Tack till Phil Zhou för att han har blivit en Knife Steel Nerds Patreon-supporter! Jag har börjat publicera tidiga testresultat för saker som experiment med värmebehandling, mätningar av bibehållen austenit etc. på Patreon. Uppgifterna kommer så småningom att läggas ut på den här webbplatsen, men om du vill se dem när de kommer så gå in på Patreon.
52100 Historia
52100 är ett relativt enkelt stål med 1 % kol och 1,5 % krom, och små mängder Mn och Si. Stål 52100 har använts sedan åtminstone 1905 . Det utvecklades för användning i lager. Stål med högt kolinnehåll (0,8-1,0 % C) användes främst fram till slutet av 1800-talet eller början av 1900-talet , varefter kromtillsatser till lagerstål gjordes. Stål med 1 % Cr har använts i lager åtminstone sedan 1903. Dessa tidiga kromlegerade lagerstål tillverkades i Tyskland av Fichtel & Sachs och Deutsche Waffen- und Munitionsfabrik . Fransktillverkade kromstål användes också i lager under en liknande tidsperiod . 52100 fortsätter att vara det mest använda lagerstålet , så stålkonstruktionen har verkligen stått sig genom tiderna. Stålet har många andra namn som 100Cr6, 1.3505, GCr15, En31 och SUJ2.
Uppdatering 2019-05-08: Nick Dunham skrev följande om historien bakom SAE:s beteckning 52100 (namnet kom förstås senare än stålet):
Det verkar som om SAE:s järn- & ståldivision 1919 beslutade att ersätta 5295 med 52100 som en del av sin sjunde rapport .
5295 introducerades i sin tur som 52-95 i den tredje rapporten (1912) , och streck togs bort i den femte rapporten (1913-1914) . Det var ett lagerstål från början – i den tredje rapporten sägs det om kromstål i 51- och 52-serien att ”användningen av denna typ av stål är nästan helt begränsad till kul- och rullager”.
Den tredje rapporten var också införandet av det tvåsiffriga serieprefixet ; i den första och andra rapporten (1911) användes endast tvåsiffriga koder, numrerade 1-23 (inklusive gjutjärn). Inga kromstål fanns med i förteckningen . Detta betyder inte att kromstål inte fanns ännu, utan bara att SAE-specifikationerna inte fanns ännu.
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 har en viss förtjänst när det gäller att popularisera 52100 som knivstål i modern tid. Han har tillverkat många knivar i 52100 och skrivit utförligt om dess förtjänster i Knife Talk-kolumnerna i blade magazine. Ed introducerades till 52100 i form av kullager som skickades till honom av Wayne Goddard , en annan inflytelserik knivmakare som regelbundet skrev för Blade magazine. Eftersom kullager var en relativt vanlig form av skrotstål med högt kolinnehåll sträcker sig dess användning i knivar naturligtvis mycket längre tillbaka i tiden. Knivar som tillverkats så långt tillbaka som på 1940-talet i 52100 har rapporterats, bland annat knivar av William Scagel .
52100 Design
Den uppenbara skillnaden mellan 52100 och andra stål med högt kolinnehåll som används av smedjebladssmeder är dess höga kromhalt på 1,5 %. Cr-tillsatsen görs av flera skäl, som jag har beskrivit nedan.
Skyndighetshastighet
Ett syfte med Cr-tillsatsen är för ”härdbarheten”, ett mått på hur snabbt stålet måste släckas från hög temperatur för att uppnå full hårdhet. Ett enkelt kolstål som 1095 kräver en mycket snabb vattenavkylning för att bli helt härdat, där en hård stålfas som kallas martensit bildas. 1095 har nästan 1 % kol som 52100 men utan kromtillsats. Om stålet släckts i långsam olja eller tillåts luftkylas bildas en viss mängd ”pearlite” som minskar stålets hårdhet i förhållande till full martensit. Pearlit är en kombination av 0,02 viktprocent kolferrit och 6,67 viktprocent kolcementit (Fe3C) som bildas i alternerande band, så med ett enkelt kolstål måste kolet diffundera över en kort sträcka för att banden av ferrit och cementit ska bildas. Krom är också anrikat i cementiten, så i ett kromlegerat stål måste kromet också diffundera in i cementiten för att bilda perlit. Krom är en mycket större atom än kol och diffunderar därför långsammare. Med en kromtillsats undertrycks därför pärlitbildningen och härdbarheten ökar.
