Merci à Phil Zhou d’être devenu un supporter Patreon de Knife Steel Nerds ! J’ai commencé à poster les premiers résultats de tests pour des choses comme des expériences de traitement thermique, des mesures d’austénite retenue, etc. sur Patreon. Les données seront éventuellement affichées sur ce site Web, mais si vous voulez les voir au fur et à mesure, alors allez sur Patreon.
52100 Histoire
52100 est un acier relativement simple avec 1% de carbone et 1,5% de chrome, et de petites quantités de Mn et Si. L’acier 52100 est utilisé depuis au moins 1905 . Il a été développé pour être utilisé dans les roulements. Les aciers à haute teneur en carbone (0,8 à 1,0 % de C) étaient principalement utilisés jusqu’à la fin des années 1800 ou au début des années 1900, après quoi des ajouts de chrome aux aciers pour roulements ont été effectués. Les aciers à 1 % de chrome sont utilisés dans les roulements depuis au moins 1903 . Ces premiers aciers à roulement alliés au chrome ont été produits en Allemagne par Fichtel & Sachs et par la Deutsche Waffen- und Munitionsfabrik . Les aciers au chrome produits en France étaient également utilisés dans les roulements à une époque similaire. Le 52100 continue d’être l’acier le plus utilisé pour les roulements, de sorte que la conception de l’acier a certainement résisté à l’épreuve du temps. L’acier porte de nombreux autres noms tels que 100Cr6, 1.3505, GCr15, En31 et SUJ2.
Mise à jour 5/8/2019 : Nick Dunham a posté ce qui suit sur l’histoire de la désignation SAE de 52100 (le nom est venu plus tard que l’acier, bien sûr) :
Il semble qu’en 1919, la SAE Iron & Steel Division a décidé de remplacer 5295 par 52100 dans le cadre de son septième rapport .
5295, à son tour, a été introduit comme 52-95 dans le troisième rapport (1912) , et les tirets ont été supprimés dans le cinquième rapport (1913-1914) . C’était un acier pour roulements dès le début – le troisième rapport dit des aciers au chrome des séries 51 et 52 : « l’utilisation de ce type d’acier est limitée presque entièrement aux roulements à billes et à rouleaux. »
Le troisième rapport a également été l’introduction du préfixe de série à deux chiffres ; dans les premier et deuxième rapports (1911), seuls des codes à deux chiffres étaient utilisés, numérotés de 1 à 23 (y compris la fonte). Aucun acier au chrome n’était répertorié. Cela ne veut pas dire que les aciers au chrome n’existaient pas encore, mais simplement que les spécifications SAE n’existaient pas encore.
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 est redevable d’un certain crédit dans la popularisation de 52100 comme un acier de couteau dans les temps modernes. Il a produit de nombreux couteaux en 52100 et a beaucoup écrit sur ses vertus dans les colonnes Knife Talk du magazine blade. Ed a découvert le 52100 sous la forme de roulements à billes que lui avait envoyés Wayne Goddard, un autre coutelier influent qui écrivait régulièrement pour le magazine Blade. Les roulements étant une forme relativement courante de ferraille à haute teneur en carbone, leur utilisation dans les couteaux remonte bien sûr à bien plus loin. Des couteaux produits dès les années 1940 en 52100 ont été signalés, y compris des couteaux de William Scagel .
Conception du 52100
La différence évidente entre le 52100 et les autres aciers à haute teneur en carbone utilisés par les forgerons de lames est sa teneur élevée en chrome de 1,5%. L’ajout de Cr est fait pour plusieurs raisons, que j’ai décrites ci-dessous.
