A2 Stahl – Geschichte und Eigenschaften

Danke an Dan Pierson, Steve R. Godfrey, Bryan Fry, und Timothy Becker für das Werden Knife Steel Nerds Patreon Unterstützer!

Geschichte

A2 Stahl ist ziemlich alt, obwohl die Bestimmung des genauen Jahres es veröffentlicht wurde, ist ein bisschen schwierig. A2-Stahl wurde im frühen 20. Jahrhundert während der Explosion der Werkzeugstähle entwickelt, die nach der Entdeckung des Schnellarbeitsstahls, der erstmals im Jahr 1900 vorgestellt wurde, stattfand. Sie können über diese Geschichte in diesem Artikel lesen: Die Geschichte des ersten Werkzeugstahls. Bei der Entwicklung des ersten Schnellarbeitsstahls wurde von Mangan auf Chrom als primäres Härtbarkeitselement umgestellt, und die meisten Schnellarbeitsstähle hatten etwa 4 % Cr. Dieser hohe Chromgehalt diente in erster Linie der „Härtbarkeit“, d.h. dem Grad der Abkühlung, der erforderlich ist, um die volle Härte zu erreichen. Ein „wasserabschreckender“ Stahl hat eine geringe Härtbarkeit und muss sehr schnell von der hohen Temperatur abgeschreckt werden, während ein „luftabschreckender“ Stahl an der Luft belassen werden kann und vollständig härtet. Sie können mehr über die Härtbarkeit in diesem Artikel über das Abschrecken lesen. Der erste Schnellarbeitsstahl wurde als T1 bekannt, der 4 % Cr und 18 % W (Wolfram) hatte. Die früheste Aufzeichnung, die ich über einen Vorläuferstahl des Typs A2 gefunden habe, ist in einer Zusammenfassung von Werkzeugstählen aus dem Jahr 1925, während Zusammenfassungen von Werkzeugstählen aus den Jahren 1910 und 1915 keine ähnlichen Stähle aufweisen. Daher sind diese Stähle wahrscheinlich irgendwann zwischen 1915 und 1925 entstanden.

Update 22.7.20: Ich habe diese Vorläufer-A2-Stähle im Jahr 1916 in der Zeitschrift Machinery, Band 22, Nr. 6 in einer Liste von Markennamen aktueller Werkzeugstähle gefunden. Der Stahl war als CYW Choice von Firth-Sterling und Vasco Choice von Vanadium Alloys Steel Company (Vasco) erhältlich. Ich konnte nichts früheres finden, so dass ich nicht sicher bin, was zuerst kam.

(Anmerkung: keiner der oben genannten Stähle war unter diesen Namen bekannt, bis später)

A2 kam wahrscheinlich aus den Schnellarbeitsstählen wie T1, da diese Stähle im Allgemeinen ~4% Cr-Stähle hatten. Das Wolfram wurde entfernt, weil „Warmhärte“ keine Anforderung an diese Stähle ist. Schnellarbeitsstähle werden für Zerspanungsvorgänge mit hoher Geschwindigkeit verwendet, bei denen Hitze entsteht, während Gesenkstähle für Stanzvorgänge hergestellt werden, bei denen dies nicht der Fall ist. Der Kohlenstoffgehalt wurde auf das Niveau anderer einfacher Gesenkstähle wie 1095 oder O1 erhöht, um eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit zu erreichen. Der hohe Chromgehalt im Vergleich zu 1095 und O1 bedeutet, dass der Stahl an der Luft gehärtet werden konnte, was zu weniger Verzug und Rissbildung bei Gesenken führte.

