D2 vs D3 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
D2 dan D3 adalah anggota baja alat kerja dingin seri D yang umumnya dipertimbangkan untuk aplikasi di mana ketahanan aus dan stabilitas dimensi sangat penting. Insinyur dan profesional pengadaan sering kali dihadapkan pada pilihan antara keduanya saat menentukan cetakan, punch, bilah pemotong, dan komponen lain yang mengalami aus tinggi. Faktor pengambilan keputusan yang umum termasuk keseimbangan antara ketahanan aus dan ketangguhan, biaya produksi dan ketersediaan, serta proses hilir seperti pengelasan, pemesinan, dan perlindungan permukaan.
Perbedaan teknis utama antara kedua grade adalah keseimbangan karbon dan elemen pembentuk karbida keras: satu grade dirancang untuk memberikan fraksi volume karbida keras yang lebih tinggi dan oleh karena itu ketahanan aus yang lebih besar dengan mengorbankan ketangguhan patah dan duktilitas. Karena trade-off tersebut, D2 dan D3 sering dibandingkan ketika seorang insinyur harus memilih antara memaksimalkan masa pakai layanan di bawah kontak abrasif dan menghindari kegagalan rapuh di bawah dampak atau guncangan.
1. Standar dan Penunjukan
- AISI / SAE: D2 (ditetapkan, banyak distandarisasi); D3 (kurang umum dirujuk, masih ada dalam daftar AISI tetapi kurang umum).
- ASTM/ASME: A681 mencakup baja alat secara umum (praktik pembuatan dan perlakuan panas), tetapi konsultasikan dengan pemasok untuk kontrol komposisi spesifik.
- EN: Padanan Eropa terdekat sering diberikan sebagai X37CrMoV5-1 / 1.2379 untuk baja tipe D2 (nomenklatur bervariasi).
- JIS / GB: Standar Jepang dan Cina memiliki baja alat kerja dingin yang serupa (misalnya, SKD11 sering disebut sebagai setara D2); penunjukan lokal bervariasi dan harus dirujuk silang.
Klasifikasi: keduanya adalah baja alat kerja dingin dengan karbon tinggi dan kromium tinggi (baja alat yang dirancang untuk ketahanan aus dan stabilitas dimensi daripada ketahanan korosi stainless atau layanan HSLA struktural).
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel: rentang komposisi komersial yang khas (persentase berat %). Nilai yang ditunjukkan bersifat indikatif; konsultasikan standar material atau sertifikat pabrik untuk komposisi yang tepat.
| Elemen | D2 Khas (wt%) | D3 Khas (wt%) |
|---|---|---|
| C (karbon) | 1.4 – 1.6 | 1.9 – 2.2 |
| Mn (mangan) | 0.3 – 0.6 | 0.3 – 0.6 |
| Si (silikon) | 0.2 – 1.0 | 0.2 – 1.0 |
| P (fosfor) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S (sulfur) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr (krom) | 11.0 – 13.0 | 11.0 – 13.0 |
| Ni (nikel) | ≤ 0.3 | ≤ 0.3 |
| Mo (molybdenum) | 0.6 – 1.1 | 0.2 – 0.8 |
| V (vanadium) | 0.1 – 0.5 | 0.4 – 1.2 |
| Nb / Ti / B / N | biasanya jejak / tidak ditentukan | biasanya jejak / tidak ditentukan |
Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja - Karbon: meningkatkan potensi kekerasan melalui pembentukan martensit dan karbida. Karbon yang lebih tinggi di D3 meningkatkan fraksi karbida keras dan kekerasan yang dapat dicapai tetapi mengurangi ketangguhan matriks. - Kromium: mempromosikan karbida kromium keras (tipe kompleks M7C3/M23C6 tergantung pada komposisi), meningkatkan ketahanan aus dan kemampuan pengerasan, serta meningkatkan ketahanan tempering; tidak cukup tinggi untuk memberikan karakteristik stainless. - Vanadium dan molybdenum: membentuk karbida stabil (VC, MoC) yang memperhalus karbida dan meningkatkan ketahanan aus serta ketangguhan; vanadium yang lebih tinggi di D3 biasanya meningkatkan populasi karbida keras halus tetapi juga meningkatkan abrasivitas untuk alat dan mempercepat keausan alat pada alat pemotong. - Silikon dan mangan: deoksidator minor dan penyesuai kekuatan; tidak mendominasi sifat aus. - Fosfor dan sulfur: dijaga rendah untuk menghindari kerapuhan dan kekurangan panas.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur khas: - D2: matriks martensit yang ditempa mengandung fraksi signifikan karbida kaya kromium (terutama M7C3 atau karbida Cr–Mo kompleks) dengan beberapa karbida vanadium. Karbida didistribusikan untuk memberikan ketahanan abrasi sambil mempertahankan matriks yang relatif lebih tangguh. - D3: kandungan karbon dan vanadium yang lebih tinggi meningkatkan fraksi volume dan sering kali ukuran atau populasi karbida keras vanadium dan kromium; matriks martensit yang ditempa menjadi lebih ramping, memberikan kekerasan yang lebih tinggi tetapi ketangguhan patah yang lebih rendah.
