1. 介绍
D2工具钢长期以来因其出色的耐磨性和尺寸稳定性而被认可, 使其成为冷工应用中的主食.
起源于20世纪初的合金技术进步, D2是高碳, 高分子钢设定了在严重磨损条件下运行的工具的基准测试.
本文深入研究属性, 加工, D2工具钢的应用, 回答有关其适合各个行业的关键问题.
通过探索其化学成分, 物理和机械属性, 热处理方案, 和加工挑战,
我们旨在全面了解为什么D2仍然是要求工具要求的首选选择.
2. 化学组成
D2 工具钢 归功于其特殊设计的合金化学的耐磨性和尺寸稳定性.
通过将高碳含量与铬的战略添加相结合, 钼, 和钒, 冶金学家创建了富含硬碳化物的矩阵.
关键合金元素及其角色
| 元素 | 典型内容 (%) | 冶金作用 |
|---|---|---|
| 碳 (c) | 1.40 - 1.60 | 形成泥石石和复杂的碳化物; 与硬度和耐磨性直接相关 |
| 铬 (Cr) | 11.00 - 13.00 | 促进硬M₇C₃和M₂₃C₆碳化物的形成; 增加耐腐蚀性; 增强性能 |
| 钼 (莫) | 0.70 - 1.40 | 优化先前的碳化物; 增强韧性和红色; 在奥氏体化期间延迟谷物的生长 |
| 钒 (v) | 0.30 - 1.10 | 创建极其硬的MC型碳化物，以改善边缘保留率并抵抗微裂纹 |
| 锰 (Mn) | ≤ 1.00 | 充当脱氧剂; 有助于坚固性，但如果过度添加可以降低韧性 |
| 硅 (和) | ≤ 1.00 | 脱氧剂; 对力量的贡献适度，并为碳化物形态做出贡献 |
特征性碳化物阶段
D2的耐磨性源于 双碳化物系统:
富含铬的碳化物 (m₇c₃, m₂₃c₆)
- 这些碳化物在钢结镜基质内显示为块状或角度沉淀.
- 他们大致解释 30–40％ 微结构的数量, 提供巨大的抗磨损耐磨性.
钒丰富的MC碳化物
- 纳米级MC颗粒 (含钒和碳) 在整个钢中均匀分发.
- 甚至 5–10％ MC碳化物的体积分数通过阻碍裂纹启动大大提高边缘的保留率.
3. 等效品牌和标准
D2工具钢与几个国际规格保持一致. 以下是ASTM名称的主要等效物:
| 标准/品牌 | 指定 | 相等的 | 地区 |
|---|---|---|---|
| AISI/SAE | D2 (US T30402) | - | 美国 |
| 从 | 1.2379 | D-2 | 德国/欧洲 |
| 他 | SKD11 | D-2 | 日本/亚洲 |
| BS | BS 1407M40 | D-2 | 英国 |
| afnor | X210CR12 | D-2 | 法国 |
| ASTM | A681 | D-2 | 国际的 |
4. 机械性能
D2工具钢平衡极端硬度和足够的韧性, 使其能够承受高磨损，同时抵抗脆弱的失败.
下表总结了其在淬火和脾气暴躁的条件下的关键机械指标 (通常 60 HRC), 然后简要讨论他们的含义.
| 财产 | 典型的价值 | 单位 | 笔记 |
|---|---|---|---|
| 抗拉强度 (σₜ) | 2 000 - 2 200 | MPA | 高最终力量支持冷工操作中的重负荷. |
| 产生强度 (你 0.2%) | 1 850 - 2 000 | MPA | 高压下的最小塑性变形可保留尺寸精度. |
| 洛克韦尔C硬度 | 58 - 62 | HRC | 出色的表面硬度可确保耐磨蚀性. |
| Brinell硬度 (HBW) | 700 - 750 | HBW | 与HRC相对应以国际标准进行交叉引用. |
| Charpy V-Notch撞击 | 10 - 15 | 焦耳 | 足够的能量吸收可防止剪切和修剪应用中的灾难性裂纹. |
| 休息时伸长 | 2 - 3 | % | 有限的延展性; 设计必须说明硬化部分的变形容量低. |
| 韧性模量 | 20 - 25 | MJ/m³ | 应力 - 应变曲线下的区域可量化断裂前的总体能量吸收. |
5. 物理特性
超越机械性能, D2工具钢表现出一组影响热流的物理特征, 维稳定性, 服务中的电磁行为.
