D2 Tool Steel: Сталь халоднага працоўнага інструмента

1. Уводзіны

Інструментальная сталь D2 даўно прызнана сваёй выключнай зносаўстойлівасцю і стабільнасцю памераў, што робіць яго адным з асноўных прадуктаў пры халоднай апрацоўцы.

Адбываецца з прагрэсу ў тэхналогіі легіравання ў пачатку 20-га стагоддзя, D2 з'яўляецца высокавугляродным, сталь з высокім утрыманнем хрому, якая ўсталёўвае эталон для інструментаў, якія працуюць у сур'ёзных умовах зносу.

Гэты артыкул паглыбляецца ва ўласцівасці, апрацоўка, і прымяненне інструментальнай сталі D2, адказы на ключавыя пытанні аб яго прыдатнасці для розных галін прамысловасці.

Даследуючы яго хімічны склад, фізічныя і механічныя характарыстыкі, пратаколы тэрмічнай апрацоўкі, і праблемы апрацоўкі,

Мы імкнемся даць поўнае разуменне таго, чаму D2 застаецца пераважным выбарам для патрабавальных патрабаванняў да інструментаў.

2. Хімічны склад

D2 інструментальная сталь сваёй выключнай зносаўстойлівасцю і стабільнасцю памераў дзякуючы старанна распрацаванаму хімічнаму складу сплаву.

Камбінуючы высокае ўтрыманне вугляроду са стратэгічнымі дадаткамі хрому, molybdenum, і ванадыя, металургі ствараюць матрыцу, багатую цвёрдымі карбідамі, якія супрацьстаяць ізаляцыі і захоўваюць рэжучыя канты пры вялікіх нагрузках.

Асноўныя легіруючыя элементы і іх роля

Элемент	Тыповы змест (%)	Металургічная роля
Вуглярод (C)	1.40 - 1.60	Утварае цэментыт і складаныя карбіды хрому; напрамую карэлюе з цвёрдасцю і зносаўстойлівасцю
Хром (Кр)	11.00 - 13.00	Спрыяе адукацыі цвёрдых карбідаў M₇C₃ і M₂₃C₆; дадае ўстойлівасці да карозіі; павышае загартоўнасць
Molybdenum (Мо)	0.70 - 1.40	Ачышчае папярэднія карбіды; павышае трываласць і чырвона-цвёрдасць; затрымлівае рост збожжа падчас аустенитизации
Ванадыя (V)	0.30 - 1.10	Стварае надзвычай цвёрдыя карбіды тыпу MC, якія паляпшаюць утрыманне краёў і супрацьстаяць мікратрэшчынам
Марганец (Мн)	≤ 1.00	Acts as a deoxidizer; дапамагае ў загартоўвання, але можа паменшыць трываласць, калі дадаць празмернае
Крэмнім (І)	≤ 1.00	Раскісліцель; нязначна спрыяе трываласці і марфалогіі карбіду

Характэрныя карбідныя фазы

Зносаўстойлівасць D2 абумоўлена а двухкарбідная сістэма:

Карбіды, багатыя хромам (M₇c₃, M₂₃C₆)

• Гэтыя карбіды хрому выглядаюць у выглядзе блокавых або вуглаватых ападкаў у матрыцы загартаванага мартэнсіту.
• Яны складаюць прыкладна 30–40% мікраструктуры па аб'ёме, забеспячэнне аб'ёмнай стойкасці да абразіўнага зносу.

Карбіды MC, багатыя ванадыям

• Нанапамерныя часціцы МС (багаты ванадыем і вугляродам) раўнамерна размеркаваць па сталі.
• Нават а 5–10% аб'ёмная доля карбідаў MC рэзка павышае ўтрыманне краёў, перашкаджаючы ўзнікненню расколін.

