Agradecimentos a Phil Zhou por se tornar um apoiante do Knife Steel Nerds Patreon! Comecei a postar resultados de testes iniciais para coisas como experimentos de tratamento térmico, medidas de austenita retidas, etc. em Patreon. Os dados eventualmente serão postados neste site, mas se você quiser vê-lo como ele vem, então entre no Patreon.
52100 History
52100 é um aço relativamente simples com 1% de carbono e 1,5% de cromo, e pequenas quantidades de Mn e Si. O aço 52100 está em uso desde pelo menos 1905 . Foi desenvolvido para uso em rolamentos. Aços de alto carbono (0,8-1,0% C) foram utilizados principalmente até o final de 1800 ou início de 1900, após o que foram feitos acréscimos de cromo aos aços para rolamentos. 1% dos aços Cr têm sido utilizados em rolamentos desde pelo menos 1903 . Estes primeiros aços para rolamentos com liga de cromo foram produzidos na Alemanha pela Fichtel & Sachs e pela Deutsche Waffen- und Munitionsfabrik . Os aços ao crómio produzidos na França também foram utilizados em rolamentos em um período de tempo semelhante . 52100 continua a ser o aço para rolamentos mais utilizado , por isso o design do aço certamente resistiu ao teste do tempo. O aço tem muitos outros nomes como 100Cr6, 1.3505, GCr15, En31, e SUJ2.
Atualização 5/8/2019: Nick Dunham postou o seguinte sobre a história da designação SAE de 52100 (o nome veio mais tarde que o aço, é claro):
Parece que em 1919, a SAE Iron & Steel Division decidiu substituir 5295 por 52100 como parte do seu sétimo relatório .
5295, por sua vez, foi introduzido como 52-95 no terceiro relatório (1912) , e os traços foram removidos no quinto relatório (1913-1914) . Foi um aço para rolamentos desde o início – o terceiro relatório diz de 51- e 52- séries de aços cromo, “o uso deste tipo de aço é quase inteiramente restrito a rolamentos de esferas e roletes”.
O terceiro relatório foi também a introdução do prefixo de dois dígitos da série; no primeiro e segundo relatórios (1911), foram usados apenas códigos de dois dígitos, numerados de 1-23 (incluindo ferro fundido). Não foram listados aços ao cromo. Isto não quer dizer que os aços ao cromo ainda não existiam, mas apenas que as especificações do SAE ainda não existiam.
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 deve algum crédito em popularizar o 52100 como uma faca de aço nos tempos modernos. Ele produziu muitas facas no 52100 e escreveu extensivamente sobre suas virtudes em colunas Knife Talk no magazine de lâminas. Ed foi apresentado ao 52100 sob a forma de rolamentos de esferas enviados a ele por Wayne Goddard , outro influente fabricante de facas que escreveu regularmente para a revista Blade. Como os rolamentos eram uma forma relativamente comum de sucata de aço com alto teor de carbono, seu uso em facas se estende muito mais para trás, é claro. Facas produzidas até os anos 40 em 52100 foram relatadas, incluindo facas de William Scagel .
52100 Design
A diferença óbvia entre 52100 e outros aços de alto carbono usados por forjadores de lâminas é seu alto teor de cromo de 1,5%. A adição do Cr é feita por várias razões, que descrevi abaixo.
Velocidade de corte
Uma das finalidades da adição do Cr é a “temperabilidade”, uma medida de quão rápido o aço deve ser revenido de alta temperatura para atingir a dureza total. Um simples aço de carbono como o 1095 requer uma têmpera muito rápida à água para se obter a dureza total, onde se forma uma fase de aço duro chamada martensite. O 1095 tem quase 1% de carbono como o 52100, mas sem a adição de crómio. Se for resfriado em óleo lento ou deixado esfriar ao ar, então forma-se alguma quantidade de “perolita” que reduz a dureza do aço em relação à martensita completa. A perlite é uma combinação de 0,02 wt% de ferrite de carbono e 6,67 wt% de cimento de carbono (Fe3C) que se forma em faixas alternadas, assim, com um simples aço de carbono o carbono deve se difundir em uma curta distância para que as faixas de ferrite e cimento se formem. O crómio também é enriquecido no cimento, de modo que num aço ligado ao crómio o crómio deve também difundir-se no cimento para formar perolita. O crómio é um átomo muito maior do que o carbono, pelo que se difunde mais lentamente. Portanto, com uma adição de cromo a formação de perlite é suprimida e a endurecimento é aumentada.
