Grazie a Phil Zhou per essere diventato un sostenitore di Knife Steel Nerds Patreon! Ho iniziato a pubblicare su Patreon i primi risultati di test per cose come esperimenti di trattamento termico, misure di austenite trattenuta, ecc. I dati saranno alla fine pubblicati su questo sito web, ma se si vuole vedere come viene poi ottenere su Patreon.
52100 Storia
52100 è un acciaio relativamente semplice con 1% di carbonio e 1,5% di cromo, e piccole quantità di Mn e Si. L’acciaio 52100 è in uso almeno dal 1905. È stato sviluppato per l’uso nei cuscinetti. Gli acciai ad alto tenore di carbonio (0,8-1,0% C) sono stati usati principalmente fino alla fine del 1800 o all’inizio del 1900, dopo di che sono state fatte aggiunte di cromo agli acciai per cuscinetti. Gli acciai all’1% di Cr sono stati usati nei cuscinetti almeno dal 1903. Questi primi acciai per cuscinetti legati al cromo sono stati prodotti in Germania da Fichtel & Sachs e dalla Deutsche Waffen- und Munitionsfabrik. Acciai al cromo di produzione francese sono stati utilizzati anche nei cuscinetti in un periodo di tempo simile. Il 52100 continua ad essere l’acciaio per cuscinetti più usato, quindi il design dell’acciaio ha certamente superato la prova del tempo. L’acciaio va sotto molti altri nomi come 100Cr6, 1.3505, GCr15, En31 e SUJ2.
Aggiornamento 5/8/2019: Nick Dunham ha postato quanto segue sulla storia della designazione SAE di 52100 (il nome è venuto dopo l’acciaio, ovviamente):
Sembra che nel 1919, la SAE Iron & Steel Division abbia deciso di sostituire 5295 con 52100 come parte del loro settimo rapporto.
5295, a sua volta, è stato introdotto come 52-95 nel terzo rapporto (1912) , e i trattini sono stati rimossi nel quinto rapporto (1913-1914) . Era un acciaio per cuscinetti fin dall’inizio – il terzo rapporto dice degli acciai al cromo della serie 51 e 52, “l’uso di questo tipo di acciaio è limitato quasi interamente ai cuscinetti a sfera e a rulli.”
Il terzo rapporto è stato anche l’introduzione del prefisso a due cifre della serie; nel primo e secondo rapporto (1911), sono stati utilizzati solo codici a due cifre, numerati 1-23 (compresa la ghisa). Non erano elencati gli acciai al cromo. Questo non significa che gli acciai al cromo non esistevano ancora, ma semplicemente che le specifiche SAE non esistevano ancora.
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
Fine aggiornamento
Ed Fowler ha il merito di aver reso popolare il 52100 come acciaio per coltelli nei tempi moderni. Ha prodotto molti coltelli in 52100 e ha scritto ampiamente sulle sue virtù nelle colonne Knife Talk della rivista Blade. Ed è stato introdotto al 52100 sotto forma di cuscinetti a sfera inviati a lui da Wayne Goddard, un altro influente produttore di coltelli che scriveva regolarmente per la rivista Blade. Poiché i cuscinetti erano una forma relativamente comune di acciaio di scarto ad alto tenore di carbonio, il suo uso nei coltelli risale molto più indietro, naturalmente. Coltelli prodotti fino al 1940 in 52100 sono stati segnalati, compresi i coltelli di William Scagel.
52100 Design
La differenza evidente tra 52100 e altri acciai ad alto tenore di carbonio utilizzati dai forgiatori di lame è il suo alto contenuto di cromo del 1,5%. L’aggiunta di Cr è fatta per diverse ragioni, che ho descritto di seguito.
