Aço ferramenta D2: Ferramenta de trabalho frio aço

1. Introdução

D2 Tool Steel tem sido reconhecido por sua excepcional resistência ao desgaste e estabilidade dimensional, tornando-o um item básico em aplicações de trabalho frio.

Originários dos avanços do início do século XX na tecnologia de liga, D2 é um carbono alto, Aço de alto-cromo que define a referência para ferramentas que operam sob condições de desgaste severas.

Este artigo investiga as propriedades, processamento, e aplicações de aço da ferramenta D2, Respondendo a perguntas -chave sobre sua adequação para várias indústrias.

Explorando sua composição química, atributos físicos e mecânicos, Protocolos de tratamento térmico, e desafios de usinagem,

Nosso objetivo é fornecer uma compreensão abrangente de por que o D2 continua sendo uma escolha preferida para exigir requisitos de ferramentas.

2. Composição Química

D2 aço para ferramentas deve sua excepcional resistência ao desgaste e estabilidade dimensional a uma química de liga cuidadosamente projetada.

Combinando alto teor de carbono com adições estratégicas de cromo, molibdênio, e vanádio, Os metalurgistas criam uma matriz rica em carbonetos duros que resistem à abrasão e retêm bordas de corte sob carga pesada.

Principais elementos de liga e seus papéis

Elemento	Conteúdo típico (%)	Papel metalúrgico
Carbono (C)	1.40 – 1.60	Forma cementita e carbonetos de cromo complexos; diretamente correlaciona -se com a dureza e resistência ao desgaste
Cromo (Cr)	11.00 – 13.00	Promove a formação de carbonetos m₇c₃ e m₂₃c₆; adiciona resistência à corrosão; Aumenta a hardenabilidade
Molibdênio (Mo)	0.70 – 1.40	Refina os carbonetos anteriores; Aumenta a resistência e a força vermelha; retarda o crescimento de grãos durante a austenitização
Vanádio (V)	0.30 – 1.10	Cria carbonetos do tipo MC extremamente difíceis que melhoram a retenção de arestas e resistem ao micro-racking
Manganês (Mn)	≤ 1.00	Atua como um desoxidador; auxilia em hardenabilidade, mas pode reduzir a tenacidade se for adidado
Silício (E)	≤ 1.00	Deoxidizer; contribui modestamente para a força e contribui para a morfologia do carboneto

Fases características de carboneto

A resistência ao desgaste de D2 deriva de um sistema de carbido duplo:

Carbidas ricos em cromo (M₇c₃, M₂₃c₆)

• Esses carbonetos de cromo aparecem como precipitados de blocos ou angulares dentro da matriz de martensita temperada.
• Eles são responsáveis ​​por aproximadamente 30–40% da microestrutura por volume, fornecendo resistência em massa ao desgaste abrasivo.

Carbides MC ricos em vanádio

• Partículas de nanoescala MC (Rico em vanádio e carbono) distribua uniformemente por todo o aço.
• Até a 5–10% A fração de volume de MC Carbides aumenta drasticamente a retenção de borda, impedindo a iniciação de crack.

3. Marcas e padrões equivalentes

D2 Tool Aço alinha com várias especificações internacionais. Abaixo estão os principais equivalentes até a designação ASTM:

Padrão/marca	Designação	Equivalente	Região
AISI/SAE	D2 (US T30402)	-	EUA
DE	1.2379	D-2	Alemanha/Europa
ELE	Skd11	D-2	Japão/Ásia
Bs	BS 1407M40	D-2	Reino Unido
AFNOR	X210CR12	D-2	França
ASTM	A681	D-2	Internacional

4. Propriedades Mecânicas

D2 Tool Aço equilibra extrema dureza com resistência suficiente, permitindo suportar o desgaste alto enquanto resiste à falha quebradiça.

A tabela abaixo resume suas principais métricas mecânicas na condição extinta e temperada (tipicamente 60 CDH), seguido de uma breve discussão sobre suas implicações.

