Dzięki Johnny’emu Ngo i ALtheSciencePal za wsparcie Patreonu Knife Steel Nerds!
Historia Stali O1
Stala O1 została opracowana w 1905 roku przez Halcomb steel, która została przejęta przez Crucible Steel kilka lat później. Historia jest jednak nieco bardziej interesująca niż to. W 1876 roku duża firma stalowa z Sheffield, Sanderson Brothers, zakupiła Geddes Steel Works należące do Sweet’s Manufacturing Company w Syracuse w stanie Nowy Jork. Amerykańskie taryfy celne doprowadziły do znacznego ograniczenia eksportu stali z Sheffield, a produkcja stali w USA również znacznie wzrosła. W związku z tym kilka angielskich firm stalowych założyło zakłady produkcyjne w Stanach Zjednoczonych, w tym Sanderson Brothers. Sanderson Brothers była bardzo starą firmą stalową z Sheffield, założoną w 1776 r. Rozwój stali narzędziowej zaczął eksplodować około 1900 r. dzięki niedawnemu odkryciu „stali szybkotnącej”, o której możesz przeczytać tutaj: The History of the First Tool Steel. Rok 1900 był podwójnie znaczący, ponieważ w tym roku doszło do poważnej konsolidacji 13 głównych hut stali, które stosowały „tyglowe” metody produkcji stali, co stanowiło 95% produkcji stali tyglowej w Stanach Zjednoczonych.
13 firm produkujących stal tyglową, w tym Sanderson Brothers, utworzyło Crucible Steel Company of America. Jej nowym prezesem i dyrektorem generalnym został Charles Herbert Halcomb, który w 1881 r., w wieku 22 lat, przybył z Sheffield do Syracuse, aby pracować w Sanderson Brothers. Halcomb był synem dyrektora zarządzającego firmy Sanderson Brothers i podczas pracy w tej firmie kształcił się na metalurga. Jednak pomimo tego, że Halcomb był Prezesem tej nowej gigantycznej firmy produkującej stal narzędziową w tyglu, opuścił Crucible po zaledwie dwóch latach i założył Halcomb Steel Company, która została zarejestrowana w 1904 roku. Halcomb zatrudnił byłych pracowników Crucible i zbudował nową fabrykę w Syracuse, która znajdowała się tuż obok zakładów Sanderson Brothers Works of Crucible Steel. Halcomb Steel była pierwszą firmą, która zbudowała elektryczny piec łukowy do produkcji stali zamiast starszej technologii tyglowej. Elektryczny piec łukowy został zbudowany w 1905 roku i rozpoczął produkcję w 1906 roku. Elektryczny piec łukowy był tańszy niż produkcja w tyglu, a ponadto pozwalał uzyskać stal wyższej jakości. Elektryczny piec łukowy może być wykorzystywany do obniżania poziomu fosforu i siarki, powszechnych zanieczyszczeń stali. Redukujące działanie żużla w piecu elektrycznym oznacza mniejsze straty łatwo utleniających się metali, takich jak chrom, wanad i mangan. Do 1934 r. produkcja stali w tyglu została niemal całkowicie zastąpiona przez elektryczne piece łukowe.
Wczesne stale szybkotnące, które stały się stalami T1, miały 4% Cr, dzięki czemu utwardzały się w powietrzu. Jednakże, stale szybkotnące były używane głównie do produkcji narzędzi skrawających, podczas gdy przemysł stali matrycowej opierał się głównie na stalach wymagających hartowania w wodzie. O tym, co kontroluje wymagany stopień hartowania dla uzyskania pełnej twardości, można przeczytać w artykule na temat „hartowności”. Metalurg John A. Mathews z Halcomb Steel opracował stal o hartowności pośredniej pomiędzy stalą szybkotnącą hartowaną powietrzem a stalą hartowaną wodą, która stała się pierwszą stalą „hartowaną w oleju”. Mathews jest znany z opatentowania dodatku wanadu do stali szybkotnącej, która stała się T1, najbardziej rozpowszechnioną stalą szybkotnącą na początku XX wieku. Wcześniej matryce były hartowane w oleju, ale ten nowy gatunek stali był pierwszym, który mógł być hartowany w oleju i osiągać pełną twardość przy stosunkowo dużych rozmiarach. Ta nowa stal otrzymała nazwę „Ketos” i była reklamowana ze względu na to, jak mało zniekształceń, pęknięć i zmian rozmiarów można zaobserwować dzięki hartowaniu w oleju. Umożliwiło to stosowanie skomplikowanych kształtów i wzorów oraz mniejszą ilość szlifowania po hartowaniu. Te zalety sprawiły, że stal Ketos stała się dość popularna w sklepach z narzędziami i matrycami. Nie znalazłem nic o tym, dlaczego stal nazywa się Ketos, choć jest to starożytne greckie słowo, które oznacza potwora morskiego. Nie ma to nic wspólnego z dietami niskowęglowodanowymi.
