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O1 Steel History
O1 steel was developed in 1905 by Halcomb steel which was acquired by Crucible Steel a few years later . No entanto, a história é um pouco mais interessante do que isso. Em 1876 uma grande empresa siderúrgica Sheffield, a Sanderson Brothers, adquiriu a Sweet’s Manufacturing Company’s Geddes Steel Works em Syracuse, Nova Iorque. As tarifas americanas tinham levado a uma grande redução do aço exportado da Sheffield, e a produção de aço dos EUA também tinha aumentado muito para igualar. Assim, várias empresas siderúrgicas inglesas instalaram instalações de produção nos EUA, incluindo a Sanderson Brothers. A Sanderson Brothers era uma empresa siderúrgica muito antiga da Sheffield, fundada em 1776. O desenvolvimento da Tool Steel começou a explodir por volta de 1900 devido à recente descoberta do “aço de alta velocidade”, sobre o qual se pode ler aqui: A História da Primeira Aço para Ferramentas. O ano de 1900 foi duplamente significativo porque nesse ano houve uma grande consolidação de 13 das principais fábricas de aço que utilizavam métodos de produção de aço “em cadinho”, representando 95% da produção de aço em cadinho nos Estados Unidos.
As 13 empresas de aço em cadinho, incluindo a Sanderson Brothers, formaram a Crucible Steel Company of America. O seu novo Presidente e Director Geral foi Charles Herbert Halcomb, que tinha vindo de Sheffield para Syracuse aos 22 anos de idade, em 1881, para trabalhar na Sanderson Brothers. Halcomb era filho do director-geral da Sanderson Brothers e formou-se como metalurgista enquanto trabalhava na empresa. No entanto, apesar de ser o presidente desta nova empresa gigante de aço para ferramentas, Halcomb deixou Crucible após apenas dois anos para formar a Halcomb Steel Company, que foi incorporada em 1904. Halcomb empregou antigos trabalhadores de Cadinho e construiu uma nova fábrica em Syracuse, directamente ao lado da Sanderson Brothers Works of Crucible Steel. Halcomb Steel foi a primeira empresa a construir um forno de arco eléctrico para a produção de aço em vez da tecnologia de cadinho mais antiga. O forno de arco eléctrico foi construído em 1905 e começou a produção em 1906. O forno eléctrico de arco era mais barato do que a produção de cadinhos e também levou a uma maior qualidade do aço. O forno de arco eléctrico pode ser utilizado para reduzir os níveis de fósforo e enxofre, as impurezas comuns do aço. E a acção de redução da escória nos fornos eléctricos significa que há menos perda de metais facilmente oxidáveis como o crómio, o vanádio e o manganês. Em 1934 a produção de cadinho de aço tinha sido quase inteiramente substituída por fornos eléctricos de arco .
Os primeiros aços de alta velocidade que se tornaram T1 tinham 4% Cr, o que os tornava endurecedores do ar. No entanto, os aços de alta velocidade eram utilizados principalmente para ferramentas de corte, enquanto a indústria do aço para moldes dependia principalmente de aços que exigiam um arrefecimento por água. Pode ler sobre quais os controlos que exigiam taxas de têmpera para uma dureza total neste artigo sobre “temperabilidade”. O metalurgista John A. Mathews da Halcomb Steel desenvolveu um aço com endurecimento entre o aço de alta velocidade de têmpera por ar e os aços de têmpera por água e este tornou-se o primeiro aço de “têmpera por óleo”. A Mathews é famosa por patentear adições de vanádio aos aços de alta velocidade, que se tornaram T1, de longe o aço de alta velocidade mais comum no início do século XX. Os mathews tinham por vezes sido endurecidos em óleo antes disto, mas este novo tipo de aço foi o primeiro a poder ser temperado em óleo e atingir a dureza total em todo o seu comprimento em tamanhos relativamente grandes. Este novo aço recebeu o nome de “Ketos” e foi anunciado pela pouca distorção, rachadura, ou mudança de tamanho que o aço vê devido ao método de têmpera a óleo. Isto permitiu a utilização de formas e desenhos intrincados e menos trituração após o endurecimento. Estas vantagens fizeram com que os Ketos se tornassem bastante populares nas lojas de ferramentas e matrizes. Não encontrei nada sobre o porquê de o aço se chamar Ketos, embora essa seja uma palavra grega antiga que significa monstro marinho. Não tem nada a ver com dietas de baixo teor de carboneto.
anúncio de Ketos de 1920
Apesar da vantagem tecnológica proporcionada pelo forno de arco eléctrico e desenvolvimentos excitantes como os Ketos, a Halcomb Steel teve uma vida relativamente curta, pelo menos como empresa autónoma. A Halcomb Steel foi adquirida pela Crucible Steel em 1911, o que aumentou consideravelmente a quantidade de aço para ferramentas produzido pela Crucible Steel em Syracuse. Crucible Steel manteve o nome Ketos e, de facto, a empresa ainda usa esse nome comercial. Ketos foi copiado por várias outras empresas siderúrgicas devido à sua popularidade, e recebeu a designação AISI O1 várias décadas mais tarde.