以下是其硬化中其关键物理特性的摘要 (60 HRC) 状况:
| 财产 | 典型的价值 | 单位 | 笔记 & 含义 |
|---|---|---|---|
| 密度 | 7.75 g/cm³ | 比水重, 影响模块和处理. | |
| 杨的模量 (弹性模量) | 205 GPA | 高刚度可确保负载下的最小弹性挠度. | |
| 泊松比 | 0.28 | 指示拉伸时中度的横向收缩. | |
| 导热率 | 20 w/m·k | 相对较低的热导率有助于工具面中的耐热率. | |
| 比热容量 | 460 j/kg·k | 提高温度所需的能量, 与回火和淬火设计有关. | |
| 热膨胀系数 | 11.5 µm/m·k | 热膨胀效应中等, 促进在温度周期上促进严重的隔离间隙. | |
| 电阻率 | 0.70 µΩ·m | 比低合金钢更高的电阻率, 影响EDM参数和电加热行为. | |
| 磁渗透性 (相对μᵣ) | 1.002 | 几乎与空间相同; 确认D-2的非磁性 (磁性) 大多数应用中的角色. | |
| 洛克韦尔C硬度 (典型的, 淬火/纠正) | 60 HRC | 虽然是机械属性, 硬度影响表面接触, 摩擦, 和使用热量. |
6. 热处理 & 加工
优化D2工具钢的性能取决于精确的热处理和仔细处理.
通过控制退火, 奥斯丁化, 淬火, 回火, 和可选的低温步骤,
制造商量身定制钢的硬度, 韧性, 以及要求进行寒冷任务的维度稳定性.
退火和缓解压力
目的: 软加工D2, 缓解残余应力, 和球体化碳化物.
- 程序: 缓慢加热 800–820°C, 保留 2–4小时, 然后在炉子中冷却 20 °C/小时 到 650 °C, 其次是空气冷却.
- 结果: 成就 〜240 HBW, 用均匀的球形碳化物，可最大程度地减少切割边缘上的工具磨损并防止碎裂.
在任何硬化周期之前, 使用 预压后 在 650 °C 为了 1 消除加工引起的压力的小时.
硬化 (奥斯丁化和淬火)
客观的: 转化为马氏体并溶解足够的碳化物，以获得最大的耐磨损性.
奥斯丁化:
- 温度: 1 020–1 040 °C
- 浸泡时间: 15–30分钟 (取决于截面的厚度)
- 气氛: 控制 - 大气炉或盐浴，以防止脱氧和氧化.
淬火:
- 媒体: 温暖的油 (50–70°C) 或空气以最小的失真; 盐浴淬火 (400–500°C) 为了更快的冷却和减轻压力.
- 失真控制: 使用固定装置或中断的淬火技术, 特别是对于复杂的几何形状.
结果: 产量 〜62 hrc 最大和一个良好的基质, 分散的碳化物.
回火周期
目标: 平衡硬度与韧性, 降低脆性, 并减轻压力.
- 低温回火 (150–200°C):
-
- 结果: 硬度仍然存在 60–62 HRC, 具有适中的韧性. 要求极端耐磨性和边缘保留的应用的理想选择.
- 中温的回火 (500–550°C):
-
- 结果: 硬度下降 55–58 hrc 而韧性提高了 20–30％. 最适合暴露于影响或中度冲击的工具.
- 程序: 履行 连续两个 回火周期, 保持 2 小时 每个, 其次是空气冷却.
低温治疗
目的: 将保留的奥斯丁岩转换为马氏体和精炼碳化物分布.
- 过程: 淬火后, 冷却 –80°C (干冰/乙醇) 为了 2 小时, 然后返回室温.
- 益处: 增加硬度 2–3 HRC 并且略微改善耐磨性，而没有明显的韧性损失.
最终的压力缓解和拉直
恢复后 (和低温治疗, 如果使用), 进行 最终的压力缓解 在 150–200°C 为了 1 小时. 此步骤稳定尺寸并最大程度地减少了服务期间扭曲的风险.
7. 可加工性 & 制造
D2工具钢的高碳化物含量和预先硬化的微观结构在加工和制造过程中构成了独特的挑战.
通过选择适当的工具, 优化切割参数, 并遵循专门的焊接和完成实践,
制造商可以生产准确, 高质量的零件，同时保留D2的耐磨性.
加工硬化的D2
虽然退火D2 (〜240 HBW) 机器很容易, 许多应用程序以 预先固定的股票 (50 ± 2 HRC). 在这种情况下:
- 工具:
-
- 硬质合金插入 用TIC或TICN涂层抵抗硬铬和钒碳化物的磨损.
- 多晶立方硼硝酸盐 (PCBN) 擅长于硬化表面的大量粗糙.
- 切割参数:
-
- 速度: 60碳化物–90 m/min; 100PCBN –150 m/min.
- 喂养: 0.05–0.15 mm/rev以平衡工具寿命和表面饰面.