Reklama Ketos z 1920 r.
Pomimo przewagi technologicznej zapewnionej przez elektryczny piec łukowy i ekscytujących osiągnięć, takich jak Ketos, Halcomb Steel istniała stosunkowo krótko, przynajmniej jako samodzielna firma. Halcomb Steel została przejęta przez Crucible Steel w 1911 roku, co znacznie zwiększyło ilość stali narzędziowej produkowanej przez Crucible Steel w Syracuse. Crucible Steel zachowała nazwę Ketos i w rzeczywistości firma nadal używa tej nazwy handlowej. Ze względu na swoją popularność, Ketos został skopiowany przez kilka innych firm stalowych, a kilkadziesiąt lat później otrzymał oznaczenie AISI O1.
Historia składu O1
Projekt i ewolucja składu, który stał się O1 nie może być dokładnie ustalony, ale wygląda na stal, która wyrosła z tego, co było powszechne w tamtym czasie. Pierwszą stalą narzędziową była „stal Mushet” opracowana w 1868 roku z 2% C, 2,5% Mn i 7% W. Stal ta hartowała się w powietrzu dzięki wysokiej zawartości manganu i miała wysoką odporność na ścieranie dzięki wysokiej zawartości węgla i wolframu. Była to główna stal narzędziowa używana poza zwykłą stalą węglową przez około 25 lat. Przed pracą Taylora i White’a w rozwoju stali szybkotnącej, nastąpiła pewna ewolucja stopów, szczególnie z testowaniem różnych kombinacji Mn, Cr i W. Były eksperymenty z „chromowo-wolframową” stalą jako zamiennik „manganowo-wolframowej” stali Musheta. W dekadzie 1880-1890, eksperymenty we Francji były prowadzone na chromu stali stopowych. I do 1890 roku były pewne badania na niskostopowych stali z kombinacji chromu i wolframu. Do 1887 roku istnieje zapis o stali o nieco podobnym składzie do O1 produkowanej przez Brooklyn Chrome Steel Works. Znacznie wyższe zawartości chromu i wolframu były te przede wszystkim badane od około 1894 roku, prowadząc do 4% Cr 18% W stali, która stała się pierwszą stalą szybkotnącą. Dlatego O1 wygląda bardziej jak te wcześniejsze 1890-era stali, które nie były badane specjalnie do zastosowań wysokiej prędkości. Najwcześniejszy skład, jaki znalazłem dla O1 pochodzi z 1925 r., trudno powiedzieć, jak bardzo mógł się on zmienić między 1905 a 1925 r.
Informacje z Ketos z 1913 r.
Istnieje potencjalna alternatywna ewolucja O1. Istnieje kilka twierdzeń z bliskiego okresu czasu (1920-1930), że O1/Ketos rozpoczął się jako coś bliższego temu, co jest teraz nazywane O2, z wyższym Mn (1,25-1,75%) i bez Cr lub W . Mn został później częściowo zastąpiony przez 0,5% Cr i 0,5% W. Jednak nie mogę znaleźć składu dla Ketos, który pokazuje go jako coś innego niż jako O1 nie O2, więc to by się zmieniło dość wcześnie. Ale jeśli konto jest dokładne, to John A. Mathews opracował oba popularne rodzaje stali do hartowania w oleju: O1 i O2. Ponieważ stal Ketos była bardzo popularna, większość głównych producentów stali opracowała jej własne wersje co najmniej do roku 1920. Wersje te wahały się pomiędzy kompozycjami O1- i O2-like.
