A2 Steel – History and Properties

Dank aan Dan Pierson, Steve R. Godfrey, Bryan Fry, en Timothy Becker voor het worden van Knife Steel Nerds Patreon supporters!

History

A2 staal is vrij oud, hoewel het bepalen van het exacte jaar waarin het werd uitgebracht een beetje moeilijk is. A2 staal werd ontwikkeld in het begin van de 20e eeuw tijdens de explosie van gereedschapsstaal die plaatsvond na de ontdekking van hogesnelheidsstaal dat voor het eerst werd gepresenteerd in 1900. U kunt over die geschiedenis lezen in dit artikel: De geschiedenis van het eerste gereedschapsstaal. Tijdens de ontwikkeling van het eerste sneldraaistaal werd overgeschakeld van mangaan naar chroom als het primaire hardingselement, en de meeste sneldraaistalen hadden ongeveer 4% Cr. Dat hoge chroomgehalte was in de eerste plaats bedoeld voor “hardbaarheid”, d.w.z. de mate van afkoeling die nodig is om volledige hardheid te bereiken. Een “waterquenching” staal heeft een lage hardbaarheid en moet zeer snel van hoge temperatuur worden afgekoeld, terwijl een “air hardening” staal in lucht kan worden gelaten en volledig zal uitharden. U kunt meer lezen over de hardbaarheid in dit artikel over afschrikken. Het eerste sneldraaistaal kwam bekend te staan als T1, dat 4% Cr en 18% W (wolfraam) had. De vroegste vermelding die ik heb gevonden van een voorloper van het A2-type staal is in een overzicht van gereedschapsstaal uit 1925, terwijl overzichten van gereedschapsstaal uit 1910 en 1915 geen vergelijkbare staalsoorten bevatten. Daarom zijn deze staalsoorten waarschijnlijk ergens tussen 1915 en 1925 ontstaan.

Update 7/22/20: Ik heb deze voorloper A2-staalsoorten in 1916 gevonden in Machinery journal volume 22, no. 6 in een lijst van merknamen van huidige gereedschapsstalen. Het staal was verkrijgbaar als CYW Choice van Firth-Sterling en Vasco Choice van Vanadium Alloys Steel Company (Vasco). Ik kon niets eerder vinden dus ik weet niet zeker welke het eerst kwam.

(Opmerking: geen van de bovenstaande staalsoorten was tot later onder deze namen bekend)

A2 kwam waarschijnlijk uit de hoge snelheid staalsoorten zoals T1 aangezien die staalsoorten over het algemeen ~4% Cr staalsoorten hadden. Het wolfraam werd verwijderd omdat “hete hardheid” geen vereiste is voor deze staalsoorten. De hoge snelheidsstalen worden gebruikt voor het snijden bij hoge snelheid die hitte opbouwen, terwijl de matrijzenstalen voor het stempelen verrichtingen worden gemaakt die niet doen. Het koolstofgehalte werd verhoogd tot het niveau van andere eenvoudige matrijzenstaalsoorten zoals 1095 of O1, voor een hoge hardheid en slijtvastheid. Het hoge chroomgehalte ten opzichte van 1095 en O1 betekent dat het staal in lucht kon worden gehard voor minder vervorming en scheurvorming van matrijzen.

Ergens tussen 1925 en 1934 werd een versie van deze staalsoorten geproduceerd met een toevoeging van molybdeen. Molybdeen bleek de hardingsreactie in lucht sterk te verbeteren ten opzichte van chroomrijke staalsoorten. Met andere woorden, om de hardbaarheid te verbeteren. Chroom in dergelijke hoge hoeveelheden draagt in hoge mate bij tot de hardbaarheid, maar voor zeer dikke delen was de hardbaarheid nog onvoldoende. Men ontdekte dat de toevoeging van molybdeen aan deze staalsoorten nog grotere onderdelen mogelijk maakte met volledige hardheid. Een voorbeeld was D2 dat in 1928 werd gepatenteerd met een toevoeging van 0,8% Mo, lees meer in mijn artikel over D2. Het is echter niet duidelijk of Comstock, de uitvinder van D2, wist dat het molybdeen bijdroeg aan de luchtharding. In het octrooi zegt hij dat het molybdeen het gebruik van lagere koolstof voor hardheid mogelijk maakt, en dat wolfraam in plaats daarvan zou kunnen worden gebruikt, behalve dat het wolfraam het staal moeilijker te gloeien zou maken. Wolfraam draagt niet bij tot de hardbaarheid, dus als hij het als een vervanging beschouwde, werd het molybdeen waarschijnlijk niet voor dat doel gebruikt. Het is niet zo dat molybdeen onbekend was als een element dat bijdraagt aan de hardbaarheid in die tijd, maar het was nog niet bekend dat toevoeging van molybdeen aan een staal met meer dan 3% Cr zou leiden tot uitstekende luchthardende eigenschappen.