Velocità di tempra
Uno scopo dell’aggiunta di Cr è la “temprabilità”, una misura di quanto velocemente l’acciaio deve essere temprato dall’alta temperatura per raggiungere la piena durezza. Un acciaio al carbonio semplice come il 1095 richiede una tempra in acqua molto veloce per indurirsi completamente, dove si forma una fase dura dell’acciaio chiamata martensite. Il 1095 ha quasi l’1% di carbonio come il 52100 ma senza l’aggiunta di cromo. Se viene temprato in olio lento o lasciato raffreddare all’aria, si forma una certa quantità di “perlite” che riduce la durezza dell’acciaio rispetto alla martensite completa. La perlite è una combinazione di ferrite di carbonio allo 0,02% in peso e cementite di carbonio al 6,67% in peso (Fe3C) che si forma in bande alternate, quindi con un semplice acciaio al carbonio il carbonio deve diffondersi su una breve distanza perché si formino le bande di ferrite e cementite. Anche il cromo si arricchisce nella cementite, quindi in un acciaio legato al cromo anche il cromo deve diffondersi nella cementite per formare la perlite. Il cromo è un atomo molto più grande del carbonio, quindi si diffonde più lentamente. Quindi con un’aggiunta di cromo la formazione di perlite è soppressa e la temprabilità è aumentata.
Questo effetto di temprabilità può essere visto con un grafico Time-Temperature-Transformation (TTT), chiamato anche Isothermal Transformation (IT) dove il “naso” della trasformazione (etichettato come ferrite+carburo) è spinto a tempi più lunghi nel 52100 rispetto al 1095. Questo permette ai cuscinetti di essere completamente induriti in modo da avere una forza sufficiente e quindi resistere alla deformazione durante l’uso. Il nucleo di un cuscinetto si raffredda più lentamente della superficie durante la tempra, quindi la maggiore temprabilità permette di utilizzare cuscinetti più grandi. Il 52100 non è ancora un acciaio ad alta temprabilità, tuttavia, e non è considerato un vero acciaio da “tempra in olio” come l’O1 (al contrario della tempra in acqua). Per i cuscinetti di grandi dimensioni che richiedono una maggiore temprabilità, sono state sviluppate versioni modificate di 52100. Una versione più alta di Mn è stata introdotta a metà degli anni ’30, e una versione legata con Mo dopo la seconda guerra mondiale. Tuttavia, nessuna di queste versioni ha visto un uso significativo nei coltelli.
Il “naso” della curva nel TTT per 1095 si estende effettivamente fuori dal grafico perché il tempo è così breve. La tempra molto veloce è necessaria per evitare la perlite morbida
Il “naso” del TTT del 52100 è a circa 3 secondi, permettendo una tempra meno severa per raggiungere la piena durezza
Effetto del cromo sulla dimensione dei carburi
I carburi sono particelle dure nell’acciaio che migliorano la resistenza all’usura ma riducono la tenacità o la resistenza alla rottura. Pertanto, quantità maggiori di carburi sono desiderabili per applicazioni che richiedono un’alta resistenza all’usura. Le applicazioni che richiedono un’alta tenacità di solito hanno bisogno che i carburi siano il più piccoli possibile e che abbiano una piccola frazione di volume. Un tipico acciaio ad alto carbonio come il 1095 forma particelle dure di carburi di ferro chiamate cementite, con tre atomi di ferro per ogni atomo di carbonio: Fe3C. Gli acciai ad alto contenuto di cromo formano un carburo di cromo come Cr7C3 o Cr23C6. Alcuni credono erroneamente che il 52100 formi uno di questi tipi di carburo di cromo. Tuttavia, non ha abbastanza cromo per formare quei tipi di carburi. Parte del cromo è invece arricchito nella cementite, formando M3C dove M può riferirsi sia al ferro che al cromo. La cementite nel 52100 contiene circa il 9 wt% di cromo.