Update 7/22/20: Przeszukałem historyczne zapisy wczesnych stali do hartowania w oleju typu O2 i najwcześniejszą jaką znalazłem była stal Crucible „Paragon Oil Hardening”, która pochodziła co najmniej z 1911 r. (American Machinist, vol. 35, 1911). Dlatego też jest prawdopodobne, że Mathews, lub przynajmniej Crucible, opracował oba główne typy (O1 i O2), choć O2 pojawił się później.
Oto zakres zmierzonych kompozycji od siedmiu producentów zgłoszonych w 1925 r. :
W tym samym artykule z 1925 r. James Gill (przeczytaj o nim tutaj) zgłosił, że wersja ~1.6% Mn wersja była bardziej podatna na pękanie i wzrost ziarna niż niższa Mn wersja z Cr i W. Wolał kompozycję typu O1, szczególnie gdy miał dodatek wanadu do spinania ziarna. Gill lubił dodatki wanadu w ogóle i pracował dla Vanadium Alloys Steel Company. Odporność na pękanie i mniejsza wrażliwość na temperaturę hartowania kompozycji O1 mogły być powodem modyfikacji oryginalnej O2.
Projekt O1
O1 uzyskuje swoje właściwości hartowania w oleju dzięki połączeniu Mn i Cr, obu pierwiastków, które przyczyniają się do hartowności. Na początku XX wieku uważano również, że W przyczynia się do hartowności, więc mógł zostać dodany w tym celu. O1 ma w przybliżeniu połowę Mn oryginalnej stali Mushet, więc być może była to celowa modyfikacja tej wczesnej stali do hartowania w powietrzu, aby obniżyć hartowność do „hartowania w oleju”. Dodatek wanadu jest opcjonalny, choć pomaga utrzymać drobną ziarnistość. Wolfram również pomaga w utrzymaniu drobnego ziarna i odporności na ścieranie, ale jego ilość jest na tyle mała, że jego wkład w te właściwości jest stosunkowo niewielki. Główną zaletą O1 w porównaniu z prostą stalą węglową jak 1095 jest to, że może być hartowana w oleju i lepiej unikać pękania, zniekształceń i zmian wielkości.
Narzędzia i firmy die były bardzo podekscytowane stali Ketos, takich jak znalezione w 1911 roku raport w American Machinist przez C.G. Heiby i George Coles z H. Mueller Manufacturing Company . „Około sześć miesięcy temu naszą uwagę przykuła stal Ketos… twierdzenia, które w świetle długiego doświadczenia ze stalą węglową były niemal niewiarygodne… byliśmy w stanie zweryfikować oświadczenie producenta w odniesieniu do jej niekurczliwych i nie odkształcających się właściwości ku naszemu pełnemu zadowoleniu.”
Historia stali O1 w nożach
Ponieważ O1 stała się bardzo popularną stalą narzędziową, stosunkowo trudno jest określić kto pierwszy użył jej w nożach. Ze względu na jej dostępność w różnych rozmiarach, łatwość w kuciu i obróbce cieplnej, była ona popularna zarówno wśród ostrzarzy, jak i nożowników zajmujących się usuwaniem materiału. Jednym z knifemakerów znanych z zastosowania O1 był W.D. „Bo” Randall, który rozpoczął produkcję noży w 1938 roku po zakupie noża Scagel, który zrobił na nim wrażenie. Z pierwszego dostępnego katalogu Randall Knives z 1940 roku wynika, że noże zostały „wykonane z najlepszej importowanej szwedzkiej stali narzędziowej”. Stal ta nie została zidentyfikowana jako O1 w katalogu aż do wydania z 1985 roku, które nazwało ją „importowaną szwedzką stalą narzędziową O1”, która używa tych samych terminów, ale dodaje, że była to stal O1. Skontaktowałem się z firmą Randall Made Knives i potwierdzili mi, że w ich rozumieniu użyta stal nie uległa zmianie. Artykuł o nożach Randall autorstwa Jima Williamsona identyfikuje tę stal jako produkowaną przez Uddeholm. Uddeholm sprzedawał w tym czasie wersję O1 pod nazwą UHB-46. Trudno więc powiedzieć, że Randall jako pierwszy użył stali O1, ale był jej wpływowym użytkownikiem w bardzo wczesnym okresie amerykańskiej produkcji noży na zamówienie. Interesujące jest to, że używał stali szwedzkiej, kiedy O1 została wynaleziona w USA. Nie jestem pewien dlaczego użył stali Uddeholm. Być może była dostępna w lepszym rozmiarze, kosztowała więcej, albo uważał, że stal ta jest wyższej jakości. W katalogu z 1945 r. jest napisane: „Używam najlepszej importowanej szwedzkiej stali narzędziowej, która niekoniecznie musi być lepsza od naszych najlepszych amerykańskich stali, ale ma reputację stali wykonanej z najczystszych rud i najlepszej stali na sztućce.”
