Tack till Robert Erickson, knifeandgear_swiss, Dale Bushness och Paul Hart för att de har blivit Patreon-anhängare till Knife Steel Nerds!
Uppdatering 22/10/2020: Jag har nu en artikel med hur man värmebehandlar D2, PSF27 och CPM-D2 och den innehåller också testning av seghet för varje stål och testning av kanthållning för D2. https://knifesteelnerds.com/2020/08/31/how-to-heat-treat-d2-psf27-and-cpm-d2/
D2-stål
D2 är ett vanligt verktygsstål och knivstål. Det är även känt under andra namn som den japanska beteckningen SKD11, den tyska beteckningen 1.2379, Hitachi SLD, Uddeholm Sverker 21 och många andra. Hur länge har det funnits? Var kommer det ifrån? Vem började använda den i knivar? Hur är dess egenskaper jämfört med andra stålsorter? Hitta svaren här!
Första kromstålen
Utvecklingen av D2-stål sammanfaller delvis med uppfinningen av rostfritt stål samt höghastighetsstål. Du kan läsa en artikel om det rostfria stålets historia här eller om snabbstålets historia här. D2 ingår i en kategori av verktygsstål som kallas för stål med hög kolhalt och hög kromhalt. Tillverkningen av kromlegerat stål var inte praktisk förrän ferrokrom utvecklades 1821 och mer praktiskt 1895 med utvecklingen av ferrokrom med lågt kolinnehåll. Det första kommersiellt producerade stålet med kromtillsats tillverkades 1861 av Robert Mushet, uppfinnaren av det första verktygsstålet . Ett patent på kromstål beviljades Julius Baur i New York 1865 . Robert Hadfield rapporterade om egenskaperna hos kromlegerade stål 1892 och behandlade även stål med högt kolinnehåll och högt krominnehåll som var i sin linda . Han drog dock slutsatsen att legeringarnas smidbarhet var dålig och att de ofta sprack, och sade att ett stål med 1,27 % C och 11,13 % Cr låg på gränsen.
Utveckling av högkolhaltiga, högkromhaltiga stål
Efter 1900 exploderade antalet personer som experimenterade med kromstål och verktygsstål i allmänhet . Detta datum sammanfaller med upptäckten av höghastighetsstål som jag länkade till ovan. Tidigt under den perioden utvecklade man också höghastighetsstål som använde sig av Cr-legering snarare än Mn-legering för härdbarhet, där man använde sig av cirka 4 % Cr. De tillsatte också stora mängder volfram för att öka hårdheten vid varmgång. Den period av snabb utveckling som ägde rum under perioden strax efter 1900 är mycket svår att fastställa. Många företag och personer utvecklade stål, och det förekom också en utbredd kopiering. James Gill (läs om honom här) rapporterade 1929 att han inte kunde hitta vilket företag som var först med att tillverka stål med hög kolhalt och hög kromhalt. I Beckers bok High Speed Steel från 1910 rapporterade han att ett stål med 2,25 % C och 15 % Cr användes i Europa, särskilt i Frankrike. I USA beviljades 1916 ett patent till Richard Patch och Radclyffe Furness för stål med 1-2 % kol och 15-20 % krom. De gav ett exempel på en sammansättning med 1,35 % C och 19,5 % Cr som ser ut att vara ett rostfritt stål, men som inte patenterades som sådant. I patentet angav de att de endast hade hört talas om stål med mer än 2 % kol och 12-16 % krom. Stål med högt kol- och krominnehåll användes ofta i England under första världskriget för en rad olika tillämpningar, bland annat för formar och skärverktyg. Skärverktyg tillverkades mer typiskt med snabbstål med hög volframhalt vid den tiden på grund av den överlägsna hårdheten i varmt tillstånd hos snabbstål. Du kan läsa om varm hårdhet i artikeln om snabbstål. Volfram var dock dyrt och svårt att få tag på, vilket ledde till att man började använda högkromstål som ett alternativ. Dessa tidiga högkolhaltiga högkromstål liknade mer de moderna D3- eller D4-stålen än D2 eftersom kolhalten var högre, cirka 2,2-2,4 %
Utveckling av D2
År 1918 lämnades ett patent in i England av Paul Kuehnrich för ett högkolhaltigt högkromstål modifierat med kobolt, cirka 3,5 %. Kobolttillsatsen skulle förbättra stålets hårdhet i varmt tillstånd så att det låg närmare snabbstål. Du kan läsa mer om vad kobolt gör med stål i den här artikeln. Patentet har ganska breda kemiska områden: Det är en ganska bred kemi: 1,2-3,5 % kol, 8-20 % krom och 1-6 % kobolt. Intressant är dock att den exempellegering som gavs hade 1,5 % C, 12 % Cr och 3,5 % kobolt, vilket utan kobolt skulle vara mycket nära modern D2.
