Podziękowania dla Roberta Ericksona, knifeandgear_swiss, Dale’a Bushnessa i Paula Harta za to, że zostali zwolennikami programu Patreon Knife Steel Nerds!
Uaktualnienie 10/22/2020: Mam teraz artykuł o tym, jak obrabiać cieplnie D2, PSF27 i CPM-D2, a także zawiera testy wytrzymałości każdej ze stali i testy zachowania krawędzi dla D2. https://knifesteelnerds.com/2020/08/31/how-to-heat-treat-d2-psf27-and-cpm-d2/
Stala D2
D2 jest powszechnie stosowaną stalą narzędziową i nożową. Znana jest również pod innymi nazwami takimi jak: japońskie oznaczenie SKD11, niemieckie oznaczenie 1.2379, Hitachi SLD, Uddeholm Sverker 21 i wiele innych. Od jak dawna istnieje? Skąd się wziął? Kto zaczął stosować ją w nożach? Jak jej właściwości wypadają na tle innych stali? Znajdź odpowiedzi tutaj!
Wczesne stale chromowe
Rozwój stali D2 zbiega się częściowo z wynalezieniem stali nierdzewnej, jak również stali szybkotnącej. Możesz przeczytać artykuł o historii stali nierdzewnej tutaj lub o historii stali szybkotnącej tutaj. D2 jest częścią kategorii stali narzędziowych zwanych stalami „wysokowęglowymi, wysokochromowymi”. Produkcja stali chromowej nie była praktyczna do czasu opracowania żelazochromu w 1821 r., a bardziej praktycznie w 1895 r. wraz z opracowaniem niskowęglowego żelazochromu. Pierwsza komercyjnie produkowana stal z dodatkiem chromu została wyprodukowana w 1861 r. przez Roberta Musheta, wynalazcę pierwszej stali narzędziowej. Patent na stal chromową został przyznany Juliusowi Baurowi w Nowym Jorku w 1865 roku. Robert Hadfield poinformował o właściwościach stali z dodatkiem chromu w 1892 r., a także o wysokowęglowych, wysokochromowych stalach, które były w powijakach. Stwierdził jednak, że kowalność stopów była słaba i często pękała, i powiedział, że stal o zawartości 1,27% C i 11,13% Cr była na granicy.
Rozwój stali wysokowęglowych, wysokochromowych
Po 1900 r. liczba osób eksperymentujących ze stalami chromowymi i stalami narzędziowymi w ogóle eksplodowała. Data ta zbiega się z odkryciem stali szybkotnących, które połączyłem powyżej. Również wcześnie w tym okresie opracowali stali szybkotnących, które używane Cr-stopów, a nie Mn-stopów dla hartowności, gdzie używane około 4% Cr. Dodali również duże ilości wolframu dla gorącej twardości. Okres gwałtownego rozwoju, który nastąpił krótko po roku 1900, jest bardzo trudny do określenia. Wiele firm i osób pracowało nad rozwojem stali, a także powszechnie ją kopiowano. James Gill (przeczytaj o nim tutaj) pisząc w 1929 r. stwierdził, że nie może ustalić, która firma jako pierwsza wyprodukowała wysokowęglową stal wysokochromową. W książce Beckera High Speed Steel z 1910 r. donosi on, że stal o zawartości 2,25% C i 15% Cr była używana w Europie, szczególnie we Francji. W USA w 1916 r. Richard Patch i Radclyffe Furness uzyskali patent na stal o zawartości 1-2% węgla i 15-20% chromu. Dali przykład składu 1,35% C i 19,5% Cr, który wygląda jak by to była stal nierdzewna, ale nie został opatentowany jako taki. W patencie stwierdzili, że słyszeli tylko o stali z węglem powyżej 2% i chromu między 12-16%. Wysokowęglowe, wysokochromowe stale były często używane w Anglii podczas I wojny światowej do różnych zastosowań, w tym matryc i narzędzi tnących. Narzędzia tnące były bardziej typowo produkowane z wysokiej wolframu stali szybkotnącej w tym czasie z powodu lepszej gorącej twardości ze stali szybkotnącej. Możesz przeczytać o gorącej twardości w artykule na temat stali szybkotnącej. Jednakże, wolfram był drogi i trudny do uzyskania, co prowadzi do korzystania z wysokiej chromu stali jako alternatywy. Te wczesne wysokowęglowe stale wysokochromowe były bardziej podobne do nowoczesnych stali D3 lub D4 niż D2, ponieważ ich zawartość węgla była wyższa, około 2,2-2,4%.
