D2 Tool Steel - HolzwerkstattBlog

D2 Tool Steel - High-Carbon, HighChromium, Cold-Work Steel (UNS T30402)
Introduction
Cold-work tool steels include the high-carbon, high-chromium steels or group D steels. These
steels are designated as group D steels and consist of D2, D3, D4, D5, and D7 steels. These
steels contain 1.5 to 2.35% of carbon and 12% of chromium. Except type D3 steel, all the
other group D steels include 1% Mo and are air hardened. Type D3 steel is oil-quenched;
though small sections can be gas quenched after austenitization using vacuum. As a result,
tools made with type D3 steel tends to be brittle during hardening. Type D2 steel is the most
commonly used steel among the group D steels.
Chemical Composition
The following table shows the chemical composition of D2 tool steels.
Element
C
Mn
Si
Co
Cr
Mo
V
P
Ni
Cu
S
Content (%)
1.40 – 1.60
0.60
0.60
1.00
11.00 – 13.00
0.70 – 1.20
1.10
0.03
0.30
0.25
0.03
Physical Properties
The physical properties of D2 tool steels are outlined in the following table.
Properties
Density
Melting point
Metric
7.7 x 1000 kg/m3
1421°C
Imperial
0.278 lb/in3
2590°F
Mechanical Properties
The mechanical properties of D2 steels are tabulated below:
Mechanical Properties
Metric
Imperial
Hardness, Knoop (converted from Rockwell C hardness)
Hardness, Rockwell C
Hardness, Vickers
Izod impact unnotched
Poisson's ratio
Elastic modulus
769
769
62
62
748
748
77.0 J
56.8 ft-lb
0.27-0.30
0.27-0.30
190-210 GPa 27557-30457 ksi
Thermal Properties
The following table shows the thermal properties of D2 steels.
Properties
Thermal expansion
10.4 x 10-6/ºC
Conditions
T (°C)
Treatment
20-100
-
Other Designations
Equivalent materials to D2 tool steels are:
•
•
•
•
•
•
•
•
DIN 1.2379
NI KU
B.S. BD 2
ASTM A681
FED QQ-T-570
SAE J437
SAE J438
UNS T30402
Fabrication and Heat Treatment
Heat Treatment
D2 steels should be preheated very slowly to 815ºC (1500ºF) and then temperature can be
increased to 1010ºC (1850ºF). They are then held at 1010ºC (1850ºF) for 20 to 45 minutes
and air cooled (air quenched).
Forging
Forging of D2 steels can be done from 1065ºC (1950ºF) down to 954ºC (1750ºF). Do not
forge below 926ºC (1700ºF).
Annealing
Annealing of D2 steels should be done at 871 to 898ºC (1600 to 1650ºF) followed by slow
furnace cooling at 4.4ºC (40ºF) per hour or less.
Tempering
D2 steels can be tempered at 204ºC (400ºF) for achieving Rockwell C hardness of 61 and at
537ºC (1000ºF) for a Rockwell C hardness of 54.
Applications
D2 tool steels are used for long run tooling applications, where wear resistance is important,
such as blanking or forming dies and thread rolling dies.
Werkstoffkunde
Wärmebehandlung
DI. F. Kroiß
Wärmebehandlung von Stahl
1. Allgemeines:
Die Verfahren haben das Ziel, die Eigenschaften in einer bestimmten Zielrichtung
zu verändern.
Es werden durch Ein-, Um- oder Auslagern von Stoffteilchen, Gefügeänderungen
herbeigeführt.
Gefügeänderung
Eigenschaftsänderung
Verfahren
Umlagern von Stoffteilchen
Änderung d. Korngröße
Änderung der Kornform
Verzerrung der Gitter
Bildung harter Nitride
Spanbarkeit verbessert
Zähigkeit erhöht
Erhöhung d. Gleitwiderstandes
Einbringen von Stoffteilchen
Oberflächenhärte erhöht
Weichglühen
Normalglühen
Härten, Vergüten
Nitrieren
Einteilung erfolgt in
2. Thermische Verfahren
(diese arbeiten nur mit den Schritten Erwärmen, Halten und Abkühlen) und in
3. Thermochemische Verfahren (Oberflächentechnik)
(dabei erfolgt nur in den Randzonen eine chemische Veränderung )
zu Pkt. 2
2.1. Allgemeines
Glühen ist eine Erwärmung auf eine bestimmte Temperatur, ein Halten auf
dieser Temperatur und nachfolgendem, langsamem Abkühlen.
