Tak til Phil Zhou for at blive en Knife Steel Nerds Patreon-supporter! Jeg er begyndt at offentliggøre tidlige testresultater for ting som varmebehandlingsforsøg, tilbageholdte austenitmålinger osv. på Patreon. Dataene vil med tiden blive lagt ud på dette websted, men hvis du vil se dem, når de kommer, så gå ind på Patreon.
52100 Historie
52100 er et relativt simpelt stål med 1% kulstof og 1,5% krom og små mængder Mn og Si. 52100 stål har været i brug siden mindst 1905 . Det blev udviklet til brug i lejer. Stål med højt kulstofindhold (0,8-1,0 % C) blev primært anvendt indtil slutningen af 1800-tallet eller begyndelsen af 1900-tallet , hvorefter der blev foretaget kromtilsætninger til lejestål. Stål med 1 % Cr har været anvendt i lejer siden mindst 1903 . Disse tidlige kromlegerede lejestål blev fremstillet i Tyskland af Fichtel & Sachs og af Deutsche Waffen- und Munitionsfabrik . Fransk producerede kromstål blev også anvendt i lejer i en lignende periode . 52100 er fortsat det mest anvendte lagerstål , så stålkonstruktionen har bestemt stået sin prøve gennem tiden. Stålet går under mange andre navne som 100Cr6, 1.3505, GCr15, En31 og SUJ2.
Opdatering 5/8/2019: Nick Dunham har postet følgende om historien bag SAE-betegnelsen 52100 (navnet kom selvfølgelig senere end stålet):
Det fremgår, at SAE Iron & Steel Division i 1919 besluttede at erstatte 5295 med 52100 som en del af deres syvende rapport .
5295 blev til gengæld indført som 52-95 i den tredje rapport (1912) , og stregerne blev fjernet i den femte rapport (1913-1914) . Det var et lejestål fra begyndelsen – i den tredje rapport hedder det om kromstål i 51- og 52-serien: “Brugen af denne type stål er næsten udelukkende begrænset til kugle- og rullelejer”.
Den tredje rapport var også indførelsen af det tocifrede seriepræfiks ; i den første og anden rapport (1911) blev der kun anvendt tocifrede koder, nummereret 1-23 (herunder støbejern). Der blev ikke opført kromstål . Dette betyder ikke, at der endnu ikke fandtes kromstål, men blot at SAE-specifikationerne endnu ikke fandtes.
SAE Journal c1 v4 (1919) https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=chi.42517057;view=1up;seq=454
SAE Transactions v7 (1912) https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=coo.31924058349105;view=1up;seq=75
SAE Bulletin v5-6 (1913-1914) https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=umn.31951d00031403a;view=1up;seq=638
SAE Transactions v6 (1911) https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=mdp.39015010782301;view=1up;seq=78
End Update
Ed Fowler skylder en vis ære i at gøre 52100 populært som knivstål i moderne tider. Han har produceret mange knive i 52100 og skrevet udførligt om dets dyder i Knife Talk-kolumnerne i bladet Blade Magazine. Ed blev introduceret til 52100 i form af kuglelejer, der blev sendt til ham af Wayne Goddard , en anden indflydelsesrig knivmager, der regelmæssigt skrev for Blade magazine. Da kuglelejer var en forholdsvis almindelig form for skrotstål med højt kulstofindhold, rækker brugen heraf i knive naturligvis meget længere tilbage. Der er rapporteret om knive, der er fremstillet så langt tilbage som i 1940’erne i 52100, herunder knive af William Scagel .
52100 Design
Den åbenlyse forskel mellem 52100 og andre kulstofholdige ståltyper, der anvendes af knivsmede, er dets høje kromindhold på 1,5 %. Cr-tilsætningen er foretaget af flere årsager, som jeg har beskrevet nedenfor.