Propriedade	Valor típico	Unidades	Notas
Resistência à tracção (σₜ)	2 000 – 2 200	MPa	A alta resistência final suporta cargas pesadas em operações de trabalho a frio.
Força de rendimento (você 0.2%)	1 850 – 2 000	MPa	Deformação plástica mínima sob altas forças compressivas preserva a precisão dimensional.
Rockwell C dureza	58 – 62	CDH	A dureza da superfície excepcional garante resistência superior à abrasão.
Dureza Brinell (Hbw)	700 – 750	Hbw	Corresponde à HRC para referência cruzada em padrões internacionais.
Impacto Charpy V-Notch	10 – 15	Joules	A absorção de energia adequada evita rachaduras catastróficas em aplicações de cisalhamento e corte.
Alongamento na ruptura	2 – 3	%	Ductilidade limitada; O design deve explicar a baixa capacidade de deformação em seções endurecidas.
Módulo de resistência	20 – 25	Mj/m³	Área sob curva de tensão-deformação quantifica a absorção geral de energia antes da fratura.

5. Propriedades Físicas

Além de seu desempenho mecânico, D2 Tool Steel exibe um conjunto de características físicas que influenciam o fluxo de calor, estabilidade dimensional, e comportamento eletromagnético em serviço.

Abaixo está um resumo de suas principais propriedades físicas no endurecido (60 CDH) doença:

Propriedade	Valor típico	Unidades	Notas & Implicações
Densidade	7.75 g/cm³		Mais pesado que a água, afetando a massa e o manuseio.
Módulo de Young (Módulo Elástico)	205 GPa		Alta rigidez garante uma deflexão elástica mínima sob carga.
Proporção de Poisson	0.28		Indica contração lateral moderada quando esticado.
Condutividade Térmica	20 S/m·K		Auxília de condutividade térmica relativamente baixa.
Capacidade Específica de Calor	460 J/kg·K		Energia necessária para aumentar a temperatura, relevante para o design de temperamento e extinção.
Coeficiente de Expansão Térmica	11.5 µm/m · k		Os efeitos de expansão térmica são moderados, facilitando as folgas de matriz apertadas sobre os ciclos de temperatura.
Resistividade Elétrica	0.70 µω · m		Maior resistividade do que aços de baixa liga, impactando parâmetros EDM e comportamento de aquecimento elétrico.
Permeabilidade Magnética (Μᵣ relativo)	1.002		Quase idêntico ao espaço livre; confirma o não magnético do D-2 (diamagnético) personagem na maioria dos aplicativos.
Rockwell C dureza (Típico, extinto/temperado)	60 CDH		Embora uma propriedade mecânica, A dureza influencia o contato da superfície, atrito, e geração de calor em uso.

6. Tratamento térmico & Processamento

Otimizando o desempenho da ferramenta D2 depende do tratamento térmico preciso e do processamento cuidadoso.

Controlando o recozimento, austenitizando, têmpera, têmpera, e etapas criogênicas opcionais,

Fabricantes adaptam a dureza do aço, resistência, e estabilidade dimensional para exigir tarefas de trabalho frio.

Recozimento e alívio do estresse

Propósito: Amolecimento D2 para usinagem, aliviar tensões residuais, e esferoidize carbonetos.

• Procedimento: Aqueça lentamente para 800–820 ° C., segure para 2–4 horas, Então esfrie na fornalha em 20 ° C/hora para 650 °C, seguido de resfriamento a ar.
• Resultado: Alcança ~ 240 HBW, com carbonetos esferoidizados uniformemente que minimizam o desgaste da ferramenta nas bordas de corte e evitam lascas.

Antes de qualquer ciclo de endurecimento, use a alívio de pré-estresse no 650 °C para 1 hora para remover tensões induzidas por usinagem.

Endurecimento (Austenitizando e extinto)

Objetivo: Transforme -se em martensita e dissolva carbonetos suficientes para obter a máxima resistência ao desgaste.

Austenitizando:

• Temperatura: 1 020–1 040 °C
• Mergulhe o tempo: 15–30 minutos (Dependendo da espessura da seção)
• Atmosfera: Forno de atmosfera controlada ou banho de sal para evitar descarburização e oxidação.

