D3 vs D2 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

D2 und D3 sind weit verbreitete Kaltarbeitswerkzeugstähle, die für Messer, Stempel, Schermesser und Verschleißteile ausgewählt werden, bei denen Abriebfestigkeit entscheidend ist. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen immer wieder vor der Wahl zwischen leicht unterschiedlichen hochchromhaltigen, hochkohlenstoffhaltigen Werkzeugstählen, wenn sie Komponenten spezifizieren, die Verschleißlebensdauer, Schneidfähigkeit, Herstellbarkeit und Kosten ausbalancieren müssen.

Der wesentliche operationale Unterschied zwischen den beiden Sorten besteht darin, dass eine eine höhere Menge an härtenden Karbiden (bedingt durch einen höheren Kohlenstoff- und Karbidbildneranteil) auf Kosten der Zähigkeit aufweist, während die andere hohe Abriebfestigkeit mit etwas besserer Zähigkeit und dimensionaler Stabilität ausgleicht. Da beide oft in ähnlichen Produktformen (Stangen, Platten und vorgehärtete Rohlinge) erhältlich sind, werden sie häufig im Design verglichen, da eine kleine Änderung in der Chemie oder Wärmebehandlung die Lebensdauer, das Risiko von sprödem Versagen und die nachgelagerten Fertigungskosten erheblich beeinflussen kann.

1. Standards und Bezeichnungen

• Übliche Standards, in denen D2 und D3 erscheinen:
• ASTM / ASME: A681 (Werkzeugstähle), A600-Serie Referenzen für Werkzeugstahlspezifikationen
• EN: EN ISO Werkzeugstahlbezeichnungen (Äquivalente können variieren)
• JIS: Japanische Industrie-Normen (Werkzeugstahlklassen)
• GB: Chinesische Standards für Werkzeugstähle
• Klassifizierung:
• Sowohl D2 als auch D3 sind hochkohlenstoffhaltige, hochchromhaltige Kaltarbeitswerkzeugstähle (Werkzeugstahlfamilie, Typ “D” — Kaltarbeit, hochchromhaltig).
• Sie sind keine rostfreien Werkzeugstähle im korrosionsbeständigen Sinne, noch sind sie HSLA oder strukturelle Kohlenstoffstähle.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

• Die folgende Tabelle gibt typische Zusammensetzungsbereiche an, die in der Industrie verwendet werden. Exakte Werte hängen von der Spezifikation oder dem Wärmebehandler ab; betrachten Sie die Bereiche als repräsentativ und nicht als vorschreibend.

Hinweise: - D2 zielt typischerweise auf ein Gleichgewicht von hohem Chrom und moderatem Molybdän mit bescheidenem Vanadium ab; es bildet eine Mischung aus komplexen Karbiden (hauptsächlich M7C3, M23C6 und MC-Typen). - D3 enthält im Allgemeinen mehr Kohlenstoff und oft höhere Vanadium- oder andere Karbidbildner in Verhältnissen, die die primären (großen) Karbide und den Gesamtvolumenanteil der harten Karbide erhöhen, was die Abriebfestigkeit steigert, aber die Zähigkeit der Matrix verringert.