In 1932 werden warmwerk matrijzenstaalsoorten gepatenteerd door James Gill die 5% Cr en 1,5% Mo hadden, en het molybdeen werd specifiek toegevoegd vanwege zijn bijdrage aan de luchthardende werking die leidt tot geringe vervorming bij warmtebehandeling. Deze staalsoorten hebben een relatief laag koolstofgehalte (~0,35%) maar die ontdekking was waarschijnlijk de reden waarom Mo werd toegevoegd aan A2, en misschien heeft de populariteit van deze warmwerkmatrijzenstaalsoorten geleid tot de verhoging van Cr tot 5% bij A2. James Gill was een zeer invloedrijk metallurg waarover ik in dit artikel heb geschreven.

De vroegste vermelding van A2 die ik heb gevonden is van 1939 in een advertentie van Universal-Cyclops staal die beweren het te hebben ontwikkeld, met de naam Sparta staal . Tegen 1944 werd de moderne versie van A2 verkocht door de meeste grote gereedschapsstaalbedrijven. Deze versie had een verdere verhoging van Cr (~5,0%) en Mo (~1,0%) en een kleine toevoeging van vanadium voor korrelgroottebeheersing. De verhoogde hoeveelheden Cr en Mo waren waarschijnlijk bedoeld voor een betere hardbaarheid en slijtvastheid. Het extra Cr zou leiden tot de vorming van meer chroomcarbiden. Een andere reden voor de hogere Mo is waarschijnlijk het secundair harden (ontlaten bij hoge temperatuur) dat een zekere hardheid bij hoge temperatuur kan opleveren voor toepassingen waar dat nodig is. Ook leidt het ontlaten bij hoge temperatuur tot de transformatie van achtergebleven austeniet. Behouden austeniet is soms ongewenst omdat als het austeniet transformeert tijdens het gebruik van het onderdeel dat kan leiden tot kleine dimensionale veranderingen.

Gebruik in messen

A2 wordt al vele jaren gebruikt in messen omdat het alomtegenwoordig is als gereedschapsstaal. Ik vond beweringen dat Harry Morseth A2 begon te gebruiken in de jaren 1930, maar ik vond dit enigszins twijfelachtig omdat A2 ofwel gloednieuw ofwel onbestaand zou zijn geweest in die tijd. David Sharp en John Larsen hielpen me de bewering te onderzoeken door me informatie te geven uit een boek over Morseth. Morseth gebruikte versleten schaafbladen voor zijn eerste messen vanaf de jaren 1920, voordat hij overschakelde op gelamineerd staal. De bewering over A2 staal komt voort uit de overtuiging dat schaafmessen in die tijd vaak van A2 werden gemaakt. Ik denk echter dat dit een geval is van verkeerd geïdentificeerd staal. Ten eerste bestonden alleen de voorlopers van A2-staal tot het eind van de jaren 1930, dat is rond het punt waarop Morseth stopte met het gebruik van schaafbladen. Ten tweede werd zelfs het voorloperstaal A2 in 1934 “bijna uitsluitend gebruikt voor gereedschappen voor het warm vormgeven van metaal”. De schaafbladindustrie is waarschijnlijk groot genoeg om in aanmerking te komen als een voorbehoud bij die verklaring. De voorloper A2 staalsoorten werden vervangen door lagere koolstofhoudende warmwerk matrijzenstaalsoorten zoals H11 en H13, en de uiteindelijke A2 werd al vroeg voornamelijk gebruikt als een koudwerk matrijzenstaal. A2 werd pas in de jaren 1950 zo genoemd, dus de persoon die de schaafbladen als A2 identificeerde, moet dat veel later gedaan hebben dan de tijd dat Morseth ze daadwerkelijk maakte. Het is zeer waarschijnlijk dat de persoon die dat deed zich vergiste in het gebruikelijke schaafbladstaal van die tijd. Daarom acht ik het onwaarschijnlijk dat Morseth daadwerkelijk A2 heeft gebruikt.

