Dank aan Johnny Ngo en ALtheSciencePal voor het worden van Knife Steel Nerds Patreon supporters!
O1 Steel History
O1 staal werd ontwikkeld in 1905 door Halcomb staal dat een paar jaar later werd overgenomen door Crucible Steel . Echter, de geschiedenis is een beetje interessanter dan dat. In 1876 kocht een groot staalbedrijf uit Sheffield, Sanderson Brothers, de Geddes Steel Works van Sweet’s Manufacturing Company in Syracuse New York. De Amerikaanse tarieven hadden geleid tot een sterke daling van de staaluitvoer uit Sheffield, en de staalproductie uit de VS was in dezelfde mate gestegen. Daarom richtten verschillende Engelse staalbedrijven productiefaciliteiten op in de VS, waaronder Sanderson Brothers. Sanderson Brothers was een zeer oud staalbedrijf uit Sheffield, opgericht in 1776. De ontwikkeling van gereedschapsstaal begon rond 1900 te exploderen als gevolg van de recente ontdekking van “snelstaal”, waarover u hier meer kunt lezen: De geschiedenis van het eerste gereedschapsstaal. Het jaar 1900 was dubbel belangrijk omdat er in dat jaar een grote consolidatie plaatsvond van 13 van de belangrijkste staalfabrieken die “kroes”-staal productiemethoden gebruikten, goed voor 95% van de kroesstaalproductie in de Verenigde Staten.
De 13 kroesstaalbedrijven, waaronder Sanderson Brothers, vormden de Crucible Steel Company of America. De nieuwe president en algemeen directeur was Charles Herbert Halcomb, die in 1881 op 22-jarige leeftijd van Sheffield naar Syracuse was gekomen om bij Sanderson Brothers te werken. Halcomb was de zoon van de directeur van Sanderson Brothers en volgde een opleiding tot metallurg toen hij daar werkte. Hoewel Halcomb de president was van deze nieuwe reusachtige onderneming in smeltovenstaal, verliet hij Crucible al na twee jaar om de Halcomb Steel Company op te richten, die in 1904 werd opgericht. Halcomb nam voormalige werknemers van Crucible in dienst en bouwde een nieuwe fabriek in Syracuse direct naast de Sanderson Brothers Works van Crucible Steel. Halcomb Steel was het eerste bedrijf dat voor de staalproductie een elektrische vlamboogoven bouwde in plaats van de oudere smeltkroes-technologie. De vlamboogoven werd gebouwd in 1905 en begon te produceren in 1906. De vlamboogoven was goedkoper dan de productie met smeltkroezen en leidde ook tot staal van hogere kwaliteit. De vlamboogoven kan worden gebruikt om het fosfor- en zwavelgehalte, veel voorkomende onzuiverheden in staal, te verminderen. En de reducerende werking van de slakken in elektrische ovens betekent dat er minder verlies is van gemakkelijk oxideerbare metalen zoals chroom, vanadium en mangaan. Tegen 1934 was de productie van kroesstaal bijna volledig vervangen door vlamboogovens.
De vroege hogesnelheidsstalen die T1 werden, hadden 4% Cr, waardoor ze luchthard werden. De sneldraaistalen werden echter hoofdzakelijk gebruikt voor snijgereedschappen, terwijl de matrijzenstaalindustrie hoofdzakelijk vertrouwde op staalsoorten die met water moesten worden uitgeblust. U kunt in dit artikel over “hardbaarheid” lezen wat de controle is op de vereiste afschrikpercentages voor volledige hardheid. Metallurg John A. Mathews van Halcomb Steel ontwikkelde een staal met hardbaarheid tussen het luchthardende hoge snelheidsstaal en het waterquenching staal en dit werd het eerste “oliehardende” staal. Mathews is beroemd om zijn patent op de toevoeging van vanadium aan sneldraaistaal, wat T1 werd, verreweg het meest gebruikte sneldraaistaal in het begin van de 20e eeuw. Matrijzen werden voordien soms in olie gehard, maar deze nieuwe staalsoort was de eerste die in olie kon worden uitgeblust en een volledige hardheid kon bereiken in relatief grote afmetingen. Dit nieuwe staal kreeg de naam “Ketos” en werd aangeprezen om de geringe vervorming, scheurvorming of maatverandering die het staal ondergaat als gevolg van de olie-quenchmethode. Dit maakte het mogelijk ingewikkelde vormen en ontwerpen te gebruiken en minder te slijpen na het harden. Deze voordelen zorgden ervoor dat Ketos vrij populair werd in gereedschap- en matrijzenmakerijen. Ik heb niets gevonden over waarom het staal Ketos wordt genoemd, hoewel dat een Oudgrieks woord is dat zeemonster betekent. Het heeft niets te maken met een koolhydraatarm dieet.