L’aggiunta di Cr aiuta a ridurre la dimensione dei carburi. Carburi più piccoli significano migliore tenacità e resistenza alla frattura. Il 52100 è noto per la sua dimensione dei carburi molto piccola e l’alta densità dei carburi, anche rispetto ad altri acciai al carbonio e legati come il 1095. La dimensione dei carburi è ridotta da un meccanismo simile all’aumento della temprabilità. Prima di consegnare l’acciaio al cliente finale, l’acciaio viene ricotto per essere morbido per la lavorazione e per prepararlo al trattamento termico finale. Un metodo per la ricottura è quello di raffreddare lentamente l’acciaio dall’alta temperatura per formare la perlite, seguita da un trattamento a temperatura intermedia dove la struttura della perlite viene “sferoidalizzata” per formare piccoli carburi rotondi :
Perché il Cr fa parte dei carburi che si diffonde più lentamente del carbonio, la spaziatura tra la cementite nella perlite è più piccola, e quindi il tasso di “sferoidalizzazione” e di crescita dei carburi rotondi è ridotto. Ecco delle immagini che confrontano il 52100 (in alto) con il 1095 (in basso), dove le particelle bianche sono carburi. Il 1095 è abbastanza fine, ma il 52100 ha una maggiore densità di carburi e la dimensione massima dei carburi è inferiore al 1095.
52100
1095
Frazione di carburi e carbonio in soluzione
Confrontando gli acciai alla stessa temperatura di tempra alta ma con un contenuto di carbonio crescente, la quantità di carbonio in soluzione rimane costante ma la quantità di carburi aumenta. Lo si può vedere guardando il diagramma di fase ferro-carbonio qui sotto; il cerchio nero sulla linea rappresenta il carbonio in soluzione che non cambia con l’aumento del contenuto di carbonio. Tuttavia, con l’aumento del carbonio la linea si estende ulteriormente nel campo “austenite + cementite” indicando che è presente più cementite.
Il diagramma di fase rappresenta la microstruttura dell’acciaio a diversi contenuti di carbonio e temperature. Ad una temperatura di 1400°F, con un contenuto di carbonio tra circa 0,55-0,7%, l’acciaio si trova nella regione “austenite” dove non sono presenti carburi/cementite. Se raffreddato da quella temperatura, la microstruttura finale è una martensite dura senza carburi. Se il contenuto di carbonio è aumentato oltre lo 0,7%, allora i carburi sono presenti all’alta temperatura, risultando in una microstruttura finale di martensite con carburi. I carburi contribuiscono alla resistenza all’usura. Più carbonio viene aggiunto sopra lo 0,7%, più alta è la quantità di carburi presenti:
La quantità di carbonio “in soluzione” per contribuire alla durezza rimane la stessa a una temperatura fissa nonostante l’aumento del contenuto di carbonio sfuso, perché il carbonio contribuisce alla formazione dei carburi. Tuttavia, se la temperatura viene aumentata, il carbonio in soluzione sale lungo la linea. Se guardiamo un acciaio all’1% di carbonio a 1400°F (punto 1) c’è lo stesso 0,7% di carbonio in soluzione di un acciaio con qualsiasi altro acciaio con carbonio maggiore dello 0,7%. Le linee tratteggiate mostrano il carbonio in soluzione rispetto alla composizione dell’acciaio. A 1450°F c’è lo 0,8% di carbonio (punto 2), e l’1% di carbonio in soluzione a circa 1570°F (punto 3). La lunghezza della linea tratteggiata si accorcia con l’aumentare della temperatura indicando che la quantità di carburo sta diminuendo, fino al punto 3 dove non c’è più carburo e si è raggiunto il campo dell'”austenite”:
L’aggiunta di 1.5% Cr sposta la posizione del diagramma di fase ferro-carbonio, a temperature più alte e contenuti di carbonio più bassi:
Lo spostamento del diagramma di fase significa che per lo stesso contenuto di carbonio bulk, c’è meno carbonio in soluzione e una maggiore frazione di volume di carburo. Questo è il motivo per cui le temperature di indurimento/austenitizzazione raccomandate per il 52100 sono più alte del 1095, di solito 1550°F piuttosto che 1475°F. La riduzione del carbonio in soluzione rispetto al 1095 aiuta a migliorare la tenacità, poiché il carbonio sopra lo 0,6% circa in soluzione porta alla martensite di piastra che riduce la tenacità. Sperimentalmente, il 52100 ha circa lo 0,63% di carbonio in soluzione con un trattamento di tempra da 1550°F che fornisce la massima durezza senza formare martensite di piastra. Temperature di tempra inferiori riducono ulteriormente il carbonio in soluzione per una migliore tenacità. Potete leggere di più in questo articolo sulla durezza dell’acciaio. L’aumento della frazione di carburo migliora anche la resistenza all’usura del 52100, dove il 52100 trattato termicamente ha circa il 6-10% di volume di carburo, mentre il 1095 ne ha circa la metà.
