Stal D2 a stal 4140: Jaka jest różnica?

Szacowany czas czytania: 7 minut

Najważniejsze wnioski

Stal D2 to stal narzędziowa do pracy na zimno o wysokiej zawartości węgla i chromu, natomiast stal 4140 to stal konstrukcyjna o średniej zawartości węgla i niskiej zawartości stopu.
Stal D2 charakteryzuje się wyjątkową odpornością na zużycie i wysoką twardością (60-62 HRC), ale ma ograniczoną wytrzymałość w porównaniu do stali 4140.
Stal 4140 zapewnia dobrą równowagę między wytrzymałością i wytrzymałością, dzięki czemu nadaje się do produkcji części poddawanych obciążeniom dynamicznym.
Główne zastosowania obejmują stal D2 do narzędzi skrawających i matryc oraz stal 4140 do podzespołów samochodowych i wałów napędowych.
Ze względu na odporność na zużycie i stabilność wymiarową wybierz D2; ze względu na wytrzymałość i trwałość wybierz 4140.

Stal D2 kontra 4140: Stal narzędziowa D2 I stal 4140 Oba są ważnymi stopami żelaza, ale należą do różnych klasyfikacji i są przeznaczone do różnych zastosowań, wykazują unikalne właściwości i wymagają specyficznej obróbki cieplnej.

Stal D2 to wysokowęglowa, wysokochromowa stal narzędziowa do obróbki na zimno. Należy do stali narzędziowych serii D, które są specjalnie zaprojektowane do produkcji narzędzi, matryc i stempli używanych w wymagających warunkach cięcia, formowania lub obróbki skrawaniem innych materiałów. Stal D2, stosowana głównie do obróbki na zimno, zazwyczaj pracuje w temperaturach poniżej 200°C, często w temperaturze pokojowej. Spośród wszystkich wysokowęglowych, wysokochromowych stali narzędziowych, D2 jest bardzo ważnym i reprezentatywnym gatunkiem.

Stal AISI 4140 to stal konstrukcyjna o średniej zawartości węgla i niskiej zawartości stopu, znana również jako stal budowlana. Jej najważniejsza zaleta tkwi w równowadze między wytrzymałością a udarnością. Jest to stal chromowo-molibdenowa (Cr-Mo), często łączona z innymi stalami o ultrawysokiej wytrzymałości, takimi jak 4130 i 4340. Chociaż stal 4140 cieszy się dużą popularnością w produkcji i narzędziowniach, nie jest klasyfikowana jako stal narzędziowa. Jest zazwyczaj dostarczana w postaci prętów i blach, a dzięki obróbce cieplnej uzyskuje określone właściwości mechaniczne, dzięki czemu doskonale nadaje się do produkcji elementów wałów o wysokiej wytrzymałości. Należy pamiętać, że ten rodzaj stali niskostopowej nie nadaje się do pracy w wysokich temperaturach.

Kompozycja

Właściwości stali D2 wynikają z wysokiej zawartości węgla i chromu. Znaczna obecność tych dwóch pierwiastków powoduje powstawanie w stali dużej ilości niezwykle twardych węglików bogatych w chrom. Stal 4140 jest natomiast stalą stopową o średniej zawartości węgla. Jej głównymi składnikami stopowymi są chrom (Cr) i molibden (Mo). Molibden jest szczególnie istotny w stali 4140, ponieważ zapewnia uzyskanie idealnej, drobnej mikrostruktury po obróbce cieplnej. Ta mikrostruktura jest kluczowa dla uzyskania równowagi między wytrzymałością a udarnością, charakterystycznej dla stali 4140.

