1. Wstęp
Stal narzędzi D2 od dawna jest rozpoznawana ze względu na wyjątkową odporność na zużycie i stabilność wymiarową, czyniąc to podstawą w aplikacjach na zimno.
Pochodzący z postępów z początku XX wieku w technologii stopowej, D2 to wysoki węgiel, stal o wysokiej chromie, która ustawia punkt odniesienia dla narzędzi działających w ciężkich warunkach zużycia.
Ten artykuł zagłębia się w właściwości, przetwarzanie, oraz zastosowania stali narzędziowej D2, Odpowiadanie na kluczowe pytania dotyczące jego przydatności dla różnych branż.
Przez badanie jego składu chemicznego, Atrybuty fizyczne i mechaniczne, Protokoły obróbki cieplnej, i wyzwania związane z obróbką,
Naszym celem jest kompleksowe zrozumienie, dlaczego D2 pozostaje preferowanym wyborem wymagających wymagań dotyczących oprzyrządowania.
2. Skład chemiczny
D2 stal narzędziowa Wartuje swoją wyjątkową odporność na zużycie i stabilność wymiarową starannie zaprojektowanej chemii stopu.
Łącząc wysoką zawartość węgla ze strategicznymi dodatkami chromu, molibden, i wanad, Metalurgs tworzą matrycę bogatą w twarde węgliki, które są odporne na ścieranie i zachowują krawędzie cięcia pod dużym obciążeniem.
Kluczowe elementy stopowe i ich role
| Element | Typowa treść (%) | Rola metalurgiczna |
|---|---|---|
| Węgiel (C) | 1.40 – 1.60 | Tworzy cementit i złożone węgliki chromowe; bezpośrednio koreluje z twardością i odpornością na zużycie |
| Chrom (Kr) | 11.00 – 13.00 | Promuje tworzenie się twardego węglików M₇C₃ i M₂₃C₆; Dodaje odporność na korozję; Zwiększa twardość |
| Molibden (Pon) | 0.70 – 1.40 | Prowadzi wcześniejsze węgliki; zwiększa wytrzymałość i czerwoność; Opóźnia wzrost ziarna podczas austenityzowania |
| Wanad (V) | 0.30 – 1.10 | Tworzy niezwykle trudne węgliki typu MC, które poprawiają retencję krawędzi i odporną na mikro-szarpanie |
| Mangan (Mn) | ≤ 1.00 | Działa jako deoksyzator; Pomaga w utwardzalność, ale może zmniejszyć wytrzymałość, jeśli zostanie przesadzona |
| Krzem (I) | ≤ 1.00 | Deoksyzator; przyczynia się skromnie do siły i przyczynia się do morfologii węglików |
Charakterystyczne fazy węglików
Odporność na zużycie D2 wynika z System podwójnego węglowodanów:
Węgła bogate w chrom (M₇c₃, M₂₃c₆)
- Te węgliki chromowe pojawiają się jako blokowe lub kątowe osady w hartowanej matrycy martenzytu.
- Uwzględniają z grubsza 30–40% mikrostruktury według objętości, Zapewnienie oporności masowej na zużycie ścierne.
Węgbaki MC bogate w wanad
- Nanoskalowe cząstki MC (bogaty w wanad i węgiel) Rozmawiać jednolicie w stali.
- Nawet a 5–10% Frakcja objętościowa węglików MC znacznie zwiększa retencję krawędzi poprzez utrudnianie inicjacji pęknięć.
3. Równoważne marki i standardy
D2 Stal narzędzia wyrównuje się do kilku specyfikacji międzynarodowych. Poniżej znajdują się główne odpowiedniki do oznaczenia ASTM:
| Standard/marka | Oznaczenie | Równowartość | Region |
|---|---|---|---|
| AISI/SAE | D2 (US T30402) | - - | USA |
| Z | 1.2379 | D-2 | Niemcy/Europa |
| ON | SKD11 | D-2 | Japonia/Azja |
| BS | BS 1407M40 | D-2 | Wielka Brytania |
| AFNOR | X210CR12 | D-2 | Francja |
| ASTM | A681 | D-2 | Międzynarodowy |
4. Właściwości mechaniczne
D2 Stalowe narzędzie równoważy ekstremalną twardość z wystarczającą wytrzymałością, umożliwiając wytrzymanie wysokiego zużycia, jednocześnie opierając się kruchości.
