Danke an Johnny Ngo und ALtheSciencePal für das Werden von Knife Steel Nerds Patreon Unterstützer!
O1 Stahl Geschichte
O1 Stahl wurde 1905 von Halcomb Stahl entwickelt, die von Crucible Steel ein paar Jahre später erworben wurde. Die Geschichte ist jedoch noch etwas interessanter als das. Im Jahr 1876 kaufte ein großes Stahlunternehmen aus Sheffield, Sanderson Brothers, die Geddes Steel Works der Sweet’s Manufacturing Company in Syracuse, New York. Amerikanische Zölle hatten zu einem starken Rückgang der Stahlexporte aus Sheffield geführt, und die Stahlproduktion in den USA war entsprechend stark gestiegen. So errichteten mehrere englische Stahlunternehmen Produktionsstätten in den USA, darunter auch Sanderson Brothers. Sanderson Brothers war ein sehr altes Stahlunternehmen aus Sheffield, gegründet 1776. Die Entwicklung von Werkzeugstahl begann ab etwa 1900 aufgrund der neuen Entdeckung von „Schnellstahl“ zu explodieren, über die Sie hier lesen können: Die Geschichte des ersten Werkzeugstahls. Das Jahr 1900 war doppelt bedeutsam, weil in diesem Jahr eine große Konsolidierung von 13 der größten Stahlwerke stattfand, die „Tiegel“-Stahlproduktionsmethoden verwendeten und 95 % der Tiegelstahlproduktion in den Vereinigten Staaten ausmachten.
Die 13 Tiegelstahlunternehmen, einschließlich Sanderson Brothers, bildeten die Crucible Steel Company of America. Ihr neuer Präsident und Geschäftsführer war Charles Herbert Halcomb, der 1881 im Alter von 22 Jahren aus Sheffield nach Syracuse gekommen war, um bei Sanderson Brothers zu arbeiten. Halcomb war der Sohn des Geschäftsführers von Sanderson Brothers und wurde während seiner Tätigkeit dort zum Metallurgen ausgebildet. Obwohl er der Präsident dieses neuen riesigen Tiegelwerkzeugstahlunternehmens war, verließ Halcomb Crucible nach nur zwei Jahren und gründete die Halcomb Steel Company, die 1904 eingetragen wurde. Halcomb beschäftigte ehemalige Crucible-Mitarbeiter und baute eine neue Fabrik in Syracuse direkt neben den Sanderson Brothers Works von Crucible Steel. Halcomb Steel war das erste Unternehmen, das einen elektrischen Lichtbogenofen für die Stahlproduktion baute und nicht die ältere Tiegeltechnologie. Der Elektrolichtbogenofen wurde 1905 gebaut und nahm 1906 die Produktion auf. Der Elektrolichtbogenofen war billiger als die Tiegelproduktion und führte außerdem zu einer höheren Stahlqualität. Mit dem Elektrolichtbogenofen können Phosphor- und Schwefelgehalt, häufige Stahlverunreinigungen, reduziert werden. Und die reduzierende Wirkung der Schlacke in Elektroöfen bedeutet, dass es weniger Verlust von leicht oxidierbaren Metallen wie Chrom, Vanadium und Mangan gibt. Bis 1934 war die Tiegelstahlproduktion fast vollständig durch Elektrolichtbogenöfen ersetzt worden.
Die frühen Schnellstähle, die zu T1 wurden, hatten 4 % Cr, was sie luftgehärtet machte. Die Schnellstähle wurden jedoch hauptsächlich für Schneidwerkzeuge verwendet, während die Gesenkstahlindustrie hauptsächlich auf Stähle setzte, die eine Wasserabschreckung erforderten. Sie können in diesem Artikel über „Härtbarkeit“ nachlesen, was die erforderlichen Abschreckraten für die volle Härte steuert. Der Metallurge John A. Mathews von Halcomb Steel entwickelte einen Stahl mit einer Härtbarkeit, die zwischen dem lufthärtenden Schnellarbeitsstahl und den wasserabschreckenden Stählen lag, und dies wurde der erste „ölhärtende“ Stahl. Mathews ist berühmt für die Patentierung der Zugabe von Vanadium zu Schnellarbeitsstählen, woraus T1 wurde, der bei weitem häufigste Schnellarbeitsstahl des frühen 20. Jahrhunderts. Jahrhunderts. Matrizen waren schon vorher manchmal in Öl gehärtet worden, aber diese neue Stahlsorte war die erste, die in Öl abgeschreckt werden konnte und die volle Härte durchgehend in relativ großen Größen erreichte. Dieser neue Stahl erhielt den Namen „Ketos“ und wurde damit beworben, wie wenig Verformung, Rissbildung oder Größenveränderung der Stahl durch die Ölabschreckmethode erfährt. Dies ermöglichte die Verwendung von komplizierten Formen und Designs und weniger Schleifen nach dem Härten. Diese Vorteile führten dazu, dass Ketos im Werkzeug- und Formenbau recht beliebt wurde. Ich habe nichts darüber gefunden, warum der Stahl Ketos genannt wird, obwohl das ein altgriechisches Wort ist, das Seeungeheuer bedeutet. Es hat nichts mit kohlenhydratarmer Ernährung zu tun.
