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Mise à jour du 22/10/2020 : J’ai maintenant un article avec la façon de traiter thermiquement D2, PSF27, et CPM-D2 et il inclut également des tests de ténacité de chaque acier et des tests de rétention de bord de D2. https://knifesteelnerds.com/2020/08/31/how-to-heat-treat-d2-psf27-and-cpm-d2/
Acier D2
D2 est un acier à outils et à couteaux commun. Il est également connu sous d’autres noms tels que la désignation japonaise SKD11, la désignation allemande 1.2379, Hitachi SLD, Uddeholm Sverker 21, et bien d’autres. Depuis combien de temps existe-t-il ? D’où vient-il ? Qui a commencé à l’utiliser dans les couteaux ? Comment ses propriétés se comparent-elles à celles d’autres aciers ? Trouvez vos réponses ici !
Aciers chromés précoces
Le développement de l’acier D2 coïncide en partie avec l’invention de l’acier inoxydable ainsi que de l’acier rapide. Vous pouvez lire un article sur l’histoire de l’acier inoxydable ici ou sur l’histoire de l’acier rapide ici. L’acier D2 fait partie d’une catégorie d’acier à outils appelée « aciers à haute teneur en carbone et en chrome ». La production d’acier allié au chrome n’était pas pratique jusqu’à ce que le ferrochrome soit développé en 1821 et plus pratiquement en 1895 avec le développement du ferrochrome à faible teneur en carbone. Le premier acier commercialisé contenant du chrome a été produit en 1861 par Robert Mushet, l’inventeur du premier acier à outils. Un brevet sur l’acier au chrome a été accordé à Julius Baur à New York en 1865. Robert Hadfield a fait un rapport sur les propriétés des aciers alliés au chrome en 1892 et a également traité des aciers à haute teneur en carbone et en chrome, qui en étaient à leurs débuts. Cependant, il a conclu que la forgeabilité des alliages était mauvaise et se fissurait souvent, et a déclaré qu’un acier avec 1,27% de C et 11,13% de Cr était à la limite.
Développement des aciers à haut carbone et à haut chrome
Après 1900, le nombre de personnes expérimentant les aciers au chrome et les aciers à outils en général a explosé . Cette date coïncide avec la découverte des aciers à haute vitesse que j’ai liée ci-dessus. Au début de cette période, ils ont également développé des aciers rapides qui utilisaient l’alliage de chrome plutôt que l’alliage de magnésium pour la trempabilité, où ils utilisaient environ 4% de chrome. Ils ont également ajouté de grandes quantités de tungstène pour la dureté à chaud. La période de développement rapide qui a eu lieu peu après 1900 est très difficile à cerner. De nombreuses entreprises et personnes développaient l’acier, et la copie était également très répandue. James Gill (lisez son article ici) écrivait en 1929 qu’il n’arrivait pas à trouver quelle entreprise avait été la première à produire un acier à haute teneur en carbone et en chrome. Dans son livre High Speed Steel de 1910, Becker indique qu’un acier contenant 2,25 % de C et 15 % de Cr était utilisé en Europe, notamment en France. Aux États-Unis, un brevet a été accordé en 1916 à Richard Patch et Radclyffe Furness pour un acier contenant 1 à 2 % de carbone et 15 à 20 % de chrome. Ils ont donné un exemple de composition de 1,35 % de C et 19,5 % de Cr qui ressemble à un acier inoxydable mais n’a pas été breveté en tant que tel. Dans le brevet, ils ont déclaré qu’ils n’avaient entendu parler que d’aciers contenant plus de 2 % de carbone et entre 12 et 16 % de chrome. Les aciers à haute teneur en carbone et en chrome étaient fréquemment utilisés en Angleterre pendant la Première Guerre mondiale pour toute une série d’applications, notamment les matrices et les outils de coupe. À l’époque, les outils de coupe étaient plus souvent fabriqués avec de l’acier rapide à haute teneur en tungstène en raison de la dureté à chaud supérieure de l’acier rapide. Vous trouverez des informations sur la dureté à chaud dans l’article sur l’acier rapide. Cependant, le tungstène était cher et difficile à obtenir, ce qui a conduit à l’utilisation d’acier à haute teneur en chrome comme alternative. Ces premiers aciers à haute teneur en carbone et en chrome étaient plus similaires aux aciers modernes D3 ou D4 plutôt qu’au D2 car leur teneur en carbone était plus élevée, environ 2,2-2,4%.
