Acero A2 – Historia y Propiedades

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Historia

El acero A2 es bastante antiguo, aunque determinar el año exacto en que fue lanzado es un poco difícil. El acero A2 se desarrolló a principios del siglo XX durante la explosión de los aceros para herramientas que se produjo tras el descubrimiento del acero de alta velocidad que se presentó por primera vez en 1900. Puede leer sobre esa historia en este artículo: La historia del primer acero para herramientas. Durante el desarrollo del primer acero rápido se incluyó el cambio del manganeso al cromo como elemento principal de templabilidad, y la mayoría de los aceros rápidos tenían alrededor de un 4% de Cr. Ese alto contenido de cromo se destinaba principalmente a la «templabilidad», que es el grado de enfriamiento necesario para alcanzar la dureza total. Un acero de «temple en agua» tiene una baja templabilidad y debe enfriarse muy rápidamente desde una temperatura alta, y un acero de «temple en aire» puede dejarse al aire y se endurecerá por completo. Puede leer más sobre la templabilidad en este artículo sobre el temple. El primer acero rápido llegó a conocerse como T1, que tenía un 4% de Cr y un 18% de W (tungsteno). El primer registro que he encontrado de un acero precursor del tipo A2 se encuentra en un resumen de aceros para herramientas de 1925, mientras que los resúmenes de aceros para herramientas de 1910 y 1915 no incluyen ningún acero similar. Por lo tanto, estos tipos de aceros probablemente surgieron en algún momento entre 1915 y 1925.

Actualización 22/7/20: He encontrado estos aceros precursores del tipo A2 disponibles en 1916 en la revista Machinery volumen 22, nº 6 en una lista de marcas de aceros para herramientas actuales. El acero estaba disponible como CYW Choice de Firth-Sterling y Vasco Choice de Vanadium Alloys Steel Company (Vasco). No he podido encontrar nada anterior así que no estoy seguro de cuál fue el primero.

(Nota: ninguno de los aceros anteriores fue conocido por estos nombres hasta más tarde)

El A2 probablemente salió de los aceros de alta velocidad como el T1 ya que esos aceros generalmente tenían ~4% de Cr. El tungsteno se eliminó porque la «dureza en caliente» no es un requisito de estos aceros. Los aceros de alta velocidad se utilizan para operaciones de corte a alta velocidad que acumulan calor, mientras que los aceros para matrices se fabrican para operaciones de estampación que no lo hacen. El carbono se incrementó hasta el nivel de otros aceros para matrices simples como el 1095 o el O1, para obtener una alta dureza y resistencia al desgaste. El alto contenido de cromo en relación con el 1095 y el O1 significa que el acero podía endurecerse al aire para reducir la distorsión y el agrietamiento de las matrices.

En algún momento entre 1925 y 1934 se produjo una versión de estos aceros con una adición de molibdeno. Se estaba descubriendo que el molibdeno mejoraba en gran medida la respuesta de endurecimiento en el aire con los aceros de alto cromo. En otras palabras, para mejorar la templabilidad. El cromo en cantidades tan elevadas contribuye en gran medida a la templabilidad, pero para piezas muy gruesas la templabilidad seguía siendo insuficiente. Se descubrió que la adición de molibdeno a estos aceros permitía obtener piezas aún más grandes con una dureza total. Un ejemplo fue el D2, que se patentó en 1928 con una adición de 0,8% de Mo; lea más en mi artículo sobre el D2. Sin embargo, no está claro si Comstock, el inventor del D2, sabía que el molibdeno contribuía al endurecimiento por aire. En la patente dice que el molibdeno permite el uso de menos carbono para la dureza, y que el tungsteno podría usarse en su lugar, excepto que el tungsteno haría que el acero fuera más difícil de recocer. El wolframio no contribuye a la templabilidad, por lo que si lo consideraba un sustituto, es probable que el molibdeno no se utilizara con ese fin. No es que el molibdeno fuera desconocido como un elemento que contribuye a la templabilidad en ese momento, pero todavía no se sabía que la adición de molibdeno a un acero con más del 3% de Cr conduciría a excelentes propiedades de endurecimiento por aire.

En 1932, los aceros para matrices de trabajo en caliente fueron patentados por James Gill que tenían 5% de Cr y 1,5% de Mo , y el molibdeno se añadió específicamente debido a su contribución al endurecimiento por aire que conduce a la baja distorsión en el tratamiento térmico. Estos aceros tienen un contenido de carbono relativamente bajo (~0,35%), pero este descubrimiento fue probablemente la razón por la que se añadió Mo al A2, y quizás la popularidad de estos aceros para matrices de trabajo en caliente llevó a aumentar el Cr al 5% con el A2. James Gill fue un metalúrgico muy influyente sobre el que escribí en este artículo.

