Acier A2 – Histoire et propriétés

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Histoire

L’acier A2 est assez ancien, bien que déterminer l’année exacte de sa sortie soit un peu difficile. L’acier A2 a été développé au début du 20ème siècle lors de l’explosion des aciers à outils qui s’est produite après la découverte de l’acier rapide qui a été présenté pour la première fois en 1900. Vous pouvez lire cette histoire dans cet article : L’histoire du premier acier à outils. Au cours du développement du premier acier rapide, on est passé du manganèse au chrome comme principal élément de durcissement, et la plupart des aciers rapides contenaient environ 4 % de chrome. Cette teneur élevée en chrome était principalement destinée à la « trempabilité », c’est-à-dire au degré de refroidissement nécessaire pour obtenir une dureté totale. Un acier « trempé à l’eau » a une faible trempabilité et doit être trempé très rapidement à partir d’une température élevée, tandis qu’un acier « durci à l’air » peut être laissé à l’air et il durcira complètement. Vous pouvez en savoir plus sur la trempabilité dans cet article sur la trempe. Le premier acier rapide était connu sous le nom de T1, qui contenait 4 % de Cr et 18 % de W (tungstène). La première mention que j’ai trouvée d’un acier précurseur de type A2 figure dans un résumé des aciers à outils de 1925, tandis que les résumés des aciers à outils de 1910 et 1915 ne mentionnent aucun acier similaire. Par conséquent, ces types d’aciers sont probablement apparus quelque temps entre 1915 et 1925.

Mise à jour 7/22/20 : J’ai trouvé ces aciers A2 précurseurs disponibles en 1916 dans Machinery journal volume 22, n° 6 dans une liste de noms de marques d’aciers à outils actuels. L’acier était disponible sous la marque CYW Choice de Firth-Sterling et Vasco Choice de Vanadium Alloys Steel Company (Vasco). Je n’ai rien trouvé de plus ancien, donc je ne suis pas sûr de savoir lequel est arrivé en premier.

(Remarque : aucun des aciers ci-dessus n’était connu sous ces noms jusqu’à plus tard)

A2 est probablement issu des aciers rapides comme T1 puisque ces aciers avaient généralement des aciers à ~4% de Cr. Le tungstène a été supprimé car la « dureté à chaud » n’est pas une exigence de ces aciers. Les aciers rapides sont utilisés pour les opérations de coupe à grande vitesse qui génèrent de la chaleur, tandis que les aciers à matrices sont destinés aux opérations d’emboutissage qui ne le sont pas. Le carbone a été augmenté au niveau d’autres aciers à matrices simples comme le 1095 ou le O1, pour une dureté et une résistance à l’usure élevées. La teneur élevée en chrome par rapport au 1095 et à l’O1 signifie que l’acier pouvait être durci à l’air pour moins de déformation et de fissuration des matrices.

À un moment donné entre 1925 et 1934, une version de ces aciers a été produite avec un ajout de molybdène. On a constaté que le molybdène améliorait considérablement la réponse de durcissement à l’air avec les aciers à haute teneur en chrome. En d’autres termes, il améliore la trempabilité. Le chrome en quantités aussi élevées contribue grandement à la trempabilité, mais pour les pièces très épaisses, la trempabilité était encore insuffisante. On a découvert que l’ajout de molybdène à ces aciers permettait de réaliser des pièces encore plus grandes avec une dureté totale. Un exemple en est le D2 qui a été breveté en 1928 avec un ajout de 0,8 % de Mo, pour en savoir plus, lisez mon article sur le D2. Cependant, il n’est pas certain que Comstock, l’inventeur du D2, savait que le molybdène contribuait au durcissement à l’air. Dans le brevet, il indique que le molybdène permet l’utilisation d’un carbone plus faible pour la dureté, et que le tungstène pourrait être utilisé à la place, sauf que le tungstène rendrait l’acier plus difficile à recuire. Le tungstène ne contribue pas à la trempabilité, donc s’il le considérait comme un substitut, le molybdène n’était probablement pas utilisé à cette fin. Ce n’est pas que le molybdène était inconnu en tant qu’élément contribuant à la trempabilité à cette époque, mais on ne savait pas encore que l’ajout de molybdène à un acier avec plus de 3 % de Cr conduirait à d’excellentes propriétés de durcissement à l’air.

