S7 vs D2 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
S7 und D2 sind zwei weit verbreitete Werkzeugstähle, die Ingenieure und Beschaffungsfachleute häufig vergleichen, wenn sie Werkzeuge, Verschleißteile und Komponenten spezifizieren, die Stoß- oder Abriebverschleiß ausgesetzt sind. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Wahl zwischen höherer Zähigkeit für Stoßbelastungen versus höherer Härte und Verschleißfestigkeit für abrasive oder gleitende Kontakte oder das Abwägen von Bearbeitbarkeit und Kosten gegen die Leistung im Einsatz.
Der wesentliche praktische Unterschied besteht darin, dass eine Sorte für Schlagfestigkeit und Zähigkeit optimiert ist, während die andere für hohe Härte und Verschleißfestigkeit optimiert ist. Da beide in Anwendungen für Kaltarbeitswerkzeuge verwendet werden, müssen Designer Kompromisse im Legierungsgehalt, der Wärmebehandlungsreaktion, der Bearbeitbarkeit, der Schweißbarkeit und den Lebenszykluskosten abwägen, wenn sie zwischen S7 und D2 auswählen.
1. Normen und Bezeichnungen
- Übliche Normen und Bezeichnungen, die im Handel vorkommen:
- AISI/SAE und ältere ASTM-Bezeichnungen: AISI S7, AISI D2 (häufig in Nordamerika verwendet).
- EN/Europäisch: Entsprechungen können als 1.2379 (für D2) und ähnliche EN-Nummern für S-Typ-Stähle angegeben werden (exakte Entsprechungen müssen pro Lieferant überprüft werden).
- JIS/GB: Regionale Entsprechungen existieren, variieren jedoch; bestätigen Sie dies mit den Werkszertifikaten.
- Klassifizierung:
- S7 — schlagfester Werkzeugstahl (Legierungswerkzeugstahl, der für die Widerstandsfähigkeit gegen Stoß und Schlag entwickelt wurde).
- D2 — hochkohlenstoffhaltiger, hochchromhaltiger luftgehärteter Werkzeugstahl (Kaltarbeitswerkzeugstahl mit hoher Verschleißfestigkeit).
- Weder S7 noch D2 sind rostfreie Sorten (D2 hat hohen Chromgehalt, wird jedoch nicht als rostfrei im korrosionsbeständigen Sinne betrachtet).
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Typische Zusammensetzungsbereiche sind unten als repräsentative "typische" Gewichtsprozentbereiche angegeben, die in kommerziellen Datenblättern zu sehen sind; konsultieren Sie immer die spezifische Werks-/Lieferantenzertifizierung für präzise Werte.
| Element | Typisches S7 (Gew.% ) | Typisches D2 (Gew.% ) |
|---|---|---|
| C | 0.45–0.55 | 1.40–1.60 |
| Mn | 0.20–0.50 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.45 | 0.10–1.00 |
| P | ≤0.030 (Spur) | ≤0.030 (Spur) |
| S | ≤0.030 (Spur) | ≤0.030 (Spur) |
| Cr | 0.80–1.50 | 11.0–13.0 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.40 |
| Mo | 0–0.50 (gering oder nicht vorhanden) | 0.70–1.20 |
| V | gering (Spur–0.30) | 0.60–1.10 |
| Nb (Cb) | typischerweise keiner | typischerweise keiner oder Spur |
| Ti | typischerweise keiner | typischerweise keiner oder Spur |
| B | typischerweise keiner | typischerweise keiner |
| N | Spur | Spur |
Wie die Legierungselemente die Eigenschaften beeinflussen - Kohlenstoff: Der hohe Kohlenstoffgehalt von D2 ermöglicht einen hohen Volumenanteil an harten Karbiden und eine sehr hohe erreichbare Härte; der moderate Kohlenstoffgehalt von S7 balanciert Härte und Duktilität für Zähigkeit. - Chrom: Der hohe Cr-Gehalt von D2 erhöht die Härtbarkeit und bildet chromreiche Karbide für die Verschleißfestigkeit; der bescheidene Cr-Gehalt von S7 unterstützt die Härtbarkeit und die Anlassempfindlichkeit, ohne übermäßige Karbidbildung. - Molybdän und Vanadium: In D2 stabilisieren Mo und V Karbide und tragen zur Temperaturbeständigkeit beim Anlassen und zur Verschleißfestigkeit bei. S7 kann kleine Mengen Mo oder V verwenden, um die Korngröße zu verfeinern und die Härtbarkeit zu verbessern, jedoch in viel geringeren Mengen. - Nebenelemente (Mn, Si) beeinflussen die Entgasung, Härtbarkeit und Anlasseigenschaften.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
Mikrostruktur (typisch nach gängigen Wärmebehandlungen) - S7: Die typische Mikrostruktur nach ordnungsgemäßer Abschreckung und Anlassen ist eine angelassene martensitische Matrix mit relativ wenigen, feinen Karbiden. S7 ist so konzipiert, dass es eine duktilen, zähen Martensit behält und große harte Karbide minimiert, die als Rissinitiatoren wirken. - D2: Die typische Struktur ist angelassene Martensit/Matrize, die eine signifikante Anzahl stabiler chromreicher Karbide (hauptsächlich M7C3 und M23C6-Typ-Karbide zusammen mit Vanadium- und Molybdänkarbiden) enthält. Diese Karbide bieten hohe Verschleißfestigkeit, reduzieren jedoch die Zähigkeit.