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff, Cr, V, Mo: beeinflussen das Volumenverhältnis der Karbide, die Härte und die Härtbarkeit. Mehr Kohlenstoff und Vanadium → stabilere, harte Karbide → höhere Abriebfestigkeit. - Chrom im Bereich von 11–14% verbessert die Härtbarkeit und fördert die Karbidbildung, verleiht diesen Sorten jedoch keine rostfreien Eigenschaften (die kontinuierliche Matrix ist weiterhin anfällig für Korrosion ohne schützende Beschichtungen). - Molybdän und Vanadium verfeinern die Karbidgröße und -verteilung und verbessern die sekundäre Härtung und die Anlassempfindlichkeit.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Typische Mikrostrukturen:
• Beide Sorten im geglühten Zustand haben eine ferritische (oder bainitische, je nach Verarbeitung) Matrix mit einer Dispersion von chromreichen Karbiden. D3 zeigt tendenziell einen höheren Volumenanteil an größeren primären Karbiden aufgrund des höheren Kohlenstoff- und/oder Karbidbildnergehalts.
• Wärmebehandlungsverhalten:
• D2: luftgehärtet; reagiert gut auf Vorwärmen, Austenitisieren (typischerweise im Bereich von 1000–1020 °C, abhängig von den Richtlinien des Lieferanten), langsames Abkühlen zur Minimierung von Verzug und Anlaszyklen, um die gewünschte Härte und Zähigkeit zu erreichen. D2 zeigt eine gute dimensionale Stabilität, wenn es in ruhiger Luft oder Öl abgeschreckt wird, und entwickelt sekundäre Härtung durch Mo/V-Legierung.
• D3: erfordert eine sorgfältige Kontrolle des Austenitisierens und Anlasens, da der höhere Karbidanteil das Volumen der duktilen Matrix verringert. Es kann eine höhere Anlasshärte erreichen, ist jedoch empfindlicher gegenüber Rissen während des Abschreckens/Anlassens und kann eine größere Anfälligkeit für katastrophales sprödes Versagen zeigen, wenn das Anlassen unzureichend ist.
• Verarbeitungswege:
• Normalisieren/Verfeinerungen: Beide profitieren von ordnungsgemäßen Normalisierungszyklen, um die als gegossen vorliegenden Karbide zu zerkleinern und eine gleichmäßigere Kornstruktur vor der Austenitisierung zu schaffen.
• Thermo-mechanische Verarbeitung: feine Kornkontrolle und Homogenisierung reduzieren das Risiko, dass große primäre Karbide als Rissinitiierungsstellen wirken, was besonders wichtig für D3 ist.

4. Mechanische Eigenschaften

• Die Werte hängen stark vom Ziel der Wärmebehandlung (Härte) und der Produktform ab. Die folgende Tabelle fasst typische Bereiche für das Abschrecken/Anlassen zusammen, die in der Produktionspraxis verwendet werden.

Interpretation: - D3 erreicht in der Regel eine höhere Schneidhärte und Abriebfestigkeit aufgrund des höheren Karbidgehalts und des insgesamt höheren Kohlenstoffgehalts, aber dies geschieht auf Kosten der Duktilität und Schlagzähigkeit. - D2 wird typischerweise ausgewählt, wenn ein stärkeres Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Abriebfestigkeit erforderlich ist; es wird in vielen Anwendungen von Kaltarbeitswerkzeugen weniger anfällig für Abplatzen oder sprödes Versagen sein.

