S7 против D2 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
S7 и D2 — это два широко используемых инструментальных стали, которые инженеры и специалисты по закупкам часто сравнивают при спецификации инструментов, износостойких деталей и компонентов, подверженных ударам или абразивному износу. Типичные контексты принятия решений включают выбор между большей прочностью на удар и жесткостью для абразивного или скользящего контакта, или балансировку обрабатываемости и стоимости с учетом эксплуатационных характеристик.
Основное практическое различие заключается в том, что одна марка оптимизирована для сопротивления ударам и прочности, в то время как другая оптимизирована для высокой жесткости и износостойкости. Поскольку обе используются в приложениях холодной обработки, проектировщики должны учитывать компромиссы в содержании легирующих элементов, реакции на термообработку, обрабатываемости, свариваемости и стоимости жизненного цикла при выборе между S7 и D2.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты и обозначения, встречающиеся в коммерческой практике:
- AISI/SAE и старые обозначения ASTM: AISI S7, AISI D2 (часто используются в Северной Америке).
- EN/Европейские: эквиваленты могут быть указаны как 1.2379 (для D2) и аналогичные номера EN для сталей типа S (точные эквиваленты должны быть проверены у поставщика).
- JIS/GB: существуют региональные эквиваленты, но они варьируются; подтвердите с сертификатами завода.
- Классификация:
- S7 — инструментальная сталь, устойчивая к ударам (легированная инструментальная сталь, предназначенная для сопротивления ударам и шоковым нагрузкам).
- D2 — инструментальная сталь с высоким содержанием углерода и хрома, закаливающаяся на воздухе (инструментальная сталь холодной обработки с высокой износостойкостью).
- Ни S7, ни D2 не являются нержавеющими марками (D2 имеет высокое содержание хрома, но не считается нержавеющим в коррозионно-стойком смысле).
2. Химический состав и стратегия легирования
Типичные диапазоны состава ниже приведены как представительные "типичные" диапазоны wt%, встречающиеся в коммерческих спецификациях; всегда консультируйтесь с конкретной сертификацией завода/поставщика для точных значений.
| Элемент | Типичный S7 (wt%) | Типичный D2 (wt%) |
|---|---|---|
| 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 (следы) | ≤0.030 (следы) |
| S | ≤0.030 (следы) | ≤0.030 (следы) |
| Cr | 0.80–1.50 | 11.0–13.0 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.40 |
| Mo | 0–0.50 (малое или отсутствует) | 0.70–1.20 |
| V | малое (следы–0.30) | 0.60–1.10 |
| Nb (Cb) | обычно отсутствует | обычно отсутствует или следы |
| Ti | обычно отсутствует | обычно отсутствует или следы |
| B | обычно отсутствует | обычно отсутствует |
| N | следы | следы |
Как легирование влияет на свойства - Углерод: Высокое содержание углерода в D2 позволяет достичь высокой объемной доли твердых карбидов и очень высокой достижимой жесткости; Умеренное содержание углерода в S7 балансирует жесткость и пластичность для прочности. - Хром: Большое содержание Cr в D2 увеличивает закаливаемость и образует карбиды, богатые хромом, для износостойкости; Умеренное содержание Cr в S7 помогает закаливаемости и реакции отпускания без чрезмерного образования карбидов. - Молибден и Ванадий: В D2 Mo и V стабилизируют карбиды и способствуют сопротивлению отпусканию при высоких температурах и износостойкости. S7 может использовать небольшое количество Mo или V для улучшения закаливаемости, но на гораздо более низком уровне. - Минорные элементы (Mn, Si) влияют на дегазацию, закаливаемость и поведение при отпуске.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Микроструктура (типичная после обычных термообработок) - S7: Типичная микроструктура после правильного закалки и отпуска — это закаленная мартенситная матрица с относительно небольшим количеством мелких карбидов. S7 разработан для сохранения пластичного, прочного мартенсита и минимизирует крупные твердые карбиды, которые действуют как инициаторы трещин. - D2: Типичная структура — это закаленный мартенсит/матрица, содержащая значительное количество стабильных карбидов, богатых хромом (прежде всего карбиды типа M7C3 и M23C6 вместе с карбидами ванадия и молибдена). Эти карбиды обеспечивают высокую износостойкость, но снижают прочность.
Поведение при термообработке - S7: Хорошо реагирует на обычные циклы закалки и отпуска. Обычно закаливается в масле с соответствующей температуры аустенитизации, а затем отжигается до целевой жесткости для оптимизации прочности. Нормализация перед закалкой используется для улучшения зерна и гомогенизации микроструктуры для крупных сечений. - D2: Это инструментальная сталь, закаливающаяся на воздухе (высоколегированная) — часто предварительно нагревается, а затем подвергается одно- или многократной закалке на воздухе с температуры аустенитизации. Из-за высокого содержания Cr и C D2 развивает высокий объем твердых карбидов и достигает высокой жесткости с меньшими деформациями по сравнению с марками, закаливающимися в воде/масле. Двойной отпуск или обработка при низких температурах могут использоваться для снижения остаточного аустенита и стабилизации жесткости.