Wärmebehandlungsverhalten - S7: Reagiert gut auf konventionelle Abschreck- und Anlaszyklen. Es wird typischerweise aus einer geeigneten Austenitisierungstemperatur ölabschreckt und dann auf die Zielhärte angelassen, um die Zähigkeit zu optimieren. Normalisieren vor der Härtung wird verwendet, um das Korn zu verfeinern und die Mikrostruktur für große Abschnitte zu homogenisieren. - D2: Ist ein luftgehärteter (hochlegierter) Werkzeugstahl — oft vorgeheizt und dann ein- oder mehrstufig aus der Austenitisierungstemperatur luftabgeschreckt. Aufgrund seines hohen Cr- und C-Gehalts entwickelt D2 ein hohes Volumen an harten Karbiden und erreicht hohe Härte mit reduzierter Verformung im Vergleich zu Wasser-/Ölabschrecksorten. Doppelt anlassen oder Behandlung bei tiefen Temperaturen kann verwendet werden, um zurückgebliebenes Austenit zu reduzieren und die Härte zu stabilisieren.
Thermo-mechanische Verarbeitung - S7 profitiert von kontrolliertem Schmieden und Normalisieren, um die Korngröße zu verfeinern und die Schlagzähigkeit für Stoßanwendungen zu verbessern. - D2 profitiert von präziser thermischer Verarbeitung zur Kontrolle der Karbidverteilung; starke Verformung vor der Wärmebehandlung erfordert sorgfältige Erholungs-/Rekristallisationsschritte, um grobe Karbide zu vermeiden.
4. Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften von Werkzeugstählen sind stark von der Wärmebehandlung abhängig. Die folgende Tabelle gibt typische vergleichende Bereiche anstelle von absoluten Werten an, um diese Abhängigkeit widerzuspiegeln.
| Eigenschaft | S7 (typischer behandlungsbereich) | D2 (typischer behandlungsbereich) |
|---|---|---|
| Härte (HRC) | ~45–56 (abhängig vom Anlassen) | ~56–64 (höhere erreichbare Spitzenhärte) |
| Zugfestigkeit (MPa) | Mäßig bis hoch (wärmebehandelt) | Hoch (abhängig von der Härte) |
| Streckgrenze (MPa) | Mäßig | Höher bei gleicher Härte |
| Dehnung (%) | Höher (bessere Duktilität) | Niedriger (weniger duktil) |
| Schlagzähigkeit (J oder ft·lb) | Relativ hoch (für Stoß ausgelegt) | Niedrig bis mäßig (reduzierte Zähigkeit aufgrund von Karbiden) |
Interpretation - Festigkeit und Härte: D2 erreicht im Allgemeinen höhere Härte und damit höhere Verschleißfestigkeit; S7 erreicht eine niedrigere Spitzenhärte, bietet jedoch eine bessere Balance zwischen Festigkeit und Duktilität. - Zähigkeit und Duktilität: S7 ist unter vergleichbarer wärmebehandelter Härte signifikant zäher und duktiler als D2, was S7 dort bevorzugt macht, wo Stoß- oder Schlagbelastungen der primäre Versagensmodus sind. - Verschleiß vs. Bruch: D2 widersteht abrasivem und adhäsivem Verschleiß erheblich besser aufgrund der zahlreichen Karbide, ist jedoch anfälliger für spröden Bruch unter Stoß- oder Zugüberlastung.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit hängt vom Kohlenstoffäquivalent, der Härtbarkeit und der Anfälligkeit für Rissbildung während des Schweißens ab.