Facilità di forgiatura, tempra e trattamento termico
Con il suo basso contenuto di cromo rispetto agli acciai da tempra in aria come A2 o D2, 52100 è una buona scelta per la forgiatura. Non ha carburi presenti alle temperature di forgiatura come quegli acciai da tempra in aria, il che significa che si muove più facilmente sotto il martello. La sua temprabilità medio-bassa lo rende anche una buona scelta. La bassa temprabilità del 1095 significa che l’acqua o l’olio molto veloce sono necessari per la tempra, mentre il 52100 è più indulgente con tempre più lente. Le tempre più lente riducono il rischio di deformazione e di cricche da tempra. Un acciaio più temprabile come l’O1, o gli acciai da tempra ad aria, sono molto indulgenti da questo punto di vista, ma questo li rende difficili da ricuocere senza un forno a temperatura controllata. Questi acciai sono anche difficili o impossibili da normalizzare perché si induriscono quando vengono raffreddati in aria, piuttosto che formare la perlite desiderata. Gli acciai ad alta temprabilità hanno anche maggiori probabilità di incrinarsi quando vengono forgiati a temperature più basse, o semplicemente quando si raffreddano a temperatura ambiente dopo la forgiatura. Pertanto, il livello di temprabilità del 52100 è un buon compromesso per la flessibilità nella tempra mentre è ancora possibile normalizzare e ricuocere con semplici cicli. L’aumento della temperatura e del tempo richiesto per l’austenitizzazione rispetto al semplice acciaio al carbonio, tuttavia, rende l’austenitizzazione più difficile quando si tratta il trattamento termico in una forgia o con una torcia piuttosto che un forno controllato da PID.
Trattamento termico del 52100
Abbiamo ora un articolo separato su come trattare al meglio il 52100.
Come discusso sopra, aumentare la temperatura di tempra/austenitizzazione del 52100 porta ad un aumento del carbonio in soluzione e una diminuzione della frazione di carburo. Questo si vede anche sperimentalmente, anche se i numeri sono un po’ diversi da quelli previsti dai diagrammi di fase, dato che quelle previsioni sono per un tempo infinito di mantenimento della temperatura, al contrario dei 10-30 minuti usati nel trattamento termico. Con l’aumento del carbonio in soluzione, aumenta anche la quantità di austenite trattenuta dopo la tempra. Potete leggere il perché in questo articolo sul trattamento criogenico dell’acciaio. Il picco di durezza viene da una temperatura di austenitizzazione di circa 1650°F; al di sopra di questa si forma un’eccessiva austenite trattenuta che riduce la durezza. Ecco l’austenite trattenuta e il volume dei carburi contro la temperatura di austenitizzazione:
Con temperature di rinvenimento più basse e temperature di austenitizzazione più alte, la durezza aumenta. Usando 1650°F e 300°F si ottiene circa 66 Rc, anche se questa condizione probabilmente porta anche a una tenacità relativamente bassa. Un tipico trattamento termico di austenitizzazione a 1550°F e rinvenimento a 400°F porta a circa 61,5 Rc. Molti coltellinai usano 1475°F e 400°F, che porterebbe a circa 59,5 Rc. Non sono esattamente sicuro del perché usano 1475°F, forse deriva dal copiare i trattamenti termici raccomandati dal 1095. Ai coltellinai, come a molte altre persone, piacciono i numeri tondi, quindi una temperatura di austenitizzazione che porta al numero tondo di 60 Rc dopo un bel numero tondo di 400°F è probabilmente attraente.