Vitesse de trempe
Un objectif de l’ajout de Cr est pour la « trempabilité », une mesure de la vitesse à laquelle l’acier doit être trempé à partir d’une température élevée pour atteindre une dureté complète. Un acier au carbone simple comme le 1095 nécessite une trempe à l’eau très rapide pour durcir complètement, où une phase d’acier dur appelée martensite est formée. Le 1095 contient près de 1 % de carbone, comme le 52100, mais sans l’ajout de chrome. Si on le trempe dans une huile lente ou si on le laisse refroidir à l’air, il se forme une certaine quantité de « perlite » qui réduit la dureté de l’acier par rapport à la martensite complète. La perlite est une combinaison de ferrite à 0,02 % en poids de carbone et de cémentite à 6,67 % en poids de carbone (Fe3C) qui se forme en bandes alternées. Ainsi, avec un simple acier au carbone, le carbone doit se diffuser sur une courte distance pour que les bandes de ferrite et de cémentite se forment. Le chrome est également enrichi dans la cémentite, donc dans un acier allié au chrome, le chrome doit également diffuser dans la cémentite pour former la perlite. Le chrome est un atome beaucoup plus grand que le carbone, il se diffuse donc plus lentement. Par conséquent, avec un ajout de chrome, la formation de perlite est supprimée et la trempabilité est augmentée.
Cet effet de trempabilité peut être vu avec un graphique de transformation temps-température (TTT), également appelé transformation isotherme (IT), où le « nez » de la transformation (étiqueté comme ferrite+carbure) est poussé à des temps plus longs dans le 52100 par rapport au 1095. Cela permet de durcir complètement les roulements afin qu’ils aient une résistance suffisante et résistent donc à la déformation pendant l’utilisation. Le cœur d’un roulement se refroidit plus lentement que la surface pendant la trempe, de sorte que la plus grande trempabilité permet d’utiliser des roulements plus grands. Le 52100 n’est cependant pas encore un acier à haute trempabilité et n’est pas considéré comme un véritable acier « durcissant à l’huile » comme l’O1 (par opposition au durcissement à l’eau). Pour les roulements de grande taille nécessitant une trempabilité plus élevée, des versions modifiées du 52100 ont été développées. Une version à plus haute teneur en Mn a été introduite au milieu des années 1930, et une version alliée au Mo- après la Seconde Guerre mondiale. Cependant, aucune de ces versions n’a vu une utilisation significative dans les couteaux.
Le « nez » de la courbe dans le TTT pour 1095 s’étend en fait hors du graphique parce que le temps est si court. Une trempe très rapide est nécessaire pour éviter la perlite molle
Le « nez » du TTT du 52100 est à environ 3 secondes, permettant une trempe moins sévère pour atteindre la dureté totale
Effet du chrome sur la taille des carbures
Les carbures sont des particules dures dans l’acier qui améliorent la résistance à l’usure mais réduisent la ténacité ou la résistance à la fissuration. Par conséquent, de plus grandes quantités de carbures sont souhaitables pour les applications qui nécessitent une résistance élevée à l’usure. Les applications nécessitant une ténacité élevée exigent généralement que les carbures soient aussi petits que possible et que leur fraction volumique soit faible. Un acier typique à haute teneur en carbone comme le 1095 forme des particules dures de carbures de fer appelées cémentite, avec trois atomes de fer pour chaque atome de carbone : Fe3C. Les aciers à haute teneur en chrome forment un carbure de chrome tel que le Cr7C3 ou le Cr23C6. Certains pensent à tort que le 52100 forme l’un de ces types de carbure de chrome. Cependant, il ne contient pas suffisamment de chrome pour former ces types de carbures. Une partie du chrome est plutôt enrichie dans la cémentite, formant M3C où M peut désigner soit le fer, soit le chrome. La cémentite dans le 52100 contient environ 9 % en poids de chrome .