Denna härdbarhetseffekt kan ses med en TTT-graf (Time-Temperature-Transformation), även kallad isotermisk omvandling (IT), där omvandlingens ”näsa” (märkt som ferrit+karbid) är förskjuten till längre tider i 52100 i förhållande till 1095. Detta gör att lagren kan härdas helt och hållet så att de har tillräcklig styrka och därför kan motstå deformation under användning. Kärnan i ett lager svalnar långsammare än ytan under avkylning, så den högre härdbarheten gör det möjligt att använda större lager. 52100 är dock fortfarande inte ett stål med hög härdbarhet och anses inte vara ett riktigt ”oljehärdande” stål som O1 (i motsats till vattenhärdande). För stora lager som kräver högre härdbarhet har modifierade versioner av 52100 utvecklats. En version med högre Mn-värde introducerades i mitten av 1930-talet och en Mo-legerad version efter andra världskriget. Ingen av dessa versioner har dock fått någon större användning i knivar.
”Näsan” på kurvan i TTT för 1095 sträcker sig faktiskt utanför diagrammet eftersom tiden är så kort. Mycket snabb släckning krävs för att undvika mjuk pearlite
”Näsan” på 52100 TTT ligger vid cirka 3 sekunder, vilket möjliggör mindre hård släckning för att uppnå full hårdhet
Kromets inverkan på karbidstorleken
Karbider är hårda partiklar i stål som förbättrar slitagetåligheten, men som minskar segheten eller motståndskraften mot sprickbildning. Därför är större mängder karbider önskvärda för tillämpningar som kräver hög slitstyrka. För tillämpningar som kräver hög seghet krävs vanligtvis att karbiderna är så små som möjligt och har en liten volymandel av dem. Ett typiskt stål med hög kolhalt som 1095 bildar hårda partiklar av järnkarbider som kallas cementit, med tre järnatomer för varje kolatom: Fe3C. Stål med hög kromhalt bildar en kromkarbid som Cr7C3 eller Cr23C6. Vissa tror felaktigt att 52100 bildar en av dessa kromkarbidtyper. Det har dock inte tillräckligt med krom för att bilda dessa typer av karbider. En del av kromet är istället anrikat i cementiten och bildar M3C där M kan stå för antingen järn eller krom. Cementiten i 52100 innehåller cirka 9 viktprocent krom .
Tillskottet av Cr bidrar till att minska karbidstorleken. Mindre karbider innebär bättre seghet och motståndskraft mot brott. 52100 är känt för sin mycket lilla karbidstorlek och höga densitet av karbider, även jämfört med andra kol- och legeringsstål som 1095. Karbidstorleken minskar genom en liknande mekanism som ökningen av härdbarheten. Innan stålet levereras till slutkunden glödgas det för att bli mjukt för bearbetning och för att förbereda det för slutlig värmebehandling. En metod för glödgning är att långsamt kyla stålet från hög temperatur för att bilda perlit, följt av en behandling vid en mellantemperatur där perlitstrukturen ”sfäroidiseras” för att bilda små runda karbider :
Om Cr är en del av karbiderna som diffunderar långsammare än kol, blir avståndet mellan cementiter i perlit mindre, och då minskas hastigheten för ”sfäroidiseringen” och tillväxten av de runda karbiderna. Här är bilder som jämför 52100 (överst) med 1095 (nederst), där de vita partiklarna är karbider. 1095 är ganska fin, men 52100 har en större täthet av karbider och den maximala karbidstorleken är mindre än 1095.
52100
1095
Karbidfraktion och kol i lösning
När man jämför stål vid samma höga härdningstemperatur, men med ökande kolhalt, förblir kolmängden i lösning konstant, men mängden karbid ökar. Du kan se det genom att titta på fasdiagrammet järn-kol nedan; den svarta cirkeln på linjen representerar kolet i lösning som inte förändras med ökande kolhalt. Med högre kolhalt sträcker sig dock linjen längre in i fältet ”austenit + cementit” vilket indikerar att mer cementit är närvarande.