História da Composição O1
O desenho e evolução da composição que se tornou O1 não pode ser pregado com exactidão, mas parece mesmo um aço que cresceu a partir do que era comum na altura . O primeiro aço para ferramentas foi “Mushet steel” desenvolvido em 1868 com 2% C, 2,5% Mn, e 7% W. Este aço era temperado ao ar devido ao elevado teor de manganês e tinha uma elevada resistência ao desgaste devido ao elevado teor de carbono e tungsténio. Foi o principal aço para ferramentas utilizado para além do simples aço de carbono durante cerca de 25 anos. Antes do trabalho de Taylor e White no desenvolvimento do aço de alta velocidade, houve alguma evolução da liga, particularmente com testes de diferentes combinações de Mn, Cr, e W. Houve experiências com aços “cromo-tungsténio” em substituição do aço “manganese-tungsténio” Mushet. Na década de 1880-1890, foram realizadas experiências em França com aços ligados ao crómio. E por volta de 1890 houve alguns estudos sobre aços de baixa liga com uma combinação de crómio e tungsténio. Em 1887 há registo de um aço com uma composição algo semelhante ao O1 produzido pela Brooklyn Chrome Steel Works. Os teores muito mais elevados de crómio e tungsténio foram os que foram explorados principalmente a partir de cerca de 1894, levando ao aço de 4% Cr 18% W que se tornou o primeiro aço de alta velocidade. Portanto, o O1 assemelha-se mais aos aços da era anterior de 1890 que não estavam a ser explorados especificamente para aplicações de alta velocidade. A composição mais antiga que encontrei para O1 é de 1925, é difícil dizer quanto poderia ter mudado entre 1905 e 1925.
informação de Ketos de 1913
Há uma potencial evolução alternativa para O1. Há algumas afirmações de perto do período de tempo (1920-1930) de que O1/Ketos começou como algo mais próximo do que é agora chamado O2, com Mn mais alto (1,25-1,75%) e sem Cr ou W . O Mn foi depois parcialmente substituído por 0,5% Cr e 0,5% W. No entanto, não consigo encontrar uma composição para Ketos que o mostre como algo diferente de O1 e não O2, pelo que teria mudado muito cedo. Mas se o relato estiver correcto, então John A. Mathews desenvolveu os dois tipos comuns de aço de endurecimento a óleo: O1 e O2. Porque Ketos era muito popular, a maioria dos principais fabricantes de aço desenvolveram as suas próprias versões pelo menos em 1920. Estas versões variavam entre as composições do tipo O1 e O2.
Update 7/22/20: Fiz uma pesquisa através de registos históricos de aços de têmpera a óleo do tipo O2 e o mais antigo que encontrei foi o cadinho de aço “Paragon Oil Hardening”, que remontava pelo menos a 1911 (American Machinist, vol. 35, 1911). Portanto, é provável que Mathews, ou pelo menos o Cadinho, tenha desenvolvido ambos os tipos principais (O1 e O2) embora O2 tenha vindo mais tarde.
Aqui está uma gama de composições medidas de sete fabricantes relatadas em 1925 :
No mesmo artigo de 1925 de James Gill (leia sobre ele aqui) ele relatou que o ~1.6% da versão Mn era mais propensa à fissuração e crescimento de grãos do que a versão inferior Mn com Cr e W. Ele preferiu a composição do tipo O1, particularmente quando tinha a adição de vanádio para a fixação de grãos. Gill gostava de adições de vanádio em geral e trabalhou para a Vanadium Alloys Steel Company. A resistência à fissuração e a menor sensibilidade à temperatura de endurecimento da composição de O1 pode ter sido o que levou à modificação da composição original de O2.