Este efeito de endurecimento pode ser visto com um gráfico de Tempo-Temperatura-Transformação (TTT), também chamado de Transformação Isotérmica (IT) onde o “nariz” da transformação (rotulado como ferrite+carboneto) é empurrado para tempos mais longos em 52100 em relação a 1095. Isto permite que os rolamentos sejam totalmente endurecidos para que tenham resistência suficiente e, portanto, resistam à deformação durante o uso. O núcleo de um rolamento esfria mais lentamente do que a superfície durante o têmpera, de modo que a maior temperabilidade permite que rolamentos maiores sejam utilizados. O 52100 ainda não é um aço de alta temperabilidade, no entanto, e não é considerado um verdadeiro aço “temperado a óleo” como o O1 (em oposição ao temperamento a água). Para rolamentos grandes que requerem maior temperabilidade, foram desenvolvidas versões modificadas do 52100. Uma versão Mn mais alta foi introduzida em meados da década de 1930, e uma versão Mo-alloyed após a Segunda Guerra Mundial. No entanto, nenhuma dessas versões teve uso significativo em facas.
O “nariz” da curva no TTT para 1095 na verdade se estende fora do gráfico porque o tempo é muito curto. O “nariz” do TTT 52100 é muito rápido para evitar a perolite macia
O “nariz” do TTT 52100 está a cerca de 3 segundos, permitindo um têmpera menos severa para atingir a dureza total
Efeito do Crómio sobre o Tamanho do Metal Duro
Os carbonetos são partículas duras em aço que melhoram a resistência ao desgaste mas reduzem a tenacidade ou resistência à fissuração. Portanto, maiores quantidades de carbonetos são desejáveis para aplicações que requerem alta resistência ao desgaste. Aplicações que requerem alta tenacidade geralmente precisam que os carbonetos sejam tão pequenos quanto possível e que tenham uma pequena fração de volume dos mesmos. Um típico aço de alto carbono como o 1095 forma partículas duras de carburetos de ferro chamadas cimentos, com três átomos de ferro para cada átomo de carbono: Fe3C. Os aços com alto teor de cromo formam um carboneto de cromo como o Cr7C3 ou o Cr23C6. Alguém acredita erroneamente que 52100 forma um desses tipos de carboneto de crómio. Entretanto, ele não possui cromo suficiente para formar esses tipos de carbonetos. Parte do cromo é, ao invés disso, enriquecido no cimento, formando M3C, onde M pode se referir tanto ao ferro quanto ao cromo. O cimento em 52100 contém cerca de 9 wt% de cromo .
A adição de Cr ajuda a reduzir o tamanho do carboneto. Os carburetos menores significam melhor tenacidade e resistência à fratura. O 52100 é conhecido pelo seu tamanho muito pequeno de carboneto e alta densidade de carbonetos, mesmo quando comparado com outros aços carbono e ligas de aço como o 1095. O tamanho do carboneto é reduzido por um mecanismo semelhante ao aumento da temperabilidade. Antes de entregar o aço ao cliente final, o aço é recozido para ser macio para usinagem e para prepará-lo para o tratamento térmico final. Um método de recozimento é o resfriamento lento do aço de alta temperatura para formar perolita, seguido por um tratamento intermediário de temperatura onde a estrutura de perolita é “esferoidizada” para formar pequenos carbonetos redondos :
Porque o Cr é parte dos carbonetos que se difundem mais lentamente do que o carbono, o espaçamento entre os cimentos em perolita é menor, e então a taxa de “esferoidização” e crescimento dos carbonetos redondos é reduzida. Aqui estão imagens comparando 52100 (topo) com 1095 (fundo), onde as partículas brancas são carbonetos. O 1095 é bastante fino, mas o 52100 tem uma maior densidade de carbonetos e o tamanho máximo de carbonetos é menor do que o 1095.
