¡Gracias a Phil Zhou por convertirse en partidario de Knife Steel Nerds Patreon! He empezado a publicar en Patreon los primeros resultados de pruebas de cosas como experimentos de tratamiento térmico, mediciones de austenita retenida, etc. Los datos se publicarán eventualmente en este sitio web, pero si quieres verlos a medida que llegan, entra en Patreon.
52100 Historia
52100 es un acero relativamente simple con 1% de carbono y 1,5% de cromo, y pequeñas cantidades de Mn y Si. El acero 52100 se utiliza al menos desde 1905. Se desarrolló para su uso en rodamientos. Los aceros con alto contenido en carbono (0,8-1,0% C) se utilizaron principalmente hasta finales del siglo XIX o principios del XX, después de lo cual se añadieron cromo a los aceros para rodamientos. Los aceros con 1% de Cr se han utilizado en rodamientos desde al menos 1903 . Estos primeros aceros para rodamientos aleados con cromo fueron producidos en Alemania por Fichtel & Sachs y por Deutsche Waffen- und Munitionsfabrik . Los aceros al cromo producidos en Francia también se utilizaron en rodamientos en un periodo de tiempo similar . El 52100 sigue siendo el acero para rodamientos más utilizado, por lo que el diseño del acero ha resistido sin duda la prueba del tiempo. El acero recibe muchos otros nombres como 100Cr6, 1.3505, GCr15, En31, y SUJ2.
Actualización 5/8/2019: Nick Dunham publicó lo siguiente sobre la historia de la designación SAE de 52100 (el nombre llegó más tarde que el acero, por supuesto):
Parece que en 1919, la División de Acero SAE Iron & decidió reemplazar 5295 con 52100 como parte de su séptimo informe .
5295, a su vez, se introdujo como 52-95 en el tercer informe (1912) , y los guiones se eliminaron en el quinto informe (1913-1914) . Fue un acero para rodamientos desde el principio – el tercer informe dice de los aceros al cromo de las series 51- y 52-, «el uso de este tipo de acero está restringido casi por completo a los rodamientos de bolas y de rodillos.»
El tercer informe supuso también la introducción del prefijo de dos dígitos en la serie; en el primer y segundo informe (1911), sólo se utilizaban códigos de dos dígitos, numerados 1-23 (incluyendo el hierro fundido). No se enumeran los aceros al cromo. Esto no quiere decir que los aceros al cromo no existieran todavía, sino simplemente que las especificaciones SAE no existían aún.
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
Actualización
Se le debe a Ed Fowler el mérito de haber popularizado el 52100 como acero para cuchillos en los tiempos modernos. Ha fabricado muchos cuchillos en 52100 y ha escrito ampliamente sobre sus virtudes en las columnas Knife Talk de la revista Blade. Ed conoció el 52100 en forma de rodamientos que le envió Wayne Goddard , otro influyente fabricante de cuchillos que escribía regularmente para la revista Blade. Dado que los cojinetes eran una forma relativamente común de acero de alto carbono para chatarra, su uso en cuchillos se remonta mucho más atrás, por supuesto. Se ha informado de cuchillos producidos en la década de 1940 en 52100, incluyendo cuchillos de William Scagel.
Diseño de 52100
La diferencia obvia entre el 52100 y otros aceros de alto carbono utilizados por los cuchilleros de forja es su alto contenido de cromo del 1,5%. La adición de Cr se hace por varias razones, que he descrito a continuación.
Velocidad de enfriamiento
Una de las finalidades de la adición de Cr es la «templabilidad», una medida de la rapidez con la que el acero debe enfriarse desde la alta temperatura para alcanzar la dureza total. Un acero al carbono simple como el 1095 requiere un enfriamiento con agua muy rápido para endurecerse completamente, donde se forma una fase de acero duro llamada martensita. El 1095 tiene casi un 1% de carbono, como el 52100, pero sin la adición de cromo. Si se enfría en aceite lento o se deja enfriar al aire, se forma una cierta cantidad de «perlita» que reduce la dureza del acero en relación con la martensita completa. La perlita es una combinación de ferrita con 0,02% de carbono y cementita con 6,67% de carbono (Fe3C) que se forma en bandas alternas, por lo que en un acero con carbono simple el carbono debe difundirse a corta distancia para que se formen las bandas de ferrita y cementita. El cromo también se enriquece en la cementita, por lo que en un acero aleado con cromo el cromo también debe difundirse en la cementita para formar la perlita. El cromo es un átomo mucho más grande que el carbono, por lo que se difunde más lentamente. Por lo tanto, con una adición de cromo se suprime la formación de perlita y se incrementa la templabilidad.