Design de O1
O1 obtém as suas propriedades de endurecimento a óleo da combinação de Mn e Cr, ambos elementos que contribuem para a temperabilidade. No início do século XIX, também se acreditava que W contribui para a temperabilidade, pelo que também pode ter sido adicionado para esse fim. O1 tem aproximadamente metade do Mn do aço Mushet original, pelo que talvez tenha sido uma modificação intencional desse aço de têmpera ao ar para reduzir a temperabilidade ao “endurecimento a óleo”. A adição de vanádio é opcional, embora ajude a manter uma granulometria fina. O tungsténio também ajuda com grão fino e resistência ao desgaste, embora a quantidade seja suficientemente pequena para que a sua contribuição para essas propriedades seja relativamente pequena. O principal benefício do O1 em comparação com o aço carbono simples como 1095 é que pode ser endurecido em óleo e melhor evitar fissuras, distorções, e alterações de tamanho.
As empresas de ferramentas e moldes estavam muito entusiasmadas com o aço Ketos, tal como encontrado num relatório de 1911 no American Machinist por C.G. Heiby e George Coles da H. Mueller Manufacturing Company . “Há cerca de seis meses a nossa atenção foi chamada à Ketos steel…afirmações pelas quais, à luz de uma longa experiência com aços de carbono, foram quase inacreditáveis…e foram capazes de verificar a declaração dos fabricantes no que diz respeito às suas qualidades de não encolher e não encolher para nossa inteira satisfação.”
História de O1 Steel in Knives
Porque O1 se tornou um aço para ferramentas muito popular, é relativamente difícil determinar quem o usou primeiro em facas. Tem sido popular tanto nos forjadores de lâminas como nas facas de remoção de stock devido à sua ampla disponibilidade numa gama de tamanhos, e facilidade no forjamento e tratamento térmico. Um fabricante de facas conhecido pelo seu uso de O1 foi W.D. “Bo” Randall, que começou a fazer facas por volta de 1938, depois de comprar uma faca Scagel que o impressionou . Do primeiro catálogo disponível de facas Randall em 1940, diz-se que as facas eram “Feitas do mais fino Aço Ferramenta Sueco importado” . Este aço não foi identificado como O1 no catálogo até à edição de 1985 que lhe chamou “aço para ferramentas sueco importado O1” que utiliza os mesmos termos mas acrescenta que era O1. Contactei a Randall Made Knives e eles confirmaram-me que o seu entendimento é que o aço utilizado não mudou. Um artigo sobre facas Randall de Jim Williamson identifica o aço como sendo produzido por Uddeholm . Uddeholm vendeu uma versão de O1 com o nome UHB-46 nessa altura . Assim, embora seja difícil dizer que Randall foi o primeiro a utilizar O1, ele foi um utilizador influente do mesmo no período muito precoce das facas personalizadas de fabrico americano. É interessante que ele usou aço da Suécia quando o O1 foi inventado nos EUA. Não tenho a certeza porque é que ele usou aço Uddeholm. Talvez estivesse disponível em melhor tamanho, custo, ou ele sentiu que o aço era de maior qualidade. Começando no catálogo de 1945 diz: “Uso o melhor Aço Ferramenta Sueco Importado, que pode não ser necessariamente melhor do que os nossos melhores aços americanos, mas tem a reputação de ser feito do mais puro dos minérios e de ser o melhor dos aços de cutelaria”
Microstrutura de O1
Below Tenho uma micrografia de O1 que tirei. Pode compará-la com outros aços para facas, lendo este artigo. Os carbonetos são relativamente pequenos e bem distribuídos. Os carbonetos finos significam geralmente boa tenacidade e estabilidade da borda.
Testes de tenacidade de O1
Aqui estão os números de tenacidade de O1 austenitizados a 1475°F ou 1550°F durante 10 minutos, revenidos em óleo rápido, e temperados entre 350 e 450°F. As amostras foram tratadas termicamente por Warren Krywko e maquinadas por Alpha Knife Supply. A austenitização a 1550°F levou a uma redução da tenacidade quer devido a um aumento da martensita de placas ou do tamanho do grão. A têmpera até 450°F não levou à fragilização do martensita temperado. Pode valer a pena tentar 1450 ou 1500°F, mas por agora a minha temperatura de austenitização recomendada é de 1475°F. Óleo médio como Parques AAA pode ser usado com O1 devido à alta capacidade de endurecimento. Um tratamento a frio pode ser adicionado após a têmpera para um pequeno aumento da dureza, bem como uma correspondente diminuição da dureza (não testado aqui).
Apesar da estrutura de carboneto fino de O1, a sua tenacidade não é particularmente elevada quando comparada com outros aços. Por exemplo, A2 é provavelmente a contraparte mais próxima de O1 em termos de utilização em aços para moldes, mas é endurecimento por ar em vez de endurecimento por óleo. No entanto, A2 tem uma melhor tenacidade e resistência ao desgaste do que O1, apesar da estrutura fina de carbonetos de O1. Creio que isto se deve a “plate martensite” em O1, mas não posso dizer com certeza.
