Thanks to Johnny Ngo and ALtheSciencePal for becoming Knife Steel Nerds Patreon supporters!
O1 Steel History
O1鋼は1905年にHalcomb Steel社によって開発されました。 しかし、その歴史はもう少し興味深いものがあります。 1876年、シェフィールドの大手鉄鋼会社サンダーソン・ブラザーズが、ニューヨーク州シラキュースにあるスウィーツ・マニュファクチャリング・カンパニーのゲッデス・スチール・ワークスを買収した。 アメリカの関税により、シェフィールドの輸出鉄鋼は大幅に減少し、それに合わせてアメリカの鉄鋼生産量も大幅に増加していた。 そのため、イギリスのいくつかの鉄鋼会社がアメリカに生産拠点を設けたが、その中にサンダーソン・ブラザーズも含まれていた。 サンダーソン・ブラザーズは、1776年に創業したシェフィールドの老舗鉄鋼会社である。 工具鋼の開発は、1900年頃から爆発的に進みましたが、その背景には「高速度鋼」の発見がありました。 最初の工具鋼の歴史。 1900年には、米国のるつぼ鋼生産量の95％を占める「るつぼ鋼」の製造方法を採用していた大手製鉄所13社の大規模な統合が行われたからです。 1881年に22歳でシェフィールドからシラキュースに来て、サンダーソン・ブラザーズで働いていたチャールズ・ハーバート・ハルコムが、新社長兼ゼネラル・マネージャーに就任した。 サンダーソン・ブラザーズの常務取締役の息子であり、在職中に冶金学者としての訓練を受けていた。 しかし、巨大なるつぼ鉄鋼会社の社長になったにもかかわらず、ハルコムはわずか2年でるつぼを去り、1904年にハルコム・スチール・カンパニーを設立した。 1904年に法人化したハルコム・スチール社は、クルーシブルで働いていた従業員を雇用し、クルーシブル・スチール社のサンダーソン・ブラザーズ工場のすぐ隣のシラキュースに新工場を建設した。 ハルコム・スチール社は、旧来のクルーシブル技術ではなく、電気アーク炉を使って鉄鋼を製造した最初の企業である。 電気炉は1905年に建設され、1906年に生産を開始した。 電気炉は、るつぼ生産よりも安価で、しかも高品質の鋼を生み出すことができた。 電気炉では、鋼の不純物として一般的なリンやイオウのレベルを下げることができる。 また、電気炉のスラグの還元作用により、クロム、バナジウム、マンガンなどの酸化されやすい金属の損失が少ないのです。
T1となった初期の高速度鋼には4%のCrが含まれており、空気硬化性となっていました。 しかし、高速度鋼は主に切削工具に使用されていたのに対し、ダイス鋼産業では主に水冷を必要とする鋼が使用されていました。 完全な硬さを得るために必要な焼入れ率の制御については、”焼入れ性 “の記事を参照してください。 ハルコム・スチール社の冶金学者ジョン・A・マシューズは、空気硬化高速度鋼と水焼入れ鋼の中間の焼入れ性を持つ鋼を開発し、これが最初の「オイルハードニング」鋼となりました。 マシューズは高速度鋼にバナジウムを添加する特許を取得したことで有名であり、この高速度鋼は20世紀初頭に最も一般的な高速度鋼であったT1となった。 それ以前にも金型を油で硬化させることはあったが、比較的大きなサイズでも油で焼き入れて完全な硬度を得ることができたのは、この新鋼種が初めてだった。 この新鋼は「ケトス」と名付けられ、油焼入れによる歪みや割れ、サイズの変化が少ないことをアピールした。 これにより、複雑な形状やデザインが可能になり、焼入れ後の研磨も少なくて済む。 このような利点から、ケトスは金型工場でかなり普及した。 なぜ「ケトス」と呼ばれているのかについては調べていないが、古代ギリシャ語で海の怪物を意味する言葉である。
1920年のKetosの広告
電気アーク炉による技術的優位性とKetosのようなエキサイティングな開発にもかかわらず、Halcomb Steelは、少なくとも単独の会社としては比較的短命でした。 ハルコム社は1911年にクルーシブル・スチール社に買収され、シラキュースのクルーシブル・スチール社の工具鋼の生産量が大幅に増加しました。 クルーシブル・スチール社はケトスの名前を残し、実際、同社は今でもその商号を使用している。
