Dank aan Robert Erickson, knifeandgear_swiss, Dale Bushness, en Paul Hart voor het worden van Knife Steel Nerds Patreon supporters!
Update 10/22/2020: Ik heb nu een artikel over het warmtebehandelen van D2, PSF27 en CPM-D2 en het bevat ook taaiheidstesten van elk staal en randbehoudtesten van D2. https://knifesteelnerds.com/2020/08/31/how-to-heat-treat-d2-psf27-and-cpm-d2/
D2 staal
D2 is een veelgebruikt gereedschapsstaal en messenstaal. Het is ook bekend onder andere namen zoals de Japanse aanduiding SKD11, de Duitse aanduiding 1.2379, Hitachi SLD, Uddeholm Sverker 21, en vele andere. Hoe lang bestaat het al? Waar komt het vandaan? Wie begon het te gebruiken in messen? Hoe verhouden zijn eigenschappen zich tot die van andere staalsoorten? Vind hier uw antwoorden!
Eerste Chroomstalen
De ontwikkeling van D2 staal valt gedeeltelijk samen met de uitvinding van roestvrij staal en hogesnelheidsstaal. U kunt een artikel over de geschiedenis van roestvast staal hier lezen of de geschiedenis van snelstaal hier. D2 maakt deel uit van een categorie gereedschapsstaal die “hoog koolstof, hoog chroom” staal wordt genoemd. De productie van chroom-gelegeerd staal was niet praktisch totdat ferrochroom werd ontwikkeld in 1821 en meer praktisch in 1895 met de ontwikkeling van ferrochroom met laag koolstofgehalte. Het eerste commercieel geproduceerde staal met chroomtoevoeging werd in 1861 gemaakt door Robert Mushet, de uitvinder van het eerste gereedschapsstaal. Een octrooi op chroomstaal werd in 1865 verleend aan Julius Baur in New York . Robert Hadfield bracht in 1892 verslag uit over de eigenschappen van met chroom gelegeerd staal en behandelde ook staal met hoog koolstofgehalte en hoog chroomgehalte, dat toen nog in de kinderschoenen stond . Hij concludeerde echter dat de smeedbaarheid van de legeringen slecht was en vaak barstte, en zei dat een staal met 1,27% C en 11,13% Cr aan de limiet zat.
Ontwikkeling van staal met hoog koolstofgehalte en hoog chroomgehalte
Na 1900 explodeerde het aantal mensen dat experimenteerde met chroomstaal en gereedschapsstaal in het algemeen . Die datum valt samen met de ontdekking van hogesnelheidsstaal, waarnaar ik hierboven heb verwezen. Ook vroeg in die periode ontwikkelde men hoge snelheidsstalen die Cr-legering gebruikten in plaats van Mn-legering voor hardbaarheid, waarbij ze ongeveer 4% Cr gebruikten. Zij voegden ook grote hoeveelheden wolfraam toe voor de warme hardheid. De periode van snelle ontwikkeling die zich in de periode kort na 1900 voordeed, is zeer moeilijk vast te stellen. Veel bedrijven en mensen waren staal aan het ontwikkelen, en er werd ook op grote schaal gekopieerd. James Gill (lees hier over hem) schreef in 1929 dat hij niet kon vinden welk bedrijf als eerste staal met hoog koolstofgehalte en hoog chroomgehalte produceerde. In Becker’s High Speed Steel boek uit 1910 meldde hij dat een staal met 2,25% C en 15% Cr werd gebruikt in Europa, vooral in Frankrijk. In de VS werd in 1916 octrooi verleend aan Richard Patch en Radclyffe Furness voor staal met 1-2% koolstof en 15-20% chroom. Zij gaven als voorbeeld een samenstelling van 1,35% C en 19,5% Cr, wat lijkt op roestvrij staal, maar niet als zodanig werd gepatenteerd. In het octrooi verklaarden zij dat zij alleen gehoord hadden van staalsoorten met meer dan 2% koolstof en tussen 12-16% chroom. Staal met hoog koolstofgehalte en hoog chroomgehalte werd tijdens de Eerste Wereldoorlog in Engeland vaak gebruikt voor een reeks toepassingen, waaronder matrijzen en snijgereedschappen. Snijgereedschappen werden in die tijd meer geproduceerd met snelstaal met een hoog wolfraamgehalte, vanwege de superieure warme hardheid van snelstaal. U kunt lezen over hete hardheid in het artikel over hoge snelheid staal. Wolfraam was echter duur en moeilijk te verkrijgen, wat leidde tot het gebruik van chroomstaal als alternatief. Deze vroege chroomrijke staalsoorten met hoog koolstofgehalte leken meer op de moderne D3 of D4 staalsoorten dan op D2 omdat hun koolstofgehalte hoger was, ongeveer 2,2-2,4%.