L’ajout de Cr permet de réduire la taille des carbures. Des carbures plus petits signifient une meilleure ténacité et résistance à la rupture. Le 52100 est connu pour sa très petite taille de carbure et sa haute densité de carbures, même par rapport à d’autres aciers au carbone et alliés comme le 1095. La taille des carbures est réduite par un mécanisme similaire à celui de l’augmentation de la trempabilité. Avant de livrer l’acier au client final, l’acier est recuit afin d’être mou pour l’usinage et pour le préparer au traitement thermique final. Une méthode de recuit consiste à refroidir lentement l’acier à partir d’une température élevée pour former de la perlite, suivie d’un traitement à température intermédiaire où la structure de la perlite est « sphéroïdisée » pour former de petits carbures ronds :
Parce que le Cr fait partie des carbures qui se diffusent plus lentement que le carbone, l’espacement entre la cémentite dans la perlite est plus petit, et alors le taux de « sphéroïdisation » et de croissance des carbures ronds est réduit. Voici des images comparant le 52100 (en haut) avec le 1095 (en bas), où les particules blanches sont des carbures. Le 1095 est assez fin, mais le 52100 a une plus grande densité de carbures et la taille maximale des carbures est plus petite que le 1095.
52100
1095
Fraction de carbure et carbone en solution
Lorsque l’on compare des aciers à la même température de durcissement élevée mais avec une teneur en carbone croissante, la quantité de carbone en solution reste constante mais la quantité de carbure augmente. Vous pouvez voir cela en regardant le diagramme de phase fer-carbone ci-dessous ; le cercle noir sur la ligne représente le carbone en solution qui ne change pas avec l’augmentation de la teneur en carbone. Cependant, avec une teneur en carbone plus élevée, la ligne s’étend plus loin dans le champ « austénite + cémentite », indiquant que davantage de cémentite est présente.
Le diagramme de phase représente la microstructure de l’acier à différentes teneurs en carbone et températures. A une température de 1400°F, à une teneur en carbone comprise entre environ 0,55-0,7%, l’acier se trouve dans la région « austénite » où aucun carbure/cémentite n’est présent. S’il est trempé à partir de cette température, la microstructure finale est une martensite dure sans carbures. Si la teneur en carbone est supérieure à 0,7 %, des carbures sont présents à haute température, ce qui donne une microstructure finale de martensite avec carbures. Les carbures contribuent à la résistance à l’usure. Plus on ajoute de carbone au-dessus de 0,7%, plus la quantité de carbures est élevée:
La quantité de carbone « en solution » pour contribuer à la dureté reste la même à une température fixe malgré l’augmentation de la teneur globale en carbone, car le carbone contribue à la formation de carbures. Cependant, si la température est augmentée, alors le carbone en solution augmente le long de la ligne. Si nous regardons un acier à 1% de carbone à 1400°F (point 1), il y a les mêmes 0,7% de carbone en solution qu’un acier avec n’importe quel autre acier avec du carbone supérieur à 0,7%. Les lignes en pointillés montrent le carbone en solution par rapport à la composition globale de l’acier. À 1450°F, il y a 0,8 % de carbone (point 2), et 1 % de carbone en solution à environ 1570°F (point 3). La longueur de la ligne pointillée se raccourcit avec l’augmentation de la température indiquant que la quantité de carbure diminue, jusqu’au point 3 où il n’y a plus de carbure et où il a atteint le domaine de l' »austénite »:
L’ajout de 1.5% de Cr déplace la position du diagramme de phase fer-carbone, vers des températures plus élevées et des teneurs en carbone plus faibles:
Le déplacement du diagramme de phase signifie que pour une même teneur globale en carbone, il y a moins de carbone en solution et une plus grande fraction volumique de carbure. C’est la raison pour laquelle les températures de durcissement / austénitisation recommandées du 52100 sont plus élevées que celles du 1095, généralement 1550°F plutôt que 1475°F. La réduction du carbone en solution par rapport au 1095 contribue à améliorer la ténacité, car un taux de carbone supérieur à environ 0,6 % en solution entraîne la formation de martensite en plaque, ce qui réduit la ténacité. Expérimentalement, le 52100 a environ 0,63% de carbone en solution avec un traitement de trempe à partir de 1550°F qui fournit une dureté maximale sans former de martensite en plaque. Des températures de trempe plus basses réduisent encore le carbone en solution pour une meilleure ténacité. Vous pouvez en savoir plus dans cet article sur la dureté de l’acier. L’augmentation de la fraction de carbure améliore également la résistance à l’usure du 52100, où le 52100 traité thermiquement a environ 6-10% de volume de carbure , et le 1095 a environ la moitié de cela.