Ketos-Werbung von 1920
Trotz des Technologievorsprungs durch den Lichtbogenofen und spannender Entwicklungen wie Ketos war Halcomb Steel relativ kurzlebig, zumindest als eigenständiges Unternehmen. Halcomb Steel wurde 1911 von Crucible Steel übernommen, was die Menge des von Crucible Steel in Syracuse produzierten Werkzeugstahls stark erhöhte. Crucible Steel behielt den Namen Ketos bei und tatsächlich verwendet das Unternehmen diesen Markennamen immer noch. Ketos wurde aufgrund seiner Beliebtheit von mehreren anderen Stahlunternehmen kopiert und erhielt einige Jahrzehnte später die AISI-Bezeichnung O1.
Geschichte der O1-Zusammensetzung
Das Design und die Entwicklung der Zusammensetzung, die zu O1 wurde, lässt sich nicht genau festmachen, aber es sieht aus wie ein Stahl, der aus dem herauswuchs, was zu der Zeit üblich war. Der erste Werkzeugstahl war der 1868 entwickelte „Mushet-Stahl“ mit 2 % C, 2,5 % Mn und 7 % W. Dieser Stahl war aufgrund des hohen Mangans lufthärtend und hatte aufgrund des hohen Kohlenstoffs und Wolframs eine hohe Verschleißfestigkeit. Er war für etwa 25 Jahre der wichtigste Werkzeugstahl, der neben einfachem Kohlenstoffstahl verwendet wurde. Vor der Arbeit von Taylor und White an der Entwicklung von Schnellarbeitsstahl gab es eine gewisse Entwicklung der Legierung, insbesondere mit dem Testen verschiedener Kombinationen von Mn, Cr und W. Es gab Experimente mit „Chrom-Wolfram“-Stählen als Ersatz für den „Mangan-Wolfram“-Mushet-Stahl. Im Jahrzehnt 1880-1890 wurden in Frankreich Experimente mit chromlegierten Stählen durchgeführt. Und um 1890 gab es einige Studien über niedrig legierte Stähle mit einer Kombination aus Chrom und Wolfram. Um 1887 gibt es Aufzeichnungen über einen Stahl mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie O1, der von Brooklyn Chrome Steel Works hergestellt wurde. Wesentlich höhere Chrom- und Wolfram-Gehalte wurden vor allem ab etwa 1894 erforscht, was zu dem Stahl mit 4 % Cr und 18 % W führte, der der erste Schnellarbeitsstahl wurde. Daher ähnelt O1 eher den früheren Stählen aus der Zeit um 1890, die nicht speziell für Hochgeschwindigkeitsanwendungen erforscht wurden. Die früheste berichtete Zusammensetzung, die ich für O1 gefunden habe, stammt aus dem Jahr 1925. Es ist schwer zu sagen, wie sehr er sich zwischen 1905 und 1925 verändert haben könnte.
Ketos Informationen aus dem Jahr 1913
Es gibt eine mögliche alternative Entwicklung zu O1. Es gibt ein paar Behauptungen aus der Nähe des Zeitraums (1920-1930), dass O1/Ketos als etwas begann, das näher an dem liegt, was heute O2 genannt wird, mit höherem Mn (1,25-1,75%) und ohne Cr oder W . Das Mn wurde dann später teilweise durch 0,5 % Cr und 0,5 % W ersetzt. Ich kann jedoch keine Zusammensetzung für Ketos finden, die es als etwas anderes als O1 und nicht als O2 zeigt, so dass es sich ziemlich früh geändert haben muss. Aber wenn die Darstellung korrekt ist, dann hat John A. Mathews beide gängigen ölhärtenden Stahltypen entwickelt: O1 und O2. Da Ketos sehr populär war, entwickelten die meisten der großen Stahlhersteller ihre eigenen Versionen bis mindestens 1920. Diese Versionen bewegten sich zwischen O1- und O2-ähnlichen Zusammensetzungen.