3. Эквівалентныя брэнды і стандарты

Інструментальная сталь D2 адпавядае некалькім міжнародным спецыфікацыям. Ніжэй прыведзены асноўныя эквіваленты да абазначэння ASTM:

Стандарт/Брэнд	Абазначэнне	Раўназначны	Рэгіён
AISI/SAE	D2 (ЗША T30402)	-	ЗША
Ад	1.2379	Д-2	Германія/Еўропа
Ён	SKD11	Д-2	Японія/Азія
BS	BS 1407M40	Д-2	Вялікабрытанія
АФНОР	X210Cr12	Д-2	Францыя
Астм	A681	Д-2	Інтэрнацыянальная

4. Механічныя ўласцівасці

Інструментальная сталь D2 ураўнаважвае надзвычайную цвёрдасць з дастатковай трываласцю, што дазваляе яму супрацьстаяць моцнаму зносу, адначасова супрацьстаячы далікатнаму разбурэнню.

У табліцы ніжэй прыведзены асноўныя механічныя паказчыкі ў загартаваным і адпушчаным стане (звычайна 60 HRC), з наступным кароткім абмеркаваннем іх наступстваў.

Маёмасць	Тыповае значэнне	Агрэгаты	Ноты
Трываласць на расцяжэнне (σₜ)	2 000 - 2 200	МПА	Высокая канчатковая трываласць вытрымлівае вялікія нагрузкі пры аперацыях халоднай апрацоўкі.
Сіла выхаду (σᵧ 0.2%)	1 850 - 2 000	МПА	Мінімальная пластычная дэфармацыя пры вялікіх сілах сціску захоўвае дакладнасць памераў.
Цвёрдасць па Роквеллу	58 - 62	HRC	Выключная цвёрдасць паверхні забяспечвае цудоўную ўстойлівасць да ізаляцыі.
Брынэл цвёрдасць (HBW)	700 - 750	HBW	Адпавядае HRC для перакрыжаваных спасылак у міжнародных стандартах.
Шарпі V-Notch Impact	10 - 15	Джоўль	Адэкватнае паглынанне энергіі прадухіляе катастрафічнае парэпанне пры стрыжцы і абрэзцы.
Падаўжэнне на перапынку	2 - 3	%	Абмежаваная пластычнасць; канструкцыя павінна ўлічваць нізкую здольнасць да дэфармацыі ў загартаваных участках.
Модуль трываласці	20 - 25	МДж/м³	Плошча пад крывой напружанне-дэфармацыя колькасна вызначае агульнае паглынанне энергіі да разбурэння.

5. Фізічныя ўласцівасці

Акрамя яго механічных характарыстык, Інструментальная сталь D2 дэманструе набор фізічных характарыстык, якія ўплываюць на цеплавы паток, Памерная стабільнасць, і электрамагнітныя паводзіны ў эксплуатацыі.

Ніжэй прыводзіцца кароткі выклад яго асноўных фізічных уласцівасцяў у загартаванай (60 HRC) стан:

Маёмасць	Тыповае значэнне	Агрэгаты	Ноты & Implications
Шчыльнасць	7.75 G/CM³		Цяжэй вады, якія ўплываюць на масу штампа і апрацоўку.
Модуль Янга (Эластычны модуль)	205 Балон		Высокая калянасць забяспечвае мінімальнае пругкае прагінанне пад нагрузкай.
Каэфіцыент Пуассона	0.28		Паказвае на ўмеранае бакавое скарачэнне пры расцяжэнні.
Цеплаправоднасць	20 W/m · k		Адносна нізкая цеплаправоднасць спрыяе захаванню цяпла ў тарцах інструментаў.
Канкрэтная цеплаправодная магутнасць	460 J/kg · k		Энергія, неабходная для павышэння тэмпературы, актуальныя для дызайну гартавання і загартоўкі.
Каэфіцыент цеплавога пашырэння	11.5 мкм/м·K		Эфекты цеплавога пашырэння ўмераныя, палягчэнне шчыльных памерці зазораў на працягу тэмпературных цыклаў.
Электрычны супраціў	0.70 мкОм·м		Больш высокае ўдзельнае супраціўленне, чым у низколегированных сталей, якія ўплываюць на параметры EDM і паводзіны электрычнага нагрэву.
Магнітная пранікальнасць (Адноснае μᵣ)	1.002		Амаль ідэнтычны вольнай прасторы; пацвярджае немагнітнасць D-2 (дыямагнітны) характар ​​у большасці прыкладанняў.
Цвёрдасць па Роквеллу (Тыповы, загартаваны/гартаваны)	60 HRC		Хаця механічная ўласцівасць, цвёрдасць ўплывае на кантакт паверхні, трэнне, і выпрацоўка цяпла пры выкарыстанні.

