Nástrojová ocel D2 je nástrojová ocel s vysokým obsahem uhlíku a chromu, která se kali na vzduchu a je určena pro práci za studena. Mezi její vlastnosti patří: vysoká prokalitelnost, vysoká tvrdost a odolnost proti opotřebení, dobrá odolnost proti oxidaci za vysokých teplot, rázová houževnatost po kalení a popouštění a minimální deformace během tepelného zpracování. Tyto vlastnosti se využívají k výrobě nástrojů, měřidel a kalibrů s velkým průřezem a složitými tvary, které vyžadují vysokou přesnost a dlouhou životnost.

The designation in the U.S. ASTM A681 system is D2. The grade is also AISI D2 tool steel in the AISI system. Similar designations in other national standards include ISO 160CrMoV12, Japan/JIS SKD11, USA/UNS T30402, Germany/DIN X155CrMo12-1, Germany/W-Nr. 1.2379, Czech Republic (CSN) 19221, and China/GB Cr12Mo1V1 nebo Cr12MoV.

1. Aplikace

• Vyřezávací matrice a razníky
• Tvářecí matrice a razníky
• Kreslicí matrice
• Laminovací matrice
• Stříhací nože a řezací nože
• Matrice a razníky pro vytlačování za studena
• Rohlíky
• Měřidla a nástroje pro leštění
• Plastové formy
• Horké ořezávání výkovků
• Konstrukční součásti

2. Složení oceli D2¹

C	Cr	Mo	PROTI	Mn	Si	P	S
1,40 – 1,60%	11.00 – 13.00%	0,70 – 1,20%	0,50 – 1,10%	0,10 – 0,60%	0,10 – 0,60%	≤ 0,030%	≤ 0,030%

Složení ekvivalentních stupňů

	C	Si	Mn	Cr	Mo	PROTI	P	S
Německo/W-Nr. 1.2379	1,45 – 1,60%	0,10 – 0,60%	0,20 – 0,60%	11.00 – 13.00%	0,70 – 1,00%	0,70 – 1,00%	≤0,030%	≤0,030%
Japonsko/JIS SKD11	1,40 – 1,60%	≤0,40%	≤0,60%	11.00 – 13.00%	0,80 – 1,20%	0,20 – 0,50%	≤0,030%	≤0,030%
Čína/VB Cr12Mo1V1	1,40 – 1,60%	≤0,60%	≤0,60%	11.00 – 13.00%	0,70 – 1,20%	0,50 – 1,10%	≤0,030%	≤0,030%

3. Tepelné zpracování oceli D2

Jak popisuje William E. Bryson ve své knize Tepelné zpracování, výběr a použití nástrojových ocelí, ten tepelné zpracování Nástrojová ocel D2 se často přirovnává k vaření, kde je přesná kontrola času a teploty zásadní, aby se zabránilo nedovaření (což vede k nedostatečné tvrdosti) nebo převaření (narušení molekulární struktury a způsobení křehkosti). Následující kroky popisují proces.

Kritické a austenizační teploty nástrojové oceli D2

Klimatizace1	Klimatizace3	Ar1	Ar3	Teplota austenizace
788 ℃	845 ℃	769 ℃	744 ℃	1010–1024 ℃

3.1 Příprava materiálu a předehřívání

Before heat treatment, the material should be thoroughly degreased and preferably wrapped in stainless steel foil to protect its surface. Because of the high chromium content and low thermal conductivity of this steel, it should be slowly and evenly preheated to the target temperature to minimize the risk of cracking during heating. The target temperature is 1200°F (650°C), and the heating time is 10 to 15 minutes.

Účelem celého procesu předehřívání je zajistit rovnoměrné rozložení tepla v celém materiálu, což umožní uvolnění vnitřního pnutí dříve, než materiál příliš změkne a zvýší se jeho plasticita, a tím zabrání deformaci.

3.2 Austenitizing (Hardening)

This is the second step in heat treatment, during which the material’s structure changes from ferrite-pearlite to austenite, and various complex alloy carbides are dissolved. The heating temperature for this step is 1850°F (1010°C), with a soak time of 1 hour per 1 inch (25 mm) of cross-section. This soak time ensures that the austenitization process occurs uniformly. However, it is important to note that an excessively long soak time, even just a few minutes, may have a negative impact on the steel.