Update 22.7.20: Ich habe eine Suche nach historischen Aufzeichnungen über frühe ölhärtende Stähle des Typs O2 durchgeführt und der früheste, den ich gefunden habe, war der Crucible „Paragon Oil Hardening“-Stahl, der mindestens auf das Jahr 1911 zurückgeht (American Machinist, Bd. 35, 1911). Daher ist es wahrscheinlich, dass Mathews, oder zumindest Crucible, beide Haupttypen (O1 und O2) entwickelt hat, obwohl O2 später kam.
Hier ist eine Reihe von gemessenen Zusammensetzungen von sieben Herstellern, die 1925 berichtet wurden :
Im gleichen Artikel von 1925 von James Gill (lesen Sie hier über ihn) berichtet er, dass die ~1.6% Mn-Version anfälliger für Rissbildung und Kornwachstum war als die niedrigere Mn-Version mit Cr und W. Er bevorzugte die O1-Typ-Zusammensetzung, besonders wenn sie den Vanadium-Zusatz für das Korn-Pinning hatte. Gill mochte Vanadium-Zusätze im Allgemeinen und er arbeitete für die Vanadium Alloys Steel Company. Die Rissbeständigkeit und die geringere Empfindlichkeit gegenüber der Härtetemperatur der O1-Zusammensetzung waren möglicherweise der Grund für die Abwandlung der ursprünglichen O2-Zusammensetzung.
Die Konstruktion von O1
O1 erhält seine Ölhärtungseigenschaften durch die Kombination von Mn und Cr, beides Elemente, die zur Härtbarkeit beitragen. In den frühen 1900er Jahren glaubte man auch, dass W zur Härtbarkeit beiträgt, also könnte es auch zu diesem Zweck hinzugefügt worden sein. O1 hat ungefähr die Hälfte des Mn des originalen Mushet-Stahls, also war es vielleicht eine absichtliche Modifikation dieses frühen lufthärtenden Stahls, um die Härtbarkeit auf „Ölhärtung“ zu bringen. Der Zusatz von Vanadium ist optional, hilft aber bei der Erhaltung einer feinen Korngröße. Das Wolfram hilft auch bei der Feinkörnigkeit und Verschleißfestigkeit, obwohl die Menge so gering ist, dass sein Beitrag zu diesen Eigenschaften relativ klein ist. Der Hauptvorteil von O1 im Vergleich zu einfachem Kohlenstoffstahl wie 1095 ist, dass er in Öl gehärtet werden kann und Rissbildung, Verformung und Größenänderungen besser vermieden werden können.
Werkzeug- und Gesenkhersteller waren von Ketos-Stahl sehr begeistert, wie in einem Bericht von C.G. Heiby und George Coles von der H. Mueller Manufacturing Company aus dem Jahr 1911 im American Machinist zu lesen ist. „Vor etwa sechs Monaten wurde unsere Aufmerksamkeit auf den Ketos-Stahl gelenkt…Behauptungen, die im Lichte der langen Erfahrung mit Kohlenstoffstählen fast unglaublich waren…Wir konnten die Aussage des Herstellers bezüglich seiner Nicht-Schrumpfung und Nicht-Verwerfung zu unserer vollen Zufriedenheit verifizieren.“
Geschichte des O1-Stahls in Messern
Da O1 ein sehr beliebter Werkzeugstahl wurde, ist es relativ schwierig festzustellen, wer ihn zuerst in Messern verwendete. Er war sowohl bei Schmiedemessern als auch bei Messermachern beliebt, da er in einer Vielzahl von Größen verfügbar ist und sich leicht schmieden und wärmebehandeln lässt. Ein Messermacher, der für seine Verwendung von O1 bekannt ist, war W.D. „Bo“ Randall, der etwa 1938 mit der Herstellung von Messern begann, nachdem er ein Scagel-Messer gekauft hatte, das ihn beeindruckte. Im ersten verfügbaren Randall Knives Katalog von 1940 heißt es, dass die Messer „aus feinstem importierten schwedischen Werkzeugstahl“ hergestellt wurden. Dieser Stahl wurde im Katalog nicht als O1 identifiziert, bis zur Ausgabe von 1985, die ihn als „importierten schwedischen O1 Werkzeugstahl“ bezeichnet, der die gleichen Begriffe verwendet, aber hinzufügt, dass es O1 war. Ich habe Randall Made Knives kontaktiert und sie haben mir bestätigt, dass sich nach ihrem Verständnis der verwendete Stahl nicht geändert hat. Ein Artikel über Randall-Messer von Jim Williamson identifiziert den Stahl als von Uddeholm hergestellt. Uddeholm verkaufte zu dieser Zeit eine Version von O1 unter dem Namen UHB-46. Während es also schwer zu sagen ist, dass Randall der erste war, der O1 verwendete, war er ein einflussreicher Benutzer in der sehr frühen