Ketos advertentie uit 1920
Ondanks de technologische voordelen van de vlamboogoven en spannende ontwikkelingen zoals Ketos, was Halcomb Steel een relatief kort leven beschoren, althans als zelfstandig bedrijf. Halcomb Steel werd in 1911 overgenomen door Crucible Steel, waardoor de hoeveelheid gereedschapsstaal die door Crucible Steel in Syracuse werd geproduceerd sterk toenam. Crucible Steel behield de naam Ketos en in feite gebruikt het bedrijf die handelsnaam nog steeds. Ketos werd door verschillende andere staalbedrijven gekopieerd vanwege zijn populariteit, en kreeg enkele decennia later de AISI aanduiding O1.
Geschiedenis van de O1 samenstelling
Het ontwerp en de evolutie van de samenstelling die O1 werd is niet precies vast te stellen, maar het lijkt op een staal dat gegroeid is uit wat in die tijd gangbaar was . Het eerste gereedschapsstaal was “Mushet staal” dat in 1868 werd ontwikkeld met 2% C, 2,5% Mn, en 7% W. Dit staal was luchthardend door het hoge mangaangehalte en had een hoge slijtvastheid door het hoge koolstofgehalte en het wolfraamgehalte. Het was ongeveer 25 jaar lang het belangrijkste gereedschapsstaal dat werd gebruikt, afgezien van gewoon koolstofstaal. Voorafgaand aan het werk van Taylor en White bij de ontwikkeling van snelstaal, was er enige evolutie van legeren, in het bijzonder met het testen van verschillende combinaties van Mn, Cr, en W. Er waren experimenten met “chroom-wolfram” staal als vervanging voor het “mangaan-wolfram” Mushet staal. In het decennium 1880-1890 werden in Frankrijk experimenten uitgevoerd met chroom-gelegeerd staal. En tegen 1890 waren er enkele studies over laaggelegeerde staalsoorten met een combinatie van chroom en wolfraam. In 1887 is er sprake van een staal met een enigszins vergelijkbare samenstelling als O1, geproduceerd door Brooklyn Chrome Steel Works. Veel hogere chroom- en wolfraamgehaltes werden vooral onderzocht vanaf ongeveer 1894, wat leidde tot het 4% Cr 18% W staal dat het eerste hogesnelheidsstaal werd. Daarom lijkt O1 meer op die vroegere staalsoorten uit het 1890-tijdperk, die niet specifiek voor hogesnelheidstoepassingen werden onderzocht. De vroegste samenstelling die ik voor O1 heb gevonden is uit 1925, het is moeilijk te zeggen hoeveel het tussen 1905 en 1925 is veranderd.
Ketos informatie uit 1913
Er is een mogelijke alternatieve evolutie voor O1. Er zijn een paar beweringen uit de buurt van de periode (1920-1930) dat O1/Ketos begon als iets dichter bij wat nu O2 wordt genoemd, met hoger Mn (1,25-1,75%) en geen Cr of W . Het Mn werd later gedeeltelijk vervangen door 0,5% Cr en 0,5% W. Ik kan echter geen samenstelling voor Ketos vinden waaruit blijkt dat het iets anders was dan O1 en niet O2, dus het zou al vrij vroeg veranderd zijn. Maar als het verslag juist is, dan ontwikkelde John A. Mathews beide van de gebruikelijke oliehardende staalsoorten: O1 en O2. Omdat Ketos erg populair was, ontwikkelden de meeste grote staalfabrikanten hun eigen versies tegen tenminste 1920. Deze versies varieerden tussen O1- en O2-achtige samenstellingen.
