Kiitos Robert Ericksonille, knifeandgear_swissille, Dale Bushnessille ja Paul Hartille siitä, että heistä on tullut Knife Steel Nerdsin Patreon-kannattajia!
Päivitys 22.10.2020: Se sisältää myös kunkin teräksen sitkeyden testauksen ja D2:n särmäkestävyyden testauksen. https://knifesteelnerds.com/2020/08/31/how-to-heat-treat-d2-psf27-and-cpm-d2/
D2-teräs
D2 on yleinen työkalu- ja veitsiteräs. Se tunnetaan myös muilla nimillä, kuten japanilaisella nimityksellä SKD11, saksalaisella nimityksellä 1.2379, Hitachi SLD, Uddeholm Sverker 21 ja monilla muilla. Kuinka kauan sitä on käytetty? Mistä se on peräisin? Kuka alkoi käyttää sitä veitsissä? Miten sen ominaisuuksia verrataan muihin teräksiin? Löydä vastaukset täältä!
Varhaiset kromiteräkset
D2-teräksen kehitys osuu osittain samaan aikaan ruostumattoman teräksen sekä pikateräksen keksimisen kanssa. Voit lukea artikkelin ruostumattoman teräksen historiasta täältä tai pikateräksen historiasta täältä. D2 on osa työkaluteräsluokkaa, jota kutsutaan ”runsashiilisiksi, runsaskromisiksi” teräksiksi. Kromiseosteisen teräksen tuotanto oli käytännöllistä vasta, kun ferrokromi kehitettiin vuonna 1821 ja käytännöllisemmin vuonna 1895, jolloin kehitettiin vähähiilinen ferrokromi. Ensimmäisen kaupallisesti tuotetun teräksen, johon oli lisätty kromia, valmisti Robert Mushet, ensimmäisen työkaluteräksen keksijä, vuonna 1861. Kromiterästä koskeva patentti myönnettiin Julius Baurille New Yorkissa vuonna 1865. Robert Hadfield raportoi kromiseostettujen terästen ominaisuuksista vuonna 1892 ja käsitteli myös korkeahiilisiä, runsaasti kromia sisältäviä teräksiä, jotka olivat alkuvaiheessa. Hän kuitenkin totesi, että seosten taottavuus oli huono ja usein halkeilivat, ja sanoi, että teräs, jossa oli 1,27 % C ja 11,13 % Cr, oli rajalla.
Korkeahiilisten, korkeakromisten terästen kehitys
Vuoden 1900 jälkeen kromiteräksiä ja työkaluteräksiä yleensä kokeilevien ihmisten määrä räjähti . Tämä ajankohta osuu yksiin edellä linkittämäni suurnopeusterästen keksimisen kanssa. Myös tuon ajanjakson alkupuolella kehitettiin pikateräksiä, joissa käytettiin Cr-seostusta eikä Mn-seostusta karkaistavuuden parantamiseksi, jolloin käytettiin noin 4% Cr. He lisäsivät myös suuria määriä volframia kuumakovuuden lisäämiseksi. Pian vuoden 1900 jälkeen tapahtunutta nopean kehityksen aikaa on hyvin vaikea määritellä. Monet yritykset ja ihmiset kehittivät terästä, ja myös kopiointi oli laajaa. James Gill (lue hänestä täältä) kirjoitti vuonna 1929, että hän ei pystynyt selvittämään, mikä yritys oli ensimmäinen, joka valmisti runsashiilistä kromiterästä. Beckerin vuonna 1910 ilmestyneessä High Speed Steel -kirjassa hän kertoi, että Euroopassa, erityisesti Ranskassa, käytettiin terästä, jossa oli 2,25 % C ja 15 % Cr. Yhdysvalloissa Richard Patchille ja Radclyffe Furnessille myönnettiin vuonna 1916 patentti teräkselle, jossa oli 1-2 % hiiltä ja 15-20 % kromia. He antoivat esimerkkikoostumuksen 1,35 % C ja 19,5 % Cr, joka näyttäisi olevan ruostumatonta terästä, mutta sitä ei patentoitu sellaisenaan. Patentissa todettiin, että he olivat kuulleet vain teräksistä, joiden hiilipitoisuus oli yli 2 % ja kromipitoisuus 12-16 %. Runsaasti hiiltä ja kromia sisältäviä teräksiä käytettiin usein Englannissa ensimmäisen maailmansodan aikana erilaisiin sovelluksiin, kuten muottien ja leikkuutyökalujen valmistukseen. Leikkaustyökalut valmistettiin tuolloin tyypillisemmin runsasvolframipitoisesta pikateräksestä, koska pikateräksen kuumakovuus oli parempi. Voit lukea kuumakovuudesta pikaterästä käsittelevästä artikkelista. Volframi oli kuitenkin kallista ja vaikeasti saatavissa, minkä vuoksi vaihtoehtona käytettiin kromiterästä. Nämä varhaiset runsashiiliset kromiteräkset muistuttivat enemmän nykyisiä D3- tai D4-teräksiä kuin D2-teräksiä, koska niiden hiilipitoisuus oli korkeampi, noin 2,2-2,4 %.