Têmpera:

• Mídia: Óleo quente (50–70 ° C.) ou ar para distorção mínima; Bath Salt Quench (400–500 ° C.) Para resfriamento mais rápido e estresse reduzido.
• Controle de distorção: Use acessórios ou técnicas de extinção interrompida, especialmente para geometrias complexas.

Resultado: Rendimentos ~ 62 HRC Máxia máxima e uma matriz martensítica com multa, carbonetos dispersos.

Ciclos de temperamento

Meta: Equilibrar dureza e resistência, Reduza a fragilidade, e aliviar as tensões de extinção.

• Temperatura de baixa temperatura (150–200 ° C.):

• • Resultado: Dureza permanece 60–62 HRC, com resistência modesta. Ideal para aplicações que exigem extrema resistência ao desgaste e retenção de arestas.

• Temperatura média-temperatura (500–550 ° C.):

• • Resultado: A dureza cai para 55–58 HRC Enquanto a resistência aumenta em 20–30%. Melhor para ferramentas expostas ao impacto ou choques moderados.

• Procedimento: Executar dois consecutivos ciclos de temperamento, contenção 2 horas cada, seguido de resfriamento a ar.

Tratamento criogênico

Propósito: Converter austenita retida em martensita e refinar a distribuição de carboneto.

• Processo: Depois de temperar, Legal para –80 ° C. (gelo seco/etanol) para 2 horas, Em seguida, retorne à temperatura ambiente.
• Beneficiar: Aumenta a dureza por 2–3 HRC e melhora marginalmente a resistência ao desgaste sem perda notável de resistência.

Alívio final do estresse e endireitamento

Seguindo a temperamento (e tratamento criogênico, se usado), conduzir a alívio final do estresse no 150–200 ° C. para 1 hora. Esta etapa estabiliza as dimensões e minimiza o risco de deformação durante o serviço.

7. Usinabilidade & Fabricação

O alto teor de carboneto e a microestrutura pré-endurecida do aço de aço apresentam desafios únicos durante a usinagem e fabricação.

Selecionando ferramentas apropriadas, otimizando parâmetros de corte, e após práticas especializadas de soldagem e acabamento,

Os fabricantes podem produzir precisos, peças de alta qualidade, preservando as propriedades resistentes a desgaste da D2.

Usinagem d2 endurecido

Embora recozido D2 (∼240 HBW) máquinas prontamente, Muitas aplicações começam com estoque pré-endurecido (50 ± 2 CDH). Nesta condição:

• Ferramentas:

• • Inserções de carboneto Com os revestimentos tique ou ticn resistem à abrasão de cromo duro e carbonetos de vanádio.
  • Nitreto de boro cúbico policristalino (PCBN) se destaca para desbaste de alto volume de superfícies endurecidas.

• Parâmetros de corte:

• • Velocidade: 60–90 m/min para carboneto; 100–150 m/min para PCBN.
  • Alimentar: 0.05–0.15 mm/rEagem para equilibrar a vida útil da ferramenta e o acabamento da superfície.
  • Profundidade de corte: 0.5–2 mm; Passes rasos reduzem forças de corte e geração de calor.

• Refrigerante: O líquido de arrefecimento da inundação ou entrega de ferramentas minimiza a borda construída e continua a cortar zonas abaixo 200 °C, Prevenindo a retirada do carboneto.

Transição, A adoção dessas recomendações aumenta a integridade da superfície e a precisão dimensional, crítico para ferramentas de tolerância rígida.

Soldagem e reparo

A soldagem D2 exige controle cuidadoso para evitar quebrar e preservar a matriz martensítica:

1. Pré-aquecimento: Traga peças para 200–300 ° C. Para reduzir gradientes térmicos.
2. Temperatura entre passagens: Manter 200–250 ° C. entre passes para aliviar as tensões residuais.
3. Metais de enchimento: Use baixa liga, haste de alta resistência (por exemplo, AWS A5.28 ER410NIMO) Compatível com a química do D2.
4. Tratamento térmico pós-soldagem: Dependência do estresse em 500 °C para 2 horas, Em seguida, temperamento de acordo com a seção 5 para restaurar a resistência e dureza.

