D3対D2 – 組成、熱処理、特性、および応用

はじめに

D2およびD3は、刃物、金型、剪断刃、摩耗部品など、耐摩耗性が重要な冷間加工用工具鋼として広く使用されています。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、摩耗寿命、エッジ保持、製造可能性、コストのバランスを取る必要がある部品を指定する際に、わずかに異なる高クロム・高炭素工具鋼の選択に直面します。

この2つのグレードの主な運用上の違いは、1つは炭素および炭化物形成元素の割合が高く、バルク靭性を犠牲にして硬化炭化物の割合が高いのに対し、もう1つは高い耐摩耗性とやや良好な靭性および寸法安定性をバランスさせていることです。両者はしばしば同様の製品形態（バー、プレート、事前硬化ブランク）で入手可能であるため、化学成分や熱処理の小さな変化がサービス寿命、脆性破壊のリスク、下流の加工コストに実質的な影響を与えるため、設計で一般的に比較されます。

1. 規格と指定

• D2およびD3が登場する一般的な規格：
• ASTM / ASME: A681（工具鋼）、A600シリーズの工具鋼仕様の参照
• EN: EN ISO工具鋼の指定（同等物は異なる場合があります）
• JIS: 日本工業規格（工具鋼のクラス）
• GB: 中国の工具鋼に関する規格
• 分類：
• D2およびD3は、いずれも高炭素・高クロムの冷間加工用工具鋼（工具鋼ファミリー、タイプ「D」 — 冷間加工、高クロム）です。
• これらは腐食抵抗の観点からステンレス工具鋼ではなく、HSLAや構造炭素鋼でもありません。

2. 化学組成と合金戦略

• 以下の表は、業界で使用される典型的な組成範囲を示しています。正確な値は仕様や熱処理業者によって異なるため、範囲は代表的なものとして扱ってください。

元素	典型的範囲 — D2 (wt%)	典型的範囲 — D3 (wt%)
C	1.40 – 1.60	1.80 – 2.20
Mn	0.30 – 0.60	0.30 – 0.60
Si	0.20 – 0.40	0.20 – 0.40
P	≤ 0.03	≤ 0.03
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	11.0 – 13.0	11.0 – 14.0
Ni	≤ 0.30（通常は無視できる）	≤ 0.30（通常は無視できる）
Mo	0.70 – 1.20	0.30 – 1.00
V	0.10 – 0.60	0.30 – 2.00
Nb / Ti / B	微量から0.05（存在する場合）	微量から0.05（存在する場合）
N	微量	微量

注意： - D2は通常、高クロムと中程度のモリブデンのバランスを目指し、適度なバナジウムを含みます。主にM7C3、M23C6およびMCタイプの複雑な炭化物の混合物を形成します。 - D3は一般的により多くの炭素を含み、しばしばより高いバナジウムまたは他の炭化物形成元素を含み、主炭化物（大きな炭化物）の割合と硬化炭化物の全体的な体積分率を増加させ、耐摩耗性を向上させますが、マトリックスの靭性を低下させます。

合金が特性に与える影響： - 炭素、Cr、V、Mo：炭化物の体積分率、硬度、硬化性に影響します。炭素とバナジウムが多いほど→より安定した硬い炭化物→より高い耐摩耗性。 - 11〜14％のクロムは硬化性を改善し、炭化物の形成を促進しますが、これらのグレードにステンレス性能を与えるものではありません（連続マトリックスは保護コーティングなしでは腐食にさらされます）。 - モリブデンとバナジウムは炭化物のサイズと分布を精製し、二次硬化および焼戻し抵抗を改善します。