Update 7/22/20: Ik heb gezocht in historische verslagen van vroege oliehardende staalsoorten van het O2-type en het vroegste dat ik vond was Crucible “Paragon Oil Hardening” staal dat terugging tot ten minste 1911 (American Machinist, vol. 35, 1911). Daarom is het waarschijnlijk dat Mathews, of in ieder geval Crucible, beide hoofdtypen (O1 en O2) heeft ontwikkeld, hoewel O2 later kwam.
Hier volgt een reeks gemeten samenstellingen van zeven fabrikanten gerapporteerd in 1925 :
In hetzelfde artikel van James Gill uit 1925 (lees hier over hem) meldde hij dat de ~1.6% Mn-versie vatbaarder was voor scheuren en korrelgroei dan de lagere Mn-versie met Cr en W. Hij gaf de voorkeur aan de O1-type samenstelling, vooral wanneer deze de vanadiumtoevoeging had voor korrelpinning. Gill hield van vanadiumtoevoegingen in het algemeen en hij werkte voor de Vanadium Alloys Steel Company. De weerstand tegen scheuren en de lagere gevoeligheid voor de hardingstemperatuur van de O1 samenstelling hebben wellicht geleid tot de wijziging van de oorspronkelijke O2.
Ontwerp van O1
O1 krijgt zijn oliehardende eigenschappen door de combinatie van Mn en Cr, beide elementen die bijdragen aan de hardbaarheid. Begin 1900 geloofde men ook dat W bijdraagt tot de hardbaarheid, dus het kan ook voor dat doel zijn toegevoegd. O1 heeft ongeveer de helft van het Mn van het oorspronkelijke Mushet staal, dus misschien was het een opzettelijke wijziging van dat vroege luchthardende staal om de hardbaarheid terug te brengen tot “oliehardend”. De toevoeging van vanadium is optioneel, maar dat helpt om een fijne korrelgrootte te behouden. Het wolfraam helpt ook bij de fijnkorreligheid en de slijtvastheid, maar de hoeveelheid is klein genoeg dat de bijdrage aan die eigenschappen relatief klein is. Het belangrijkste voordeel van O1 vergeleken met eenvoudig koolstofstaal zoals 1095 is dat het in olie kan worden gehard en beter barsten, vervorming en grootteveranderingen kan voorkomen.
Gereedschap- en matrijzenbedrijven waren zeer enthousiast over Ketos-staal, zoals te lezen is in een verslag uit 1911 in American Machinist door C.G. Heiby en George Coles van de H. Mueller Manufacturing Company . “Ongeveer zes maanden geleden werd onze aandacht gevestigd op Ketos staal…beweringen waarvan, in het licht van een lange ervaring met koolstofstaal, de beweringen bijna ongeloofwaardig waren…we hebben de beweringen van de fabrikanten met betrekking tot de niet krimpende en niet kromtrekkende kwaliteiten tot onze volle tevredenheid kunnen verifiëren.”
Geschiedenis van O1 staal in messen
Omdat O1 een zeer populair gereedschapsstaal werd, is het relatief moeilijk te bepalen wie het het eerst in messen gebruikte. Het is populair geweest bij zowel smeden van messen als bij messenmakers vanwege de brede beschikbaarheid in een reeks van maten, en het gemak bij het smeden en warmtebehandelen. Een messenmaker die bekend stond om zijn gebruik van O1 was W.D. “Bo” Randall, die rond 1938 begon met het maken van messen nadat hij een Scagel mes had gekocht dat indruk op hem maakte. In de eerste catalogus van Randall messen uit 1940 staat dat de messen gemaakt zijn van “het beste geïmporteerde Zweedse gereedschapsstaal”. Dit staal werd niet geïdentificeerd als O1 in de catalogus tot de 1985 editie die het “geïmporteerd Zweeds O1 gereedschapsstaal” noemde, die dezelfde termen gebruikt maar toevoegt dat het O1 was. Ik heb contact opgenomen met Randall Made Knives en zij bevestigden mij dat het gebruikte staal volgens hen niet veranderd is. Een artikel over Randall messen door Jim Williamson identificeert het staal als geproduceerd door Uddeholm. Uddeholm verkocht een versie van O1 onder de naam UHB-46 in die tijd. Het is dus moeilijk te zeggen dat Randall de eerste was die O1 gebruikte, maar hij was wel een invloedrijke gebruiker in de beginperiode van de in Amerika gemaakte messen. Het is interessant dat hij staal uit Zweden gebruikte toen O1 in de VS werd uitgevonden. Ik weet niet zeker waarom hij Uddeholm staal gebruikte. Misschien was het in een betere maat verkrijgbaar, kostte het meer, of vond hij het staal van betere kwaliteit. Vanaf de catalogus van 1945 staat er: “Ik gebruik het fijnste geïmporteerde Zweedse gereedschapsstaal, dat niet noodzakelijkerwijs beter is dan ons beste Amerikaanse staal, maar de reputatie heeft uit de zuiverste ertsen gemaakt te zijn en het fijnste bestekstaal te zijn.”