3.3 Quenching

D2 tool steel is an air-hardening steel that has the advantage of minimizing deformation and dimensional changes during the formation of martensite. The process involves the following steps: After soaking, the material is rapidly cooled to approximately 150°F (65°C). During this process, when the temperature reaches 1050°F (565°C) and before the material transforms into a hardened structure at 400°F (205°C), the workpiece can be removed from the foil packaging and placed on a cooling rack. Caution must be exercised to avoid putting the material directly on a cold table surface, as this can cause localized temperature fluctuations and result in deformation. From a microstructural perspective, this process transforms the steel’s internal structure into finer-grained martensite, imparting excellent wear resistance to D2.

Po řádném kalení materiál stále obsahuje určitý podíl „zbytkového austenitu“, přičemž optimální obsah martenzitu se pohybuje od 95% do 96%.

3.4 Tempering

Tempering improves the toughness of steel, reduces internal stress, and makes D2 tool steel secondary hardening. Tempering must be performed immediately when the material temperature drops to 125°F to 150°F (52°C to 65°C).

If D2 is only tempered once, the tempering temperature is 400°F (205°C) to achieve a Rockwell hardness of 61-62HRC.

We recommend using a secondary tempering process for D2, which can improve its wear resistance by 20-30%.

In the secondary tempering process, the first tempering temperature is 960°F (515°C) for 2 hours per inch (25 mm) of cross-section. Before the second tempering, i.e., during the interval between the first and second tempering, the material must be allowed to cool to room temperature before the second tempering. This period may last several hours. It may also take several days, but the key point is that the second tempering must NOT begin at 150°F (65°C), which is a completely different temperature from the single tempering mentioned earlier. The second tempering temperature is 900°F (480°C) for 2 hours per inch of cross-section. The second tempering achieves a Rockwell hardness of 58 HRC.

While D2 has weak secondary hardness, tempering at higher temperatures (e.g., ~550°C/1020°F) can be used to achieve a hardness of 60 HRC, thereby improving stability during nitriding or other surface hardening methods. However, this can lead to increased retained austenite and grain growth, potentially decreasing toughness and causing microstructural instabilities.

Tabulka tvrdosti a teploty popouštění pro ocel D2

Teplota temperování	Rockwell C.
Jak uhašeno	64
150 °C	62
205 °C	61
260 °C	60
600 °F / 315 °C	59
700 °F / 370 °C	58
800 °F / 425 °C	58
900 °F / 480 °C	58
1000 °F / 540 °C	55

3.5 Kryogenní/subnulová úprava (volitelné)²

Tento proces je navržen tak, aby eliminoval nebo snížil zbytkový austenit a zvýšil rozměrovou stabilitu materiálu. Vzhledem k tomu, že nástrojová ocel D2 si po standardním tepelném zpracování může uchovat značné množství austenitu (až do 20%), může to vést k rozměrové nestabilitě, protože zbytkový austenit se při pokojové teplotě v průběhu času spontánně transformuje na nezpopouštěný martenzit.

The process involves the following steps: After stress relief treatment (approximately 150°C), the material is cooled to an extremely low temperature (approximately -300°F/-184°C), approaching or below the final Mf temperature. Subsequent tempering is still required to prevent brittleness caused by the newly formed fresh martensite.

Tento proces vytváří kompaktnější molekulární strukturu v materiálu (snižuje tření, teplo a opotřebení), snižuje zbytkové napětí a zvyšuje pevnost v tahu, houževnatost a rozměrovou stabilitu, čímž výrazně zlepšuje výkon materiálu.

3.6 Potential Issues

1. Zbytkový austenit může způsobit rozměrovou nestabilitu materiálů, zejména při vyšších austenitizačních teplotách. K řízení tohoto procesu se používá řízené kalení, přesné doby výdrže a dvojité a trojité popouštění.
2. Faktory, jako je nerovnoměrný ohřev a chlazení, fázové transformace (zejména tvorba martenzitu) a zbytkové napětí během tepelného zpracování, mohou způsobit deformace a praskání v materiálech. Proto je důležité zajistit pomalý a rovnoměrný ohřev, vhodné kalicí médium a úpravu pro odbourávání napětí.
3. Ocel D2 je náchylná k oduhličení. Doporučujeme zahřívat materiály D2 v kontrolované neutrální atmosféře, vakuu nebo v prostředí pece s neutrální solí, aby se zabránilo oduhličení.

3.7 Kování

D2 tool steel should be preheated slowly and uniformly to 900 °C (1650 °F) before heating to forging temperatures. D2 has low thermal conductivity, so it must be heated slowly. Heating too quickly can cause the material to crack.

After preheating, the initial forging temperature for D2 steel is 980–1095 °C (1800–2000 °F). For large sections or heavy reductions, the higher end of this range should be used, while for smaller sections or lighter reductions, the lower end is more appropriate.

It is important to note that the temperature during the forging of D2 steel must not fall below 900°C (1650°F). If the temperature drops below this level, the steel must be reheated before forging.

D2 tool steel may partially melt at approximately 1150°C (2100°F), so the forging temperature must be strictly controlled.

4. Vlastnosti oceli D2

4.1 Základní mechanické vlastnosti

Modul pružnosti	0,2% mez kluzu s odsazením	Mez kluzu	UTS
203 GPa	411 MPa	350 MPa	758 MPa

Vykazuje vysokou pevnost v tlaku, zejména při popouštění za nižších teplot. Tato pevnost přímo souvisí s úrovní tvrdosti; s rostoucí teplotou popouštění má tvrdost i pevnost v tlaku tendenci klesat.

4.2 Data z tahové zkoušky³

Modul houževnatosti	Pevnost v lomu	Posunutí při zlomenině	Délka měřidla	Zlomové napětí	Redukce plochy
81 MPa	723 MPa	0,61 mm	30 mm	1.97%	1.30%

4.3 Tažnost a houževnatost

• Houževnatost materiálu D2 je střední, což je lepší než u jakostí jako Nástrojová ocel D3Ve srovnání s jinými ocelemi řady D s vyšším obsahem uhlíku má ocel D2 dobrou rovnováhu mezi odolností proti opotřebení a houževnatostí.
• Tahové zkoušky často vykazují tvárný lomový režim, charakterizovaný důlkovitými strukturami. Tento materiál však může vykazovat plochý lomový povrch s minimálním zúžením a nízkou plošnou redukcí (např. v některých zkouškách kolem 1,3%).
• Modul houževnatosti byl naměřen na 81 MPa s lomovým napětím 1,971 TP3T.
• Ocel D2 vykazuje anizotropní pevnost a tažnost, což se připisuje prodloužení primárních karbidů slitiny během tváření za tepla. Maximální pevnost a tažnost D2 jsou obvykle ve směru válcování.

4.4 Rozměrová stabilita

• Vykazuje minimální deformaci ve srovnání s mnoha jinými nástrojovými ocelemi. Při kalení na vzduchu ze správné teploty kalení je roztažnost nebo smrštění přibližně 0,0005 palce na palec (nebo mm/mm).
• Faktory, jako je geometrie součásti a existující deformace, mohou ovlivnit celkový pohyb.
• Po broušení, svařování, elektroerozivním obrábění a dalších procesech se důrazně doporučuje popouštění pro odlehčení pnutí. Teplota popouštění je obvykle o 14–28 °C (25–50 °F) nižší než konečná teplota popouštění.

4.5 Odolnost proti opotřebení

Má vynikající odolnost proti oděru, která často slouží jako srovnávací ukazatel pro jiné nástrojové oceli. Tato vysoká odolnost proti opotřebení je přímo přičítána značnému množství tvrdých karbidů bohatých na chrom v její mikrostruktuře. Díky tomu je D2 preferovaným materiálem pro nástroje vystavené abrazivním podmínkám a dlouhým výrobním sériím. Její odolnost proti opotřebení je přibližně o 30 % lepší než u nástrojové oceli A2.

4.6 Zpracovatelské aspekty oceli D2

Má relativně špatnou obrobitelnost. Pokud je ocel s obsahem uhlíku 1% hodnocena jako 100, pak je D2 hodnocena jako 45 pro obrobitelnost v žíhaném stavu. Může být obtížné ji obrábět a brousit a její svařitelnost tradičními metodami je velmi špatná.

5. Výhody a nevýhody oceli D2

5.1 Výhody

• Vysoká odolnost proti opotřebení: Vyšší obsah uhlíku a chromu v oceli D2 vede k tvorbě velkého množství karbidů bohatých na chrom v její mikrostruktuře, což jí dodává vynikající odolnost proti opotřebení. Její odolnost proti opotřebení je o 30% až 40% vyšší než u oceli A2.
• Charakteristiky vytvrzování na vzduchu: Ocel D2 je ocel kalitelná na vzduchu, která umožňuje minimální deformaci a posunutí během procesu kalení, díky čemuž je vhodná pro aplikace s vysokými požadavky na rozměrové tolerance.
• Rozměrová stabilita: D2 vykazuje dobrou rozměrovou stabilitu při tepelném zpracování s minimální deformací. Při kalení na vzduchu z vhodné teploty kalení lze očekávat roztažení nebo smrštění přibližně o 0,0005 palce/palec (0,0005 mm/mm).
• Dobrá odolnost (střední/uspokojivá): I když je ocel D2 ve srovnání s jinými ocelemi často považována za poněkud křehkou, má ve své třídě střední nebo přijatelnou houževnatost. 
• Vysoká pevnost a tvrdost: D2 je vysoce pevná a tvrdá nástrojová ocel s tvrdostí v rozmezí 60-62 HRC. Je odolná vůči měknutí.
• Nákladová efektivita: Obsah molybdenu a vanadu v oceli D2 není nijak zvlášť vysoký, takže má pro uživatele cenové výhody.
• Odolnost proti korozi a dobrá odolnost proti skvrnám: It has good corrosion resistance, and its high chromium content makes D2 steel appreciable for its resistance to staining after tools are hardened and polished.
• Hluboké kalení: D2 je hlubokokalitelná ocel. Lze ji plně vykalit v celém velkém bloku (např. 75 mm × 150 mm × 250 mm nebo 3 palce × 6 palců × 10 palců) ochlazením na vzduchu po austenitizaci.
• Sekundární kalení: Molybden a vanad v oceli D2 umožňují sekundární kalení po popouštění.

5.2 Nevýhody

• Nízká obrobitelnost: Ocel D2 je velmi tvrdá a obtížně se obrábí.
• Křehkost: D2 je považován za poněkud křehký a má nízkou houževnatost.
• Obtížnost svařování: Nástrojová ocel D2 je obecně známá svou obtížnou svařitelností (nesvařitelná). Obzvláště obtížné je dosáhnout vysoce kvalitního svarového spoje konvenčními metodami svařování kvůli vysokému obsahu uhlíku a značnému množství karbidů.
• Zadržený austenit: Po kalení si D2 může ponechat značné množství austenitu (až do 20%), který se netransformuje na martenzit. To může časem vést k rozměrové nestabilitě, protože zadržený austenit se může při pokojové teplotě spontánně transformovat na nezpopouštěný martenzit, což způsobí změnu fyzikální velikosti součásti. 
• Omezené zlepšení houževnatosti snížením tvrdosti: Houževnatost oceli D2 lze zlepšit pouze omezeně a je obtížné kontrolovat její tvrdost při extrémně vysokých popouštěcích teplotách.
• Není z nerezové oceli Odolnost proti korozi: Vysoký obsah chromu není dostatečný k zajištění úrovně odolnosti proti korozi charakteristické pro nerezovou ocel, protože velká část chromu je začleněna do karbidů slitin.

6. Svařování oceli D2

Ocel D2 obsahuje velké množství karbidů, což ztěžuje její svařování. Pokud je svařování D2 nutné, důrazně se doporučuje ocel D2 předehřát, jinak může dojít k praskání nebo ke zkrácení životnosti materiálu.

6.1 Příprava a předehřátí

Před svařováním odstraňte všechny uvolněné třísky a vybrouste všechny praskliny, nejlépe vytvořením kanálu ve tvaru „U“ než „V“, protože ostré úhly mohou způsobit praskání.

Teplotu předehřevu lze nastavit v rozmezí 140 °C až 450 °C v závislosti na konkrétním nástroji. Pro náročné opravy se doporučuje teplota předehřevu alespoň 300 °C až 400 °C. Teploty předehřevu musí být dosaženo postupně a rovnoměrně. Je nezbytné zajistit, aby se teplota během svařovacího procesu neodchylovala od teploty předehřevu o více než 100 °C.

6.2 Výplňové materiály

• For general joining of broken pieces, or as a buffer layer for large repairs, 312 stainless steel filler wire (0.1% C, 1.6% Mn, 30% Cr, 9% Ni, 26 HRC, 25% elongation) is an excellent choice.
• When hardness is not the primary concern but chemical composition is, we suggest 410 stainless steel filler wire (0.1% C, 14.5% Cr, 40 HRC).
• For highly polished or photo-etched D2 tools, a modified 420 stainless steel tool steel filler wire (modified 13% chrome, 52-56 HRC) is recommended. 

6.3 Ošetření po svařování

Once the D2 material is welded, it should be slow-cooled, for example, by burying it in vermiculite or dry sand. For hardened D2 parts that have been welded, stress relief and tempering treatment are required. The stress relief temperature is 400°F (205°C), followed by tempering at a temperature 25°F (14°C) lower than the original tempering temperature.

7. Obrobitelnost oceli D2

Jak již bylo několikrát zmíněno, D2 je ocel s vysokým obsahem uhlíku a chromu, která je považována za obtížně obrobitelnou a brousitelnou. Její obrobitelnost je popisována jako „obzvláště špatná“ nebo „nízká až velmi nízká“. Ve srovnání s uhlíkovou ocelí 1% s hodnotou 100 má D2 obrobitelnost 45. Pro srovnání, nástrojová ocel O1 má vynikající obrobitelnost, zatímco D2 má lepší odolnost proti opotřebení.