Développement du D2
En 1918, un brevet a été déposé en Angleterre par Paul Kuehnrich pour un acier à haute teneur en carbone et en chrome modifié avec du cobalt, environ 3,5%. L’ajout de cobalt visait à améliorer la dureté à chaud des aciers afin qu’ils soient plus proches de l’acier rapide. Vous pouvez en savoir plus sur l’effet du cobalt sur l’acier dans cet article. Le brevet présente des gammes chimiques assez larges : 1,2-3,5 % de carbone, 8-20 % de chrome et 1-6 % de cobalt. Cependant, il est intéressant de noter que l’exemple d’alliage donné comportait 1,5 % de C, 12 % de Cr et 3,5 % de cobalt, ce qui, sans le cobalt, serait très proche du D2 moderne.
Bien qu’aux États-Unis les aciers à haute teneur en carbone et en chrome n’aient pas été utilisés pour remplacer l’acier rapide, ils ont gagné en popularité avec les aciers à matrices. Les aciers à matrices nécessitaient une résistance élevée à l’usure, obtenue grâce aux grandes quantités de carbure de chrome présentes dans ces aciers. Au départ, il s’agissait d’aciers de type D3 à 2,2-2,4 % de chrome, dont la ténacité et l’usinabilité étaient relativement faibles. Ces aciers ne contenaient généralement pas non plus de vanadium ou de molybdène. Une composition conforme à D2 n’a pas été signalée par Gill en 1929, donc même si elle existait à ce moment-là, elle n’était probablement pas d’usage courant.
Mise à jour 4/11/2019 : J’ai finalement trouvé le brevet pour D2, la demande a été déposée le 30 juin 1927 par Gregory Comstock de Firth-Sterling Steel company. Comstock, Gregory J. « Acier allié ». Brevet américain 1,695,916, délivré le 18 décembre 1928.
En 1934, une composition cohérente avec D2 a été discutée avec 1,55% C, 12% Cr, 0,25% V, et 0,8% Mo . Elle n’était pas encore nommée D2, bien sûr. Le molybdène a été ajouté pour en faire un véritable acier « durcissant à l’air », ce qui permet à l’acier de durcir complètement en sections épaisses ou sans huile. Sans le molybdène, le Cr élevé rendait l’acier assez durcissable, mais pas suffisamment pour qu’il soit vraiment durcissable à l’air. L’ajout de vanadium a été fait pour améliorer la solidité, ce qu’il fait en affinant à la fois la taille du grain et la structure du carbure. Ce nouvel acier de type D2 gagnait en popularité en raison de sa « propriété de durcissement à l’air, de sa faible distorsion et de sa meilleure qualité d’usinage que les autres ». Il était également considéré comme « le plus universellement adaptable des aciers à haute teneur en carbone et en chrome ». Et comme mentionné précédemment, la teneur en carbone plus faible signifiait une résistance beaucoup plus grande que l’acier antérieur de type D3, que vous pouvez voir sur la figure ci-dessous. Des ajouts de vanadium et de nickel avaient été expérimentés avec l’acier à 2,2 % de carbone de type D3, mais si cela améliorait la résistance, le D2 à faible teneur en carbone était beaucoup plus résistant. À partir de ce moment, le D2 est devenu l’un des aciers à outils les plus populaires, en particulier pour les matrices. Les nouveaux aciers « meilleurs » fabriqués pour les matrices continuent d’être comparés au D2 en raison de son omniprésence.
D2 dans les couteaux
Il a fallu un certain temps avant que D2 soit utilisé dans les couteaux. La première utilisation enregistrée que je peux trouver est celle de D.E. Henry en 1965 ou 1966 . Il a d’abord essayé le D3 à plus forte teneur en carbone, suivi du D2, imitant involontairement l’ordre dans lequel ils ont été développés. En raison de sa popularité en tant qu’acier à outils, ce n’était qu’une question de temps avant que quelqu’un n’utilise le D2. Sa résistance à l’usure relativement élevée ainsi que sa bonne dureté et sa ténacité en ont fait un bon acier à couteaux. Avec sa teneur élevée en chrome, il occupait une position unique dans le débat entre acier inoxydable et acier au carbone. Le D2 présente une résistance à l’usure et une ténacité légèrement supérieures à celles du 440C, l’acier inoxydable le plus couramment utilisé dans les années 70, de sorte que pour les fabricants qui estimaient que la résistance aux taches du D2 était « suffisante », il pouvait offrir des propriétés supérieures. Vous pouvez en savoir plus sur la résistance à la corrosion du D2 dans cet article. Il présente également une résistance à l’usure bien supérieure à celle des aciers au carbone couramment utilisés par les forgerons, et a donc été utilisé par certains fabricants de couteaux qui souhaitaient un acier à haute résistance à l’usure. D2 a depuis été utilisé dans de nombreux couteaux, célèbre par des fabricants tels que Bob Dozier.