Ontwikkeling van D2
In 1918 werd in Engeland door Paul Kuehnrich octrooi aangevraagd op een chroomrijk staal met hoog koolstofgehalte dat was gemodificeerd met kobalt, ongeveer 3,5%. De toevoeging van kobalt was bedoeld om de hardheid van het staal bij hoge temperatuur te verbeteren, zodat het dichter bij hogesnelheidsstaal kwam te liggen. In dit artikel kunt u meer lezen over wat kobalt met staal doet. Het patent heeft tamelijk brede chemiebereiken: 1,2-3,5% koolstof, 8-20% chroom, en 1-6% kobalt. Interessant is echter dat de gegeven voorbeeldlegering 1,5% C, 12% Cr, en 3,5% kobalt had, wat zonder het kobalt heel dicht bij het moderne D2 zou liggen.
Terwijl in de VS het koolstofrijke chroomrijke staal niet werd gebruikt als vervanging van snelstaal, won het wel aan populariteit bij matrijzenstaal. Matrijzenstaal vereiste een hoge slijtvastheid die werd verkregen door de grote hoeveelheden chroomcarbide die in die staalsoorten aanwezig waren. Aanvankelijk waren dit de D3-staalsoorten met 2,2-2,4% chroom, die een relatief geringe taaiheid en verwerkbaarheid hadden. Deze staalsoorten bevatten doorgaans ook geen vanadium of molybdeen. Een samenstelling die overeenkomt met D2 werd niet gemeld door Gill in 1929, dus zelfs als het toen al bestond was het waarschijnlijk niet in wijdverbreid gebruik.
Update 4/11/2019: Ik heb eindelijk het patent voor D2 gevonden, de aanvraag werd ingediend op 30 juni 1927 door Gregory Comstock van Firth-Sterling Steel company. Comstock, Gregory J. “Gelegeerd staal.” U.S. Patent 1,695,916, uitgegeven 18 december 1928.
In 1934 werd een samenstelling besproken die overeenkwam met D2 met 1.55% C, 12% Cr, 0.25% V, en 0.8% Mo . Het werd nog niet D2 genoemd, natuurlijk. Het molybdeen werd toegevoegd om het een echt “luchthardend” staal te maken, waardoor het staal volledig kan harden in dikke delen of zonder olie. Zonder Mo, maakte het hoge Cr het staal tamelijk hardbaar, maar niet genoeg om het echt luchthardend te maken. De toevoeging van vanadium werd gedaan om de taaiheid te verbeteren, wat het doet door zowel de korrelgrootte als de carbidestructuur te verfijnen. Dit nieuwe D2-type staal won aan populariteit vanwege zijn “luchthardende eigenschap, lage vervorming en betere verspaningskwaliteit dan de andere”. Er werd ook gemeld dat het “het meest universeel aanpasbare van de … koolstofrijke chroomrijke staalsoorten” was. En zoals eerder vermeld betekende het lagere koolstofgehalte een veel grotere taaiheid dan het vroegere D3-achtige staal, dat u in de onderstaande figuur kunt zien. Met vanadium- en nikkeltoevoegingen was geëxperimenteerd met het D3-type, staal met 2,2% koolstof, maar hoewel dat de taaiheid verbeterde, was het D2-staal met lager koolstofgehalte veel taaier. Vanaf dat moment werd D2 een van de populairste gereedschapsstalen, vooral voor matrijzen. Nieuwe “betere” staalsoorten voor matrijzen worden nog steeds vergeleken met D2 vanwege de alomtegenwoordigheid ervan.