En 1932, des aciers pour matrices de travail à chaud ont été brevetés par James Gill qui avaient 5 % de Cr et 1,5 % de Mo , et le molybdène a été spécifiquement ajouté en raison de sa contribution au durcissement à l’air conduisant à une faible distorsion dans le traitement thermique. Ces aciers ont un taux de carbone relativement faible (~0,35 %), mais cette découverte est probablement la raison pour laquelle le Mo a été ajouté à l’A2, et peut-être que la popularité de ces aciers pour matrices de travail à chaud a conduit à l’augmentation du Cr à 5 % avec l’A2. James Gill était un métallurgiste très influent dont j’ai parlé dans cet article.

La plus ancienne trace d’A2 que j’ai trouvée date de 1939 dans une publicité d’Universal-Cyclops steel qui prétend l’avoir développé, nommée Sparta steel . En 1944 , la version moderne de A2 était vendue par la plupart des grandes entreprises d’acier à outils. Cette version comportait une augmentation supplémentaire de Cr (~5,0 %) et de Mo (~1,0 %) ainsi qu’une petite addition de vanadium pour le contrôle de la taille des grains. Les quantités accrues de Cr et de Mo étaient probablement destinées à accroître la trempabilité et la résistance à l’usure. Le Cr supplémentaire conduirait à la formation de plus de carbures de chrome. Une autre raison de l’augmentation du Mo est probablement la trempe secondaire (revenu à haute température) qui peut fournir une certaine dureté à chaud pour les applications où cela est nécessaire. De plus, le revenu à haute température conduit à la transformation de l’austénite résiduelle. L’austénite retenue est parfois indésirable car si l’austénite se transforme pendant le fonctionnement de la pièce, cela peut entraîner de petits changements dimensionnels.

Utilisation dans les couteaux

L’A2 est utilisé dans les couteaux depuis de nombreuses années en raison de son omniprésence en tant qu’acier à outils. J’ai trouvé des affirmations selon lesquelles Harry Morseth a commencé à utiliser l’A2 dans les années 1930 , mais j’ai trouvé cela quelque peu douteux car l’acier aurait été soit tout nouveau, soit inexistant à cette époque. David Sharp et John Larsen m’ont aidé à enquêter sur cette affirmation en me fournissant des informations tirées d’un livre sur Morseth. Morseth utilisait des lames de rabot usées pour ses premiers couteaux à partir des années 1920 avant de passer à l’acier laminé. La revendication de l’acier A2 vient de la croyance que les lames de rabots étaient couramment fabriquées en A2 à cette époque. Cependant, je pense qu’il s’agit d’une erreur d’identification de l’acier. D’une part, seuls les aciers précurseurs de type A2 ont existé jusqu’à la fin des années 1930, c’est-à-dire à peu près au moment où Morseth a cessé d’utiliser les lames de rabots. Ensuite, même les aciers précurseurs de type A2 étaient « presque entièrement utilisés pour des outils impliquant le façonnage du métal à chaud » en 1934. L’industrie des lames de rabots serait probablement assez importante pour que cette affirmation soit mise en doute. Les aciers A2 précurseurs ont été remplacés par des aciers pour matrices de travail à chaud à plus faible teneur en carbone, comme H11 et H13, et l’A2 final a été utilisé principalement comme acier pour matrices de travail à froid dès le début. L’acier A2 n’aurait pas été nommé ainsi avant les années 1950, de sorte que la personne qui a identifié les lames de rabots comme étant de l’acier A2 a dû le faire bien plus tard qu’au moment où Morseth les a effectivement fabriquées. Il est plus que probable que la personne qui l’a fait s’est trompée sur l’acier commun des lames de rabots de l’époque. Par conséquent, je pense qu’il est peu probable que Morseth ait réellement utilisé A2.

