¡Gracias a Johnny Ngo y ALtheSciencePal por convertirse en seguidores de Knife Steel Nerds Patreon!
Historia del Acero O1
El acero O1 fue desarrollado en 1905 por Halcomb steel que fue adquirido por Crucible Steel unos años después . Sin embargo, la historia es un poco más interesante que eso. En 1876, una gran empresa siderúrgica de Sheffield, Sanderson Brothers, compró la fábrica Geddes Steel Works de Sweet’s Manufacturing Company en Syracuse, Nueva York. Los aranceles estadounidenses habían provocado una gran reducción de las exportaciones de acero de Sheffield, y la producción de acero de EE.UU. también había aumentado en gran medida para igualar. Por ello, varias empresas siderúrgicas inglesas establecieron instalaciones de producción en Estados Unidos, entre ellas Sanderson Brothers. Sanderson Brothers era una empresa siderúrgica de Sheffield muy antigua, fundada en 1776. El desarrollo del acero para herramientas comenzó a explotar alrededor de 1900 debido al reciente descubrimiento del «acero de alta velocidad», sobre el que puede leer aquí: La historia del primer acero para herramientas. El año 1900 fue doblemente significativo porque en ese año se produjo una importante consolidación de 13 de las principales plantas siderúrgicas que utilizaban métodos de producción de acero de «crisol», que representaban el 95% de la producción de acero de crisol en los Estados Unidos.
Las 13 empresas de acero de crisol, incluida Sanderson Brothers, formaron la Crucible Steel Company of America. Su nuevo presidente y director general era Charles Herbert Halcomb, que había llegado a Siracusa desde Sheffield a la edad de 22 años en 1881 para trabajar en Sanderson Brothers. Halcomb era hijo del director general de Sanderson Brothers y se formó como metalúrgico mientras trabajaba allí. Sin embargo, a pesar de ser el presidente de esta nueva y gigantesca empresa de acero para herramientas de crisol, Halcomb dejó Crucible después de sólo dos años para formar la Halcomb Steel Company, que se constituyó en 1904. Halcomb empleó a antiguos trabajadores de Crucible y construyó una nueva fábrica en Siracusa, justo al lado de la Sanderson Brothers Works de Crucible Steel. Halcomb Steel fue la primera empresa que construyó un horno de arco eléctrico para la producción de acero en lugar de la antigua tecnología de crisol. El horno de arco eléctrico se construyó en 1905 y comenzó la producción en 1906. El horno de arco eléctrico era más barato que la producción en crisol y también permitía obtener un acero de mayor calidad. El horno de arco eléctrico permite reducir los niveles de fósforo y azufre, impurezas habituales del acero. Y la acción reductora de la escoria en los hornos eléctricos significa que hay menos pérdida de metales fácilmente oxidables como el cromo, el vanadio y el manganeso. En 1934, la producción de acero de crisol había sido sustituida casi por completo por los hornos de arco eléctrico.
Los primeros aceros rápidos que se convirtieron en T1 tenían un 4% de Cr, lo que hacía que se endurecieran al aire. Sin embargo, los aceros de alta velocidad se utilizaban principalmente para herramientas de corte mientras que la industria del acero para matrices se basaba principalmente en aceros que requerían un enfriamiento con agua. Puede leer sobre lo que controla las tasas de temple requeridas para la dureza total en este artículo sobre «templabilidad». El metalúrgico John A. Mathews, de Halcomb Steel, desarrolló un acero con una templabilidad intermedia entre los aceros rápidos de temple al aire y los aceros de temple al agua, que se convirtió en el primer acero de «temple al aceite». Mathews es famoso por haber patentado la adición de vanadio a los aceros rápidos, que se convirtió en el T1, el acero rápido más común a principios del siglo XX. Las matrices se habían endurecido a veces en aceite antes de esto, pero este nuevo grado de acero fue el primero que podía templarse en aceite y alcanzar la dureza total en tamaños relativamente grandes. Este nuevo acero recibió el nombre de «Ketos» y se publicitó por la escasa distorsión, agrietamiento o cambio de tamaño que experimentaba el acero gracias al método de temple en aceite. Esto permitía el uso de formas y diseños intrincados y un menor rectificado tras el endurecimiento. Estas ventajas hicieron que los Ketos se hicieran bastante populares en los talleres de herramientas y matrices. No he encontrado nada sobre por qué el acero se llama Ketos, aunque es una palabra del griego antiguo que significa monstruo marino. No tiene nada que ver con las dietas bajas en carbohidratos.