Periode der in Amerika hergestellten Custom Knives. Es ist interessant, dass er Stahl aus Schweden verwendete, als O1 in den USA erfunden wurde. Ich bin mir nicht sicher, warum er Uddeholm-Stahl verwendete. Vielleicht war er in einer besseren Größe verfügbar, kostete mehr, oder er hatte das Gefühl, dass der Stahl von höherer Qualität war. Im Katalog von 1945 heißt es: „Ich verwende den feinsten importierten schwedischen Werkzeugstahl, der nicht unbedingt besser ist als unsere besten amerikanischen Stähle, aber den Ruf hat, aus den reinsten Erzen hergestellt zu werden und der feinste Besteckstahl zu sein.“
Mikrostruktur von O1
Unten habe ich eine Mikroaufnahme von O1, die ich gemacht habe. Sie können es mit anderen Messerstählen vergleichen, indem Sie diesen Artikel lesen. Die Karbide sind relativ klein und gut verteilt. Feine Karbide bedeuten im Allgemeinen gute Zähigkeit und Kantenstabilität.
Zähigkeitsprüfung von O1
Hier sind Zähigkeitszahlen von O1, austenitisiert bei 1475°F oder 1550°F für 10 Minuten, abgeschreckt in schnellem Öl und angelassen zwischen 350 und 450°F. Die Proben wurden von Warren Krywko wärmebehandelt und von Alpha Knife Supply bearbeitet. Das Austenitisieren bei 1550°F führte zu einer Verringerung der Zähigkeit, entweder aufgrund einer Zunahme des Plattenmartensits oder der Korngröße. Das Anlassen auf 450°F führte nicht zu einer Versprödung des angelassenen Martensits. Es kann sich lohnen, 1450 oder 1500°F auszuprobieren, aber im Moment ist meine empfohlene Austenitisierungstemperatur 1475°F. Mittelschweres Öl wie Parks AAA kann aufgrund der hohen Härtbarkeit mit O1 verwendet werden. Eine Kältebehandlung kann nach dem Abschrecken hinzugefügt werden, um die Härte ein wenig zu erhöhen und die Zähigkeit entsprechend zu verringern (hier nicht getestet).
Trotz der feinen Karbidstruktur von O1 ist seine Zähigkeit im Vergleich zu anderen Stählen nicht besonders hoch. Zum Beispiel ist A2 wahrscheinlich das nächstliegende Gegenstück zu O1 in Bezug auf die Verwendung in Gesenkstählen, ist aber luft- statt ölhärtend. A2 hat jedoch sowohl eine bessere Zähigkeit als auch Verschleißfestigkeit als O1, trotz der feinen Karbidstruktur von O1. Ich glaube, dass dies auf den „Plattenmartensit“ in O1 zurückzuführen ist, kann es aber nicht mit Sicherheit sagen.
Die relativ schlechte Zähigkeit von O1 scheint ein durchgängiges Ergebnis zu sein, egal ob bei Zähigkeitstests von Knife Steel Nerds, Schmelztiegel oder Carpenter. Es ist nicht so, dass die Zähigkeit von O1 besonders schlecht ist, sondern dass aufgrund der feinen Karbidstruktur und der geringen Verschleißfestigkeit eine bessere Zähigkeit zu erwarten wäre. Hier ist ein Vergleich zwischen den Zähigkeitszahlen von Knife Steel Nerds und Crucible, der zeigt, dass sie sehr gut korrelieren und dass die Ergebnisse für O1 auch ähnlich sind (beachten Sie, dass die Skalen aufgrund unterschiedlicher Probengeometrien unterschiedlich sind):
Verschleißfestigkeit und Kantenhalt
O1 ist nicht für hohe Verschleißfestigkeit bekannt, er hat eine deutlich geringere Abriebfestigkeit als z.B. D2 . Und allgemeine Bewertungen von Stahlherstellern zeigen typischerweise, dass O1 eine geringere Verschleißfestigkeit hat als die Mehrheit ihrer anderen Matrizenstähle. Es gibt einen mir bekannten Test der CATRA-Kantenhaltung mit O1, der von Jeff Peachey in Auftrag gegeben wurde. Er schärfte beide auf einen sehr niedrigen Winkel von 13°. O1 wurde mit einer sehr hohen Härte (64 Rc) getestet, aber seine Schneidhaltigkeit war deutlich geringer als die der anderen Stähle:
Dies ist leicht zu verstehen, wenn man die Auswirkungen von Karbiden auf die Schneidhaltigkeit kennt, über die Sie hier lesen können. O1 hat einen relativ geringen Anteil an Weicheisenkarbiden, die nicht so stark zur Kantenhaltung beitragen wie Chromkarbide in A2 oder die Molybdän/Wolfram- und Vanadiumkarbide in M2 und T15. Niedrig legierte Stähle im Allgemeinen (1095, 52100, O1, W2, etc.) haben eine relativ schlechte Schneidkantenhaltung.