O1組成の歴史
O1となった組成の設計と進化を正確に把握することはできませんが、当時一般的であったものから発展した鋼のように見えます。 最初の工具鋼は、1868年に開発された「ムシェット鋼」で、Cが2％、Mnが2.5％、Wが7％でした。この鋼は、マンガンが多いため空気硬化性があり、炭素とタングステンが多いため耐摩耗性が高いという特徴があります。 約25年間、単純な炭素鋼以外の主な工具鋼として使用されました。 テイラーとホワイトが高速度鋼を開発する前に、合金化の進化があり、特にMn、Cr、Wのさまざまな組み合わせを試していました。また、「マンガン-タングステン」のムシェット鋼に代わるものとして、「クロム-タングステン」鋼の実験も行われました。 1880年から1890年の10年間には、フランスでクロム合金鋼の実験が行われていた。 そして1890年には、クロムとタングステンを組み合わせた低合金鋼の研究も行われていた。 1887年には、ブルックリン・クロム・スチール・ワークスでO1に似た組成の鋼が製造されたという記録があります。 1894年以降、クロムとタングステンの含有量を大幅に増やす研究が行われ、最初の高速度鋼となった4%Cr18%W鋼が開発された。 そのため、O1は、高速用途に特化して研究されていなかった1890年代の初期の鋼に似ている。
1913年のKetos情報
O1には別の進化の可能性があります。 O1/Ketosは、Mnが高く(1.25-1.75%)、CrやWを含まない、現在のO2と呼ばれるものに近いものから始まったという主張が、当時(1920-1930)に近い時期にいくつかあります。 しかし、Ketosの組成を見ても、O2ではなくO1であることを示すものは見当たらないので、かなり早い段階で変化したのだろう。 しかし、この記述が正確であれば、ジョン・A・マシューズは、一般的なオイルハードニング鋼の両方を開発したことになります。 O1とO2です。 ケトスは非常に人気があったため、少なくとも1920年までには、主要な鉄鋼メーカーのほとんどが独自のバージョンを開発していました。
Update 7/22/20: 初期のO2タイプのオイルハードニング鋼の歴史的な記録を検索したところ、最も古いものはCrucibleの「Paragon Oil Hardening」鋼で、少なくとも1911年まで遡ることができました(American Machinist, vol. 35, 1911)。
1925年に報告された7つのメーカーの測定された組成の範囲を以下に示します。彼はO1タイプの組成を好み、特に結晶粒のピン止めのためにバナジウムを添加したものを好んだ。 ギルは一般的にバナジウム添加が好きで、バナジウム・アロイ・スチール・カンパニーに勤めていた。
O1の設計
O1のオイルハードニング特性は、焼入れ性に寄与するMnとCrの組み合わせによるものである。 1900年代初頭には、Wも焼入れ性に寄与すると考えられていたので、その目的で添加されたのかもしれない。 O1のMnはオリジナルのMushet鋼の約半分なので、初期の空気硬化鋼の焼入れ性を「オイルハードニング」に落とすために意図的に改良したのかもしれません。 バナジウムの添加はオプションですが、これは粒径を細かくするのに役立ちます。 タングステンも細粒化と耐摩耗性に役立ちますが、その量は十分に少ないので、これらの特性への貢献度は相対的に小さくなります。
金型メーカーはケトス鋼に大きな期待を寄せており、1911年にH.Mueller Manufacturing CompanyのC.G.HeibyとGeorge ColesがAmerican Machinist誌に発表したレポートには、次のように書かれています。 “
ナイフにおけるO1鋼の歴史