Poniższa tabela podsumowuje swoje kluczowe wskaźniki mechaniczne w stanie wygaszonym i temperaturze (zazwyczaj 60 HRC), a następnie krótka dyskusja na temat ich implikacji.
| Nieruchomość | Typowa wartość | Jednostki | Notatki |
|---|---|---|---|
| Wytrzymałość na rozciąganie (σₜ) | 2 000 – 2 200 | MPa | Wysoka siła ostateczna obsługuje duże obciążenia w operacjach pracujących na zimno. |
| Siła plonu (Ty 0.2%) | 1 850 – 2 000 | MPa | Minimalne odkształcenie tworzyw sztucznych pod wysokimi siłami ściskającymi zachowuje dokładność wymiarową. |
| Rockwell C Stwardność | 58 – 62 | HRC | Wyjątkowa twardość powierzchni zapewnia doskonałą odporność na ścieranie. |
| Twardość Brinella (HBW) | 700 – 750 | HBW | Odpowiada HRC w zakresie odniesienia między międzynarodowymi standardami. |
| Charpy V-notch Impact | 10 – 15 | Dżule | Odpowiednia wchłanianie energii zapobiega katastrofalnym pękaniu w stosunku do ścinania i przycinania. |
| Wydłużenie przy zerwaniu | 2 – 3 | % | Ograniczona plastyczność; Projekt musi uwzględniać niską pojemność deformacji w zahartowanych sekcjach. |
| Moduł wytrzymałości | 20 – 25 | MJ/M³ | Obszar pod krzywą naprężenia kwantyfikuje ogólną wchłanianie energii przed złamaniem. |
5. Właściwości fizyczne
Poza jego mechaniczną wydajnością, Stal narzędzi D2 wykazuje zestaw cech fizycznych, które wpływają na przepływ ciepła, stabilność wymiarowa, i zachowanie elektromagnetyczne w serwisie.
Poniżej znajduje się podsumowanie jego kluczowych właściwości fizycznych u stwardniałych (60 HRC) stan:
| Nieruchomość | Typowa wartość | Jednostki | Notatki & Implikacje |
|---|---|---|---|
| Gęstość | 7.75 g/cm3 | Cięższy niż woda, wpływając na masę i obsługę. | |
| Moduł Younga (Moduł sprężystości) | 205 GPa | Wysoka sztywność zapewnia minimalne odchylenie sprężyste pod obciążeniem. | |
| Współczynnik Poissona | 0.28 | Wskazuje umiarkowane skurcz boczny po rozciągnięciu. | |
| Przewodność cieplna | 20 W/m·K | Stosunkowo niska przewodność cieplna pomaga w zatrzymywaniu ciepła na twarzach narzędzi. | |
| Specyficzna pojemność cieplna | 460 J/kg·K | Energia wymagana do zwiększenia temperatury, istotne dla temperowania i projektowania hartowania. | |
| Współczynnik rozszerzalności cieplnej | 11.5 µm/m · k | Efekty rozszerzalności termicznej są umiarkowane, ułatwianie ciasnych prześwitów w stosunku do cykli temperatury. | |
| Oporność elektryczna | 0.70 µΩ · m | Wyższa rezystywność niż stale o niskiej płaszczyźnie, wpływające na parametry EDM i zachowanie ogrzewania elektryczne. | |
| Przepuszczalność magnetyczna (Względne μᵣ) | 1.002 | Prawie identyczne z wolną przestrzenią; Potwierdza nie-marki D-2 (diamagnetyczny) znak w większości aplikacji. | |
| Rockwell C Stwardność (Typowy, hartowany/hartowany) | 60 HRC | Chociaż właściwość mechaniczna, Twardość wpływa na kontakt powierzchniowy, tarcie, i wytwarzanie ciepła w użyciu. |
6. Obróbka cieplna & Przetwarzanie
Optymalizacja Wydajności stali narzędzia D2 na precyzyjnym obróbce cieplnej i starannym przetwarzaniu.