Microstructuur van O1
Hieronder heb ik een microfoto van O1 die ik gemaakt heb. U kunt het vergelijken met andere messenstalen door dit artikel te lezen. De carbiden zijn relatief klein en goed verdeeld. Fijne carbiden betekenen over het algemeen een goede taaiheid en randstabiliteit.
Taaiheidstesten van O1
Hieronder staan taaiheidsgetallen van O1 dat 10 minuten lang bij 1475°F of 1550°F is austenitisch gemaakt, in snelle olie is uitgeblust, en tussen 350 en 450°F is ontlaten. De monsters zijn warmtebehandeld door Warren Krywko en machinaal bewerkt door Alpha Knife Supply. Austenitiseren bij 1550°F leidde tot een vermindering van de taaiheid, hetzij door een toename van plaatmartensiet of korrelgrootte. Temperen tot 450°F leidde niet tot bros worden van gehard martensiet. Het kan de moeite waard zijn om 1450 of 1500°F te proberen, maar voor nu is mijn aanbevolen austenitizing temperatuur 1475°F. Medium olie zoals Parks AAA kan gebruikt worden met O1 vanwege de hoge hardbaarheid. Een koude behandeling kan worden toegevoegd na het afschrikken voor een kleine toename in hardheid en een overeenkomstige afname in taaiheid (hier niet getest).
Ondanks de fijne carbidestructuur van O1 is de taaiheid niet bijzonder hoog in vergelijking met andere staalsoorten. A2 bijvoorbeeld is waarschijnlijk de tegenhanger van O1 wat betreft het gebruik in matrijzenstaal, maar is lucht- in plaats van oliehardend. A2 heeft echter zowel een betere taaiheid als slijtvastheid dan O1, ondanks de fijne carbidestructuur van O1. Ik denk dat dit komt door “plaatmartensiet” in O1, maar ik kan het niet met zekerheid zeggen.
De relatief slechte taaiheid van O1 lijkt een consistente bevinding te zijn, of het nu gaat om taaiheidstesten van Knife Steel Nerds, Crucible, of Carpenter. Het is niet zo dat de taaiheid van O1 bijzonder slecht is, maar gezien de fijne carbidestructuur en de geringe slijtvastheid zou men verwachten dat de taaiheid beter zou zijn. Hier is een vergelijking tussen de taaiheidscijfers van Knife Steel Nerds en Crucible waaruit blijkt dat ze zeer goed met elkaar correleren en dat de resultaten voor O1 ook vergelijkbaar zijn (let op de schalen zijn verschillend vanwege verschillende geometrieën van het staal):
Slijtvastheid en Edge Retention
O1 staat niet bekend om zijn hoge slijtvastheid, het heeft een beduidend lagere slijtvastheid dan D2, bijvoorbeeld. En de generieke classificaties van staalfabrikanten tonen typisch O1 hebben lagere slijtageweerstand dan de meerderheid van hun ander matrijzenstaal. Er is één gerapporteerde test van CATRA randbehoud met O1 waarvan ik op de hoogte ben, in opdracht van Jeff Peachey. Hij slijpte ze tot een zeer lage hoek van 13°. O1 werd getest met een zeer hoge hardheid (64 Rc), maar de randscherpte was duidelijk lager dan bij de andere staalsoorten:
Dit is gemakkelijk te begrijpen door kennis van de effecten van carbiden op de randscherpte, waarover je hier kunt lezen. O1 heeft een relatief kleine hoeveelheid zachte ijzercarbiden die niet zoveel bijdragen aan de randscherpte als de chroomcarbiden in A2 of de molybdeen/wolfraam en vanadium carbiden in M2 en T15. Laag gelegeerde staalsoorten in het algemeen (1095, 52100, O1, W2, enz.) hebben een relatief slechte snijrand retentie.