Skæringshastighed
Et formål med Cr-tilsætningen er for “hærdbarheden”, et mål for, hvor hurtigt stålet skal nedkøles fra høj temperatur for at opnå fuld hårdhed. Et simpelt kulstofstål som f.eks. 1095 kræver en meget hurtig vandafkøling for at blive fuldt hærdet, hvor der dannes en hård stålfase kaldet martensit. 1095 har næsten 1 % kulstof ligesom 52100, men uden kromtilsætning. Hvis stålet nedkøles i langsom olie eller får lov til at luftkøle, dannes der en vis mængde “perlit”, som reducerer stålets hårdhed i forhold til fuld martensit. Pearlite er en kombination af 0,02 vægtprocent kulstofferrit og 6,67 vægtprocent kulstofcementit (Fe3C), der dannes i vekslende bånd, så med et simpelt kulstofstål skal kulstoffet diffundere over en kort afstand, for at der kan dannes bånd af ferrit og cementit. Chrom er også beriget i cementiten, så i et chromlegeret stål skal kromet også diffundere ind i cementiten for at danne perlit. Chrom er et meget større atom end kulstof, så det diffunderer langsommere. Derfor undertrykkes perlitdannelsen ved en kromtilsætning, og hærdbarheden øges.
Denne hærdbarhedseffekt kan ses med en tid-temperatur-transformation (TTT), også kaldet isotermisk transformation (IT) graf, hvor “næsen” af transformationen (mærket som ferrit+karbid) er skubbet til længere tid i 52100 i forhold til 1095. Dette gør det muligt at hærde lejerne fuldt ud, således at de har tilstrækkelig styrke og derfor kan modstå deformation under brug. Kernen af et leje afkøles langsommere end overfladen under nedkøling, så den højere hærdbarhed gør det muligt at anvende større lejer. 52100 er dog stadig ikke et stål med høj hærdningsevne og betragtes ikke som et ægte “oliehærdende” stål som O1 (i modsætning til vandhærdende). Til store lejer, der kræver højere hærdningsevne, blev der udviklet modificerede versioner af 52100. En version med højere Mn-værdi blev introduceret i midten af 1930’erne og en Mo-legeret version efter anden verdenskrig . Ingen af disse versioner er dog blevet anvendt i nævneværdig grad i knive.
Den “næse” af kurven i TTT for 1095 strækker sig faktisk ud over diagrammet, fordi tiden er så kort. Meget hurtig nedkøling er nødvendig for at undgå blød perlit
“Næsen” i 52100 TTT ligger ved ca. 3 sekunder, hvilket tillader mindre kraftig nedkøling for at opnå fuld hårdhed
Indflydelse af krom på karbidstørrelse
Karbid er hårde partikler i stål, der forbedrer slidstyrken, men reducerer sejheden eller modstandsdygtigheden over for revnedannelse. Derfor er større mængder karbider ønskelige for anvendelser, der kræver høj slidstyrke. Anvendelser, der kræver høj sejhed, kræver normalt, at karbiderne er så små som muligt og har en lille volumenbrøkdel af dem. Et typisk stål med højt kulstofindhold som 1095 danner hårde partikler af jernkarbid kaldet cementit, med tre jernatomer for hvert kulstofatom: Fe3C. Stål med højt kromindhold danner en kromcarbid som Cr7C3 eller Cr23C6. Nogle tror fejlagtigt, at 52100 danner en af disse kromcarbidtyper. Det har imidlertid ikke tilstrækkeligt med krom til at danne disse typer karbider. Noget af kromet er i stedet beriget i cementiten og danner M3C, hvor M kan referere til enten jern eller krom. Cementiten i 52100 indeholder ca. 9 vægtprocent chrom .