A tenacidade relativamente pobre de O1 parece ser uma constatação consistente quer no teste de tenacidade dos Terds de Faca de Aço, Cadinho, ou Carpinteiro. Não é que a tenacidade do O1 seja especialmente má, mas que pela sua fina estrutura de carboneto e baixo nível de resistência ao desgaste se espere que a tenacidade seja melhor. Aqui está uma comparação entre os Nerds de Faca de Aço e os números de tenacidade do Cadinho mostrando que se correlacionam muito bem e que os resultados para O1 também são semelhantes (note-se que as escalas são diferentes devido a diferentes geometrias de amostra):
Resistência ao desgaste e Retenção de bordas
O1 não é conhecido pela sua alta resistência ao desgaste, tem uma resistência à abrasão significativamente inferior a D2, por exemplo . E as classificações genéricas dos fabricantes de aço mostram tipicamente que O1 tem uma resistência ao desgaste inferior à maioria dos seus outros aços de molde. Há um teste relatado de retenção de arestas CATRA com O1 do qual tenho conhecimento, encomendado por Jeff Peachey . Ele afiou cada um a um ângulo muito baixo de 13°. O1 foi testado a uma dureza muito elevada (64 Rc) mas a sua retenção de arestas foi claramente inferior à dos outros aços:
Isto é fácil de compreender através do conhecimento dos efeitos dos carbonetos na retenção de arestas que se pode ler aqui. O1 tem uma quantidade relativamente pequena de carbonetos de ferro macio que não contribuem tanto para a retenção das bordas como os carbonetos de crómio em A2 ou os carbonetos de molibdénio/tungsténio e vanádio em M2 e T15. Os aços de baixa liga em geral (1095, 52100, O1, W2, etc.) têm uma retenção de arestas de corte relativamente pobre.
Custo, Disponibilidade, Tratamento Térmico, Acabamento, e Afiação
O maior benefício de O1 ao longo dos anos tem sido a sua disponibilidade em quase todo o lado e o seu custo relativamente baixo. É também relativamente fácil de tratamento térmico devido aos seus requisitos de austenitização serem semelhantes a outros aços de baixa liga com o benefício de ser fácil de tingir para uma dureza total, mesmo com óleo lento devido à sua alta temperabilidade. A desvantagem é que é mais difícil de recozer devido à sua elevada temperabilidade. Saiba mais sobre recozimento aqui: Parte 1 e Parte 2. O1 também é fácil de terminar e afiar devido à sua baixa resistência ao desgaste. A forjabilidade de O1 é também muito boa.
Resumo e Conclusões
O1 começou como um desenvolvimento de “aço de endurecimento por óleo” na explosão do desenvolvimento do aço que ocorreu no início do século XX. O aço “Ketos” foi lançado pela Halcomb Steel em 1905, após ter sido desenvolvido pelo metalúrgico John A. Mathews. Halcomb Steel foi uma empresa formada por Charles Halcomb, o primeiro Presidente da Crucible Steel que partiu para formar a sua própria empresa, construindo a fábrica directamente ao lado da Crucible’s em Syracuse, NY. Halcomb Steel foi comprada pela Crucible apenas alguns anos mais tarde, mas continuou a vender o aço como Halcomb Ketos durante muitos anos, e a Crucible continua a vender O1 como aço Ketos. O1 tinha uma quantidade média de Mn (~1,2%) juntamente com Cr e W para endurecimento, resistência ao desgaste, e resistência ao crescimento de grãos. Existe alguma confusão sobre se o aço O2 com o seu desenho mais simples de Mn apenas (~1,6%) pode ter chegado primeiro e ter sido modificado para fazer a composição final de O1. O aço de endurecimento a óleo era muito popular entre as empresas de ferramentas e moldes devido à quantidade muito pequena de deformação, distorção e mudanças de tamanho que o aço iria ver devido ao endurecimento a óleo. As outras grandes empresas de aço para ferramentas fabricavam os seus próprios aços de têmpera a óleo que eram todas versões de O1 e O2. O1 tem uma microestrutura fina de cimentos. A sua tenacidade é apenas “boa” apesar da sua estrutura fina e relativamente baixa resistência ao desgaste. A sua retenção nos bordos é relativamente baixa devido à pequena quantidade de carbonetos de ferro macios (cementite). O1 tem sido comum em facas durante décadas. O1 tem sido utilizado por facas Randall desde cerca de 1938 e continua até hoje.
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