con 3V, pero peor que S35VN, Vanadis 4 Extra, Elmax, S30V, M4, y M390 . También calculé la retención de bordes en relación con 440C, que es un valor que Crucible ha informado en el pasado.
Crucible informa de que D2 tiene una dureza aproximadamente equivalente a 10V, mejor que 440C y S90V, pero peor que 3V, CruWear y A2 .
En nuestras pruebas de tenacidad el D2 no fue muy impresionante, aunque sólo hemos probado un tratamiento térmico y no lo hemos comparado con muchos otros aceros de baja tenacidad como el 10V, el 440C y el S90V:
Ya escribí anteriormente sobre la potencial resistencia a la corrosión del D2 en este artículo. Su resistencia a la corrosión se ha promocionado demasiado en algunos casos debido a su alto contenido de cromo. Aproximadamente la mitad de ese cromo está ligado a los carburos, donde no contribuye a la resistencia a la corrosión. Por lo tanto, tiene una buena resistencia a la corrosión para un acero de herramientas, aunque hay algunos aceros no inoxidables que potencialmente tienen una mejor resistencia a la corrosión, particularmente muchos de los aceros con 8% de Cr como el 3V o el CruWear. Aquí está la tabla de ese artículo con los aceros clasificados por «cromo en solución» que es aproximadamente igual a la resistencia a la corrosión de cada acero:
D2 en Knives Today
El D2 sigue siendo utilizado en los cuchillos; una búsqueda en BladeHQ trae 1.690 cuchillos disponibles en D2. Cuchilleros como Bob Dozier han construido su reputación en la fabricación de un cuchillo superior con D2. Con el aumento de los aceros pulvimetalúrgicos que contienen vanadio, ahora hay otras opciones con mayor resistencia al desgaste y dureza. O aceros inoxidables pulvimetalúrgicos que pueden igualar o superar su resistencia al desgaste y dureza, pero con mejor resistencia a la corrosión. Los aceros pulvimetalúrgicos son mucho más caros que el D2, ya que éste se produce de forma convencional y está disponible en prácticamente todas las empresas de acero para herramientas. Por lo tanto, desde el punto de vista del coste, el D2 sigue teniendo ventaja sobre muchos de los aceros más nuevos. Las nuevas versiones de D2 en forma de spray y PM ayudan a compensar parte de la diferencia de propiedades con respecto a otros aceros pulvimetalúrgicos. Debido a sus buenas propiedades y a su reputación construida durante décadas, es probable que el D2 siga viéndose en los cuchillos.
Conclusiones
El acero de alto carbono y alto cromo fue desarrollado como una alternativa al acero de alta velocidad en Inglaterra a principios del siglo XX. Estos aceros eran similares al moderno acero para herramientas D3 con un carbono muy alto (2,2%). El carbono se redujo al 1,5% y se añadieron Mo y V para mejorar la tenacidad y la templabilidad del acero, que ya se utilizaba en 1934. Este acero se convirtió en lo que conocemos como D2, popular como acero para matrices. El acero fue utilizado por primera vez en cuchillos por D.E. Henry en 1965 o 1966 y se hizo popular en cuchillos. Se han producido versiones pulverizadas y pulvimetalúrgicas para mejorar la tenacidad y refinar la microestructura del D2. El D2 tiene una buena resistencia al desgaste, dureza y tenacidad adecuada.
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https://www.bladeforums.com/threads/cpm-d2.470623/
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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