Kosten, Beschikbaarheid, Warmtebehandeling, Afwerking, en Slijpen
Het grootste voordeel van O1 door de jaren heen is zijn beschikbaarheid bijna overal en relatief lage kosten geweest. Het is ook relatief gemakkelijk te warmtebehandelen omdat de eisen voor het austenitiseren vergelijkbaar zijn met die van andere laaggelegeerde staalsoorten met het voordeel dat het gemakkelijk te harden is, zelfs met langzame olie vanwege de hoge hardbaarheid. Het nadeel is dat het moeilijker te gloeien is vanwege de hoge hardbaarheid. Leer hier meer over gloeien: Deel 1 en Deel 2. O1 is ook gemakkelijk af te werken en te slijpen vanwege de lage slijtvastheid. De smeedbaarheid van O1 is ook zeer goed.
Samenvatting en Conclusies
O1 begon als een ontwikkeling van “oliehardend staal” in de explosie van staalontwikkeling die plaatsvond in het begin van de 20e eeuw. “Ketos”-staal werd in 1905 door Halcomb Steel op de markt gebracht na te zijn ontwikkeld door metallurg John A. Mathews. Halcomb Steel was een bedrijf dat was opgericht door Charles Halcomb, de eerste president van Crucible Steel die vertrok om zijn eigen bedrijf op te richten en de fabriek direct naast die van Crucible in Syracuse, NY bouwde. Halcomb Steel werd slechts een paar jaar later door Crucible gekocht, maar bleef het staal vele jaren als Halcomb Ketos verkopen, en Crucible blijft O1 als Ketos-staal verkopen. O1 had een gemiddelde hoeveelheid Mn (~1,2%) samen met Cr en W voor hardbaarheid, slijtvastheid, en weerstand tegen korrelgroei. Er is enige verwarring over de vraag of O2 staal met zijn eenvoudiger ontwerp van alleen Mn (~1,6%) misschien eerst kwam en werd gewijzigd om de uiteindelijke O1 samenstelling te maken. Oliehardend staal was zeer populair bij gereedschap- en matrijzenfabrikanten vanwege de zeer geringe mate van kromtrekken, vervorming en maatveranderingen die het staal zou ondergaan als gevolg van het olieharden. De andere grote gereedschapsstaalbedrijven maakten hun eigen oliehardende staalsoorten die alle versies van O1 en O2 waren. O1 heeft een fijne microstructuur van cementiet. De taaiheid is slechts “goed” ondanks de fijne structuur en de relatief lage slijtvastheid. De randscherpte is relatief gering door de geringe hoeveelheid zachte ijzercarbiden (cementiet). O1 wordt al decennia lang veel gebruikt in messen. Beroemd is dat O1 is gebruikt door Randall messen vanaf ongeveer 1938 tot heden.
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.” 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., and M. A. Frost. “De chemische samenstelling van gereedschapsstaal.” 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.” In Proc. Amer. Soc. Test. Mat, vol. 30, (1930): 215-236.
Heiby, C. G., and George Coles. “Ongebruikelijke resultaten bij het harden van gereedschap.” 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: Names, Properties, Uses. 1945.
https://www.randallmadeknife.com/1945b
Bourithis, L., G. D. Papadimitriou, and J. Sideris. “Vergelijking van de slijtage-eigenschappen van gereedschapsstaal AISI D2 en O1 met dezelfde hardheid.” Tribology International 39, no. 6 (2006): 479-489.
https://jeffpeachey.com/tag/testing-o1-and-a2-steel/