Den tilsatte Cr bidrager til at reducere karbidstørrelsen. Mindre karbider betyder bedre sejhed og modstandsdygtighed over for brud. 52100 er kendt for sin meget lille karbidstørrelse og høje karbidtæthed, selv sammenlignet med andre kulstof- og legeringsstål som f.eks. 1095. Karbidstørrelsen reduceres ved en mekanisme, der svarer til stigningen i hærdbarheden. Inden stålet leveres til slutkunden, udglødes det for at blive blødt til bearbejdning og for at gøre det klar til den endelige varmebehandling. En metode til udglødning er at afkøle stålet langsomt fra høj temperatur for at danne perlit, efterfulgt af en mellemliggende temperaturbehandling, hvor perlitstrukturen “sfæroidiseres” for at danne små runde karbider :
Da Cr er en del af karbiderne, som diffunderer langsommere end kulstof, er afstanden mellem cementit i perlit mindre, og derefter reduceres hastigheden af “sfæroidiseringen” og væksten af de runde karbider. Her er billeder, der sammenligner 52100 (øverst) med 1095 (nederst), hvor de hvide partikler er carbider. 1095 er ganske fint, men 52100 har en større karbidtæthed, og den maksimale karbidstørrelse er mindre end 1095.
52100
1095
Karbidfraktion og kulstof i opløsning
Ved sammenligning af stål ved samme høje hærdetemperatur, men med stigende kulstofindhold, forbliver mængden af kulstof i opløsning konstant, men mængden af karbid stiger. Det kan man se ved at se på nedenstående jern-kulstof-fasediagram; den sorte cirkel på linjen repræsenterer kulstoffet i opløsning, som ikke ændrer sig med stigende kulstofindhold. Med højere kulstofindhold strækker linjen sig dog længere ind i feltet “austenit + cementit”, hvilket indikerer, at der er mere cementit til stede.
Fasediagrammet repræsenterer mikrostrukturen af stål ved forskellige kulstofindhold og temperaturer. Ved en temperatur på 1400°F og et kulstofindhold på mellem ca. 0,55-0,7 % befinder stålet sig i “austenit”-området, hvor der ikke er nogen carbider/cementit til stede. Hvis det afkøles fra denne temperatur, er den endelige mikrostruktur hård martensit uden karbider. Hvis kulstofindholdet øges til over 0,7 %, er der carbider til stede ved den høje temperatur, hvilket resulterer i en endelig mikrostruktur bestående af martensit med carbider. Karbiderne bidrager til slidstyrken. Jo mere kulstof der tilsættes over 0,7 %, jo større er mængden af karbid:
Mængden af kulstof “i opløsning” til at bidrage til hårdhed forbliver den samme ved en fast temperatur på trods af det stigende bulkindhold af kulstof, fordi kulstoffet bidrager til karbiddannelsen. Men hvis temperaturen øges, så stiger kulstoffet i opløsning langs linjen. Hvis vi ser på et stål med 1 % kulstof ved 1400°F (punkt 1), er der de samme 0,7 % kulstof i opløsning som i et stål med et hvilket som helst andet stål med mere end 0,7 % kulstof. De stiplede linjer viser kulstoffet i opløsningen i forhold til stålets sammensætning i bulk. Ved 1450°F er der 0,8 % kulstof (punkt 2), og 1 % kulstof i opløsning ved ca. 1570°F (punkt 3). Længden af den stiplede linje forkortes med stigende temperatur, hvilket indikerer, at mængden af carbid er faldende, indtil punkt 3, hvor der ikke er mere carbid til stede, og det har nået “austenit”-feltet:
Tilsætningen af 1.5% Cr forskyder placeringen af jern-kulstof-fasediagrammet, til højere temperaturer og lavere kulstofindhold:
Skiftet i fasediagrammet betyder, at der for det samme bulk-kulstofindhold er mindre kulstof i opløsning og en større volumenfraktion af karbid. Det er derfor, at de anbefalede hærde-/austenitiserings-temperaturer for 52100 er højere end for 1095, normalt 1550°F i stedet for 1475°F. Reduktionen af kulstof i opløsningen i forhold til 1095 bidrager til at forbedre sejheden, da kulstof over ca. 0,6 % i opløsningen fører til plademartensit, som reducerer sejheden. Eksperimentelt set har 52100 ca. 0,63 % kulstof i opløsningen med en hærdningsbehandling fra 1550°F, hvilket giver maksimal hårdhed uden dannelse af plademartensit. Ved lavere hærdningstemperaturer reduceres kulstoffet i opløsningen yderligere for at opnå bedre sejhed. Du kan læse mere i denne artikel om ståls hårdhed i denne artikel. Stigningen i karbidfraktionen forbedrer også 52100’s slidstyrke, hvor varmebehandlet 52100 har omkring 6-10 % karbidvolumen , og 1095 har ca. det halve.