J’ai appelé Ron Lake et lui ai demandé quand il a commencé à utiliser A2 car il est connu pour l’avoir utilisé très tôt. Il m’a répondu qu’il avait commencé à l’utiliser avec ses premiers couteaux en 1965. Il avait utilisé A2 et D2 comme aciers à matrices dans le travail de  » modélisme  » (prototypage) qu’il faisait pour sa profession. Lors de la première exposition de la Knifemaker’s Guild en 1971, il m’a dit qu’il n’avait pas trouvé d’autres fabricants l’utilisant à l’époque, et qu’en fait presque personne n’en avait entendu parler à part Bob Loveless. La plupart des fabricants de l’époque utilisaient de l’acier recyclé et il était fréquent que le fabricant ne sache pas quel(s) acier(s) il utilisait. Ron m’a également dit que George Herron a commencé à utiliser l’A2 à une époque similaire et il ne sait pas si cela était dû à l’influence de Ron ou s’il a commencé à l’utiliser de manière indépendante.

Ron Lake folder du début des années 1970. Image tirée de

Il est possible que quelqu’un d’autre ait utilisé A2 dans des couteaux plus tôt que Ron Lake, car c’était un acier de matrice commun à l’époque. Cependant, il est probable que la popularité de A2 a été construite en partie à partir de l’influence de couteliers comme Lake et Herron. Dans les années 1970, d’autres couteliers comme Vernon Hicks et Bill Davis utilisaient A2. L’acier est disponible dans de nombreux couteaux aujourd’hui, comme ceux produits par Bark River Knives.

Microstructure

La microstructure de l’A2 est un peu plus grossière que les aciers simples comme le 1095 et l’O1, mais plus fine qu’un acier comme le D2. D2 a une grande quantité de carbures de chrome de grande taille qui lui confère une très bonne résistance à l’usure mais une ténacité un peu faible. C’est pourquoi l’acier A2 est généralement utilisé dans les applications où la ténacité de l’acier D2 est insuffisante. Ci-dessous, vous pouvez voir la taille relative des carbures (tous à 1000x) où les carbures sont les particules blanches.

Micrographie O1

Micrographie A2.

Micrographie D2

Tests de dureté

J’ai pas mal de données de dureté à partager sur A2. Tout d’abord, nous avons réalisé une série récente d’expériences de ténacité avec différents paramètres de traitement thermique. Merci à Michael Drinkwine pour le traitement thermique et l’usinage des spécimens pour ces expériences. L’une des surprises de nos premières expériences sur le 5160 était qu’il était très sensible aux paramètres de traitement thermique, contrairement aux résultats précédents avec CruForgeV, AEB-L et Z-Wear. J’étais donc intéressé de voir comment A2 se comporte. Nous avons utilisé des températures d’austénitisation de 1725-1800°F et des températures de revenu de 300-500°F. Chaque pièce a été trempée pendant 20 minutes à la température d’austénitisation, trempée par plaque, maintenue dans l’azote liquide pendant 6 heures, puis trempée deux fois pendant deux heures à chaque fois. Nous avons testé en utilisant un spécimen charpy non entaillé de taille inférieure, dont les spécifications sont indiquées sur cette page.

Contrairement au 5160, il n’y a en aucun cas eu une grosse baisse de ténacité par sur-austérisation, sous-revenu, ou par fragilisation de la martensite trempée :