Element	Stal narzędziowa D2 (%)	Stal 4140 (%)
Węgiel (C)	1.40 – 1.60	0.38 – 0.43
Chrom (Cr)	11.00 – 13.00	0.80 – 1.10
Molibden (Mo)	0.70 – 1.20	0.15 – 0.25
Mangan (Mn)	0.10 – 0.60	0.75 – 1.00
Wanad (V)	0.50 – 1.10	–
Krzem (Si)	0.10 – 0.60	0.15 – 0.35
Fosfor (P)	≤ 0,03	≤ 0,035
Siarka (S)	≤ 0,03	≤ 0,040

Właściwości mechaniczne

Główną zaletą stali D2 jest jej wyjątkowa odporność na zużycie. Jej wysoka zawartość węgla i chromu tworzy dużą liczbę twardych węglików w mikrostrukturze. Stal D2 charakteryzuje się wyjątkowo wysoką twardością, sięgającą zazwyczaj 60–62 HRC (twardość Rockwella). Stal 4140 może również osiągnąć wysoką wytrzymałość i twardość poprzez obróbkę cieplną, ale jej wartości twardości znacznie różnią się w zależności od temperatury odpuszczania. Chociaż w niektórych zastosowaniach (takich jak azotowanie) może osiągnąć wysoką twardość powierzchniową, nie jest to jej podstawowa wytrzymałość.

W porównaniu z D2, jedną z zalet stali 4140 jest to, że zapewnia dobrą równowagę między wytrzymałością a udarnością, dzięki czemu doskonale nadaje się do produkcji części poddawanych obciążeniom dynamicznym. Stal D2 charakteryzuje się umiarkowaną udarnością i jest stosunkowo krucha, zwłaszcza w porównaniu ze specjalistycznymi stalami odpornymi na uderzenia. Chociaż stal D2 może być stosowana do produkcji trwałych narzędzi produkcyjnych, jej ograniczona udarność często prowadzi do jej stosowania jako “wkładki” osadzonej w twardszym korpusie matrycy, a nie jako samodzielnego elementu narażonego na znaczne uderzenia.

Pod względem nośności bezwzględnej różnica między nimi jest znacząca. Stal 4140: Po odpowiedniej obróbce cieplnej stal 4140 osiąga wyjątkowo wysoką wytrzymałość. Wytrzymałość na rozciąganie (UTS): do 1965 MPa; granica plastyczności: do 1740 MPa. Ta wysoka wytrzymałość, w połączeniu z odpornością na skręcanie i naprężenia zwrotne, czyni ją idealną do produkcji elementów takich jak wały napędowe. W stanie standardowo odpuszczonym wytrzymałość stali D2 jest znacznie niższa niż stali 4140 poddanej obróbce cieplnej. Wytrzymałość na rozciąganie (UTS) wynosi około 758 MPa; granica plastyczności wynosi około 411 MPa. Główną cechą stali D2 jest odporność na zużycie, pomimo ekstremalnych obciążeń konstrukcyjnych.

Twardość. Twardość stali D2 Po obróbce cieplnej twardość stali 4140 wynosi od 60 do 62 HRC. Chociaż stal 4140 może również osiągnąć wysoką twardość dzięki obróbce cieplnej, jest ona niższa niż w przypadku stali D2. Hartowana i odpuszczana stal 4140 może mieć twardość od 235 HB do 578 HB, w zależności od temperatury odpuszczania.
HartownośćStal D2 to stal hartowana na powietrzu, co oznacza, że można ją hartować poprzez chłodzenie na powietrzu, co minimalizuje odkształcenia. Stal 4140 charakteryzuje się umiarkowaną hartownością. Chociaż można ją hartować na powietrzu w cienkich przekrojach, w praktyce zazwyczaj hartuje się ją w oleju w celu hartowania na wskroś.
WytrzymałośćStal D2 charakteryzuje się niską wytrzymałością. Natomiast stal 4140 charakteryzuje się lepszą wytrzymałością. Na jej wytrzymałość wpływa temperatura odpuszczania; na przykład, odpuszczanie w temperaturze od 230 do 370°C (od 450 do 700°F) jest zazwyczaj unikane, aby zapobiec kruchości niebieskiej.
Odporność na zużycie. Stal D2 charakteryzuje się wyjątkowo wysoką odpornością na zużycie, wyższą niż stal 4140. Odporność na zużycie stali 4140 można znacznie poprawić poprzez hartowanie powierzchniowe, na przykład azotowanie lub hartowanie indukcyjne.
Obróbka skrawaniemStal D2 ma słabą obrabialność, jej wskaźnik obrabialności wynosi 45, w porównaniu do stali węglowej 1%, której wskaźnik wynosi 100. Stal 4140 ma dobrą obrabialność, zwłaszcza wersje siarkowane, takie jak SAE 1140.
Stabilność wymiarowaStal D2 ulega minimalnym odkształceniom podczas obróbki cieplnej. Po hartowaniu w powietrzu rozszerza się lub kurczy o około 0,0005 cala na cal (0,0005 mm/mm). Stabilność wymiarowa stali 4140 jest generalnie dobra, ale jak wszystkie stale, ulega ona odkształceniom podczas hartowania, szczególnie przy wyższej zawartości węgla, co może zwiększać prawdopodobieństwo pękania.