-1-
Wärmebehandlung
Werkstoffkunde
DI. F. Kroiß
2.1.1. Normalglühen (Umkörnen)
das Gefüge soll dabei wieder feinkörnig (rundliche Körner mit etwa gleicher Größe) werden.
Grobkorn und Texturen des Walz-, Schmiede- und des Gußgefüges sowie Kaltverfestigung
und Eigenspannungen verschwinden.
kurzes Glühen ca 50° oberhalb der H-J-Linie
2.1.2. Weichglühen
soll die Bearbeitbarkeit (spanlos oder spanabhebend)
erleichtern, gleichzeitig bildet sich
bei Werkzeugstählen ein günstiges Gefüge für die
anschließende Härtung.
Glühtemperatur liegt dicht unterhalb der Linie PSK
(ca. 680 –740°)
Der im Perlit lamellar verteilte Zementit wird in körnigen umgewandelt.
2.1.3. Spannungsarmglühen soll innere Spannungen (Eigenspannungen sowie durch
Schweißen entstandene Spannungen) abbauen.
Die Teile werden ca. 4 Std. bei Temperaturen von 550 – 650° geglüht und im Ofen abgekühlt.
Bei kaltverformten Teilen findet Rekristallisation statt, ansonsten Kristallerholung
Anwendung: bei kaltverformten Teilen, Schweißkonstruktionen, Schmiede- und Gußteile
Häufige Glühfehler:
Glühen bei zu niedriger Temperatur:
*** gewünschte Gefügeumwandlung tritt nicht ein, >>> Kaltverfestigung geht nicht zurück
Glühen bei zu hoher Temperatur: Stahl wird überhitzt, >>> Grobkornbildung
zu langes Glühen bei richtiger Temperatur: >>> vermindert die Festigkeit, erhöht
Grobkornbildung
-2-
Wärmebehandlung
Werkstoffkunde
DI. F. Kroiß
2.2. Härten / Vergüten von Stählen
2.2.1. Allgemeines:
Beide Verfahren geben dem Werkstoff eine
Eigenschaftskombination Härte-Zähigkeit
und haben die Fasen Erwärmen, Abschrecken und
Anlassen
Erwärmen:
Der Stahl ist erst langsam (unterschiedliche Wandstärken
könnten zu Spannungen und später zu Härterissen führen)
und dann schnell auf Härtetemperatur zu erwärmen
>>> es kommt zu einer Gefügeumwandlung
Härtetemperatur ist abhängig vom Kohlenstoffgehalt
Abschrecken:
ist rascher Wärmeentzug, um zu verhindern, daß sich das neu gebildete Gefüge wieder
rückbildet>>> kritische Abkühlgeschwindigkeit (werkstoffspezifisch)
>>> neues Gefüge heißt Martensit
die Abschreckgeschwindigkeit richtet sich nach der
Zusammensetzung des Stahles
Abschrecken so schnell wie nötig >>> um Perlitbildung zu
vermeiden
und so langsam wie möglich
>>> Spannungen, Verzüge
und Risse vermeiden
Abschreckmittel:
*** Wasser >>> mit Salz wird Abschreckwirkung verstärkt,
mit Glyzerin od. Kalkmilch gemildert
*** Öl
*** Luft
Anlassen:
ist ein Wiedererwärmen nach dem Abschrecken. (je nach
Stahlsorte und Verwendungszweck zwischen 150° und 650°)
Ziel: die entstandenen Spannungen und die hohe Sprödigkeit zu
beseitigen.