Mikrostruktura O1
Poniżej mam mikrograf O1, który zrobiłem. Możesz go porównać z innymi stalami nożowymi czytając ten artykuł. Węgliki są stosunkowo małe i dobrze rozłożone. Drobne węgliki generalnie oznaczają dobrą ciągliwość i stabilność krawędzi.
Testy ciągliwości stali O1
Oto dane dotyczące ciągliwości stali O1 austenityzowanej w temperaturze 1475°F lub 1550°F przez 10 minut, hartowanej w szybkim oleju i odpuszczanej w temperaturze 350 i 450°F. Próbki zostały poddane obróbce cieplnej przez Warrena Krywko oraz obróbce mechanicznej przez Alpha Knife Supply. Austenityzacja w temperaturze 1550°F doprowadziła do zmniejszenia ciągliwości z powodu wzrostu martenzytu płytkowego lub wielkości ziarna. Odpuszczanie do 450°F nie prowadziło do kruchości martenzytu odpuszczonego. Może warto spróbować 1450 lub 1500°F, ale na razie zalecana przeze mnie temperatura austenityzowania to 1475°F. Średni olej jak Parks AAA może być używany z O1 z powodu wysokiej hartowności. Obróbka na zimno może być dodana po hartowaniu, aby uzyskać niewielki wzrost twardości, jak również odpowiedni spadek ciągliwości (nie testowane tutaj).
Mimo drobnoziarnistej struktury węglikowej stali O1, jej ciągliwość nie jest szczególnie wysoka w porównaniu z innymi stalami. Na przykład, A2 jest prawdopodobnie najbliższym odpowiednikiem O1 pod względem zastosowania w stalach matrycowych, ale jest hartowana w powietrzu, a nie w oleju. Jednakże, A2 ma zarówno lepszą ciągliwość, jak i odporność na ścieranie niż O1, pomimo drobnoziarnistej struktury węglikowej O1. Wierzę, że jest to spowodowane przez „martenzyt płytkowy” w O1, ale nie mogę powiedzieć na pewno.
Względnie słaba ciągliwość O1 wydaje się być konsekwentnym odkryciem czy to w testach ciągliwości Knife Steel Nerds, Crucible, czy Carpenter. Nie chodzi o to, że ciągliwość O1 jest szczególnie zła, ale o to, że ze względu na drobną strukturę węglika i niski poziom odporności na ścieranie, można by oczekiwać, że ciągliwość będzie lepsza. Oto porównanie pomiędzy liczbami wytrzymałości Knife Steel Nerds i Crucible pokazujące, że korelują one bardzo dobrze i że wyniki dla O1 są również podobne (zauważ, że skale są różne ze względu na różne geometrie próbek):
Odporność na ścieranie i zachowanie krawędzi
O1 nie jest znana z wysokiej odporności na ścieranie, ma znacznie niższą odporność na ścieranie niż D2, na przykład. A ogólne oceny producentów stali zazwyczaj pokazują, że O1 ma niższą odporność na ścieranie niż większość innych stali matrycowych. Jest jeden test CATRA na zachowanie krawędzi w stali O1, o którym wiem, przeprowadzony na zlecenie Jeffa Peachey. Ostrzył on każdą z nich pod bardzo niskim kątem 13°. O1 był testowany przy bardzo wysokiej twardości (64 Rc), ale jego zachowanie krawędzi było wyraźnie niższe niż innych stali:
Łatwo to zrozumieć dzięki wiedzy o wpływie węglików na zachowanie krawędzi, o której można przeczytać tutaj. O1 ma stosunkowo niewielką ilość miękkich węglików żelaza, które nie przyczyniają się tak bardzo do utrzymania krawędzi jak węgliki chromu w A2 lub węgliki molibdenu/wolframu i wanadu w M2 i T15. Stale niskostopowe w ogóle (1095, 52100, O1, W2, itp.) mają stosunkowo słabe zachowanie krawędzi cięcia.