D2:n kehitys
Vuonna 1918 Paul Kuehnrich jätti Englannissa patenttihakemuksen, joka koski runsashiilistä runsaskromista terästä, jota oli muunnettu kobolttia sisältävällä, noin 2,2-2,4 %:lla. Koboltin lisäämisen tarkoituksena oli parantaa terästen kuumakovuutta niin, että ne olivat lähempänä pikaterästä. Voit lukea lisää koboltin vaikutuksesta teräkseen tästä artikkelista. Patentissa on melko laajat kemia-alueet: 1,2-3,5 % hiiltä, 8-20 % kromia ja 1-6 % kobolttia. Mielenkiintoista on kuitenkin se, että esimerkkiseoksessa, joka annettiin, oli 1,5 % C, 12 % Cr ja 3,5 % kobolttia, mikä ilman kobolttia olisi hyvin lähellä nykyistä D2-terästä.
Vaikka Yhdysvalloissa korkeahiilisiä, runsaasti kromia sisältäviä teräksiä ei käytetty pikateräksen korvikkeena, se kasvatti suosiotaan suulakepuristusterästen kanssa. Muototeräksiltä vaadittiin suurta kulutuskestävyyttä, joka saavutettiin näissä teräksissä olevien suurten kromikarbidimäärien avulla. Nämä olivat aluksi D3-tyyppisiä 2,2-2,4-prosenttisia kromiteräksiä, joiden sitkeys ja työstettävyys olivat suhteellisen huonoja. Nämä teräkset eivät myöskään yleensä sisältäneet vanadiinia tai molybdeeniä. Gill ei raportoinut D2-koostumusta vastaavaa koostumusta vuonna 1929, joten vaikka sitä olisi ollut olemassa jo tuolloin, se ei todennäköisesti ollut laajassa käytössä.
Päivitys 4/11/2019: Löysin vihdoin patentin D2:lle, hakemuksen jätti 30. kesäkuuta 1927 Firth-Sterling Steel -yhtiön Gregory Comstock. Comstock, Gregory J. ”Seosteräs”. U.S. Patentti 1,695,916, myönnetty 18. joulukuuta 1928.
Vuoteen 1934 mennessä keskusteltiin D2:n kanssa yhteensopivasta koostumuksesta, jossa oli 1,55 % C, 12 % Cr, 0,25 % V ja 0,8 % Mo . Sitä ei tietenkään vielä nimetty D2:ksi. Molybdeeni lisättiin, jotta siitä tulisi todellinen ”ilmakarkaisuteräs”, joka mahdollistaa teräksen täydellisen kovettumisen paksuissa osissa tai ilman öljyä. Ilman molybdeeniä korkea Cr-arvo teki teräksestä melko karkaistavan, mutta se ei riittänyt tekemään siitä todella ilmakarkaistavaa. Vanadiinilisäys tehtiin sitkeyden parantamiseksi, mikä saavutetaankin parantamalla sekä raekokoa että karbidirakennetta. Tämän uuden D2-tyyppisen teräksen suosio kasvoi sen ”ilmakarkaisuominaisuuden, vähäisen vääristymän ja muita teräksiä paremman työstölaadun” vuoksi. Sen kerrottiin myös olevan ”yleisimmin sopeutuva … runsashiilisistä, runsaasti kromia sisältävistä teräksistä”. Ja kuten aiemmin mainittiin, alhaisempi hiilipitoisuus merkitsi paljon suurempaa sitkeyttä kuin aiemmalla D3:n kaltaisella teräksellä, mikä näkyy alla olevassa kuvassa. Vanadiini- ja nikkelilisäyksiä oli kokeiltu D3-tyyppisen, 2,2-prosenttisen hiilipitoisuuden omaavan teräksen kanssa, mutta vaikka ne paransivatkin sitkeyttä, alhaisemman hiilipitoisuuden omaava D2-teräs oli paljon sitkeämpi. Siitä lähtien D2-teräksestä tuli yksi suosituimmista työkaluteräksistä, erityisesti suuttimissa. Uusia ”parempia” työkaluteräksiä verrataan edelleen D2:een, koska se on yleistynyt kaikkialla.
