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Historique de l’acier O1
L’acier O1 a été développé en 1905 par Halcomb steel qui a été acquis par Crucible Steel quelques années plus tard . Cependant, l’histoire est un peu plus intéressante que cela. En 1876, une grande entreprise sidérurgique de Sheffield, Sanderson Brothers, a acheté la Geddes Steel Works de la Sweet’s Manufacturing Company à Syracuse, dans l’État de New York. Les droits de douane américains avaient entraîné une forte réduction des exportations d’acier de Sheffield, et la production d’acier des États-Unis avait également beaucoup augmenté. Plusieurs entreprises sidérurgiques anglaises ont donc installé des sites de production aux États-Unis, dont Sanderson Brothers. Sanderson Brothers était une très ancienne entreprise sidérurgique de Sheffield, fondée en 1776. Le développement de l’acier à outils a commencé à exploser vers 1900, en raison de la découverte récente de l' »acier rapide », que vous pouvez lire ici : L’histoire du premier acier à outils. L’année 1900 est doublement significative car cette année-là, il y a eu une consolidation majeure de 13 des principales usines sidérurgiques qui utilisaient des méthodes de production d’acier » en creuset « , représentant 95 % de la production d’acier en creuset aux États-Unis.
Les 13 entreprises d’acier en creuset, dont Sanderson Brothers, ont formé la Crucible Steel Company of America. Son nouveau président et directeur général était Charles Herbert Halcomb, qui était venu à Syracuse depuis Sheffield à l’âge de 22 ans en 1881 pour travailler chez Sanderson Brothers. Halcomb était le fils du directeur général de Sanderson Brothers et avait suivi une formation de métallurgiste pendant qu’il y travaillait. Cependant, bien qu’il soit le président de cette nouvelle entreprise géante d’acier à outils en creuset, Halcomb a quitté Crucible après seulement deux ans pour créer la Halcomb Steel Company qui a été constituée en 1904. Halcomb emploie d’anciens ouvriers de Crucible et construit une nouvelle usine à Syracuse, juste à côté de l’usine des frères Sanderson de Crucible Steel. Halcomb Steel a été la première entreprise à construire un four à arc électrique pour la production d’acier plutôt que l’ancienne technologie du creuset. Le four à arc électrique a été construit en 1905 et la production a commencé en 1906. Le four à arc électrique était moins cher que la production en creuset et permettait d’obtenir un acier de meilleure qualité. Le four à arc électrique peut être utilisé pour réduire les niveaux de phosphore et de soufre, impuretés courantes de l’acier. Et l’action réductrice des scories dans les fours électriques signifie qu’il y a moins de pertes de métaux facilement oxydables comme le chrome, le vanadium et le manganèse. En 1934, la production d’acier en creuset avait été presque entièrement remplacée par les fours à arc électrique .
Les premiers aciers rapides qui sont devenus T1 avaient 4% de Cr, ce qui les rendait durcissables à l’air. Cependant, les aciers rapides étaient principalement utilisés pour les outils de coupe, tandis que l’industrie de l’acier à matrice reposait principalement sur des aciers nécessitant une trempe à l’eau. Vous pouvez lire ce qui contrôle les taux de trempe requis pour une dureté totale dans cet article sur la « trempabilité ». Le métallurgiste John A. Mathews, de Halcomb Steel, a mis au point un acier dont la trempabilité se situait entre celle de l’acier rapide à durcissement à l’air et celle des aciers à trempe à l’eau, ce qui en a fait le premier acier « à durcissement à l’huile ». Mathews est célèbre pour avoir breveté l’ajout de vanadium aux aciers rapides, qui est devenu le T1, de loin l’acier rapide le plus courant au début du 20e siècle. Les matrices avaient parfois été durcies à l’huile auparavant, mais cette nouvelle nuance d’acier était la première à pouvoir être trempée dans l’huile et à atteindre une dureté totale dans des tailles relativement grandes. Ce nouvel acier a reçu le nom de « Ketos » et a fait l’objet d’une publicité pour le peu de déformation, de fissuration ou de changement de taille que subit l’acier grâce à la méthode de trempe à l’huile. Cela permettait d’utiliser des formes et des dessins complexes et de réduire le meulage après la trempe. Ces avantages ont fait que le Ketos est devenu assez populaire dans les ateliers d’outillage et de matriçage. Je n’ai rien trouvé sur la raison pour laquelle l’acier est appelé Ketos, bien qu’il s’agisse d’un mot grec ancien qui signifie monstre marin. Cela n’a rien à voir avec les régimes pauvres en glucides.