Rozwój D2
W 1918 roku Paul Kuehnrich złożył w Anglii patent na wysokowęglową stal wysokochromową modyfikowaną kobaltem, około 3,5%. Dodatek kobaltu miał na celu poprawę twardości stali na gorąco, tak aby była ona bliższa stali szybkotnącej. Więcej o tym, jak kobalt wpływa na stal, można przeczytać w tym artykule. Patent ma dość szerokie zakresy chemiczne: 1,2-3,5% węgla, 8-20% chromu i 1-6% kobaltu. Jednak, co ciekawe, przykładowy stop podany miał 1,5% C, 12% Cr i 3,5% kobaltu, który bez kobaltu byłby bardzo blisko do nowoczesnego D2.
While w USA stali wysokowęglowych wysokiej chromu nie były używane jako zamiennik stali szybkotnącej, to zyskał popularność w stali matrycowych. Stale matrycowe wymagały wysokiej odporności na ścieranie, która została uzyskana dzięki dużej ilości węglika chromu obecnego w tych stalach. Początkowo były to stale typu D3 o zawartości 2,2-2,4% chromu, które charakteryzowały się stosunkowo niską ciągliwością i skrawalnością. Stale te nie zawierały również wanadu ani molibdenu. Skład zgodny z D2 nie został zgłoszony przez Gill w 1929 roku, więc nawet jeśli istniał do tego momentu, to prawdopodobnie nie był w powszechnym użyciu.
Update 4/11/2019: W końcu znalazłem patent na D2, wniosek został złożony 30 czerwca 1927 roku przez Gregory’ego Comstocka z firmy Firth-Sterling Steel. Comstock, Gregory J. „Stal stopowa”. U.S. Patent 1,695,916, wydany 18 grudnia 1928.
Do 1934 roku omówiono skład zgodny z D2 z 1,55% C, 12% Cr, 0,25% V, i 0,8% Mo . To nie był jeszcze nazwany D2, oczywiście. Molibden został dodany, aby uczynić go prawdziwym „powietrze hartowania” stali, która pozwala stali w pełni utwardzić w grubych sekcjach lub bez oleju. Bez Mo, wysoki Cr sprawiał, że stal była dość hartowalna, ale nie na tyle, aby uczynić ją prawdziwie hartowną powietrznie. Dodatek wanadu został wprowadzony w celu poprawienia ciągliwości, co zostało osiągnięte poprzez udoskonalenie zarówno wielkości ziarna, jak i struktury węglików. Ta nowa stal typu D2 zyskiwała na popularności dzięki „właściwościom hartowania w powietrzu, niskim odkształceniom i lepszej jakości obróbki niż inne”. Stwierdzono również, że jest to „najbardziej uniwersalna z wysokowęglowych stali wysokochromowych”. I jak wspomniano wcześniej, niższy węgiel oznaczał znacznie większą ciągliwość niż wcześniejsza stal podobna do D3, którą można zobaczyć na poniższym rysunku. Dodatki wanadu i niklu były eksperymentowane z D3-typu, 2,2% stali węglowej, ale podczas gdy to poprawiło twardość, niższy węgiel D2 był znacznie twardszy. Od tego momentu D2 stała się jedną z najpopularniejszych stali narzędziowych, szczególnie w przypadku matryc. Nowe „lepsze” stale wykonane dla matryc nadal są porównywane do D2 z powodu jego wszechobecności.
