Grazie a Johnny Ngo e ALtheSciencePal per essere diventati sostenitori di Knife Steel Nerds Patreon!
Storia dell’acciaio O1
L’acciaio O1 fu sviluppato nel 1905 dalla Halcomb steel che fu acquisita dalla Crucible Steel pochi anni dopo. Tuttavia, la storia è un po’ più interessante di così. Nel 1876 una grande compagnia siderurgica di Sheffield, Sanderson Brothers, acquistò la Sweet’s Manufacturing Company’s Geddes Steel Works a Syracuse New York. Le tariffe americane avevano portato a una grande riduzione dell’acciaio esportato da Sheffield, e anche la produzione di acciaio dagli Stati Uniti era notevolmente aumentata per corrispondere. Così diverse aziende siderurgiche inglesi installarono impianti di produzione negli Stati Uniti, tra cui Sanderson Brothers. Sanderson Brothers era un’antica azienda siderurgica di Sheffield, fondata nel 1776. Lo sviluppo dell’acciaio per utensili cominciò ad esplodere a partire dal 1900 circa, grazie alla recente scoperta dell'”acciaio ad alta velocità”, di cui potete leggere qui: La storia del primo acciaio per utensili. L’anno 1900 fu doppiamente significativo perché in quell’anno ci fu un importante consolidamento di 13 delle maggiori acciaierie che utilizzavano metodi di produzione dell’acciaio “a crogiolo”, rappresentando il 95% della produzione di acciaio a crogiolo negli Stati Uniti.
Le 13 compagnie di acciaio a crogiolo, tra cui Sanderson Brothers, formarono la Crucible Steel Company of America. Il suo nuovo presidente e direttore generale era Charles Herbert Halcomb, che era venuto a Syracuse da Sheffield all’età di 22 anni nel 1881 per lavorare alla Sanderson Brothers. Halcomb era il figlio dell’amministratore delegato della Sanderson Brothers e si era formato come metallurgista mentre lavorava lì. Tuttavia, nonostante fosse il presidente di questo nuovo gigante dell’acciaio per utensili al crogiolo, Halcomb lasciò Crucible dopo solo due anni per formare la Halcomb Steel Company che fu incorporata nel 1904. Halcomb impiegò ex lavoratori della Crucible e costruì una nuova fabbrica a Syracuse, proprio accanto alla Sanderson Brothers Works della Crucible Steel. Halcomb Steel fu la prima azienda a costruire un forno ad arco elettrico per la produzione dell’acciaio piuttosto che la vecchia tecnologia del crogiolo. Il forno ad arco elettrico fu costruito nel 1905 e iniziò la produzione nel 1906. Il forno ad arco elettrico era più economico della produzione con il crogiolo e portava anche a un acciaio di qualità superiore. Il forno ad arco elettrico può essere usato per ridurre i livelli di fosforo e zolfo, impurità comuni dell’acciaio. E l’azione riducente delle scorie nei forni elettrici significa che c’è meno perdita di metalli facilmente ossidabili come cromo, vanadio e manganese. Nel 1934 la produzione di acciaio al crogiolo era stata quasi interamente sostituita dai forni elettrici ad arco.
I primi acciai ad alta velocità che divennero T1 avevano il 4% di Cr che li rendeva indurenti all’aria. Tuttavia, gli acciai rapidi erano utilizzati principalmente per gli utensili da taglio, mentre l’industria degli stampi si basava principalmente su acciai che richiedevano una tempra in acqua. Potete leggere cosa controlla i tassi di tempra richiesti per la durezza completa in questo articolo sulla “temprabilità”. Il metallurgista John A. Mathews di Halcomb Steel sviluppò un acciaio con una temprabilità intermedia tra l’acciaio rapido a tempra in aria e gli acciai a tempra in acqua e questo divenne il primo acciaio a “tempra in olio”. Mathews è famoso per aver brevettato l’aggiunta di vanadio agli acciai rapidi, che divenne il T1, di gran lunga l’acciaio rapido più comune all’inizio del XX secolo. Gli stampi erano stati a volte temprati in olio prima di questo, ma questo nuovo grado di acciaio fu il primo che poteva essere temprato in olio e raggiungere la piena durezza in tutte le dimensioni relativamente grandi. A questo nuovo acciaio fu dato il nome di “Ketos” e fu pubblicizzato per la poca distorsione, fessurazione o cambiamento di dimensioni che l’acciaio vede a causa del metodo di tempra in olio. Questo permetteva l’uso di forme e disegni intricati e meno rettifica dopo l’indurimento. Questi vantaggi fecero sì che Ketos diventasse piuttosto popolare nei negozi di utensili e stampi. Non ho trovato nulla sul perché l’acciaio si chiami Ketos, anche se è una parola greca antica che significa mostro marino. Non ha niente a che fare con le diete a basso contenuto di carboidrati.