Produkcja i obróbka cieplna

D2 to hartowana w powietrzu stal narzędziowa, która osiąga wysoką twardość poprzez chłodzenie powietrzem, wykazując minimalne zmiany wymiarów i odkształcenia podczas obróbki cieplnej. W związku z tym stal D2 nadaje się do precyzyjnej produkcji form. Stal 4140 poddawana jest obróbce cieplnej poprzez hartowanie i odpuszczanie. Aby uzyskać wysoką wytrzymałość, jest ona zazwyczaj hartowana w oleju, a następnie odpuszczana w szerokim zakresie temperatur od 205°C do 705°C, co pozwala na precyzyjne uzyskanie pożądanej wytrzymałości i udarności.

Stal D2 jest trudna w obróbce skrawaniem i szlifowaniu. Wysoka zawartość węgla i chromu powoduje słabą skrawalność. Z kolei stal 4140 jest znacznie łatwiejsza w obróbce. Dodatkowo, na rynku dostępne są gatunki takie jak SAE 41L40, które zawierają dodatek siarki (S), oferując lepszą skrawalność nawet w warunkach hartowania.

Stale D2 i 4140 są trudne do spawania ze względu na wysoką zawartość węgla i znaczną zawartość węglika w mikrostrukturze, co utrudnia stosowanie konwencjonalnych metod spawania.

Aplikacje

Wybór pomiędzy stalą D2 a 4140 zależy wyłącznie od jej przeznaczenia, a w szczególności od tego, czy dana część wymaga maksymalnej odporności na ścieranie powierzchni, czy też maksymalnej wytrzymałości i wytrzymałości w całej objętości.

Stal D2 nadaje się do zastosowań wymagających długotrwałej produkcji, wysokiej odporności na zużycie i stabilności wymiarowej. Typowe zastosowania obejmują narzędzia i matryce tnące i tłoczące, matryce i narzędzia do wykrawania, operacje kucia oraz narzędzia do przycinania.

Stal 4140 to wszechstronna stal inżynieryjna, odpowiednia do produkcji elementów wymagających umiarkowanej hartowności oraz dobrej wytrzymałości i udarności. Główne zastosowania obejmują wały napędowe, wały do wysokoobciążonych podzespołów samochodowych, przekładnie w zastosowaniach krytycznych oraz wysokoobciążone podzespoły silników samochodowych.

Gatunek stali	Kluczowe atrybuty aplikacji	Przykłady użycia
Stal D2	Doskonała odporność na zużycie; Możliwość długotrwałej eksploatacji; Stabilność wymiarowa; Obróbka na zimno.	Wały, koła zębate, osie, wały korbowe, części maszyn, przekładnie zębate poddane dużym obciążeniom, elementy złączne kute na zimno i na zimno oraz materiały rdzeniowe do elementów azotowanych.
4140 Stal	Wysoka wytrzymałość i twardość rdzenia; Odporność na naprężenia dynamiczne/skrętne; Nadaje się do zastosowań wymagających umiarkowanej hartowności.	Wały, koła zębate, osie, wały korbowe, części maszyn, przekładnie zębate poddane dużym obciążeniom, elementy złączne kute na zimno, materiał rdzeniowy do elementów azotowanych.

Streszczenie

Ogólnie rzecz biorąc, jeśli Twoim głównym wymaganiem jest wyjątkowa odporność na zużycie i wysoka stabilność wymiarowa podczas obróbki cieplnej, stal D2 to profesjonalny materiał specjalistyczny. Jeśli potrzebujesz wyprodukować wytrzymałe elementy mechaniczne, w których priorytetem jest wysoka wytrzymałość rdzenia, odporność na obciążenia dynamiczne i ogólna wytrzymałość, stal 4140 będzie najlepszym wyborem.