Este efecto de templabilidad puede verse con un gráfico de Tiempo-Temperatura-Transformación (TTT), también llamado Transformación Isotérmica (IT) donde la «nariz» de la transformación (etiquetada como ferrita+cementita) es empujada a tiempos más largos en 52100 en relación con 1095. Esto permite que los rodamientos se endurezcan por completo para que tengan suficiente fuerza y, por lo tanto, resistan la deformación durante el uso. El núcleo de un rodamiento se enfría más lentamente que la superficie durante el enfriamiento, por lo que la mayor templabilidad permite utilizar rodamientos más grandes. Sin embargo, el 52100 sigue sin ser un acero de alta templabilidad y no se considera un verdadero acero de «endurecimiento por aceite» como el O1 (a diferencia del endurecimiento por agua). Para los grandes rodamientos que requieren una mayor templabilidad, se desarrollaron versiones modificadas del 52100. A mediados de la década de 1930 se introdujo una versión con mayor contenido de Mn, y después de la Segunda Guerra Mundial una versión con aleación de Mo. Sin embargo, ninguna de esas versiones ha tenido un uso significativo en cuchillos.
La «nariz» de la curva en el TTT para el 1095 en realidad se extiende fuera del gráfico porque el tiempo es muy corto. Se requiere un enfriamiento muy rápido para evitar la perlita blanda
La «nariz» de la TTT del 52100 está a unos 3 segundos, lo que permite un enfriamiento menos severo para alcanzar la dureza total
Efecto del cromo en el tamaño de los carburos
Los carburos son partículas duras en el acero que mejoran la resistencia al desgaste pero reducen la tenacidad o la resistencia al agrietamiento. Por lo tanto, son deseables mayores cantidades de carburos para aplicaciones que requieren una alta resistencia al desgaste. Las aplicaciones que requieren una alta tenacidad suelen necesitar que los carburos sean lo más pequeños posible y que tengan una pequeña fracción de volumen. Un acero de alto carbono típico como el 1095 forma partículas duras de carburos de hierro llamadas cementita, con tres átomos de hierro por cada átomo de carbono: Fe3C. Los aceros con alto contenido en cromo forman un carburo de cromo como Cr7C3 o Cr23C6. Algunos creen erróneamente que el 52100 forma uno de esos tipos de carburo de cromo. Sin embargo, no tiene suficiente cromo para formar esos tipos de carburos. En cambio, parte del cromo se enriquece en la cementita, formando M3C, donde M puede referirse tanto al hierro como al cromo. La cementita del 52100 contiene aproximadamente un 9% de cromo. Unos carburos más pequeños significan una mayor tenacidad y resistencia a la fractura. El 52100 es conocido por su tamaño de carburo muy pequeño y su alta densidad de carburos, incluso en comparación con otros aceros al carbono y aleados como el 1095. El tamaño del carburo se reduce por un mecanismo similar al aumento de la templabilidad. Antes de entregar el acero al cliente final, el acero se recuece para que esté blando para el mecanizado y para prepararlo para el tratamiento térmico final. Un método de recocido consiste en enfriar lentamente el acero desde una temperatura elevada para formar perlita, seguido de un tratamiento a temperatura intermedia en el que la estructura de la perlita se «esferoidiza» para formar pequeños carburos redondos :
Debido a que el Cr forma parte de los carburos que se difunden más lentamente que el carbono, el espacio entre la cementita en la perlita es menor, y entonces se reduce la tasa de «esferoidización» y el crecimiento de los carburos redondos. Aquí hay imágenes que comparan el 52100 (arriba) con el 1095 (abajo), donde las partículas blancas son carburos. El 1095 es bastante fino, pero el 52100 tiene una mayor densidad de carburos y el tamaño máximo del carburo es menor que el 1095.