Facilité de forgeage, de trempe et de traitement thermique
Avec sa faible teneur en chrome par rapport aux aciers durcissant à l’air comme A2 ou D2, le 52100 est un bon choix pour le forgeage. Il n’a pas de carbures présents aux températures de forgeage comme ces aciers durcissant à l’air, ce qui signifie qu’il se déplace plus facilement sous le marteau. Sa trempabilité moyenne-faible en fait également un bon choix. La faible trempabilité du 1095 signifie que l’eau ou une huile très rapide est nécessaire pour la trempe, tandis que le 52100 est plus tolérant avec des trempes plus lentes. Les trempes plus lentes réduisent le risque de déformation et de fissures de trempe. Un acier plus durcissable comme l’O1, ou les aciers durcissant à l’air, sont très tolérants de ce point de vue, mais cela les rend difficiles à recuire sans un four à température contrôlée. Ces aciers sont également difficiles, voire impossibles, à normaliser car ils durcissent lorsqu’ils sont refroidis à l’air, au lieu de former la perlite souhaitée. Les aciers à haute trempabilité sont également plus susceptibles de se fissurer lors du forgeage à des températures plus basses, ou simplement lors du refroidissement à température ambiante après le forgeage. Par conséquent, le niveau de trempabilité du 52100 est un bon compromis pour la flexibilité de la trempe tout en permettant de normaliser et de recuire avec un cycle simple. L’augmentation de la température et du temps requis pour l’austénitisation par rapport à un acier au carbone simple rend cependant l’austénitisation plus difficile lors d’un traitement thermique dans une forge ou avec une torche plutôt qu’avec un four à commande PID.
Traitement thermique du 52100
Nous avons maintenant un article séparé sur la meilleure façon de traiter thermiquement le 52100.
Comme discuté ci-dessus, l’augmentation de la température de durcissement/austénitisation du 52100 entraîne une augmentation du carbone en solution et une diminution de la fraction de carbure. Cela est également observé expérimentalement, bien que les chiffres soient quelque peu différents de ceux prédits par les diagrammes de phase, car ces prédictions sont pour un temps de maintien infini à la température, par opposition aux 10-30 minutes utilisées dans le traitement thermique. À mesure que le carbone en solution augmente, la quantité d’austénite conservée après la trempe augmente également. Vous pouvez lire pourquoi dans cet article sur le traitement cryogénique de l’acier. Le pic de dureté est atteint à partir d’une température d’austénitisation d’environ 1650°F ; au-delà, une quantité excessive d’austénite résiduelle se forme, ce qui réduit la dureté. Voici le volume d’austénite retenue et de carbure en fonction de la température d’austénitisation :
Avec des températures de revenu plus basses et des températures d’austénitisation plus élevées, la dureté augmente. En utilisant 1650°F et 300°F, on obtient environ 66 Rc , bien que cette condition conduise probablement aussi à une ténacité relativement faible. Un traitement thermique typique d’austénitisation à 1550°F et de revenu à 400°F donne environ 61,5 Rc. De nombreux couteliers utilisent 1475°F et 400°F, ce qui donne environ 59,5 Rc. Je ne sais pas exactement pourquoi ils utilisent 1475°F, peut-être cela vient-il de la copie des traitements thermiques recommandés à partir du 1095. Les couteliers, comme beaucoup d’autres personnes, aiment les chiffres ronds, donc une température d’austénitisation qui conduit au chiffre rond de 60 Rc après un beau chiffre rond de trempe de 400°F est probablement attrayante.
