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Aggiornamento 22/10/2020: Ora ho un articolo con come trattare termicamente D2, PSF27, e CPM-D2 e include anche test di tenacità di ogni acciaio e test di ritenzione del bordo di D2. https://knifesteelnerds.com/2020/08/31/how-to-heat-treat-d2-psf27-and-cpm-d2/
L’acciaio D2
D2 è un comune acciaio per utensili e coltelli. È anche conosciuto con altri nomi come la designazione giapponese SKD11, la designazione tedesca 1.2379, Hitachi SLD, Uddeholm Sverker 21, e molti altri. Da quanto tempo è in circolazione? Da dove viene? Chi ha iniziato a usarlo nei coltelli? Come sono le sue proprietà rispetto ad altri acciai? Trova le tue risposte qui!
I primi acciai al cromo
Lo sviluppo dell’acciaio D2 coincide in parte con l’invenzione dell’acciaio inossidabile e dell’acciaio rapido. Puoi leggere un articolo sulla storia dell’acciaio inossidabile qui o la storia dell’acciaio ad alta velocità qui. Il D2 fa parte di una categoria di acciaio per utensili chiamata “acciai ad alto carbonio e alto cromo”. La produzione di acciaio legato al cromo non era pratica fino allo sviluppo del ferrocromo nel 1821 e più praticamente nel 1895 con lo sviluppo del ferrocromo a basso carbonio. Il primo acciaio prodotto commercialmente con un’aggiunta di cromo fu nel 1861 da Robert Mushet, l’inventore del primo acciaio per utensili. Un brevetto sull’acciaio al cromo fu concesso a Julius Baur a New York nel 1865. Robert Hadfield riferì sulle proprietà degli acciai legati al cromo nel 1892 e coprì anche gli acciai ad alto contenuto di carbonio e cromo, che erano nella loro infanzia. Tuttavia, concluse che la forgiatura delle leghe era scarsa e spesso si crepava, e disse che un acciaio con 1,27% C e 11,13% Cr era al limite.
Sviluppo degli acciai ad alto carbonio e alto cromo
Dopo il 1900 il numero di persone che sperimentavano gli acciai al cromo e gli acciai per utensili in generale esplose. Quella data coincide con la scoperta degli acciai ad alta velocità che ho collegato sopra. Sempre all’inizio di quel periodo hanno sviluppato acciai ad alta velocità che hanno usato la lega al Cr piuttosto che la lega al Mn per la temprabilità, dove hanno usato circa il 4% di Cr. Hanno anche aggiunto grandi quantità di tungsteno per la durezza a caldo. Il periodo di rapido sviluppo che si è verificato nel periodo poco dopo il 1900 è molto difficile da inchiodare. Molte aziende e persone stavano sviluppando l’acciaio, e c’era anche una copiatura diffusa. James Gill (leggi qui), scrivendo nel 1929, ha riferito che non riusciva a trovare quale azienda fosse la prima a produrre acciaio ad alto contenuto di carbonio e cromo. Nel libro Becker’s High Speed Steel del 1910 riportava che un acciaio con il 2,25% di C e il 15% di Cr veniva usato in Europa, in particolare in Francia. Negli Stati Uniti un brevetto fu concesso nel 1916 a Richard Patch e Radclyffe Furness per un acciaio con 1-2% di carbonio e 15-20% di cromo. Hanno dato un esempio di composizione di 1,35% C e 19,5% Cr che sembra essere un acciaio inossidabile, ma non è stato brevettato come tale. Nel brevetto hanno dichiarato di aver sentito parlare solo di acciai con carbonio superiore al 2% e cromo tra il 12-16%. Gli acciai ad alto carbonio e alto cromo erano frequentemente usati in Inghilterra durante la prima guerra mondiale per una serie di applicazioni, tra cui stampi e utensili da taglio. Gli utensili da taglio erano più tipicamente prodotti con acciaio ad alta velocità al tungsteno a quel tempo a causa della superiore durezza a caldo con l’acciaio ad alta velocità. Puoi leggere sulla durezza a caldo nell’articolo sull’acciaio ad alta velocità. Tuttavia, il tungsteno era costoso e difficile da ottenere, portando all’uso dell’acciaio al cromo come alternativa. Questi primi acciai ad alto contenuto di carbonio e cromo erano più simili ai moderni acciai D3 o D4 piuttosto che D2 perché il loro contenuto di carbonio era più alto, circa il 2,2-2,4%.