Publicité de Ketos de 1920
Malgré l’avantage technologique fourni par le four à arc électrique et des développements passionnants comme Ketos, Halcomb Steel a eu une vie relativement courte, du moins en tant que société autonome. Halcomb Steel a été rachetée par Crucible Steel en 1911, ce qui a considérablement augmenté la quantité d’acier à outils produite par Crucible Steel à Syracuse. Crucible Steel a conservé le nom Ketos et, en fait, la société utilise toujours ce nom commercial. Ketos a été copié par plusieurs autres aciéries en raison de sa popularité, et a reçu la désignation AISI O1 plusieurs décennies plus tard.
Histoire de la composition O1
La conception et l’évolution de la composition qui est devenue O1 ne peuvent pas être clouées exactement, mais cela ressemble à un acier qui a grandi à partir de ce qui était commun à l’époque . Le premier acier à outils était « l’acier Mushet » développé en 1868 avec 2% de C, 2,5% de Mn et 7% de W. Cet acier était durcissable à l’air en raison de la haute teneur en manganèse et avait une haute résistance à l’usure en raison de la haute teneur en carbone et en tungstène. Il a été le principal acier à outils utilisé en dehors de l’acier au carbone simple pendant environ 25 ans. Avant le travail de Taylor et White dans le développement de l’acier rapide, il y a eu une certaine évolution de l’alliage, en particulier en testant différentes combinaisons de Mn, Cr et W. Il y a eu des expériences avec des aciers « chrome-tungstène » pour remplacer l’acier Mushet « manganèse-tungstène ». Dans la décennie 1880-1890, des expériences ont été menées en France sur les aciers alliés au chrome. En 1890, des études ont été menées sur les aciers faiblement alliés avec une combinaison de chrome et de tungstène. En 1887, il est fait mention d’un acier dont la composition est assez similaire à celle de O1, produit par Brooklyn Chrome Steel Works. Des teneurs en chrome et en tungstène beaucoup plus élevées ont été étudiées à partir de 1894 environ, ce qui a conduit à l’acier 4 % Cr 18 % W qui est devenu le premier acier à grande vitesse. Par conséquent, l’acier O1 ressemble davantage à ces aciers de l’ère 1890 qui n’ont pas été étudiés spécifiquement pour les applications à grande vitesse. La composition rapportée la plus ancienne que j’ai trouvée pour O1 date de 1925 , il est difficile de dire à quel point elle a pu changer entre 1905 et 1925.
Les informations de Ketos datent de 1913
Il existe une évolution alternative potentielle à O1. Il existe quelques affirmations proches de la période (1920-1930) selon lesquelles O1/Ketos a commencé comme quelque chose de plus proche de ce qu’on appelle aujourd’hui O2, avec un taux de Mn plus élevé (1,25-1,75%) et sans Cr ni W . Le Mn a ensuite été partiellement remplacé par 0,5 % de Cr et 0,5 % de W. Cependant, je ne peux pas trouver de composition pour le Ketos qui le montre autrement que comme O1 et non O2, donc il aurait changé assez tôt. Mais si le récit est exact, alors John A. Mathews a développé les deux types courants d’acier durcissant à l’huile : O1 et O2. Le Ketos étant très populaire, la plupart des grands fabricants d’acier ont développé leurs propres versions au moins en 1920. Ces versions variaient entre des compositions de type O1- et O2.
Mise à jour 7/22/20 : J’ai effectué une recherche dans les archives historiques des premiers aciers à durcissement à l’huile de type O2 et le plus ancien que j’ai trouvé était l’acier Crucible » Paragon Oil Hardening » qui remontait au moins à 1911 (American Machinist, vol. 35, 1911). Il est donc probable que Mathews, ou au moins Crucible, ait développé les deux principaux types (O1 et O2) bien que O2 soit venu plus tard.
Voici une gamme de compositions mesurées de sept fabricants rapportées en 1925 :
Dans le même article de 1925, James Gill (lisez à son sujet ici) a rapporté que la version ~1.6% Mn était plus enclin à la fissuration et à la croissance des grains que la version à plus faible teneur en Mn avec Cr et W. Il préférait la composition de type O1, en particulier lorsqu’elle comportait l’ajout de vanadium pour le blocage des grains. Gill aimait les ajouts de vanadium en général et il travaillait pour la Vanadium Alloys Steel Company. La résistance à la fissuration et la moindre sensibilité à la température de durcissement de la composition O1 ont pu être ce qui a conduit à la modification de l’O2 original.
