Właściwości stali D2: kompletny przewodnik po stali narzędziowej o wysokiej wydajności

W tym artykule przedstawiono kompleksową analizę Stal D2Stal narzędziowa D2 należy do grupy D stali narzędziowych do pracy na zimno, rodziny stopów charakteryzujących się wysoką zawartością węgla i chromu. Od dziesięcioleci stanowi ona punkt odniesienia w zakresie wydajności, będąc materiałem roboczym, cenionym za niezwykłą odporność na zużycie i zachowanie ostrości krawędzi podczas wymagających zadań. Stal narzędziowa D2 należy do grupy D stali narzędziowych do pracy na zimno, rodziny stopów charakteryzujących się wysoką zawartością węgla i chromu.

Skład stali D2 i jego wpływ na właściwości

Właściwości stali D2

Wzajemne oddziaływanie składu chemicznego, mikrostruktury i obróbki cieplnej materiału D2 przekłada się na odrębny zestaw właściwości użytkowych. Niniejsza sekcja zawiera szczegółową, popartą danymi analizę każdej kluczowej cechy.

Odporność na zużycie i utrzymanie krawędzi

Jego doskonała odporność na zużycie wynika z wysokiej zawartości węgla i chromu, które tworzą dużą frakcję objętościową twardych, bogatych w chrom węglików stopowych (M7C3) w odpuszczonej matrycy martenzytycznej. Węgliki te, wraz z molibdenem i wanadem, znacząco poprawiają odporność na zużycie ścierne i adhezyjne.
Stal D2 charakteryzuje się dobrą wytrzymałością, szczególnie w porównaniu ze stalami typu D o wyższej zawartości węgla, takimi jak D3 i D7. Wiąże się to z pewnym kompromisem: wzrost twardości w celu uzyskania odporności na zużycie zazwyczaj zmniejsza wytrzymałość i odwrotnie. Chociaż stal D2 charakteryzuje się doskonałą odpornością na zużycie, jest uważana za umiarkowanie wytrzymałą i nieco kruchą. W zastosowaniach wymagających maksymalnej odporności na zużycie, stal D2 jest często stosowana jako wkładka w twardszej obudowie, takiej jak stal H11. Azotowanie lub powłoki azotku tytanu PVD mogą dodatkowo zwiększyć odporność stali D2 na zużycie bez utraty jej stabilności wymiarowej.

Twardość i wytrzymałość

Elementy stali D2 łączą się, tworząc dużą frakcję objętościową twardych, bogatych w chrom węglików stopowych, głównie typu M7C3, w odpuszczonej osnowie martenzytycznej. Węgliki te są znacznie twardsze niż cementyt, co przyczynia się do lepszej odporności na zużycie ścierne i adhezyjne. Stal D2 zazwyczaj osiąga twardość w skali Rockwella C (HRC) na poziomie 58–60 w przypadku normalnych zastosowań roboczych i do 60–62 HRC w przypadku zastosowań specjalnych, takich jak wybijanie małych elementów aluminiowych. Po azotowaniu jonowym jej twardość powierzchniowa może osiągnąć 750–1200 HV. Typowa obróbka cieplna obejmuje austenityzację w temperaturze około 1010°C (1850°F), a następnie hartowanie w powietrzu i podwójne odpuszczanie w wyższych temperaturach, takich jak 515°C (960°F) i 480°C (900°F), co pozwala uzyskać twardość 58 HRC, a jednocześnie zwiększyć odporność na zużycie dzięki rozdrobnieniu ziarna. Więcej informacji na temat twardości stali D2 można znaleźć w Twardość stali D2 – odblokowanie doskonałej odporności na zużycie.

Pod względem udarności stal D2 jest uważana za umiarkowaną udarność, ale jest nieco krucha i często wykazuje niską udarność. Jest to nieodłączny kompromis, ponieważ zwiększenie twardości w celu poprawy odporności na zużycie zazwyczaj skutkuje spadkiem udarności. Niska udarność wysokowęglowych, wysokochromowych stali narzędziowych do obróbki na zimno, takich jak D2, wynika z martenzytu wysokowęglowego i obecności grubych, nierozpuszczonych węglików, które mogą inicjować pękanie. Podczas gdy odpuszczanie może zwiększyć udarność i plastyczność martenzytu poprzez redukcję naprężeń szczątkowych, przemiana austenitu szczątkowego podczas odpuszczania może również wprowadzić dodatkowe węgliki, potencjalnie zwiększając podatność na pękanie. Minima udarności obserwuje się po odpuszczaniu w temperaturze około 480°C (900°F) ze względu na przemianę austenitu szczątkowego. Stal D2 oferuje generalnie lepszą udarność w porównaniu ze stalami typu D o wyższej zawartości węgla, takimi jak D3 i D7. W przypadku zastosowań wymagających większej wytrzymałości często zaleca się zastosowanie innego gatunku stali o wyższej wytrzymałości, zamiast próbować przekroczyć ograniczenia konstrukcyjne stali D2.

Obróbka skrawaniem i szlifowalność

Stal D2 stwarza znaczne problemy w obróbce, charakteryzując się zazwyczaj niską skrawalnością. Na przykład, po prawidłowym wyżarzaniu, stal D2 osiąga skrawalność 45, w porównaniu do 100 dla stali węglowej 1%. Alternatywnie, skrawalność stali D2 jest 60% porównywalna z wyżarzaną stalą narzędziową W1 lub 30-40% porównywalna z automatową stalą B1112. Pomimo trudności w obróbce, stal D2 nadaje się do długotrwałych zastosowań tłoczenia. Obróbka hartowanej stali D2 zazwyczaj wymaga prędkości skrawania w zakresie od 80 do 220 m/min i posuwów od 0,05 do 0,15 mm/obr., przy stałej głębokości skrawania 0,2 mm, podczas toczenia w celu uzyskania wykończenia powierzchni.

Pod względem ścieralności, stal D2 jest również określana jako trudna do szlifowania ze względu na wysoką zawartość chromu w połączeniu z wyższą zawartością węgla. Szlifowalność, czyli łatwość, z jaką można usunąć nadmiar materiału za pomocą standardowych ściernic, jest mierzona współczynnikiem szlifowania (objętość usuniętego metalu na objętość zużycia ściernicy). Współczynnik ten zazwyczaj maleje wraz ze wzrostem zawartości stopu i węgla. Obecność grubych, nierozpuszczonych węglików, takich jak typ M7C3 występujący w stalach klasy D, takich jak D2, znacząco wpływa na odporność na zużycie ścierne i szlifowalność. Drobniejsze węgliki, często uzyskiwane poprzez obróbkę metalurgiczną proszków, mogą prowadzić do poprawy szlifowalności.

Odporność na korozję

Stal D2, pomimo wysokiej zawartości chromu, generalnie nie jest uznawana za charakteryzującą się odpornością na korozję stali nierdzewnej. Wynika to z faktu, że znaczna część chromu jest wbudowana w węgliki stopowe, a nie tworzy ciągłej, ochronnej warstwy pasywnej. Chociaż stale D2 charakteryzują się doskonałą odpornością na utlenianie w wysokich temperaturach i zapewniają znaczną odporność na przebarwienia po hartowaniu i polerowaniu narzędzi, ich ogólna odporność na korozję ogólną jest ograniczona. Procesy azotowania, które zapewniają wysoką twardość powierzchniową stali D2, nie czynią jej całkowicie odporną na korozję, a do poprawy tej właściwości konieczne byłoby dodanie dodatkowego chromu.

Stabilność wymiarowa

Stal narzędziowa D2 charakteryzuje się stosunkowo wysoką stabilnością wymiarową podczas obróbki cieplnej w porównaniu z innymi stalami narzędziowymi. Po hartowaniu w powietrzu z odpowiedniej temperatury hartowania, stal D2 zazwyczaj wykazuje rozszerzalność lub kurczenie o około 0,0005 cala na cal (0,0005 mm/mm). Jednak czynniki takie jak geometria elementu i inne odkształcenia, takie jak gięcie lub skręcanie, mogą powodować odchylenia. Wysoka zawartość węgla i chromu pomaga zminimalizować odkształcenia mikrostruktury podczas formowania i obróbki metalu. Kluczowym czynnikiem wpływającym na stabilność wymiarową stali D2 jest austenit szczątkowy, który po standardowej obróbce cieplnej może osiągnąć nawet 20%. Ten austenit szczątkowy może spontanicznie przekształcić się w niehartowany martenzyt w temperaturze pokojowej, co prowadzi do późniejszych zmian wymiarowych. Zastosowanie odpowiednich cykli obróbki cieplnej – takich jak hartowanie po wygrzewaniu w temperaturze 345°C (650°F) przez jedną godzinę – poprawia stabilność wymiarową w temperaturze pokojowej. Konstrukcja części ma również duży wpływ na poziom odkształceń, gdyż oddziałuje na równomierność wymiany ciepła.

Właściwości mechaniczne i fizyczne stali D2

Wpływ obróbki cieplnej na właściwości stali D2

Na właściwości mechaniczne stali D2 duży wpływ ma jej obróbka cieplna, która zazwyczaj obejmuje austenityzację, hartowanie i odpuszczanie.

• Austenityzowanie determinuje stopień rozpuszczenia węglików, jednorodność struktury austenitu oraz wielkość ziarna, wpływając tym samym na hartowność i ostateczne właściwości stali. Wyższe temperatury austenityzacji prowadzą do większego rozpuszczenia węglików, zwiększając zawartość węgla i chromu w roztworze stałym, co może obniżyć temperatury Ms (początek martenzytu) i Mf (koniec martenzytu) oraz zwiększyć ilość austenitu szczątkowego. Przegrzanie lub nadmierne wygrzewanie podczas austenityzacji może uszkodzić strukturę molekularną i prowadzić do kruchości, a niedogrzanie prowadzi do braku twardości. Oczekuje się, że stal D2 osiągnie twardość 64 HRC po hartowaniu.
• Po austenityzacji stal D2 jest zazwyczaj hartowana w powietrzu, choć możliwe jest również hartowanie w oleju. Hartowanie w powietrzu minimalizuje odkształcenia. Szybkość chłodzenia podczas hartowania ułatwia przekształcenie austenitu w martenzyt, który jest najtwardszym składnikiem stali niskostopowych i jest głównym celem uzyskania zadowalającej twardości.
• Odpuszczanie to krytyczny proces obróbki cieplnej po hartowaniu stali D2, zazwyczaj przeprowadzany w temperaturach od 480°C do 540°C (od 900°F do 1000°F). Jest on przeprowadzany jak najszybciej po schłodzeniu, aby zmniejszyć naprężenia szczątkowe i zapobiec pękaniu. Stal D2 często wymaga wielokrotnych cykli odpuszczania (np. podwójnego lub potrójnego odpuszczania). Wielokrotne odpuszczanie udoskonala strukturę ziarna, poprawia odporność na zużycie i zapewnia odprężenie. Co istotne, odpuszczanie zmniejsza ilość austenitu szczątkowego, która po standardowej obróbce cieplnej może sięgać nawet 20%, poprawiając tym samym stabilność wymiarową i zapobiegając spontanicznej przemianie w nieodpuszczony martenzyt w temperaturze pokojowej z upływem czasu. Proces ten obejmuje przekształcenie metastabilnego węglika epsilon w cementyt i wytrącanie węglików stopowych, co powoduje wzrost twardości i objętości, znany jako hartowanie wtórne.

Szczegółowe metody obróbki cieplnej stali D2 można znaleźć w Jak prawidłowo poddać obróbce cieplnej stal D2.

Aplikacje

Ze względu na te właściwości D2 jest materiałem idealnym do trudnych prac związanych z obróbką na zimno, wymagających wysokiej odporności na zużycie:

• Umiera: Matryce do wykrawania, formowania, tłoczenia, ciągnienia, walcowania gwintów, wytłaczania i przycinania. Szczególnie przydatne w przypadku długich serii produkcyjnych.
• Uderzenia: Przebijaki, przebijaki do formowania na zimno.
• Ostrza i noże: Ostrza do nożyc, ostrza do nożyc tnących, noże przemysłowe (do papieru, drewna).
• Bułki: Rolki formujące, rolki zamykające, rolki napędowe.
• Części eksploatacyjne: Sprawdziany, trzpienie, kły tokarskie i czasami prowadnice lub krzywki, w przypadku których wymagana jest duża odporność na zużycie.

Wniosek

Wysokowęglowy i chromowy skład chemiczny stali D2 oraz jej unikalna, bogata w węgliki mikrostruktura sprawiają, że pozostaje ona niezawodnym wyborem w warsztatach przemysłowych i wśród użytkowników narzędzi. Oferuje wysoką odporność na zużycie, wysoką twardość i ekonomiczność. Jednak jej wady są równie oczywiste: jej wytrzymałość nie jest szczególnie wysoka, co czyni ją nieodpowiednią do zastosowań wymagających dużej udarności, a obróbka skrawaniem stanowi poważne wyzwanie. Niezależnie od tego, wartość stali D2 pozostaje równie stabilna dziś, jak dekady temu.