Acciaio per utensili D2 vs S7: Composizione, proprietà, come scegliere

La scelta tra l'acciaio per utensili D2 e S7 si riduce ad una scelta binaria tra resistenza all'usura e tenacità all'urto. D2 (AISI D2) è la scelta migliore per le operazioni di taglio, cesoiatura e stampaggio in continuo, dove l'usura abrasiva è la modalità di rottura principale e i carichi d'impatto sono bassi; mantiene il bordo più a lungo ma è soggetto a scheggiature. S7 (AISI S7) è il materiale richiesto per le applicazioni ad alto impatto, come scalpelli, punzoni pesanti e demolitori di calcestruzzo, dove l'utensile deve assorbire l'energia cinetica senza rompersi. Se l'applicazione prevede l'affettatura in grandi quantità di materiali sottili, specificare D2. Se l'utensile è sottoposto a ripetuti colpi di martello o a forti urti di carico, specificare S7. Non sostituite l'uno con l'altro, perché il D2 si frantuma sotto gli urti e l'S7 si usura prematuramente in ambienti abrasivi.

Analisi della composizione metallurgica e della chimica delle leghe

Per capire perché questi acciai si comportano diversamente in officina, dobbiamo esaminare la loro architettura chimica. Il divario di prestazioni deriva direttamente dalla formazione di carburi guidata dai livelli di cromo e carbonio.

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Composizione chimica (standard AISI)

La tabella seguente illustra le percentuali di peso chimico nominale che definiscono queste leghe. Si noti l'enorme disparità nel contenuto di cromo.

L'effetto carburo e la struttura dei grani

Nell'acciaio D2, la combinazione di 1,5% di carbonio e 12% di cromo crea una microstruttura ricca di carburi di cromo primari e massicci. Al microscopio, il D2 sembra un aggregato di cemento. Queste "rocce" (carburi) forniscono un'estrema resistenza all'abrasione, ma agiscono come riservisti di stress. Quando il D2 si guasta, di solito si rompe o si scheggia in modo catastrofico perché le crepe si propagano facilmente attraverso questi carburi fragili.

L'S7, con carbonio e cromo significativamente inferiori, si basa su una struttura martensitica con carburi molto fini. La mancanza di carburi massicci consente al reticolo dell'acciaio di deformarsi leggermente sotto sforzo senza incrinarsi. L'aggiunta di silicio e molibdeno più elevati nell'S7 conferisce un equilibrio unico in cui l'acciaio può indurirsi in profondità nel nucleo pur mantenendo un'elevata resistenza alla trazione, evitando la "poltiglia" vista negli acciai di lega inferiore.

Proprietà meccaniche e metriche delle prestazioni

Gli ingegneri che utilizzano l'inventario MWalloys chiedono spesso i numeri del compromesso. Ecco come si presentano nei test fisici.

Capacità di durezza (HRC)

• D2 Durezza di lavoro: Tipicamente temperato a 58-62 HRC. Mantiene questa durezza anche quando si riscalda durante le operazioni di attrito (tempra in aria).

• S7 Durezza di lavoro: Tipicamente temperato a 54-58 HRC. Sebbene possa raggiungere i 60 HRC subito dopo la tempra, per sbloccare il suo potenziale di resistenza agli urti è necessario temprarlo fino alla metà degli anni '50.

Matrice di resistenza all'usura e di durezza

Questa sezione tratta le principali parole chiave LSI relative alle modalità di guasto.

• Durezza Charpy V-Notch: L'S7 offre all'incirca 125 ft-lbs di assorbimento dell'energia d'impatto alla durezza ottimale. Il D2 spesso si colloca al di sotto 20 ft-lbs. L'S7 è effettivamente da 5 a 6 volte più duro del D2.

• Resistenza alla compressione: Il D2 ha una resistenza alla compressione superiore grazie all'elevato contenuto di carbonio, che lo rende ideale per gli stampi di tranciatura che devono sostenere carichi statici pesanti senza deformarsi.

• Stabilità dimensionale: Il D2 è noto come acciaio da "lavorazione a freddo", con un'eccellente stabilità durante il trattamento termico. Si muove a malapena. Anche l'S7 è relativamente stabile come acciaio da tempra in aria, ma il D2 è il gold standard per le sezioni intricate degli stampi che non tollerano variazioni di dimensioni.

Protocolli di trattamento termico e sfumature di lavorazione

Un'adeguata lavorazione termica fa la differenza tra un utensile MWalloys ad alte prestazioni e un rottame metallico. I protocolli per questi due tipi di lavorazione differiscono in modo significativo.

Austenitizzazione e tempra

D2 richiede una temperatura di austenitizzazione più elevata (circa 1850°F / 1010°C) per dissolvere una quantità sufficiente di carburi nella matrice. Si tratta di un acciaio che si indurisce rigorosamente in aria. La tempra in olio del D2 è rischiosa e spesso porta a cricche.

S7 austenitizza più in basso (circa 1725°F / 940°C). Può essere temprato in aria o in olio (se la sezione è spessa). La possibilità di temprare l'S7 in aria è un grande vantaggio rispetto ai vecchi acciai da shock come l'S1 o l'S5, che richiedevano olio o acqua e si deformavano pesantemente.

Strategie di tempra

• La trappola D2: Il D2 presenta un fenomeno noto come "indurimento secondario" a temperature di rinvenimento più elevate, ma questo riduce drasticamente la tenacità. Per la maggior parte delle applicazioni di lavorazione a freddo, è preferibile un rinvenimento a bassa temperatura (400°F) per mantenere la durezza.

• Il punto di forza dell'S7: L'S7 viene solitamente temperato tra i 400°F e i 500°F. Una tempra dell'S7 troppo elevata (superiore a 800°F) causa un rapido calo della tenacità, contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare.