Anuncio de Ketos de 1920
A pesar de la ventaja tecnológica proporcionada por el horno de arco eléctrico y los emocionantes desarrollos como Ketos, Halcomb Steel tuvo una vida relativamente corta, al menos como empresa independiente. Halcomb Steel fue adquirida por Crucible Steel en 1911, lo que aumentó considerablemente la cantidad de acero para herramientas producida por Crucible Steel en Syracuse. Crucible Steel mantuvo el nombre de Ketos y, de hecho, la empresa sigue utilizando ese nombre comercial. Ketos fue copiado por varias otras compañías de acero debido a su popularidad, y se le dio la designación AISI O1 varias décadas más tarde.
Historia de la composición del O1
El diseño y la evolución de la composición que se convirtió en el O1 no se puede clavar exactamente, pero sí parece un acero que creció a partir de lo que era común en la época . El primer acero para herramientas fue el «acero Mushet» desarrollado en 1868 con un 2% de C, un 2,5% de Mn y un 7% de W. Este acero se endurecía al aire debido al alto contenido de manganeso y tenía una gran resistencia al desgaste debido al alto contenido de carbono y tungsteno. Fue el principal acero para herramientas utilizado, aparte del acero al carbono simple, durante unos 25 años. Antes del trabajo de Taylor y White en el desarrollo del acero rápido, hubo cierta evolución de la aleación, en particular con la prueba de diferentes combinaciones de Mn, Cr y W. Hubo experimentos con aceros «cromo-tungsteno» como reemplazo del acero Mushet «manganeso-tungsteno». En la década de 1880-1890, se realizaron experimentos en Francia con aceros aleados con cromo. Y hacia 1890 se realizaron algunos estudios sobre aceros de baja aleación con una combinación de cromo y tungsteno. Hacia 1887 hay constancia de un acero con una composición algo similar al O1 producido por Brooklyn Chrome Steel Works. A partir de 1894 se exploraron principalmente contenidos de cromo y tungsteno mucho más elevados, lo que condujo al acero con 4% de Cr y 18% de W que se convirtió en el primer acero de alta velocidad. Por lo tanto, el O1 se parece más a esos aceros anteriores de la época de 1890 que no se exploraban específicamente para aplicaciones de alta velocidad. La composición más temprana que he encontrado para el O1 es de 1925, es difícil decir cuánto pudo haber cambiado entre 1905 y 1925.
Información de Ketos de 1913
Hay una posible evolución alternativa al O1. Hay algunas afirmaciones cercanas al período de tiempo (1920-1930) de que O1/Ketos comenzó como algo más cercano a lo que ahora se llama O2, con mayor Mn (1,25-1,75%) y sin Cr o W . El Mn se sustituyó después parcialmente por un 0,5% de Cr y un 0,5% de W. Sin embargo, no puedo encontrar una composición de Ketos que lo muestre como algo distinto a O1 y no a O2, por lo que habría cambiado bastante pronto. Pero si el relato es exacto, entonces John A. Mathews desarrolló los dos tipos de acero de endurecimiento al aceite más comunes: O1 y O2. Como el Ketos era muy popular, la mayoría de los principales fabricantes de acero desarrollaron sus propias versiones al menos en 1920. Estas versiones oscilaban entre las composiciones O1- y O2.
Actualización 22/7/20: He realizado una búsqueda en los registros históricos de los primeros aceros de endurecimiento al aceite de tipo O2 y el más antiguo que he encontrado es el acero Crucible «Paragon Oil Hardening» que se remonta al menos a 1911 (American Machinist, vol. 35, 1911). Por lo tanto, es probable que Mathews, o al menos Crucible, desarrollara los dos tipos principales (O1 y O2), aunque el O2 fue posterior.