Fasdiagrammet representerar stålets mikrostruktur vid olika kolhalter och temperaturer. Vid en temperatur på 1400°F, vid en kolhalt mellan ca 0,55-0,7 % befinner sig stålet i ”austenit”-området där inga karbider/cementit förekommer. Om det släcks från denna temperatur är den slutliga mikrostrukturen hård martensit utan karbider. Om kolhalten ökas till över 0,7 % finns karbider närvarande vid den höga temperaturen, vilket resulterar i en slutlig mikrostruktur av martensit med karbider. Karbiderna bidrar till slitstyrka. Ju mer kol som tillsätts över 0,7 % desto större är mängden karbid:
Mängden kol ”i lösning” som bidrar till hårdheten förblir densamma vid en fast temperatur trots den ökande bulkkolhalten, eftersom kolet bidrar till karbidbildningen. Men om temperaturen höjs så ökar kolet i lösningen längs linjen. Om vi tittar på ett stål med 1 % kol vid 1400°F (punkt 1) finns det samma 0,7 % kol i lösningen som i ett stål med vilket annat stål som helst med mer kol än 0,7 %. De streckade linjerna visar kolet i lösningen i förhållande till stålets sammansättning. Vid 1450°F finns det 0,8 % kol (punkt 2) och 1 % kol i lösning vid ca 1570°F (punkt 3). Den streckade linjens längd förkortas med stigande temperatur vilket indikerar att mängden karbid minskar, fram till punkt 3 där det inte längre finns någon karbid och det har nått ”austenit”-fältet:
Tillförseln av 1.5% Cr förskjuter läget i fasdiagrammet järn-kol, till högre temperaturer och lägre kolhalter:
Fasdiagrammets förskjutning innebär att för samma bulkkolhalt finns det mindre kol i lösningen och en större volymfraktion av karbid. Detta är anledningen till att de rekommenderade härdnings-/austenitiseringstemperaturerna för 52100 är högre än för 1095, vanligtvis 1550°F snarare än 1475°F. Minskningen av kol i lösningen jämfört med 1095 bidrar till att förbättra segheten, eftersom kol över 0,6 % i lösningen leder till plattmartensit som minskar segheten. Experimentellt har 52100 ca 0,63 % kol i lösningen med en härdningsbehandling från 1550°F som ger maximal hårdhet utan att bilda plattmartensit. Lägre härdningstemperaturer minskar kolet i lösningen ytterligare för bättre seghet. Du kan läsa mer i den här artikeln om stålets hårdhet. Ökningen av karbidfraktionen förbättrar också slitstyrkan hos 52100, där värmebehandlad 52100 har cirka 6-10 % karbidvolym , och 1095 har ungefär hälften så mycket.
Lätt att smida, avköla och värmebehandla
Med sin låga kromhalt i förhållande till lufthärdande stål som A2 eller D2 är 52100 ett bra val för smide. Det har inga karbider som förekommer vid smidtemperaturer som de lufthärdande stålen, vilket innebär att det rör sig lättare under hammaren. Dess medel-låga härdbarhet gör det också till ett bra val. Den låga härdbarheten hos 1095 innebär att vatten eller mycket snabb olja krävs för släckning, medan 52100 är mer förlåtande med långsammare släckning. Långsammare avkylning minskar risken för skevhet och sprickbildning vid avkylning. Ett mer härdbart stål som O1, eller lufthärdande stål, är mycket förlåtande ur denna synvinkel, men det gör dem svåra att glöda utan en ugn med kontrollerad temperatur. Dessa stål är också svåra eller omöjliga att normalisera eftersom de härdar när de kyls i luft, i stället för att bilda den önskade pärliten. Stål med hög härdbarhet är också mer benägna att spricka vid smidning vid lägre temperaturer, eller helt enkelt vid nedkylning till rumstemperatur efter smidning. Nivån på härdbarheten i 52100 är därför en bra kompromiss för flexibilitet vid avkylning samtidigt som det fortfarande är möjligt att normalisera och glöda med enkel cykling. Den ökade temperatur och tid som krävs för austenitisering i förhållande till enkelt kolstål gör dock austenitisering svårare vid värmebehandling i en smedja eller med en fackla i stället för i en PID-styrd ugn.
Värmebehandling av 52100
Vi har nu en separat artikel om hur man bäst värmebehandlar 52100.