Conception de l’O1
L’O1 tire ses propriétés de durcissement à l’huile de la combinaison de Mn et de Cr, deux éléments qui contribuent à la durcissabilité. Au début des années 1900, on pensait également que le W contribuait à la durcissabilité, il a donc pu être ajouté dans ce but. L’acier O1 contient environ la moitié du Mn de l’acier Mushet original, il s’agit peut-être d’une modification intentionnelle de cet acier durcissant à l’air pour ramener la trempabilité à la « trempe à l’huile ». L’ajout de vanadium est facultatif, mais il aide à maintenir une taille de grain fine. Le tungstène contribue également à la finesse du grain et à la résistance à l’usure, mais la quantité est suffisamment faible pour que sa contribution à ces propriétés soit relativement faible. Le principal avantage de l’O1 par rapport à l’acier au carbone simple comme le 1095 est qu’il peut être durci dans l’huile et mieux éviter les fissures, les déformations et les changements de taille.
Les entreprises d’outils et de matrices étaient très enthousiastes à propos de l’acier Ketos, comme on le trouve dans un rapport de 1911 dans American Machinist par C.G. Heiby et George Coles de la H. Mueller Manufacturing Company . « Il y a environ six mois, notre attention a été attirée sur l’acier Ketos… des revendications pour lesquelles, à la lumière d’une longue expérience avec les aciers au carbone, étaient presque incroyables… Nous avons pu vérifier la déclaration des fabricants en ce qui concerne ses qualités de non rétrécissement et de non déformation à notre entière satisfaction. »
Histoire de l’acier O1 dans les couteaux
Parce que O1 est devenu un acier à outils très populaire, il est relativement difficile de déterminer qui l’a utilisé en premier dans les couteaux. Il a été populaire à la fois auprès des forgerons de lames et des couteliers d’enlèvement de matière en raison de sa grande disponibilité dans une gamme de tailles, et de sa facilité à être forgé et traité thermiquement. Un coutelier connu pour son utilisation du O1 est W.D. « Bo » Randall, qui a commencé à fabriquer des couteaux vers 1938 après avoir acheté un couteau Scagel qui l’avait impressionné. Dans le premier catalogue Randall Knives disponible en 1940, il est indiqué que les couteaux étaient « fabriqués avec le meilleur acier à outils suédois importé ». Cet acier n’était pas identifié comme O1 dans le catalogue jusqu’à l’édition de 1985 qui l’appelait « imported Swedish O1 tool steel » qui utilise les mêmes termes mais ajoute qu’il s’agit de O1. J’ai contacté Randall Made Knives et ils m’ont confirmé que leur compréhension est que l’acier utilisé n’a pas changé. Un article de Jim Williamson sur les couteaux Randall identifie l’acier comme étant produit par Uddeholm. Uddeholm vendait une version de O1 sous le nom de UHB-46 à cette époque. Ainsi, même s’il est difficile d’affirmer que Randall a été le premier à utiliser l’acier O1, il en a été un utilisateur influent au tout début de la période des couteaux personnalisés de fabrication américaine. Il est intéressant de noter qu’il a utilisé de l’acier suédois alors que l’acier O1 a été inventé aux États-Unis. Je ne suis pas sûr de la raison pour laquelle il a utilisé l’acier Uddeholm. Peut-être était-il disponible dans une meilleure taille, le coût, ou il a estimé que l’acier était de meilleure qualité. Dès le catalogue de 1945, il dit : » J’utilise le meilleur acier à outils suédois importé, qui n’est pas nécessairement meilleur que nos meilleurs aciers américains, mais qui a la réputation d’être fabriqué à partir des minerais les plus purs et d’être le meilleur des aciers de coutellerie. «
Microstructure de O1
Ci-après, j’ai une micrographie de O1 que j’ai prise. Vous pouvez la comparer avec d’autres aciers de coutellerie en lisant cet article. Les carbures sont relativement petits et bien répartis. Des carbures fins sont généralement synonymes de bonne ténacité et de stabilité des arêtes.
Tests de ténacité de l’O1
Voici des chiffres de ténacité de l’O1 austénitisé à 1475°F ou 1550°F pendant 10 minutes, trempé dans de l’huile rapide et revenu entre 350 et 450°F. Les échantillons ont été traités thermiquement par Warren Krywko et usinés par Alpha Knife Supply. L’austénitisation à 1550°F a entraîné une réduction de la ténacité, soit en raison d’une augmentation de la martensite de la plaque, soit en raison de la taille des grains. Le revenu jusqu’à 450°F n’a pas conduit à une fragilisation de la martensite trempée. Il peut être intéressant d’essayer 1450 ou 1500°F mais pour l’instant, la température d’austénitisation que je recommande est 1475°F. Une huile moyenne comme Parks AAA peut être utilisée avec O1 en raison de sa haute trempabilité. Un traitement à froid peut être ajouté après la trempe pour une petite augmentation de la dureté ainsi qu’une diminution correspondante de la ténacité (non testé ici).