D2 w nożach
Minęło trochę czasu zanim D2 została użyta w nożach. Pierwsze zarejestrowane użycie, jakie udało mi się znaleźć, to D.E. Henry w 1965 lub 1966 roku. Wypróbował on najpierw stal o wyższej zawartości węgla D3, a następnie D2, nieumyślnie naśladując kolejność, w jakiej zostały one opracowane. Ze względu na jego popularność jako stali narzędziowej, było to tylko kwestią czasu, zanim ktoś użyje D2. Jej stosunkowo wysoka odporność na ścieranie wraz z dobrą twardością i ciągliwością sprawiały, że dobrze sprawdzała się jako stal na noże. Dzięki wysokiej zawartości chromu miała wyjątkową pozycję w debacie na temat stali nierdzewnej i węglowej. D2 ma nieco lepszą odporność na ścieranie i wytrzymałość niż 440C, najczęściej używana stal nierdzewna w latach 70-tych, więc dla producentów, którzy uważali, że odporność na przebarwienia D2 jest „wystarczająco dobra”, mogła ona oferować lepsze właściwości. Możesz przeczytać więcej o tym, jak odporny na korozję D2 jest w tym artykule. D2 ma również znacznie większą odporność na ścieranie niż stale węglowe powszechnie używane przez kowali, więc była używana przez niektórych producentów noży, którzy chcieli mieć stal o wysokiej odporności na ścieranie. Od tego czasu D2 jest używana w wielu nożach, zwłaszcza przez takich twórców jak Bob Dozier.
Struktura węglików w D2
Duże węgliki w D2 ograniczają jej wytrzymałość, a także stabilność krawędzi. Wersja metalurgii proszków, CPM-D2, została wydana około 2007 roku, aby zmniejszyć rozmiar węglików, co podobno poprawia ciągliwość, odporność na korozję i odpowiedź na obróbkę cieplną. Możesz przeczytać więcej o tym, dlaczego D2 ma duże węgliki i proces metalurgii proszków w tym artykule. Formowanie natryskowe jest nieco podobną technologią, która prowadzi do nieco większego rozmiaru węglików niż metalurgia proszkowa. Istnieje sprayformowa wersja D2 o nazwie PSF27 produkowana przez Dan Spray w Danii, produkowana co najmniej od 2002 roku. Możesz zobaczyć zmniejszający się rozmiar węglika w konwencjonalnym (dobrze, ESR w każdym razie), forma sprayu i PM D2 na zdjęciach poniżej . Uwaga PM jest w większym powiększeniu.
To są dość niskiej rozdzielczości mikrografy. Zrobiłem mikrografie D2, PSF27 i CPM-D2, które są pokazane poniżej:
Konwencjonalna D2
PSF27
CPM-D2
Właściwości stali D2
Bohler Uddeholm zmierzył zachowanie krawędzi stali D2 wraz z innymi stalami za pomocą testów CATRA i stwierdził, że jest ono nieco lepsze niż stali N690, ATS-34/154CM, i 440C, na równi z 3V, ale gorzej niż S35VN, Vanadis 4 Extra, Elmax, S30V, M4, i M390 . Obliczyłem również retencję krawędzi w stosunku do 440C, która jest wartością podawaną przez Crucible w przeszłości.
Crucible podaje, że D2 ma twardość w przybliżeniu równoważną 10V, lepszą niż 440C i S90V, ale gorszą niż 3V, CruWear i A2 .