6. Тэрмічная апрацоўка & Апрацоўка

Аптымізацыя прадукцыйнасці інструментальнай сталі D2 залежыць ад дакладнай тэрмаапрацоўкі і дбайнай апрацоўкі.

Кантралюючы адпал, аустенитизирующий, тушэнне, загармаванне, і дадатковыя крыягенныя этапы,

вытворцы адаптуюць цвёрдасць сталі, вынослівасць, і стабільнасць памераў для патрабавальных задач халоднай апрацоўкі.

Адпал і зняцце напружання

Намер: Размякчыць D2 для апрацоўкі, зняць рэшткавыя напружання, і сфероидизировать карбіды.

• Працэдура: Павольна нагрэйце да 800–820 °C, трымаць для 2– 4 гадзіны, затым астудзіць у печы пры 20 °C/гадзіну да 650 ° С, з наступным паветраным астуджэннем.
• Вынік: Дасягае ~240 HBW, з раўнамерна сфероидизированными цвёрдымі сплавамі, якія мінімізуюць знос інструмента на рэжучых кантах і прадухіляюць сколы.

Перад любым цыклам зацвярдзення, выкарыстоўваць a зняцце папярэдняга напружання каля 650 ° С на працягу 1 гадзіну, каб зняць напружання, выкліканыя апрацоўкай.

Уцвярджанне (Аустенитизация і загартоўка)

Мэта: Ператварыць у мартэнсіт і растварыць дастатковую колькасць карбідаў для максімальнай зносаўстойлівасці.

Аустенитизирующий:

• Тэмпература: 1 020–1 040 ° С
• Час замочвання: 15– 30 хвілін (у залежнасці ад таўшчыні секцыі)
• Атмасфера: Печ з кантраляванай атмасферай або саляная ванна для прадухілення абязуглерожвання і акіслення.

Тушэнне:

• Сродкі інфармацыі: Цёплае алей (50–70 °C) або паветра для мінімальных скажэнняў; солевыя ванны патушыць (400–500 °C) для больш хуткага астуджэння і зніжэння стрэсу.
• Кантроль скажэнняў: Выкарыстоўвайце прыстасаванні або метады перапыненага гашэння, Асабліва для складаных геаметрый.

Вынік: Ураджайнасць ~62 HRC максімальная і мартенситная матрыца з тонкай, дысперсныя карбіды.

Цыклы гартавання

Мэта: Збалансуйце цвёрдасць і трываласць, паменшыць ломкасць, і зняць напружанне гасіння.

• Нізкотэмпературная загартоўка (150–200 ° С):

• • Вынік: Цвёрдасць застаецца 60–62 HRC, са сціплай цвёрдасцю. Ідэальна падыходзіць для прыкладанняў, якія патрабуюць надзвычайнай зносаўстойлівасці і ўтрымання краю.

• Сярэднетэмпературная загартоўка (500–550 °C):

• • Вынік: Цвёрдасць падае да 55–58 HRC у той час як трываласць павялічваецца на 20–30%. Лепш за ўсё падыходзіць для інструментаў, якія падвяргаюцца ўдарам або ўмераным ударам.

• Працэдура: Выконваць два запар цыклы гартавання, правядзенне 2 гадзіны кожны, з наступным паветраным астуджэннем.

Крыягеннае лячэнне

Намер: Пераўтварыце захаваны аўстэніт у мартэнсіт і ўдакладніце размеркаванне карбіду.

• Працэс: Пасля тушэння, астудзіць да –80 °C (сухі лёд / этанол) на працягу 2 гадзіны, затым вярнуцца да пакаёвай тэмпературы.
• Выгада: Павялічвае цвёрдасць на 2–3 HRC і нязначна павышае зносаўстойлівасць без прыкметнай страты трываласці.

