A2 Acciaio – Storia e Proprietà

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Storia

L’acciaio A2 è abbastanza vecchio, anche se determinare l’anno esatto in cui è stato rilasciato è un po’ difficile. L’acciaio A2 è stato sviluppato all’inizio del 20° secolo durante l’esplosione degli acciai per utensili, avvenuta dopo la scoperta dell’acciaio ad alta velocità, presentato per la prima volta nel 1900. Puoi leggere questa storia in questo articolo: La storia del primo acciaio per utensili. Durante lo sviluppo del primo acciaio ad alta velocità fu incluso il passaggio dal manganese al cromo come elemento primario di temprabilità, e la maggior parte degli acciai ad alta velocità aveva circa il 4% di Cr. Quell’alto contenuto di cromo era principalmente per la “temprabilità” che è il grado di raffreddamento richiesto per raggiungere la durezza completa. Un acciaio da “tempra in acqua” ha una bassa temprabilità e deve essere raffreddato molto rapidamente dall’alta temperatura, mentre un acciaio da “tempra in aria” può essere lasciato in aria e si indurisce completamente. Puoi leggere di più sulla temprabilità in questo articolo sulla tempra. Il primo acciaio ad alta velocità era conosciuto come T1, che aveva il 4% di Cr e il 18% di W (tungsteno). La prima registrazione che ho trovato di un precursore dell’acciaio di tipo A2 è in un sommario di acciai per utensili del 1925, mentre i sommari di acciai per utensili del 1910 e 1915 non hanno acciai simili. Quindi questi tipi di acciai sono probabilmente sorti tra il 1915 e il 1925.

Aggiornamento 7/22/20: ho trovato questi acciai precursori A2 disponibili nel 1916 nel volume 22, n. 6 della rivista Machinery in una lista di nomi di marche di acciai per utensili correnti. L’acciaio era disponibile come CYW Choice da Firth-Sterling e Vasco Choice da Vanadium Alloys Steel Company (Vasco). Non sono riuscito a trovare nulla di precedente, quindi non sono sicuro di quale sia venuto prima.

(Nota: nessuno degli acciai di cui sopra era conosciuto con questi nomi fino a dopo)

A2 probabilmente è venuto fuori dagli acciai ad alta velocità come il T1, poiché quegli acciai avevano generalmente ~4% di Cr. Il tungsteno è stato rimosso perché la “durezza a caldo” non è un requisito di questi acciai. Gli acciai ad alta velocità sono usati per operazioni di taglio ad alta velocità che accumulano calore, mentre gli acciai per stampi sono fatti per operazioni di stampaggio che non lo fanno. Il carbonio è stato aumentato al livello di altri acciai per stampi semplici come il 1095 o l’O1, per un’elevata durezza e resistenza all’usura. L’alto contenuto di cromo rispetto al 1095 e all’O1 significa che l’acciaio potrebbe essere temprato in aria per una minore distorsione e rottura degli stampi.

Tra il 1925 e il 1934 fu prodotta una versione di questi acciai con un’aggiunta di molibdeno. Si stava scoprendo che il molibdeno migliorava notevolmente la risposta di tempra in aria con gli acciai ad alto contenuto di cromo. In altre parole, per migliorare la temprabilità. Il cromo in quantità così elevate contribuisce notevolmente alla temprabilità, ma per pezzi molto spessi la temprabilità era ancora insufficiente. Si scoprì che l’aggiunta di molibdeno a questi acciai rendeva possibili pezzi ancora più grandi con una durezza completa. Un esempio fu con il D2 che fu brevettato nel 1928 con un’aggiunta dello 0,8% di Mo, leggete di più nel mio articolo sul D2. Tuttavia, non è chiaro se Comstock, l’inventore del D2, sapesse che il molibdeno contribuiva all’indurimento in aria. Nel brevetto dice che il molibdeno permette l’uso di carbonio inferiore per la durezza, e che il tungsteno potrebbe essere usato al suo posto, tranne che il tungsteno renderebbe l’acciaio più difficile da ricuocere. Il tungsteno non contribuisce alla temprabilità, quindi se lo ha visto come una sostituzione, allora il molibdeno non è stato probabilmente utilizzato per questo scopo. Non è che il molibdeno era sconosciuto come un elemento che contribuisce alla temprabilità a quel tempo, ma non era ancora noto che l’aggiunta di molibdeno a un acciaio con maggiore del 3% Cr avrebbe portato a eccellenti proprietà di indurimento in aria.