O1は非常に人気のある工具鋼であるため、誰が最初にナイフに使用したかを判断するのは比較的困難です。 O1鋼は、様々なサイズが入手可能で、鍛造や熱処理が容易であることから、鍛造を行う刃物メーカーと、ストックを取り除くナイフメーカーの両方に人気がありました。 O1を使用したナイフメーカーとして知られているのは、W.D. “Bo” Randallである。彼は1938年頃にScagelのナイフを購入して感銘を受け、ナイフの製造を開始した。 1940年に発行されたランドールナイフのカタログには、「Made of finest imported Swedish Tool Steel」と記載されています。 この鋼は、1985年のカタログで「輸入スウェーデン製O1工具鋼」と記載されるまで、カタログではO1とは確認されていませんでした。 Randall Made Knives社に問い合わせたところ、使用されているスチールは変わっていないという認識であることを確認しました。 Jim Williamson氏のRandallナイフに関する記事では、Uddeholm社が製造したスチールであるとされています。 Uddeholm社は当時、UHB-46という名前でO1のバージョンを販売していました。 ランドールがO1を最初に使用したとは言えませんが、アメリカ製カスタムナイフのごく初期にO1を使用した影響力のある人物です。 アメリカでO1が発明されたときに、彼がスウェーデンのスチールを使っていたのは興味深いですね。 なぜ彼がUddeholm鋼を使ったのかはわかりません。 サイズが良かったのか、コストが良かったのか、あるいは品質が良かったのか。 1945年のカタログには、「私は最高級の輸入スウェーデン工具鋼を使用しています。この鋼は、必ずしもアメリカの最高の鋼よりも優れているとは限りませんが、最も純粋な鉱石から作られ、最高の刃物鋼であるという評判を得ています」と書かれています。 この記事を読んで他の刃物鋼と比較してみてください。 炭化物は比較的小さく、よく分布しています。
O1の靭性試験
ここにあるのは、1475°Fまたは1550°Fで10分間オーステナイト処理し、高速油で急冷し、350～450°Fで調質したO1の靭性数値です。 試料はWarren Krywko氏が熱処理し、Alpha Knife Supply社が加工したものです。 1550°Fでオーステナイト化すると、板状のマルテンサイトが増えるか、粒径が大きくなるため、靭性が低下した。 450°Fまでの焼戻しでは、焼戻しマルテンサイトの脆化は起こらなかった。 1450°Fや1500°Fを試す価値はあるかもしれないが、今のところ、私の推奨するオーステナイト化温度は1475°Fである。 O1は焼入れ性が高いため、Parks AAAのような中質油を使用することができる。 焼入れ後に低温処理を行うと、硬度が少し上がり、それに応じて靭性も下がります（ここではテストしていません）。
O1の微細な炭化物構造にもかかわらず、その靭性は他の鋼と比較して特に高いものではありません。 例えば、A2は金型用鋼としてはO1に最も近いと思われますが、オイルハードニングではなくエアハードニングです。 しかし、A2はO1の微細な炭化物組織にもかかわらず、O1よりも靭性と耐摩耗性の両方が優れています。 これはO1の「板状のマルテンサイト」によるものだと思いますが、はっきりとは言えません。
O1の相対的な靭性の低さは、Knife Steel Nerdsの靭性テストでも、Carpenterの靭性テストでも、一貫した所見であるようです。 このように、O1の靭性の低さは、ナイフ・スチール・ナーズ、クルーシブル、カーペンターのいずれの靭性試験でも一貫しています。 O1の靭性が特に悪いというわけではなく、その微細な炭化物構造と低レベルの耐摩耗性のために、靭性はもっと良くなることが期待されています。
耐摩耗性と刃の保持
O1は耐摩耗性が高いことでは知られておらず、例えばD2と比べて耐摩耗性が著しく低いです。 また、鉄鋼メーカーの一般的な評価では、O1は他の大半のダイス鋼よりも耐摩耗性が低いとされています。 私が知っている限りでは、Jeff Peachey氏に依頼した、O1を使ったCATRAのエッジ保持のテストが1件報告されています。 彼はそれぞれを13°という非常に低い角度で研ぎました。
これは、刃の保持に対する炭化物の影響についての知識があれば簡単に理解できます。 O1には比較的少量の軟鉄炭化物が含まれていますが、これはA2のクロム炭化物や、M2やT15のモリブデン・タングステン・バナジウム炭化物ほどエッジ保持に貢献しません。
コスト、入手性、熱処理、仕上げ、研ぎ