Zeitweise zwischen 1925 und 1934 wurde eine Version dieser Stähle mit einem Molybdänzusatz hergestellt. Es wurde festgestellt, dass Molybdän das Härtungsverhalten an der Luft bei hochchromhaltigen Stählen stark verbessert. Mit anderen Worten, die Härtbarkeit wird verbessert. Chrom in solch hohen Mengen trägt stark zur Härtbarkeit bei, aber für sehr dicke Teile war die Härtbarkeit immer noch nicht ausreichend. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von Molybdän zu diesen Stählen noch größere Teile bei voller Härte möglich machte. Ein Beispiel dafür war D2, der 1928 mit einem 0,8%igen Mo-Zusatz patentiert wurde, lesen Sie mehr in meinem Artikel über D2. Es ist jedoch nicht klar, ob Comstock, der Erfinder von D2, wusste, dass das Molybdän zur Lufthärtung beiträgt. Im Patent sagt er, dass das Molybdän die Verwendung von niedrigerem Kohlenstoff für die Härte ermöglicht und dass Wolfram stattdessen verwendet werden könnte, außer dass das Wolfram den Stahl schwieriger zu glühen machen würde. Wolfram trägt nicht zur Härtbarkeit bei, wenn er es also als Ersatz ansah, dann wurde das Molybdän wahrscheinlich nicht zu diesem Zweck verwendet. Es ist nicht so, dass Molybdän als Element, das zur Härtbarkeit beiträgt, zu dieser Zeit unbekannt war, aber es war noch nicht bekannt, dass das Hinzufügen von Molybdän zu einem Stahl mit mehr als 3 % Cr zu hervorragenden Lufthärtungseigenschaften führen würde.

Im Jahr 1932 wurden Warmarbeitsstähle von James Gill patentiert, die 5 % Cr und 1,5 % Mo hatten, und das Molybdän wurde speziell wegen seines Beitrags zur Lufthärtung hinzugefügt, was zu geringer Verformung bei der Wärmebehandlung führte. Diese Stähle haben einen relativ niedrigen Kohlenstoffgehalt (~0,35 %), aber diese Entdeckung war wahrscheinlich der Grund dafür, dass Mo zu A2 hinzugefügt wurde, und vielleicht führte die Beliebtheit dieser Warmarbeitsstähle zur Erhöhung des Cr-Gehalts auf 5 % bei A2. James Gill war ein sehr einflussreicher Metallurge, über den ich in diesem Artikel geschrieben habe.

Die früheste Aufzeichnung von A2, die ich gefunden habe, stammt aus dem Jahr 1939 in einer Anzeige von Universal-Cyclops Steel, die behaupteten, es entwickelt zu haben, genannt Sparta-Stahl . Bis 1944 wurde die moderne Version von A2 von den meisten der großen Werkzeugstahlfirmen verkauft. Diese Version hatte eine weitere Erhöhung von Cr (~5,0 %) und Mo (~1,0 %) sowie einen kleinen Zusatz von Vanadium zur Kontrolle der Korngröße. Die erhöhten Mengen an Cr und Mo waren wahrscheinlich für eine erhöhte Härtbarkeit und Verschleißfestigkeit. Das zusätzliche Cr würde zur Bildung von mehr Chromkarbiden führen. Ein weiterer Grund für den höheren Mo-Gehalt ist wahrscheinlich die sekundäre Härtung (Anlassen bei hohen Temperaturen), die eine gewisse Warmhärte für Anwendungen bieten kann, bei denen dies erforderlich ist. Außerdem führt das Anlassen bei hohen Temperaturen zur Umwandlung von Restaustenit. Restaustenit ist manchmal unerwünscht, denn wenn sich der Austenit während des Betriebs des Teils umwandelt, kann dies zu kleinen Maßänderungen führen.