L’utilisation de températures d’austénitisation plus basses peut conduire à une amélioration de la ténacité, ce que vous pouvez lire dans cet article sur l’austénitisation. Typiquement, il est préférable de réduire à la fois la température d’austénitisation et la température de revenu, plutôt que de maintenir la même température d’austénitisation et d’augmenter la température de revenu. L’une des raisons est que le carbone en solution est réduit lorsque la température d’austénitisation est plus basse, comme décrit ci-dessus. Une autre préoccupation est la gamme de « fragilisation de la martensite tempérée » (TME) lors d’un revenu trop élevé, vous pouvez voir une baisse de la ténacité dans la figure ci-dessous en utilisant une température de revenu de 230 ° C (450 ° F) Vous pouvez en savoir plus sur la TME dans cet article sur les ajouts de silicium, un élément qui minimise la fragilisation. Vous pouvez voir l’amélioration de la ténacité du 52100 avec une température d’austénitisation inférieure dans cette figure :
L’augmentation de la température d’austénitisation augmente également la dureté, mais même lorsque la ténacité est tracée en fonction de la dureté, l’amélioration avec une température d’austénitisation inférieure tient toujours. J’ai supprimé les conditions as-quenitized et 230°C tempered parce que ces conditions avaient une mauvaise ténacité:
Triple Quenching
Ed Fowler a également popularisé la « triple trempe » du 52100, un processus par lequel l’acier est austénitisé et trempé plusieurs fois pour affiner le grain et améliorer la ténacité. Le 52100 n’est pas particulièrement plus adapté à la triple trempe que d’autres aciers faiblement alliés, mais le 52100 y est souvent associé et il convient donc de le mentionner. J’ai écrit sur le fonctionnement de la trempe multiple et ses avantages potentiels dans cet article. Nous avons également effectué une triple trempe sur CruForgeV et testé sa ténacité mais n’avons pas trouvé d’amélioration, ce que vous pouvez lire dans cet article.
Austempering et Bainite
Le 52100 est relativement bien adapté à l’austempering pour former de la bainite, par opposition à la formation de martensite avec un traitement thermique de trempe et revenu. L’austempering implique une trempe à une température intermédiaire, telle que 500°F, et un maintien à cette température pendant quelques minutes ou quelques heures, ce qui conduit à la formation de bainite, une phase similaire à la martensite trempée, mais avec des propriétés quelque peu différentes. Certains éléments indiquent que la bainite est plus résistante que la martensite trempée. Vous pouvez en savoir plus sur la bainite et sur certaines expériences réalisées sur le 52100 dans cet article sur la trempe austénitique. Lorsque les aciers ont une trempabilité élevée, l’austempering prend trop de temps pour être réalisable. Pour atteindre des niveaux de dureté élevés, une teneur en carbone relativement élevée est nécessaire avec l’austempering. Ainsi, 52100 a une bonne combinaison de carbone élevé et de trempabilité moyenne pour faciliter l’austempering.
Ténacité de 52100
Malgré toutes les études sur 52100, il est quelque peu difficile de trouver de bonnes comparaisons en termes de ténacité par rapport à d’autres aciers. Beaucoup d’études se concentrent sur le 52100 lui-même, car il est le point de départ étant l’acier à roulement le plus couramment utilisé. Tool Steels classe le 52100 à un « 4 » sur 10, ce qui est similaire à A2, supérieur à O1, M2 et D2, et inférieur à L6 et aux aciers résistant aux chocs, selon le livre. Nous allons bientôt tester un échantillon de 52100 afin de le comparer à notre ensemble de données sur la ténacité. Et si quelqu’un connaît de bons chiffres comparatifs de ténacité publiés, veuillez me les envoyer. En utilisant les classements des aciers à outils, nous pouvons positionner le 52100 parmi d’autres aciers avec des valeurs de ténacité rapportées par Crucible :
Rétention d’arête du 52100
La rétention d’arête du 52100 n’est pas particulièrement élevée, similaire à d’autres aciers au carbone et faiblement alliés. Le volume relativement faible de carbure, plus la faible dureté de la cémentite, signifie qu’il existe d’autres aciers avec une résistance à l’usure et une rétention d’arête de tranchage bien plus élevées. Lors des tests CATRA effectués par Verhoeven, le 52100 s’est avéré avoir une meilleure rétention des arêtes que le 1086 et le Wootz damascus, mais pas aussi bonne que l’AEB-L, un acier inoxydable. Le 1086 est un acier à faible teneur en carbone pour un volume de carbure plus faible, et l’AEB-L a des carbures de chrome plus durs, donc le résultat est logique. Vous pouvez en savoir plus sur la qualité de la rétention des arêtes de tranchage du 52100 par rapport aux autres aciers dans les articles sur la rétention des arêtes CATRA : Partie 1 et Partie 2.