Utilizzare temperature di austenitizzazione più basse può portare ad una migliore tenacità, che potete leggere in questo articolo sull’austentizzazione. In genere, è meglio ridurre sia la temperatura di austenitizzazione che quella di rinvenimento, piuttosto che mantenere la stessa temperatura di austenitizzazione e aumentare la temperatura di rinvenimento. Una ragione è che il carbonio in soluzione si riduce quando la temperatura di austenitizzazione è più bassa, come descritto sopra. Un’altra preoccupazione è la gamma di “infragilimento della martensite temperata” (TME) quando si tempera troppo in alto, si può vedere un calo di tenacità nella figura qui sotto quando si usa una temperatura di tempera di 230°C (450°F) Si può leggere di più sul TME in questo articolo sulle aggiunte di silicio, un elemento che minimizza l’infragilimento. Si può vedere il miglioramento della tenacità del 52100 con una temperatura di austenitizzazione più bassa in questa figura :
Aumentando la temperatura di austenitizzazione aumenta anche la durezza, ma anche quando la tenacità è tracciata rispetto alla durezza, il miglioramento con una temperatura di austenitizzazione più bassa è ancora valido. Ho rimosso le condizioni as-quenched e 230°C temperato perché quelle condizioni avevano una scarsa tenacità:
Triple Quenching
Ed Fowler ha anche reso popolare il “triple quenching” del 52100, un processo in cui l’acciaio viene austenitizzato e temprato più volte per raffinare il grano e migliorare la tenacità. Il 52100 non è particolarmente adatto al triplo tempra rispetto ad altri acciai a bassa lega, ma il 52100 è spesso collegato ad esso, quindi vale la pena menzionarlo. Ho scritto su come funziona il quenching multiplo e i suoi potenziali benefici in questo articolo. Abbiamo anche eseguito un triplo quenching su CruForgeV e testato la sua tenacità, ma non abbiamo trovato un miglioramento, di cui potete leggere in questo articolo.
Austempering e bainite
52100 è relativamente adatto all’austempering per formare bainite, al contrario di formare martensite con un trattamento termico di tempra e rinvenimento. L’austempering implica l’estinzione a una temperatura intermedia, come 500°F e il mantenimento per minuti o ore, che porta alla formazione di bainite che è una fase simile alla martensite temperata ma con proprietà un po’ diverse. Ci sono alcune prove che indicano che la bainite ha una maggiore tenacità rispetto alla martensite temperata. Si può leggere di più sulla bainite e su alcuni esperimenti che sono stati fatti sul 52100 in questo articolo sull’austempering. Quando gli acciai hanno un’elevata temprabilità, l’austempering richiede troppo tempo per essere fattibile. Per raggiungere alti livelli di durezza, è necessario un contenuto di carbonio relativamente alto con l’austempering. Quindi il 52100 ha una buona combinazione di alto carbonio e media temprabilità per facilitare l’austempering.
