A2スチール – 歴史と特性

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歴史

A2スチールはかなり古いものですが、発売された正確な年を特定するのは少し難しいです。 A2スチールは20世紀初頭、1900年に発表されたハイスピードスチールの発見後に起こった工具鋼の爆発的増加の中で開発されました。 その歴史については、こちらの記事で紹介しています。 最初の工具鋼の歴史。 最初の高速度鋼の開発では、主な焼入れ元素がマンガンからクロムに変更され、ほとんどの高速度鋼には約4%のCrが含まれていました。 この高いクロム含有量は、主に「焼入れ性」のためのもので、完全な硬さを得るために必要な冷却の度合いのことです。 水焼入れ」の鋼は焼入れ性が低く、高温から非常に急速に焼入れしなければならず、「空気焼入れ」の鋼は空気中に放置しておけば完全に硬化します。 硬化性については焼入れの記事で詳しく説明しています。 最初の高速度鋼はT1と呼ばれ、4%のCrと18%のW(タングステン)を含んでいました。 私が見つけたA2タイプの前身となる鋼の最も古い記録は、1925年の工具鋼のまとめにありますが、1910年と1915年の工具鋼のまとめには同様の鋼はありません。

Update 7/22/20: 1916年のMachinery journal vol.22, no.6に、現在の工具鋼のブランド名のリストの中に、これらの先駆的なA2タイプの鋼を見つけました。 この鋼はFirth-Sterling社のCYW ChoiceとVanadium Alloys Steel Company(Vasco)社のVasco Choiceとして入手可能でした。

(注:上記の鋼はどれも後になるまでこれらの名前では知られていませんでした)

A2は、T1のような高速度鋼が一般的に~4%のCr鋼を持っていたので、そこから生まれたと思われます。

A2はT1のような高速度鋼から生まれました。 高速度鋼は高速で熱を発生させる切削加工に使用され、金型用鋼は熱を発生させないプレス加工に使用される。 炭素を1095やO1などの他の単純なダイス鋼のレベルまで増やし、高硬度と耐摩耗性を実現した。

1925年から1934年の間に、これらの鋼にモリブデンを添加したものが製造されました。 モリブデンは、高クロム鋼の空気中での硬化反応を大幅に改善することがわかっていました。 言い換えれば、焼入れ性の向上です。 このように多量のクロムは焼入れ性に大きく寄与するが、非常に厚い部品では焼入れ性がまだ不十分であった。 そこで、モリブデンを添加することで、より大きな部品でも硬さを確保できることがわかったのです。 その一例が、1928年に0.8%のMoを添加して特許を取得したD2で、詳しくはD2に関する記事をご覧ください。 しかし、D2の発明者であるComstockが、モリブデンが空気硬化に寄与することを知っていたかどうかは定かではありません。 特許の中で彼は、モリブデンのおかげで低炭素の硬さが得られると述べており、タングステンを代わりに使うこともできるが、タングステンを使うと鋼の焼きなましが難しくなると述べている。 タングステンは焼入れ性に寄与しないので、もし彼がそれを代用と考えていたなら、モリブデンはその目的のために使われていなかったと思われます。

1932年にJames Gillが特許を取得した、Cr5%、Mo1.5%の熱間加工用ダイス鋼では、モリブデンが空気硬化に寄与し、熱処理時の歪みが少ないことを理由に添加されていました。 これらの鋼は比較的低い炭素(約0.35%)を持っていますが、A2にMoが添加されたのは、この発見が理由だったと思われます。また、これらの熱間加工用金型鋼の人気が、A2でCrを5%に増加させたのかもしれません。