Nel 1932, acciai per stampi per lavori a caldo sono stati brevettati da James Gill che avevano 5% Cr e 1,5% Mo, e il molibdeno è stato specificamente aggiunto a causa del suo contributo alla tempra in aria che porta alla bassa distorsione nel trattamento termico. Quegli acciai hanno un carbonio relativamente basso (~0,35%) ma quella scoperta è stata probabilmente la ragione per cui Mo è stato aggiunto a A2, e forse la popolarità di quegli acciai per stampi a caldo ha portato all’aumento del Cr al 5% con A2. James Gill era un metallurgista molto influente di cui ho scritto in questo articolo.

La prima testimonianza di A2 che ho trovato è del 1939 in una pubblicità dell’acciaio Universal-Cyclops che sostiene di averlo sviluppato, chiamato acciaio Sparta. Nel 1944, la versione moderna di A2 è stata venduta dalla maggior parte delle principali aziende di acciaio per utensili. Questa versione aveva un ulteriore aumento di Cr (~5,0%) e Mo (~1,0%) così come una piccola aggiunta di vanadio per il controllo della dimensione del grano. Le quantità aumentate di Cr e Mo erano probabilmente per una maggiore temprabilità e resistenza all’usura. Il Cr extra porterebbe alla formazione di più carburi di cromo. Un’altra ragione per l’aumento di Mo è probabilmente per la tempra secondaria (rinvenimento ad alta temperatura) che può fornire una certa durezza a caldo per le applicazioni in cui è richiesta. Inoltre, il rinvenimento ad alta temperatura porta alla trasformazione dell’austenite trattenuta. L’austenite trattenuta è a volte indesiderabile perché se l’austenite si trasforma durante il funzionamento della parte che può portare a piccoli cambiamenti dimensionali.

Uso nei coltelli

A2 è stato usato nei coltelli per molti anni a causa della sua ubiquità come acciaio per utensili. Ho trovato affermazioni che Harry Morseth ha iniziato ad usare l’A2 negli anni ’30, ma ho trovato questo piuttosto discutibile perché l’A2 sarebbe stato nuovo di zecca o inesistente a quel tempo. David Sharp e John Larsen mi hanno aiutato a indagare su questa affermazione fornendomi informazioni da un libro su Morseth. Morseth usava lame di pialla consumate per i suoi primi coltelli a partire dagli anni ’20 prima di passare all’acciaio laminato. L’affermazione dell’acciaio A2 deriva dalla convinzione che le lame delle pialle erano comunemente fatte di A2 a quel tempo. Tuttavia, credo che questo sia un caso di acciaio mal identificato. Per prima cosa, solo il precursore A2-tipo acciai esisteva fino alla fine del 1930, che è circa il punto in cui Morseth smesso di usare le lame pialla. In secondo luogo, anche gli acciai precursori di tipo A2 erano “quasi interamente utilizzati per strumenti che coinvolgono la modellazione del metallo a caldo” nel 1934. L’industria delle lame per pialle sarebbe probabilmente abbastanza grande da qualificarsi come un avvertimento a questa affermazione. Gli acciai precursori A2 sono stati sostituiti da acciai per stampi a caldo a basso tenore di carbonio come H11 e H13, e l’eventuale A2 è stato utilizzato principalmente come acciaio per stampi a freddo all’inizio. A2 non sarebbe stato chiamato tale fino al 1950, quindi la persona che identifica le lame della pialla come A2 dovrebbe averlo fatto molto più tardi del tempo in cui Morseth le ha effettivamente prodotte. È molto probabile che la persona che l’ha fatto si sia sbagliata sul comune acciaio per lame da pialla dell’epoca. Quindi penso che sia improbabile che Morseth abbia effettivamente usato A2.

