D2 против SKD11 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
D2 и SKD11 — это два наиболее часто указываемых инструментальных сталей для холодной обработки и высоконагруженных применений. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства регулярно взвешивают компромиссы между износостойкостью, прочностью, стоимостью и возможностью производства при выборе между ними. Практическая дилемма выбора обычно сосредоточена на том, какая стандартная и поставочная цепочка наиболее удобна, обеспечивая при этом требуемую твердость и срок службы — коротко говоря, балансируя между износостойкостью и реакцией на термообработку против хрупкости в эксплуатации и сложности обработки.
Обе стали химически и функционально очень похожи: одна определяется в североамериканских/европейских стандартах, а другая — в японских стандартах, и они часто рассматриваются как близкие эквиваленты в чертежах и спецификациях. Небольшие различия в допусках по составу, предельных значениях примесей и коммерческих термообработках (а следовательно, и в производительности в экстремальных условиях эксплуатации или специфических процессах) являются основными причинами, по которым их продолжают сравнивать.
1. Стандарты и обозначения
- AISI/ASTM: AISI D2 / UNS T30402, обычно упоминается в Северной Америке.
- JIS: SKD11 (JIS G4404), обычно упоминается в Японии и многих азиатских цепочках поставок.
- EN / ISO: EN 1.2379 (часто используется как европейский идентификатор для этой группы).
- GB: Китайские эквиваленты обычно обозначаются под названиями серии Cr (например, варианты Cr12MoV) в стандартах GB.
Классификация: как D2, так и SKD11 являются высокоуглеродными, высокохромовыми инструментальными сталями для холодной обработки (тип инструментальной стали, не нержавеющей). Они легированы для высокой износостойкости и высокой закаливаемости и в основном используются в холодных штампах, режущих инструментах и износостойких компонентах.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: Типичные диапазоны состава (в.%). Значения являются типичными диапазонами, используемыми в коммерческих целях; обратитесь к сертификату завода для точной химии партии.
| Элемент | Типичный — AISI D2 (в.%.) | Типичный — JIS SKD11 (в.%.) |
|---|---|---|
| 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 | обычно нет или следы | обычно нет или следы |
| N | следы | следы |
Примечания: - Оба сорта зависят от высокого содержания углерода и хрома для формирования мартенситной матрицы с плотным населением карбидов, богатых хромом (вносящих вклад в износостойкость). - Молибден и ванадий добавляются для уточнения типа и распределения карбидов, увеличения закаливаемости и улучшения реакции вторичной закалки. Небольшие различия в диапазонах Mo и V между стандартами могут повлиять на морфологию карбидов и поведение при отпуске. - Фосфор и сера контролируются на низком уровне для сохранения прочности и обрабатываемости.
Как легирование влияет на свойства: - Углерод увеличивает твердость и износостойкость за счет образования мартенсита и карбидов, но снижает свариваемость и прочность. - Хром (высокий уровень) образует твердые хромовые карбиды и улучшает закаливаемость; на этих уровнях он обеспечивает ограниченную коррозионную стойкость, но не делает сталь нержавеющей. - Ванадий и молибден образуют твердые, стабильные карбиды и замедляют коагуляцию карбидов во время отпуска, улучшая износостойкость и горячую твердость. - Кремний и марганец присутствуют в умеренных количествах для дегазации и прочности.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичная микроструктура (после стандартной термообработки): мартенситная матрица, содержащая сеть/дисперсию карбидов, богатых хромом (преимущественно типа M7C3 / M23C6 в зависимости от химии и обработки), плюс более твердые карбиды MC, когда ванадий значителен.
Характеристики термообработки: - Отпущенное / мягкое состояние: сфероидизированные карбиды в ферритной/перлитной матрице для облегчения обработки (обычно используется для предварительной обработки). - Закалка: высокие температуры аустенитизации (часто в диапазоне, подходящем для сталей с высоким содержанием углерода и хрома) образуют мартенситную матрицу при закалке. Из-за более высокого содержания Cr и легирующих элементов детали требуют повышенной аустенитизации и контролируемого охлаждения, чтобы избежать трещин. - Отпуск: последовательность циклов отпуска достигает желаемого компромисса между твердостью и прочностью. Вторичная закалка (из-за осаждения карбидов, богатых Mo и V) может происходить; выбор температуры отпуска глубоко влияет на окончательную прочность и оставшийся аустенит. - Нормализация и термомеханическая обработка: ограниченная роль по сравнению с закалкой и отпуском, поскольку уже существующие карбиды определяют поведение при износе; однако контролируемая ковка/нормализация может гомогенизировать распределение карбидов и уменьшить сегрегацию.
