D3 против D2 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
D2 и D3 широко используются как инструментальные стали для холодной обработки, выбираемые для ножей, штампов, ножей для резки и износостойких деталей, где критически важна стойкость к абразивному износу. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства постоянно сталкиваются с выбором между немного различными высокохромистыми, высокоуглеродистыми инструментальными сталями при спецификации компонентов, которые должны сбалансировать срок службы, удержание кромки, технологичность и стоимость.
Основное оперативное различие между двумя марками заключается в том, что одна имеет более высокую долю закаливающих карбидов (обусловленную большим содержанием углерода и элементов, образующих карбиды) за счет общей прочности, в то время как другая балансирует высокую износостойкость с несколько лучшей прочностью и размерной стабильностью. Поскольку обе часто доступны в аналогичных формах (прутки, пластины и предварительно закаленные заготовки), их обычно сравнивают в проектировании, поскольку небольшое изменение в химическом составе или термообработке может существенно изменить срок службы, риск хрупкого разрушения и затраты на последующую обработку.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты, в которых встречаются D2 и D3:
- ASTM / ASME: A681 (инструментальные стали), ссылки серии A600 для спецификаций инструментальных сталей
- EN: обозначения инструментальных сталей EN ISO (эквиваленты могут варьироваться)
- JIS: Японские промышленные стандарты (классы инструментальных сталей)
- GB: Китайские стандарты для инструментальных сталей
- Классификация:
- Обе марки D2 и D3 являются высокоуглеродистыми, высокохромистыми инструментальными сталями для холодной обработки (семейство инструментальных сталей, тип "D" — холодная обработка, высокохромистые).
- Они не являются нержавеющими инструментальными сталями в коррозионно-стойком смысле, и не являются HSLA или конструкционными углеродными сталями.
2. Химический состав и стратегия легирования
- Следующая таблица дает типичные диапазоны состава, используемые в промышленности. Точные значения зависят от спецификации или производителя; рассматривайте диапазоны как представительные, а не предписывающие.
| Элемент | Типичный диапазон — D2 (в%) | Типичный диапазон — D3 (в%) |
|---|---|---|
| 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 (обычно незначительно) | ≤ 0.30 (обычно незначительно) |
| Mo | 0.70 – 1.20 | 0.30 – 1.00 |
| V | 0.10 – 0.60 | 0.30 – 2.00 |
| Nb / Ti / B | Следы до 0.05 (если присутствуют) | Следы до 0.05 (если присутствуют) |
| N | Следы | Следы |
Примечания: - D2 обычно нацелена на баланс между высоким содержанием хрома и умеренным содержанием молибдена с небольшим содержанием ванадия; она образует смесь сложных карбидов (преимущественно типов M7C3, M23C6 и MC). - D3, как правило, содержит больше углерода и часто больше ванадия или других образователей карбидов в пропорциях, которые увеличивают первичные (крупные) карбиды и общий объемный процент твердых карбидов, что повышает стойкость к абразивному износу, но снижает прочность матрицы.
Как легирование влияет на свойства: - Углерод, Cr, V, Mo: влияют на объемный процент карбидов, твердость и закаливаемость. Больше углерода и ванадия → более стабильные, твердые карбиды → выше износостойкость. - Хром на уровне 11–14% улучшает закаливаемость и способствует образованию карбидов, но не обеспечивает нержавеющую производительность для этих марок (непрерывная матрица все еще подвержена коррозии без защитных покрытий). - Молибден и ванадий уточняют размер и распределение карбидов и улучшают вторичную закаляемость и стойкость к отпуску.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Типичные микроструктуры:
- Обе марки в отожженном состоянии имеют ферритную (или бейнитную в зависимости от обработки) матрицу с дисперсией карбидов, богатых хромом. D3, как правило, показывает более высокий объемный процент крупных первичных карбидов из-за более высокого содержания углерода и/или образователей карбидов.
- Поведение при термообработке:
- D2: закалка в воздухе; хорошо реагирует на предварительный нагрев, аустенитизацию (обычно в диапазоне 1000–1020 °C в зависимости от рекомендаций поставщика), медленное охлаждение для минимизации деформации и циклы отпуска для достижения желаемой твердости и прочности. D2 демонстрирует хорошую размерную стабильность при закалке в спокойном воздухе или масле и развивает вторичную закаляемость за счет легирования Mo/V.