Perlakuan panas dan respons: - Normalisasi: memperhalus ukuran butir austenit sebelumnya dan mendistribusikan karbida. Kedua grade mendapatkan manfaat dari siklus normalisasi yang terkontrol untuk menghomogenkan struktur sebelum pengerasan. - Pendinginan: keduanya mengeras dengan udara atau didinginkan dengan minyak tergantung pada ukuran bagian dan panduan pemasok; D2 dikenal memiliki stabilitas dimensi yang baik karena kandungan kromium yang tinggi. D3, dengan kandungan karbida yang lebih tinggi, memerlukan kontrol yang hati-hati untuk menghindari retak termal. - Tempering: menyeimbangkan kekerasan dan ketangguhan sangat penting. Beberapa siklus tempering mengurangi austenit yang tersisa dan menstabilkan karbida. Tempering D3 akan mengurangi kekerasan lebih tajam untuk mendapatkan keuntungan ketangguhan tetapi tidak dapat mencapai tingkat ketangguhan D2 pada kekerasan yang sama. - Pemrosesan termo-mekanis (untuk stok yang ditempa atau digulung) dapat mempengaruhi distribusi karbida dan kekerasan sekunder; kontrol butir halus meningkatkan ketangguhan untuk kedua grade.
4. Sifat Mekanik
Tabel: perbandingan sifat mekanik kualitatif dan indikatif. Angka yang tepat sangat bergantung pada perlakuan panas, ukuran bagian, dan suhu tempering.
| Sifat | D2 (khas) | D3 (khas) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | Tinggi (didominasi matriks) | Sangat tinggi (didominasi karbida) |
| Kekuatan luluh | Tinggi | Sangat tinggi |
| Peregangan (duktilitas) | Rendah–sedang untuk baja alat | Lebih rendah dari D2 |
| Ketangguhan impak (resistensi terhadap patah) | Rendah hingga sedang (lebih baik dari D3) | Rendah (ketangguhan lebih buruk) |
| Kekerasan khas setelah pengerasan | ~55–62 HRC (tergantung aplikasi) | ~60–64 HRC (kekerasan yang dapat dicapai lebih tinggi) |
Penjelasan - D3 mencapai kekerasan puncak yang lebih tinggi dan ketahanan aus yang lebih baik karena fraksi volume karbida yang lebih tinggi yang didorong oleh peningkatan karbon (dan sering kali vanadium). Itu datang dengan mengorbankan duktilitas dan ketangguhan impak. - D2 adalah kompromi: sedikit lebih rendah kekerasan puncak tetapi ketangguhan dan stabilitas dimensi yang lebih baik, yang membuatnya kurang mungkin gagal secara katastrofik di bawah guncangan atau ketidakselarasan.
5. Kemampuan Las
Kemampuan las baja alat karbon tinggi, kromium tinggi adalah tantangan.
Rumus yang relevan (interpretasikan secara kualitatif): - Setara karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (prediktif untuk kerentanan retak las): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi - Baik D2 maupun D3 menunjukkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ yang tinggi yang sebagian besar didorong oleh karbon dan kromium; D3 biasanya memiliki komponen karbon yang lebih tinggi dan oleh karena itu indeks kemampuan las yang lebih buruk. - Panduan praktis: pemanasan awal, suhu antar-passing yang terkontrol, bahan habis pakai rendah hidrogen, dan tempering pasca-las atau PWHT biasanya diperlukan. Pemilihan pengisi las sering kali beralih ke pengisi dengan kemampuan pengerasan yang lebih rendah atau yang mengandung nikel untuk mengurangi risiko retak. Untuk alat yang kritis, pengelasan perbaikan biasanya dihindari atau dilakukan di bawah kontrol prosedur yang ketat; alternatif pemesinan dan brazing mungkin lebih disukai.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik D2 maupun D3 tidak stainless dalam arti praktis: meskipun keduanya mengandung kromium yang substansial, mereka bukan paduan tahan korosi yang dimaksudkan untuk lingkungan basah atau pengoksidaan tanpa perlindungan.
- Strategi perlindungan yang khas: pengecatan, pelumasan, perlakuan fosfat, nitriding (untuk kekerasan permukaan dan ketahanan oksidasi terbatas), dan pelapisan galvanik lokal di mana sesuai. Perlu dicatat bahwa nitriding dapat meningkatkan umur pakai permukaan tanpa mengubah ketangguhan bulk tetapi dibatasi oleh distribusi karbida.