5. Schweißbarkeit

• Die Schweißbarkeit ist durch den hohen Kohlenstoffgehalt und die starke Karbidbildnerlegierung in beiden Sorten eingeschränkt, die harte, spröde wärmebeeinflusste Zonen (HAZ) und Risse fördern, wenn die Verfahren nicht kontrolliert werden.
• Zwei häufig verwendete empirische Schweißbarkeitsindizes:
• IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Pcm (Schweißbarkeitsparameter): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Qualitative Interpretation:
• Sowohl D2 als auch D3 geben typischerweise hohe $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte im Vergleich zu niedriglegierten Stählen; höherer Kohlenstoff und höheres Cr/Mo/V erhöhen die Indizes, was auf größere Vorwärm-, Interpass-Temperaturkontrolle und Nachschweißwärmebehandlungsanforderungen hinweist.
• D3 (höherer Kohlenstoff und möglicherweise mehr V) hat in der Regel eine schlechtere Schweißbarkeitsbewertung als D2 und erfordert oft aggressiveren Vorwärmen, niedrigere Wärmeinput-Schweißverfahren oder die Vermeidung von Schweißen durch mechanische Befestigung oder Ersatzmaterial für geschweißte Baugruppen.
• Praktische Hinweise: Reparaturschweißen sollte nur von qualifizierten Schweißern mit spezifischen Verfahren (kontrolliertes Vorwärmen, zurückhaltendes Peening vermeiden, geeignete Fülllegierungen und Spannungsabbau/Nachschweißanlassen) durchgeführt werden.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder D2 noch D3 sind korrosionsbeständige rostfreie Stähle, trotz des erheblichen Chromgehalts. Sie rosten in feuchten oder wässrigen Umgebungen, es sei denn, sie sind geschützt.
• Übliche Schutzstrategien:
• Schutzbeschichtungen: Lackieren, Pulverbeschichten oder spezialisierte Verschleißbeschichtungen (z. B. Hartchrom, PVD auf subkritischen Oberflächen).
• Verzinken ist für einige Formen möglich, aber ungewöhnlich für Werkzeugstahlkomponenten, da die Zinkbeschichtung möglicherweise nicht bei starkem Verschleiß und Hochtemperatur-Anlasszyklen übersteht.
• Schmierung und kontrollierte Umgebungen verlängern die Lebensdauer von Werkzeugen.
• Der PREN-Index ist hier nicht anwendbar, da es sich nicht um rostfreie Sorten handelt, die für Korrosionsbeständigkeit ausgelegt sind, sondern zur Referenz: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Typische PREN-Berechnungen sind nur für austenitische/duplex rostfreie Sorten sinnvoll, nicht für D-Serie Kaltarbeitswerkzeugstähle.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Zerspanbarkeit:
• Beide sind schwieriger zu bearbeiten als niedriglegierte Stähle; die Bearbeitung erfolgt in der Regel im geglühten Zustand. D3 ist aufgrund des höheren Karbidvolumenanteils typischerweise abrasiver auf Werkzeuge und kann langsamere Vorschübe, schwerere Werkzeuge und häufigere Werkzeugwechsel erfordern.
• Formbarkeit:
• Kaltumformung ist im wärmebehandelten Zustand eingeschränkt; das Formen sollte im geglühten Zustand erfolgen. Der höhere Karbidgehalt von D3 verringert die Duktilität und Formbarkeit im Vergleich zu D2.
• Schleifen und Finishing:
• D3 erfordert aggressivere Schleifstrategien und höherwertige Schleifmittel, da Karbide die Lebensdauer der Schleifmittel verringern und zu glasierten Schleifscheiben führen können.
• Oberflächenveredelung:
• Polieren auf eine feine Oberfläche ist erreichbar, kann jedoch mehrere Körnungsschritte erfordern; Karbidauszug ist ein Problem, wenn unsachgemäßes Schleifen/Wärme angewendet wird.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie die Sorte basierend darauf, ob der Einsatz Abriebverschleiß widerstehen muss (bevorzugen Sie einen höheren Karbidgehalt) oder Widerstand gegen Abplatzen und Bruch unter Stoßlasten benötigt (bevorzugen Sie die zähere, leicht niedrigere Kohlenstoff/höhere Matrixfraktion-Option). - Berücksichtigen Sie die nachgelagerte Verarbeitung: Wenn Schweißen, Formen oder enge Biegungen erforderlich sind, reduziert die weniger karbidreiche Option das Fertigungsrisiko.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten:
• D3 ist oft pro kg etwas teurer als D2 aufgrund des höheren Legierungsgehalts und der erhöhten Verarbeitungserschwernisse (schwieriger zu bearbeiten und zu schleifen). Der Unterschied ist jedoch typischerweise bescheiden und marktabhängig.
• Verfügbarkeit:
• Beide sind ausgereifte, weit verbreitete Werkzeugstähle und in der Regel in gängigen Produktformen (Stangen, Flachmaterial, vorgehärtete Rohlinge) erhältlich. Die Lieferzeiten können je nach Größe, Oberfläche und spezieller Chemie variieren.
• Gesamtkosten des Eigentums:
• Berücksichtigen Sie den Lebenszyklus: Ein teureres D3-Element, das erheblich länger zwischen Nachschliffen oder Ersatz hält, kann trotz höherer Anfangskosten wirtschaftlicher sein.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlungen: - Wählen Sie D2, wenn Sie einen praktischen Kompromiss zwischen hoher Abriebfestigkeit und besserer Zähigkeit, einfacher Fertigung und geringerem Risiko von Abplatzen benötigen — typisch für allgemeine Kaltarbeitswerkzeuge (Scheren, Stempel, Messer), wo gelegentliche Schlagfestigkeit erforderlich ist. - Wählen Sie D3, wenn die Maximierung der Abriebfestigkeit und Schneidfähigkeit das übergeordnete Ziel ist und das Design oder der Prozess reduzierte Zähigkeit und strengere Fertigungs-/Schweißkontrollen tolerieren kann — typisch für Langlauf-, Hochvolumen-Stanz- oder Feinstanzstempel, wo Nachschliffe kostspielig sind und Abplatzen ein akzeptierter Kompromiss ist.

Letzte Anmerkung: Die genaue Leistung hängt von der präzisen Chemie, dem Wärmebehandlungszyklus und der Geometrie der Komponenten ab. Für kritische Anwendungen validieren Sie die Kandidatenstähle mit den Wärmebehandlungsdatenblättern des Lieferanten, Testkomponenten und, wo angebracht, Laborverschleiß- und Bruchtests unter dienstrepräsentativen Bedingungen.