W naszych testach ciągliwości D2 nie była zbyt imponująca, chociaż testowaliśmy tylko jedną obróbkę cieplną i nie porównywaliśmy jej z wieloma innymi stalami o niskiej ciągliwości, takimi jak 10V, 440C i S90V:
Wcześniej pisałem o potencjalnej odporności na korozję D2 w tym artykule. Jego odporność na korozję została nieco nad-promowane w niektórych przypadkach z powodu wysokiej zawartości chromu. Około połowa tego chromu jest związany w węglików, gdzie nie przyczynia się do odporności na korozję. Dlatego ma dobrą odporność na korozję dla stali narzędziowej, choć istnieją pewne nie nierdzewne stale, które potencjalnie mają lepszą odporność na korozję, szczególnie wiele z 8% Cr stali jak 3V lub CruWear. Oto wykres z tego artykułu, gdzie stal jest uszeregowana według „chromu w roztworze”, który jest w przybliżeniu równy odporności na korozję każdej stali:
D2 w nożach dzisiaj
D2 nadal jest używana w nożach; wyszukiwanie na BladeHQ przynosi 1,690 dostępnych noży w D2. Nożownicy tacy jak Bob Dozier zbudowali swoją reputację na tworzeniu doskonałych noży z D2. Wraz z rozwojem metalurgii proszkowej stali zawierających wanad, pojawiły się inne opcje o wyższej odporności na ścieranie i wytrzymałości. Lub stali nierdzewnej metalurgii proszków, które mogą dorównać lub przekroczyć jego odporność na ścieranie i wytrzymałość, ale z lepszą odporność na korozję. Stale do metalurgii proszków są znacznie droższe niż D2, ponieważ D2 jest konwencjonalnie produkowana i szeroko dostępna praktycznie od każdej firmy produkującej stal narzędziową. Dlatego z punktu widzenia kosztów D2 wciąż ma przewagę nad wieloma nowszymi stalami. Nowsze wersje D2 w technologii sprayform i PM pomagają nadrobić część różnicy we właściwościach w stosunku do innych stali z metalurgii proszków. Ze względu na swoje dobre właściwości i reputację budowaną przez dziesięciolecia, D2 prawdopodobnie nadal będzie spotykana w nożach.
Konkluzje
Wysokowęglowa, wysokochromowa stal została opracowana jako alternatywa dla stali szybkotnącej w Anglii na początku XX wieku. Stale te były podobne do nowoczesnej stali narzędziowej D3 z bardzo wysoką zawartością węgla (2,2%). Węgiel został obniżony do 1,5%, a dodatek Mo i V poprawił ciągliwość i hartowność stali, która była w użyciu do 1934 roku. Stal ta stała się tym, co znamy jako D2, która jest popularna jako stal matrycowa. Stal ta została po raz pierwszy użyta w nożach przez D.E. Henry’ego w 1965 lub 1966 roku i stała się popularna w nożach. Aby poprawić ciągliwość i udoskonalić mikrostrukturę stali D2, wyprodukowano jej wersję w technologii natryskowej i metalurgii proszków. D2 ma dobrą odporność na ścieranie, twardość i odpowiednią ciągliwość.
Gill, J. P. „High-carbon high chromium steels”. Trans. ASST 15 (1929): 387-400.
Hadfield, Robert Abbott. „Stopy żelaza i chromu, w tym raport F. Osmond.” J. Iron Steel Inst. 42 (1892): 49.
Patch, Richard H., and Radclyffe Furness. „Stop stali narzędziowej.” U.S. Patent 1,206,902, wydany 5 grudnia 1916.
Gill, James Presley, Robert Steadman Rose, George Adam Roberts, Harry Grant Johnstin, and Robert Burns George. Stale narzędziowe. American Society for Metals, 1944.
Kuehnrich, Paul Richard. „Stal.” U.S. Patent 1,277,431, wydany 3 września 1918.
Wills, W. H. „Practical Observations on High-Carbon High-Chromium Tool Steels.” Trans. ASM 23 (1935): 469.
Warner, Ken. Knives,’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. „Zaawansowane stale narzędziowe produkowane metodą formowania natryskowego”. 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