D2 vs SKD11 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

D2 und SKD11 sind zwei der am häufigsten spezifizierten Werkzeugstähle für Kaltbearbeitungs- und hochverschleißfeste Anwendungen. Ingenieure, Einkaufsleiter und Produktionsplaner wägen regelmäßig die Kompromisse zwischen Verschleißfestigkeit, Zähigkeit, Kosten und Herstellbarkeit ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Das praktische Auswahlproblem konzentriert sich typischerweise darauf, welcher Standard und welche Lieferkette am bequemsten sind, während die erforderliche Härte und Lebensdauer sichergestellt werden — kurz gesagt, das Gleichgewicht zwischen Verschleißfestigkeit und Wärmebehandlungsreaktion gegen Dienstsprödigkeit und Fertigungsschwierigkeiten.

Beide Stähle sind chemisch und funktional sehr ähnlich: Der eine wird in nordamerikanischen/europäischen Standards definiert und der andere in japanischen Standards, und sie werden häufig als nahezu Äquivalente in Zeichnungen und Spezifikationen behandelt. Kleine Unterschiede in den Zusammensetzungstoleranzen, Verunreinigungsgrenzen und kommerziellen Wärmebehandlungen (und damit in der Leistung bei extremen Anwendungen oder spezifischen Prozessen) sind die Hauptgründe, warum sie weiterhin verglichen werden.

1. Standards und Bezeichnungen

• AISI/ASTM: AISI D2 / UNS T30402, häufig in Nordamerika referenziert.
• JIS: SKD11 (JIS G4404), häufig in Japan und vielen asiatischen Lieferketten referenziert.
• EN / ISO: EN 1.2379 (wird oft als europäische Kennung für diese Familie verwendet).
• GB: Chinesische Äquivalente werden typischerweise unter Cr-Serie-Namen (z.B. Cr12MoV-Varianten) in GB-Standards identifiziert.

Klassifizierung: Sowohl D2 als auch SKD11 sind hochkohlenstoffhaltige, hochchromhaltige Kaltarbeitswerkzeugstähle (Werkzeugstahltyp, nicht rostfrei). Sie sind legiert für hohe Verschleißfestigkeit und hohe Härtbarkeit und werden überwiegend in Kaltarbeitsformen, Schneidwerkzeugen und Verschleißkomponenten eingesetzt.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: Typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%). Werte sind typische Bereiche, die kommerziell verwendet werden; konsultieren Sie das Werkszertifikat für die genaue Chargenchemie.

Element	Typisch — AISI D2 (Gew.-%)	Typisch — JIS SKD11 (Gew.-%)
C	1.40 – 1.60	1.40 – 1.60
Mn	0.30 – 1.00	0.10 – 1.00
Si	0.20 – 0.60	0.10 – 0.60
P	≤ 0.03	≤ 0.03
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	11.0 – 13.0	11.0 – 13.0
Ni	≤ 0.30	≤ 0.30
Mo	0.70 – 1.20	0.20 – 1.00
V	0.30 – 1.10	0.20 – 0.80
Nb/Ti/B	typischerweise keine oder Spuren	typischerweise keine oder Spuren
N	Spuren	Spuren

Hinweise: - Beide Stähle basieren auf hohem Kohlenstoff- und hohem Chromgehalt, um eine martensitische Matrix mit einer dichten Population von chromreichen Karbiden zu bilden (die zur Verschleißfestigkeit beitragen). - Molybdän und Vanadium werden hinzugefügt, um die Karbidart und -verteilung zu verfeinern, die Härtbarkeit zu erhöhen und die sekundäre Härtungsreaktion zu verbessern. Kleine Unterschiede in den Mo- und V-Bereichen zwischen den Standards können die Karbidmorphologie und das Anlassen beeinflussen. - Phosphor und Schwefel werden auf niedrigen Niveaus kontrolliert, um die Zähigkeit und Bearbeitbarkeit zu erhalten.