D2 puukoissa
Kesti jonkin aikaa ennen kuin D2:ta alettiin käyttää puukoissa. Ensimmäinen kirjattu käyttö, jonka löydän, on D.E. Henryn tekemä 1965 tai 1966 . Hän kokeili ensin korkeamman hiilipitoisuuden omaavaa D3:a ja sitten D2:ta, jäljitellen tahattomasti järjestystä, jossa ne kehitettiin. Koska D2 oli suosittu työkaluteräs, oli vain ajan kysymys, milloin joku käyttäisi sitä. Sen suhteellisen korkea kulutuskestävyys sekä hyvä kovuus ja sitkeys tekivät siitä hyvän veitsiteräksen. Korkean kromipitoisuutensa ansiosta sillä oli ainutlaatuinen asema ruostumattoman ja hiiliteräksen välisessä kiistassa. D2:lla on jonkin verran parempi kulutuskestävyys ja sitkeys kuin 440C:llä, 70-luvulla yleisimmin käytetyllä ruostumattomalla teräksellä, joten valmistajille, joiden mielestä D2:n tahrankestävyys oli ”riittävän hyvä”, se saattoi tarjota parempia ominaisuuksia. Voit lukea lisää siitä, kuinka korroosionkestävä D2 on, tästä artikkelista. Sillä oli myös paljon parempi kulutuskestävyys kuin hiiliteräksillä, joita taontaterästen sepät yleisesti käyttivät, joten jotkut veitsentekijät, jotka halusivat teräksen, jolla oli korkea kulutuskestävyys, käyttivät sitä. D2-terästä on sittemmin käytetty monissa puukoissa, esimerkiksi Bob Dozierin kaltaisten valmistajien toimesta.
D2:n karbidirakenne
D2:n suuret karbidit rajoittavat sen sitkeyttä ja myös terävyyttä. Jauhemetallurginen versio, CPM-D2, julkaistiin noin vuonna 2007 karbidien koon pienentämiseksi, minkä on raportoitu parantavan sitkeyttä, korroosionkestävyyttä ja lämpökäsittelyn vastetta. Voit lukea lisää siitä, miksi D2:ssa on suuria karbideja ja jauhemetallurgiaprosessista tästä artikkelista. Sprayform on jokseenkin samanlainen tekniikka, joka johtaa hieman suurempaan karbidikokoon kuin jauhemetallurgia. D2:sta on olemassa suihkumuoviversio nimeltä PSF27, jota Dan Spray valmistaa Tanskassa ja jota on valmistettu ainakin vuodesta 2002 lähtien. Alla olevissa kuvissa näkyy karbidikoon pieneneminen tavanomaisessa (ainakin ESR), suihkumuotoisessa ja PM D2:ssa. Huomaa, että PM on suuremmalla suurennoksella.
Nämä ovat melko matalan resoluution mikrokuvia. Otin mikrokuvat D2:sta, PSF27:stä ja CPM-D2:sta, jotka näkyvät alla:
Tavanomainen D2
PSF27
CPM-D2
D2:n ominaisuudet
Bohler Uddeholm mittasi D2:n reunanpitävyyden muiden terästen ohella CATRA-testillä ja havaitsi D2:n reunanpitävän jonkin verran N690:n reunanpitävän, ATS-34/154CM:ää ja 440C:tä, 3V:n tasolla, mutta huonompi kuin S35VN, Vanadis 4 Extra, Elmax, S30V, M4 ja M390 . Laskin myös reunanpitävyyden suhteessa 440C:hen, joka on arvo, jonka Crucible on raportoinut aiemmin.
Crucible raportoi, että D2:n sitkeys vastaa suunnilleen 10V:n sitkeyttä, on parempi kuin 440C:llä ja S90V:llä, mutta huonompi kuin 3V:llä, CruWearilla ja A2:lla .