I USA användes de högkolhaltiga kromstålen med högt kolinnehåll visserligen inte som ersättning för snabbstål, men de blev mer populära bland stenkärnsstålen. Stål för matriser krävde hög slitstyrka, vilket uppnåddes genom de stora mängder kromkarbid som fanns i dessa stål. Dessa var ursprungligen D3-typens 2,2-2,4 % kromstål som hade relativt dålig seghet och bearbetbarhet. Dessa stål innehåller vanligtvis inte heller vanadin eller molybden. En sammansättning som överensstämmer med D2 rapporterades inte av Gill 1929, så även om den fanns vid den tidpunkten var den sannolikt inte allmänt använd.
Uppdatering 2019-04-11: Jag har äntligen hittat patentet för D2, ansökan lämnades in den 30 juni 1927 av Gregory Comstock från Firth-Sterling Steel company. Comstock, Gregory J. ”Legerat stål”. U.S. Patent 1,695,916, utfärdat den 18 december 1928.
1934 diskuterades en sammansättning som överensstämmer med D2 med 1,55 % C, 12 % Cr, 0,25 % V och 0,8 % Mo . Den hette förstås ännu inte D2. Molybdenet tillsattes för att göra det till ett verkligt ”lufthärdande” stål, vilket gör att stålet kan härdas fullt ut i tjocka sektioner eller utan olja. Utan Mo gjorde den höga Cr-halten stålet ganska härdbart, men inte tillräckligt för att göra det verkligt lufthärdande. Vanadintillsatsen gjordes för att förbättra segheten, vilket den gör genom att förädla både kornstorleken och karbidstrukturen. Detta nya stål av D2-typ blev alltmer populärt på grund av dess ”lufthärdningsegenskaper, låga distorsion och bättre bearbetningskvalitet än de andra”. Det rapporterades också vara ”det mest universellt anpassningsbara av de högkolhaltiga kromstålen med hög kolhalt”. Och som tidigare nämnts innebar det lägre kolinnehållet mycket större seghet än det tidigare D3-liknande stålet, vilket du kan se i figuren nedan. Vanadin- och nickeltillsatser hade experimenterats med D3-typens stål med 2,2 % kol, men även om detta förbättrade segheten var D2 med lägre kolhalt mycket segare. Från den tidpunkten blev D2 ett av de mest populära verktygsstålen, särskilt i matriser. Nya ”bättre” stål som tillverkas för verktyg fortsätter att jämföras med D2 på grund av dess allmängiltighet.
D2 i knivar
Det tog ett tag innan D2 användes i knivar. Den första registrerade användningen som jag kan hitta är av D.E. Henry 1965 eller 1966 . Han provade först D3 med högre kolhalt och sedan D2, vilket oavsiktligt efterliknar den ordning i vilken de utvecklades. På grund av dess popularitet som verktygsstål var det bara en tidsfråga innan någon använde D2. Dess relativt höga slitstyrka tillsammans med god hårdhet och seghet gjorde att det fungerade bra som knivstål. Med sitt höga krominnehåll hade det en unik ställning i debatten om rostfria kontra kolstål. D2 har något bättre slitstyrka och seghet än 440C, det mest använda rostfria stålet på 70-talet, så för tillverkare som ansåg att fläckmotståndet hos D2 var ”tillräckligt bra” kunde det erbjuda överlägsna egenskaper. Du kan läsa mer om hur korrosionsbeständig D2 är i den här artikeln. Det hade också mycket större slitstyrka än de kolstål som vanligen användes av smidesknivsmeder, så det användes av vissa knivmakare som ville ha ett stål med hög slitstyrka. D2 har sedan dess använts i många knivar, känd av tillverkare som Bob Dozier.
Karbidstruktur i D2
De stora karbiderna i D2 begränsar dess seghet och även dess kantstabilitet. En pulvermetallurgisk version, CPM-D2, släpptes omkring 2007 för att minska karbidstorleken, vilket rapporteras förbättra segheten, korrosionsbeständigheten och värmebehandlingsresponsen. Du kan läsa mer om varför D2 har stora karbider och om pulvermetallurgiprocessen i den här artikeln. Sprayform är en något liknande teknik som leder till en något större karbidstorlek än pulvermetallurgi. Det finns en sprayformversion av D2 kallad PSF27 som tillverkas av Dan Spray i Danmark, tillverkad åtminstone sedan 2002 . Du kan se den minskande karbidstorleken i konventionell (ja, ESR i alla fall), sprayform och PM D2 i bilderna nedan . Observera att PM är i högre förstoring.