Различия между D2 и SKD11: - Микроструктурные различия незначительны и возникают в основном из-за небольших допусков по химии и производственных маршрутов. Один стандарт может указывать немного более высокое содержание ванадия или молибдена, что приводит к более мелким карбидам MC и незначительно улучшенной износостойкости после термообработки. В большинстве применений эти различия вторичны по сравнению с контролем термообработки и обработки.
4. Механические свойства
Таблица: Типичные диапазоны свойств после соответствующей закалки и отпуска (представительные — зависят от процесса).
| Свойство | AISI D2 (типичный диапазон) | JIS SKD11 (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению | ~1000 – 2000 МПа (зависит от процесса) | ~1000 – 2000 МПа (зависит от процесса) |
| Предел текучести | Не часто указывается отдельно; высокий и близкий к UTS в закаленном состоянии | Похожий |
| Удлинение (Ao) | ~3 – 12% (уменьшается с увеличением твердости) | ~3 – 12% |
| Ударная вязкость (Шарпи) | Низкая до умеренной; сильно зависит от отпуска | Низкая до умеренной; аналогично |
| Твердость (HRC) | Обычно 55 – 62 HRC после закалки и отпуска | Обычно 55 – 62 HRC |
Интерпретация: - Обе стали достигают высокой твердости и прочности на растяжение при правильной термообработке. Деформируемость и ударная стойкость ограничены при высокой твердости; отпуск для снижения твердости улучшает прочность, но снижает срок службы при износе. - Ни один из сортов не является «упругим» по сравнению с низколегированными конструкционными сталями — их проектная цель заключается в износостойкости при повышенной твердости. Небольшие различия в химии могут сместить оптимальную точку компромисса, но не основное поведение.
5. Свариваемость
Высокое содержание углерода и хрома увеличивает закаливаемость и объем карбидов; оба фактора ухудшают свариваемость. Ключевые соображения: - Предварительный подогрев и термообработка после сварки (PWHT) обычно необходимы, чтобы избежать холодных трещин и отжиг мартенсита, образовавшегося в зоне термического воздействия. - Осаждение карбидов и сегрегация могут усложнить свойства зоны сварного соединения.
Полезные предсказательные выражения: - Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Более высокий $CE_{IIW}$ указывает на необходимость более строгого контроля предварительного подогрева и PWHT и повышенной восприимчивости к трещинам.
- Международный параметр $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Более высокие значения $P_{cm}$ аналогично указывают на более строгие сварочные процедуры.
Качественные рекомендации: - Как D2, так и SKD11 сложно сваривать в закаленном состоянии; сварка обычно избегается, за исключением ремонтов с использованием специализированных процедур (контролируемый подогрев, низкий тепловой ввод, соответствующие filler metals и PWHT). Пайка, механическое крепление или создание деталей с помощью EDM и наращивание с совместимыми filler alloys являются распространенными альтернативами.
6. Коррозия и защита поверхности
- Эти сорта не являются нержавеющими сталями, несмотря на высокое содержание Cr; хром присутствует в основном для формирования твердых карбидов. Ожидайте лишь умеренной коррозионной стойкости по сравнению с нержавеющими сортами.
- Типичные стратегии защиты: краски, полимерные покрытия, фосфатирование и гальваническое покрытие для атмосферной коррозии — и оцинковка, где это уместно (учитывая хрупкость покрытия на острых краях). Для инструментов используются такие обработки поверхности, как нитридирование, покрытия физического парового осаждения (PVD) (TiN, DLC) или хромирование для продления срока службы и снижения трения/износа.
- PREN не применим к не нержавеющим инструментальным сталям, но для справки: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс имеет смысл только для нержавеющих сплавов с значительной коррозионной стойкостью — D2/SKD11 не оцениваются таким образом.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обработка: обе стали относительно легко обрабатываются в отожженном состоянии после сфероидизации. В закаленном состоянии они трудны в обработке и обычно обрабатываются шлифованием, EDM или медленным тяжелым резанием карбидными инструментами с жесткими установками.