Poprzez kontrolowanie wyżarzania, austenitizing, hartowanie, ruszenie, i opcjonalne kriogeniczne kroki,
producenci dostosowują twardość stali, wytrzymałość, i stabilność wymiarowa do wymagających zadań na zimno.
Wyżarzanie i ulga w stresie
Zamiar: Zmiękczyć D2 do obróbki, łagodzić naprężenia resztkowe, i sferoidize węgliki.
- Procedura: Ogrzewać powoli do 800–820 ° C., trzymaj za 2–4 godziny, Następnie ostygnie w piecu przy 20 ° C/godzinę Do 650 °C, następnie chłodzenie powietrzem.
- Wynik: Osiąga ~ 240 HBW, z jednolicie sferoidizowanymi węgliami, które minimalizują zużycie narzędzia na krawędzie cięcia i zapobiegają odpryskiwaniu.
Przed jakimkolwiek cyklem utwardzania, Użyj a Ulga przed stresem Na 650 °C Do 1 godzinę, aby usunąć naprężenia wywołane obróbką.
Hartowanie (Austenityzacja i gaszenie)
Cel: Przekształcić się w martenzyt i rozpuść wystarczającą ilość węglików, aby uzyskać maksymalny odporność na zużycie.
Austenitizing:
- Temperatura: 1 020–1 040 °C
- Zanurz czas: 15–30 minut (w zależności od grubości sekcji)
- Atmosfera: Piec kontrolowany-atmosfera lub kąpiel solna, aby zapobiec dekarburowaniu i utlenianiu.
Hartowanie:
- Głoska bezdźwięczna: Ciepły olej (50–70 ° C.) lub powietrze dla minimalnych zniekształceń; Garat w kąpieli solnej (400–500 ° C.) do szybszego chłodzenia i zmniejszonego stresu.
- Kontrola zniekształceń: Użyj urządzeń lub przerwanych technik hartowania, szczególnie w przypadku złożonych geometrii.
Wynik: Projektowanie ~ 62 HRC maksimum i matryca martenzytyczna z grzywną, rozproszone węgliki.
Cykle temperamentowe
Bramka: Zrównoważyć twardość i wytrzymałość, Zmniejsz kruchość, i łagodzą stresy do hartowania.
- Niska temperatura (150–200 ° C.):
- Wynik: Pozostaje twardość 60–62 HRC, z niewielką wytrzymałością. Idealny do zastosowań wymagających ekstremalnego odporności na zużycie i zatrzymywania krawędzi.
- Temperatura średniej temperatury (500–550 ° C.):
- Wynik: Twardość spada do 55–58 HRC podczas gdy wytrzymałość wzrasta 20–30%. Najlepsze dla narzędzi narażonych na uderzenia lub umiarkowane wstrząsy.
- Procedura: Dokonywać dwa kolejne Cykle temperamentowe, holding 2 godziny każdy, następnie chłodzenie powietrzem.
Leczenie kriogeniczne
Zamiar: Przelicz zatrzymany austenit na martenzyt i udoskonal dystrybucję węglików.
- Proces: Po wygaszaniu, fajnie –80 ° C. (Suchy lód/etanol) Do 2 godziny, Następnie wróć do temperatury pokojowej.
- Korzyść: Zwiększa twardość 2–3 HRC i nieznacznie poprawia odporność na zużycie bez znaczącej utraty wytrzymałości.
Ostateczna ulga i prostowanie stresu
Po temperowaniu (i leczenie kriogeniczne, Jeśli używane), postęp Ostateczna ulga w stresie Na 150–200 ° C. Do 1 godzina. Ten krok stabilizuje wymiary i minimalizuje ryzyko wypaczenia podczas służby.
7. Skrawalność & Produkcja
Wysoka zawartość węglika D2 narzędzia i wstępnie zahartowana mikrostruktura stanowią unikalne wyzwania podczas obróbki i wytwarzania.