Som diskuterats ovan leder en höjning av härdnings-/austenitiseringstemperaturen för 52100 till en ökning av kolet i lösningen och en minskning av karbidfraktionen. Detta ses även experimentellt, även om siffrorna är något annorlunda än de som förutsägs av fasdiagrammen, eftersom dessa förutsägelser gäller för en oändlig hålltid vid temperaturen, i motsats till de 10-30 minuter som används vid värmebehandling. När kolet i lösningen ökar, ökar också mängden bibehållen austenit efter avkylning. Du kan läsa om varför i denna artikel om kryogen bearbetning av stål. Toppen i hårdhet kommer från en austenitiseringstemperatur på cirka 1650°F; över denna temperatur bildas alltför mycket bibehållen austenit, vilket minskar hårdheten. Här är behållen austenit- och karbidvolym mot austenitiseringstemperatur :
Med lägre anlöpningstemperaturer och högre austenitiseringstemperaturer ökar hårdheten. Användning av 1650°F och 300°F resulterar i ungefär 66 Rc , även om det tillståndet sannolikt också leder till relativt låg seghet. En typisk värmebehandling med austenitisering vid 1550°F och anlöpning vid 400°F ger cirka 61,5 Rc. Många knivmakare använder 1475°F och 400°F, vilket skulle ge cirka 59,5 Rc. Jag är inte riktigt säker på varför de använder 1475°F, kanske kommer det från kopieringen av rekommenderade värmebehandlingar från 1095. Knivmakare, liksom många andra människor, gillar runda tal, så en austenitiseringstemperatur som leder till det runda talet 60 Rc efter en trevlig rund taltemperatur på 400°F är förmodligen tilltalande.
Användning av lägre austenitiseringstemperaturer kan leda till förbättrad seghet, vilket du kan läsa mer om i den här artikeln om austenitisering. Typiskt sett är det bättre att sänka både austenitiseringstemperaturen och anlöpningstemperaturen än att behålla samma austenitiseringstemperatur och öka anlöpningstemperaturen. En anledning är att kolet i lösningen minskar när austenitiseringstemperaturen är lägre, vilket beskrivs ovan. Ett annat problem är ”tempererad martensitförsprödning” (TME) vid för hög anlöpning, du kan se en minskning av segheten i figuren nedan när du använder en anlöpningstemperatur på 230 °C (450 °F) Du kan läsa mer om TME i den här artikeln om kiseltillsatser, ett element som minimerar försprödning. Du kan se den förbättrade segheten hos 52100 med lägre austenitiseringstemperatur i den här figuren :
Höjning av austenitiseringstemperaturen ökar också hårdheten, men även när segheten plottas mot hårdheten håller förbättringen med lägre austenitiseringstemperatur fortfarande. Jag tog bort förhållandena som släckt och 230 °C härdat eftersom dessa förhållanden hade dålig seghet:
Triple Quenching
Ed Fowler populariserade också ”triple quenching” av 52100, en process genom vilken stålet austenitiseras och släckes flera gånger för kornförfining och förbättrad seghet. 52100 är inte särskilt bättre lämpad för trippelavkylning än andra låglegerade stål men 52100 kopplas ofta samman med detta så det är värt att nämna. Jag skrev om hur flerfaldig avkylning fungerar och dess potentiella fördelar i den här artikeln. Vi utförde också trippelavkylning på CruForgeV och testade dess seghet men fann ingen förbättring, vilket du kan läsa om i den här artikeln.
Austemperering och bainit
52100 lämpar sig relativt väl för austemperering för att bilda bainit, i motsats till att bilda martensit med en avkylnings- och anlöpningsvärmebehandling. Austempering innebär att man släcker till en mellantemperatur, t.ex. 500°F, och håller den där i minuter eller timmar, vilket leder till bildning av bainit som är en fas som liknar tempererad martensit men med något annorlunda egenskaper. Det finns vissa tecken som tyder på att bainit har större seghet än härdat martensit. Du kan läsa mer om bainit och några experiment som har utförts på 52100 i denna artikel om austemperering. När stål har hög härdbarhet tar austempering för lång tid för att vara genomförbart. För att nå höga hårdhetsnivåer krävs en relativt hög kolhalt vid austemperering. Så 52100 har en bra kombination av högt kolinnehåll och medelhög härdbarhet för att underlätta austempering.