Ik heb Ron Lake gebeld en hem gevraagd wanneer hij A2 is gaan gebruiken, omdat hij er om bekend staat dat hij het al vroeg heeft gebruikt. Hij vertelde me dat hij het begon te gebruiken met zijn eerste messen in 1965. Hij had A2 en D2 gebruikt als matrijzenstaal in “modelbouw” (prototyping) werk dat hij deed voor zijn beroep. Op de eerste Knifemaker’s Guild show in 1971, zei hij dat hij geen andere makers had gevonden die het toen gebruikten, en in feite had bijna niemand anders er van gehoord, behalve Bob Loveless. De meeste makers in die tijd gebruikten gerecycled staal en vaak wist de maker niet welk(e) staal(en) hij gebruikte. Ron vertelde me ook dat George Herron in dezelfde tijd A2 begon te gebruiken en hij weet niet of dat onder invloed van Ron was of dat hij het zelfstandig begon te gebruiken.

Ron Lake map uit de vroege jaren 1970. Afbeelding uit

Het is mogelijk dat iemand anders A2 heeft gebruikt in messen eerder dan Ron Lake omdat het een veelgebruikte matrijsstaal was in die tijd. Het is echter waarschijnlijk dat de populariteit van A2 deels te danken was aan de invloed van messenmakers als Lake en Herron. Tegen de jaren 1970 gebruikten andere messenmakers zoals Vernon Hicks en Bill Davis A2. Het staal is tegenwoordig in veel messen te vinden, zoals die van Bark River Knives.

Microstructuur

De microstructuur van A2 is wat grover dan eenvoudige staalsoorten als 1095 en O1, maar fijner dan een staalsoort als D2. D2 heeft een grote hoeveelheid grote chroomcarbiden die het een zeer goede slijtvastheid geven, maar een enigszins slechte taaiheid. Daarom wordt A2 meestal gebruikt in toepassingen waar D2 onvoldoende taai is. Hieronder ziet u de relatieve carbidegrootte (alles bij 1000x) waarbij de carbiden de witte deeltjes zijn.

O1 micrografiek

A2 micrografiek

D2-microfoto

Taaiheidstests

Ik heb nogal wat taaiheidsgegevens over A2 om te delen. Allereerst hebben we onlangs taaiheidsexperimenten gedaan met verschillende warmtebehandelingsparameters. Met dank aan Michael Drinkwine voor het warmtebehandelen en bewerken van de proefstukken voor deze experimenten. Een verrassing bij onze eerdere 5160 experimenten was dat het zeer gevoelig was voor warmtebehandelingsparameters, in tegenstelling tot eerdere resultaten met CruForgeV, AEB-L, en Z-Wear. Dus was ik geïnteresseerd om te zien hoe A2 zich gedraagt. We gebruikten austenitizing temperaturen van 1725-1800°F en ontlaat temperaturen van 300-500°F. Elk werd 20 minuten geweekt bij de austenitiseertemperatuur, plaatgekoeld, 6 uur in vloeibare stikstof gehouden, en dan tweemaal ontlaten gedurende telkens twee uur. We hebben getest met een ondermaats niet-getemperd charpy proefstuk, waarvan de specificaties op deze pagina zijn weergegeven.

In tegenstelling tot bij 5160 was er in geen enkel geval een grote afname in taaiheid door over-austenitizing, onder-tempering, of door getemperde martensietverbrossing:

Er zijn een paar redenen waarom A2 minder gevoelig is voor austeniteren en ontlaten in vergelijking met een eenvoudig staal als 5160. Ten eerste zijn er, zelfs bij een austenitiseertemperatuur van 1800°F, nog steeds chroomcarbiden aanwezig die de korrels op een redelijke grootte houden. De carbiden “pinnen” de korrelgrenzen. Als de korrels groeien, neemt de taaiheid af. 5160 heeft zeer weinig carbide en dus leidt overmatig hardeniteren ertoe dat er geen carbide meer is om de korrels vast te pinnen, de korrelgrootte groeit en de taaiheid neemt af. In termen van ontlaten ging de taaiheid van 5160 omlaag tussen een ontlaattemperatuur van 400 en 500°F, hetgeen bekend staat als “gehard martensietverbrossing”. Deze verbrossing treedt op omdat zich binnen het martensiet grote carbiden vormen die nadelig zijn voor de taaiheid. Verschillende elementen kunnen de vorming van deze carbiden vertragen, waarvan silicium het bekendst is. In voldoende grote hoeveelheden zal chroom echter hetzelfde effect hebben, en daarom ziet A2 dit verschijnsel niet bij een temperatuur van 500°F. U kunt meer lezen over gehard martensiet verbrossing in dit artikel. Omdat we geen belangrijke verbrossingsmechanismen hebben gezien, is er een goede correlatie tussen taaiheid en hardheid. Met andere woorden, een hogere hardheid betekent een lagere taaiheid:

We hebben ook een enkele conditie gedaan met een prequench van 1700°F. In dit artikel kunt u meer lezen over prequenches. Het is een vorm van meervoudig afschrikken om de korrelgrootte in hooggelegeerde staalsoorten te verkleinen. Bij taaiheidsproeven met AEB-L werd een kleine verbetering van de taaiheid gevonden. Bij het testen van A2 werd echter geen verbetering gevonden. Als het al werkte om de korrelgrootte te verkleinen, resulteerde dit niet in een grote verbetering van de taaiheid.