Nützliche Schweißbarkeitsindizes (nur qualitative Verwendung): - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Welding Institute): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation - S7: Moderater Kohlenstoff und geringere Gesamtlegierung ergeben in vielen Fällen ein niedrigeres Kohlenstoffäquivalent als D2, sodass S7 im Allgemeinen einfacher vorzuwärmen und zu schweißen ist (mit geeigneten Verfahren). Die Schweißverfahren müssen jedoch weiterhin die Interpass-Temperatur, das Vorwärmen und die Nachbehandlung nach dem Schweißen kontrollieren, um Rissbildung zu vermeiden, da das Grundmaterial in der wärmebeeinflussten Zone harte Martensite bilden kann. - D2: Hoher Kohlenstoff und hoher Chromgehalt erzeugen ein hohes Kohlenstoffäquivalent und eine starke Tendenz zur Bildung harter, spröder Mikrostrukturen in der wärmebeeinflussten Zone. D2 gilt als schwierig zu schweißen; gängige Praxis ist es, das Schweißen wenn möglich zu vermeiden oder spezialisierte Verfahren (umfangreiches Vorwärmen, niedrige Wärmeinputs, Anlassen nach dem Schweißen) zu verwenden oder stattdessen Löten oder mechanische Verbindungen einzusetzen.
Zusammenfassend ist S7 besser schweißbar als D2, aber beide erfordern kontrollierte Verfahren; D2 erfordert häufig alternative Verbindungsstrategien zum Schweißen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder S7 noch D2 sind rostfreier, korrosionsbeständiger Stahl. D2 enthält hohen Chromgehalt (≈12 %), was ihm eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen allgemeine atmosphärische Korrosion im Vergleich zu niedrigchromhaltigen Stählen verleiht, aber es wird dennoch in aggressiven Umgebungen korrodieren.
- Schutzmethoden: Für Lebensdauer und Aussehen erhalten beide Sorten häufig einen Oberflächenschutz wie Lackieren, Beschichten, Phosphatieren oder Verzinken (abhängig von der Bauteilgeometrie und den erforderlichen Toleranzen). Für Werkzeuge in feuchten oder korrosiven Umgebungen kann es vorteilhaft sein, Oberflächenbeschichtungen (PVD, CVD, Nitrieren zum Verschleiß-/Korrosionsschutz) aufzubringen oder rostfreie Stähle zu verwenden.
- PREN (Pitting-Widerstand-Äquivalentzahl) ist für diese nicht rostfreien Werkzeugstähle nicht anwendbar, aber zur Referenz: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index wird für rostfreie Legierungen verwendet; er sagt nichts über die Korrosionsleistung von D2 oder S7 Werkzeugstählen aus.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit:
- S7: Lässt sich in geglühtem Zustand leichter bearbeiten als D2 aufgrund des geringeren Karbidgehalts. Es lässt sich gut vor der Härtung bearbeiten; nach der Härtung ist eine Bearbeitung oder Schleifbearbeitung erforderlich, um die endgültigen Toleranzen zu erreichen.
- D2: Die Bearbeitbarkeit im geglühten Zustand ist fair, aber schlechter als bei vielen niedriglegierten Stählen aufgrund des hohen Chrom- und Karbid bildenden Elemente; im gehärteten Zustand ist D2 schwierig zu bearbeiten und muss im Allgemeinen geschliffen statt geschnitten werden.
- Formbarkeit und Biegen:
- Beide Sorten sind im geglühten Zustand bearbeitbar, aber das Kaltformen nach der Härtung ist für beide nicht machbar. Die höhere Duktilität von S7 im angelassenen Zustand gibt ihm eine bessere Marge gegen Rissbildung während der Formoperationen.
- Fertigung:
- D2 erfordert typischerweise Schleifen für die endgültige Geometrie und kann aufgrund harter Karbide häufigere Schleifmittelbearbeitung erfordern.
- S7 ist weniger abrasiv für Werkzeuge und lässt sich leichter fertigstellen.