Annuncio Ketos del 1920
Nonostante il vantaggio tecnologico fornito dal forno elettrico ad arco e da sviluppi interessanti come Ketos, Halcomb Steel ebbe vita relativamente breve, almeno come azienda indipendente. Halcomb Steel fu acquisita da Crucible Steel nel 1911, il che aumentò notevolmente la quantità di acciaio per utensili prodotto da Crucible Steel a Siracusa. Crucible Steel mantenne il nome Ketos e infatti l’azienda usa ancora quel nome commerciale. Ketos fu copiato da diverse altre aziende siderurgiche grazie alla sua popolarità, e gli fu data la denominazione AISI O1 diversi decenni dopo.
Storia della composizione O1
Il design e l’evoluzione della composizione che divenne O1 non possono essere inchiodati esattamente, ma sembra un acciaio che è cresciuto da ciò che era comune al tempo. Il primo acciaio per utensili fu l'”acciaio Mushet” sviluppato nel 1868 con il 2% di C, il 2,5% di Mn e il 7% di W. Questo acciaio era a tempra d’aria grazie all’alto manganese e aveva un’alta resistenza all’usura grazie all’alto carbonio e al tungsteno. E’ stato il principale acciaio per utensili usato oltre al semplice acciaio al carbonio per circa 25 anni. Prima del lavoro di Taylor e White nello sviluppo dell’acciaio ad alta velocità, c’è stata una certa evoluzione delle leghe, in particolare con la sperimentazione di diverse combinazioni di Mn, Cr e W. Ci sono stati esperimenti con acciai al “cromo-tungsteno” come sostituzione dell’acciaio “manganese-tungsteno” Mushet. Nel decennio 1880-1890, in Francia furono condotti esperimenti su acciai legati al cromo. E dal 1890 ci furono alcuni studi su acciai a bassa lega con una combinazione di cromo e tungsteno. Nel 1887 c’è traccia di un acciaio con una composizione in qualche modo simile all’O1 prodotto dalla Brooklyn Chrome Steel Works. Contenuti di cromo e tungsteno molto più alti furono quelli principalmente esplorati a partire dal 1894 circa, portando all’acciaio 4% Cr 18% W che divenne il primo acciaio ad alta velocità. Quindi O1 assomiglia di più a quegli acciai precedenti del 1890 che non erano stati esplorati specificamente per applicazioni ad alta velocità. La prima composizione riportata che ho trovato per O1 è del 1925, è difficile dire quanto possa essere cambiato tra il 1905 e il 1925.
Informazioni Ketos del 1913
C’è una potenziale evoluzione alternativa a O1. Ci sono alcune affermazioni da vicino al periodo di tempo (1920-1930) che O1/Ketos ha iniziato come qualcosa di più vicino a quello che ora è chiamato O2, con Mn più alto (1,25-1,75%) e nessun Cr o W . Il Mn è stato poi parzialmente sostituito da 0,5% Cr e 0,5% W. Tuttavia, non riesco a trovare una composizione per Ketos che lo mostri come qualcosa di diverso da O1 non O2, quindi sarebbe cambiato abbastanza presto. Ma se il resoconto è accurato, allora John A. Mathews ha sviluppato entrambi i comuni tipi di acciaio da tempra a olio: O1 e O2. Poiché Ketos era molto popolare, la maggior parte dei principali produttori di acciaio sviluppò le proprie versioni almeno dal 1920. Queste versioni variavano tra composizioni simili all’O1 e all’O2.