私が見つけた最も古いA2の記録は、1939年のUniversal-Cyclops steel社の広告で、Sparta steelと名付けられたA2を開発したと主張しています。 1944年までには、A2の現代版が主要な工具鋼メーカーのほとんどから販売されていました。 このバージョンでは、Cr(~5.0%)とMo(~1.0%)がさらに増加し、粒度調整のために少量のバナジウムが添加されていた。 CrとMoの増量は、焼入れ性と耐摩耗性の向上のためである。 余分なCrは、より多くのクロム炭化物の形成につながるだろう。 Moを増やしたもう一つの理由は、おそらく二次硬化(高温焼戻し)のためであり、それによって必要とされる用途にある程度の熱間硬さを与えることができる。 また、高温焼戻しは、残留オーステナイトの変態につながります。

ナイフでの使用

A2は工具鋼として広く使われているため、長年ナイフに使用されてきました。 ハリー・モーゼスが1930年代にA2を使い始めたという主張を見つけましたが、当時A2は新品か存在しなかったはずなので、これには多少の疑問を感じました。 David Sharp氏とJohn Larsen氏は、Morseth氏についての本から情報を得て、この主張を調査するのに協力してくれました。 Morseth氏は1920年代から、積層鋼に切り替える前の初期のナイフに、使い古されたプレーナーブレードを使用していました。 A2スチールの主張は、当時のプレーナーブレードはA2で作られているのが一般的だったという考えに基づいています。 しかし、私はこれはスチールの誤認ではないかと考えています。 まず、A2型の前駆体のみが1930年代後半まで存在しており、モルセスがプレーナー・ブレードを使わなくなった頃です。 次に、前駆体であるA2タイプの鋼でさえ、1934年には「ほぼ完全に、熱した状態の金属を成形する工具に使用されていた」。 鉋(かんな)の刃の業界は、この言葉を裏付けるのに十分な規模であろう。 先駆的なA2鋼は、H11やH13のような低炭素の熱間加工用ダイス鋼に取って代わられ、最終的なA2は早くから主に冷間加工用ダイス鋼として使用されていました。 A2という名前が付けられたのは1950年代になってからですから、プレーナーブレードをA2と同定した人は、Morsethが実際に製造した時期よりもずっと後になってから同定したことになります。 その人物は、当時の一般的なプレーナーブレードのスチールについて勘違いしていた可能性が高い。

私はRon Lakeに電話して、彼がいつA2を使い始めたのか聞いてみました。 彼は1965年に最初のナイフでA2を使い始めたと言いました。 彼はそれまでA2とD2を、職業柄「モデルメイキング」(試作)のためのダイス鋼として使っていました。 1971年に開催された第1回ナイフメーカーズギルドショーで、彼は「当時、これを使っているメーカーは他に見当たらなかったし、実際、ボブ・ラブレス以外にはほとんど誰も聞いたことがなかった」と言いました。 当時、ほとんどのメーカーがリサイクルスチールを使用しており、メーカーはどのスチールを使用しているのか知らないのが普通だった。

1970年代前半のRon Lakeのフォルダー。 Image from

当時はA2が一般的なダイスチールだったので、ロンレイクよりも早く誰かがナイフに使っていた可能性はあります。 しかし、A2の人気は、レイクやヘロンのようなナイフメーカーの影響を受けて作られたものだと思われます。 1970年代には、バーノン・ヒックスやビル・デイビスといった他のナイフメーカーもA2を使用していました。

微細構造

A2の微細構造は、1095やO1のような単純な鋼よりはやや粗いですが、D2のような鋼よりは微細です。 D2は大きなクロム炭化物を大量に含んでいるため、非常に優れた耐摩耗性を持っていますが、靭性はやや劣ります。 そのため、A2はD2では靭性が不十分な用途に使用されるのが一般的です。 下の写真は、相対的な炭化物の大きさを示しています(すべて1000倍)。炭化物は白い粒子です。