Sitkeystesteissämme D2 ei ollut kovin vaikuttava, vaikka olemme testanneet vain yhtä lämpökäsittelyä emmekä ole vertailleet moniin muihin alhaisen sitkeyden teräksiin, kuten 10V:hen, 440C:hen ja S90V:hen:
Kirjoitin aiemmin D2:n potentiaalisesta korroosionkestävyydestä tässä artikkelissa. Sen korroosionkestävyyttä on joissakin tapauksissa hieman ylikorostettu sen korkean kromipitoisuuden vuoksi. Noin puolet tuosta kromista on sitoutunut karbideihin, joissa se ei vaikuta korroosionkestävyyteen. Siksi sen korroosionkestävyys on hyvä työkaluteräkseksi, vaikka on olemassa joitakin ei-ruostumattomia teräksiä, joiden korroosionkestävyys on mahdollisesti parempi, erityisesti monet 8-prosenttisen kromin teräkset, kuten 3V tai CruWear. Tässä on taulukko kyseisestä artikkelista, jossa teräkset on järjestetty ”kromin pitoisuuden” mukaan, joka vastaa suunnilleen kunkin teräksen korroosionkestävyyttä:
D2 in Knives Today
D2:ta käytetään edelleen puukoissa; haku BladeHQ:lla tuo esiin 1690 saatavilla olevaa puukkoa D2:sta. Bob Dozierin kaltaiset puukkoseppien valmistajat ovat luoneet maineensa siitä, että D2:sta valmistetaan ylivoimaisia puukkoja. Jauhemetallurgisten vanadiinipitoisten terästen yleistymisen myötä on nyt muita vaihtoehtoja, joilla on parempi kulutuskestävyys ja sitkeys. Tai jauhemetallurgisia ruostumattomia teräksiä, jotka vastaavat tai ylittävät D2:n kulutuskestävyyden ja sitkeyden, mutta joiden korroosionkestävyys on parempi. Jauhemetallurgiset teräkset ovat paljon kalliimpia kuin D2, koska D2:ta valmistetaan tavanomaisesti ja sitä on laajalti saatavilla lähes jokaiselta työkaluteräsvalmistajalta. Kustannusten kannalta D2:lla on siis edelleen etulyöntiasema moniin uudempiin teräksiin nähden. D2:n uudemmat ruiskumuoto- ja PM-versiot auttavat kuromaan umpeen osan ominaisuuksien erosta muihin jauhemetallurgisiin teräksiin verrattuna. Hyvien ominaisuuksiensa ja vuosikymmenten aikana rakentuneen maineensa ansiosta D2:ta tullaan todennäköisesti jatkossakin näkemään veitsissä.
Johtopäätökset
Korkeahiilinen, runsaasti kromia sisältävä teräs kehitettiin vaihtoehtona pikateräkselle Englannissa 1900-luvun alussa. Nämä teräkset olivat samankaltaisia kuin nykyaikainen D3-työkaluteräs, joissa oli hyvin paljon hiiltä (2,2 %). Hiilipitoisuutta vähennettiin 1,5 %:iin ja lisättiin Mo:ta ja V:tä teräksen sitkeyden ja kovettuvuuden parantamiseksi, ja teräs oli käytössä vuoteen 1934 mennessä. Tästä teräksestä tuli D2-teräs, joka on suosittu muototeräs. D.E. Henry käytti terästä ensimmäistä kertaa veitsissä vuonna 1965 tai 1966, ja siitä tuli suosittu veitsissä. D2-teräksen sitkeyden parantamiseksi ja mikrorakenteen hiomiseksi on tuotettu ruiskumuovi- ja jauhemetallurgisia versioita. D2:lla on hyvä kulumiskestävyys, kovuus ja riittävä sitkeys.
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. ja Radclyffe Furness. ”Työkaluteräksen seos.” U.S. Patent 1,206,902, myönnetty 5. joulukuuta 1916.
Gill, James Presley, Robert Steadman Rose, George Adam Roberts, Harry Grant Johnstin ja Robert Burns George. Työkaluteräkset. American Society for Metals, 1944.
Kuehnrich, Paul Richard. ”Teräs”. U.S. Patentti 1,277,431, myönnetty 3. syyskuuta 1918.
Wills, W. H. ”Practical Observations on High-Carbon High-Chromium Tool Steels”. Trans. ASM 23 (1935): 469.
Warner, Ken. Veitset, 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 ja C. Spiegelhauer. ”Kehittyneet työkaluteräkset, jotka on valmistettu ruiskumuovaamalla”. The Use of Tool Steels: 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