Tålighet hos 52100
Trots alla studier på 52100 är det något svårt att hitta bra jämförelser när det gäller seghet i förhållande till andra stål. Många av studierna fokuserar på själva 52100, eftersom det är utgångspunkten eftersom det är det vanligaste lagerstålet. Tool Steels rankar 52100 som en ”4” av 10, vilket liknar A2 och är högre än O1, M2 och D2, och lägre än L6 och stöttåliga stål, enligt boken. Vi kommer snart att testa ett prov av 52100 för att jämföra med vårt nuvarande dataset för seghet. Och om någon känner till några bra publicerade jämförelsetal för seghet får ni gärna skicka dem till mig. Med hjälp av värdena för verktygsstål kan vi placera 52100 inom andra stål med rapporterade seghetsvärden från Crucible :
Edge Retention of 52100
Edge Retention of 52100 is not particularly high, similar to other carbon and low alloy steels. Den relativt låga volymen karbid, plus den låga hårdheten hos cementit, innebär att det finns andra stål med mycket högre slitstyrka och skärkanthållning. I CATRA-tester av Verhoeven visade sig 52100 ha bättre kanthållning än 1086 och Wootz damascus, men inte lika bra som AEB-L, ett rostfritt stål. 1086 är ett stål med lägre kolhalt för lägre karbidvolym, och AEB-L har hårdare kromkarbider, så resultatet är logiskt. Du kan läsa mer om hur bra skivkantshållning 52100 har i förhållande till andra stål i artiklarna om CATRA:s kanthållning: Del 1 och del 2.
I repklippningstester av Wayne Goddard visade sig 52100 ha liknande skärande kanthållning som andra 60 Rc-stål; effekten av stålet var mindre i hans tester och hårdhet var den primära faktorn, även om Vascowear (CruWear) var något bättre:
Sammanfattning
52100 utvecklades i början av 1900-talet och användes för första gången 1905. Den utvecklades för användning i lager. Det har använts i många knivar, delvis på grund av dess goda egenskaper vid smide och delvis för att lager är en lätt källa till stålskrot. Tillsatsen av krom förbättrar härdbarheten och minskar karbidstorleken för att förbättra segheten. Kromtillsatsen innebär också att 52100 kräver högre austenitiseringstemperaturer och har en större volym karbid i förhållande till ett enkelt kolstål för förbättrad slitstyrka. Kombinationen av minskad karbidstorlek men ökad karbidvolymfraktion ger 52100 en bra kombination av seghet och slitstyrka i förhållande till andra kol- och legeringsstål. Lägre austenitiseringstemperaturer leder till förbättrad seghet. Den medelhöga härdbarheten hos 52100 innebär att den är väl lämpad för smide och även en bra kandidat för austemperering för att bilda bainit.
Hengerer F., ”The History of SKF3”, Ball Bearing Journal 231, nr 1, s. 2- 11.
Stribeck, R. ”Ball bearings for various loads”. Trans. ASME 29 (1907): 420-463.
Yuki, Hiroshi, Miyu Sato och Chikara Ohki. ”Influens av induktionsuppvärmningsförhållanden på den avkylda strukturen hos 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 och Rheinhold Flender. ”Metallurgi för stål för rullningslager”. Steel Grips 2 (2004): 261-268.
Stickels, C. A. ”Carbide refining heat treatments for 52100 bearing steel”. Metallurgical Transactions 5, no. 4 (1974): 865-874.
Nutal, Nicolas, Cedric J. Gommes, Silvia Blacher, Philippe Pouteau, Jean-Paul Pirard, Frédéric Boschini, Karl Traina och Rudi Cloots. ”Bildanalys av perlitspheroidisering baserad på morfologisk karakterisering av cementitpartiklar”. Image Analysis & Stereology 29, no. 2 (2011): 91-98.
https://matdata.asminternational.org/mgd/index.aspx
Santiago, Rescalvo och Jose Antonio. Brott och tillväxt av utmattningssprickor i lagerstål i 52100, M-50 och 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, and 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 och Howard F. Clark. ”Slitagetester av knivblad av stål”. Wear 265, no. 7-8 (2008): 1093-1099.
https://sharpeningmadeeasy.com/edge.htm