Phil ZhouがKnife Steel Nerds Patreonサポーターになりました！ありがとうございます。 熱処理実験や保持オーステナイト測定など、初期のテスト結果をPatreonに掲載するようになりました。 1963>
52100 History
52100 は炭素1%、クロム1.5%、少量のMnとSiを含む比較的単純な鋼である。 52100鋼は少なくとも1905年から使用されている。 ベアリングに使用するために開発された。 高炭素鋼（0.8-1.0%C）は1800年代後半から1900年代前半まで主に使用されていたが、その後ベアリング鋼にクロムを添加することが行われるようになった。 1%Cr鋼は、少なくとも1903年以降、ベアリングに使用されている。 これらの初期のクロム合金軸受鋼は、ドイツのFichtel & SachsとDeutsche Waffen- und Munitionsfabrikで生産された。 フランスで生産されたクロム鋼も、同じ時期にベアリングに使用されました。 52100は現在も最も多く使われている軸受鋼であり、その設計は時の試練に耐えてきたと言える。 1963>
Update 5/8/2019: Nick Dunham が、52100 の SAE 名称の歴史について次のように投稿しました（もちろん、名称は鋼よりも後です）:
1919 年に SAE Iron & Steel Division が、その第 7 レポートで 5295 を 52100 に置き換えることを決めたようです … 続きを読む
5295は、第3回報告書（1912）で52-95として紹介され、第5回報告書（1913-1914）でダッシュが削除されました。 第3次報告書では51系と52系クロム鋼について、”この種の鋼の使用はほとんどボールベアリングとローラーベアリングに限定される “と述べています。
第3報は2桁のシリーズ接頭語の導入でもあった。第1報と第2報（1911）では2桁のコードのみが使用され、1～23の番号（鋳鉄を含む）であった。 クロム鋼は記載されていない。 これはクロム鋼がまだ存在しなかったということではなく、単にSAE規格がまだ存在しなかったということです。
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-)
SAE Transactions v6 (1912) https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=coo.31924058349105;view=1up;seq=75
SAE Transactions v7 (1912) SAE Transactions v6 (1912)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は52100を現代にナイフ鋼として普及させた功績はある。 彼は52100で多くのナイフを製造し、ブレード誌のコラム「ナイフ・トーク」でその良さを広く紹介しています。 エドが52100を知ったのは、ブレード誌に連載を持ち、影響力のあるナイフメーカーでもあるウェイン・ゴダードが送ってくれたボールベアリングがきっかけでした。 ベアリングは高炭素鋼のスクラップとして比較的よく使われていたため、ナイフへの使用はもちろんもっと前にさかのぼります。 1963>
52100 Design
52100が他の高炭素鋼と明らかに違うのは、クロムが1.5％と高いことである。 Crの添加にはいくつかの理由があり、以下に説明します。
焼き入れ速度
Cr添加の目的の1つは「焼き入れ性」で、完全な硬度を得るために高温からどれだけ速く急冷されなければならないかという尺度です。 1095のような単純な炭素鋼は、完全に硬化するために非常に速い水冷が必要で、そこでマルテンサイトと呼ばれる硬い鋼相が形成される。 1095は52100と同様にほぼ1％の炭素を持つが、クロムの添加はない。 低速の油で急冷したり、空冷したりすると、ある程度の「パーライト」が形成され、完全なマルテンサイトよりも鋼の硬度が低下する。 パーライトは0.02wt%の炭素フェライトと6.67wt%の炭素セメンタイト（Fe3C）の組み合わせで、交互に帯状に形成されるので、単純な炭素鋼では、フェライトとセメンタイトの帯を形成するためには炭素が短い距離で拡散する必要があります。 クロムもセメンタイトに濃縮されているため、クロム合金鋼ではクロムがセメンタイトに拡散してパーライトが形成される必要がある。 クロムは炭素よりはるかに大きな原子なので、拡散速度が遅い。 1963>