Aquí hay una gama de composiciones medidas de siete fabricantes reportadas en 1925 :
En el mismo artículo de 1925 de James Gill (lea sobre él aquí) reportó que la versión de ~1.6% de Mn era más propenso al agrietamiento y al crecimiento del grano que la versión de menor Mn con Cr y W. Él prefería la composición de tipo O1, particularmente cuando tenía la adición de vanadio para la fijación del grano. A Gill le gustaban las adiciones de vanadio en general y trabajaba para la Vanadium Alloys Steel Company. La resistencia al agrietamiento y la menor sensibilidad a la temperatura de endurecimiento de la composición O1 puede haber sido lo que llevó a la modificación a partir del O2 original.
Diseño del O1
El O1 obtiene sus propiedades de endurecimiento por aceite de la combinación de Mn y Cr, ambos elementos que contribuyen a la templabilidad. A principios del siglo XX también se creía que el W contribuía a la templabilidad, por lo que es posible que también se añadiera con ese fin. El O1 tiene aproximadamente la mitad de Mn que el acero Mushet original, por lo que quizás fue una modificación intencionada de ese primer acero de endurecimiento al aire para reducir la templabilidad al «endurecimiento al aceite». La adición de vanadio es opcional, aunque ayuda a mantener un tamaño de grano fino. El tungsteno también ayuda a mantener el grano fino y la resistencia al desgaste, aunque la cantidad es lo suficientemente pequeña como para que su contribución a estas propiedades sea relativamente escasa. La principal ventaja del O1 en comparación con el acero al carbono simple como el 1095 es que puede endurecerse en aceite y evitar mejor el agrietamiento, la distorsión y los cambios de tamaño.
Las empresas de herramientas y matrices estaban muy entusiasmadas con el acero Ketos, como se encuentra en un informe de 1911 en American Machinist por C.G. Heiby y George Coles de la H. Mueller Manufacturing Company . «Hace unos seis meses nos llamaron la atención sobre el acero Ketos… cuyas afirmaciones, a la luz de la larga experiencia con los aceros al carbono, eran casi increíbles… hemos podido verificar la afirmación de los fabricantes con respecto a sus cualidades de no contracción y no deformación a nuestra entera satisfacción.»
Historia del acero O1 en los cuchillos
Debido a que el O1 se convirtió en un acero para herramientas muy popular, es relativamente difícil determinar quién lo utilizó primero en los cuchillos. Ha sido muy popular entre los cuchilleros de forja y los cuchilleros de arranque debido a su amplia disponibilidad en una gama de tamaños, y la facilidad en la forja y el tratamiento térmico. Un fabricante de cuchillos conocido por su uso del O1 fue W.D. «Bo» Randall, que comenzó a fabricar cuchillos alrededor de 1938 tras comprar un cuchillo Scagel que le impresionó. En el primer catálogo disponible de Randall Knives en 1940, se dice que los cuchillos estaban «Fabricados con el mejor acero para herramientas sueco importado» . Este acero no fue identificado como O1 en el catálogo hasta la edición de 1985 que lo llamó «acero sueco importado para herramientas O1» que utiliza los mismos términos pero añade que era O1. Me puse en contacto con Randall Made Knives y me confirmaron que su entendimiento es que el acero utilizado no cambió. Un artículo sobre los cuchillos Randall por Jim Williamson identifica el acero como producido por Uddeholm . Uddeholm vendía una versión de O1 bajo el nombre de UHB-46 en esa época. Por lo tanto, aunque es difícil decir que Randall fue el primero en utilizar el O1, fue un usuario influyente en el período inicial de los cuchillos personalizados fabricados en Estados Unidos. Es interesante que utilizara acero de Suecia cuando el O1 se inventó en los Estados Unidos. No estoy seguro de por qué utilizó el acero de Uddeholm. Tal vez estaba disponible en un tamaño mejor, el costo, o él sentía que el acero era de mayor calidad. A partir del catálogo de 1945 dice: «Utilizo el mejor acero sueco importado para herramientas, que no es necesariamente mejor que nuestros mejores aceros americanos, pero tiene la reputación de estar hecho de los minerales más puros y de ser el mejor de los aceros para cuchillería»
Microestructura de O1
Abajo tengo una micrografía de O1 que tomé. Puedes compararla con otros aceros para cuchillos leyendo este artículo. Los carburos son relativamente pequeños y están bien distribuidos. Los carburos finos generalmente significan buena tenacidad y estabilidad del filo.