Verwendung in Messern

A2 wird seit vielen Jahren in Messern verwendet, weil er als Werkzeugstahl allgegenwärtig ist. Ich fand Behauptungen, dass Harry Morseth in den 1930er Jahren begann, A2 zu verwenden, aber ich fand dies etwas fragwürdig, weil A2 zu dieser Zeit entweder brandneu oder nicht existent gewesen wäre. David Sharp und John Larsen halfen mir, diese Behauptung zu untersuchen, indem sie mir Informationen aus einem Buch über Morseth zur Verfügung stellten. Morseth benutzte abgenutzte Hobelklingen für seine frühen Messer, beginnend in den 1920er Jahren, bevor er auf laminierten Stahl umstieg. Die Behauptung, dass es sich um A2-Stahl handelt, kommt von der Annahme, dass Hobelmesser zu dieser Zeit üblicherweise aus A2 hergestellt wurden. Ich glaube jedoch, dass dies ein Fall von falsch identifiziertem Stahl ist. Zum einen gab es bis in die späten 1930er Jahre nur die Vorläufer des A2-Stahls, also etwa zu dem Zeitpunkt, als Morseth die Hobelmesser nicht mehr verwendete. Zweitens wurden selbst die Vorläuferstähle vom Typ A2 im Jahr 1934 „fast ausschließlich für Werkzeuge verwendet, bei denen Metall im heißen Zustand geformt wird“. Die Hobelmesserindustrie ist wahrscheinlich groß genug, um diese Aussage zu untermauern. Die Vorläufer der A2-Stähle wurden durch kohlenstoffärmere Warmarbeitsstähle wie H11 und H13 ersetzt, und der spätere A2 wurde früh hauptsächlich als Kaltarbeitsstahl verwendet. A2 wurde erst in den 1950er Jahren so benannt, so dass die Person, die die Hobelmesser als A2 identifiziert hat, dies viel später als zu der Zeit getan haben muss, als Morseth sie tatsächlich herstellte. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Person, die dies tat, sich über den damals üblichen Hobelmesserstahl geirrt hat. Daher halte ich es für unwahrscheinlich, dass Morseth tatsächlich A2 verwendet hat.

Ich habe Ron Lake angerufen und ihn gefragt, wann er angefangen hat, A2 zu verwenden, weil er dafür bekannt ist, es schon früh verwendet zu haben. Er sagte mir, dass er 1965 mit seinen ersten Messern begann, es zu verwenden. Er hatte A2 und D2 als Matrizenstähle im „Modellbau“ (Prototypenbau) verwendet, den er für seinen Beruf machte. Auf der ersten Knifemaker’s Guild Show im Jahr 1971 sagte er, dass er zu dieser Zeit keine anderen Messermacher fand, die es benutzten, und in der Tat hatte fast niemand außer Bob Loveless davon gehört. Die meisten Hersteller verwendeten zu dieser Zeit recycelten Stahl und im Allgemeinen wussten die Hersteller nicht, welche(n) Stahl(e) sie verwendeten. Ron erzählte mir auch, dass George Herron zu einer ähnlichen Zeit anfing, A2 zu verwenden, und er weiß nicht, ob das auf Rons Einfluss zurückzuführen war oder ob er unabhängig davon anfing, es zu verwenden.

Ron Lake Ordner aus den frühen 1970er Jahren. Bild aus

Es ist möglich, dass jemand anderes A2 in Messern früher als Ron Lake verwendet hat, weil es zu dieser Zeit ein gängiger Gesenkstahl war. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass die Popularität von A2 zum Teil auf den Einfluss von Messermachern wie Lake und Herron zurückzuführen ist. In den 1970er Jahren verwendeten andere Messermacher wie Vernon Hicks und Bill Davis A2. Der Stahl ist heute in vielen Messern erhältlich, wie z.B. in denen von Bark River Knives.

Mikrostruktur

Die Mikrostruktur von A2 ist etwas gröber als einfache Stähle wie 1095 und O1, aber feiner als ein Stahl wie D2. D2 hat eine große Menge an großen Chromkarbiden, die ihm eine sehr gute Verschleißfestigkeit, aber eine etwas schlechte Zähigkeit verleihen. Daher wird A2 typischerweise in Anwendungen eingesetzt, bei denen D2 eine unzureichende Zähigkeit aufweist. Unten sehen Sie die relative Karbidgröße (alle bei 1000x), wobei die Karbide die weißen Partikel sind.