Kosten, Verfügbarkeit, Wärmebehandlung, Finishing und Schärfen
Der größte Vorteil von O1 über die Jahre war seine Verfügbarkeit fast überall und die relativ niedrigen Kosten. Er ist auch relativ einfach wärmezubehandeln, da seine Austenitisierungsanforderungen ähnlich wie bei anderen niedrig legierten Stählen sind, mit dem Vorteil, dass er leicht auf volle Härte abgeschreckt werden kann, sogar mit langsamem Öl wegen seiner hohen Härtbarkeit. Der Nachteil ist, dass er aufgrund seiner hohen Härtbarkeit schwieriger zu glühen ist. Erfahren Sie hier mehr über das Glühen: Teil 1 und Teil 2. O1 lässt sich außerdem wegen seiner geringen Verschleißfestigkeit leicht nachbearbeiten und schärfen. Die Schmiedbarkeit von O1 ist ebenfalls sehr gut.
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
O1 begann als eine Entwicklung von „ölhärtendem Stahl“ in der Explosion der Stahlentwicklung, die im frühen 20. Jahrhundert stattfand. „Ketos“-Stahl wurde 1905 von Halcomb Steel herausgebracht, nachdem er von dem Metallurgen John A. Mathews entwickelt worden war. Halcomb Steel war ein Unternehmen, das von Charles Halcomb, dem ersten Präsidenten von Crucible Steel, gegründet wurde. Dieser verließ das Unternehmen, um seine eigene Firma zu gründen und baute die Fabrik direkt neben der von Crucible in Syracuse, NY. Halcomb Steel wurde nur ein paar Jahre später von Crucible aufgekauft, verkaufte den Stahl aber noch viele Jahre lang als Halcomb Ketos, und Crucible verkauft O1 weiterhin als Ketos-Stahl. O1 hatte einen mittleren Anteil an Mn (~1,2 %) zusammen mit Cr und W für Härtbarkeit, Verschleißfestigkeit und Widerstand gegen Kornwachstum. Es gibt einige Verwirrung darüber, ob der O2-Stahl mit seinem einfacheren Aufbau von nur Mn (~1,6%) vielleicht zuerst da war und modifiziert wurde, um die endgültige O1-Zusammensetzung zu erhalten. Ölhärtender Stahl war bei Werkzeug- und Formenbauern sehr beliebt, da sich der Stahl durch die Ölhärtung nur in sehr geringem Maße verzieht, verformt und in seiner Größe verändert. Die anderen großen Werkzeugstahlhersteller stellten ihre eigenen ölhärtenden Stähle her, die alle Versionen von O1 und O2 waren. O1 hat ein feines Mikrogefüge aus Zementit. Seine Zähigkeit ist trotz seines feinen Gefüges und der relativ geringen Verschleißfestigkeit nur „gut“. Seine Schnitthaltigkeit ist aufgrund des geringen Anteils an Weicheisenkarbiden (Zementit) relativ gering. O1 ist seit Jahrzehnten in Messern verbreitet. Berühmt ist, dass O1 von Randall Knives ab 1938 oder so bis heute verwendet wurde.
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. „The Chemical Composition of Tool Steels.“ 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 Treat 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. „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: Names, Properties, Uses. 1945.
https://www.randallmadeknife.com/1945b
Bourithis, L., G. D. Papadimitriou, and J. Sideris. „Vergleich der Verschleißeigenschaften von Werkzeugstählen AISI D2 und O1 mit gleicher Härte“. Tribology International 39, no. 6 (2006): 479-489.
https://jeffpeachey.com/tag/testing-o1-and-a2-steel/