52100
1095
Fracção de carboneto e Carbono em Solução
Ao comparar aços com a mesma temperatura de têmpera elevada mas com o aumento do teor de carbono, a quantidade de carbono em solução permanece constante mas a quantidade de carboneto aumenta. Você pode ver isso olhando o diagrama de fase ferro-carbono abaixo; o círculo preto na linha representa o carbono em solução que não muda com o aumento do teor de carbono. Entretanto, com o carbono mais elevado a linha estende-se mais para o campo “austenita + cimento” indicando que mais cimento está presente.
O diagrama de fases representa a microestrutura do aço a diferentes teores e temperaturas de carbono. A uma temperatura de 1400°F, a um teor de carbono entre cerca de 0,55-0,7% o aço está na região “austenita”, onde não há carbonetos/cementitos presentes. Se resfriado dessa temperatura, a microestrutura final é martensite dura sem carbonetos. Se o teor de carbono for aumentado acima de 0,7%, então os carbonetos estão presentes a alta temperatura, resultando numa microestrutura final de martensite com carbonetos. Os carburetos contribuem para a resistência ao desgaste. Quanto mais carbono é adicionado acima de 0,7%, maior a quantidade de carbonetos presente:
A quantidade de carbono “em solução” para contribuir para a dureza permanece a mesma a uma temperatura fixa, apesar do aumento do conteúdo de carbono a granel, porque o carbono está contribuindo para a formação de carbonetos. Entretanto, se a temperatura for aumentada, então o carbono em solução sobe ao longo da linha. Se olharmos para um aço carbono a 1% a 1400°F (ponto 1), há o mesmo carbono em solução de 0,7% que um aço com qualquer outro aço com carbono maior que 0,7%. As linhas pontilhadas mostram o carbono em solução vs. a composição a granel do aço. A 1450°F há 0,8% de carbono (ponto 2), e 1% de carbono em solução a cerca de 1570°F (ponto 3). O comprimento da linha pontilhada encurta com o aumento da temperatura indicando que a quantidade de carboneto está diminuindo, até o ponto 3 onde não há mais carboneto e ele atingiu o campo “austenita”:
A adição de 1.5% Cr muda a posição do diagrama de fase ferro-carbono, para temperaturas mais altas e menores teores de carbono:
O deslocamento no diagrama de fase significa que para o mesmo teor de carbono a granel, há menos carbono em solução e uma fração de maior volume de carboneto. É por isso que a temperatura de endurecimento/austenitização recomendada de 52100 é superior a 1095, geralmente 1550°F em vez de 1475°F. A redução de carbono em solução versus 1095 ajuda a melhorar a tenacidade, já que o carbono acima de cerca de 0,6% em solução leva à martensita em placas, o que reduz a tenacidade. Experimentalmente, 52100 tem cerca de 0,63% de carbono em solução com um tratamento de endurecimento a partir de 1550°F, o que proporciona máxima dureza sem formar martensita de placas. Baixas temperaturas de endurecimento reduzem ainda mais o carbono em solução para uma melhor tenacidade. Você pode ler mais neste artigo sobre a dureza do aço. O aumento na fração de carbonetos também melhora a resistência ao desgaste de 52100, onde 52100 tratado termicamente tem cerca de 6-10% de volume de carbonetos, e 1095 tem aproximadamente metade disso.