Aggiornamento del 22/07/20: Ho fatto una ricerca tra le registrazioni storiche dei primi acciai da tempra ad olio di tipo O2 e il primo che ho trovato è stato l’acciaio Crucible “Paragon Oil Hardening” che risale almeno al 1911 (American Machinist, vol. 35, 1911). Quindi è probabile che Mathews, o almeno Crucible, abbia sviluppato entrambi i tipi principali (O1 e O2) anche se l’O2 è arrivato dopo.
Ecco una gamma di composizioni misurate da sette produttori riportate nel 1925 :
Nello stesso articolo del 1925 James Gill (leggi qui) ha riportato che il ~1.6% Mn era più incline a cricche e crescita dei grani rispetto alla versione Mn più bassa con Cr e W. Preferiva la composizione di tipo O1, in particolare quando aveva l’aggiunta di vanadio per il pinning dei grani. A Gill piacevano le aggiunte di vanadio in generale e lavorava per la Vanadium Alloys Steel Company. La resistenza alle cricche e la minore sensibilità alla temperatura di tempra della composizione O1 potrebbero aver portato alla modifica dall’originale O2.
Progettazione di O1
O1 ottiene le sue proprietà di tempra in olio dalla combinazione di Mn e Cr, entrambi elementi che contribuiscono alla temprabilità. All’inizio del 1900 si credeva anche che il W contribuisse alla temprabilità, quindi potrebbe anche essere stato aggiunto a questo scopo. O1 ha circa la metà del Mn dell’acciaio Mushet originale, quindi forse era una modifica intenzionale di quell’acciaio da tempra ad aria per abbassare la temprabilità alla “tempra ad olio”. L’aggiunta di vanadio è opzionale, anche se aiuta a mantenere una granulometria fine. Anche il tungsteno aiuta con la grana fine e la resistenza all’usura, anche se la quantità è abbastanza piccola che il suo contributo a queste proprietà è relativamente piccolo. Il vantaggio principale di O1 rispetto al semplice acciaio al carbonio come il 1095 è che può essere temprato in olio ed evitare meglio la rottura, la distorsione e i cambiamenti di dimensione.
Le aziende di utensili e stampi erano molto entusiaste dell’acciaio Ketos, come si trova in un rapporto del 1911 in American Machinist di C.G. Heiby e George Coles della H. Mueller Manufacturing Company. “Circa sei mesi fa la nostra attenzione è stata richiamata sull’acciaio Ketos…affermazioni per le quali, alla luce della lunga esperienza con gli acciai al carbonio, erano quasi incredibili…siamo stati in grado di verificare la dichiarazione dei produttori riguardo alle sue qualità di non restringimento e non deformazione con nostra piena soddisfazione.”
Storia dell’acciaio O1 nei coltelli
Perché O1 è diventato un acciaio per utensili molto popolare, è relativamente difficile determinare chi lo ha usato per primo nei coltelli. È stato popolare sia tra i fabbricanti di lame per la forgiatura che tra i fabbricanti di coltelli da asporto, grazie alla sua ampia disponibilità in una gamma di dimensioni e alla facilità di forgiatura e trattamento termico. Un coltellinaio noto per il suo uso di O1 è stato W.D. “Bo” Randall, che ha iniziato a fare coltelli nel 1938 circa dopo aver comprato un coltello Scagel che lo aveva impressionato. Dal primo catalogo Randall Knives disponibile nel 1940, si dice che i coltelli erano “Made of finest imported Swedish Tool Steel”. Questo acciaio non è stato identificato come O1 nel catalogo fino all’edizione del 1985 che lo chiamava “imported Swedish O1 tool steel” che usa gli stessi termini ma aggiunge che era O1. Ho contattato Randall Made Knives e mi hanno confermato che la loro comprensione è che l’acciaio utilizzato non è cambiato. Un articolo sui coltelli Randall di Jim Williamson identifica l’acciaio come prodotto da Uddeholm. Uddeholm ha venduto una versione di O1 sotto il nome di UHB-46 a quel tempo. Così, mentre è difficile dire che Randall è stato il primo ad utilizzare O1, è stato un utente influente di esso nel periodo molto presto di coltelli personalizzati fatti in America. È interessante che abbia usato acciaio dalla Svezia quando l’O1 è stato inventato negli USA. Non sono sicuro del perché abbia usato l’acciaio Uddeholm. Forse era disponibile in una dimensione migliore, costo, o sentiva che l’acciaio era di qualità superiore. A partire dal catalogo del 1945 dice: “Uso il migliore acciaio svedese per utensili importato, che non è necessariamente migliore dei nostri migliori acciai americani, ma ha la reputazione di essere fatto dai minerali più puri e di essere il migliore degli acciai per coltelleria.”