Let smedning, afkøling og varmebehandling
Med sit lave kromindhold i forhold til lufthærdende ståltyper som A2 eller D2 er 52100 et godt valg til smedning. Det har ikke karbider til stede ved smedetemperaturer som disse lufthærdende ståltyper, hvilket betyder, at det bevæger sig lettere under hammeren. Dens medium-lav hærdbarhed gør den også til et godt valg. Den lave hærdningsevne for 1095 betyder, at der kræves vand eller meget hurtig olie til nedkøling, mens 52100 er mere tilgivende med langsommere nedkøling. Langsommere nedkøling reducerer risikoen for forvredethed og nedkølingssprængning. Et mere hærdbart stål som O1 eller lufthærdende stål er meget tilgivende ud fra dette synspunkt, men det gør dem vanskelige at udgløde uden en ovn med kontrolleret temperatur. Disse ståltyper er også vanskelige eller umulige at normalisere, da de vil hærde, når de afkøles i luft, i stedet for at danne den ønskede perlit. Stål med høj hærdbarhed er også mere tilbøjelige til at knække ved smedning ved lavere temperaturer eller blot ved afkøling til stuetemperatur efter smedning. Derfor er niveauet af hærdbarhed i 52100 et godt kompromis med hensyn til fleksibilitet i forbindelse med nedkøling, samtidig med at det stadig er muligt at normalisere og gløde med enkle cykliske processer. Den øgede temperatur og tid, der kræves til austenitisering i forhold til simpelt kulstofstål, gør dog austenitisering vanskeligere ved varmebehandling i en smedje eller med en fakkel i stedet for en PID-styret ovn.
Varmebehandling af 52100
Vi har nu en separat artikel om, hvordan man bedst varmebehandler 52100.
Som nævnt ovenfor fører en forøgelse af hærdnings-/austenitiserings-temperaturen for 52100 til en stigning i kulstof i opløsningen og et fald i karbidfraktionen. Det ses også eksperimentelt, selv om tallene er noget anderledes end dem, der forudsiges af fasediagrammerne, da disse forudsigelser er for en uendelig holdetid ved temperaturen, i modsætning til de 10-30 minutter, der anvendes ved varmebehandling. Efterhånden som kulstoffet i opløsningen stiger, stiger også mængden af bevaret austenit efter nedkøling. Du kan læse om hvorfor i denne artikel om kryogen behandling af stål. Toppunktet i hårdhed kommer fra en austenitiserende temperatur på ca. 1650°F; over denne temperatur dannes der for meget tilbageholdt austenit, hvilket reducerer hårdheden. Her er tilbageholdt austenit- og karbidvolumen vs. austenitiserings-temperatur :
Med lavere anløbstemperaturer og højere austenitiserings-temperaturer øges hårdheden. Brug af 1650°F og 300°F resulterer i ca. 66 Rc , selv om denne tilstand sandsynligvis også fører til relativt lav sejhed. En typisk varmebehandling med austenitisering ved 1550°F og anløbning ved 400°F resulterer i ca. 61,5 Rc. Mange knivmagere bruger 1475°F og 400°F, hvilket ville give ca. 59,5 Rc. Jeg er ikke helt sikker på, hvorfor de bruger 1475°F, måske stammer det fra kopiering af de anbefalede varmebehandlinger fra 1095. Knivmagere kan ligesom mange andre mennesker godt lide runde tal, så en austenitiserende temperatur, der fører til det runde tal på 60 Rc efter en dejlig rund taltemperering på 400°F, er sikkert tiltalende.