O1 Schliffbild

A2 Schliffbild

D2 Schliffbild

Zähigkeitstests

Ich habe eine ganze Reihe von Daten zur Zähigkeit von A2. Zunächst einmal haben wir kürzlich eine Reihe von Zähigkeitsexperimenten mit verschiedenen Wärmebehandlungsparametern durchgeführt. Vielen Dank an Michael Drinkwine für die Wärmebehandlung und Bearbeitung der Proben für diese Experimente. Eine Überraschung bei unseren früheren Experimenten mit 5160 war, dass es sehr empfindlich auf die Wärmebehandlungsparameter reagierte, im Gegensatz zu früheren Ergebnissen mit CruForgeV, AEB-L und Z-Wear. Daher war ich daran interessiert, zu sehen, wie sich A2 verhält. Wir verwendeten Austenitisierungstemperaturen von 1725-1800°F und Anlasstemperaturen von 300-500°F. Jedes Teil wurde 20 Minuten lang bei der Austenitisierungstemperatur eingeweicht, abgeschreckt, 6 Stunden lang in flüssigem Stickstoff gehalten und dann zweimal für jeweils zwei Stunden angelassen. Wir haben mit einer ungekerbten Charpy-Probe in Untergröße getestet, deren Spezifikationen auf dieser Seite gezeigt werden.

Im Gegensatz zu 5160 gab es in keinem Fall einen großen Abfall der Zähigkeit durch Überhärtung, Unterhärtung oder durch Versprödung des angelassenen Martensits:

Es gibt ein paar Gründe, warum A2 im Vergleich zu einem einfachen Stahl wie 5160 weniger empfindlich auf Austenitisierung und Anlassen reagiert. Zum einen sind selbst bei einer Austenitisierungstemperatur von 1800°F noch Chromkarbide vorhanden, die die Körner auf einer vernünftigen Größe halten. Die Karbide „fixieren“ die Korngrenzen. Wenn die Körner wachsen, sinkt die Zähigkeit. 5160 hat nur sehr wenig Karbid, so dass eine Überhärtung dazu führt, dass kein Karbid mehr vorhanden ist, um die Körner zu fixieren, die Korngröße wächst, und die Zähigkeit nimmt ab. Beim Anlassen sinkt die Zähigkeit von 5160 zwischen einer Anlasstemperatur von 400 und 500°F, was als „Versprödung des angelassenen Martensits“ bezeichnet wird. Diese Versprödung tritt auf, weil sich innerhalb des Martensits große Karbide bilden, die der Zähigkeit abträglich sind. Verschiedene Elemente können die Bildung dieser Karbide verzögern, am bekanntesten ist Silizium. In ausreichend großen Mengen hat Chrom jedoch den gleichen Effekt, weshalb A2 dieses Phänomen bei einer Temperatur von 500°F nicht beobachtet. Sie können mehr über die Versprödung von angelassenem Martensit in diesem Artikel lesen. Da wir keine größeren Versprödungsmechanismen gesehen haben, gibt es eine gute Korrelation zwischen Zähigkeit und Härte. Mit anderen Worten, höhere Härte bedeutet geringere Zähigkeit:

Wir haben auch einen einzelnen Zustand mit einer Vorabkühlung von 1700°F durchgeführt. Sie können über Vorabschreckungen in diesem Artikel lesen. Es ist eine Form des Mehrfachabschreckens, um die Korngröße in hochlegierten Stählen zu verringern. Bei der Prüfung der Zähigkeit von AEB-L wurde eine kleine Verbesserung der Zähigkeit festgestellt. Bei der Prüfung von A2 wurde jedoch keine Verbesserung festgestellt. Wenn es funktioniert hat, die Korngröße zu verringern, hat dies nicht zu einer großen Verbesserung der Zähigkeit geführt.