52100
1095
Fracción de carburos y carbono en solución
Cuando se comparan aceros a la misma temperatura de temple alto pero con un contenido de carbono creciente, la cantidad de carbono en solución permanece constante pero la cantidad de carburos aumenta. Esto se puede comprobar observando el diagrama de fases hierro-carbono que aparece a continuación; el círculo negro de la línea representa el carbono en solución, que no cambia al aumentar el contenido de carbono. Sin embargo, con un mayor contenido de carbono la línea se extiende más hacia el campo «austenita + cementita» indicando que hay más cementita presente.
El diagrama de fases representa la microestructura del acero a diferentes contenidos de carbono y temperaturas. A una temperatura de 1400°F, con un contenido de carbono entre 0,55-0,7% aproximadamente, el acero se encuentra en la región de «austenita», donde no hay carburos/cementita. Si se enfría a partir de esa temperatura, la microestructura final es de martensita dura sin carburos. Si el contenido de carbono se incrementa por encima del 0,7%, los carburos están presentes a alta temperatura, lo que da lugar a una microestructura final de martensita con carburos. Los carburos contribuyen a la resistencia al desgaste. Cuanto más carbono se añade por encima del 0,7%, mayor es la cantidad de carburo presente:
La cantidad de carbono «en solución» para contribuir a la dureza sigue siendo la misma a una temperatura fija a pesar del aumento del contenido de carbono en masa, porque el carbono está contribuyendo a la formación de carburo. Sin embargo, si la temperatura se incrementa entonces el carbono en solución sube a lo largo de la línea. Si observamos un acero con 1% de carbono a 1400 °F (punto 1), hay el mismo 0,7% de carbono en solución que en cualquier otro acero con más de 0,7% de carbono. Las líneas de puntos muestran el carbono en solución frente a la composición del acero. A 1450 °F hay un 0,8% de carbono (punto 2), y un 1% de carbono en solución a unos 1570 °F (punto 3). La longitud de la línea punteada se acorta con el aumento de la temperatura, lo que indica que la cantidad de carburo está disminuyendo, hasta el punto 3, en el que ya no hay carburo y ha alcanzado el campo de la «austenita»:
La adición de 1.5% de Cr desplaza la posición del diagrama de fases hierro-carbono, hacia temperaturas más altas y contenidos de carbono más bajos:
El desplazamiento del diagrama de fases significa que para el mismo contenido de carbono en masa, hay menos carbono en solución y una mayor fracción de volumen de carburo. Por ello, las temperaturas de endurecimiento/austenitización recomendadas para el 52100 son superiores a las del 1095, normalmente 1550°F en lugar de 1475°F. La reducción del carbono en solución frente al 1095 ayuda a mejorar la tenacidad, ya que el carbono por encima del 0,6% en solución da lugar a una martensita en placa que reduce la tenacidad. Experimentalmente, el 52100 tiene aproximadamente un 0,63% de carbono en solución con un tratamiento de endurecimiento a partir de 1550°F que proporciona la máxima dureza sin formar martensita en la placa. Las temperaturas de endurecimiento más bajas reducen aún más el carbono en solución para mejorar la tenacidad. Puede leer más en este artículo sobre la dureza del acero. El aumento de la fracción de carburo también mejora la resistencia al desgaste del 52100, ya que el 52100 tratado térmicamente tiene alrededor de un 6-10% de volumen de carburo, y el 1095 tiene aproximadamente la mitad.