3. 微細構造と熱処理応答

• 典型的な微細構造：
• 両グレードは、焼鈍状態でフェライト（または処理に応じてベイナイト）マトリックスを持ち、クロムリッチな炭化物が分散しています。D3は、炭素および/または炭化物形成元素の含有量が高いため、より大きな主炭化物の体積分率が高くなる傾向があります。
• 熱処理挙動：
• D2：空気硬化；前加熱、オーステナイト化（通常は供給者のガイドラインに応じて1000〜1020 °C範囲）、歪みを最小限に抑えるためのゆっくりとした冷却、所望の硬度と靭性を目指す焼戻しサイクルに良く反応します。D2は、静止空気または油で急冷した場合に良好な寸法安定性を示し、Mo/V合金による二次硬化を発展させます。
• D3：オーステナイト化と焼戻しの厳密な制御が必要です。なぜなら、より高い炭化物分率が延性マトリックスの体積を減少させるからです。D3は、焼戻し後の硬度を高くすることができますが、急冷/焼戻し中の亀裂に対してより敏感であり、焼戻しが不十分な場合には壊滅的な脆性破壊に対してより大きな感受性を示す可能性があります。
• 加工ルート：
• 正規化/精製：両者は、鋳造時の炭化物を破砕し、より均一な前オーステナイト粒サイズを作成するために適切な正規化サイクルから利益を得ます。
• 熱機械加工：微細粒制御と均質化は、大きな主炭化物が亀裂の発生点として作用するリスクを減少させ、特にD3にとって重要です。

4. 機械的特性

• 値は熱処理の目標（硬度）および製品形態に強く依存します。以下の表は、製造実践で使用される典型的な急冷/焼戻し範囲を要約しています。

特性	典型的 — D2（熱処理済み）	典型的 — D3（熱処理済み）
引張強度 (MPa)	~900 – 1,700	~1,000 – 1,900
降伏強度 (MPa)	~700 – 1,400	~800 – 1,600
伸び (%)	~4 – 12	~2 – 6
衝撃靭性 (Charpy V, J)	~10 – 30（硬度に依存）	~5 – 20（平均して低い）
硬度 (HRC)	~56 – 62 典型的；低くするために焼戻し可能	~58 – 64 典型的；より高いピークHRCに達する可能性あり

解釈： - D3は通常、炭化物含有量と全体的な炭素レベルが高いため、エッジ硬度と耐摩耗性が向上しますが、これは延性と衝撃靭性を犠牲にします。 - D2は、靭性と耐摩耗性の強いバランスが必要な場合に通常選択されます。多くの冷間加工工具アプリケーションでは、チッピングや脆性破壊に対してより少ない傾向があります。

5. 溶接性

• 溶接性は、両グレードの高炭素および強い炭化物形成合金によって制約され、制御されない場合には硬く脆い熱影響部（HAZ）や亀裂を促進します。
• 一般的に使用される2つの経験的溶接性指数：
• IIW炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Pcm（溶接性パラメータ）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• 定性的解釈：
• D2およびD3は、通常、軟鋼に対して高い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値を示します。炭素が高く、Cr/Mo/Vが高いほど、指数が上昇し、より高い前加熱、パス間温度制御、および溶接後の熱処理要件を示します。
• D3（より高い炭素およびおそらくより多くのV）は、通常、D2よりも悪い溶接性評価を持ち、より積極的な前加熱、低熱入力の溶接手順、または溶接されたアセンブリのための機械的固定または代替材料の回避を必要とすることが多いです。
• 実用的なガイダンス：修理溶接は、特定の手順（制御された前加熱、制約されたピーニングの回避、適切なフィラー合金、および応力緩和/溶接後の焼戻し）を持つ資格のある溶接工によってのみ行うべきです。

6. 腐食と表面保護

• D2およびD3は、相当なクロム含有量にもかかわらず、腐食に強いステンレス鋼ではありません。保護されない限り、湿気のある環境や水中で錆びます。
• 一般的な保護戦略：
• 保護コーティング：塗装、粉体塗装、または特殊な摩耗コーティング（例：ハードクロム、PVDをサブクリティカルな表面に施す）。
• 亜鉛メッキは一部の形状で可能ですが、工具鋼部品には珍しく、亜鉛コーティングは重い摩耗や高温焼戻しサイクルに耐えられない可能性があります。
• 潤滑と制御された環境は、工具のサービス寿命を延ばします。
• PREN指数はここでは適用されません。これらは腐食抵抗のために設計されたステンレスグレードではなく、参考のために： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• 典型的なPREN計算は、オーステナイト/デュプレックスステンレスグレードに対してのみ意味があり、Dシリーズの冷間加工工具鋼には適用されません。