Malgré la structure carbure fine de O1, sa ténacité n’est pas particulièrement élevée par rapport à d’autres aciers. Par exemple, A2 est probablement l’homologue le plus proche de O1 en termes d’utilisation dans les aciers à matrices, mais il est durci à l’air au lieu d’être durci à l’huile. Cependant, A2 présente à la fois une meilleure ténacité et une meilleure résistance à l’usure que O1, malgré la structure carbure fine de O1. Je pense que cela est dû à la « martensite de plaque » dans O1, mais je ne peux pas l’affirmer avec certitude.
La ténacité relativement médiocre de O1 semble être une constatation constante, que ce soit lors des tests de ténacité de Knife Steel Nerds, Crucible, ou Carpenter. Ce n’est pas que la ténacité de O1 soit particulièrement mauvaise, mais que pour sa structure fine en carbure et son faible niveau de résistance à l’usure, on s’attendrait à ce que la ténacité soit meilleure. Voici une comparaison entre les chiffres de ténacité de Knife Steel Nerds et de Crucible montrant qu’ils sont très bien corrélés et que les résultats pour O1 sont également similaires (notez que les échelles sont différentes en raison de géométries d’échantillons différentes):
Résistance à l’usure et rétention des arêtes
O1 n’est pas connu pour sa résistance à l’usure élevée, il a une résistance à l’abrasion nettement inférieure à celle de D2, par exemple . Et les notations génériques des fabricants d’acier montrent généralement que O1 a une résistance à l’usure inférieure à la majorité de leurs autres aciers à matrices. Je ne connais qu’un seul test de rétention du tranchant CATRA avec O1, commandé par Jeff Peachey. Il a aiguisé chaque outil à un angle très faible de 13°. O1 a été testé à une dureté très élevée (64 Rc) mais sa rétention d’arête était clairement inférieure à celle des autres aciers :
Cela est facile à comprendre par la connaissance des effets des carbures sur la rétention d’arête que vous pouvez lire ici. O1 a une quantité relativement faible de carbures de fer doux qui ne contribuent pas autant à la rétention des arêtes que les carbures de chrome dans A2 ou les carbures de molybdène/tungstène et vanadium dans M2 et T15. Les aciers faiblement alliés en général (1095, 52100, O1, W2, etc.) ont une rétention du tranchant relativement faible.
Coût, disponibilité, traitement thermique, finition et affûtage
Le plus grand avantage de l’O1 au fil des ans a été sa disponibilité presque partout et son coût relativement bas. Il est également relativement facile à traiter thermiquement en raison de ses exigences d’austénitisation qui sont similaires à celles d’autres aciers faiblement alliés avec l’avantage d’être facile à tremper pour une dureté totale, même avec de l’huile lente en raison de sa haute trempabilité. L’inconvénient est qu’il est plus difficile à recuire en raison de sa haute trempabilité. Apprenez-en plus sur le recuit ici : Partie 1 et Partie 2. L’O1 est également facile à finir et à aiguiser en raison de sa faible résistance à l’usure. La forgeabilité de l’O1 est également très bonne.
Résumé et conclusions
L’O1 a commencé comme un développement de « l’acier durcissant à l’huile » dans l’explosion du développement de l’acier qui a eu lieu au début du 20ème siècle. » L’acier Ketos » a été mis sur le marché par Halcomb Steel en 1905 après avoir été développé par le métallurgiste John A. Mathews. Halcomb Steel était une société créée par Charles Halcomb, le premier président de Crucible Steel, qui est parti pour créer sa propre société, construisant l’usine juste à côté de celle de Crucible à Syracuse, NY. Halcomb Steel a été rachetée par Crucible quelques années plus tard mais a continué à vendre l’acier sous le nom de Halcomb Ketos pendant de nombreuses années, et Crucible continue à vendre O1 comme acier Ketos. O1 contenait une quantité moyenne de Mn (~1,2%) ainsi que du Cr et du W pour la trempabilité, la résistance à l’usure et la résistance à la croissance du grain. Il y a une certaine confusion quant à savoir si l’acier O2 avec sa conception plus simple de Mn seulement (~1,6%) peut être venu en premier et avoir été modifié pour faire la composition finale de O1. L’acier à durcissement à l’huile était très populaire auprès des fabricants d’outils et de matrices en raison de la très faible quantité de gauchissement, de déformation et de changements de taille que l’acier subissait en raison du durcissement à l’huile. Les autres grandes entreprises d’acier à outils ont fabriqué leurs propres aciers à durcissement à l’huile, qui étaient tous des versions de O1 et O2. L’acier O1 présente une fine microstructure de cémentite. Sa ténacité est seulement « bonne » malgré sa structure fine et sa résistance à l’usure relativement faible. Sa rétention du tranchant est relativement faible en raison de la faible quantité de carbures de fer doux (cémentite). Le O1 est courant dans les couteaux depuis des décennies. Familièrement, O1 a été utilisé par Randall Knives à partir de 1938 environ et jusqu’à aujourd’hui.
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