Essas etapas minimizam as rachaduras induzidas por hidrogênio e garantem que as zonas de solda correspondam ao desempenho da metal base.

Retificação e usinagem de descarga elétrica (Música eletrônica)

Para geometrias complexas e acabamentos finos, Métodos não convencionais Excel:

• Moagem:

• • Seleção de rodas: Use rodas de nitreto de alumínio ou óxido de alumínio ou boro cúbico (46A60H-54A80H) com ligações macias para evitar vidros.
  • Parâmetros: Alvo leve (0.01–0,05 mm) e alta velocidade da roda (30 EM) rendimento ra ≤ 0.4 µm.

• Música eletrônica:

• • Morrer na naufrágio ou arame edm cria cavidades complexas sem induzir tensões mecânicas.
  • Fluido dielétrico: O óleo de hidrocarboneto com descarga controlado impede a reposição de carbonetos.
  • Taxas de usinagem: Normalmente 0,1-0,5 mm³/min, Dependendo da geometria do eletrodo e das configurações de energia.

A incorporação de EDM e a moagem de precisão permite que os componentes D2 atinjam formas próximas da rede e acabamentos espelhados, mantendo a dureza total da ferramenta aço.

Acabamento de superfície e revestimento

Para prolongar ainda mais a vida útil da ferramenta, Considere essas opções de acabamento:

• Polimento: Polonete final para RA ≤ 0.2 µm reduz a adesão de atrito e detritos.
• Revestimentos em PVD: Nitreto de titânio (Estanho) ou nitreto de titânio de alumínio (Ouro) Camadas adicionam um difícil, superfície de baixo atrito, aumentando o desgaste da vida até 50%.
• Nitretação: Nitridagem a gás de baixa temperatura (500 °C) difunde nitrogênio para formar um caso endurecido, Aprimorando a dureza da superfície para a HRC 70+ sem distorcer as dimensões do núcleo.

8. Aplicações principais da ferramenta de trabalho a frio D2 Aço de aço

Balance de D2 de resistência ao desgaste e ternos de resistência:

• Morre de trabalho frio: Blanking, formando, e as operações de corte excedendo 1 milhões de ciclos.
• Cortando lâminas: Facas de cisalhamento de alta velocidade, mantendo bordas nítidas sob lascas abrasivas.
• Punch and Die Sets: Desempenho confiável em componentes estampados para indústrias de automóveis e eletrodomésticos.
• Use peças: Rolos, pinos ejetores, e buchas em ambientes de alta abrasão.
• Inserções de ferramentas assistidas por aditivos: Inserções de molde híbrido combinando D2 com canais de resfriamento conforme.

9. Comparação de desempenho: D2 vs.. Outros aços de ferramentas

A aço da ferramenta de trabalho a frio D2 é amplamente reconhecida por sua excepcional resistência ao desgaste e tenacidade moderada.

No entanto, Ao selecionar a ferramenta Aço para aplicações de fabricação, É fundamental comparar D2 com outros aços populares para avaliar as compensações no desempenho, durabilidade, e custo.

Esta seção fornece uma comparação detalhada de D2 com A-2, M-2, e S-7, Suportado por dados e insights de casos do mundo real.

Tabela de comparação de aço da ferramenta

10. Conclusão

Ferramenta de trabalho a frio D2 se destaca por sua combinação incomparável de resistência ao desgaste, estabilidade dimensional, e estabilidade térmica.

Sua versatilidade em uma ampla gama de aplicações - do trabalho a frio tradicional morre a técnicas emergentes de fabricação de aditivos - faz com que um material indispensável na fabricação moderna.

Compreendendo as nuances da composição química do D2, propriedades mecânicas, e técnicas de processamento Empowers

engenheiros e designers para alavancar todo o seu potencial, garantir o desempenho e a eficiência ideais em seus projetos.