7. 加工、切削性、成形性

• 切削性：
• 両者は低合金鋼よりも加工が難しく、通常は焼鈍状態で加工されます。D3は、炭化物の体積分率が高いため、工具に対して通常より摩耗性が高く、より遅い送り、重い工具、およびより頻繁な工具交換を必要とする場合があります。
• 成形性：
• 熱処理された状態での冷間成形は制限されており、成形は焼鈍状態で行うべきです。D3の高い炭化物含有量は、D2に対して延性と成形性を低下させます。
• 研削および仕上げ：
• D3は、炭化物が研磨工具の寿命を減少させ、グレーズされたホイールを引き起こす可能性があるため、より積極的な研削戦略と高グレードの研磨剤を要求します。
• 表面仕上げ：
• 細かい仕上げへのポリッシングは可能ですが、複数のグリットステップが必要になる場合があります。不適切な研削/熱が適用された場合、炭化物の引き抜きが懸念されます。

8. 典型的な用途

D2 — 典型的な使用例	D3 — 典型的な使用例
スリッターおよび剪断刃	極端な耐摩耗性が要求される高摩耗、精密ブランク金型
冷間ヘッディング工具	非常に高いエッジ保持が重要なファインブランキングパンチ
靭性が要求される押出用金型	間欠的なチッピングが許容される長期間のスタンピング工具
摩耗プレート、フィードロール	最大の耐摩耗性が要求され、靭性に対する懸念が少ないアプリケーション

選択の理由： - サービスが摩耗に対する抵抗を必要とするか（より高い炭化物含有量を優先）、衝撃荷重下でのチッピングや破損に対する抵抗が必要か（より靭性があり、やや低炭素/高マトリックス分率のオプションを優先）に基づいてグレードを選択してください。 - 下流の加工を考慮してください：溶接、成形、または厳密な曲げが必要な場合、炭化物が少ないオプションは加工リスクを減少させます。

9. コストと入手可能性

• コスト：
• D3は、合金含有量が高く、加工が難しいため、D2よりもkgあたりわずかに高価であることが多いです。ただし、差は通常は控えめで、市場に依存します。
• 入手可能性：
• 両者は成熟した広く生産されている工具鋼であり、一般的な製品形態（バー、フラット、事前硬化ブランク）で一般的に入手可能です。リードタイムはサイズ、仕上げ、特別な化学成分に基づいて異なる場合があります。
• 総所有コスト：
• ライフサイクルを考慮してください：再研磨や交換の間隔が大幅に長いより高価なD3部品は、初期コストが高くても経済的である可能性があります。

10. まとめと推奨

基準	D2	D3
溶接性	良好（制御が必要）	悪化（より高い前加熱/制御が必要）
強度–靭性バランス	同等の硬度でより良い靭性	靭性を犠牲にしてより高い耐摩耗性
コスト	中程度	やや高い（加工および摩耗工具コスト）

推奨事項： - 高い耐摩耗性とより良い靭性、容易な加工、チッピングのリスクが低い実用的な妥協が必要な場合はD2を選択してください。これは、時折の衝撃抵抗が要求される一般的な冷間加工工具（剪断、金型、ナイフ）に典型的です。 - 耐摩耗性とエッジ保持を最大化することが最優先の目的であり、設計またはプロセスが靭性の低下と厳格な加工/溶接制御を許容できる場合はD3を選択してください。これは、再研磨が高価でチッピングが受け入れられる長期間の高ボリュームブランキングまたはファインブランキング金型に典型的です。

最終的な注意：正確な性能は、正確な化学成分、熱処理サイクル、および部品の形状に依存します。重要なアプリケーションでは、供給者の熱処理データシート、試験部品、および適切な場合には、サービス代表条件下での実験室の摩耗および破壊試験で候補鋼を検証してください。