Fase em Forjamento, Têmpera e Tratamento Térmico
Com seu baixo teor de cromo em relação aos aços de têmpera ao ar como A2 ou D2, 52100 é uma boa escolha para forjamento. Não tem carbonetos presentes em temperaturas de forjamento como os aços de têmpera a ar, o que significa que se move mais facilmente sob o martelo. A sua temperabilidade média-baixa também o torna uma boa escolha. A baixa temperabilidade de 1095 significa água ou óleo muito rápido para têmpera, enquanto 52100 é mais tolerante com têmpera mais lenta. Têmperas mais lentas reduzem o risco de empenamento e rachaduras. Um aço mais temperável como o O1, ou aços de têmpera a ar, são muito tolerantes deste ponto de vista, mas isso torna-os difíceis de têmpera sem um forno de temperatura controlada. Esses aços também são difíceis ou impossíveis de normalizar, pois endurecem quando resfriados ao ar, ao invés de formar a perolita desejada. Os aços de elevada temperabilidade são também mais susceptíveis de rachar quando se forjam a temperaturas mais baixas, ou simplesmente quando arrefecem à temperatura ambiente após a forja. Portanto, o nível de endurecimento no 52100 é um bom compromisso para a flexibilidade na têmpera, sendo ainda possível normalizar e recozir com a simples ciclagem. O aumento da temperatura e do tempo necessário para a austenitização em relação ao aço carbono simples, porém, torna a austenitização mais difícil quando o tratamento térmico é feito em uma forja ou com uma tocha, em vez de um forno controlado por PID.
Tratamento térmico de 52100
Temos agora um artigo separado sobre como tratar melhor o calor 52100.
Como discutido acima, aumentar a temperatura de endurecimento/austenitização de 52100 leva a um aumento do carbono em solução e a uma diminuição da fração de carboneto. Isso também é visto experimentalmente, embora os números sejam um pouco diferentes daqueles previstos pelos diagramas de fase, pois essas previsões são para um tempo de retenção infinito à temperatura, ao contrário dos 10-30 minutos usados no tratamento térmico. medida que o carbono em solução aumenta, a quantidade de austenita retida após a têmpera também aumenta. Você pode ler neste artigo sobre o processamento criogênico do aço. O pico de dureza vem de uma temperatura de austenitização de cerca de 1650°F; acima disso, a austenita retida em excesso forma-se, o que reduz a dureza. Aqui é retida a austenita e o volume de carboneto vs a temperatura de austenitização :
Com temperaturas de têmpera mais baixas e temperaturas de austenitização mais altas, a dureza é aumentada. O uso de 1650°F e 300°F resulta em aproximadamente 66 Rc , embora essa condição provavelmente também leve a uma tenacidade relativamente baixa. Um tratamento térmico típico de 1550°F austenitização e 400°F de têmpera resulta em cerca de 61,5 Rc. Muitos fabricantes de facas usam 1475°F e 400°F, o que levaria a cerca de 59.5 Rc. Não sei exatamente por que eles usam 1475°F, talvez venha da cópia dos tratamentos térmicos recomendados a partir de 1095. Knifemakers, como muitas outras pessoas, gostam de números redondos, então uma temperatura austenitizante que leva ao número redondo de 60 Rc depois de um belo número redondo de 400°F é provavelmente atraente.
Usar temperaturas austenitizantes mais baixas pode levar a uma maior dureza, que você pode ler neste artigo sobre austenitização. Normalmente, é melhor reduzir tanto a temperatura austenitizante como a temperatura de têmpera, em vez de manter a mesma temperatura austenitizante e aumentar a temperatura de têmpera. Uma razão é porque o carbono em solução é reduzido quando a temperatura de austenitização é mais baixa, como descrito acima. Outra preocupação é a faixa de “fragilização por martensite temperado” (TME) quando a temperatura de têmpera é muito alta, você pode ver uma queda na tenacidade na figura abaixo ao usar uma temperatura de têmpera de 230°C (450°F) Você pode ler mais sobre TME neste artigo sobre adições de silício, um elemento que minimiza a fragilização. Você pode ver a melhoria da tenacidade de 52100 com menor temperatura de austenitização nesta figura :
Aumento da temperatura de austenitização também aumenta a dureza, mas mesmo quando a tenacidade é plotada versus a dureza, a melhoria com menor temperatura de austenitização ainda se mantém. Eu removi as condições as-quenched e 230°C temperadas porque essas condições tinham baixa tenacidade:
Têmpera tripla
Ed Fowler também popularizou a “têmpera tripla” de 52100, um processo pelo qual o aço é austenitizado e têmpera múltiplas vezes para refinamento de grãos e melhoria da tenacidade. O 52100 não é particularmente adequado para a têmpera tripla do que outros aços de baixa liga, mas o 52100 está frequentemente ligado a ele, pelo que vale a pena mencioná-lo. Escrevi sobre como funciona a têmpera múltipla e seus potenciais benefícios neste artigo. Também realizamos têmpera tripla no CruForgeV e testamos a sua tenacidade mas não encontramos uma melhoria, que pode ler neste artigo.