Zähigkeit im Vergleich

A2 hat eine gute Zähigkeit, weshalb er im Laufe der Jahre so häufig als Werkzeugstahl verwendet wurde. Er lässt sich gut mit höher verschleißfesten Stählen wie D2 vergleichen. Es gibt jedoch niedrig legierte Stähle mit geringerer Verschleißfestigkeit wie 8670 und 5160 mit besserer Zähigkeit, und es gibt teurere pulvermetallurgische Stähle, die ebenfalls eine höhere Zähigkeit aufweisen:

Diese Ergebnisse für A2 im Vergleich zu anderen Stählen decken sich gut mit den von Carpenter (Unnotched izod) und Crucible (C-notch charpy) . Sie können über die verschiedenen Arten der Zähigkeitsprüfung in diesem Artikel lesen.

In den obigen Diagrammen sind 10V und PM A11 gleich, und 420CW und S90V sind gleich. CPM-M4 und PM M4 sind natürlich auch gleich. Nachfolgend sind die Zähigkeitsdaten von Knife Steel Nerds in Tabellenform dargestellt, um einen besseren Vergleich mit den obigen Tabellen zu ermöglichen. Z-Wear ist dasselbe wie CPM CruWear, PSF27 ist ein „spritzgegossener“ D2, 40CP ist ein pulvermetallurgisch hergestellter 440C.

Die Zähigkeit von A2 im Vergleich zu anderen Stählen mag etwas überraschen, da man erwarten könnte, dass sie bei seinem relativ geringen Karbidanteil (~6-8%) höher ist. Und die Karbide sind relativ fein, wie in den Schliffbildern zuvor gezeigt wurde. Allerdings zeigen Schliffbilder mit geringerer Vergrößerung von kommerziell hergestelltem A2-Stahl manchmal größere Primärkarbide in der Größenordnung von 8-15 Mikrometern, die durch die vorherige Bearbeitung nicht entfernt wurden. Diese großen Karbide wirken als Rissinitiierungspunkte, die die Zähigkeit verringern können. Ich weiß nicht, ob es kommerziellen A2-Stahl gibt, der so bearbeitet wird, dass diese größeren Karbide vermieden werden. Stähle wie AEB-L und 13C26 werden bekanntlich speziell bearbeitet, um diese großen Karbide für die Verwendung in Rasiermessern zu eliminieren.

A2 Mikroskopische Aufnahme, die einige größere Primärkarbide zeigt. Bild aus .

Edit 15.10.2019: Schliffbilder des von uns getesteten A2 bestätigen, dass größere Karbide im Gefüge vorhanden sind. Es gibt keine hohe Dichte von ihnen, aber sie sind über das gesamte Gefüge verstreut. Ich habe unten Schliffbilder in zwei verschiedenen Vergrößerungen, um sie zu sehen:

Edge Retention

Ich weiß von einem CATRA-Test mit A2, wo es mit O1, M2 und T15 Stählen verglichen wurde. Der Test wurde mit Schälmessern aus Leder durchgeführt, die einen einfachen Anschliff haben. Sie wurden auf 14-16° geschliffen. Der Test wurde von Jeff Peachey in Auftrag gegeben.

Trotz der geringeren Härte als O1, hatte er eine deutlich bessere Schnitthaltigkeit. Dies ist wahrscheinlich auf den größeren Anteil an härteren Chromkarbiden im Vergleich zu den weicheren Eisenkarbiden (Zementit) in O1 zurückzuführen. A2 hatte einen geringfügig schlechteren Kantenhalt als M2, obwohl es 2 Rc niedriger war, während das hochverschleißfeste, 5%ige Vanadium T15 einen deutlich besseren Kantenhalt als die anderen hatte. Sie können über die steuernden Faktoren für die Schneidkantenerhaltung in diesem Artikel über CATRA-Tests lesen.

Anhand dieses Ergebnisses und der Vorhersagegleichung aus dem CATRA-Artikel kann die Schneidkantenerhaltung von A2 relativ zu 440C geschätzt werden, um sie mit anderen Messerstählen aus Tests von Bohler-Uddeholm und Crucible zu vergleichen. Mit seinen 6 % Chromkarbid bei 60 Rc schätze ich die Schnitthaltigkeit auf 85 % von 440C bei 58-59 Rc.