O1の顕微鏡写真

A2の顕微鏡写真。

D2の顕微鏡写真

タフネステスト

A2については、かなりのタフネスデータを持っていますので、ご紹介します。 まず第一に、異なる熱処理パラメータを用いた最近の一連の靭性実験を行いました。 これらの実験のために試料の熱処理と加工を行ったMichael Drinkwine氏に感謝します。 以前に行った5160の実験で驚いたのは、CruForgeV、AEB-L、Z-Wearを使った以前の結果とは異なり、熱処理パラメータに非常に敏感だったことです。 そのため、A2がどのような挙動を示すのか興味がありました。 オーステナイト化温度は1725~1800°F、テンパー化温度は300~500°Fを使用しました。 それぞれオーステナイト化温度で20分間浸漬した後、プレートクエンチし、液体窒素中で6時間保持した後、2回に分けて2時間ずつ焼戻しを行った。 このページに掲載されている仕様の、サブサイズのノッチなしシャルピー試験片を使ってテストしました。

5160とは異なり、過オーステナイト化やアンダーエンパリング、あるいは焼戻しマルテンサイトの脆化によって、靭性が大きく低下することはありませんでした。

A2が5160のような単純な鋼に比べてオーステナイト化や焼戻しの影響を受けにくいのにはいくつかの理由があります。 まず、オーステナイト化温度が1800°Fであっても、クロムの炭化物が存在しているため、粒を適度な大きさに保つことができます。 炭化物は粒界を「ピン」と張ります。 結晶粒が大きくなると靭性が低下します。 5160は炭化物がほとんどないので、過剰なオーステナイト処理をすると、粒を固定する炭化物がなくなり、粒径が大きくなり、靭性が低下します。 焼戻しについては、5160の場合、焼戻し温度が400~500°Fの間で靭性が低下しており、これは「焼戻しマルテンサイト脆化」と呼ばれている。 これは “焼戻しマルテンサイト脆化 “と呼ばれるもので、マルテンサイト内に大きな炭化物が形成され、靭性に悪影響を及ぼすために起こる。 炭化物の形成を遅らせることができる元素は様々で、最も有名なのはケイ素である。 しかし、十分な量のクロムも同様の効果を持つため、A2では500°Fの焼戻しではこの現象が見られない。 焼戻しマルテンサイトの脆化については、こちらの記事で詳しく紹介しています。 主要な脆化メカニズムが見られなかったことから、靭性と硬度には良い相関関係があると言えます。

また、1700°Fからのプリクエンチによる単一条件も行いました。 プレクエンチについてはこちらの記事で紹介しています。 高合金鋼の結晶粒径を小さくするための多重焼入れの一種です。 AEB-Lの靭性試験では、靭性のわずかな改善が見られました。 しかし、A2の試験では改善が見られませんでした。

靭性の比較

A2は靭性が良いので、金型用鋼として長年使用されてきました。 D2のような耐摩耗性の高い鋼と比べても遜色ありません。 しかし、8670や5160のような低合金、低耐摩耗性の鋼でも、より優れた靭性を持つものがありますし、より高価な粉末冶金鋼でも優れた靭性を持つものがあります。

A2の結果を他の鋼と比較すると、以下のようになります。 A2の結果は、他の鋼と比較して、カーペンター(ノッチなしのアイゾッド)やクルーシブル(C-ノッチ付きのシャルピー)で報告された靭性と良好に一致しています。ノッチ付きシャルピー)で報告された靭性と一致しています。

上のグラフでは、10VとPM A11は同じで、420CWとS90Vは同じです。 また、CPM-M4とPM M4ももちろん同じです。 以下は、上の表と比較しやすいように、Knife Steel Nerdsの靭性データを表形式にしたものです。 Z-WearはCPM CruWearと同じ、PSF27は「スプレーフォーム」のD2、40CPは粉末冶金の440Cです。

他の鋼に比べてA2の靭性が高いのは、炭化物の量が比較的少ない(~6~8%)ために高くなると予想されるという点で、やや意外かもしれません。 炭化物の量が比較的少ない(~6~8%)ので、もっと高いと予想されるからです。また、先の顕微鏡写真で示したように、炭化物は比較的微細です。 しかし、市販されているA2スチールの低倍率の顕微鏡写真では、事前の処理で除去されなかった8~15ミクロン程度の大きな一次炭化物が見られることがあります。 このような大きな炭化物は、クラック発生の起点となり、靭性を低下させます。 このような大きな炭化物を避けるような方法で加工された市販のA2があるかどうかはわかりません。

いくつかの大きな一次炭化物を示すA2の顕微鏡写真です。 Image from .

