Czynniki wpływające na twardość stali narzędziowej D2

Stal narzędziowa D2 to stal wysokowęglowa i wysokochromowa, hartowana na powietrzu. Jej twardość zależy od składu chemicznego, parametrów obróbki cieplnej i oddziaływań mikrostrukturalnych.

Poniżej przedstawiono szczegółowe czynniki wpływające na twardość stali narzędziowej D2.

Elementy stopowe w składzie

Skład stali D2 jest następujący:¹

Węgiel (C)	Chrom (Cr)	Molibden (Mo)	Wanad (V)	Mangan (Mn)	Krzem (Si)	Fosfor (P)	Siarka (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

1. Węgiel (C). Zawartość węgla jest głównym pierwiastkiem wpływającym na maksymalną twardość martenzytu. Stal D2 o zawartości węgla wynoszącej około 1,51 TP3T osiąga wysoki stopień twardości. 
2. Chrom (Cr). Chrom znacząco poprawia odporność stali D2 na zużycie poprzez tworzenie dużej ilości węglików stopowych M7C3 o wysokiej twardości. Wysoka zawartość chromu zapewnia również stali D2 odporność na plamienie.
3. Molibden (Mo) i wanad (V). Pierwiastki te są twardymi dodatkami stopowymi, które zwiększają odporność na zużycie i umożliwiają wtórne hartowanie stali D2 podczas procesu odpuszczania. Zapewniają one również wysoką hartowność stali D2, umożliwiając hartowanie w powietrzu, co ma tę zaletę, że zapewnia stali D2 doskonałą stabilność wymiarową. Wanad może tworzyć niezwykle twarde węgliki typu MC, takie jak VC, o twardości do 2520 HK.
4. Mangan (Mn) i krzem (Si). Chociaż pierwiastki te nie mają tak znaczącego wpływu na maksymalną twardość jak węgiel lub pierwiastki węglikotwórcze, przyczyniają się do hartowności.

Parametry obróbki cieplnej

Odpowiednia obróbka cieplna stali narzędziowej D2 ma również decydujący wpływ na jej twardość. Reguluje ona twardość stali narzędziowej D2 poprzez zmianę mikrostruktury stali. Szczegółowe informacje na ten temat można znaleźć w: ‘Jak prawidłowo poddać obróbce cieplnej stal D2.‘

Temperatura i czas austenityzacji

Podgrzanie stali D2 do temperatury austenityzacji 980-1010°C / 1800-1850°F powoduje rozpuszczenie dużej ilości węglików, wzbogacając austenit z pierwiastkami stopowymi, takimi jak węgiel, chrom i molibden. Ten wzbogacony austenit jest kluczowy dla uzyskania wysokiej twardości martenzytycznej po hartowaniu. Optymalny zakres temperatur dla uzyskania maksymalnej twardości jest specyficzny dla każdej stali typu D.

Wyższe temperatury austenityzacji powodują większe rozpuszczenie węglika stopowego i większe wzbogacenie austenitu w węgiel i pierwiastki węglikotwórcze. Może to zwiększyć ilość austenitu szczątkowego w mikrostrukturze po hartowaniu. Austenit szczątkowy jest fazą bardziej miękką, a jego nadmierna ilość może prowadzić do obniżenia twardości po hartowaniu i niestabilności wymiarowej w czasie. Jednakże, przy odpowiedniej kontroli, może on korzystnie wpływać na udarność.

Medium hartownicze i szybkość chłodzenia

Hartowanie może przekształcić austenit wewnątrz stali D2 w martenzyt, czyli twardą osnowę. Stal D2 to stal hartowana na powietrzu, którą można odpuszczać po schłodzeniu do temperatury 65°C (150°F) w powietrzu. Większe elementy stali D2 można równomiernie chłodzić za pomocą wentylatora.

Temperatura i czas hartowania

Odpuszczanie to istotny proces obróbki cieplnej po hartowaniu, który dostosowuje twardość, łagodzi naprężenia wewnętrzne i znacząco zwiększa wytrzymałość stali narzędziowej D2. 

Stal D2 może osiągnąć twardość około 62 HRC po jednorazowym odpuszczaniu w temperaturze 205°C (400°F). Jednak zastosowanie wyższej temperatury do dwukrotnego odpuszczania, np. 515°C/960°F dla pierwszego odpuszczania i 480°C/900°F dla drugiego odpuszczania, zazwyczaj skutkuje niższą twardością, wynoszącą 58 HRC. Niemniej jednak proces ten poprawia strukturę ziarna, zwiększa odporność na zużycie i wydłuża żywotność.

Zależność temperatury odpuszczania od twardości stali D2²

Temperatura hartowania	Rockwell C
Jak ugasić	64
300 °F / 150 °C	61
400 °F / 205 °C	60
500 °F / 260 °C	58
600 °F / 150 °C	58
700 °F / 370 °C	58
800 °F / 425 °C	57
900 °F / 480 °C	58
960 °F / 515 °C	58/60
1000 °F / 540 °C	56
1100 °F / 595 °C	48

Charakterystyka i obróbka przedmiotu obrabianego ze stali D2

Oprócz naturalnych właściwości i obróbki cieplnej materiału D2, na twardość wpływają także jego stan początkowy, wymiary, kształt geometryczny i obróbka powierzchni.

1. Stal D2 jest zwykle poddawana obróbce mechanicznie w stanie wyżarzonym (maksymalna twardość po wyżarzeniu wynosi ok. 220 HB), co ułatwia obróbkę przed ostatecznym hartowaniem.
2. Wymiary i struktura części D2 mają wpływ na szybkość chłodzenia podczas hartowania, co z kolei wpływa na jednorodność twardości.
3. Procesy produkcyjne, takie jak szlifowanie czy obróbka elektroerozyjna (EDM), mogą powodować wady powierzchniowe lub zmieniać jej twardość. Na powierzchni szlifowanych narzędzi może zachodzić proces reaustenityzowania i hartowania, co prowadzi do wysokiej twardości i kruchości. 
4. Azotowanie może znacząco zwiększyć twardość powierzchniową stali D2 (np. 750-1200 HV) bez konieczności nakładania grubej warstwy. Ten proces jest szczególnie korzystny pod względem odporności na zużycie i jest stosowany w temperaturach, które wymagają od stali dobrej odporności na odpuszczanie.

Streszczenie

Wysoka twardość stali narzędziowej D2 wynika z martenzytu o wysokiej twardości, który powstaje dzięki wysokiej zawartości węgla. Precyzyjna kontrola temperatury austenityzacji stali D2, wraz z wieloetapowym procesem odpuszczania, pozwala na regulację jej twardości, odporności na zużycie i wytrzymałości.

1. Roberts, G., Krauss, G. i Kennedy, R. (1998). Stale narzędziowe: 5. edycja (str. 203). ASM International. ↩︎
2. Bryson, WE (2010). Obróbka cieplna, dobór i zastosowanie stali narzędziowych (wyd. 2, s. 1149). Publikacje Hansera. ↩︎