Ho chiamato Ron Lake e gli ho chiesto quando ha iniziato ad usare A2 perché è noto per averlo usato presto. Mi ha detto che ha iniziato ad usarlo con i suoi primi coltelli nel 1965. Aveva usato l’A2 e il D2 come acciai per stampi nel lavoro di “model making” (prototipazione) che faceva per la sua professione. Alla prima mostra della Knifemaker’s Guild nel 1971, ha detto che non ha trovato nessun altro fabbricante che lo usasse all’epoca, e in effetti quasi nessun altro ne aveva sentito parlare a parte Bob Loveless. La maggior parte dei fabbricanti dell’epoca usavano acciaio riciclato e di solito il fabbricante non sapeva quale acciaio (o quali) stava usando. Ron mi ha anche detto che George Herron iniziò ad usare l’A2 in un periodo simile e non sa se ciò fu dovuto all’influenza di Ron o se iniziò ad usarlo indipendentemente.

La cartella di Ron Lake dei primi anni ’70. Immagine da

È possibile che qualcun altro abbia usato l’A2 nei coltelli prima di Ron Lake perché era un acciaio comune a quel tempo. Tuttavia, è probabile che la popolarità dell’A2 sia stata costruita in parte dall’influenza di coltellinai come Lake e Herron. Negli anni ’70 altri coltellinai come Vernon Hicks e Bill Davis usavano l’A2. L’acciaio è oggi disponibile in molti coltelli come quelli prodotti da Bark River Knives.

Microstruttura

La microstruttura di A2 è un po’ più grossolana di acciai semplici come 1095 e O1, ma più fine di un acciaio come D2. Il D2 ha una grande quantità di carburi di cromo di grandi dimensioni che gli conferisce un’ottima resistenza all’usura ma una tenacità piuttosto scarsa. Perciò l’A2 è tipicamente usato in applicazioni in cui il D2 ha una tenacità insufficiente. Qui sotto potete vedere la dimensione relativa dei carburi (tutto a 1000x) dove i carburi sono le particelle bianche.

micrografia di O1

micrografia di A2

micrografia D2

Toughness Testing

Ho un bel po’ di dati sulla resistenza da condividere su A2. Prima di tutto, abbiamo fatto una recente serie di esperimenti di tenacità con diversi parametri di trattamento termico. Grazie a Michael Drinkwine per il trattamento termico e la lavorazione dei campioni per questi esperimenti. Una sorpresa dei nostri precedenti esperimenti con il 5160 è stata che era molto sensibile ai parametri di trattamento termico, a differenza dei precedenti risultati con CruForgeV, AEB-L e Z-Wear. Quindi ero interessato a vedere come si comporta A2. Abbiamo usato temperature di austenitizzazione da 1725-1800°F e temperature di rinvenimento da 300-500°F. Ognuno è stato immerso per 20 minuti alla temperatura di austenitizzazione, temprato a piastra, tenuto in azoto liquido per 6 ore, e poi temperato due volte per due ore ogni volta. Abbiamo testato usando un campione charpy non temprato di dimensioni inferiori, le cui specifiche sono riportate in questa pagina.

A differenza del 5160, in nessun caso c’è stato un grande calo di tenacità per sovraustenitizzazione, sottotemperatura o infragilimento della martensite temperata:

Ci sono alcune ragioni per cui A2 è meno sensibile all’austenitizzazione e al rinvenimento rispetto a un acciaio semplice come il 5160. Per prima cosa, anche con una temperatura di austenitizzazione di 1800°F, ci sono ancora carburi di cromo presenti che mantengono i grani ad una dimensione ragionevole. I carburi “bloccano” i confini dei grani. Se i grani crescono, la tenacità scende. Il 5160 ha molto poco carburo e quindi l’iperaustenitizzazione porta a non avere più carburi per bloccare i grani, la dimensione dei grani cresce e la tenacità diminuisce. In termini di rinvenimento, la tenacità del 5160 è scesa tra una temperatura di rinvenimento di 400 e 500°F, il che è noto come “infragilimento della martensite temperata”. Questo infragilimento si verifica perché all’interno della martensite si formano grandi carburi che sono dannosi per la tenacità. Diversi elementi possono ritardare la formazione di questi carburi, soprattutto il silicio. Tuttavia, in quantità sufficienti il cromo avrà lo stesso effetto ed è per questo che A2 non vede questo fenomeno con una tempra a 500°F. Potete leggere di più sull’infragilimento della martensite temperata in questo articolo. Poiché non abbiamo visto alcun meccanismo di infragilimento importante, c’è una buona correlazione tra tenacità e durezza. In altre parole, maggiore durezza significa minore tenacità:

Abbiamo anche fatto una condizione singola con un prequench da 1700°F. Si può leggere sul prequench in questo articolo. Si tratta di una forma di tempra multipla per diminuire la dimensione del grano negli acciai ad alta lega. Nei test di tenacità di AEB-L, è stato riscontrato un piccolo miglioramento della tenacità. Tuttavia, nei test di A2 non è stato riscontrato alcun miglioramento. Se ha funzionato per diminuire la dimensione del grano, questo non ha portato a un grande miglioramento della tenacità.

Durezza a confronto

A2 ha una buona tenacità, che è il motivo per cui ha visto così tanto uso come acciaio per stampi nel corso degli anni. Si confronta favorevolmente con gli acciai più resistenti all’usura come il D2. Tuttavia, ci sono acciai a bassa lega e bassa resistenza all’usura come l’8670 e il 5160 con una migliore tenacità, e ci sono acciai più costosi per la metallurgia delle polveri che hanno anche una tenacità superiore:

Questi risultati per A2 rispetto ad altri acciai si allineano favorevolmente con la tenacità riportata da Carpenter (Unnotched izod) e Crucible (C-notch charpy). Potete leggere i diversi tipi di test di tenacità in questo articolo.

Nelle tabelle sopra, 10V e PM A11 sono uguali, e 420CW e S90V sono uguali. Anche CPM-M4 e PM M4 sono uguali, ovviamente. Qui sotto ci sono i dati di durezza di Knife Steel Nerds in formato tabella per un miglior confronto con le tabelle di cui sopra. Z-Wear è lo stesso di CPM CruWear, PSF27 è un D2 “sprayform”, 40CP è un 440C da metallurgia delle polveri.

La tenacità di A2 rispetto ad altri acciai può essere un po’ sorprendente, in quanto ci si potrebbe aspettare che sia più alta con il suo volume relativamente basso di carburi (~6-8%). E i carburi sono relativamente fini, come mostrato nelle micrografie precedenti. Tuttavia, le micrografie a basso ingrandimento dell’acciaio A2 prodotto commercialmente a volte mostrano carburi primari più grandi, dell’ordine di 8-15 micron, che non sono stati rimossi attraverso la lavorazione precedente. Questi carburi di grandi dimensioni agiscono come punti di innesco di cricche che possono ridurre la tenacità. Non so se c’è un A2 commerciale disponibile che viene lavorato in modo tale da evitare questi carburi più grandi. Acciai come AEB-L e 13C26 hanno notoriamente ricevuto una lavorazione speciale per eliminare questi grandi carburi per l’uso nei rasoi.

Micrografia A2 che mostra alcuni grandi carburi primari. Immagine da .

Modifica 10/15/2019: Le micrografie della A2 che abbiamo testato hanno confermato carburi più grandi presenti nella microstruttura. Non c’è un’alta densità di essi ma sono sparsi in tutta la microstruttura. Ho micrografie a due diversi ingrandimenti qui sotto per vederli:

Ritenzione del bordo

Sono a conoscenza di un test CATRA con A2, dove è stato confrontato con gli acciai O1, M2 e T15. Il test è stato fatto con coltelli da pelle che sono a lama singola. Sono stati affilati a 14-16°. Il test è stato commissionato da Jeff Peachey.