Microstruttura di O1
Di seguito ho una micrografia di O1 che ho fatto. Potete confrontarlo con altri acciai per coltelli leggendo questo articolo. I carburi sono relativamente piccoli e ben distribuiti. I carburi fini significano generalmente una buona tenacità e stabilità dei bordi.
Test di tenacità di O1
Qui ci sono i numeri di tenacità di O1 austenitizzato a 1475°F o 1550°F per 10 minuti, temprato in olio rapido, e rinvenuto tra 350 e 450°F. I campioni sono stati trattati termicamente da Warren Krywko e lavorati da Alpha Knife Supply. L’austenitizzazione a 1550°F ha portato a una riduzione della tenacità dovuta a un aumento della martensite della piastra o della dimensione del grano. Il rinvenimento fino a 450°F non ha portato all’infragilimento della martensite temperata. Potrebbe valere la pena provare 1450 o 1500°F, ma per ora la temperatura di austenitizzazione che raccomando è 1475°F. Un olio medio come Parks AAA può essere usato con O1 a causa dell’alta temprabilità. Un trattamento a freddo può essere aggiunto dopo il quench per un piccolo aumento della durezza così come una corrispondente diminuzione della tenacità (non testato qui).
Nonostante la struttura fine del carburo di O1, la sua tenacità non è particolarmente elevata se confrontata con altri acciai. Per esempio, A2 è probabilmente la controparte più vicina a O1 in termini di utilizzo negli acciai per stampi, ma è a tempra in aria invece che in olio. Tuttavia, A2 ha sia una tenacità che una resistenza all’usura migliori di O1, nonostante la struttura fine del carburo di O1. Credo che questo sia dovuto alla “martensite di piastra” in O1, ma non posso dirlo con certezza.
La tenacità relativamente scarsa di O1 sembra essere un risultato coerente sia nei test di tenacità di Knife Steel Nerds, Crucible, o Carpenter. Non è che la tenacità di O1 sia particolarmente cattiva, ma che per la sua struttura fine di carburo e il basso livello di resistenza all’usura ci si aspetterebbe una tenacità migliore. Ecco un confronto tra i numeri di durezza di Knife Steel Nerds e Crucible che mostra che sono correlati molto bene e che i risultati per O1 sono anche simili (notare che le scale sono diverse a causa delle diverse geometrie dei campioni):
Resistenza all’usura e ritenzione dei bordi
O1 non è noto per l’alta resistenza all’usura, ha una resistenza all’abrasione significativamente inferiore a D2, per esempio. E le valutazioni generiche dei produttori di acciaio mostrano tipicamente che O1 ha una resistenza all’usura inferiore alla maggior parte dei loro altri acciai per stampi. C’è un test riportato di ritenzione del bordo CATRA con O1 di cui sono a conoscenza, commissionato da Jeff Peachey. Ha affilato ciascuno ad un angolo molto basso di 13°. O1 è stato testato ad una durezza molto alta (64 Rc) ma la sua ritenzione del bordo era chiaramente inferiore agli altri acciai:
Questo è facile da capire attraverso la conoscenza degli effetti dei carburi sulla ritenzione del bordo che potete leggere qui. O1 ha una quantità relativamente piccola di carburi di ferro dolce che non contribuiscono tanto alla ritenzione del bordo quanto i carburi di cromo in A2 o i carburi di molibdeno/tungsteno e vanadio in M2 e T15. Gli acciai a bassa lega in generale (1095, 52100, O1, W2, ecc.) hanno una ritenzione del filo relativamente scarsa.