Канчатковае зняцце напружання і выпростванне

Наступнае гартаванне (і крыягеннай апрацоўкі, калі выкарыстоўваецца), праводзіць а канчатковае зняцце стрэсу каля 150–200 ° С на працягу 1 гадзіну. Гэты крок стабілізуе памеры і мінімізуе рызыку дэфармацыі падчас эксплуатацыі.

7. Апрацоўка & Выдумка

Высокае ўтрыманне карбіду ў інструментальнай сталі D2 і папярэдне загартаваная мікраструктура ствараюць унікальныя праблемы падчас апрацоўкі і вырабу.

Выбраўшы адпаведны інструмент, аптымізацыя параметраў рэзкі, і пасля спецыялізаванай зваркі і аздаблення практыкі,

вытворцы могуць вырабляць дакладныя, высакаякасныя дэталі з захаваннем зносаўстойлівасці D2.

Апрацоўка загартаванай D2

Хоць адпаленая D2 (~240 HBW) машыны лёгка, многія прыкладанні пачынаюцца з папярэдне загартаваны запас (50 ± 2 HRC). У такім стане:

• Інструмента:

• • Цвёрдасплаўныя ўстаўкі з TiC або TiCN пакрыццямі супрацьстаяць ізаляцыі ад цвёрдых карбідаў хрому і ванадыя.
  • Полікрышталічны кубічны нітрыд бору (ПКБН) выдатна падыходзіць для буйной чарнавой апрацоўкі загартаваных паверхняў.

• Параметры рэзкі:

• • Хуткасць: 60–90 м/мін для карбіду; 100–150 м/мін для PCBN.
  • Карміць: 0.05–0,15 мм/аб, каб збалансаваць тэрмін службы інструмента і аздабленне паверхні.
  • Глыбіня рэзу: 0.5–2 мм; неглыбокія праходы памяншаюць сілы рэзання і вылучэнне цяпла.

• Цеплыня: Заліўная астуджальная вадкасць або падача праз інструмент зводзяць да мінімуму назапашаныя краю і ўтрымліваюць зоны рэзкі ніжэй 200 ° С, прадухіленне вырывання карбіду.

Пераходна, прыняцце гэтых рэкамендацый павышае цэласнасць паверхні і дакладнасць памераў, крытычны для інструментаў з жорсткім допускам.

Зварка і рамонт

Зварка D2 патрабуе ўважлівага кантролю, каб пазбегнуць расколін і захаваць мартенситную матрыцу:

1. Папярэдне разагрэць: Прынясіце запчасткі 200–300 °C паменшыць цеплавыя градыенты.
2. Міжпраходная тэмпература: Падтрымліваць 200–250 °C паміж праходамі для зніжэння рэшткавых напружанняў.
3. Прысадныя металы: Выкарыстоўвайце нізкалегаваныя, стрыжань высокай цвёрдасці (e.g., AWS A5.28 ER410NiMo) сумяшчальны з хіміяй D2.
4. Пасля салітаванай цеплавой апрацоўкі: Зняць стрэс пры 500 ° С на працягу 2 гадзіны, затым гартуюць па разд 5 для аднаўлення трываласці і цвёрдасці.

Гэтыя крокі зводзяць да мінімуму расколіны, выкліканыя вадародам, і гарантуюць, што зоны зваркі адпавядаюць характарыстыкам асноўнага металу.

Шліфавальная і электраэрозная апрацоўка (EDM)

Для складанай геаметрыі і тонкай аздаблення, нетрадыцыйныя метады пераўзыходзяць:

• Драба:

• • Выбар колаў: Выкарыстоўвайце дыскі з аксіду алюмінія або кубічнага нітрыду бору (46A60H–54A80H) з мяккімі сувязямі для прадухілення шклення.
  • Параметры: Лёгкая падача (0.01–0,05 мм) і высокая хуткасць колаў (30 м/с) выхад Ra ≤ 0.4 µm.