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff erhöht die Härte und Verschleißfestigkeit durch Martensit- und Karbidbildung, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit. - Chrom (hoher Gehalt) erzeugt harte Chromkarbide und verbessert die Härtbarkeit; in diesen Mengen verleiht es eine begrenzte Korrosionsbeständigkeit, macht den Stahl jedoch nicht rostfrei. - Vanadium und Molybdän erzeugen harte, stabile Karbide und verlangsamen das Grobkornwachstum der Karbide während des Anlassens, was die Verschleißfestigkeit und Warmhärte verbessert. - Silizium und Mangan sind in bescheidenen Mengen zur Entgasung und Festigkeit vorhanden.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostruktur (nach Standardwärmebehandlung): eine martensitische Matrix, die ein Netzwerk/eine Dispersion von chromreichen Legierungskarbid enthält (vorwiegend vom Typ M7C3 / M23C6, abhängig von Chemie und Behandlung) plus härtere MC-Karbid, wenn Vanadium signifikant ist.

Wärmebehandlungsmerkmale: - Gehäuft / weiche Bedingung: sphäroidisierte Karbide in einer ferritisch/perlitischen Matrix zur Erleichterung der Bearbeitung (typischerweise für die Vorbearbeitung verwendet). - Härten: hohe Austenitisierungstemperaturen (oft im Bereich, der für hoch-C hoch-Cr-Stähle geeignet ist) erzeugen eine martensitische Matrix beim Abschrecken. Aufgrund des höheren Cr- und Legierungsgehalts erfordern Teile erhöhte Austenitisierung und kontrollierte Abkühlung, um Rissbildung zu vermeiden. - Anlassen: eine Folge von Anlaszyklen erreicht den gewünschten Härte-Zähigkeits-Kompromiss. Sekundäre Härtung (aufgrund der Ausfällung von Mo- und V-reichen Karbiden) kann auftreten; die Auswahl der Anlasstemperatur beeinflusst die endgültige Zähigkeit und den verbleibenden Austenit erheblich. - Normalisieren und thermo-mechanische Bearbeitung: begrenzte Rolle im Vergleich zu Abschrecken & Anlassen, da die bereits vorhandenen Karbide das Verschleißverhalten bestimmen; jedoch kann kontrolliertes Schmieden/Normalisieren die Karbidverteilung homogenisieren und die Segregation reduzieren.

Unterschiede zwischen D2 und SKD11: - Mikrostrukturelle Unterschiede sind subtil und ergeben sich hauptsächlich aus kleinen Chemietoleranzen und Fertigungswegen. Ein Standard könnte leicht höhere Vanadium- oder Molybdängehalte spezifizieren, was feinere MC-Karbid und geringfügig verbesserte Verschleißfestigkeit nach der Wärmebehandlung erzeugt. In den meisten Anwendungen sind diese Unterschiede sekundär im Vergleich zur Wärmebehandlung und Prozesskontrolle.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: Typische Eigenschaftsbereiche nach geeigneter Abschreck- & Anlasbehandlung (repräsentativ — prozessabhängig).

Eigenschaft	AISI D2 (typischer Bereich)	JIS SKD11 (typischer Bereich)
Zugfestigkeit	~1000 – 2000 MPa (prozessabhängig)	~1000 – 2000 MPa (prozessabhängig)
Streckgrenze	Wird nicht häufig separat spezifiziert; hoch und nahe an UTS im gehärteten Zustand	Ähnlich
Dehnung (Ao)	~3 – 12% (nimmt mit höherer Härte ab)	~3 – 12%
Schlagzähigkeit (Charpy)	Niedrig bis moderat; stark abhängig vom Anlassen	Niedrig bis moderat; ähnlich
Härte (HRC)	Typischerweise 55 – 62 HRC nach Härten & Anlassen	Typischerweise 55 – 62 HRC

Interpretation: - Beide Stähle erreichen hohe Härte und Zugfestigkeit, wenn sie richtig wärmebehandelt werden. Duktilität und Schlagfestigkeit sind bei hoher Härte begrenzt; das Anlassen auf niedrigere Härte verbessert die Zähigkeit, verringert jedoch die Lebensdauer gegen Verschleiß. - Keiner der Stähle ist im Vergleich zu niedriglegierten Baustählen „zäh“ — ihr Designziel ist Verschleißfestigkeit bei erhöhter Härte. Kleine chemische Unterschiede können den optimalen Kompromisspunkt verschieben, jedoch nicht das grundlegende Verhalten.

