Инструментальная сталь для холодной обработки: D2, A2 или O1 — как выбрать

D2, A2 и O1 — это три инструментальные стали для холодной обработки, которые чаще всего используются для изготовления матриц, вставок и режущих инструментов. Все три подпадают под действие ASTM A681, но находятся в разных точках кривой соотношения износостойкости и стоимости: D2 — это марка с высоким содержанием углерода и хрома, которая обеспечивает максимальную стойкость к износу и истиранию; A2 — это затвердевающая на воздухе марка с содержанием хрома 5 %, обеспечивающая баланс износа с прочностью и стабильностью размеров; О1 — это низколегированная закаленная в масле марка, дешевая, прочная и легко поддающаяся термической обработке на небольших участках. Выбор неправильного варианта проявляется в полевых условиях в виде растрескивания штампа, прокатки кромок или преждевременного абразивного износа, а разница в затратах между этими тремя факторами достаточно мала, поэтому решающим фактором должно стать металлургическое решение, а не ценовое решение.

Быстрое сравнение: D2, A2 и O1.

Прочтите таблицу, и логика станет ясна: по мере падения содержания хрома прочность и стабильность повышаются, но абразивный износ падает; по мере перемещения закалочной среды из масла в воздух деформация уменьшается, а размер сечения увеличивается. Большинство ошибок при выборе происходит из-за игнорирования столбца размеров: O1 — неправильный ответ выше примерно 50 мм, а D2 — неправильный ответ, когда преобладают ударные нагрузки.

Химический состав (ASTM A681)

Три решения по химии имеют наибольшее значение. Во-первых, 12% хрома в D2 придает ему большую объемную долю карбида хрома, который противостоит абразивному износу, но те же карбиды также являются местами зарождения трещин, которые делают D2 хрупким при ударе. Во-вторых, 5% хрома плюс 1% молибдена в А2 — это наилучший вариант для закалки на воздухе: сплава достаточно, чтобы снизить критическую скорость охлаждения ниже кривой воздушного охлаждения, но не настолько, чтобы закаленный остаточный аустенит стал неуправляемым. В-третьих, вольфрам O1 вообще делает ее «низколегированной» инструментальной сталью — без W O1 была бы высокоуглеродистой сталью, а 0,5% W — это разница между агрессивной износостойкой сталью и жесткой, стабильной по размерам инструментальной сталью.

Маршруты термообработки

Выбор формы двух реалий термообработки. Во-первых, D2 и A2 затвердевают на воздухе , поэтому они сохраняют размер при термообработке — деталь проходит от аустенизации до комнатной температуры достаточно медленно, чтобы температурные градиенты были небольшими и деформация контролировалась. O1 закаливается в масле, а сильная закалка вызывает как деформацию, так и риск закалочного растрескивания на сечениях более 50 мм или в деталях с острыми углами. Во-вторых, D2 и A2 имеют реакцию вторичной закалки при 510 °C и 425 °C соответственно — это означает, что деталь, отпущенная при этой температуре, лучше сохраняет твердость при повышенных рабочих температурах, чем деталь, отпущенная при 200 °C. Для холодной работы это редко имеет значение; имеет значение, нагревается ли матрица.

D2: Максимальный износ, минимальная прочность

D2 — выбор, когда причиной разрушения является абразивный износ, а не удар. 1,5% углерода и 12% хрома в совокупности дают примерно 15–20% объема богатых хромом карбидов M7C3 в закаленной мартенситной матрице — эти карбиды тверже, чем матрица, и не позволяют абразивным частицам разъедать поверхность. D2 — стандартный ответ для:

• Вырубные и прошивные штампы для тонкого листа (0,5–3 мм) при крупносерийном производстве. Большой объем твердого сплава удерживает режущую кромку.

• Штампы глубокой вытяжки для нержавеющих и высокопрочных листов, где существует опасность истирания. Содержание хрома в D2 хорошо противостоит истиранию, особенно при наличии PVD-покрытия.