- D3: требует тщательного контроля аустенитизации и отпуска, поскольку более высокий процент карбидов снижает объем пластичной матрицы. Он может достичь более высокой твердости после отпуска, но более чувствителен к растрескиванию во время закалки/отпуска и может проявлять большую предрасположенность к катастрофическому хрупкому разрушению, если отпуск недостаточен.
- Маршруты обработки:
- Нормализация/уточнения: обе марки выигрывают от правильных нормализующих циклов для разрушения отливок карбидов и создания более однородного размера зерен перед аустенитизацией.
- Термо-механическая обработка: контроль мелкозернистости и гомогенизация снижают риск крупных первичных карбидов, действующих как места инициирования трещин, что особенно важно для D3.
4. Механические свойства
- Значения сильно зависят от целевой термообработки (твердости) и формы продукта. Таблица ниже обобщает типичные диапазоны после закалки/отпуска, используемые на практике.
| Свойство | Типичный — D2 (термообработанный) | Типичный — D3 (термообработанный) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (МПа) | ~900 – 1,700 | ~1,000 – 1,900 |
| Устойчивость к текучести (МПа) | ~700 – 1,400 | ~800 – 1,600 |
| Удлинение (%) | ~4 – 12 | ~2 – 6 |
| Ударная вязкость (Charpy V, Дж) | ~10 – 30 (зависит от твердости) | ~5 – 20 (в среднем ниже) |
| Твердость (HRC) | ~56 – 62 типично; может быть отпущена для снижения | ~58 – 64 типично; может достигать более высокой пиковой HRC |
Интерпретация: - D3 обычно достигает более высокой твердости кромки и износостойкости благодаря более высокому содержанию карбидов и общему уровню углерода, но это происходит за счет пластичности и ударной вязкости. - D2 обычно выбирается, когда требуется более сильный баланс прочности и износостойкости; она будет менее подвержена сколам или хрупкому разрушению во многих приложениях для холодной обработки инструмента.
5. Сварка
- Сварка ограничена высоким содержанием углерода и сильным легированием карбидообразующими элементами в обеих марках, что способствует образованию твердых, хрупких термически измененных зон (HAZ) и растрескиванию, если процедуры не контролируются.
- Два часто используемых эмпирических индекса свариваемости:
- Эквивалент углерода IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Pcm (параметр свариваемости): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Качественная интерпретация:
- Обе марки D2 и D3 обычно дают высокие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ по сравнению с мягкими сталями; более высокое содержание углерода и более высокий Cr/Mo/V повышают индексы, указывая на необходимость большего предварительного нагрева, контроля температуры между проходами и термообработки после сварки.
- D3 (большее содержание углерода и, возможно, больше V) обычно будет иметь более низкий рейтинг свариваемости, чем D2, и часто требует более агрессивного предварительного нагрева, более низких тепловых входов в процессе сварки или избегания сварки с помощью механического крепления или замены материала для сварных сборок.
- Практическое руководство: ремонтная сварка должна выполняться только квалифицированными сварщиками с соблюдением конкретных процедур (контролируемый предварительный нагрев, избегание сжатия, подходящие сварочные сплавы и отпуск/послесварочный отпуск).
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни D2, ни D3 не являются коррозионно-стойкими нержавеющими сталями, несмотря на значительное содержание хрома. Они будут ржаветь в влажной или водной среде, если не защищены.
- Общие стратегии защиты:
- Защитные покрытия: покраска, порошковое покрытие или специализированные износостойкие покрытия (например, твердый хром, PVD на субкритических поверхностях).
- Гальванизация возможна для некоторых форм, но необычна для компонентов инструментальных сталей, поскольку цинковое покрытие может не выдержать сильного износа и высокотемпературных отпускных циклов.
- Смазка и контролируемые условия продлевают срок службы инструмента.