5. Schweißbarkeit

Hoher Kohlenstoff- und hoher Chromgehalt erhöhen die Härtbarkeit und das Karbidvolumen; beide Faktoren verschlechtern die Schweißbarkeit. Wichtige Überlegungen: - Vorwärmen und Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) sind typischerweise notwendig, um Kaltverzug zu vermeiden und Martensit im wärmebeeinflussten Bereich zu tempern. - Karbidfällung und -segregation können die Eigenschaften der Schweißverbindungszone komplizieren.

Nützliche prädiktive Ausdrücke: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Ein höheres $CE_{IIW}$ zeigt an, dass eine härtere Vorwärmung und PWHT-Kontrolle erforderlich sind und die Anfälligkeit für Rissbildung erhöht ist.

• Internationaler Parameter $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Höhere $P_{cm}$-Werte zeigen ebenfalls strengere Schweißverfahren an.

Qualitative Hinweise: - Sowohl D2 als auch SKD11 sind im gehärteten Zustand schwierig zu schweißen; das Schweißen wird im Allgemeinen vermieden, es sei denn, es handelt sich um Reparaturen mit speziellen Verfahren (kontrolliertes Vorwärmen, niedrige Wärmeaufnahme, geeignete Füllmetalle und PWHT). Löten, mechanische Befestigung oder das Herstellen von Merkmalen durch EDM und das Aufbauen mit kompatiblen Fülllegierungen sind gängige Alternativen.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Diese Stähle sind trotz des hohen Cr-Gehalts keine rostfreien Stähle; Chrom ist hauptsächlich vorhanden, um harte Karbide zu bilden. Erwarten Sie nur eine bescheidene Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu rostfreien Stählen.
• Typische Schutzstrategien: Farben, Polymerbeschichtungen, Phosphatierung und Galvanisierung gegen atmosphärische Korrosion — und Verzinkung, wo es angebracht ist (unter Berücksichtigung der Sprödigkeit der Beschichtung an scharfen Kanten). Für Werkzeuge werden Oberflächenbehandlungen wie Nitrieren, physikalische Dampfabscheidung (PVD)-Beschichtungen (TiN, DLC) oder Hartverchromung verwendet, um die Lebensdauer zu verlängern und Reibung/Verschleiß zu reduzieren.
• PREN ist nicht auf nicht-rostfreie Werkzeugstähle anwendbar, aber zur Referenz: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index ist nur für rostfreie Legierungen mit signifikanter Korrosionsbeständigkeit sinnvoll — D2/SKD11 werden nicht auf diese Weise bewertet.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitung: Beide sind im geglühten Zustand nach der Sphäroidisierung relativ einfach zu bearbeiten. Im gehärteten Zustand sind sie schwierig und werden typischerweise durch Schleifen, EDM oder langsame, schwere Schneidwerkzeuge mit starren Aufbauten bearbeitet.
• Formen und Biegen: Im gehärteten Zustand begrenzt; das Formen sollte im geglühten Zustand erfolgen. Die Rückfederung und Rissrisiken steigen mit dem Kohlenstoffgehalt und der Härte.
• Oberflächenfinish: Schleifen und Polieren sind Standard für Endwerkzeuge; kryogene Behandlungen und PVD-Beschichtungen sind gängig, um die Lebensdauer zu verlängern.
• Wärmebehandlung und Abschreckrissbildung: Aufgrund der hohen Härtbarkeit ist die Kontrolle der Abschreckschwere und der Bauteilgeometrie entscheidend, um Abschreckrisse und Verformungen zu vermeiden.