• Прорезные станки, ножи и износостойкие пластины для абразивных материалов — бумаги, волокна, пластика, резины, низкоуглеродистого листа.

• Формовочные валки, резьбонакатные штампы, штампы для волочения проволоки, где поверхностное контактное давление высокое, но удар умеренный.

Реакция закалки инструментальной стали для холодной обработки D2 щадящая по сечению, но беспощадная по геометрии. Сквозная закалка на воздухе надежна до толщины около 150 мм, но острые углы, тонкие стенки и изменения сечения являются местами зарождения трещин — обязательны галтели с минимальным радиусом 3 мм и предварительная выдержка при температуре 650 °C перед аустенизацией. Отпуск необходимо провести дважды (двойной отпуск), чтобы преобразовать остаточный аустенит первого отпуска; пропуск второго отпуска оставляет 10–15% остаточного аустенита и отклонения размеров в процессе эксплуатации.

Где D2 не работает: любое применение с ударами, вибрацией или повторяющимися ударами. Значения по Шарпи без надреза для D2 при твердости 60 HRC составляют около 8–12 Дж — примерно четверть A2 при той же твердости. Пуансоны, подвергающиеся повторяющимся ударам, инструменты для вырубки толстолистовой стали и штампы для холодной высадки – все это преждевременно выходит из строя D2 из-за сколов кромок и растрескивания корпуса инструмента. Для них металлургическим ответом является ударопрочная инструментальная сталь S7 , а не D2.

A2: Сбалансированная марка, затвердевающая на воздухе

A2 — это металлургический компромисс, который подходит для большинства штампов общего назначения. 1% углерода обеспечивает твердость после закалки 60 HRC; 5% хрома плюс 1% молибдена снижают критическую скорость охлаждения настолько низко, что струя воздуха полностью закаливает секции толщиной до 100 мм; меньший объем карбида по сравнению с D2 (около 5–8% по сравнению с 15–20%) в D2 повышает ударную вязкость по Шарпи примерно до 20–28 Дж, что в два-три раза выше, чем у D2 при той же твердости.

A2 является стандартным выбором для:

• Среднесерийные вырубные и формовочные штампы, в которых объем детали не оправдывает износ D2, но ударная нагрузка исключает хрупкость D2.

• Чеканные и обрезные штампы , выдерживающие умеренную ударную нагрузку. Воздушная закалка сохраняет геометрию штампа с точностью до 0,05 мм на сечениях до 75 мм — достаточно точно, чтобы чистовое шлифование после термообработки представляло собой легкую очистку, а не операцию изменения формы.

• Пластиковые вставки в формы и пресс-формы для полимеров с абразивным наполнением (стеклонаполненный нейлон, BMC). Хром придает коррозионную стойкость при эксплуатации и полируемую поверхность.

• Манометры, приспособления и измерительные инструменты — все, где стабильность размеров при термообработке является доминирующим требованием. A2 в воздухе движется меньше, чем D2 в воздухе, и гораздо меньше, чем O1 в масле.

• Резьбонакатные матрицы и формовочные валки для средних тиражей.

Инструментальная сталь A2 — это марка, которую чаще всего заменяют D2, когда исходная конструкция D2 выходит из строя из-за сколов: срок службы падает на 20–40%, но инструмент перестает трескаться. Это также стандартная модернизация O1, когда матрица O1 начинает деформироваться при термообработке, поскольку ее секция слишком велика для закалки в масле.