長年にわたるO1の最大の利点は、ほとんどどこでも入手でき、比較的低コストであることです。 また、オーステナイト化条件が他の低合金鋼と似ているため、熱処理が比較的容易で、焼入れ性が高いため、低速の油でも硬さを保つための焼入れが容易であるという利点もあります。 一方で、焼入れ性が高いために焼鈍が難しいという欠点があります。 焼きなましについてはこちらをご覧ください。 第1回、第2回 また、O1は耐摩耗性が低いため、仕上げや研ぎがしやすい。
まとめと結論
O1は、20世紀初頭に起こった爆発的な鉄鋼開発の中で、「オイルハードニング鋼」の開発としてスタートしました。 “ケトス “鋼は、冶金学者のジョン・A・マシューズが開発し、1905年にハルコムスチール社から発売された。 ハルコム・スチールは、クルーシブル・スチールの初代社長であったチャールズ・ハルコムが独立して設立した会社で、ニューヨーク州シラキュースにあるクルーシブルの工場のすぐ隣に工場を建設したものである。 ハルコム・スチールは、わずか数年後にクルーシブル社に買収されたが、ハルコム・ケトスとして長年にわたり販売を続け、クルーシブル社ではO1をケトス鋼として販売し続けている。 O1には、焼入れ性、耐摩耗性、耐粒成長性のために、CrやWとともに中程度のMn（～1.2%）が含まれていた。 Mnのみ（～1.6％）というシンプルな設計のO2鋼が先にあって、それが修正されてO1の組成になったのではないか、という説もある。 オイルハードニング鋼は、オイルハードニングによる反りや歪み、サイズの変化が非常に少ないため、工具・金型メーカーに人気がありました。 他の主要な工具鋼メーカーは、O1とO2を組み合わせた独自のオイルハードニング鋼を製造していました。 O1は、セメンタイトの微細な組織を持つ。 O1はセメンタイトの微細な組織を持ち、耐摩耗性が比較的低いにもかかわらず、靭性は「良い」程度である。 また、軟鉄炭化物（セメンタイト）の量が少ないため、刃の保持力は比較的低い。 O1は何十年も前からナイフによく使われている。
Tweedale, Geoffrey. シェフィールド・スチールとアメリカ。 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 the members of the ASM during the 16th National Metal Congress and Exposition, New York City, October 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., and M. A. Frost. “The Chemical Composition of Tool Steels.” Trans. Trans. Am. Soc. Steel Treat 9 (1926): 75-88.
Brown, C.M. “Standardizing Specifications for Tool Steel.”. In Transactions of the American Society for Steel Treating 1, (1920-1921): 666-682.
Thum, E. E. “The New Manganese Alloy Steels.” (英語) In Proc. Amer. Soc. Test. Mat, vol.30, (1930): 215-236.
Heiby, C. G., and George Coles. “Unusual Tool Hardening Results.” In American Machinist September 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: Name, Properties, Uses. 1945.
https://www.randallmadeknife.com/1945b
Bourithis, L., G. D. Papadimitriou, and J. Sideris. “Comparison of wear properties of tool steels AISI D2 and O1 with the same hardness.”
https://jeffpeachey.com/tag/testing-o1-and-a2-steel/