Costo, disponibilità, trattamento termico, finitura e affilatura
Il più grande vantaggio dell’O1 negli anni è stata la sua disponibilità quasi ovunque e il costo relativamente basso. È anche relativamente facile da trattare termicamente perché i suoi requisiti di austenitizzazione sono simili a quelli di altri acciai a bassa lega, con il vantaggio di essere facile da temprare per la durezza completa, anche con olio lento a causa della sua alta temprabilità. L’aspetto negativo è che è più difficile da ricuocere a causa della sua elevata temprabilità. Imparare la ricottura qui: Parte 1 e Parte 2. L’O1 è anche facile da finire e affilare a causa della sua bassa resistenza all’usura. La forgiabilità di O1 è anche molto buona.
Riassunto e conclusioni
O1 è nato come uno sviluppo dell'”acciaio da tempra in olio” nell’esplosione dello sviluppo dell’acciaio avvenuta all’inizio del XX secolo. L’acciaio “Ketos” fu rilasciato da Halcomb Steel nel 1905 dopo essere stato sviluppato dal metallurgista John A. Mathews. Halcomb Steel era una società formata da Charles Halcomb, il primo presidente di Crucible Steel che lasciò per formare la propria società, costruendo la fabbrica direttamente accanto a quella di Crucible a Syracuse, NY. Halcomb Steel fu acquistata da Crucible solo pochi anni dopo, ma continuò a vendere l’acciaio come Halcomb Ketos per molti anni, e Crucible continua a vendere O1 come acciaio Ketos. O1 aveva una quantità media di Mn (~1,2%) insieme a Cr e W per la temprabilità, la resistenza all’usura e la resistenza alla crescita del grano. C’è un po’ di confusione sul fatto che l’acciaio O2 con il suo design più semplice di solo Mn (~1,6%) possa essere venuto prima ed essere stato modificato per fare la composizione finale O1. L’acciaio per tempra in olio era molto popolare tra le aziende di utensili e stampi a causa della quantità molto piccola di deformazioni, distorsioni e cambiamenti di dimensioni che l’acciaio avrebbe visto a causa della tempra in olio. Le altre principali aziende di acciaio per utensili hanno prodotto i propri acciai da tempra in olio che erano tutte versioni di O1 e O2. O1 ha una microstruttura fine di cementite. La sua tenacità è solo “buona” nonostante la sua struttura fine e la sua resistenza all’usura relativamente bassa. La sua ritenzione del bordo è relativamente bassa a causa della piccola quantità di carburi di ferro morbido (cementite). L’O1 è stato comune nei coltelli per decenni. Famosamente O1 è stato usato da Randall Knives a partire dal 1938 circa e continuando fino ad oggi.
Tweedale, Geoffrey. Sheffield Steel e l’America: A Century of Commercial and Technological Interdependence 1830-1930. Cambridge University Press, 1987.
Mathews, J. A. “Tool Steel Progress in the Twentieth Century.” In 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., e M. A. Frost. “La composizione chimica degli acciai per utensili”. Trans. Am. Soc. Steel Treat 9 (1926): 75-88.
Brown, C.M. “Standardizzazione delle specifiche per l’acciaio per utensili”. In Transactions of the American Society for Steel Treating 1, (1920-1921): 666-682.
Thum, E. E. “The New Manganese Alloy Steels.” In Proc. Amer. Soc. Test. Mat, vol. 30, (1930): 215-236.
Heiby, C. G., e George Coles. “Risultati insoliti di tempra dell’utensile”. In American Machinist settembre 14, (1911): 487-489.
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: Nomi, Proprietà, Usi. 1945.
https://www.randallmadeknife.com/1945b
Bourithis, L., G. D. Papadimitriou, and J. Sideris. “Confronto delle proprietà di usura degli acciai per utensili AISI D2 e O1 con la stessa durezza”. Tribology International 39, no. 6 (2006): 479-489.
https://jeffpeachey.com/tag/testing-o1-and-a2-steel/