Die Wahl der Anlaßtemperatur ist ein Kompromiß
zwischen Zähigkeit und Härte
-3-
Wärmebehandlung
Werkstoffkunde
DI. F. Kroiß
2.2.2. Härten von Werkzeugstählen
Un-, niedrig- und hochlegierte Werkzeugstähle erfordern verschiedene Wärmebehandlungen
a) Unlegierte Werkzeugstähle ( C-Gehalt von 0,6 – 1,7%)
Härtetemperatur: 780° - 800°C
Abschreckmittel: Wasser >>> Wasserhärter
Anlassen:
Anlaßtemperatur. 220° - 320°
b) Niedriglegierte Werkzeugstähle ( C-Gehalt von 0,8 – 1,7%, Leg.Bestandteile < 5%,
Cr, Vanadium, Wolfram usw.)
Härtetemperatur: 780° - 830°C
Abschreckmittel: Öl >>> Ölhärter (härten durch, wenig Verzug
Anlaßtemperatur. 220° - 320°
c) Hochlegierte Werkzeugstähle ( C-Gehalt von 0,8 – 2,2%, Leg.Bestandteile > 5%,
bis zu 18%Wolfram, 17%Kobalt, Cr, V, Mo usw.)
Härtetemperatur: 950° - 1000°C
Abschreckmittel: Luft >>> Lufthärter (härten durch, wenig Verzug
Anlaßtemperatur. 580° - 600°
2.2.3. Oberflächenhärten
Oberflächenhärten wird dann angewendet, wenn die Oberfläche hart und verschleißfest, der
Kern des Werkstückes aber zäh bleiben soll.
Thermische Verfahren: un- und niedrigleg. Stähle,
C-Gehalt von 0,35 – 0,8%,
Härtetiefen bis zu 10mm
Benennung der Verfahren erfolgt nach der Wärmequelle
*** Flammhärten mit Brenngasen (Azetylen, Sauerstoff)
*** Induktionshärten mit Induktionsströmen
*** Tauchhärten mit Schmelzen hoher Temperatur
*** Elektronen- und Laserstrahlhärten
-4-
Werkstoffkunde
Wärmebehandlung
DI. F. Kroiß
2.2.4. Vergüten
Vergüten ist ein Härten mit nachfolgendem Anlassen auf hohe Temperaturen.
Ziel. hohe Zähigkeit bei erhöhter Streckgrenze
Vergütungsstähle sind solche
mit C-Gehalt von 0,22 – 0,5% C, unlegiert oder
niedrig legiert mit Cr, Ni, Mo, Mn
Glühtemperatur: 860 – 880°C >>> Gefüge wird normalisiert
Abschreckmittel: Wasser oder Öl
Anlaßtemperatur: 530 – 650°C
Erreichte Festigkeiten: (4-fache gegenüber unvergütetem Zustand)
unlegierte Stähle bis zu 1000N/mm2
legierte Stähle
1900N/mm2
Anwendung: für Kurbelwellen, Achsen, Pleuel
3. Thermochemische Verfahren: (Oberflächenhärteverfahren)
3.1. Allgemeines
allgemeines Kennzeichen dieser Verfahren ist die chemische Veränderung der Randschicht
Härtetiefen max. 2mm
Verfahrensarten
Einsatzhärten
Carbonitrieren
Nitrieren
Nitrocarburieren
zugeführtes Element
C
C+N
N
N+C
3.2. Einsatzhärten:
unleg. Stähle mit C-Gehalt von 0,06 – 0,18%, oder niedrigleg. Stähle mit C-Gehalt bis 0,22%
Damit diese Stähle überhaupt gehärtet werden können, muß ihrer Randzone Kohlenstoff
zugeführt werden.
*** Pulveraufkohlung Kohlungspulver (Holzkohle, Koks, Alkaliverbindungen)
*** Aufkohlung in Salzbädern (Kaliumcyanat)
*** Gasaufkohlung Spendermittel ist ein Propangas, welches dem Trägergas (Brenngas)
dosiert zugegeben wird. >>>> für Massenteile
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Wärmebehandlung
Werkstoffkunde
DI. F. Kroiß
3.3. Nitrierverfahren:
Ist ein Verfahren, bei dem in die Randzone des Werkstückes Stickstoff bis zu 0,6mm
eindiffundiert.