O1: недорогой и надежный вариант

О1 — самый дешевый из трех и его легче всего подвергнуть термической обработке в небольших магазинах. Содержание углерода 0,9% дает после закалки и отпуска в масле твердость 60–62 HRC; Небольших добавок вольфрама и хрома достаточно, чтобы обеспечить глубокую закалку на небольших участках, но недостаточно для закалки на воздухе. Сильные стороны О1 — прочность и доступность:

• Прочность сравнима с А2 при той же твердости. Низкий объем твердого сплава означает, что при перегрузке кромки деформируются, а не скалываются, что полезно для ручных инструментов, срезных лезвий и формовочных штампов, где катастрофический выход из строя кромок хуже, чем постепенный износ.

• Простая термическая обработка. Масло при 50–70 °С, отпуск при 150–200 °С, готово. Любой цех, имеющий печь и масляный бак, может выполнить термообработку O1 в соответствии со спецификациями, поэтому O1 является стандартной маркой для одноразовых штампов, прототипов оснастки и мелкосерийного производства.

• Низкая стоимость материала. На кг O1 обычно составляет 50–60% от A2 и 30–40% от D2 в эквивалентных размерах батончиков. Для инструментов небольшого объема эта разница имеет решающее значение.

Ограничения O1 также очевидны. Для секций размером более 50 мм закалка в масле не может отвести тепло достаточно быстро, чтобы обеспечить сквозную закалку сердцевины — поверхность достигает 60 HRC, а в центре — 45–50 HRC. Хуже того, резкая закалка маслом в больших секциях приводит к такой деформации, что припуск на чистовую обработку должен вырасти с 0,5 мм до 1,5 мм или более, что сводит на нет преимущество в стоимости материала. О1 — неправильный ответ для любой матрицы с поперечным сечением более 75 мм или с острыми внутренними углами; правильный выбор — это инструментальная сталь O1 для небольших штампов и шаг до A2 для чего-то большего.

Типичные области применения O1: калибры и измерительные инструменты диаметром менее 50 мм, небольшие наборы пуансонов и матриц, ручные инструменты, ножи для резки листов малого калибра, вырубные штампы для коротких тиражей, резьбонакатные штампы для мелкого производства.

Сравнение свойств по свойствам

Цифры дают четкое правило принятия решений. Критический износ → D2. Критическая прочность и стабильность → A2. Критически важны цена и прочность для небольших сечений → O1.

Руководство по выбору приложения

Полезная перекрестная проверка решений D2 и A2: если кубик заменяется из-за скола на краю , то A2 будет лучшим следующим выбором; если матрица заменяется из-за того, что кромка потускнела , D2 прав, и объем производства оправдывает это. Для О1 эмпирическое правило простое: сечение менее 50 мм и тираж до 50 000 деталей.

Распространенные ошибки при выборе D2/A2/O1

Самая распространенная ошибка — указание O1 для штампов, сечение которых увеличивается по мере увеличения объема производства. Штамп, который начинался как прототип O1 диаметром 30 мм, масштабируется до 80 мм для большего объема, цех оставляет O1, «потому что это то, что мы использовали в прошлый раз», а закалка в масле приводит к растрескиванию детали. Для сечений толщиной более 50 мм по умолчанию следует использовать закалку на воздухе А2 — надбавка к затратам невелика, а риск термообработки падает практически до нуля.

Вторая по распространенности ошибка — указание D2 для ударно-нагруженного инструмента — пуансонов, штампов для холодной высадки, вырубных инструментов для толстого листа. Прочность D2 при 60 HRC составляет около 10 Дж, что ниже порога для любого циклического воздействия. Инструмент поработает некоторое время, а затем выйдет из строя из-за сколов кромок, распространяющихся на корпус. Для ударных инструментов A2 является минимальным; при сильных ударах лучше всего подойдет ударная инструментальная сталь S7 .