Taaiheid vergeleken

A2 heeft een goede taaiheid, daarom is het in de loop der jaren zo veel gebruikt als matrijzenstaal. Het steekt gunstig af bij staalsoorten met een hogere slijtvastheid, zoals D2. Er zijn echter laaggelegeerde staalsoorten met een lage slijtvastheid, zoals 8670 en 5160, met een betere taaiheid, en er zijn duurdere poedermetallurgiestalen die ook een superieure taaiheid hebben:

Deze resultaten voor A2 vergeleken met andere staalsoorten komen gunstig overeen met de gerapporteerde taaiheid van Carpenter (Unnotched izod) en Crucible (C-kerf charpy). U kunt meer lezen over de verschillende taaiheidstesten in dit artikel.

In de bovenstaande grafieken zijn 10V en PM A11 gelijk, en 420CW en S90V zijn gelijk. CPM-M4 en PM M4 zijn natuurlijk ook hetzelfde. Hieronder staan de taaiheidsgegevens van Knife Steel Nerds in tabelvorm voor een betere vergelijking met de bovenstaande tabellen. Z-Wear is hetzelfde als CPM CruWear, PSF27 is een “sprayform” D2, 40CP is een poedermetallurgie 440C.

De taaiheid van A2 ten opzichte van andere staalsoorten is misschien enigszins verrassend, in die zin dat we zouden verwachten dat die hoger zou zijn met zijn relatief lage volume aan carbide (~6-8%). En de carbiden zijn relatief fijn, zoals de microfoto’s eerder lieten zien. Microfoto’s met lagere vergrotingen van commercieel geproduceerd A2 staal laten echter soms grotere primaire carbiden zien in de orde van 8-15 micron, die niet zijn verwijderd door voorafgaande bewerking. Deze grote carbiden fungeren als scheurinitiatiepunten die de taaiheid kunnen verminderen. Ik weet niet of er commercieel A2 staal beschikbaar is dat zodanig is bewerkt dat deze grotere carbiden worden vermeden. Stalen als AEB-L en 13C26 zijn beroemd om hun speciale bewerking om deze grote carbiden te elimineren voor gebruik in scheermessen.

A2 microfoto toont enkele grotere primaire carbiden. Afbeelding van .

Edit 10/15/2019: Microfoto’s van de A2 die we hebben getest, bevestigen dat er grotere carbiden aanwezig zijn in de microstructuur. Er is geen hoge dichtheid van hen, maar ze zijn verspreid over de microstructuur. Ik heb microfoto’s bij twee verschillende vergrotingen hieronder om ze te zien:

Edge Retention

Ik ben op de hoogte van één CATRA-test met A2, waar het werd vergeleken met O1, M2, en T15 staal. De test werd uitgevoerd met leren schilmesjes met een enkele schuine kant. Ze waren geslepen tot 14-16°. De test werd uitgevoerd in opdracht van Jeff Peachey.

Hoewel het een lagere hardheid heeft dan O1, heeft het toch een duidelijk betere randscherpte. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de grotere hoeveelheid hardere chroomcarbiden, in vergelijking met de zachtere ijzercarbiden (cementiet) in O1. A2 had een iets slechtere randscherpte dan M2, ondanks het feit dat het 2 Rc lager was, terwijl T15, met een hoge slijtvastheid en 5% vanadium, een aanzienlijk betere randscherpte had dan de anderen. In dit artikel over CATRA-testen kunt u lezen over de bepalende factoren voor snijrandvastheid.

Met behulp van dit resultaat, plus de voorspellende vergelijking uit het CATRA-artikel, kan de randvastheid van A2 worden geschat ten opzichte van 440C om te vergelijken met andere messenstalen uit testen van Bohler-Uddeholm en Crucible. Met zijn 6% chroom carbide bij 60 Rc, schat ik de rand retentie op 85% van 440C bij 58-59 Rc.