Wybierając odpowiednie oprzyrządowanie, Optymalizacja parametrów cięcia, i po wyspecjalizowanych praktykach spawania i wykończenia,
Producenci mogą wytwarzać dokładne, Części wysokiej jakości przy zachowaniu nieruchomości odpornych na zużycie D2.
Obróbka stwardniała D2
Chociaż wyżarzał D2 (∼240 HBW) maszyny łatwo, Zaczyna się od wielu aplikacji wstępnie zahartowane zapasy (50 ± 2 HRC). W tym stanie:
- Obróbka:
- Wkładki węglików z powłokami TIC lub TICN odpornymi na ścieranie z twardego chromu i węglików wanadowych.
- Polikrystaliczny azotek boru sześciennego (PCBN) Excels for High-Inmument Srounding stwardniałych powierzchni.
- Parametry cięcia:
- Prędkość: 60–90 m/min na węglika; 100–150 m/min dla PCBN.
- Karmić: 0.05–0,15 mm/rev, aby zrównoważyć żywotność narzędzia i wykończenie powierzchni.
- Głębokość cięcia: 0.5–2 mm; płytkie podania zmniejszają siły tnące i wytwarzanie ciepła.
- Płyn chłodzący: Powódź płyn chłodzący lub dostawa narzędzi minimalizuje zbudowaną krawędź i utrzymuje strefy cięcia poniżej 200 °C, zapobieganie wyciągnięciu węglików.
Przejściowo, Przyjęcie tych zaleceń zwiększa integralność powierzchni i dokładność wymiarową, Krytyczne dla oprzyrządowania ścisłej tolerancji.
Spawanie i naprawa
Spawanie D2 wymaga starannej kontroli, aby uniknąć pękania i zachować matrycę martenzytyczną:
- Wstępne: Przynieś części do 200–300 ° C. Aby zmniejszyć gradienty termiczne.
- Temperatura międzyściegowa: Utrzymywać 200–250 ° C. między przepustkami w celu złagodzenia naprężeń szczątkowych.
- Metale wypełniające: Użyj niskiego poziomu, WIELKA WYSOKIEJ WYSOKIE (np., AWS A5.28 ER410NIMO) Kompatybilny z chemią D2.
- Obróbka cieplna po spawaniu: Uważenie stresu w 500 °C Do 2 godziny, Następnie temperament zgodnie z sekcją 5 Aby przywrócić wytrzymałość i twardość.
Te kroki minimalizują pękanie indukowane wodorem i zapewniają, że strefy spoin są zgodne z wydajnością metalu podstawowego.
Szlifowanie i obróbka elektryczna (EDM)
Dla skomplikowanych geometrii i drobnych wykończeń, Niekonwencjonalne metody Excel:
- Szlifowanie:
- Wybór kół: Użyj aluminium-tlenku lub sześciennych kół azotków boru (46A60H-54A80H) z miękkimi wiązaniami, aby zapobiec oszkleniu.
- Parametry: Światło infeed (0.01–0,05 mm) i duża prędkość koła (30 SM) Wydaj RA ≤ 0.4 µm.
- EDM:
- Umrzeć tonąc lub drut edm tworzy złożone wnęki bez wywoływania naprężeń mechanicznych.
- Płyn dielektryczny: Olej węglowodorowy z kontrolowanym spłukiwaniem zapobiega ponownemu złożeniu węglików.
- Stawki obróbki: Zazwyczaj 0,1–0,5 mm³/min, w zależności od geometrii elektrody i ustawień zasilania.
Włączenie EDM i precyzyjne szlifowanie pozwala komponentom D2 osiągnąć kształty i wykończenia lustrzane, zachowując jednocześnie pełną twardość stali narzędziowej.
Wykończenie powierzchni i powłoka
Aby dodatkowo przedłużyć żywotność narzędzi, Rozważ te opcje wykończenia:
- Polerowanie: Ostateczny polski do RA ≤ 0.2 µm zmniejsza tarcie i adhezję gruzu.