Structure des carbures de D2
Les carbures importants de D2 limitent sa ténacité et aussi sa stabilité de tranchant. Une version à base de métallurgie des poudres, CPM-D2, a été mise sur le marché vers 2007 pour réduire la taille des carbures, ce qui améliorerait la ténacité, la résistance à la corrosion et la réponse aux traitements thermiques. Vous pouvez en savoir plus sur la raison pour laquelle D2 a de gros carbures et sur le processus de métallurgie des poudres dans cet article. La pulvérisation est une technologie assez similaire qui permet d’obtenir une taille de carbure un peu plus importante que la métallurgie des poudres. Il existe une version sprayform de D2 appelée PSF27 produite par Dan Spray au Danemark, fabriquée au moins depuis 2002 . Vous pouvez voir la diminution de la taille du carbure dans le D2 conventionnel (en tout cas, ESR), sous forme de spray et PM dans les images ci-dessous. Notez que le PM est à un grossissement plus élevé.
Ce sont des micrographies à assez faible résolution. J’ai pris des micrographies de D2, PSF27, et CPM-D2 qui sont présentées ci-dessous :
D2 conventionnel
PSF27
CPM-D2
Propriétés de D2
Bohler Uddeholm a mesuré la rétention des bords de D2 ainsi que d’autres aciers avec des tests CATRA et a trouvé qu’elle était un peu meilleure que celle du N690, ATS-34/154CM, et 440C, à égalité avec 3V, mais pire que S35VN, Vanadis 4 Extra, Elmax, S30V, M4, et M390. J’ai également calculé la rétention des bords par rapport à 440C, qui est une valeur que Crucible a rapportée dans le passé.
Crucible rapporte que D2 a une ténacité à peu près équivalente à 10V, meilleure que 440C et S90V, mais pire que 3V, CruWear, et A2 .
Dans nos tests de ténacité, D2 n’était pas très impressionnant bien que nous n’ayons testé qu’un seul traitement thermique et que nous n’ayons pas comparé à de nombreux autres aciers à faible ténacité comme le 10V, le 440C et le S90V :
J’ai précédemment écrit sur la résistance potentielle à la corrosion du D2 dans cet article. Sa résistance à la corrosion a été un peu trop mise en avant dans certains cas en raison de sa teneur élevée en chrome. Environ la moitié de ce chrome est lié aux carbures où il ne contribue pas à la résistance à la corrosion. Il présente donc une bonne résistance à la corrosion pour un acier à outils, bien que certains aciers non inoxydables présentent potentiellement une meilleure résistance à la corrosion, notamment de nombreux aciers à 8 % de chrome comme le 3V ou le CruWear. Voici le tableau de cet article avec les aciers classés par » chrome en solution » qui est approximativement égal à la résistance à la corrosion de chaque acier :
D2 dans Knives Today
D2 continue de voir son utilisation dans les couteaux ; une recherche sur BladeHQ fait apparaître 1 690 couteaux disponibles en D2. Des couteliers comme Bob Dozier ont bâti leur réputation sur la fabrication d’un couteau supérieur en D2. Avec l’essor des aciers contenant du vanadium par métallurgie des poudres, il existe désormais d’autres options offrant à la fois une meilleure résistance à l’usure et une plus grande solidité. Ou encore des aciers inoxydables à métallurgie des poudres qui peuvent égaler ou dépasser leur résistance à l’usure et leur ténacité, mais avec une meilleure résistance à la corrosion. Les aciers à métallurgie des poudres sont beaucoup plus chers que le D2, car le D2 est produit de manière conventionnelle et est largement disponible auprès de pratiquement tous les fabricants d’acier à outils. Par conséquent, du point de vue du coût, le D2 présente toujours un avantage par rapport à de nombreux aciers plus récents. Les nouvelles versions sprayform et PM du D2 contribuent à combler une partie de la différence de propriétés par rapport aux autres aciers de la métallurgie des poudres. En raison de ses bonnes propriétés et de sa réputation construite au fil des décennies, le D2 continuera probablement à être vu dans les couteaux.
Conclusions
L’acier à haute teneur en carbone et en chrome a été développé comme une alternative à l’acier rapide en Angleterre au début du 20e siècle. Ces aciers étaient similaires à l’acier à outils moderne D3 avec un taux de carbone très élevé (2,2%). Le carbone a été réduit à 1,5 % et des ajouts de Mo et de V ont été effectués pour améliorer la ténacité et la trempabilité de l’acier qui était utilisé en 1934. Cet acier est devenu ce que nous connaissons sous le nom de D2, qui est populaire comme acier à matrices. Cet acier a été utilisé pour la première fois dans des couteaux par D.E. Henry en 1965 ou 1966 et est devenu populaire dans les couteaux. Des versions à base de pulvérisation et de métallurgie des poudres ont été produites pour améliorer la ténacité et affiner la microstructure du D2. D2 a une bonne résistance à l’usure, une bonne dureté et une ténacité adéquate.
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