El primer registro de A2 que he encontrado es de 1939 en un anuncio de Universal-Cyclops steel que afirma haberlo desarrollado, llamado Sparta steel . En 1944, la mayoría de las principales empresas de acero para herramientas vendían la versión moderna del A2. Esta versión tenía un aumento adicional de Cr (~5,0%) y Mo (~1,0%), así como una pequeña adición de vanadio para controlar el tamaño del grano. El aumento de las cantidades de Cr y Mo se debía a la mayor templabilidad y resistencia al desgaste. El Cr adicional conduciría a la formación de más carburos de cromo. Otra razón para el aumento de Mo es probablemente para el endurecimiento secundario (templado a alta temperatura), que puede proporcionar cierta dureza en caliente para las aplicaciones que lo requieran. Además, el revenido a alta temperatura conduce a la transformación de la austenita retenida. La austenita retenida es a veces indeseable porque si la austenita se transforma durante el funcionamiento de la pieza eso puede llevar a pequeños cambios dimensionales.

Uso en cuchillos

El A2 se ha utilizado en cuchillos durante muchos años debido a su ubicuidad como acero para herramientas. Encontré afirmaciones de que Harry Morseth comenzó a utilizar el A2 en la década de 1930, pero me pareció algo cuestionable porque el A2 habría sido nuevo o inexistente en ese momento. David Sharp y John Larsen me ayudaron a investigar la afirmación proporcionándome información de un libro sobre Morseth . Morseth utilizaba hojas de cepillo desgastadas para sus primeros cuchillos a partir de los años 20, antes de cambiar al acero laminado. La afirmación del acero A2 proviene de la creencia de que las cuchillas de cepillo se hacían comúnmente de A2 en esa época. Sin embargo, creo que se trata de un caso de acero mal identificado. Por un lado, sólo los aceros precursores del tipo A2 existieron hasta finales de los años 30, que es más o menos el momento en que Morseth dejó de utilizar las cuchillas de cepillo. En segundo lugar, incluso los aceros precursores del tipo A2 se utilizaban «casi en su totalidad para herramientas que implicaban el moldeado del metal en caliente» en 1934. La industria de las cuchillas de cepillado sería lo suficientemente grande como para calificar como una advertencia a esta afirmación. Los aceros precursores del A2 fueron sustituidos por aceros para matrices de trabajo en caliente con menor contenido de carbono, como el H11 y el H13, y el A2 final se utilizó principalmente como acero para matrices de trabajo en frío desde el principio. El A2 no se denominó así hasta la década de 1950, por lo que la persona que identificó las cuchillas de la cepilladora como A2 tuvo que hacerlo mucho después de la época en que Morseth las fabricó realmente. Lo más probable es que la persona que lo hizo se equivocara sobre el acero común de las cuchillas de cepillo de la época. Por lo tanto, creo que es poco probable que Morseth utilizara realmente el A2.

Llamé a Ron Lake y le pregunté cuándo empezó a utilizar el A2 porque es conocido por haberlo utilizado desde el principio. Me dijo que empezó a usarlo con sus primeros cuchillos en 1965. Había utilizado el A2 y el D2 como aceros para troqueles en trabajos de «modelismo» (prototipos) que hacía para su profesión. En la primera exposición del Knifemaker’s Guild en 1971, dijo que no encontró a ningún otro fabricante que lo utilizara en ese momento y, de hecho, casi nadie más había oído hablar de él, aparte de Bob Loveless. La mayoría de los fabricantes de la época utilizaban acero reciclado y, por lo general, el fabricante no sabía qué acero estaba utilizando. Ron también me dijo que George Herron empezó a usar el A2 en una época similar y no sabe si eso se debió a la influencia de Ron o si empezó a usarlo de forma independiente.

Carpeta de Ron Lake de principios de los 70. Imagen de

Es posible que alguien más utilizara el A2 en cuchillos anteriores a Ron Lake porque era un acero para troqueles común en esa época. Sin embargo, es probable que la popularidad del A2 se construyera en parte por la influencia de cuchilleros como Lake y Herron. En la década de 1970, otros cuchilleros como Vernon Hicks y Bill Davis utilizaban el A2. El acero está disponible en muchos cuchillos hoy en día, como los producidos por Bark River Knives.

Microestructura

La microestructura del A2 es algo más gruesa que la de aceros simples como el 1095 y el O1, pero más fina que la de un acero como el D2. El D2 tiene una gran cantidad de carburos de cromo de gran tamaño que le confiere una muy buena resistencia al desgaste pero una tenacidad algo pobre. Por lo tanto, el A2 se utiliza normalmente en aplicaciones en las que el D2 tiene una tenacidad insuficiente. Abajo puedes ver el tamaño relativo de los carburos (todo a 1000x) donde los carburos son las partículas blancas.