- Формование и изгиб: ограничены в закаленном состоянии; формование должно производиться в отожженном состоянии. Риски пружинистости и трещин увеличиваются с содержанием углерода и твердостью.
- Обработка поверхности: шлифование и полировка являются стандартными для окончательных инструментов; криогенные обработки и покрытия PVD распространены для продления срока службы.
- Термообработка и трещины от закалки: из-за высокой закаливаемости контроль за жесткостью закалки и геометрией детали имеет решающее значение для избежания трещин от закалки и искажений.
8. Типичные применения
| AISI D2 – Типичные применения | JIS SKD11 – Типичные применения |
|---|---|
| Лезвия для штамповки, ножи для резки, лезвия для резки, штампы для вырубки и штамповки | П punches для вырубки, прецизионные штампы, лезвия для резки, ножи для резки |
| Износостойкие пластины, формовочные штампы, экструзионные инструменты для цветных материалов | Холодные штампы, вставки для пластиковых форм для некоторых применений (предварительно закаленные) |
| Инструменты для длительной обработки листового металла, инструменты для легкого проката | Инструменты с высоким износом, где удобно получать поставки от заводов, указанных в JIS |
Обоснование выбора: - Используйте эти стали, когда требуется высокая износостойкость при высокой твердости, а требования к прочности умеренные. Выбирайте на основе конкретного режима износа (адгезивный против абразивного), геометрии детали и маршрута обработки. Для тяжелых ударных или высокопрочных нужд рассмотрите альтернативные инструментальные стали (например, AISI O1 для умеренной прочности или H-серии для горячей обработки).
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: обе стали имеют среднюю стоимость для инструментальных сталей; цена определяется содержанием легирующих элементов, размером прутков/пластин и местоположением на рынке. Небольшие различия в Mo и V могут немного повлиять на цену.
- Доступность: D2 широко доступен в Северной Америке и Европе; SKD11 обычно имеется в наличии в Японии и Азии. Глобальные сети заводов означают, что обе стали обычно доступны по всему миру, но размеры запасов, предложения предварительно закаленных пластин и формы прутков варьируются в зависимости от региона.
- Формы продукции: круглый пруток, плоский пруток, плита, предварительно закаленные блоки и прецизионный шлифованный материал; блоки EDM и предварительно закаленные листы обычно предлагаются.
10. Резюме и рекомендации
Таблица: Быстрое сравнение (качественное).
| Характеристика | AISI D2 | JIS SKD11 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Плохая до сложной | Плохая до сложной |
| Компромисс прочности и прочности | Очень высокая износостойкость за счет прочности | Очень высокая износостойкость за счет прочности |
| Стоимость / Местная доступность | Широко доступен в NA/EU; умеренная стоимость | Широко доступен в Японии/Азии; умеренная стоимость |
Выберите D2, если... - Ваша цепочка поставок или чертежи ссылаются на североамериканские/европейские стандарты, и вам нужна высокоизносостойкая инструментальная сталь для холодной обработки с широкой поддержкой поставщиков в этих регионах. - Вам требуются специфические практики термообработки или сертификаты поставщиков, связанные с обозначениями ASTM/AISI/EN. - Вы предпочитаете немного другие целевые значения Mo/V, которые иногда предлагаются по спецификации D2 для незначительного улучшения вторичной закалки.
Выберите SKD11, если... - Ваша база закупок или производства работает с спецификациями JIS, и вы хотите местную консистентность запасов, более короткие сроки поставки или преимущества в стоимости от азиатских заводов. - Применение инструмента — стандартные инструменты для холодной обработки (вырубка, штамповка, резка), где SKD11 обычно имеется в наличии и термообрабатывается. - Вы предпочитаете получать сертификат химического/качества, предписанный JIS, для контроля поставщиков.
Заключительная заметка: для критически важных инструментов и высокоценных деталей укажите требуемый диапазон твердости, целевые значения прочности после термообработки и запросите сертификаты завода и записи термообработки. Небольшие различия в химии и обработке между D2 и SKD11 обычно менее важны, чем последовательная термообработка, контроль карбидов и отделка поверхности для достижения долгого срока службы инструмента.