Sviluppo del D2
Nel 1918 un brevetto fu depositato in Inghilterra da Paul Kuehnrich per un acciaio ad alto carbonio e cromo modificato con cobalto, circa il 3,5%. L’aggiunta di cobalto serviva a migliorare la durezza a caldo degli acciai in modo che fossero più vicini all’acciaio rapido. Potete leggere di più su cosa fa il cobalto all’acciaio in questo articolo. Il brevetto ha gamme chimiche abbastanza ampie: 1,2-3,5% di carbonio, 8-20% di cromo e 1-6% di cobalto. Tuttavia, è interessante notare che la lega di esempio fornita aveva l’1,5% di C, il 12% di Cr e il 3,5% di cobalto, che senza il cobalto sarebbe molto vicino al moderno D2.
Mentre negli Stati Uniti gli acciai ad alto tenore di carbonio e di cromo non erano usati come sostitutivi dell’acciaio ad alta velocità, hanno guadagnato popolarità con gli acciai per stampi. Gli acciai per stampi richiedevano un’alta resistenza all’usura, ottenuta grazie alle grandi quantità di carburo di cromo presenti in questi acciai. Questi erano inizialmente gli acciai al cromo del tipo D3, 2,2-2,4%, che avevano una tenacità e una lavorabilità relativamente povere. Questi acciai inoltre non contenevano tipicamente vanadio o molibdeno. Una composizione coerente con D2 non è stata riportata da Gill nel 1929, quindi anche se esisteva da quel momento, probabilmente non era in uso diffuso.
Aggiornamento 4/11/2019: ho finalmente trovato il brevetto per D2, la domanda è stata presentata il 30 giugno 1927 da Gregory Comstock della Firth-Sterling Steel company. Comstock, Gregory J. “Acciaio legato”. U.S. Patent 1.695.916, rilasciato il 18 dicembre 1928.
Nel 1934 si parlava di una composizione coerente con il D2 con 1,55% C, 12% Cr, 0,25% V, e 0,8% Mo . Non era ancora chiamato D2, naturalmente. Il molibdeno è stato aggiunto per renderlo un vero acciaio da “indurimento in aria”, che permette all’acciaio di indurirsi completamente in sezioni spesse o senza olio. Senza Mo, l’alto Cr rendeva l’acciaio abbastanza temprabile, ma non abbastanza da renderlo veramente indurente all’aria. L’aggiunta di vanadio è stata fatta per migliorare la tenacità, cosa che fa raffinando sia la dimensione del grano che la struttura dei carburi. Questo nuovo acciaio di tipo D2 stava guadagnando popolarità per la sua “proprietà di indurimento in aria, bassa distorsione e migliore qualità di lavorazione rispetto agli altri”. Si diceva anche che fosse “il più universalmente adattabile degli acciai ad alto tenore di carbonio e cromo”. E come menzionato in precedenza, il carbonio più basso significava una tenacità molto maggiore rispetto al precedente acciaio simile al D3, che si può vedere nella figura qui sotto. Aggiunte di vanadio e nichel erano state sperimentate con l’acciaio tipo D3, al 2,2% di carbonio, ma mentre questo migliorava la tenacità, il D2 a basso carbonio era molto più duro. Da quel momento il D2 divenne uno degli acciai per utensili più popolari, in particolare negli stampi. I nuovi acciai “migliori” fatti per gli stampi continuano ad essere paragonati al D2 a causa della sua ubiquità.
D2 nei coltelli
Ci volle del tempo prima che il D2 fosse usato nei coltelli. Il primo uso registrato che posso trovare è quello di D.E. Henry nel 1965 o 1966. Ha provato il più alto carbonio D3 prima seguita da D2, involontariamente imitando l’ordine in cui sono stati sviluppati. A causa della sua popolarità come acciaio per utensili, era solo una questione di tempo prima che qualcuno usasse il D2. La sua resistenza all’usura relativamente alta insieme a una buona durezza e tenacità lo faceva funzionare bene come acciaio per coltelli. Con il suo alto contenuto di cromo aveva una posizione unica nel dibattito tra acciaio inossidabile e acciaio al carbonio. Il D2 ha una resistenza all’usura e una durezza leggermente migliori del 440C, l’acciaio inossidabile più usato negli anni ’70, quindi per i fabbricanti che ritenevano che la resistenza alle macchie del D2 fosse “abbastanza buona” poteva offrire proprietà superiori. Puoi leggere di più su quanto sia resistente alla corrosione il D2 in questo articolo. Aveva anche una resistenza all’usura molto maggiore rispetto agli acciai al carbonio comunemente usati dai forgiatori di lame, quindi è stato usato da alcuni produttori di coltelli che volevano un acciaio ad alta resistenza all’usura. D2 da allora è stato utilizzato in molti coltelli, notoriamente da produttori come Bob Dozier.