Koszt, dostępność, obróbka cieplna, wykańczanie i ostrzenie
Największą zaletą O1 przez lata była jej dostępność prawie wszędzie i stosunkowo niski koszt. Jest również stosunkowo łatwa w obróbce cieplnej ze względu na wymagania austenityzowania podobne do innych stali niskostopowych z korzyścią łatwego hartowania do pełnej twardości, nawet z powolnym olejem z powodu wysokiej hartowności. Minusem jest to, że jest trudniejsza do wyżarzania z powodu jej wysokiej hartowności. Dowiedz się więcej o wyżarzaniu tutaj: Część 1 i Część 2. O1 jest również łatwy do wykończenia i ostrzenia z powodu jego niskiej odporności na zużycie. Kowalność O1 jest również bardzo dobra.
Podsumowanie i wnioski
O1 rozpoczęła się jako rozwój „stali hartowanej w oleju” w eksplozji rozwoju stali, która miała miejsce na początku XX wieku. Stal „Ketos” została wypuszczona na rynek przez Halcomb Steel w 1905 r. po opracowaniu jej przez metalurga Johna A. Mathewsa. Halcomb Steel była firmą założoną przez Charlesa Halcomba, pierwszego prezesa Crucible Steel, który odszedł, aby założyć własną firmę, budując fabrykę bezpośrednio obok Crucible’s w Syracuse, NY. Halcomb Steel został zakupiony przez Crucible zaledwie kilka lat później, ale kontynuował sprzedaż stali jako Halcomb Ketos przez wiele lat, a Crucible nadal sprzedaje O1 jako stal Ketos. O1 zawierała średnią ilość Mn (~1,2%) wraz z Cr i W dla zapewnienia hartowności, odporności na ścieranie i odporności na rozrost ziarna. Istnieje pewne zamieszanie co do tego, czy stal O2 o prostszej konstrukcji zawierającej tylko Mn (~1,6%) mogła pojawić się jako pierwsza i zostać zmodyfikowana, by stworzyć ostateczny skład stali O1. Stal do hartowania w oleju była bardzo popularna wśród producentów narzędzi i matryc ze względu na bardzo małe odkształcenia, zniekształcenia i zmiany wymiarów stali spowodowane hartowaniem w oleju. Inne główne firmy produkujące stal narzędziową stworzyły własne stale do hartowania w oleju, które były wersjami stali O1 i O2. O1 posiada drobnoziarnistą mikrostrukturę cementytu. Jego ciągliwość jest tylko „dobra”, pomimo drobnej struktury i stosunkowo niskiej odporności na ścieranie. Zachowanie krawędzi jest stosunkowo niskie z powodu małej ilości miękkich węglików żelaza (cementytu). O1 jest powszechnie stosowany w nożach od dziesięcioleci. W szczególności O1 był używany przez Randall Knives od około 1938 roku do dziś.
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., Stale narzędziowe: seria pięciu wykładów edukacyjnych na temat wyboru, właściwości i zastosowań komercyjnych stali narzędziowych przedstawionych członkom ASM podczas 16. Narodowego Kongresu Metalowego i Wystawy, Nowy Jork, 1-5 października 1934 r.
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 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. „Nietypowe wyniki hartowania narzędzi”. W American Machinist wrzesień 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. „Comparison of wear properties of tool steels AISI D2 and O1 with the same hardness.” Tribology International 39, no. 6 (2006): 479-489.
https://jeffpeachey.com/tag/testing-o1-and-a2-steel/