Lavorabilità, rettifica e fabbricazione

Per l'attrezzista e il macchinista, il costo dell'acciaio è spesso secondario rispetto al costo della lavorazione.

Lavorazione allo stato ricotto

• D2: La lavorabilità è stimata a circa 50-60% rispetto all'acciaio ad indurimento in acqua W1. È abrasivo sugli utensili da taglio anche allo stato tenero. Si bruciano più inserti di carburo nella lavorazione del D2.

• S7: La lavorabilità è stimata a circa 75-85%. Taglia in modo netto ed è meno abrasivo. Tuttavia, l'S7 può essere "gommoso" se la ricottura di sferoidizzazione non è stata eseguita correttamente al mulino.

Rettifica e elettroerosione (lavorazione a scarica elettrica)

La rettifica del D2 temprato è difficile. I carburi di cromo oppongono resistenza alla mola, causando la formazione di vetri e surriscaldamenti localizzati (bruciature). Utilizzare mole CBN o ossido di alluminio a legame morbido.

L'S7 si affila con relativa facilità, anche quando è temprato. Tuttavia, se si utilizza l'elettroerosione, entrambi gli acciai richiedono un'accurata rimozione dello "strato bianco" (strato di rifusione) per evitare microfratture superficiali che possono portare a un cedimento prematuro dell'utensile sotto fatica.

Scenari applicativi industriali: Dove usare quali?

Questa sezione assiste i responsabili degli acquisti nella corrispondenza tra inventario e richieste.

Quando specificare l'acciaio per utensili D2

Selezionare D2 per ambienti "senza impatto e ad alta usura":

1. Filiere di tranciatura: Stampaggio di lamiere sottili, acciaio inox o alluminio abrasivo.

2. Taglierine rotanti: Coltelli che tagliano continuamente e generano calore.

3. Filiere di laminazione: Quando sono necessarie un'elevata resistenza alla compressione e all'usura (e le filettature non sono soggette a scheggiature).

4. Stampi a iniezione di plastica: Per lo stampaggio di materie plastiche abrasive (nylon caricato a vetro) dove il contenuto di cromo aiuta a resistere all'usura e alla leggera corrosione.

Quando specificare l'acciaio per utensili S7

Selezionare S7 per gli ambienti ad "alto impatto e carico":

1. Pugni: Per perforare piastre spesse, il punzone subisce un urto di compressione all'ingresso e di trazione al rientro.

2. Scalpelli e utensili pneumatici: Demolitori di calcestruzzo, set di rivetti.

3. Stampi a iniezione di plastica: Specificamente per stampi di grandi dimensioni in cui il rischio di fessurazione del corpo dello stampo è elevato, o per stampi di pressofusione di zinco.

4. Lame a cesoia: Per il taglio di rottami metallici di grosso calibro in cui il materiale potrebbe essere imprevedibile.

Dove ogni acciaio è comunemente utilizzato

Tabella comparativa delle prestazioni (intervalli tipici)

Costo comparativo e disponibilità della catena di fornitura

Nel contesto dell'attuale mercato dell'acciaio, il prezzo fluttua in base alle maggiorazioni delle leghe (in particolare molibdeno e vanadio).

• Costo base: In genere, il D2 è leggermente più costoso al chilo rispetto all'S7 a causa dell'elevato volume di cromo e carbonio, anche se le impennate del mercato del molibdeno possono occasionalmente far salire l'S7.

• Disponibilità: Entrambi sono articoli standard "a magazzino" presso MWalloys. Il D2 è ampiamente disponibile in tondi, piatti e piastre. Anche l'S7 è comune, ma a volte è più difficile da trovare in sezioni molto grandi (oltre i 12 pollici) rispetto al D2.

• Fattore di costo della lavorazione: Mentre il materiale D2 può costare 20% in più, il tempo di lavorazione per il D2 può essere superiore di 30-40% rispetto all'S7. Se il pezzo richiede l'asportazione di una geometria complessa, l'S7 produce un costo totale del pezzo inferiore.

Resistenza alla corrosione e durata ambientale

Un'idea sbagliata comune è che il D2 sia un acciaio inossidabile perché ha il cromo 12%. Questo è falso.

• D2 "Semi-Stainless": Il D2 ha abbastanza cromo da resistere alla ruggine atmosferica meglio dell'O1 o dell'A2, ma il carbonio lega gran parte del cromo in carburi. Si arrugginisce se esposto all'umidità o agli acidi. Non soddisfa gli standard degli inossidabili per uso medico o alimentare (come il 440C).

• S7 Corrosione: L'S7 ha una resistenza alla corrosione molto bassa. Deve essere mantenuto oliato o placcato (cromo/nichel) se utilizzato in ambienti umidi o per lo stampaggio di plastica corrosiva.

Verdetto della selezione MWalloys: la lista di controllo finale

Utilizzate questa lista di controllo prima di finalizzare l'ordine di acquisto:

1. Il carico di lavoro è abrasivo? (Sabbia, vetro, carta, metallo scorrevole) -> Scegliere D2.

2. Il carico di lavoro è pesante? (martellare, dare pugni pesanti, far cadere) -> Scegliere S7.

3. Il pezzo è intricato e con pareti sottili? -> Scegliere D2 (per la stabilità) SE non è presente alcuno shock; altrimenti S7 (per evitare la frattura della parete).

4. Avete bisogno di una lama? -> D2 per affettare; S7 per tagliare (come un'ascia).

5. Si utilizza l'elettroerosione? -> S7 è generalmente più indulgente nei confronti del processo di elettroerosione, se sottoposto a stress-relieve in modo appropriato.

Quale scegliere per le modalità di guasto più comuni