Facilidad de forjado, enfriamiento y tratamiento térmico
Con su bajo contenido de cromo en relación con los aceros de endurecimiento al aire como el A2 o el D2, el 52100 es una buena opción para el forjado. No presenta carburos a temperaturas de forja como los aceros de endurecimiento al aire, lo que significa que se mueve más fácilmente bajo el martillo. Su templabilidad media-baja también lo convierte en una buena opción. La baja templabilidad del 1095 significa que se necesita agua o aceite muy rápido para el enfriamiento, mientras que el 52100 es más tolerante con los enfriamientos más lentos. Los enfriamientos más lentos reducen el riesgo de alabeo y agrietamiento por enfriamiento. Un acero más templable como el O1, o los aceros de temple al aire, son muy tolerantes desde este punto de vista, pero eso hace que sean difíciles de recocer sin un horno de temperatura controlada. Estos aceros también son difíciles o imposibles de normalizar, ya que se endurecen al enfriarse en el aire, en lugar de formar la perlita deseada. Los aceros de alta templabilidad también son más propensos a agrietarse cuando se forjan a temperaturas más bajas, o simplemente cuando se enfrían a temperatura ambiente después de la forja. Por lo tanto, el nivel de templabilidad en el 52100 es un buen compromiso para la flexibilidad en el enfriamiento, a la vez que se puede normalizar y recocer con ciclos simples. Sin embargo, el aumento de la temperatura y el tiempo necesarios para la austenización en relación con el acero al carbono simple, hace que la austenización sea más difícil cuando se trata térmicamente en una forja o con un soplete en lugar de un horno controlado por PID.
Tratamiento térmico del 52100
Ahora tenemos un artículo separado sobre la mejor manera de tratar térmicamente el 52100.
Como se ha comentado anteriormente, el aumento de la temperatura de endurecimiento/austenitización del 52100 conduce a un aumento del carbono en solución y a una disminución de la fracción de carburo. Esto se observa también experimentalmente, aunque las cifras son algo diferentes a las predichas por los diagramas de fase, ya que esas predicciones son para un tiempo de mantenimiento infinito de la temperatura, en contraposición a los 10-30 minutos utilizados en el tratamiento térmico. A medida que aumenta el carbono en solución, también aumenta la cantidad de austenita retenida después del temple. Puede consultar el motivo en este artículo sobre el tratamiento criogénico del acero. El pico de dureza se produce a partir de una temperatura de austenización de unos 1650°F; por encima de ella se forma un exceso de austenita retenida que reduce la dureza. Aquí está el volumen de austenita retenida y de carburo frente a la temperatura de austenitización :
Con temperaturas de revenido más bajas y temperaturas de austenitización más altas, la dureza aumenta. El uso de 1650°F y 300°F resulta en aproximadamente 66 Rc , aunque esa condición probablemente también conduce a una tenacidad relativamente baja. Un tratamiento térmico típico de austenización a 1550°F y revenido a 400°F da como resultado unos 61,5 Rc. Muchos fabricantes de cuchillos utilizan 1475 °F y 400 °F, lo que daría lugar a unos 59,5 Rc. No estoy seguro de por qué utilizan 1475°F, tal vez provenga de la copia de los tratamientos térmicos recomendados para el 1095. A los cuchilleros, como a muchas otras personas, les gustan los números redondos, así que una temperatura de austenización que lleva al número redondo de 60 Rc después de un bonito número redondo de revenido de 400°F es probablemente atractiva.
Usar temperaturas de austenización más bajas puede llevar a mejorar la tenacidad, lo que puede leer en este artículo sobre la austenización. Normalmente, es mejor reducir tanto la temperatura de austenización como la de revenido, que mantener la misma temperatura de austenización y aumentar la de revenido. Una de las razones es que el carbono en solución se reduce cuando la temperatura de austenización es más baja, como se ha descrito anteriormente. Otra preocupación es el rango de «fragilidad de la martensita templada» (TME) cuando se templa demasiado alto, se puede ver una caída en la tenacidad en la figura de abajo cuando se utiliza una temperatura de templado de 230°C (450°F) Puede leer más sobre TME en este artículo sobre adiciones de silicio, un elemento que minimiza la fragilidad. Puede ver la mejora de la tenacidad del 52100 con una temperatura de austenización más baja en esta figura :
Aumentar la temperatura de austenización también aumenta la dureza, pero incluso cuando la tenacidad se traza frente a la dureza, la mejora con una temperatura de austenización más baja todavía se mantiene. He eliminado las condiciones de templado y revenido a 230°C porque esas condiciones tenían poca tenacidad:
Triple temple
Ed Fowler también popularizó el «triple temple» del 52100, un proceso por el cual el acero se austeniza y se templa varias veces para refinar el grano y mejorar la tenacidad. El 52100 no es particularmente más adecuado para el triple temple que otros aceros de baja aleación, pero el 52100 se relaciona a menudo con él, por lo que vale la pena mencionarlo. En este artículo escribí sobre el funcionamiento del temple múltiple y sus posibles ventajas. También realizamos el triple temple en CruForgeV y probamos su tenacidad, pero no encontramos ninguna mejora, lo que puede leer en este artículo.