- Powłoki PVD: Azotek tytanu (Cyna) lub aluminiowy azotek tytanu (Złoto) Warstwy dodają mocno, powierzchnia o niskiej zawartości, Zwiększenie liczby odzieży przez 50%.
- Azotowanie: Niskotemperatura azotowanie gazu (500 °C) rozpowszechnia azot, tworząc zahartowany przypadek, Zwiększenie twardości powierzchni do HRC 70+ bez zniekształcania wymiarów rdzenia.
8. Kluczowe zastosowania stali roboczej D2 zimno
Bilans D2 odporności na zużycie i garnitury wytrzymałości:
- Zimna praca umiera: Blanking, tworzenie się, i operacje przycinania przekraczające 1 milion cykli.
- Cięcie ostrzy: Szybkie noże ścinające utrzymujące ostre krawędzie pod szorsami ściernymi.
- Punch and Die Sets: Wiarygodne wydajność w komponentach wytłoczonych dla przemysłu motoryzacyjnego i urządzeń.
- Nosić części: Rolki, Piny wyrzucające, i tuleje w środowiskach o wysokiej obrębie.
- Wkładki narzędzi wspomagane addytywem: Hybrydowe wkładki do formy łączące D2 z konformalnymi kanałami chłodzenia.
9. Porównanie wydajności: D2 vs. Inne stale narzędzi
D2 Zimno Stala robocza jest powszechnie rozpoznawana ze względu na wyjątkową odporność na zużycie i umiarkowaną wytrzymałość.
Jednakże, Przy wyborze stali narzędziowej do aplikacji produkcyjnych, Bardzo ważne jest porównanie D2 z innymi popularnymi stalami narzędziami, aby ocenić kompromisy w zakresie wydajności, trwałość, i koszt.
Ta sekcja zawiera szczegółowe porównanie D2 z A-2, M-2, i S-7, obsługiwane przez dane i rzeczywiste spostrzeżenia przypadków.
Tabela porównawcza stali narzędziowej
| Nieruchomość / Typ stalowy | D-2 | A-2 | M-2 | S-7 |
|---|---|---|---|---|
| Siła pierwotna | Odporność na zużycie | Wytrzymałość & stabilność wymiarowa | Czerwona twardość & Wydajność cięcia | Odporność na uderzenie |
| Twardość (HRC) | 55–62 | 57–62 | 62–66 | 54–58 |
| Odporność na zużycie | ★★★★ ☆ | ★★★ ☆☆ | ★★★★★★ | ★★ ☆☆☆ |
| Wytrzymałość | ★★ ☆☆☆ | ★★★★ ☆ | ★★ ☆☆☆ | ★★★★★★ |
| Skrawalność | ★★ ☆☆☆ | ★★★★ ☆ | ★ ☆☆☆☆ | ★★★ ☆☆ |
| Czerwona twardość | ★★ ☆☆☆ | ★★ ☆☆☆ | ★★★★★★ | ★★ ☆☆☆ |
| Stabilność obróbki cieplnej | ★★★ ☆☆ | ★★★★ ☆ | ★★ ☆☆☆ | ★★★ ☆☆ |
| Najlepsze aplikacje | Blanking, lamówka, ciosy | Tworzenie umierających, bloki narzędzi | Szybkie nożyce, ćwiczenia | Dłuta, Wstrzyknięcie umiera, Hammers |
| Poziom kosztów | Średni | Średni | Wysoki | Średni |
10. Wniosek
D2 Zimno Working Tool Stael wyróżnia się niezrównaną kombinacją odporności na zużycie, stabilność wymiarowa, i stabilność termiczna.
Jego wszechstronność w szerokiej gamie zastosowań - od tradycyjnej pracy na zimno umiera po pojawiające się techniki produkcji addytywnej - sprawia, że jest to niezbędny materiał we współczesnej produkcji.
Zrozumienie niuansów składu chemicznego D2, właściwości mechaniczne, i techniki przetwarzania umożliwiają
inżynierowie i projektanci, aby wykorzystać swój pełny potencjał, Zapewnienie optymalnej wydajności i wydajności w swoich projektach.