Micrografía del A2

Micrografía de la D2

Pruebas de dureza

Tengo bastantes datos de dureza que compartir sobre la A2. En primer lugar, hicimos un conjunto reciente de experimentos de tenacidad con diferentes parámetros de tratamiento térmico. Gracias a Michael Drinkwine por el tratamiento térmico y el mecanizado de las muestras para estos experimentos. Una de las sorpresas de nuestros primeros experimentos con 5160 fue que era muy sensible a los parámetros de tratamiento térmico, a diferencia de los resultados anteriores con CruForgeV, AEB-L y Z-Wear. Así que me interesaba ver cómo se comportaba el A2. Utilizamos temperaturas de austenitización de 1725-1800°F y temperaturas de revenido de 300-500°F. Cada una de ellas se empapó durante 20 minutos a la temperatura de austenización, se templó la chapa, se mantuvo en nitrógeno líquido durante 6 horas y luego se templó dos veces durante dos horas cada vez. Realizamos las pruebas utilizando una probeta charpy de tamaño inferior sin entallar, cuyas especificaciones se muestran en esta página.

Al contrario que con el 5160, en ningún caso se produjo una gran caída de la tenacidad por sobreaustenitización, subtemplado o por fragilidad de la martensita templada:

Hay algunas razones por las que el A2 es menos sensible a la austenización y al revenido en comparación con un acero simple como el 5160. Por un lado, incluso con una temperatura de austenización de 1800 °F, todavía hay carburos de cromo presentes que mantienen los granos a un tamaño razonable. Los carburos «fijan» los límites de los granos. Si los granos crecen, la tenacidad disminuye. El 5160 tiene muy poco carburo, por lo que la sobreaustenitización hace que no haya más carburo para fijar los granos, el tamaño del grano crece y la tenacidad disminuye. En cuanto al revenido, la tenacidad del 5160 disminuye entre una temperatura de revenido de 400 y 500 °F, lo que se conoce como «fragilidad de la martensita revenida». Esta fragilidad se produce porque se forman grandes carburos dentro de la martensita que son perjudiciales para la tenacidad. Diferentes elementos pueden retrasar la formación de estos carburos, el más conocido es el silicio. Sin embargo, en cantidades suficientemente grandes, el cromo tendrá el mismo efecto, por lo que A2 no observa este fenómeno con un temple de 500°F. Puede leer más sobre la fragilidad de la martensita templada en este artículo. Dado que no observamos ningún mecanismo de fragilidad importante, existe una buena correlación entre la tenacidad y la dureza. En otras palabras, una mayor dureza significa una menor tenacidad:

También hicimos una condición única con un pre-secado de 1700°F. Puedes leer sobre los preenchufes en este artículo. Es una forma de enfriamiento múltiple para disminuir el tamaño de grano en aceros de alta aleación. En las pruebas de tenacidad de AEB-L, se encontró una pequeña mejora en la tenacidad. Sin embargo, en las pruebas de A2 no se encontró ninguna mejora. Si funcionó para disminuir el tamaño de grano, esto no resultó en una gran mejora de la tenacidad.

Dureza comparada

El A2 tiene una buena tenacidad, que es la razón por la que ha visto tanto uso como acero para matrices a lo largo de los años. Se compara favorablemente con aceros de mayor resistencia al desgaste como el D2. Sin embargo, hay aceros de baja aleación y baja resistencia al desgaste como el 8670 y el 5160 con mejor tenacidad, y hay aceros pulvimetalúrgicos más caros que también tienen una tenacidad superior:

Estos resultados para A2 en comparación con otros aceros se alinean favorablemente con la tenacidad reportada por Carpenter (izod sin muescas) y Crucible (C-notch charpy) . Puede leer sobre los diferentes tipos de pruebas de tenacidad en este artículo.

En los gráficos anteriores, 10V y PM A11 son iguales, y 420CW y S90V son iguales. CPM-M4 y PM M4 también son lo mismo, por supuesto. A continuación están los datos de dureza de Knife Steel Nerds en formato de tabla para una mejor comparación con las tablas anteriores. Z-Wear es el mismo que CPM CruWear, PSF27 es un D2 «sprayform», 40CP es un 440C pulvimetalúrgico.