Het evenwicht tussen randscherpte en taaiheid

Voor de staalsoorten waarvan ik zowel CATRA- als taaiheidsgegevens heb die deelbaar zijn, heb ik taaiheid uitgezet tegen randscherpte om de positie van A2 ten opzichte van andere staalsoorten bij benadering te laten zien:

Voor sommige staalsoorten heb ik geen CATRA-gegevens, maar zijn waarschijnlijk superieur voor zowel taaiheid als slijtvastheid, zoals CPM CruWear of 3V. Deze zijn echter duurder omdat het poedermetallurgie staalsoorten zijn.

Slijpen, polijsten, slijpen en kosten

Het relatief lage volume chroomcarbide maakt A2 veel gemakkelijker te slijpen, polijsten en te scherpen dan de gebruikelijke hoge slijtvastheid staalsoorten die in veel messen worden gebruikt. Dit vermindert ook de tijd en de kosten bij de productie van messen. A2 is een zeer gemeenschappelijk staal en is daarom relatief goedkoop en gemakkelijk te verkrijgen.

Aanbevolen toepassingen

A2 is in een beetje een rare plek, omdat het niet wordt gebruikt door smeden messenmakers omdat het luchthardend, maar ook niet gebruikt door veel voorraad verwijdering mes makers omdat ze de neiging om meer poedermetallurgie gereedschapsstaal en roestvrij staal te gebruiken. A2 heeft een goede taaiheid, beter dan vele hoge slijtvaste staalsoorten. Het biedt ook een groot gemak bij het slijpen en polijsten voor de messenmaker, en gemak bij het slijpen voor de eindgebruiker. Het biedt een beetje weerstand tegen vlekken in vergelijking met eenvoudige koolstofstalen, maar is niet vlekbestendig in de mate van een roestvrij staal, natuurlijk. Het is wel veelzijdig, zo zou een warmtebehandeling tot 64 Rc een zeer goede slijtvastheid en randstabiliteit bieden, terwijl het bij 60 Rc een goede taaiheid heeft. En combinaties van die eigenschappen daartussen.

Conclusies

A2 is een oude stand-by als matrijzenstaal vanwege zijn goede taaiheid en slijtvastheid. Voorloopstalen bestaan al sinds ten minste 1925, en A2 zelf sinds het begin van de jaren veertig. Het was een zeer populair matrijzenstaal en wordt vandaag de dag nog steeds met regelmaat gebruikt. A2 is in messen in gebruik sinds tenminste de jaren 1960 en wordt nog steeds in messen gebruikt. Het is relatief vergevingsgezind in de warmtebehandeling en kan een reeks van austenitizing en ontlaten temperaturen om verschillende hardheidsniveaus voor verschillende combinaties van eigenschappen te bereiken. Hoewel er poedermetallurgiestalen zijn met een superieure combinatie van taaiheid en slijtvastheid, biedt A2 nog steeds voordelen in termen van kosten, slijpbaarheid en slijpbaarheid.

Gill, J.P., and M.A. Frost. “De chemische samenstelling van gereedschapsstaal.” Trans. Am. Soc. Steel Treat 9 (1926): 75-88.

Becker, Otto Matthew. High-speed steel: the development, nature, treatment, and use of high-speed steels, together with some suggestions as to the problems involved in their use. McGraw-Hill book company, 1910.

Hibbard, Henry Deming. Manufacture and uses of alloy steels. J. Wiley & sons, inc., 1919.

Gill, James P., Tool steels: a series of five educational lectures on the selection, properties and uses of commercial tools steels presented to members of the ASM during the 16th National Metal Congress and Exposition, New York City, Oct. 1 to 5, 1934.

Gill, James P. “Steel alloy.” U.S. Patent 1,938,221, uitgegeven 5 december 1933.

“Matrijzenstaal met hoge slijtvastheid.” Machinery 46 (1939): 137.

Gill, James Presley, et al. Tool steels. American Society for Metals, 1944.

Bredenbeck, Richard. “New Developments in Die Materials.” The Iron Age 60 (1944): 60-66.

https://agrussell.com/encyclopedia/a

https://en.wikipedia.org/wiki/Morseth

Beall, James R. and Gordon Morseth Sr. The Keen Edge of Perfection: Een geschiedenis van het Morseth-mes. 2007.

https://metalmuseum.pastperfectonline.com/webobject/9090EEEC-9407-4E17-A98B-299879309566

The Muzzleloader 3-4 (1976): 37.

Tarrant, Bill. “Ladies Only.” Field & Stream december (1977): 119.

Chandler, Harry, ed. Heat treater’s guide: practices and procedures for irons and steels. ASM international, 1994.

http://www.cartech.com

http://www.crucible.com

The Testing of Steel for Leather Paring Knives

Zoals laden…

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *