Stal narzędziowa D2 kontra A2: Wybór odpowiedniego materiału na matryce i stemple do pracy na zimno

W ramach kategorii podstawowej stale narzędziowe do obróbki na zimno, AISI A2 I D2 są szeroko stosowane w zastosowaniach przemysłowych. W AISI Zgodnie z systemem klasyfikacji, A2 należy do grupy „hartujących się w powietrzu, średniostopowych” (Grupa A), podczas gdy D2 należy do grupy „wysokowęglowych, wysokochromowych” (Grupa D). A2 jest obecnie dominującą stalą narzędziową hartującą się w powietrzu, oferującą doskonałą hartowność, dobrą odporność na zużycie i wyższą udarność w porównaniu z innymi stalami narzędziowymi. Z kolei stal wysokowęglowa i wysokochromowa gatunku D2 stała się punktem odniesienia w branży, względem którego mierzona jest odporność na zużycie i stabilność wymiarowa innych stali narzędziowych. Kluczowy kompromis przy wyborze między tymi materiałami leży w ich inherentnych właściwościach: A2 oferuje lepszą udarność i ciągliwość, podczas gdy D2 posiada z natury większą odporność na zużycie, potencjalnie przewyższając A2 o 30% do 40%.

Czy stal A2 jest lepsza od stali D2? Przy wyborze stali narzędziowej, a konkretnie AISI A2 i AISI D2, nie chodzi tylko o to, która jest „lepsza”. Obie są doskonałe. stale narzędziowe do obróbki na zimno, ale sprawdzają się w różnych sytuacjach. Kluczem jest zrozumienie Twoich specyficznych potrzeb i dopasowanie ich do odpowiedniej stali. Przyjrzyjmy się ich cechom.

Czym jest stal narzędziowa A2

Stal AISI A2 jest klasyfikowana jako stal narzędziowa do obróbki na zimno, hartowana w powietrzu (grupa A) o średniej zawartości stopu i jest powszechnie uważana za podstawową stal matrycową hartowaną w powietrzu, stosowaną obecnie. Charakteryzuje się idealną równowagą między wytrzymałością a odpornością na zużycie. Typowy skład chemiczny stali A2 obejmuje około 1,00% węgla, 5,0% do 5,25% chromu, 1,10% do 1,25% molibdenu i 0,25% wanadu.

Stal A2 jest powszechnie stosowana jako wszechstronny wybór w różnych zastosowaniach obróbki plastycznej na zimno. Typowe zastosowania obejmują narzędzia tnące, stemple, wykrojniki i okrawarki, tłoczniki i matryce formujące. Jest szczególnie odpowiednia do zastosowań wymagających rygorystycznej stabilności wymiarowej, takich jak produkcja przyrządów pomiarowych i precyzyjnych narzędzi pomiarowych.

Czym jest stal narzędziowa D2

Stal narzędziowa AISI D2 to wysokowęglowa, wysokochromowa, hartowana w powietrzu stal do pracy na zimno (Grupa D). Ten gatunek stali jest globalnie uznawany za standardowy punkt odniesienia w pomiarze odporności na zużycie i stabilności wymiarowej innych stali narzędziowych. Stal narzędziowa AISI D2 to wysokowęglowa, wysokochromowa, hartowana w powietrzu stal do pracy na zimno (Grupa D). Ten gatunek stali jest globalnie uznawany za standardowy punkt odniesienia w pomiarze odporności na zużycie i stabilności wymiarowej innych stali narzędziowych. Jej typowy skład to: zawartość węgla (C), 1,40% do 1,60%; zawartość chromu (Cr), 11,00% do 13,50%. Taki skład daje dużą frakcję objętościową twardych węglików stopowych, głównie bogatych w chrom węglików M7C3, które wykazują doskonałą odporność na ścieranie. Ta sieć węglików poprawia odporność na zużycie o 30% do 40% w porównaniu ze stalą A2. Jednak wysoka zawartość twardych pierwiastków węglikotwórczych — szczególnie chromu — sprawia, że stal D2 jest niezwykle trudna do obróbki skrawaniem i szlifowania.

Stal D2 nadaje się do zastosowań wymagających najwyższej trwałości i wydłużonej żywotności, szczególnie w zastosowaniach krytycznych, gdzie wymagane są ostre krawędzie w warunkach ściernych. Typowe zastosowania obejmują: wykrojniki o długiej żywotności, matryce do formowania na zimno, matryce do laminowania, matryce do walcowania gwintów, a także narzędzia do cięcia i rozcinania.

A2 kontra D2: bezpośrednie porównanie kluczowych właściwości

Skład chemiczny i mikrostruktura

Stal D2 to stal wysokowęglowa i wysokochromowa. Z mikrostruktury, pierwiastki te tworzą dużą ilość węglików, szczególnie węglików M7C3 bogatych w chrom.¹To właśnie te węgliki nadają stali D2 wysoką odporność na zużycie i twardość. Po odpowiedniej obróbce cieplnej, udział objętościowy nierozpuszczonych węglików w mikrostrukturze stali D2 wynosi około 13%, znacznie więcej niż w przypadku stali A2.

Zawartość chromu około 5% w stali A2 zapewnia jej odporność na mięknięcie w wysokich temperaturach. Stal A2 charakteryzuje się dobrą odpornością na zużycie dzięki swojej mikrostrukturze, która charakteryzuje się równomiernie rozłożonymi strukturami martenzytu wysokowęglowego i węglików. Chociaż stal A2 zawiera węgliki stopowe, jej ziarno jest mniejsze niż w stalach serii D2.².

Wytrzymałość a twardość i odporność na zużycie

Zarówno stal narzędziowa D2, jak i stal narzędziowa A2 charakteryzują się doskonałą odpornością na zużycie, przy czym D2 przewyższa A2 pod tym względem. Stal A2 oferuje jednak wyższą wytrzymałość. Niższa wytrzymałość stali D2 wynika z wysokiej zawartości węgla i to właśnie te węgliki zapewniają stali D2 wyjątkową odporność na zużycie. Odporności na zużycie i wytrzymałości nie da się osiągnąć jednocześnie.

• A2: Zaleta wytrzymałościWytrzymałość odnosi się do zdolności materiału do odporności na pękanie, odpryskiwanie lub pękanie pod wpływem obciążeń udarowych lub uderzeniowych. Stal narzędziowa AISI A2 charakteryzuje się znacznie wyższą wytrzymałością w porównaniu ze stalą D2. Gdy ryzyko pęknięcia elementu jest priorytetem lub w zastosowaniach charakteryzujących się dużymi naprężeniami i sporadycznymi uderzeniami, stal A2 jest często preferowanym wyborem.
• D2: Odporność na zużycie KorzyśćOdporność na zużycie to zdolność do przeciwstawiania się skutkom ścierania i erozji powstających w wyniku kontaktu z materiałami obrabianymi, ścierniwem lub zgorzeliną. Stal narzędziowa D2 jest standardem, względem którego ocenia się odporność na ścieranie innych stali narzędziowych do pracy na zimno, charakteryzując się wyjątkowo wysokim poziomem odporności na zużycie. Mikrostruktura stali D2 zawiera dużą frakcję objętościową twardych węglików stopowych (szczególnie węglików M₇C₃ bogatych w chrom), które są odporne na penetrację cząstek ściernych i utrzymują krawędź skrawającą. Ta bogata w węgliki mikrostruktura zapewnia stali D2 o około 30% do 40% wyższą odporność na zużycie niż w przypadku stali A2.

Utrzymanie krawędzi

Zarówno stale narzędziowe A2, jak i D2 wymagają obróbki cieplnej, aby uzyskać wysoką twardość – cechę kluczową dla narzędzi do obróbki na zimno, zapewniającą wystarczającą wytrzymałość i odporność na zużycie. Stal A2 osiąga zazwyczaj twardość roboczą od 57 do 62 HRC, podczas gdy stal D2 od 58 do 64 HRC. Stal A2 charakteryzuje się dobrą odpornością na zużycie, ale jej niższa zawartość stopu (około 1,001 TP3T węgla i 5,01 TP3T chromu) powoduje mniejsze cząsteczki węglika, co znacznie zmniejsza trwałość krawędzi w porównaniu ze stalą D2.

Hartowalność i obróbka cieplna

Utwardzanie i odkształcanie w powietrzu

A2 i D2 to gatunki stali, w których hartowanie w powietrzu stosuje się głównie w procesie chłodzenia. Hartowanie w powietrzu to proces schładzania od temperatury austenityzacji do temperatury pokojowej, co pozwala na osiągnięcie całkowitego hartowania. Jego zaletami są minimalne odkształcenia materiału i niskie ryzyko pęknięć. W porównaniu ze stalą hartowaną w oleju lub wodzie, A2 i D2 wykazują mniejsze odkształcenia, właśnie dlatego, że zmiany temperatury podczas hartowania w powietrzu są bardzo powolne.

Zarówno A2, jak i D2 wykazują doskonałą stabilność wymiarową podczas hartowania. Po hartowaniu powietrzem w odpowiedniej temperaturze hartowania, A2 rozszerza się o około 0,001 cala na cal. D2 osiąga tzw. „zmianę zero-wymiarową” poprzez precyzyjną kontrolę równowagi między austenitem i martenzytem poprzez wielokrotne cykle odpuszczania. Chcielibyśmy podkreślić, że D2 zachowuje do 20% swojej struktury austenitycznej po hartowaniu. Jeśli nie zostanie odpowiednio poddany obróbce poprzez późniejsze hartowanie lub obróbkę w niskiej temperaturze, może to prowadzić do niestabilności wymiarowej.

Odpuszczanie

Pojedynczy cykl odpuszczania jest zazwyczaj wystarczający dla A2, podczas gdy D2 wymaga złożonego cyklu odpuszczania. Pojedyncza temperatura odpuszczania dla A2 wynosi 400°F (205°C). Jeśli wymagany jest drugi cykl odpuszczania, temperatura jest nieznacznie obniżana do 375°F (190°C). Celem drugiego cyklu odpuszczania dla A2 jest udoskonalenie struktury ziarna. Po drugim cyklu odpuszczania A2 jest szczególnie korzystne dla części o złożonych przekrojach poprzecznych, ostrych kątach lub części wymagających dłuższej żywotności narzędzia i lepszej wytrzymałości.

W przypadku D2 pojedyncza temperatura odpuszczania wynosi 400°F (205°C), co pozwala uzyskać twardość około 62 HRC. Jednak bardziej zalecaną i powszechną metodą dla D2 jest podwójne odpuszczanie. Pierwsza temperatura odpuszczania w procesie podwójnego odpuszczania wynosi 960°F (515°C), po której następuje drugie odpuszczanie w temperaturze 900°F (480°C), przy czym każde odpuszczanie trwa 2 godziny na cal przekroju poprzecznego. Ten proces podwójnego odpuszczania w wysokiej temperaturze udoskonala strukturę ziarna, znacznie zwiększając odporność na zużycie i odprężanie. W przypadku D2, wysokowęglowej, wysokochromowej stali hartowanej na powietrzu, zdecydowanie zalecamy podwójne odpuszczanie, a w niektórych przypadkach nawet potrójne odpuszczanie, aby promować przemianę austenitu resztkowego w martenzyt.

Obróbka skrawaniem i szlifowalność

A2 jest łatwy do obróbki i szlifowania, podczas gdy D2 jest trudny do obróbki i szlifowania. Jeśli obróbka i szlifowanie stali W1 jest ustawione na 100, to A2 ma 60 punktów, a D2 45. Powyższy tekst wyjaśnia, dlaczego D2 jest trudny do obróbki i szlifowania z perspektywy składu i mikrostruktury. To kolejny przykład dwóch stron tej samej monety.

Odporność na korozję

Stal narzędziowa AISI D2 znacznie przewyższa większość stali narzędziowych niebędących stalami nierdzewnymi pod względem odporności na plamy i korozję. Jednak stal D2 nie jest prawdziwie nierdzewna, ponieważ jej wysoka zawartość chromu jest związana głównie z licznymi twardymi węglikami, które redukują „wolny” chrom dostępny w osnowie martenzytycznej, tworząc warstwę pasywacyjną.