La tenacidad del A2 en relación con otros aceros puede ser algo sorprendente, en el sentido de que podríamos esperar que fuera mayor con su volumen relativamente bajo de carburo (~6-8%). Y los carburos son relativamente finos como se muestra en las micrografías anteriores. Sin embargo, las micrografías de menor aumento de los aceros A2 producidos comercialmente muestran a veces carburos primarios más grandes, del orden de 8-15 micras, que no se han eliminado mediante el procesamiento previo. Estos carburos grandes actúan como puntos de iniciación de grietas que pueden reducir la tenacidad. No sé si existe un acero A2 comercial que haya sido procesado de forma que se eviten estos carburos de gran tamaño. Aceros como el AEB-L y el 13C26 son famosos por recibir un procesamiento especial para eliminar estos carburos grandes para su uso en navajas.

Micrografía del A2 que muestra algunos carburos primarios más grandes. Imagen de .

Edición 15/10/2019: Las micrografías del A2 que hemos analizado confirman la presencia de carburos más grandes en la microestructura. No hay una alta densidad de ellos pero están dispersos por la microestructura. Tengo micrografías a dos aumentos diferentes a continuación para verlos:

Retención de bordes

Tengo conocimiento de una prueba CATRA con A2, donde se comparó con los aceros O1, M2 y T15. La prueba fue con cuchillos de cuero que son de un solo bisel. Se afilaron a 14-16°. La prueba fue encargada por Jeff Peachey.

A pesar de tener una dureza inferior a la del O1, sigue teniendo una retención de filo claramente superior. Esto se debe probablemente a la mayor cantidad de carburos de cromo más duros, en comparación con los carburos de hierro más blandos (cementita) en O1. El A2 tuvo una retención de filo marginalmente peor que el M2 a pesar de ser 2 Rc más bajo, mientras que el T15 de alta resistencia al desgaste y 5% de vanadio tuvo una retención de filo significativamente mejor que los otros. Puede leer sobre los factores de control de la retención del filo en este artículo sobre las pruebas CATRA.

Usando este resultado, más la ecuación de predicción del artículo CATRA, la retención del filo del A2 puede estimarse en relación con el 440C para compararlo con otros aceros para cuchillos de las pruebas de Bohler-Uddeholm y Crucible. Con su 6% de carburo de cromo a 60 Rc, estimo la retención del filo en un 85% de 440C a 58-59 Rc.

Equilibrio entre retención de filo y tenacidad

Para los aceros de los que tengo datos de CATRA y de tenacidad que se pueden compartir, he representado la tenacidad frente a la retención de filo para mostrar la posición aproximada del A2 en comparación con otros aceros:

Algunos aceros para los que no tengo datos CATRA pero que probablemente son superiores tanto en dureza como en resistencia al desgaste, como CPM CruWear o 3V. Sin embargo, esos son más caros porque son aceros pulvimetalúrgicos.

Rectificado, pulido, afilado y coste

El volumen relativamente bajo de carburo de cromo hace que el A2 sea mucho más fácil de rectificar, pulir y afilar que los aceros comunes de alta resistencia al desgaste utilizados en muchos cuchillos. Esto también reduce el tiempo y el coste de producción de los cuchillos. El A2 es un acero muy común y por lo tanto es relativamente barato y fácil de obtener.

Aplicaciones recomendadas

El A2 está en un lugar un poco extraño, ya que no es utilizado por los cuchilleros de forja porque es de endurecimiento al aire, pero tampoco es utilizado por muchos fabricantes de cuchillos de arranque de viruta porque tienden a utilizar más aceros de herramientas de metalurgia de polvo y aceros inoxidables. El A2 tiene una buena tenacidad, mejor que muchos aceros de alta resistencia al desgaste. También ofrece una gran facilidad de afilado y pulido para el fabricante de cuchillos, y facilidad de afilado para el usuario final. Ofrece un poco de resistencia a las manchas en comparación con los aceros al carbono simples, pero no es resistente a las manchas al grado de un acero inoxidable, por supuesto. Tiene cierta versatilidad, por lo que tratado térmicamente a 64 Rc ofrecería muy buena resistencia al desgaste y estabilidad del filo, mientras que a 60 Rc tiene buena tenacidad. Y combinaciones de esas propiedades entre ellas.

Conclusiones

El A2 es un viejo conocido como acero para matrices por su buena tenacidad y resistencia al desgaste. Existen aceros precursores desde al menos 1925, y el propio A2 desde principios de los años 40. Fue un acero para troqueles muy popular y sigue utilizándose con regularidad en la actualidad. El A2 se utiliza en cuchillos desde al menos los años 60 y todavía se utiliza en cuchillos. Es relativamente indulgente en el tratamiento térmico y puede adaptarse a una gama de temperaturas de austenización y revenido para conseguir diferentes niveles de dureza para diferentes combinaciones de propiedades. Aunque hay aceros pulvimetalúrgicos que tienen una combinación superior de tenacidad y resistencia al desgaste, el A2 sigue ofreciendo ventajas en términos de coste, capacidad de afilado y afilabilidad.

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