D2 in messen
Het heeft enige tijd geduurd voordat D2 in messen werd gebruikt. Het eerste geregistreerde gebruik dat ik kan vinden is door D.E. Henry in 1965 of 1966. Hij probeerde eerst het koolstofrijkere D3, gevolgd door D2, waarmee hij onbedoeld de volgorde nabootste waarin ze waren ontwikkeld. Door zijn populariteit als gereedschapsstaal was het slechts een kwestie van tijd voordat iemand D2 zou gebruiken. Door zijn relatief hoge slijtvastheid in combinatie met een goede hardheid en taaiheid was het goed te gebruiken als messenstaal. Met zijn hoge chroomgehalte had het een unieke positie in het debat tussen roestvrij staal en koolstofstaal. D2 heeft een iets betere slijtvastheid en taaiheid dan 440C, het meest gebruikte roestvaste staal in de jaren 70, dus voor makers die vonden dat de vlekbestendigheid van D2 “goed genoeg” was, kon het superieure eigenschappen bieden. In dit artikel kunt u meer lezen over hoe corrosiebestendig D2 is. Het had ook een veel grotere slijtvastheid dan de koolstofstalen die gewoonlijk door smeden van messen worden gebruikt, dus werd het gebruikt door sommige messenmakers die een staal met een hoge slijtvastheid wilden. D2 is sindsdien in veel messen gebruikt, beroemd geworden door makers als Bob Dozier.
Carbidestructuur van D2
De grote carbiden in D2 beperken de taaiheid en ook de randstabiliteit. Een poedermetallurgische versie, CPM-D2, werd rond 2007 uitgebracht om de carbidegrootte te verkleinen, wat naar verluidt de taaiheid, corrosieweerstand en warmtebehandelingsreactie verbetert. In dit artikel kunt u meer lezen over waarom D2 grote carbiden heeft en over het poedermetallurgieproces. Sprayform is een enigszins vergelijkbare technologie die leidt tot een iets grotere carbidegrootte dan poedermetallurgie. Er is een sprayform-versie van D2, PSF27 genaamd, geproduceerd door Dan Spray in Denemarken, die ten minste sinds 2002 wordt gemaakt. U kunt de afnemende carbidegrootte in conventionele (nou ja, ESR in ieder geval), spuitvorm, en PM D2 in de onderstaande afbeeldingen zien . Let op de PM is bij een hogere vergroting.
Dit zijn vrij lage resolutie microfoto’s. Ik heb microfoto’s genomen van D2, PSF27, en CPM-D2, die hieronder zijn afgebeeld:
conventioneel D2
PSF27
CPM-D2
eigenschappen van D2
Bohler Uddeholm heeft de randscherpte van D2 samen met andere staalsoorten gemeten met CATRA-tests en kwam tot de bevinding dat het iets beter is dan N690, ATS-34/154CM, en 440C, op gelijke voet met 3V, maar slechter dan S35VN, Vanadis 4 Extra, Elmax, S30V, M4, en M390 . Ik berekende ook de rand retentie ten opzichte van 440C, dat is een waarde die Crucible heeft gemeld in het verleden.
Crucible meldt dat D2 heeft taaiheid ongeveer gelijk aan 10V, beter dan 440C en S90V, maar slechter dan 3V, CruWear, en A2 .