Pruebas de tenacidad del O1
Aquí están los números de tenacidad del O1 austenitizado a 1475°F o 1550°F durante 10 minutos, templado en aceite rápido, y revenido entre 350 y 450°F. Las muestras fueron tratadas térmicamente por Warren Krywko y mecanizadas por Alpha Knife Supply. El austenitizado a 1550°F provocó una reducción de la tenacidad, ya sea por un aumento de la martensita de la placa o del tamaño del grano. El templado a 450°F no produjo fragilidad de la martensita templada. Puede valer la pena probar a 1450 o 1500°F pero por ahora mi temperatura de austenitización recomendada es 1475°F. Un aceite medio como el de Parks AAA puede utilizarse con O1 debido a su alta templabilidad. Se puede añadir un tratamiento en frío después del temple para un pequeño aumento de la dureza así como una correspondiente disminución de la tenacidad (no probado aquí).
A pesar de la fina estructura de carburo del O1, su tenacidad no es particularmente alta en comparación con otros aceros. Por ejemplo, el A2 es probablemente el homólogo más cercano al O1 en cuanto a su uso en aceros para matrices, pero es de temple al aire en lugar de al aceite. Sin embargo, el A2 tiene mejor tenacidad y resistencia al desgaste que el O1, a pesar de la fina estructura de carburo del O1. Creo que esto se debe a la «martensita de placa» en el O1, pero no puedo asegurarlo.
La dureza relativamente pobre de O1 parece ser un hallazgo consistente ya sea en las pruebas de dureza de Knife Steel Nerds, Crisol, o Carpintero. No es que la dureza del O1 sea especialmente mala, sino que por su fina estructura de carburo y su bajo nivel de resistencia al desgaste se esperaría que la dureza fuera mejor. Aquí hay una comparación entre los números de dureza de Knife Steel Nerds y Crucible que muestra que se correlacionan muy bien y que los resultados para O1 también son similares (tenga en cuenta que las escalas son diferentes debido a las diferentes geometrías de las muestras):
La resistencia al desgaste y la retención del filo
O1 no es conocido por su alta resistencia al desgaste, tiene una resistencia a la abrasión significativamente menor que D2, por ejemplo . Y las clasificaciones genéricas de los fabricantes de acero suelen mostrar que el O1 tiene una menor resistencia al desgaste que la mayoría de sus otros aceros para matrices. Hay una prueba de retención de filo CATRA con O1 de la que tengo conocimiento, encargada por Jeff Peachey . Afiló cada uno a un ángulo muy bajo de 13°. El O1 fue probado con una dureza muy alta (64 Rc) pero su retención de filo fue claramente inferior a la de los otros aceros:
Esto es fácil de entender a través del conocimiento de los efectos de los carburos en la retención de filo que se puede leer aquí. O1 tiene una cantidad relativamente pequeña de carburos de hierro blando que no contribuyen tanto a la retención del filo como los carburos de cromo en A2 o los carburos de molibdeno/tungsteno y vanadio en M2 y T15. Los aceros de baja aleación en general (1095, 52100, O1, W2, etc.) tienen una retención del filo relativamente pobre.
Coste, disponibilidad, tratamiento térmico, acabado y afilado
El mayor beneficio del O1 a lo largo de los años ha sido su disponibilidad en casi todas partes y su coste relativamente bajo. También es relativamente fácil de tratar térmicamente debido a que sus requisitos de austenitización son similares a los de otros aceros de baja aleación, con la ventaja de que es fácil de templar para obtener la máxima dureza, incluso con aceite lento, debido a su alta templabilidad. La desventaja es que es más difícil de recocer debido a su alta templabilidad. Aprenda sobre el recocido aquí: Parte 1 y Parte 2. El O1 también es fácil de terminar y afilar debido a su baja resistencia al desgaste. La forjabilidad del O1 también es muy buena.