Struttura dei carburi del D2
I grandi carburi nel D2 limitano la sua tenacità e anche la sua stabilità del filo. Una versione con metallurgia delle polveri, CPM-D2, è stata rilasciata intorno al 2007 per ridurre la dimensione dei carburi, che è stata riportata per migliorare la tenacità, la resistenza alla corrosione e la risposta al trattamento termico. Si può leggere di più sul perché il D2 ha grandi carburi e sul processo di metallurgia delle polveri in questo articolo. Lo sprayform è una tecnologia in qualche modo simile che porta a una dimensione dei carburi un po’ più grande rispetto alla metallurgia delle polveri. C’è una versione sprayform di D2 chiamata PSF27 prodotta da Dan Spray in Danimarca, prodotta almeno dal 2002. Si può vedere la dimensione decrescente del carburo nel convenzionale (beh, ESR comunque), forma spray, e PM D2 nelle immagini qui sotto. Notate che il PM è ad un ingrandimento maggiore.
Queste sono micrografie a bassa risoluzione. Ho preso micrografie di D2, PSF27, e CPM-D2 che sono mostrate qui sotto:
Conventional D2
PSF27
CPM-D2
Proprietà del D2
Bohler Uddeholm ha misurato la ritenzione del bordo del D2 insieme ad altri acciai con test CATRA e l’ha trovato un po’ migliore del N690, ATS-34/154CM, e 440C, alla pari con 3V, ma peggio di S35VN, Vanadis 4 Extra, Elmax, S30V, M4, e M390 . Ho anche calcolato la ritenzione del bordo rispetto a 440C che è un valore che Crucible ha riportato in passato.
Crucible riporta che D2 ha una durezza circa equivalente a 10V, meglio di 440C e S90V, ma peggio di 3V, CruWear, e A2 .
Nei nostri test di tenacità il D2 non è stato molto impressionante anche se abbiamo testato solo un trattamento termico e non l’abbiamo confrontato con molti altri acciai a bassa tenacità come il 10V, 440C e S90V:
In precedenza ho scritto della potenziale resistenza alla corrosione del D2 in questo articolo. La sua resistenza alla corrosione è stata un po’ troppo promossa in alcuni casi a causa del suo alto contenuto di cromo. Circa la metà di quel cromo è legato nei carburi dove non contribuisce alla resistenza alla corrosione. Pertanto, ha una buona resistenza alla corrosione per un acciaio per utensili, anche se ci sono alcuni acciai non inossidabili che potenzialmente hanno una migliore resistenza alla corrosione, in particolare molti degli acciai 8% Cr come 3V o CruWear. Ecco la tabella da quell’articolo con gli acciai classificati per “cromo in soluzione” che è approssimativamente uguale alla resistenza alla corrosione di ogni acciaio:
D2 in Knives Today
D2 continua a vedere uso in coltelli; una ricerca su BladeHQ porta su 1.690 coltelli disponibili in D2. Coltellinai come Bob Dozier hanno costruito la loro reputazione sul fare un coltello superiore con D2. Con l’aumento della metallurgia delle polveri di acciai contenenti vanadio, ci sono ora altre opzioni con maggiore resistenza all’usura e durezza. Oppure acciai inossidabili per la metallurgia delle polveri che possono eguagliare o superare la resistenza all’usura e la tenacità, ma con una migliore resistenza alla corrosione. Gli acciai per la metallurgia delle polveri sono molto più costosi del D2, in quanto il D2 è prodotto in modo convenzionale e ampiamente disponibile da quasi tutte le aziende di acciaio per utensili. Pertanto, dal punto di vista dei costi, il D2 ha ancora un vantaggio su molti acciai più recenti. Le nuove versioni sprayform e PM del D2 aiutano a compensare parte della differenza di proprietà rispetto ad altri acciai da metallurgia delle polveri. Grazie alle sue buone proprietà e alla reputazione costruita nel corso di decenni, il D2 continuerà probabilmente ad essere utilizzato nei coltelli.
Conclusioni
L’acciaio ad alto carbonio e alto cromo è stato sviluppato come alternativa all’acciaio ad alta velocità in Inghilterra all’inizio del 20° secolo. Questi acciai erano simili al moderno acciaio per utensili D3 con carbonio molto alto (2,2%). Il carbonio fu ridotto all’1,5% e furono fatte aggiunte di Mo e V per migliorare la tenacità e la temprabilità dell’acciaio che era in uso dal 1934. Questo acciaio divenne quello che conosciamo come D2, che è popolare come acciaio per stampi. L’acciaio fu usato per la prima volta nei coltelli da D.E. Henry nel 1965 o 1966 e divenne popolare nei coltelli. Sono state prodotte versioni con spray e metallurgia delle polveri per migliorare la tenacità e raffinare la microstruttura del D2. D2 ha una buona resistenza all’usura, durezza e tenacità adeguata.
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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