Kantenhaltungs-/Zähigkeitsbilanz

Für die Stähle, für die ich sowohl CATRA- als auch Zähigkeitsdaten habe, die geteilt werden können, habe ich die Zähigkeit gegen den Kantenhalt aufgetragen, um die ungefähre Position von A2 im Vergleich zu anderen Stählen zu zeigen:

Es gibt einige Stähle, für die ich keine CATRA-Daten habe, die aber wahrscheinlich sowohl bei der Zähigkeit als auch bei der Verschleißfestigkeit überlegen sind, wie CPM CruWear oder 3V. Diese sind jedoch teurer, da es sich um pulvermetallurgische Stähle handelt.

Schleifen, Polieren, Schärfen und Kosten

Das relativ geringe Volumen an Chromkarbid macht A2 viel einfacher zu schleifen, polieren und schärfen als die üblichen Stähle mit hoher Verschleißfestigkeit, die in vielen Messern verwendet werden. Dies reduziert auch den Zeit- und Kostenaufwand bei der Herstellung von Messern. A2 ist ein sehr verbreiteter Stahl und daher relativ preiswert und leicht zu beschaffen.

Empfohlene Anwendungen

A2 befindet sich in einer etwas seltsamen Lage, da er nicht von Schmiedemesserschmieden verwendet wird, weil er luftgehärtet ist, aber auch nicht von vielen Abtragsmessermachern, weil diese eher pulvermetallurgische Werkzeugstähle und rostfreie Stähle verwenden. A2 hat eine gute Zähigkeit, besser als viele hochverschleißfeste Stähle. Es bietet auch eine große Leichtigkeit beim Schleifen und Polieren für den Messermacher und eine Leichtigkeit beim Schärfen für den Endverbraucher. Er bietet ein wenig Fleckenbeständigkeit im Vergleich zu einfachen Kohlenstoffstählen, ist aber natürlich nicht in dem Maße fleckenbeständig wie ein rostfreier Stahl. Er hat eine gewisse Vielseitigkeit, so dass er bei einer Wärmebehandlung auf 64 Rc eine sehr gute Verschleißfestigkeit und Kantenstabilität bietet, während er bei 60 Rc eine gute Zähigkeit aufweist. Und Kombinationen dieser Eigenschaften dazwischen.

Schlussfolgerungen

A2 ist ein alter Bekannter als Matrizenstahl wegen seiner guten Zähigkeit und Verschleißfestigkeit. Vorläuferstähle gibt es seit mindestens 1925, A2 selbst seit den frühen 1940er Jahren. Er war ein sehr beliebter Gesenkstahl und wird auch heute noch regelmäßig verwendet. A2 wurde mindestens seit den 1960er Jahren in Messern verwendet und wird immer noch in Messern verwendet. Er ist relativ fehlerverzeihend bei der Wärmebehandlung und kann eine Reihe von Austenitisierungs- und Anlasstemperaturen aufnehmen, um verschiedene Härtegrade für verschiedene Kombinationen von Eigenschaften zu erreichen. Obwohl es pulvermetallurgische Stähle gibt, die eine bessere Kombination aus Zähigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen, bietet A2 immer noch Vorteile in Bezug auf Kosten, Schleifbarkeit und Schärfbarkeit.

Gill, J. P., und M. A. Frost. „The Chemical Composition of Tool Steels“. Trans. Am. Soc. Steel Treat 9 (1926): 75-88.

Becker, Otto Matthew. Schnellarbeitsstahl: Entwicklung, Beschaffenheit, Behandlung und Verwendung von Schnellarbeitsstählen, zusammen mit einigen Vorschlägen zu den Problemen, die bei ihrer Verwendung auftreten. McGraw-Hill Buchgesellschaft, 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, erteilt am 5. Dezember 1933.

„Die Steel with High Wear Resistance.“ 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. und Gordon Morseth Sr. The Keen Edge of Perfection: A History of the Morseth Knife. 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

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