Dans les tests de coupe de corde de Wayne Goddard , le 52100 s’est avéré avoir une rétention d’arête de tranchage similaire à d’autres aciers 60 Rc ; il y avait moins d’effet de l’acier dans ses tests et la dureté était le facteur principal, bien que le Vascowear (CruWear) était un peu meilleur :
Sommaire
Le 52100 a été développé au début des années 1900, et utilisé pour la première fois en 1905. Il a été développé pour être utilisé dans les roulements. Il a été utilisé dans de nombreux couteaux, en partie grâce à ses bonnes propriétés dans le forgeage et en partie parce que les roulements sont une source facile de ferraille. L’ajout de chrome améliore la trempabilité et diminue la taille du carbure pour une amélioration de la ténacité. L’ajout de chrome signifie également que le 52100 nécessite des températures d’austénitisation plus élevées et présente un plus grand volume de carbure par rapport à un simple acier au carbone pour une meilleure résistance à l’usure. La combinaison de la réduction de la taille du carbure et de l’augmentation de la fraction volumique du carbure donne au 52100 une bonne combinaison de ténacité et de résistance à l’usure par rapport aux autres aciers au carbone et alliés. Des températures d’austénitisation plus basses conduisent à une meilleure ténacité. La trempabilité moyenne du 52100 signifie qu’il est bien adapté au forgeage, et aussi un bon candidat pour l’austénitisation pour former de la bainite.
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, et Chikara Ohki. « Influence des conditions de chauffage par induction sur la structure trempée de l’acier SUJ2 ». ISIJ International 58, no 9 (2018) : 1735-1741.
https://www.bladeforums.com/threads/question-about-52100.259561/
Fowler, Ed. Knife Talk : L’art &la science de la fabrication des couteaux. Iola, WI : Krause Publications, 1998.
https://www.bladeforums.com/threads/question-about-52100.259561/
Cappel, Jürgen, Matthias Weinberg, et Rheinhold Flender. « La métallurgie des aciers pour roulements à rouleaux ». Steel Grips 2 (2004) : 261-268.
Stickels, C. A. « Traitements thermiques d’affinage au carbure pour l’acier à roulements 52100. » Metallurgical Transactions 5, no. 4 (1974) : 865-874.
Nutal, Nicolas, Cedric J. Gommes, Silvia Blacher, Philippe Pouteau, Jean-Paul Pirard, Frédéric Boschini, Karl Traina, et Rudi Cloots. « Analyse d’image de la sphéroïdisation de la perlite basée sur la caractérisation morphologique des particules de cémentite ». Analyse d’images & Stéréologie 29, no 2 (2011) : 91-98.
https://matdata.asminternational.org/mgd/index.aspx
Santiago, Rescalvo, et Jose Antonio. Fracture et croissance des fissures de fatigue dans les aciers pour roulements 52100, M-50 et 18-4-1. 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, et 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, et Howard F. Clark. « Tests d’usure des lames de couteau en acier ». Wear 265, no 7-8 (2008) : 1093-1099.
https://sharpeningmadeeasy.com/edge.htm