Третья ошибка — рассматривать D3 (1.2080, Cr12, SKD1) как более дешевую замену D2. D3 содержит 2,0–2,3% углерода и 11–13% хрома, что обеспечивает больший объем карбида и более высокий износ, чем D2, но за счет значительной хрупкости. D3 легче трескается при термообработке и в эксплуатации, и в настоящее время его применение в основном ограничивается волочением в штампах и приложениями с очень низким ударным износом. Для современной штамповки инструментальная сталь для холодной обработки D3 является нишевой маркой, а не заменой D2.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Почему D2 иногда нужен третий характер?
D2 содержит 10–15% остаточного аустенита после первой закалки. При первом отпуске часть его преобразуется в мартенсит, но сформированный мартенсит остается неотпущенным и хрупким. Второй отпуск размягчает вновь образовавшийся мартенсит. В марках премиум-класса D2 с повышенным содержанием ванадия (D2 + V, семейство DC53) третий отпуск при той же температуре преобразует последние 2–3% остаточного аустенита и стабилизирует размеры прецизионных инструментов.

Вопрос: Могу ли я затушить O1 на воздухе?
№ O1 имеет недостаточное содержание сплава для полного затвердевания на воздухе. Охлаждение на воздухе O1 дает мягкую перлитно-бейнитную структуру при твердости около 30–35 HRC, что значительно ниже рабочей твердости 60 HRC.

Вопрос: A2 из нержавеющей стали?
Не в смысле коррозионной стойкости. 5%-ный хром А2 противостоит ржавчине в условиях цеха и дает полируемую поверхность, но при воздействии морской среды или химикатов на нем образуются пятна и ямки. Для инструментов, критичных к коррозии, обратите внимание на мартенситные марки нержавеющей стали (420, 440C) или D2 с защитным покрытием.

Вопрос: Могу ли я заменить D2 на O1, чтобы сэкономить?
Только для коротких пробегов по неабразивному материалу. O1 будет изнашиваться в 2–3 раза быстрее, чем D2 на той же детали. Если матрица заменяется из-за того, что ее кромка стала тусклой (не сколотой), замена приводит к потере денег после второй переточки.

Вопрос: Почему мой штамп D2 искажается больше, чем кубик A2, если оба закалены на воздухе?
Д2 имеет более высокий остаточный аустенит после закалки — до 15–20 % в высокохромистых марках. Остаточный аустенит менее плотен, чем мартенсит, поэтому деталь увеличивается в размерах. После той же термообработки в A2 содержится 5–10% остаточного аустенита, поэтому A2 лучше сохраняет геометрию матрицы. Обработка при температуре ниже нуля между закалкой и отпуском снижает остаточный аустенит D2 и увеличивает размеры.

Вопрос: Для сечения более 100 мм, требующего повышенного износа, следует использовать D2 или A2?
Оба затвердеют на воздухе в этом месте. Вопрос в том, какой режим отказа преобладает. Если преобладает износ (волочильный станок, резак, вырубка абразивным листом), используйте D2. Если преобладает ударная прочность или стабильность размеров (чеканная матрица, калибр, среднесерийная формовка), используйте A2. Для очень больших сечений размером более 200 мм более низкая сегрегация карбидов в A2 обеспечивает более надежные механические свойства — в D2 в заготовках большого размера образуются карбидные полосы, которые становятся путем трещин.

Поговорите с Цюйлу Металом

Если вы определяете размер кубика и хотите получить второе мнение о том, является ли D2, A2 или O1 правильным выбором — или вместо этого вам следует обратить внимание на D3, S7 или DC53 — отправьте чертеж и вариант нагрузки. Qilu Metal поставляет плоские, круглые прутки и пластины D2, A2 и O1 в соответствии с ASTM A681, DIN EN ISO 4957 (1.2379 / 1.2363 / 1.2510) и JIS G4404 (SKD11 / SKD12 / SKS3), с вакуумной дегазацией, ESR и стандартными маршрутами электропечи, полными протоколами заводских испытаний и отслеживаемостью. Отправьте электронное письмо по электронной почте enquiry@qilumetal.com, и наша команда металлургов сообщит размер, уровень качества и рекомендации по термообработке, соответствующие геометрии вашей матрицы и объему производства.