Anvendelse af lavere austenitiserende temperaturer kan føre til forbedret sejhed, hvilket du kan læse mere om i denne artikel om austentisering. Typisk er det bedre at sænke både austenitiserings-temperaturen og anløbstemperaturen end at opretholde den samme austenitiserings-temperatur og øge anløbstemperaturen. En af grundene er, at kulstoffet i opløsningen reduceres, når austenitiserings-temperaturen er lavere, som beskrevet ovenfor. Et andet problem er “hærdet martensitforsprødning” (TME), når hærdningen er for høj, og du kan se et fald i sejhed i figuren nedenfor, når du bruger en hærdningstemperatur på 230 °C (450 °F) Du kan læse mere om TME i denne artikel om siliciumtilsætning, et element, der minimerer forsprødning. Du kan se den forbedrede sejhed for 52100 med lavere austenitiserings-temperatur i denne figur :
Højere austenitiserings-temperatur øger også hårdheden, men selv når sejheden plottes i forhold til hårdheden, holder forbedringen med lavere austenitiserings-temperatur stadig. Jeg har fjernet de as-quenched og 230°C hærdede forhold, fordi disse forhold havde dårlig sejhed:
Triple Quenching
Ed Fowler populariserede også “triple quenching” af 52100, en proces, hvor stålet austenitiseres og nedkøles flere gange for at opnå kornforfining og forbedret sejhed. 52100 er ikke specielt mere velegnet til triple quenching end andre lavlegerede ståltyper, men 52100 er ofte forbundet med det, så det er værd at nævne. Jeg skrev om, hvordan flerdobbelt nedkøling fungerer og dens potentielle fordele i denne artikel. Vi har også udført tredobbelt nedkøling på CruForgeV og testet dens sejhed, men fandt ikke nogen forbedring, hvilket du kan læse om i denne artikel.
Austemperering og bainit
52100 er relativt velegnet til austemperering for at danne bainit, i modsætning til at danne martensite med en quench and temper-varmebehandling. Austempering indebærer nedkøling til en mellemliggende temperatur, f.eks. 500°F, og fastholdes der i minutter eller timer, hvilket fører til dannelse af bainit, som er en fase, der ligner hærdet martensit, men med noget anderledes egenskaber. Noget tyder på, at bainit har større sejhed end hærdet martensit. Du kan læse mere om bainit og nogle eksperimenter, der er udført på 52100, i denne artikel om austempering. Når stål har en høj hærdbarhed, tager austempering for lang tid til at være gennemførligt. For at nå høje hårdhedsniveauer er det nødvendigt med et relativt højt kulstofindhold ved austemperering. Så 52100 har en god kombination af højt kulstofindhold og middelhærdbarhed for at lette austempering.
Stivhed af 52100
Trods alle undersøgelser af 52100 er det noget vanskeligt at finde gode sammenligninger med hensyn til sejhed i forhold til andre ståltyper. Mange af undersøgelserne fokuserer på 52100 selv, da det er udgangspunktet, da det er det mest almindeligt anvendte lagerstål. Tool Steels vurderer 52100 som en “4” ud af 10, hvilket svarer til A2 og er højere end O1, M2 og D2, og lavere end L6 og stødmodstandsdygtige ståltyper, ifølge bogen. Vi vil snart teste en prøve af 52100 for at sammenligne med vores nuværende datasæt om sejhed. Og hvis nogen kender nogle gode offentliggjorte sammenlignende sejhedstal, så send dem venligst til mig. Ved hjælp af Tool Steels ratings kan vi placere 52100 inden for andre ståltyper med rapporterede sejhedsværdier fra Crucible :
Edge Retention of 52100
Edge Retention of 52100 is not particularly high, similar to other carbon and low alloy steels. Den relativt lave mængde karbid plus den lave hårdhed af cementit betyder, at der findes andre ståltyper med meget højere slidstyrke og skærende kantfasthed. I CATRA-forsøg foretaget af Verhoeven blev det konstateret, at 52100 har en bedre kantfasthed end 1086 og Wootz damaskus, men ikke så god som AEB-L, et rustfrit stål. 1086 er et stål med lavere kulstofindhold for lavere karbidvolumen, og AEB-L har hårdere kromkarbider, så resultatet giver mening. Du kan læse mere om, hvor god skærekantfastholdelse af 52100 er i forhold til andre ståltyper i artiklerne om CATRA-kantfastholdelse: Del 1 og Del 2.