Термо-механическая обработка - S7 выигрывает от контролируемой ковки и нормализации для улучшения размера зерна и повышения ударной прочности для шоковых приложений. - D2 выигрывает от точной термической обработки для контроля распределения карбидов; сильная деформация перед термообработкой требует тщательных этапов восстановления/рекристаллизации, чтобы избежать крупных карбидов.
4. Механические свойства
Механические свойства инструментальных сталей сильно зависят от термообработки. Таблица ниже дает типичные сравнительные диапазоны, а не абсолютные значения, чтобы отразить эту зависимость.
| Свойство | S7 (типичный обработанный диапазон) | D2 (типичный обработанный диапазон) |
|---|---|---|
| Жесткость (HRC) | ~45–56 (в зависимости от отпуска) | ~56–64 (более высокая достижимая пиковая жесткость) |
| Устойчивость к растяжению (МПа) | Умеренная до высокой (термообработанная) | Высокая (зависит от жесткости) |
| Предел текучести (МПа) | Умеренный | Выше при эквивалентной жесткости |
| Удлинение (%) | Большее (лучшая пластичность) | Меньшее (менее пластичное) |
| Ударная прочность (Дж или фут·фунт) | Относительно высокая (предназначена для ударных нагрузок) | Низкая до умеренной (сниженная прочность из-за карбидов) |
Интерпретация - Прочность и жесткость: D2, как правило, достигает более высокой жесткости и, следовательно, более высокой износостойкости; S7 достигает более низкой пиковой жесткости, но обеспечивает лучший баланс прочности и пластичности. - Прочность и пластичность: S7 значительно прочнее и более пластичен, чем D2 при сопоставимой термообработанной жесткости, что делает S7 предпочтительным, когда ударные или шоковые нагрузки являются основным режимом разрушения. - Износ против разрушения: D2 значительно лучше сопротивляется абразивному и адгезионному износу благодаря множеству карбидов, но он более подвержен хрупкому разрушению при ударах или растягивающей перегрузке.
5. Свариваемость
Свариваемость зависит от углеродного эквивалента, закаливаемости и восприимчивости к трещинам во время сварки.
Полезные индексы свариваемости (только качественное использование): - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Институт сварки): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация - S7: Умеренное содержание углерода и более низкое общее легирование дают более низкий углеродный эквивалент, чем у D2 во многих случаях, поэтому S7 обычно легче предварительно нагревать и сваривать (с соответствующими процедурами). Однако процедуры сварки все равно должны контролировать температуру межпрохода, предварительный нагрев и термообработку после сварки, чтобы избежать трещин, поскольку основной металл может образовывать твердый мартенсит в зоне термического воздействия. - D2: Высокий углерод и высокий хром создают высокий углеродный эквивалент и сильную тенденцию к образованию твердых, хрупких микроструктур в зоне термического воздействия. D2 считается трудносвариваемым; общая практика — избегать сварки, когда это возможно, или использовать специализированные процедуры (обширный предварительный нагрев, низкие тепловые нагрузки, отпуск после сварки) или применять пайку или механическое соединение вместо этого.
В заключение, S7 более свариваемый, чем D2, но оба требуют контролируемых процедур; D2 часто требует альтернативных стратегий соединения вместо сварки.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни S7, ни D2 не являются коррозионно-стойкой нержавеющей сталью. D2 содержит высокий хром (≈12%), что обеспечивает ему улучшенную стойкость к общей атмосферной коррозии по сравнению с низкохромовыми сталями, но он все равно будет корродировать в агрессивных средах.
- Методы защиты: Для срока службы и внешнего вида обе марки обычно получают защиту поверхности, такую как покраска, покрытие, фосфатирование или оцинковка (в зависимости от геометрии детали и требуемой точности). Для инструментов в влажных или коррозионных средах предпочтительно применять защитные покрытия (PVD, CVD, нитридирование для защиты от износа/коррозии) или использовать нержавеющие стали.
- PREN (эквивалентный номер сопротивления к коррозии) не применим для этих не нержавеющих инструментальных сталей, но для справки: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс используется для нержавеющих сплавов; он не имеет значительного значения для предсказания коррозионной стойкости для инструментальных сталей D2 или S7.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- S7: Легче обрабатывать в отожженном состоянии, чем D2, из-за более низкого содержания карбидов. Он хорошо обрабатывается до закалки; после закалки требуется обработка или шлифовка для достижения окончательных допусков.