8. Typische Anwendungen

AISI D2 – Typische Anwendungen	JIS SKD11 – Typische Anwendungen
Stanzklingen, Schneidmesser, Schermesser, Stanz- und Prägeformen	Stanzstempel, Präzisionsformen, Schermesser, Schneidmesser
Verschleißplatten, Formwerkzeuge, Extrusionswerkzeuge für Nichteisenmetalle	Kaltarbeitsformen, Kunststoffformeinsätze für einige Anwendungen (vorgehärtet)
Langlauf-Blechbearbeitungswerkzeuge, Walzwerkzeuge für leichtes Walzen	Hochverschleißwerkzeuge, wo die Versorgung von JIS-spezifizierten Werken bequem ist

Auswahlbegründung: - Verwenden Sie diese Stähle, wo hohe Verschleißfestigkeit bei hoher Härte erforderlich ist und die Zähigkeitsanforderungen moderat sind. Wählen Sie basierend auf dem spezifischen Verschleißmodus (adhäsiv vs. abrasiv), der Bauteilgeometrie und dem Verarbeitungsweg. Für Anwendungen mit starkem Schlag oder hohen Zähigkeitsanforderungen sollten alternative Werkzeugstähle in Betracht gezogen werden (z.B. AISI O1 für moderate Zähigkeit oder H-Serie für Warmbearbeitung).

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relative Kosten: Beide sind im mittleren Preissegment für Werkzeugstähle; der Preis wird durch den Legierungsgehalt, die Größe von Stangen/Platten und den Marktstandort bestimmt. Kleine Unterschiede in Mo und V können den Preis leicht beeinflussen.
• Verfügbarkeit: D2 ist in Nordamerika und Europa weit verbreitet; SKD11 ist häufig in Japan und Asien vorrätig. Globale Werksnetzwerke bedeuten, dass beide normalerweise weltweit verfügbar sind, aber die Lagergrößen, vorgehärteten Plattenangebote und Stangenformen variieren je nach Region.
• Produktformen: Rundstahl, Flachstahl, Platten, vorgehärtete Blöcke und präzisionsgeschliffenes Material; EDM-Blöcke und vorgehärtete Bleche werden häufig angeboten.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle: Schneller Vergleich (qualitativ).

Merkmal	AISI D2	JIS SKD11
Schweißbarkeit	Schlecht bis herausfordernd	Schlecht bis herausfordernd
Stärke-Zähigkeit-Kompromiss	Sehr hoher Verschleiß auf Kosten der Zähigkeit	Sehr hoher Verschleiß auf Kosten der Zähigkeit
Kosten / Lokale Verfügbarkeit	Weit verbreitet in NA/EU; moderate Kosten	Weit verbreitet in Japan/Asien; moderate Kosten

Wählen Sie D2, wenn... - Ihre Lieferkette oder Zeichnungen sich auf nordamerikanische/europäische Standards beziehen und Sie einen hochverschleißfesten Kaltarbeitswerkzeugstahl mit breiter Lieferantenunterstützung in diesen Regionen benötigen. - Sie spezifische Wärmebehandlungspraktiken oder Lieferantenzertifikate benötigen, die an ASTM/AISI/EN-Bezeichnungen gebunden sind. - Sie gelegentlich leicht unterschiedliche Mo/V-Ziele bevorzugen, die unter der D2-Spezifikation für marginale Verbesserungen in der sekundären Härtung angeboten werden.

Wählen Sie SKD11, wenn... - Ihre Beschaffungs- oder Fertigungsbasis mit JIS-Spezifikationen arbeitet und Sie lokale Lagerkonsistenz, kürzere Lieferzeiten oder Kostenvorteile von asiatischen Werken wünschen. - Die Werkzeuganwendung Standard-Kaltbearbeitungswerkzeuge (Stanzen, Stanzen, Schneiden) ist, wo SKD11 häufig vorrätig und wärmebehandelt wird. - Sie es vorziehen, sich auf ein von JIS gefordertes chemisches/Qualitätszertifikat zur Lieferantenkontrolle zu beziehen.

Letzte Anmerkung: Für kritische Werkzeuge und hochpreisige Teile geben Sie den erforderlichen Härtebereich, die Zähigkeitsziele nach der Wärmebehandlung an und fordern Sie Werkszertifikate und Wärmebehandlungsunterlagen an. Kleine chemische und verarbeitungstechnische Unterschiede zwischen D2 und SKD11 sind in der Regel weniger wichtig als eine konsistente Wärmebehandlung, Karbidkontrolle und Oberflächenbearbeitung, um eine lange Werkzeuglebensdauer zu erreichen.