Il y a quelques raisons pour lesquelles A2 est moins sensible à l’austénitisation et au revenu par rapport à un acier simple comme le 5160. D’abord, même avec une température d’austénitisation de 1800°F, il y a toujours des carbures de chrome présents qui maintiennent les grains à une taille raisonnable. Les carbures « épinglent » les joints de grains. Si les grains grossissent, la ténacité diminue. Le 5160 contient très peu de carbure et une austénitisation excessive entraîne une perte de carbure pour les grains d’épinglage, la taille des grains augmente et la ténacité diminue. En termes de revenu, la ténacité du 5160 a diminué entre une température de revenu de 400 et 500°F, ce qui est connu sous le nom de « fragilisation de la martensite trempée ». Cette fragilisation se produit parce que de gros carbures se forment dans la martensite, ce qui nuit à la ténacité. Différents éléments peuvent retarder la formation de ces carbures, le plus connu étant le silicium. Cependant, en quantités suffisantes, le chrome aura le même effet, ce qui explique pourquoi A2 n’observe pas ce phénomène avec un revenu de 500°F. Vous pouvez en savoir plus sur la fragilisation de la martensite trempée dans cet article. Comme nous n’avons pas observé de mécanismes de fragilisation majeurs, il existe une bonne corrélation entre la ténacité et la dureté. En d’autres termes, une dureté plus élevée signifie une ténacité plus faible :

Nous avons également effectué une condition unique avec une prétrempe de 1700°F. Vous pouvez lire sur les prétrempes dans cet article. C’est une forme de trempe multiple pour diminuer la taille des grains dans les aciers fortement alliés. Lors des essais de ténacité de l’AEB-L, une légère amélioration de la ténacité a été constatée. Cependant, les essais sur l’A2 n’ont révélé aucune amélioration. Si cela a fonctionné pour la diminution de la taille des grains, cela n’a pas entraîné une grande amélioration de la ténacité.

Ténacité comparée

A2 a une bonne ténacité, ce qui explique pourquoi il a été si souvent utilisé comme acier à matrices au fil des ans. Il se compare favorablement aux aciers à plus haute résistance à l’usure comme le D2. Cependant, il existe des aciers faiblement alliés et à faible résistance à l’usure comme le 8670 et le 5160 avec une meilleure ténacité, et il existe des aciers à métallurgie des poudres plus chers qui ont également une ténacité supérieure :

Ces résultats pour A2 par rapport à d’autres aciers s’alignent favorablement avec la ténacité rapportée par Carpenter (Unnotched izod) et Crucible (C-notch charpy). Vous pouvez lire les différents types de tests de ténacité dans cet article.

Dans les graphiques ci-dessus, 10V et PM A11 sont identiques, et 420CW et S90V sont identiques. CPM-M4 et PM M4 sont également les mêmes, bien sûr. Vous trouverez ci-dessous les données de dureté de Knife Steel Nerds sous forme de tableau pour une meilleure comparaison avec les tableaux ci-dessus. Le Z-Wear est le même que le CPM CruWear, le PSF27 est un D2  » sprayform « , le 40CP est un 440C à métallurgie des poudres.

La ténacité de l’A2 par rapport aux autres aciers peut être quelque peu surprenante, dans la mesure où nous pourrions nous attendre à ce qu’elle soit plus élevée avec son volume relativement faible de carbure (~6-8%). Et les carbures sont relativement fins comme le montrent les micrographies précédemment. Cependant, les micrographies à faible grossissement de l’acier A2 produit commercialement montrent parfois des carbures primaires plus grands, de l’ordre de 8 à 15 microns, qui n’ont pas été éliminés lors du traitement préalable. Ces grands carbures agissent comme des points d’initiation de fissures qui peuvent réduire la ténacité. Je ne sais pas s’il existe un acier A2 commercial dont le traitement permet d’éviter ces carbures de grande taille. Des aciers comme l’AEB-L et le 13C26 sont célèbres pour recevoir un traitement spécial afin d’éliminer ces grands carbures pour une utilisation dans les rasoirs.

Micrographie A2 montrant certains carbures primaires plus grands. Image provenant de .

Modification du 15/10/2019 : Les micrographies de l’A2 que nous avons testées ont confirmé la présence de carbures plus gros dans la microstructure. Il n’y a pas une forte densité d’entre eux, mais ils sont dispersés dans toute la microstructure. J’ai des micrographies à deux grossissements différents ci-dessous pour les voir :

Edge Retention

Je suis au courant d’un test CATRA avec A2, où il a été comparé aux aciers O1, M2 et T15. Le test portait sur des couteaux d’office en cuir qui sont à simple biseau. Ils ont été affûtés à 14-16°. Le test a été commandité par Jeff Peachey .