- PREN (angka setara ketahanan pitting) digunakan untuk grade stainless: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Indeks ini tidak cocok untuk D2/D3 karena mereka tidak dirancang atau disertifikasi sebagai baja stainless; oleh karena itu PREN tidak berlaku untuk keluarga baja alat dalam kondisi layanan yang khas.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas
- Kemampuan mesin: D2 sulit pada alat pemotong tetapi relatif lebih mudah diproses dalam kondisi annealed (anneal lunak), dan kemampuan penggilingan baik dalam keadaan keras dibandingkan dengan baja yang kaya karbida. D3, dengan volume karbida yang lebih tinggi dan lebih banyak karbida vanadium, lebih abrasif terhadap alat; itu memperpendek umur alat pada operasi pemotongan dan bisa lebih sulit untuk digiling atau diselesaikan.
- Formabilitas dan pembengkokan: kedua grade umumnya harus dibentuk dalam kondisi annealed; pembentukan dingin dalam kondisi keras atau tempering keras tidak praktis. D3 lebih rentan terhadap retak selama pembentukan karena duktilitas yang lebih rendah.
- Penyelesaian permukaan: penyelesaian cermin dapat dicapai tetapi memerlukan proses yang lebih abrasif dan perhatian dengan D3 karena penarikan karbida dan keausan diferensial selama pemolesan.
8. Aplikasi Khas
| D2 — Penggunaan Khas | D3 — Penggunaan Khas |
|---|---|
| Cetakan pembentukan dingin, alat pemotong dan pemangkasan, bilah pemotong, pisau pemotong, pengukur, cetakan yang memerlukan keseimbangan antara ketahanan aus dan ketahanan guncangan | Aplikasi keausan berat di mana ketahanan abrasi maksimum adalah prioritas dan ketangguhan dapat dikorbankan; pisau khusus untuk slugging atau abrasif, beberapa insert keausan umur panjang |
| Blok cetakan di mana stabilitas dimensi dan ketahanan tempering penting | Aplikasi yang memerlukan kekerasan setinggi mungkin dan ketahanan aus abrasif di mana kerapuhan dapat diterima |
| Operasi stamping dan pemotongan jangka panjang | Alat niche di mana masa pakai per penggilingan ulang sangat penting dan beban impak minimal |
Alasan pemilihan - Pilih grade yang sesuai dengan mode stres: jika dampak berulang, guncangan, atau pembengkokan diharapkan, lebih baik memilih opsi yang lebih tangguh (D2). Jika gesekan abrasif terus menerus atau mikro-abrasion dampak rendah mendominasi dan bagian dapat dirancang untuk menghindari guncangan, grade kekerasan yang lebih tinggi (D3) dapat memperpanjang interval pemeliharaan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- D2 diproduksi secara luas, disimpan di banyak pasar dan tersedia dalam berbagai bentuk produk (plat, batang, stok pra-hardened, stok datar yang digiling). Adopsi luasnya dalam alat menjaga biaya unit tetap moderat.
- D3 kurang umum dan oleh karena itu sering lebih mahal per kilogram; ketersediaan dapat dibatasi pada pemasok khusus atau peleburan yang dibuat sesuai pesanan. Selain itu, biaya pemesinan dan alat untuk D3 cenderung lebih tinggi karena kandungan karbida abrasif dan umur alat yang lebih pendek.
- Untuk perencanaan pengadaan, total biaya siklus hidup (termasuk pemesinan, perlakuan panas, masa pakai dalam layanan, dan siklus penggilingan ulang) harus dipertimbangkan daripada hanya harga bahan mentah.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif):
| Atribut | D2 | D3 |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Sulit (tetapi lebih baik dari D3) | Lebih sulit (risiko lebih tinggi karena C yang lebih tinggi) |
| Seimbang Kekuatan–Ketangguhan | Ketangguhan lebih baik pada kekerasan tertentu | Kekerasan puncak lebih tinggi dan ketahanan aus, ketangguhan lebih rendah |
| Biaya & Ketersediaan | Tersedia luas, biaya moderat | Kurang umum, biaya material dan pemrosesan lebih tinggi |
Rekomendasi penutup - Pilih D2 jika: Anda memerlukan baja alat kerja dingin yang seimbang yang menawarkan ketahanan aus tinggi dengan ketangguhan patah dan stabilitas dimensi yang lebih baik secara relatif. Kasus khas: pemotongan blanking jangka panjang, cetakan serbaguna, aplikasi yang akan mengalami dampak atau ketidakselarasan yang berselang. - Pilih D3 jika: mode kegagalan utama adalah keausan abrasif dan Anda dapat merancang untuk menghindari dampak atau guncangan; jika memaksimalkan kekerasan dan waktu antara penggilingan ulang adalah tujuan utama dan biaya pemrosesan/manufaktur yang lebih tinggi dapat diterima.
Catatan akhir: kedua grade memerlukan spesifikasi yang hati-hati tentang perlakuan panas, efek ukuran bagian, dan perlindungan pasca-proses. Selalu konsultasikan sertifikat pabrik pemasok, lembar data teknis, dan, untuk alat yang kritis, lakukan validasi spesifik aplikasi (uji coba prototipe dan analisis mode kegagalan) sebelum peluncuran produksi penuh.