Nitrierstähle sind mit Al und Cr legierte Sonderstähle
die Werkstücke werden fertig bearbeitet, dieser Behandlung zugeführt
>>> keine Verzugsgefahr
*** Gasnitrieren bei ca 520°, in Ammoniak
*** Plasmanitrieren Die Teile werden in einer Vakuumkammer als Kathode
eingebracht.
Plasma: Gase werden in Vakuum durch elektrische Felder ionisiert, dh. in gleich viele
Ladungsträger zerlegt.
-6-
A2 vs O1 Tool Steel
by Marc Spagnuolo
An excellent question from Brian:
My question relates to tool steel. I am about to purchase a
Veritas shoulder plane and for the first time am faced with the choice between A2 and O1
steel. I understand that A2 is the harder steel, which has the benefit of holding an edge longer
and the detriment of being more difficult to sharpen. I understand that O1 steel is softer,
allowing for easier sharpening to a keener edge, but one that will dull more quickly. Can you
please confirm, to the degree you are able, that I am correct in my understanding here.
Secondly, can you let me know which steel you would choose and why? I am leaning toward
the softer steel (O1 by my understanding) because I understand it is easier to sharpen to a
keen edge. I am not going to put a lot of miles on this plane, so more frequent sharpening will
not be a big burden to me. Thank you for your input. I continue to enjoy the site and The
Guild.
Hey Brian. You are absolutely correct in your understanding of the difference between A2 and
O1 steels. In general, O1 holds a slightly keener edge and is easier to sharpen. But it also
dulls faster and require more frequent sharpening. A2 steel takes a little more effort to
sharpen, but you are rewarded with a more durable edge that lasts longer.
As a person who uses a lot of exotic hardwoods and doesn’t enjoy sharpening any more than I
have to, I prefer A2. When I am sharpening, it usually turns into an all day affair. So whether
I’m using A2 or O1, I’m still getting messy and still spending hours getting my tools all
prepped and ready to go. The A2 just ensures that I won’t be doing that as frequently. What
you choose really does come down to personal preference.
Now I am by no means an expert in tool steel, so I thought I would go to someone who is for a
more thorough answer. Here’s a reply from Ron Hock of Hock Tools:
For our high carbon steel blades, HOCK TOOLS uses
AISI (American Iron and Steel Institute) O1, a simple high carbon tool steel with very little
added to the iron/steel alloy other than 1.1% manganese. That pinch of Mn allows the steel to
harden with an oil quench (the “O” in O1 stands for Oil.) Oil removes heat more slowly
than water, reducing the thermal shock that occurs when orange-hot steel is plunged into
water. Reducing that thermal shock minimizes the risk of cracking or distortion in the
hardened piece. With an alloy as simple as O1, containing so few alloying elements, the
hardened grain structure is as fine as possible which allows honing to the sharpest possible
edge.
AISI A2 differs from O1 with the addition of 5% chromium and 1.1% molybdenum, allowing
it to quench in still air (“A” for Air.) While “stainless” amounts of chromium (12% or
more) make tool steel gummy and hard to sharpen, the modest amount of chromium in A2
improves its toughness and abrasion resistance, but imparts only a slight measure of corrosion
resistance (like high carbon steel, it will rust and appropriate preventative care must be taken.)
But there is a trade off. During heat treatment the chromium addition combines with some of
the carbon in the alloy to form chromium carbides: tough, hard particles dispersed through the
steel. These carbides are the primary contributors to A2′s celebrated edge retention. However,
during heat treatment, the chromium carbides can grow quite large. Large enough to affect
your ability to hone the edge as close to zero-radius as you may want. And these carbides are
held in place with less strength than the rest of the steel matrix which can allow them to pop
out under the stress of honing or cutting leaving a small gap in the edge.
A2 is one of the steels that respond well to cryogenic treatment. This extreme cold treatment
(-320°F) essentially finishes the original quench, increasing the steel’s toughness without any
decrease in hardness. You get increased wear resistance without any increase in brittleness so
a cryogenically treated blade will hold its edge longer. You can keep working instead of
sharpening. A2 is a great steel that offers a real improvement in edge retention. O1, on the
other hand, is still preferred by many for its relative ease of sharpening and its ability to get
sharper.