この焼入れ性の効果は、等温変態（IT）とも呼ばれる時間-温度-変態（TTT）グラフで見ることができ、変態の「先端」（フェライト+炭化物と表示）は1095に対して52100でより長い時間に押し上げられています。 これにより、ベアリングは完全に硬化され、十分な強度を持つため、使用中の変形に耐えることができる。 ベアリングのコアは、焼入れの際に表面よりもゆっくりと冷却されるため、焼入れ性が高いほど、より大きなベアリングを使用することができるようになります。 しかし、52100はまだ高硬度鋼ではなく、O1のような真の「油焼入れ」鋼（水焼入れとは異なる）とは考えられていない。 そこで、より高い焼入れ性を必要とする大型軸受のために、52100の改良型が開発された。 1930年代半ばに高Mnバージョンが、第二次世界大戦後にMo合金バージョンが導入された。 1963>
1095のTTTの曲線の「鼻」は、時間が非常に短いため、実際にはグラフから外れて伸びています。 非常に速い焼入れは、柔らかいパーライトを避けるために必要です
52100 TTT の「鼻」は約 3 秒にあり、完全硬度を得るためにそれほど厳しくない焼入れができます
炭化物のサイズに対するクロムの効果
炭化物は鋼中の硬い粒子で、耐摩耗性は向上しますが靭性や割れに対する抵抗は低下します。 したがって、高い耐摩耗性を必要とする用途では、炭化物を多く含むことが望ましい。 高い靭性が要求される用途では、通常、炭化物はできるだけ小さく、その体積分率も小さくする必要がある。 1095のような典型的な高炭素鋼は、炭素原子1個に対して鉄原子3個のセメンタイトと呼ばれる鉄炭化物の硬い粒子を形成している。 Fe3Cである。 高クロム鋼はCr7C3やCr23C6のようなクロム炭化物を形成する。 52100はそのような炭化物を形成していると誤解している人がいる。 しかし、これらのタイプの炭化物を形成するのに十分なクロムを有していない。 クロムの一部はセメンタイトに濃縮され、M3C（Mは鉄またはクロムのいずれかを指す）を形成する。 52100のセメンタイトには約9wt%のクロムが含まれている。
クロムの添加は炭化物のサイズを小さくするのに役立つ。 炭化物を小さくすることは、靭性と破壊に対する抵抗力が向上することを意味する。 52100は1095のような他の炭素鋼や合金鋼と比較しても、非常に小さい炭化物サイズと高い炭化物密度で知られています。 炭化物の大きさは、焼入れ性の向上と同様のメカニズムで小さくなっています。 最終顧客に鋼材を納入する前に、機械加工に適した柔らかさにし、最終熱処理を行うための準備をするために焼鈍が行われる。 焼鈍の方法としては、高温から徐冷し、パーライトを形成させ、その後、中間温度処理でパーライト組織を「球状化」させ、小さな丸い炭化物を形成させる方法がある：
Crは炭素より拡散が遅い炭化物の一部なので、パーライトのセメンタイト間の間隔が狭く、「球状化」して丸い炭化物が成長する速度が低下するのである。 こちらは52100（上）と1095（下）の比較画像で、白い粒子が炭化物です。 1095はかなり細かいですが、52100の方が炭化物の密度が高く、最大炭化物サイズも1095より小さくなっています。
52100
1095
炭化物分率と溶液中の炭素
同じ高硬度で、炭素量が増加した鋼を比べると溶液中の炭素量は一定だが、炭化物は増加することが分かる。 下の鉄-炭素相図を見ていただければわかりますが、線上の黒丸は溶液中の炭素で、炭素量の増加に対して変化しません。 しかし、炭素量が多くなると、線は「オーステナイト＋セメンタイト」領域まで伸び、より多くのセメンタイトが存在することを示しています。
この相図は炭素量と温度の異なる鋼のミクロ組織を表しています。 1400°Fの温度で、約0.55～0.7%の炭素含有量では、鋼は炭化物/セメンタイトが存在しない「オーステナイト」領域にある。 この温度から急冷すると、最終的なミクロ組織は炭化物を含まない硬いマルテンサイトとなる。 炭素含有量が0.7%を超えると、高温で炭化物が存在するようになり、最終的な組織は炭化物を含むマルテンサイトとなる。 この炭化物は耐摩耗性に寄与する。 炭素を0.7%より多く添加すると、炭化物の量が多くなる。