- Индекс PREN здесь не применим, поскольку это не нержавеющие марки, предназначенные для коррозионной стойкости, но для справки: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Типичные расчеты PREN имеют смысл только для аустенитных/двойных нержавеющих марок, а не для инструментальных сталей серии D для холодной обработки.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- Обе марки труднее обрабатывать, чем низколегированные стали; обработка обычно выполняется в отожженном состоянии. D3, как правило, более абразивна для инструментов из-за более высокого объема карбидов и может требовать более медленных подач, более тяжелых инструментов и более частой замены инструментов.
- Формуемость:
- Холодная формовка ограничена в термообработанном состоянии; формовка должна выполняться в отожженном состоянии. Более высокое содержание карбидов в D3 снижает пластичность и формуемость по сравнению с D2.
- Шлифовка и отделка:
- D3 требует более агрессивных стратегий шлифовки и абразивов более высокого качества, поскольку карбиды снижают срок службы абразивов и могут вызывать полировку колес.
- Отделка поверхности:
- Полировка до тонкой отделки достижима, но может потребовать нескольких этапов зернистости; выемка карбидов является проблемой, если применяется неправильная шлифовка/тепло.
8. Типичные применения
| D2 — Типичные применения | D3 — Типичные применения |
|---|---|
| Ножи и ножи для резки | Штампы для высоких нагрузок, где требуется экстремальная износостойкость |
| Инструменты для холодного формования | Штампы для тонкой резки, где критически важно очень высокое удержание кромки |
| Штампы для экструзии, где требуется прочность | Инструменты для длительного штамповки, где допустимы периодические сколы для более длительного общего срока службы |
| Износостойкие пластины, ролики для подачи | Применения, требующие максимальной стойкости к абразивному износу и меньшей заботы о прочности |
Обоснование выбора: - Выбирайте марку в зависимости от того, требуется ли сопротивление абразивному износу (предпочтение отдается более высокому содержанию карбидов) или необходима стойкость к сколам и разрушению под ударными нагрузками (предпочтение отдается более прочному, слегка низкоуглеродному/высокому матричному варианту). - Учитывайте последующую обработку: если требуется сварка, формовка или жесткое изгибание, менее богатый карбидами вариант снижает риск обработки.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость:
- D3 часто немного дороже за кг, чем D2 из-за более высокого содержания легирующих элементов и увеличенной сложности обработки (труднее обрабатывать и шлифовать). Однако разница обычно скромная и зависит от рынка.
- Доступность:
- Обе марки являются зрелыми, широко производимыми инструментальными сталями и обычно доступны в распространенных формах продуктов (прутки, плоские изделия, предварительно закаленные заготовки). Сроки поставки могут варьироваться в зависимости от размера, отделки и специальной химии.
- Общая стоимость владения:
- Учитывайте жизненный цикл: более дорогой компонент D3, который служит значительно дольше между переточками или заменами, может быть более экономичным, несмотря на более высокую первоначальную стоимость.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | D2 | D3 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Удовлетворительная (требует контроля) | Плохая (больший предварительный нагрев/контроль) |
| Баланс прочности и прочности | Лучшая прочность при аналогичной твердости | Более высокая износостойкость за счет прочности |
| Стоимость | Умеренная | Немного выше (затраты на обработку и инструменты для износа) |
Рекомендации: - Выбирайте D2, если вам нужен практичный компромисс между высокой износостойкостью и лучшей прочностью, более легкой обработкой и меньшим риском сколов — типично для универсальных инструментов для холодной обработки (ножницы, штампы, ножи), где требуется периодическая стойкость к ударам. - Выбирайте D3, если максимизация стойкости к абразивному износу и удержанию кромки является основным приоритетом, и проект или процесс могут терпеть снижение прочности и более строгий контроль за обработкой/сваркой — типично для длительных, высокообъемных штамповок или штампов для тонкой резки, где переточка дорогостоящая, а сколы являются приемлемым компромиссом.
Заключительная заметка: точная производительность зависит от точной химии, цикла термообработки и геометрии компонента. Для критических приложений подтвердите кандидатные стали с помощью листов данных термообработки поставщика, пробных компонентов и, где это уместно, лабораторных испытаний на износ и разрушение в условиях, представляющих собой эксплуатацию.