In onze taaiheidstests was D2 niet erg indrukwekkend, hoewel we slechts één warmtebehandeling hebben getest en niet hebben vergeleken met veel andere laag taaie staalsoorten zoals 10V, 440C, en S90V:
Ik schreef eerder over de potentiële corrosieweerstand van D2 in dit artikel. De corrosieweerstand is in sommige gevallen wat overgeprezen vanwege het hoge chroomgehalte. Ongeveer de helft van dat chroom zit vast in carbiden waar het niet bijdraagt tot de corrosieweerstand. Daarom heeft het een goede corrosieweerstand voor een gereedschapsstaal, hoewel er sommige niet roestvaste staalsoorten zijn die mogelijk een betere corrosieweerstand hebben, vooral veel van de 8% Cr staalsoorten zoals 3V of CruWear. Hier is de tabel uit dat artikel met de staalsoorten gerangschikt naar “chroom in oplossing”, wat ongeveer gelijk is aan de corrosieweerstand van elk staal:
D2 in Knives Today
D2 wordt nog steeds gebruikt in messen; een zoekactie op BladeHQ levert 1.690 beschikbare messen in D2 op. Messenmakers als Bob Dozier hebben hun reputatie gebouwd op het maken van een superieur mes met D2. Met de opkomst van poedermetallurgie vanadiumhoudend staal, zijn er nu andere opties met zowel hogere slijtvastheid als taaiheid. Of poedermetallurgie roestvrije staalsoorten die de slijtvastheid en taaiheid evenaren of overtreffen, maar met een betere corrosiebestendigheid. Poedermetallurgiestalen zijn veel duurder dan D2, aangezien D2 conventioneel wordt geproduceerd en ruim verkrijgbaar is bij vrijwel elke gereedschapsstaalfabrikant. Vanuit kostenoogpunt heeft D2 dus nog steeds een voordeel ten opzichte van veel nieuwere staalsoorten. De nieuwere sprayform en PM versies van D2 helpen om het verschil in eigenschappen met andere poedermetallurgie staalsoorten wat goed te maken. Door de goede eigenschappen en de decennialang opgebouwde reputatie zal D2 waarschijnlijk in messen gebruikt blijven worden.
Conclusies
High carbon, high chromium staal werd ontwikkeld als een alternatief voor high speed staal in Engeland in het begin van de 20e eeuw. Deze staalsoorten waren vergelijkbaar met het moderne D3 gereedschapsstaal met zeer hoog koolstofgehalte (2,2%). Het koolstofgehalte werd verlaagd tot 1,5% en er werden Mo en V toegevoegd om de taaiheid en de hardbaarheid van het staal te verbeteren, een percentage dat tegen 1934 in gebruik was. Dit staal werd wat wij kennen als D2, dat populair is als matrijzenstaal. Het staal werd voor het eerst gebruikt in messen door D.E. Henry in 1965 of 1966 en werd populair in messen. Spuitvorm en poedermetallurgie versie zijn geproduceerd om de taaiheid te verbeteren en de microstructuur van D2 te verfijnen. D2 heeft een goede slijtvastheid, hardheid en voldoende taaiheid.
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., and Radclyffe Furness. “Tool-steel legering.” U.S. Patent 1,206,902, afgegeven 5 december 1916.
Gill, James Presley, Robert Steadman Rose, George Adam Roberts, Harry Grant Johnstin, and Robert Burns George. Gereedschapsstaal. American Society for Metals, 1944.
Kuehnrich, Paul Richard. “Steel.” U.S. Patent 1,277,431, uitgegeven 3 september 1918.
Wills, W. H. “Practical Observations on High-Carbon High-Chromium Tool Steels.” Trans. ASM 23 (1935): 469.
Warner, Ken. Messen,’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, and C. Spiegelhauer. “Geavanceerd gereedschapsstaal geproduceerd via spuitgieten.” Het gebruik van gereedschapsstaal: 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