バルク炭素量が増加しても、一定温度では硬度に寄与する「溶液中の」炭素量は変わらない。 しかし、温度が上昇すると、溶液中の炭素はその線上に上がっていきます。 1400°Fの1%炭素鋼（ポイント1）では、0.7%以上の炭素を含む他の鋼と同じ0.7%の炭素が溶液中に存在することになる。 点線は溶液中の炭素と鋼のバルク組成との関係を示している。 1450°Fでは0.8%の炭素が存在し（ポイント2）、約1570°Fでは1%の炭素が溶液中に存在する（ポイント3）。 点線の長さは温度の上昇とともに短くなり、炭化物の量が減少していることを示す。3点目では炭化物が存在しなくなり、「オーステナイト」分野に達している。5%Crは鉄-炭素相図の位置をシフトさせ、より高温でより低い炭素含有量にする：
相図のシフトは、同じバルク炭素含有量で、溶液中の炭素が少なく、炭化物の体積分率が大きくなることを意味しています。 このため、52100 の推奨硬化/焼結温度は 1095 より高く、通常は 1475°F よりも 1550°F です。 溶体中の炭素が約0.6%を超えると板状マルテンサイトになり、靭性が低下するため、1095よりも溶体中の炭素を減らすことが靭性の向上に役立つ。 実験的には、52100は1550°Fからの硬化処理で固溶炭素が約0.63%になり、板状マルテンサイトを形成せずに最大硬度が得られる。 焼入れ温度を下げると、さらに固溶炭素が減少し、靭性が向上する。 鋼の硬度についてはこちらの記事で詳しく解説しています。 炭化物率の増加は52100の耐摩耗性を向上させ、熱処理した52100の炭化物量は約6-10%であり、1095はその約半分です。
鍛造、焼入れ、熱処理の容易性A2やD2などの空気硬化鋼に比べてクロムが少ないので、52100は鍛造に適している。 空気硬化鋼のように鍛造温度で炭化物が発生しないので、ハンマーで容易に叩くことができます。 また、中低硬度であることも良い選択となります。 1095は焼入れ性が低いため、焼入れには水か高速オイルが必要ですが、52100はゆっくりとした焼入れに耐えることができます。 ゆっくりとした焼き入れは、反りや焼き割れのリスクを軽減します。 O1のような焼入れ性の高い鋼や空気硬化鋼は、この点では非常に寛容ですが、その分、温度制御された炉でなければ焼鈍が困難です。 また、これらの鋼は、望ましいパーライトを形成するのではなく、空気中で冷却すると硬化してしまうため、焼ならしが困難か不可能です。 また、高硬度鋼は、低い温度で鍛造した場合や、鍛造後に室温まで冷却した場合に割れが発生しやすい。 従って、52100の焼入れ性のレベルは、焼入れの柔軟性を確保しつつ、簡単なサイクルで焼ならしや焼鈍が可能な良い妥協点であると言えます。 しかし、単純な炭素鋼に比べてオーステナイト化に必要な温度と時間が増加するため、PID制御の炉ではなく、鍛造やトーチで熱処理する場合はオーステナイト化が難しくなります。
52100の熱処理
52100の最適な熱処理方法については、現在別の記事で紹介しています。
上で述べたように、52100の硬化/焼入れ温度を上げると、溶液中の炭素が増加し炭化物率が減少する。 これは実験的にも見られることであるが、その数値は相図によって予測される数値とは多少異なっており、その予測は熱処理で用いられる10-30分とは対照的に、温度での保持時間が無限であるためである。 溶体中の炭素が増加すると、焼入れ後に保持されるオーステナイトの量も増加する。 その理由については、鋼の低温処理に関するこちらの記事で紹介しています。 硬度のピークは1650°F程度のオーステナイト化温度で、それ以上では過剰な残留オーステナイトが形成されて硬度が低下する。 焼戻し温度を低く、オーステナイト化温度を高くすると、硬さは高くなる。 1650°Fと300°Fを用いると約66Rcとなるが、この条件では靱性も比較的低くなるようである。 一般的な熱処理である1550°Fのオーステナイト化と 400°Fの焼戻しでは、約61.5Rcとなる。 多くの刃物メーカーは1475°Fと400°Fを使用しており、これは約59.5Rcになる。 なぜ1475°Fを使うのかはよくわからないが、おそらく1095の推奨熱処理を真似たことに由来しているのだろう。 ナイフメーカーは他の多くの人々と同様、丸い数字が好きなので、400°Fという素晴らしい丸い数字の焼き戻し後に60Rcという丸い数字につながるオーステナイト化温度は、おそらく魅力的でしょう。 一般に、オーステナイト化温度はそのままで、焼き戻し温度を上げるよりも、オーステナイト化温度と焼き戻し温度の両方を下げた方が良い。 その理由の一つは、上記のように、オーステナイト化温度が低い方が、溶液中の炭素が減少するためである。 もう一つの懸念は、焼き戻し温度が高すぎると「焼き戻しマルテンサイト脆化」（TME）の範囲が広がり、下の図のように230℃（450°F）の焼き戻し温度を使うと靭性が低下することがわかります。TMEについては、脆化を最小限に抑える元素であるケイ素添加の記事で詳しく解説しています。 52100の靭性がオーステナイト化温度を下げると向上することがこの図でわかります :