- 切割深度: 0.5–2毫米; 浅通降低切割力和热量产生.
- 冷却液: 洪水冷却液或通过工具交付最小化的边缘，并保持下面的切割区域 200 °C, 防止碳化物拉出.
过渡, 采用这些建议提高了表面完整性和尺寸准确性, 紧密耐受工具至关重要.
焊接和维修
焊接D2需要仔细控制以避免破裂并保留马氏体矩阵:
- 预热: 带上零件 200–300°C 减少热梯度.
- 间值温度: 维持 200–250°C 两次通过以减轻残余压力.
- 填充金属: 使用低合金, 高硬杆 (例如。, AWS A5.28 ER410NIMO) 与D2的化学兼容.
- 焊后热处理: 压力权利 500 °C 为了 2 小时, 然后根据部分进行恢复 5 恢复韧性和硬度.
这些步骤可以最大程度地减少氢引起的开裂，并确保焊接区域匹配碱金属性能.
研磨和电气加工 (EDM)
用于复杂的几何形状和精细的饰面, 非规定方法表现出色:
- 研磨:
-
- 选择轮: 使用氧化铝或立方硼硝酸酯轮 (46A60H-54A80H) 具有软键以防止玻璃.
- 参数: 轻爆 (0.01–0.05毫米) 和高速速度 (30 多发性硬化症) 产量ra≤ 0.4 µm.
- EDM:
-
- 沉没或电线EDM 创建复杂的腔，而无需诱导机械应力.
- 介电液: 用受控潮红的碳氢化合物油可防止碳化物的重新沉积.
- 加工率: 通常为0.1-0.5mm³/min, 取决于电极几何和电源设置.
结合EDM和精确研磨允许D2组件达到近网状形状和镜像饰面，同时保持工具钢的全部硬度.
表面精加工和涂层
进一步延长工具寿命, 考虑这些完成选项:
- 抛光: 最终的抛光效果≤ 0.2 µm减少摩擦和碎屑粘附.
- PVD涂料: 氮化钛 (锡) 或铝硝酸钛 (金子) 层增加了, 低摩擦表面, 最多增加磨损寿命 50%.
- 硝化: 低温气体硝化 (500 °C) 扩散氮形成硬化的情况, 增强表面硬度到HRC 70+ 没有扭曲核心维度.
8. D2冷工作工具钢的关键应用
D2的耐磨性和韧性西服:
- 冷工作死亡: 空白, 成型, 超过修剪操作 1 百万周期.
- 切割刀片: 高速剪刀在磨牙浆中保持锋利的边缘.
- 打孔套装: 汽车和设备工业的盖章组件的可靠性能.
- 穿零件: 滚筒, 喷出销, 和灌木丛中的灌木丛.
- 添加剂辅助工具插件: 混合模具插入将D2与共形冷却通道结合在一起.
9. 性能比较: d2 vs. 其他工具钢
D2冷工作工具钢因其出色的耐磨性和适度的韧性而被广泛认可.
然而, 在选择用于制造应用的工具钢, 将D2与其他流行的工具钢进行比较以评估性能的权衡至关重要, 耐用性, 和成本.
本节提供了D2与A-2的详细比较, M-2, 和S-7, 在数据和现实世界案例洞察力的支持下支持.
工具钢比较表
| 财产 / 钢型 | D-2 | A-2 | M-2 | S-7 |
|---|---|---|---|---|
| 主要力量 | 戴阻力 | 韧性 & 维稳定性 | 红色硬度 & 切割性能 | 冲击阻力 |
| 硬度 (HRC) | 55–62 | 57–62 | 62–66 | 54–58 |
| 戴阻力 | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★★ | ★★☆☆☆ |
| 韧性 | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★☆☆☆ | ★★★★★ |
| 可加工性 | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ | ★☆☆☆☆ | ★★★☆☆ |
| 红色硬度 | ★★☆☆☆ | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★☆☆☆ |
| 热处理稳定性 | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★☆☆☆ | ★★★☆☆ |
| 最佳应用 | 空白, 修剪, 打孔 | 形成模具, 工具块 | 高速切割器, 演习 | 凿子, 注射死亡, 锤子 |
| 成本水平 | 中等的 | 中等的 | 高的 | 中等的 |
10. 结论
D2冷工作工具钢脱颖而出，无与伦比的耐磨性组合, 维稳定性, 和热稳定性.
它在各种应用程序中的多功能性（从传统的冷工作死去到新兴的增材制造技术）使其成为现代制造中必不可少的材料.
了解D2化学成分的细微差别, 机械性能, 和处理技术赋予了力量
工程师和设计师利用其全部潜力, 确保其项目的最佳性能和效率.