I rebskæringstests af Wayne Goddard , blev det konstateret, at 52100 havde samme skærekantfastholdelse som andre 60 Rc-stål; der var mindre effekt af stålet i hans test, og hårdheden var den primære faktor, selv om Vascowear (CruWear) var noget bedre:
Summary
52100 blev udviklet i begyndelsen af 1900-tallet og blev anvendt første gang i 1905. Det blev udviklet til brug i lejer. Det er blevet brugt i mange knive, dels på grund af dets gode egenskaber ved smedning og dels fordi lejer er en nem kilde til stålskrot. Chromtilsætningen forbedrer hærdbarheden og mindsker karbidstørrelsen, hvilket giver en forbedring af sejheden. Chromtilsætningen betyder også, at 52100 kræver højere austenitiserings-temperaturer og har et større volumen af karbid i forhold til et simpelt kulstofstål for at forbedre slidstyrken. Kombinationen af reduceret karbidstørrelse men øget karbidvolumenfraktion giver 52100 en god kombination af sejhed og slidstyrke i forhold til andre kulstof- og legeringsstål. Lavere austenitiserende temperaturer fører til forbedret sejhed. 52100’s middelhærdbarhed betyder, at den er velegnet til smedning og også en god kandidat til austemperering for at danne bainit.
Hengerer F., “The History of SKF3,” Ball Bearing Journal 231, no. 1, pp. 2- 11.
Stribeck, R. “Ball bearings for various loads.” Trans. ASME 29 (1907): 420-463.
Yuki, Hiroshi, Miyu Sato, og Chikara Ohki. “Indflydelse af induktionsopvarmningsbetingelser på afkølet struktur af SUJ2-stål.” ISIJ International 58, nr. 9 (2018): 1735-1741.
https://www.bladeforums.com/threads/question-about-52100.259561/
Fowler, Ed. Knife Talk: The Art & Science of Knifemaking. Iola, WI: Krause Publications, 1998.
https://www.bladeforums.com/threads/question-about-52100.259561/
Cappel, Jürgen, Matthias Weinberg, og Rheinhold Flender. “Metallurgi af rullebærende stål”. Steel Grips 2 (2004): 261-268.
Stickels, C. A. “Carbide refining heat treatments for 52100 bearing steel.” Metallurgical Transactions 5, nr. 4 (1974): 865-874.
Nutal, Nicolas, Cedric J. Gommes, Silvia Blacher, Philippe Pouteau, Jean-Paul Pirard, Frédéric Boschini, Karl Traina, og Rudi Cloots. “Billedanalyse af perlite sfæroidisering baseret på den morfologiske karakterisering af cementitpartikler.” Image Analysis & Stereology 29, nr. 2 (2011): 91-98.
https://matdata.asminternational.org/mgd/index.aspx
Santiago, Rescalvo, og Jose Antonio. Brud- og træthedsrevnevækst i 52100, M-50 og 18-4-1 lagerstål. Diss. Massachusetts Institute of Technology, 1979.
Stickels, C. A. “Carbide refining heat treatments for 52100 bearing steel.” Metallurgical Transactions 5, no. 4 (1974): 865-874.
Roberts, G A, og Robert A. Cary. Tool Steels. Beachwood, Ohio: American Society for Metals, 1980.
https://www.crucible.com/eselector/prodbyapp/tooldie/ketos.html
http://www.crucible.com/PDFs/DataSheets2010/ds3Vv1%202015.pdf
https://www.crucible.com/eselector/prodbyapp/tooldie/champloy.html
http://www.crucible.com/PDFs/DataSheets2010/Data%20Sheet%204V.pdf
Verhoeven, John D., Alfred H. Pendray, og Howard F. Clark. “Slidprøvninger af knivblade af stål”. Wear 265, no. 7-8 (2008): 1093-1099.
https://sharpeningmadeeasy.com/edge.htm