Stal narzędziowa A2 charakteryzuje się niską odpornością na korozję ze względu na niewystarczającą zawartość stopu i jest podatna na rdzewienie w wilgotnych lub korozyjnych środowiskach. Podczas przechowywania i użytkowania wymagane są regularne zabiegi konserwacyjne (takie jak olejowanie lub nakładanie powłok ochronnych), aby zapobiec degradacji pod wpływem warunków atmosferycznych.

Aplikacje

Zastosowania stali narzędziowej D2: Stal D2 jest szeroko stosowana do produkcji matryc długoseryjnych. Jej wyjątkowa odporność na zużycie sprawia, że idealnie nadaje się do:

• Wykrojniki, formy i matryce do głębokiego tłoczenia: przeznaczone szczególnie do długich serii produkcyjnych, cięcia laminatów i walcowania gwintów.
• Przebijaki i matryce: Ze względu na wysoką odporność na zużycie.
• Noże tnące i rozcinające: Do intensywnej produkcji materiałów o małej lub średniej grubości.
• Przyrządy pomiarowe, narzędzia do polerowania, rolki, formy do cegieł: gdzie najważniejsza jest maksymalna odporność na ścieranie i stabilność wymiarowa.
• Obróbka na gorąco odkuwek: Chociaż materiał D2 jest przeznaczony głównie do obróbki na zimno, można go również stosować do obróbki na gorąco, gdy wytrzymałość nie ma większego znaczenia.

Zastosowania stali narzędziowej A2: Stal A2 to wszechstronny wybór ogólnego zastosowania, ceniony za równowagę między odpornością na ścieranie a wytrzymałością, a także minimalne odkształcenia podczas obróbki cieplnej. Typowe zastosowania obejmują:

• Wykrojniki i matryce ogólnego przeznaczenia: Do wykrawania, formowania i ciągnienia, szczególnie tam, gdzie wymagana jest dobra odporność na ścieranie i zwiększona wytrzymałość.
• Główne piasty i formy: Szczególnie w przypadku małych form, gdzie ważna jest dobra odporność na zużycie i stabilność wymiarowa.
• Ostrza nożyc: Do cięcia na zimno, zapewniają dobrą odporność na zużycie.
• Piły: Materiał uniwersalny do wielu zastosowań.
• Matryce pełne: Często preferowane w stosunku do D2 lub D3 w przypadku stempli i matryc pełnych, w przypadku których nie jest możliwe intensywne szlifowanie, ponieważ A2 zapewnia lepszą równowagę między wytrzymałością a hartownością w przypadku większych przekrojów.

Rozważania dotyczące wyboru strategicznego

Wybierając pomiędzy D2 i A2, weź pod uwagę następujące kwestie:

• Objętość produkcji i ścieralność: D2 nadaje się do wyjątkowo długich cykli produkcyjnych lub materiałów obrabianych o dużej ścieralności, natomiast A2 nadaje się do średnich cykli produkcyjnych lub materiałów o małej ścieralności.
• Obciążenie udarowe i ryzyko odpryskiwania: Jeśli chodzi o materiały używane do produkcji noży, stal A2 charakteryzuje się wyższą wytrzymałością i ciągliwością, co czyni ją bardziej odpowiednią do zastosowań w nożach. Stal D2 jest natomiast zbyt krucha i podatna na odpryskiwanie.
• Koszty produkcji: Materiał D2 jest trudniejszy w obróbce i szlifowaniu, co przekłada się na wyższe koszty przetwarzania w porównaniu z materiałem A2.

Często zadawane pytania

Podsumowując, jeśli potrzebujesz materiału o lepszej odporności na zużycie, D2 będzie lepszym wyborem. Zaletą A2 jest jego lepsza wytrzymałość i ciągliwość. Zaleta w jednej sytuacji może stać się wadą w innej, dlatego dogłębne zrozumienie właściwości obu materiałów jest kluczowe, aby dokonać właściwego wyboru.

1. JR Davis, Metals Handbook Desk Edition, wydanie 2, Międzynarodowy Komitet Podręcznikowy ASM. ↩︎
2. Dr Rafael A. Mesquita, STALE NARZĘDZIOWE Właściwości i wydajność, Wydawnictwo CRC Press. ↩︎