Malgré une dureté inférieure à celle de l’O1, il présentait une rétention du tranchant nettement supérieure. Cela est probablement dû à une plus grande quantité de carbures de chrome plus durs, par rapport aux carbures de fer plus mous (cémentite) de l’O1. La rétention des arêtes de l’acier A2 était légèrement inférieure à celle de l’acier M2, bien qu’elle soit inférieure de 2 Rc, tandis que l’acier T15 à haute résistance à l’usure et à 5 % de vanadium présentait une rétention des arêtes nettement supérieure à celle des autres. Vous pouvez lire les facteurs de contrôle de la rétention de l’arête de tranchage dans cet article sur les tests de la CATRA.

En utilisant ce résultat, plus l’équation prédictive de l’article de la CATRA, la rétention de l’arête de l’A2 peut être estimée par rapport au 440C pour la comparer avec d’autres aciers à couteaux issus des tests de Bohler-Uddeholm et Crucible. Avec ses 6% de carbure de chrome à 60 Rc, j’estime la rétention des arêtes à 85% du 440C à 58-59 Rc.

Equilibre rétention d’arête – ténacité

Pour les aciers pour lesquels je dispose à la fois de données CATRA et de ténacité partageables, j’ai tracé la ténacité en fonction de la rétention d’arête pour montrer la position approximative de l’A2 par rapport aux autres aciers :

Certains aciers pour lesquels je n’ai pas de données CATRA mais qui sont probablement supérieurs à la fois pour la ténacité et la résistance à l’usure, comme le CPM CruWear ou le 3V. Cependant, ceux-ci sont plus chers car ce sont des aciers à métallurgie des poudres.

Meulage, polissage, affûtage et coût

Le volume relativement faible de carbure de chrome rend A2 beaucoup plus facile à meuler, à polir et à affûter que les aciers courants à haute résistance à l’usure utilisés dans de nombreux couteaux. Cela réduit également le temps et le coût de production des couteaux. L’acier est très commun et est donc relativement peu coûteux et facile à obtenir.

Applications recommandées

L’acier A2 se trouve dans une situation un peu bizarre, car il n’est pas utilisé par les forgerons de lames parce qu’il est durci à l’air, mais il n’est pas non plus utilisé par de nombreux fabricants de couteaux d’enlèvement de stock parce qu’ils ont tendance à utiliser davantage d’aciers à outils à métallurgie des poudres et d’aciers inoxydables. L’acier A2 présente une bonne ténacité, meilleure que celle de nombreux aciers à haute résistance à l’usure. Il offre également une grande facilité d’affûtage et de polissage pour le fabricant de couteaux, et une facilité d’affûtage pour l’utilisateur final. Il offre un peu de résistance aux taches par rapport aux aciers au carbone simples, mais il n’est pas aussi résistant aux taches qu’un acier inoxydable, bien sûr. Il présente une certaine polyvalence. Ainsi, traité thermiquement à 64 Rc, il offre une très bonne résistance à l’usure et une bonne stabilité des arêtes, tandis qu’à 60 Rc, il présente une bonne ténacité. Et des combinaisons de ces propriétés entre les deux.

Conclusions

L’A2 est un vieux standby comme acier à matrices en raison de sa bonne ténacité et de sa résistance à l’usure. Des aciers précurseurs existent depuis au moins 1925, et A2 lui-même depuis le début des années 1940. C’était un acier à matrices très populaire et il continue à être utilisé régulièrement aujourd’hui. L’acier A2 est utilisé dans les couteaux depuis au moins les années 1960 et l’est toujours. Il est relativement indulgent dans le traitement thermique et peut s’accommoder d’une gamme de températures d’austénitisation et de revenu pour cibler différents niveaux de dureté pour différentes combinaisons de propriétés. Bien qu’il existe des aciers à métallurgie des poudres qui présentent une combinaison supérieure de ténacité et de résistance à l’usure, l’A2 offre toujours des avantages en termes de coût, d’affûtabilité et d’aiguisage.

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