Dessa är ganska lågupplösta mikrografer. Jag tog mikrografer av D2, PSF27 och CPM-D2 som visas nedan:
Konventionell D2
PSF27
CPM-D2
Egenskaper hos D2
Bohler Uddeholm har mätt kanthållfastheten hos D2 tillsammans med andra stål med CATRA-test och funnit att den är något bättre än N690, ATS-34/154CM och 440C, i nivå med 3V, men sämre än S35VN, Vanadis 4 Extra, Elmax, S30V, M4 och M390 . Jag beräknade också kanthållningen i förhållande till 440C, vilket är ett värde som Crucible har rapporterat tidigare.
Crucible rapporterar att D2 har en seghet som är ungefär likvärdig med 10V, bättre än 440C och S90V, men sämre än 3V, CruWear och A2 .
I våra seghetstester var D2 inte särskilt imponerande även om vi bara har testat en värmebehandling och inte har jämfört med många andra stål med låg seghet som 10V, 440C och S90V:
Jag har tidigare skrivit om D2:s potentiella korrosionsbeständighet i denna artikel. Dess korrosionsbeständighet har i vissa fall blivit något överpromenerad på grund av dess höga kromhalt. Ungefär hälften av detta krom är bundet i karbider där det inte bidrar till korrosionsbeständigheten. Därför har det god korrosionsbeständighet för ett verktygsstål, även om det finns vissa icke rostfria stål som potentiellt har bättre korrosionsbeständighet, särskilt många av de 8 % Cr-stålen som 3V eller CruWear. Här är diagrammet från den artikeln med stålen rangordnade efter ”krom i lösning” som är ungefär lika med korrosionsbeständigheten hos varje stål:
D2 i Knives Today
D2 fortsätter att användas i knivar; en sökning på BladeHQ ger 1 690 tillgängliga knivar i D2. Knivmakare som Bob Dozier har byggt sitt rykte på att göra en överlägsen kniv med D2. Med framväxten av pulvermetallurgiska vanadinhaltiga stål finns det nu andra alternativ med både högre slitstyrka och seghet. Eller pulvermetallurgiska rostfria stål som kan matcha eller överträffa dess slitstyrka och seghet men med bättre korrosionsbeständighet. Pulvermetallurgiska stål är mycket dyrare än D2, eftersom D2 produceras konventionellt och är allmänt tillgängligt från praktiskt taget alla verktygsstålsföretag. Ur ett kostnadsperspektiv har D2 därför fortfarande en fördel jämfört med många nyare stålsorter. De nyare sprayform- och PM-versionerna av D2 bidrar till att kompensera en del av skillnaden i egenskaper i förhållande till andra pulvermetallurgiska stål. På grund av sina goda egenskaper och det rykte som byggts upp under årtionden kommer D2 troligen att fortsätta att synas i knivar.
Slutsatser
Stål med hög kolhalt och hög kromhalt utvecklades som ett alternativ till snabbstål i England i början av 1900-talet. Dessa stål liknade det moderna D3-verktygsstålet med mycket hög kolhalt (2,2 %). Kolet reducerades till 1,5 % och tillsatser av Mo och V gjordes för att förbättra segheten och härdbarheten hos stålet som användes 1934. Detta stål blev vad vi känner till som D2, som är populärt som formstål. Stålet användes för första gången i knivar av D.E. Henry 1965 eller 1966 och blev populärt i knivar. Sprayform och pulvermetallurgisk version har tillverkats för att förbättra segheten och förfina mikrostrukturen hos D2. D2 har god slitstyrka, hårdhet och adekvat seghet.
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. och Radclyffe Furness. ”Verktygsstålslegering”. U.S. Patent 1,206,902, utfärdat den 5 december 1916.
Gill, James Presley, Robert Steadman Rose, George Adam Roberts, Harry Grant Johnstin och Robert Burns George. Verktygsstål. American Society for Metals, 1944.
Kuehnrich, Paul Richard. ”Stål.” U.S. Patent 1,277,431, utfärdat den 3 september 1918.
Wills, W. H. ”Practical Observations on High-Carbon High-Chromium Tool Steels”. Trans. ASM 23 (1935): 469.
Warner, Ken. Knivar,’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 och C. Spiegelhauer. ”Avancerade verktygsstål tillverkade genom sprutformning”. Användning av verktygsstål: 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