Austemperado y bainita
El 52100 es relativamente adecuado para el austemperado para formar bainita, a diferencia de la formación de martensita con un tratamiento térmico de temple y revenido. El austemplado implica el enfriamiento a una temperatura intermedia, como 500 °F, y el mantenimiento de la misma durante minutos u horas, lo que conduce a la formación de bainita, que es una fase similar a la martensita templada, pero con propiedades algo diferentes. Hay algunas pruebas que indican que la bainita tiene mayor tenacidad que la martensita templada. Puede leer más sobre la bainita y algunos experimentos realizados con el 52100 en este artículo sobre el austemplado. Cuando los aceros tienen una alta templabilidad, el austemplado tarda demasiado en ser viable. Para alcanzar altos niveles de dureza, es necesario un contenido de carbono relativamente alto con el austempering. Así pues, el 52100 tiene una buena combinación de alto contenido de carbono y templabilidad media para facilitar el austempering.
Dureza del 52100
A pesar de todos los estudios sobre el 52100, es algo difícil encontrar buenas comparaciones en términos de dureza en relación con otros aceros. Muchos de los estudios se centran en el propio 52100, ya que es el punto de partida al ser el acero para rodamientos más utilizado. Según el libro, Tool Steels califica al 52100 con un «4» sobre 10, que es similar al A2, y superior al O1, M2 y D2, e inferior al L6 y a los aceros resistentes a los golpes. Pronto probaremos una muestra de 52100 para compararla con nuestro actual conjunto de datos de tenacidad. Y si alguien conoce alguna buena cifra de dureza comparativa publicada, por favor, envíemela. Utilizando las clasificaciones de los aceros para herramientas, podemos situar el 52100 dentro de otros aceros con valores de tenacidad publicados por Crucible:
Retención en el borde del 52100
La retención en el borde del 52100 no es particularmente alta, similar a la de otros aceros al carbono y de baja aleación. El volumen relativamente bajo de carburo, más la baja dureza de la cementita, significa que hay otros aceros con una resistencia al desgaste y una retención del filo mucho más altas. En las pruebas CATRA realizadas por Verhoeven, se comprobó que el 52100 tiene una retención de filo superior a la del 1086 y el damasco Wootz, aunque no tan buena como la del AEB-L, un acero inoxidable. El 1086 es un acero con menos carbono para un menor volumen de carburo, y el AEB-L tiene carburos de cromo más duros, por lo que el resultado tiene sentido. Puede leer más sobre lo buena que es la retención del filo de corte del 52100 en relación con otros aceros en los artículos sobre la retención del filo CATRA: Parte 1 y Parte 2.
En las pruebas de corte de cuerda realizadas por Wayne Goddard , se encontró que el 52100 tiene una retención del filo de corte similar a la de otros aceros de 60 Rc; hubo menos efecto del acero en sus pruebas y la dureza fue el factor principal, aunque el Vascowear (CruWear) fue algo mejor:
Resumen
El 52100 fue desarrollado a principios de 1900, y utilizado por primera vez en 1905. Se desarrolló para su uso en rodamientos. Se ha utilizado en muchos cuchillos, en parte debido a sus buenas propiedades en la forja y en parte porque los rodamientos son una fuente fácil de acero de desecho. La adición de cromo mejora la templabilidad y disminuye el tamaño del carburo para mejorar la tenacidad. La adición de cromo también significa que el 52100 requiere temperaturas de austenización más altas, y tiene un mayor volumen de carburo en relación con un acero al carbono simple para mejorar la resistencia al desgaste. La combinación de un tamaño de carburo reducido pero una mayor fracción de volumen de carburo proporciona al 52100 una buena combinación de tenacidad y resistencia al desgaste en relación con otros aceros al carbono y aleados. Las temperaturas de austenitización más bajas conducen a una mayor tenacidad. La templabilidad media del 52100 significa que es adecuado para la forja, y también un buen candidato para el austemplado para formar bainita.
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