オーステナイト化温度を上げると硬さも上がりますが、靭性を硬さに対してプロットしても、オーステナイト化温度を下げると向上することは変わりません。 焼入れしたままの状態と230℃の焼き戻し状態は靭性が悪いので削除した。
トリプル焼入れ
エド・ファウラーも52100の「トリプル焼入れ」を広めた。これは鋼をオーステナイト化してから何回も焼入れして結晶粒を細かくして靱性を改善させる方法である。 52100は他の低合金鋼と比べて特にトリプル焼入れに適しているわけではありませんが、52100はよくトリプル焼入れと結び付けられるので、触れておく価値はあると思います。 多重焼入れの仕組みとその潜在的な効果についてはこちらの記事で書きました。 また、CruForgeVで3回焼入れを行い、靭性をテストしましたが、改善は見られませんでしたので、こちらの記事で紹介しています。
オーステンパリングとベイナイト
52100は焼入れ・焼戻しの熱処理でマルテンサイトを形成するのに対し、ベナイトを形成するオーステンパリングに比較的よく適している。 オーステンパ処理では、500°Fのような中間温度に急冷し、数分から数時間保持することにより、焼戻しマルテンサイトに類似した相であるが、多少異なる特性を持つベイナイトを形成する。 ベイナイトは焼戻しマルテンサイトよりも靭性が高いことを示す証拠もある。 ベイナイトの詳細と52100で行われた実験については、オーステンパリングに関する記事で紹介しています。 鋼の焼入れ性が高い場合、オーステンパリングは時間がかかりすぎて実行不可能である。 高い硬度レベルに到達するためには、オーステンパリングで比較的高い炭素含有量が必要です。 52100の靭性
52100の靭性については、多くの研究がなされていますが、他の鋼と比較した場合、靭性の面で良い比較を見出すのはやや困難です。 多くの研究は、52100そのものに焦点を当てています。 Tool Steelsは52100を10点満点で「4」と評価しており、これはA2と同様で、O1、M2、D2より高く、L6や耐衝撃鋼より低いと書いてある。 近々、52100のサンプルをテストして、現在の靭性データセットと比較する予定です。 また、どなたか良い比較靭性数値をご存知の方がいらっしゃいましたら、是非ともお送りください。 工具鋼の評価を使用すると、Crucible から報告された靭性値を持つ他の鋼の中で 52100 を位置づけることができます:
52100 の端部保持力
52100 の端部保持力は特に高くなく、他の炭素鋼や低合金鋼に似ています。 炭化物の量が比較的少なく、さらにセメンタイトの硬度が低いため、耐摩耗性やスライス刃の保持力がはるかに高い鋼種が他にあることを意味している。 VerhoevenのCATRAテストでは、52100は1086やWootzダマスカスよりも刃持ちが良いことが分かっていますが、ステンレス鋼であるAEB-Lには及びません。 1086は低炭素鋼で炭化物の量が少なく、AEB-Lはより硬いクロム炭化物なので、この結果は理にかなっています。 52100のスライス刃の保持力が他の鋼材と比較してどの程度優れているかは、CATRA刃の保持力の記事で詳しく紹介しています。 ウェイン・ゴダードのロープ切断テストでは、52100は他の60Rc鋼と同様のスライス刃の保持力を持つことがわかりました。彼のテストでは鋼の影響が少なく、硬さが主な要因でしたが、ヴァスコウェア（CruWear）は多少優れていました：
Summary
52100は1900年代初頭に開発され、1905年に初めて使用されました。 これは、ベアリングに使用するために開発されました。 鍛造での特性が良いことと、ベアリングは鋼のスクラップが出やすいこともあり、多くのナイフに使用されています。 クロムの添加により焼入れ性が向上し、炭化物のサイズを小さくして靭性を向上させている。 また、クロムの添加により、52100はより高いオーステナイト化温度を必要とし、単純な炭素鋼に比べ炭化物の量が多く、耐摩耗性が向上しています。 炭化物サイズの縮小と炭化物体積率の増加の組み合わせにより、52100は他の炭素鋼や合金鋼と比較して、靭性と耐摩耗性の良い組み合わせとなっています。 低いオーステナイト化温度は靭性を向上させます。 52100の中硬度は鍛造に適しており、またベイナイトを形成するためのオーステンパリングにも適しています。
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