D2 Tool Steel - High-Carbon, High- Chromium, Cold-Work Steel (UNS T30402)

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1 D2 Tool Steel - High-Carbon, High- Chromium, 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 Content (%) C Mn 0.60 Si 0.60 Co 1.00 Cr Mo V 1.10 P 0.03 Ni 0.30 Cu 0.25 S 0.03 Physical Properties The physical properties of D2 tool steels are outlined in the following table. Properties Metric Imperial Density 7.7 x 1000 kg/m lb/in 3 Melting point 1421 C 2590 F Mechanical Properties The mechanical properties of D2 steels are tabulated below: Mechanical Properties Metric Imperial

2 Hardness, Knoop (converted from Rockwell C hardness) Hardness, Rockwell C Hardness, Vickers Izod impact unnotched 77.0 J 56.8 ft-lb Poisson's ratio Elastic modulus GPa ksi Thermal Properties The following table shows the thermal properties of D2 steels. Conditions Properties T ( C) Treatment Thermal expansion 10.4 x 10-6 /ºC Other Designations Equivalent materials to D2 tool steels are: DIN 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.

3 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.

4 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 Spanbarkeit verbessert Weichglühen Änderung der Kornform Zähigkeit erhöht Normalglühen Verzerrung der Gitter Erhöhung d. Gleitwiderstandes Härten, Vergüten Einbringen von Stoffteilchen Bildung harter Nitride Oberflächenhärte erhöht 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 Allgemeines Glühen ist eine Erwärmung auf eine bestimmte Temperatur, ein Halten auf dieser Temperatur und nachfolgendem, langsamem Abkühlen

5 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 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 ) Der im Perlit lamellar verteilte Zementit wird in körnigen umgewandelt Spannungsarmglühen soll innere Spannungen (Eigenspannungen sowie durch Schweißen entstandene Spannungen) abbauen. Die Teile werden ca. 4 Std. bei Temperaturen von 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 -

6 2.2. Härten / Vergüten von Stählen 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 -

7 Härten von Werkzeugstählen Un-, niedrig- und hochlegierte Werkzeugstähle erfordern verschiedene Wärmebehandlungen a) Unlegierte Werkzeugstähle ( C-Gehalt von 0,6 1,7%) Härtetemperatur: C Abschreckmittel: Wasser >>> Wasserhärter Anlassen: Anlaßtemperatur b) Niedriglegierte Werkzeugstähle ( C-Gehalt von 0,8 1,7%, Leg.Bestandteile < 5%, Cr, Vanadium, Wolfram usw.) Härtetemperatur: C Abschreckmittel: Öl >>> Ölhärter (härten durch, wenig Verzug Anlaßtemperatur c) Hochlegierte Werkzeugstähle ( C-Gehalt von 0,8 2,2%, Leg.Bestandteile > 5%, bis zu 18%Wolfram, 17%Kobalt, Cr, V, Mo usw.) Härtetemperatur: C Abschreckmittel: Luft >>> Lufthärter (härten durch, wenig Verzug Anlaßtemperatur 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 -

8 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: C >>> Gefüge wird normalisiert Abschreckmittel: Wasser oder Öl Anlaßtemperatur: 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 - 5 -

9 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

10 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

11 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.