• EDM:

• • Апусканне штампа або драцяная электраэрозія стварае складаныя паражніны, не выклікаючы механічных нагрузак.
  • Дыэлектрычная вадкасць: Вуглевадароднае алей з кантраляванай прамываннем прадухіляе паўторнае адклад карбідаў.
  • Стаўкі апрацоўкі: Звычайна 0,1–0,5 мм³/мін, у залежнасці ад геаметрыі электрода і параметраў магутнасці.

Уключэнне электраэрозіі і дакладнага шліфавання дазваляе кампанентам D2 дасягаць амаль чыстай формы і люстраной аздаблення, захоўваючы пры гэтым поўную цвёрдасць інструментальнай сталі.

Аздабленне паверхняў і нанясенне пакрыццяў

Каб яшчэ больш падоўжыць тэрмін службы інструмента, разгледзім гэтыя варыянты аздаблення:

• Шмарка: Канчатковая паліроўка да Ra ≤ 0.2 мкм памяншае трэнне і адгезію смецця.
• PVD-пакрыцці: Тытан нітрыд (Бляшанка) або нітрыд алюмінія і тытана (золата) слаёў дадаць жорсткі, паверхню з нізкім каэфіцыентам трэння, павелічэнне тэрміну зносу да 50%.
• Азот: Нізкатэмпературнае азатаванне газаў (500 ° С) дыфузіюе азот, утвараючы зацвярдзелы корпус, павышэнне цвёрдасці паверхні да HRC 70+ без скажэння асноўных памераў.

8. Асноўныя сферы прымянення інструментальнай сталі D2 для халоднай апрацоўкі

Баланс зносаўстойлівасці і трываласці D2 адпавядае:

• Халодная праца памірае: Бланкіроўка, фарміраванне, і абрэзка аперацый, якія перавышаюць 1 мільёнаў цыклаў.
• Рэжучыя ляза: Высакахуткасныя нажы, якія захоўваюць вострыя краю пад абразіўнымі суспензіямі.
• Наборы штампаў і штампаў: Надзейная праца ў штампаваных кампанентах для аўтамабільнай прамысловасці і бытавой прамысловасці.
• Зношваюцца часткі: Ролікі, штыфты эжектора, і ўтулкі ў асяроддзях з высокім узроўнем ізаляцыі.
• Інструментальныя ўстаўкі з прысадкамі: Гібрыдныя ўстаўкі формы, якія спалучаюць D2 з канформнымі каналамі астуджэння.

9. Параўнанне прадукцыйнасці: D2 супраць. Іншыя інструментальныя сталі

Інструментальная сталь D2 для халоднай апрацоўкі шырока прызнана сваёй выключнай зносаўстойлівасцю і ўмеранай трываласцю.

Аднак, пры выбары інструментальнай сталі для вытворчасці, вельмі важна параўнаць D2 з іншымі папулярнымі інструментальнымі сталямі, каб ацаніць кампрамісы ў прадукцыйнасці, моцнасць, і кошт.

У гэтым раздзеле прыводзіцца падрабязнае параўнанне D2 з A-2, М-2, і S-7, падтрымліваецца дадзенымі і інфармацыяй пра рэальныя справы.

Табліца параўнання інструментальнай сталі

10. Conclusion

Інструментальная сталь D2 для халоднай апрацоўкі вылучаецца сваёй беспрэцэдэнтнай камбінацыяй зносаўстойлівасці, Памерная стабільнасць, і тэрмічнай стабільнасцю.

Яго ўніверсальнасць у шырокім спектры прымянення - ад традыцыйных штампаў для халоднай апрацоўкі да новых метадаў адытыўнай вытворчасці - робіць яго незаменным матэрыялам у сучаснай вытворчасці.

Разуменне нюансаў хімічнага складу D2, Механічныя ўласцівасці, і метады апрацоўкі пашырае магчымасці

інжынераў і дызайнераў, каб выкарыстоўваць увесь яго патэнцыял, забеспячэнне аптымальнай прадукцыйнасці і эфектыўнасці ў сваіх праектах.