Austemperatura e Bainite
52100 é relativamente bem adequado para austemperatura para formar bainite, em oposição a formar martensite com um tratamento térmico de têmpera e têmpera. Austemperatura envolve a têmpera a uma temperatura intermédia, como 500°F e a manutenção durante minutos ou horas, o que leva à formação de bananite, que é uma fase semelhante à martensite temperada mas com propriedades um pouco diferentes. Existem algumas evidências que indicam que a bainite tem maior tenacidade do que a martensite temperada. Você pode ler mais sobre a bananite e alguns experimentos que foram realizados em 52100 neste artigo sobre a austempering. Quando os aços têm alta temperabilidade, a austemperatura demora demasiado tempo para ser viável. Para atingir níveis elevados de dureza, é necessário um teor relativamente elevado de carbono com a austemperatura. Assim, o 52100 tem uma boa combinação de carbono elevado e têmpera média para facilitar a austemperatura.
Têmpera de 52100
Apesar de todos os estudos sobre o 52100, é um pouco difícil encontrar boas comparações em termos de tenacidade em relação a outros aços. Muitos dos estudos focam o 52100 em si, pois é o ponto de partida sendo o aço para rolamentos mais comumente utilizado. Os aços para ferramentas classificam o 52100 como um “4” em 10, que é semelhante ao A2, e superior ao O1, M2 e D2, e inferior ao L6 e aos aços resistentes a choques, de acordo com o livro. Em breve testaremos uma amostra de 52100 para comparar com o nosso conjunto de dados de tenacidade atual. E se alguém souber algum bom número de tenacidade comparativa publicado, por favor envie-me. Usando as classificações dos Aços Ferramenta podemos posicionar 52100 dentro de outros aços com valores de tenacidade relatados do Cadinho :
Edge Retention of 52100
Edge retention of 52100 is not particularly high, similar a outros aços carbono e de baixa liga. O volume relativamente baixo de carboneto, mais a baixa dureza do cimento, significa que existem outros aços com muito maior resistência ao desgaste e retenção de arestas de corte. Nos testes CATRA da Verhoeven , 52100 foi constatado que tem uma retenção de arestas superior a 1086 e Wootz damascus, embora não tão boa como o AEB-L, um aço inoxidável. 1086 é um aço de baixo carbono para um menor volume de carbonetos, e o AEB-L tem carbonetos de cromo mais duros, portanto o resultado faz sentido. Você pode ler mais sobre como é boa a retenção das bordas de corte do 52100 em relação a outros aços nos artigos sobre retenção de bordas CATRA: Parte 1 e Parte 2.
Em testes de corte por Wayne Goddard , 52100 foi encontrado que tinha retenção de bordas de corte similar a outros aços 60 Rc; havia menos efeito do aço em seus testes e a dureza era o fator primário, embora Vascowear (CruWear) fosse um pouco melhor:
Sumário
52100 foi desenvolvido no início de 1900, e usado pela primeira vez em 1905. Foi desenvolvido para uso em rolamentos. Tem sido usado em muitas facas, em parte devido às suas boas propriedades na forja e em parte porque os rolamentos são uma fonte fácil de sucata de aço. A adição de cromo melhora a temperabilidade, e diminui o tamanho do metal duro para uma melhoria na tenacidade. A adição de cromo também significa que 52100 requer temperaturas de austenitização mais altas, e tem um maior volume de carboneto em relação a um simples aço carbono para uma melhor resistência ao desgaste. A combinação de tamanho reduzido de carboneto, mas uma fração maior do volume de carboneto dá ao 52100 uma boa combinação de tenacidade e resistência ao desgaste em relação a outros aços carbono e ligas de aço. Temperaturas de austenitização mais baixas levam a uma tenacidade melhorada. A temperabilidade média do 52100 significa que ele é bem adequado para forjamento, e também um bom candidato para austemperar a formação de bainita.
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