Nonostante la sua durezza sia inferiore a quella dell’O1, ha ancora una ritenzione del filo chiaramente superiore. Questo è probabilmente dovuto alla maggiore quantità di carburi di cromo più duri, rispetto ai carburi di ferro più morbidi (cementite) in O1. L’A2 aveva una ritenzione del bordo marginalmente peggiore dell’M2, nonostante sia 2 Rc più bassa, mentre l’alta resistenza all’usura, il 5% di vanadio T15 aveva una ritenzione del bordo significativamente migliore degli altri. Potete leggere i fattori di controllo per la ritenzione del bordo di taglio in questo articolo sui test CATRA.

Utilizzando questo risultato, più l’equazione predittiva dall’articolo CATRA, la ritenzione del bordo di A2 può essere stimata rispetto a 440C per confrontarla con altri acciai per coltelli dai test di Bohler-Uddeholm e Crucible. Con il suo 6% di carburo di cromo a 60 Rc, stimo la ritenzione del bordo all’85% di 440C a 58-59 Rc.

Edge Retention-Toughness Balance

Per gli acciai di cui ho sia i dati CATRA che quelli di tenacità che sono condivisibili, ho tracciato la tenacità rispetto alla ritenzione del bordo per mostrare la posizione approssimativa di A2 rispetto agli altri acciai:

Alcuni acciai di cui non ho i dati CATRA ma che probabilmente sono superiori sia per tenacità che per resistenza all’usura, come CPM CruWear o 3V. Tuttavia, questi sono più costosi perché sono acciai da metallurgia delle polveri.

Affilatura, lucidatura, affilatura e costi

Il volume relativamente basso del carburo di cromo rende A2 molto più facile da affilare, lucidare e affilare rispetto ai comuni acciai ad alta resistenza all’usura usati in molti coltelli. Questo riduce anche i tempi e i costi di produzione dei coltelli. A2 è un acciaio molto comune ed è quindi relativamente poco costoso e facile da ottenere.

Applicazioni consigliate

A2 è in un punto un po’ strano, dato che non è usato dai forgiatori di lame perché è a tempra d’aria, ma anche non è usato da molti fabbricanti di coltelli da asporto perché tendono ad usare più acciai per utensili di metallurgia delle polveri e acciai inox. A2 ha una buona tenacità, migliore di molti acciai ad alta resistenza all’usura. Offre anche una grande facilità di affilatura e lucidatura per il coltellinaio e una facilità di affilatura per l’utente finale. Offre un po’ di resistenza alle macchie rispetto ai semplici acciai al carbonio, ma non è resistente alle macchie al livello di un acciaio inossidabile, ovviamente. Ha una certa versatilità, quindi trattato termicamente a 64 Rc offrirebbe un’ottima resistenza all’usura e stabilità dei bordi, mentre a 60 Rc ha una buona tenacità. E combinazioni di queste proprietà nel mezzo.

Conclusioni

A2 è un vecchio standard come acciaio per stampi grazie alla sua buona tenacità e resistenza all’usura. Gli acciai precursori esistono almeno dal 1925, e lo stesso A2 dai primi anni ’40. Era un acciaio per stampi molto popolare e continua ad essere usato con regolarità anche oggi. L’A2 è stato usato nei coltelli almeno dagli anni ’60 ed è ancora usato nei coltelli. È relativamente indulgente nel trattamento termico e può ospitare una gamma di temperature di austenitizzazione e rinvenimento per raggiungere diversi livelli di durezza per diverse combinazioni di proprietà. Mentre ci sono acciai da metallurgia delle polveri che hanno una combinazione superiore di tenacità e resistenza all’usura, A2 offre ancora vantaggi in termini di costo, affilabilità e affilabilità.

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The Testing of Steel for Leather Paring Knives

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