Edit 10/15/2019: 我々がテストしたA2の顕微鏡写真では、より大きな炭化物が微細構造に存在することが確認されました。 高密度ではありませんが、微細構造全体に散らばっています。 以下に2つの異なる倍率の顕微鏡写真を掲載しますので、ご覧ください。

エッジの保持

A2のCATRAテストを1つ知っています。 O1、M2、T15鋼と比較したものです。 テストでは、シングルベベルのレザーパーリングナイフを使用しました。 テストでは、シングルベベルのレザーパーリングナイフを使用し、14~16°に研ぎ上げました。

O1よりも硬度が低いにもかかわらず、明らかに優れたエッジ保持力を持っていました。 これは、O1の柔らかい鉄の炭化物(セメンタイト)に比べて、より硬いクロムの炭化物が多く含まれているためだと思われます。 A2は、M2よりも2Rc低いにもかかわらず、エッジ保持力がわずかに劣っていましたが、耐摩耗性の高い5%バナジウムのT15は、他のものよりもエッジ保持力が著しく優れていました。

この結果とCATRAの記事にある予測式を使って、A2のエッジ保持力を440Cと比較して推定し、Bohler-Uddeholm社とCrucible社のテストによる他のナイフ鋼と比較することができます。 60Rcで6%のクロムカーバイドがあるので、58-59Rcで440Cの85%のエッジ保持力があると推定されます。

エッジ保持力と靭性のバランス

CATRAと靭性の両方のデータを共有できる鋼については、靭性とエッジ保持力をプロットして、他の鋼と比較したA2のおおよその位置を示しました。

CATRAのデータはありませんが、CPM CruWearや3Vのように、靭性と耐摩耗性の両方に優れていると思われる鋼もあります。

研削、研磨、研ぎ、そしてコスト

炭化クロムの量が比較的少ないため、A2は多くのナイフに使用されている一般的な高耐摩耗性鋼よりも、研削、研磨、研ぎがはるかに容易です。 これにより、ナイフの製造における時間とコストの削減にもつながります。

推奨される用途

A2はちょっと変わったところがあります。というのは、A2は空気硬化するので鍛造の刃物職人には使われませんが、多くのストック除去ナイフメーカーは粉末冶金の工具鋼やステンレス鋼を使う傾向があるので使われません。 A2は靭性が高く、多くの高耐摩耗性鋼よりも優れています。 また、ナイフメーカーにとっては研削・研磨が容易であり、エンドユーザーにとっては研ぎやすいという利点があります。 単純な炭素鋼に比べれば多少の防汚性はありますが、もちろんステンレス鋼ほどの防汚性はありません。 64Rcまで熱処理すると耐摩耗性と刃先の安定性が向上し、60Rcでは靭性が向上するなど、汎用性があります。

結論

A2は靭性と耐摩耗性に優れているので、金型用鋼として古くから使われています。 前駆鋼は少なくとも1925年から、A2自体は1940年代初頭から存在していました。 A2は非常に人気のあるダイスチールで、現在も定期的に使用されています。 A2は、少なくとも1960年代からナイフに使用されており、現在も使用されています。 A2は熱処理に比較的寛容で、さまざまな特性の組み合わせで異なる硬さを目指すために、さまざまなオーステナイト化温度と焼戻し温度に対応することができます。 靭性と耐摩耗性の組み合わせに優れた粉末冶金鋼もありますが、A2はコスト、研削性、研ぎやすさの面で優位性があります。 “The Chemical Composition of Tool Steels.” Trans. Am. Soc. Steel Treat 9 (1926): 75-88.

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