Resumen y conclusiones
El O1 comenzó como un desarrollo del «acero de endurecimiento al aceite» en la explosión del desarrollo del acero que se produjo a principios del siglo XX. El acero «Ketos» fue lanzado por Halcomb Steel en 1905 tras ser desarrollado por el metalúrgico John A. Mathews. Halcomb Steel fue una empresa formada por Charles Halcomb, el primer presidente de Crucible Steel que se marchó para formar su propia empresa, construyendo la fábrica justo al lado de la de Crucible en Siracusa, NY. Halcomb Steel fue adquirida por Crucible pocos años después, pero siguió vendiendo el acero como Halcomb Ketos durante muchos años, y Crucible sigue vendiendo el O1 como acero Ketos. El O1 tenía una cantidad media de Mn (~1,2%) junto con el Cr y el W para la templabilidad, la resistencia al desgaste y la resistencia al crecimiento del grano. Existe cierta confusión sobre si el acero O2, con su diseño más sencillo de sólo Mn (~1,6%), pudo haber surgido primero y haber sido modificado para hacer la composición final del O1. El acero templado al aceite era muy popular entre las empresas de herramientas y matrices debido a la escasa deformación, distorsión y cambios de tamaño que experimentaba el acero debido al endurecimiento al aceite. Las otras grandes empresas de acero para herramientas fabricaron sus propios aceros de endurecimiento al aceite, todos ellos versiones de O1 y O2. El O1 tiene una microestructura fina de cementita. Su tenacidad es sólo «buena» a pesar de su fina estructura y su relativamente baja resistencia al desgaste. Su retención del filo es relativamente baja debido a la pequeña cantidad de carburos de hierro blandos (cementita). El O1 ha sido común en los cuchillos durante décadas. Famosamente el O1 ha sido utilizado por los cuchillos Randall a partir de 1938 aproximadamente y hasta hoy.
Tweedale, Geoffrey. Sheffield Steel and America: A Century of Commercial and Technological Interdependence 1830-1930. Cambridge University Press, 1987.
Mathews, J. A. «Tool Steel Progress in the Twentieth Century». En The Iron Age (1930): 1672-1676.
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.
http://www.perseus.tufts.edu/hopper/text?doc=Perseus%3Atext%3A1999.04.0057%3Aentry%3Dkh%3Dtos
The Iron Age 1921.
Townsend, A. S. «Alloy Tool Steels and the Development of High-Speed Steel». Trans. Am. Soc. Steel Treat 21 (1933): 769-795.
Gill, J. P., y M. A. Frost. «La composición química de los aceros para herramientas». Trans. Am. Soc. Steel Treat 9 (1926): 75-88.
Brown, C.M. «Standardizing Specifications for Tool Steel». En Transactions of the American Society for Steel Treating 1, (1920-1921): 666-682.
Thum, E. E. «The New Manganese Alloy Steels». En Proc. Amer. Soc. Test. Mat, vol. 30, (1930): 215-236.
Heiby, C. G., y George Coles. «Resultados inusuales de endurecimiento de herramientas». En American Machinist septiembre 14, (1911): 487-489.
https://www.randallknives.com/randall-history/
https://www.randallmadeknife.com/1939
https://www.randallmadeknife.com/1985
http://www.dozierknives.com/images/documents/Magazine/randalls%20first%20half%20century.pdf
Woldman, N. E. Engineering Alloys: Nombres, propiedades, usos. 1945.
https://www.randallmadeknife.com/1945b
Bourithis, L., G. D. Papadimitriou, y J. Sideris. «Comparación de las propiedades de desgaste de los aceros para herramientas AISI D2 y O1 con la misma dureza». Tribology International 39, no. 6 (2006): 479-489.
https://jeffpeachey.com/tag/testing-o1-and-a2-steel/