Durezza del 52100
Nonostante tutti gli studi sul 52100, è piuttosto difficile trovare buoni confronti in termini di tenacità rispetto ad altri acciai. Molti degli studi si concentrano sul 52100 stesso, poiché è il punto di partenza essendo l’acciaio per cuscinetti più comunemente usato. Tool Steels valuta il 52100 come un “4” su 10, che è simile ad A2, e superiore a O1, M2 e D2, e inferiore a L6 e agli acciai resistenti agli urti, secondo il libro. Presto testeremo un campione di 52100 per confrontarlo con il nostro attuale set di dati sulla tenacità. E se qualcuno conosce qualche buon numero di tenacità comparativo pubblicato, per favore me lo mandi. Usando le valutazioni degli acciai per utensili possiamo posizionare il 52100 all’interno di altri acciai con valori di tenacità riportati da Crucible:
Ritenzione del bordo del 52100
La ritenzione del bordo del 52100 non è particolarmente alta, simile ad altri acciai al carbonio e basso legati. Il volume relativamente basso di carburo, più la bassa durezza della cementite, significa che ci sono altri acciai con una resistenza all’usura e una ritenzione del bordo molto più alta. Nei test CATRA di Verhoeven, il 52100 è risultato avere una ritenzione del filo superiore al 1086 e al damasco Wootz, anche se non così buona come l’AEB-L, un acciaio inossidabile. Il 1086 è un acciaio a basso contenuto di carbonio per un minor volume di carburi, e l’AEB-L ha carburi di cromo più duri, quindi il risultato ha senso. Potete leggere di più su quanto sia buona la ritenzione del bordo di taglio del 52100 in relazione ad altri acciai negli articoli sulla ritenzione del bordo CATRA: Parte 1 e Parte 2.
Nei test di taglio delle corde di Wayne Goddard, il 52100 è risultato avere una ritenzione del tagliente simile a quella di altri acciai da 60 Rc; c’era meno effetto dell’acciaio nei suoi test e la durezza era il fattore primario, anche se Vascowear (CruWear) era leggermente migliore:
Sommario
52100 fu sviluppato nei primi anni del 1900, e usato per la prima volta nel 1905. È stato sviluppato per l’uso nei cuscinetti. È stato usato in molti coltelli, in parte grazie alle sue buone proprietà nella forgiatura e in parte perché i cuscinetti sono una facile fonte di acciaio di scarto. L’aggiunta di cromo migliora la temprabilità e diminuisce la dimensione del carburo per un miglioramento della tenacità. L’aggiunta di cromo significa anche che il 52100 richiede temperature di austenitizzazione più elevate e ha un volume maggiore di carburo rispetto a un semplice acciaio al carbonio per una migliore resistenza all’usura. La combinazione di dimensioni ridotte dei carburi ma di una maggiore frazione volumetrica dei carburi dà al 52100 una buona combinazione di tenacità e resistenza all’usura rispetto ad altri acciai al carbonio e legati. Temperature di austenitizzazione più basse portano a una migliore tenacità. La media temprabilità del 52100 lo rende adatto alla forgiatura e anche un buon candidato per l’austempering per formare 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, e Chikara Ohki. “Influenza delle condizioni di riscaldamento a induzione sulla struttura temprata dell’acciaio SUJ2”. ISIJ International 58, no. 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, e Rheinhold Flender. “La metallurgia degli acciai per cuscinetti a rulli”. Steel Grips 2 (2004): 261-268.
Stickels, C. A. “Trattamenti termici di raffinazione del carburo per l’acciaio per cuscinetti 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, e Rudi Cloots. “Analisi d’immagine della sferoidizzazione della perlite basata sulla caratterizzazione morfologica delle particelle di cementite”. Image Analysis & Stereology 29, no. 2 (2011): 91-98.
https://matdata.asminternational.org/mgd/index.aspx
Santiago, Rescalvo, e Jose Antonio. Frattura e crescita della cricca di fatica in 52100, M-50 e 18-4-1 acciai per cuscinetti. Diss. Massachusetts Institute of Technology, 1979.
Stickels, C. A. “Trattamenti termici di raffinazione del carburo per l’acciaio per cuscinetti 52100”. Metallurgical Transactions 5, no. 4 (1974): 865-874.
Roberts, G A, e Robert A. Cary. Acciai per utensili. 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, and Howard F. Clark. “Prove di usura delle lame di coltello in acciaio”. Wear 265, no. 7-8 (2008): 1093-1099.
https://sharpeningmadeeasy.com/edge.htm