- D2: Обрабатываемость в отожженном состоянии удовлетворительная, но хуже, чем у многих низколегированных сталей из-за высокого содержания хрома и легирующих элементов, образующих карбиды; в закаленном состоянии D2 трудно обрабатывать и, как правило, должен быть шлифован, а не резан.
- Формуемость и изгиб:
- Обе марки поддаются обработке в отожженном состоянии, но холодная формовка после закалки нецелесообразна для обеих. Более высокая пластичность S7 в отпуске дает ему лучшее преимущество против трещин во время формовочных операций.
- Финишная обработка:
- D2 обычно требует шлифовки для окончательной геометрии и может требовать более частой подгонки круга из-за твердых карбидов.
- S7 менее абразивен для инструмента и легче поддается финишной обработке.
8. Типичные применения
| S7 – Типичные применения | D2 – Типичные применения |
|---|---|
| Ударные инструменты: зубила, пробойники, головки молотов, сверла, штампы, подвергаемые шоковым нагрузкам | Детали холодной обработки: штампы для вырубки и пробивки, ножи для резки, ножи для резки |
| Инструменты, требующие высокой прочности: сверла для бурения, инструменты для холодной формовки, заклепочные инструменты | Инструменты, критичные к износу: штампы для резки абразивных материалов, формовочные операции, где преобладает износ |
| Компоненты, которые могут быть переработаны или отремонтированы сваркой или пайкой более легко | Инструменты и резцы для длительного использования, где высокая жесткость и износостойкость продлевают срок службы, несмотря на хрупкость |
| Универсальные инструменты, требующие хорошей ударной прочности и разумного износа | Прецизионные инструменты и приложения для резки, требующие устойчивости к затуплению |
Обоснование выбора - Выбирайте S7, когда детали испытывают повторяющиеся удары, нагрузки, изгиб или требуют прочности и возможности ремонта в эксплуатации. - Выбирайте D2, когда устойчивость к износу и затуплению преобладает в режиме разрушения, и высокая жесткость может быть допустима (и если детали будут шлифоваться, а не свариваться).
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: D2, как правило, дороже, чем S7 на единицу массы из-за более высокого легирования (Cr, Mo, V) и более требовательной обработки; однако стоимость жизненного цикла может благоприятствовать D2, когда продление срока службы инструмента снижает время простоя и частоту замены.
- Доступность: Обе марки широко доступны у поставщиков инструментальных сталей в виде прутков, плит и предварительно закаленного плоского проката. D2 часто встречается в предварительно закаленных полосах и заготовках для инструментов, в то время как S7 обычно имеется в наличии в прутках и круглых размерах для ударопрочных компонентов.
- Формы продукции: Для сложных или крупных деталей сроки поставки и форма сырья (ковка против прутка) могут значительно влиять на стоимость.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы
| Характеристика | S7 | D2 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (умеренная; все еще требует контроля) | Плохая (высокий CE; трудно сваривать) |
| Баланс прочности и прочности | Высокая прочность, хорошая ударная стойкость | Более высокая жесткость и износостойкость, меньшая прочность |
| Стоимость | Умеренная | Выше (большее содержание легирующих элементов) |
Заключение и рекомендации - Выбирайте S7, если: - Ваш основной режим разрушения — это удар, шок или хрупкое разрушение, и вам нужна марка, которая допускает несоответствие, ударные нагрузки или случайные перегрузки. - Вы цените возможность ремонта (сварка/пайка) и более легкую обработку после термообработки. - Вам нужен баланс прочности с пластичностью для периодических высоконагруженных событий.
- Выбирайте D2, если:
- Ваша основная потребность — это абразивный износ, скользящий износ или удержание кромки в инструментах холодной обработки, и длительный срок службы инструмента в условиях износа является наивысшим приоритетом.
- Вы готовы указать шлифовку или не сварочные ремонты и можете контролировать производство, чтобы избежать сварки или минимизировать тепловые нагрузки.
- Стоимость жизненного цикла благоприятствует более высоким первоначальным затратам на материал и обработку в обмен на продленный срок службы в эксплуатации.
Заключительная заметка: Оптимальный выбор зависит от контекста. Укажите ожидаемый тип нагрузки (удар против износа), допустимую стратегию обслуживания/ремонта, подход к размерным допускам (обработка против шлифовки) и воздействие окружающей среды, чтобы гарантировать, что выбранная сталь и ее маршрут термообработки соответствуют функциональным требованиям. Всегда подтверждайте химические и механические свойства с сертификатами завода или стандартами материалов перед окончательной спецификацией.