8. Typische Anwendungen
| S7 – Typische Anwendungen | D2 – Typische Anwendungen |
|---|---|
| Schlagwerkzeuge: Meißel, Durchschläge, Hammerköpfe, Spatenbohrer, Stempel, die Stoßbelastungen ausgesetzt sind | Kaltarbeitswerkzeuge: Stanz- und Durchstoßwerkzeuge, Schermesser, Schneidmesser |
| Werkzeuge, die hohe Zähigkeit erfordern: Gesteinsbohrer, Kaltumformwerkzeuge, Nietwerkzeuge | Verschleißkritische Werkzeuge: Werkzeuge für das Schneiden abrasiver Materialien, Formoperationen, bei denen Verschleiß dominiert |
| Komponenten, die leichter durch Schweißen oder Löten nachbearbeitet oder repariert werden können | Langlaufwerkzeuge und -schneider, bei denen hohe Härte und Verschleißfestigkeit die Lebensdauer trotz Sprödigkeit verlängern |
| Allzweckwerkzeuge, die gute Schlagfestigkeit und angemessenen Verschleiß benötigen | Präzisionswerkzeuge und Scheranwendungen, die eine anhaltende Schneidkantenhaltung erfordern |
Auswahlbegründung - Wählen Sie S7, wenn Teile wiederholten Stößen, Schlägen, Biegungen ausgesetzt sind oder wenn Zähigkeit und Reparierbarkeit im Einsatz erforderlich sind. - Wählen Sie D2, wenn Oberflächen- und Schneidverschleiß den Versagensmodus dominieren und hohe Härte toleriert werden kann (und wenn Teile geschliffen statt geschweißt werden).
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: D2 ist typischerweise teurer als S7 auf Basis der Masse aufgrund höherer Legierung (Cr, Mo, V) und anspruchsvollerer Verarbeitung; jedoch kann die Lebenszykluskosten D2 begünstigen, wenn die Verlängerung der Werkzeuglebensdauer die Ausfallzeiten und die Austauschhäufigkeit reduziert.
- Verfügbarkeit: Beide Sorten sind weit verbreitet bei Werkzeugstahl-Lieferanten in Stangen, Platten und vorgehärtetem Flachmaterial erhältlich. D2 ist häufig in vorgehärteten Streifen und Rohlingen für Werkzeuge erhältlich, während S7 häufig in Stangen und runden Größen für schlagfeste Komponenten vorrätig ist.
- Produktformen: Bei komplexen oder großen Teilen können die Lieferzeiten und die Rohmaterialform (Schmieden vs. Stange) die Kosten erheblich beeinflussen.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle
| Merkmal | S7 | D2 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Besser (mäßig; erfordert dennoch Kontrolle) | Schlecht (hohes CE; schwierig zu schweißen) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Hohe Zähigkeit, gute Schlagfestigkeit | Höhere Härte und Verschleißfestigkeit, geringere Zähigkeit |
| Kosten | Mäßig | Höher (höherer Legierungsgehalt) |
Fazit und Empfehlungen - Wählen Sie S7, wenn: - Ihr primärer Versagensmodus Stoß, Schlag oder spröder Bruch ist und Sie eine Sorte benötigen, die Fehlstellungen, Stoßbelastungen oder gelegentliche Überlastungen toleriert. - Sie Reparierbarkeit (Schweißen/Löten) und einfachere Handhabung nach der Wärmebehandlung schätzen. - Sie eine Balance zwischen Festigkeit und Duktilität für intermittierende Hochbelastungen benötigen.
- Wählen Sie D2, wenn:
- Ihr primärer Bedarf Abrieb, Gleitverschleiß oder Schneidkantenhaltung in Kaltarbeitswerkzeugen ist und eine lange Werkzeuglebensdauer unter Verschleißbedingungen höchste Priorität hat.
- Sie bereit sind, Schleifen oder nicht geschweißte Reparaturen zu spezifizieren und die Fertigung steuern können, um Schweißnähte zu vermeiden oder Wärmeinputs zu minimieren.
- Die Lebenszykluskosten höhere anfängliche Material- und Verarbeitungskosten zugunsten einer verlängerten Lebensdauer im Einsatz begünstigen.
Letzte Anmerkung: Die optimale Wahl ist kontextabhängig. Geben Sie den erwarteten Belastungstyp (Stoß vs. Verschleiß), die zulässige Wartungs-/Reparaturstrategie, den Ansatz zur dimensionalen Toleranz (Bearbeitung vs. Schleifen) und die Umwelteinflüsse an, um sicherzustellen, dass der ausgewählte Stahl und sein Wärmebehandlungsweg mit den funktionalen Anforderungen übereinstimmen. Bestätigen Sie immer die chemischen und mechanischen Eigenschaften mit den Werkszertifikaten oder Materialstandards des Lieferanten, bevor Sie die endgültige Spezifikation festlegen.