Tradiční metody obrábění zahrnují frézování, vrtání nebo soustružení. Po obrábění může povrch D2 vykazovat změny, jako je drsnost (R), plastická deformace (PD), mikrotrhliny (MCK), nepopuštěný martenzit (UTM) a přepuštěný martenzit (OTM).

8. Jak vyrábíme nástrojovou ocel D2

Dodáváme primárně kovanou nástrojovou ocel D2. Ingoty z oceli D2 získáváme ze slévárny s elektrickým obloukovým pecím (EAF) s možností zahrnutí Elektrostruskové přetavování (ESR) úprava dle požadavku zákazníka. Po ověření složení a mikrostruktury sochorů a ingotů přistupujeme ke kování. Po vykování do kulatých nebo plochých tyčí následuje tepelné zpracování materiálu. Nakonec se na základě požadavků zákazníka provádí povrchová úprava, včetně odstranění okují nebo konečné úpravy.

9. Srovnání D2 s jinými ocelemi

• Ocel D2 vs. 440COcel D2 má výrazně nižší odolnost proti korozi než ocel 440C. V aplikacích, kde se používá ocel D2, není odolnost proti korozi primárním hlediskem; místo toho jsou primárními prioritami odolnost proti opotřebení a rozměrová stabilita. Ocel 440C je ideální tam, kde je vyžadována rovnováha mezi vysokou tvrdostí, odolností proti opotřebení a dobrou odolností proti korozi, díky čemuž je vhodná pro řezné nástroje, chirurgické nástroje a ložiskové aplikace v korozivním prostředí.
• Ocel D2 vs. 4140Ocel D2 vykazuje vynikající odolnost proti opotřebení a rozměrovou stabilitu, což z ní činí ideální volbu pro zápustkovou ocel tvářenou za studena; má však nízkou houževnatost a obrobitelnost. Ocel 4140 je naproti tomu všestrannější konstrukční ocel, která nabízí robustní rovnováhu mezi pevností a houževnatostí, vhodnou pro širší škálu strojních součástí, zejména těch, které vyžadují dobrou rázovou houževnatost a snadné zpracování. Její vlastnosti lze dále přizpůsobit různými tepelnými zpracováními a povrchovými úpravami, jako je nitridace.
• Nástrojová ocel D2 vs D3Obě jsou důležitými zástupci ocelí řady D. Co se týče složení, ocel D2 obsahuje prvky Mo a V, což ji činí dražší než ocel D3; její výkon je však také spolehlivější.

10. Dodávací formuláře a rozměry

Nástrojová ocel D2, kterou dodáváme, je k dispozici v různých tvarech, včetně kulatých tyčí, plechů, bram, plochých tyčí, čtvercových tyčí a bloků. Rozměry ploché tyče se pohybují v rozmezí: šířka 20–600 mm × tloušťka 20–400 mm × délka 1 000–5 500 mm. Rozměry kulaté tyče se pohybují v rozmezí průměru 20–400 mm × délka 1 000–5 500 mm. Rozměry bloku se získají řezáním ploché tyče.

Pro menší rozměry, jako jsou kulaté tyče o průměru menším než 70 mm, používáme proces válcování za tepla. Pro rozměry větší než 70 mm nabízíme kované výrobky.

Nabízíme také proces ESR (elektrostruskové přetavování), který je přizpůsoben požadavkům zákazníka. Výhodou je lepší vnitřní mikrostruktura, ale je to za vyšší cenu. V případě specifických požadavků nás prosím kontaktujte.

Testování UT: září 1921-84 D/d, E/e. 

Povrchová úprava: původní černá, loupaná, obráběná/soustružená, leštěná, broušená nebo frézovaná povrchová úprava.

Stav zásob: Neudržujeme skladem oceli D2. Výrobu zajišťujeme na základě objednávek zákazníků.

Dodací lhůta: Materiály pro elektrické obloukové pece (EAF) jsou 30–45 dní. Materiály pro ESR jsou přibližně 60 dní.

1. Roberts, G., Krauss, G. a Kennedy, R. (1998). Nástrojové oceli: 5. vydání (str. 203). ASM International. ↩︎
2. Reardon, AC (ed.). (2011). Metalurgie pro nemetalurgiky (2. vydání, s. 231). ASM International. ↩︎
3. Di Schino, A., & Sugimoto, K. (Eds.). (2017). Mechanické vlastnosti a mikrostruktura kované oceli (str. 151). MDPI. ↩︎

FAQ