M2 مقابل M35 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
M2 و M35 هما نوعان من الفولاذ عالي السرعة (HSS) المستخدم على نطاق واسع، وغالبًا ما يتم مواجهتهما في عملية اختيار أدوات القطع، والمثاقب، والقوالب، ومكونات التآكل. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بوزن المزايا والعيوب مثل التكلفة مقابل الصلابة الساخنة، ومقاومة التآكل مقابل المتانة، وقابلية التشغيل مقابل عمر الخدمة عند الاختيار بين هذه الدرجات. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار فولاذ أداة لطحن عالي السرعة حيث تكون الصلابة الحمراء مهمة، أو تحديد قالب للضغط عالي الحجم حيث تتحكم التكلفة والمتانة.
التمييز الفني الرئيسي بين الدرجتين هو أن واحدة منهما فولاذ HSS تقليدي من التنجستن والموليبدينوم بينما الأخرى هي سبيكة أساسية مشابهة تم تعديلها بإضافة معنوية من الكوبالت لتعزيز الصلابة المحتفظ بها ومقاومة التآكل عند درجات حرارة مرتفعة. نظرًا لأن M2 و M35 يشتركان في الكثير من كيمياء الكربيد وممارسات المعالجة الحرارية، يتم مقارنتهما عادة عند تحديد الأدوات المعرضة للتآكل الكاشط ودرجات حرارة القطع العالية.
1. المعايير والتسميات
- ASTM/ASME: غالبًا ما يتم توفيرها تحت تسميات نمط AISI/SAE (AISI M2، AISI M35 أو بمواصفات منتجات AMS / ASTM لفولاذ الأدوات في بعض المناطق).
- EN: الأنواع المعادلة من HSS في معايير EN تُسمى عادة HS6-5-2 (عائلة M2) وHSS المحتوية على الكوبالت مثل HS6-5-2-5 (شبيهة بـ M35) اعتمادًا على التسمية المحددة في EN.
- JIS: تسرد المعايير اليابانية فولاذ الأدوات بكيمياء مشابهة (مثل سلسلة SKH).
- GB: تشمل معايير GB الصينية تسميات M2 و M35 أو رموز معادلة.
التصنيف: كل من M2 و M35 هما فولاذان عاليان السرعة (HSS)، أي، فولاذ أدوات مضاف إليه عناصر معدنية مصممة لصلابة عالية وصلابة ساخنة. هما ليسا فولاذين مقاومين للصدأ أو فولاذ HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
| عنصر | M2 (نطاقات نموذجية) | M35 (نطاقات نموذجية) |
|---|---|---|
| C | 0.80–0.95 wt% | 0.80–0.95 wt% |
| Mn | 0.15–0.40 wt% | 0.15–0.40 wt% |
| Si | 0.15–0.45 wt% | 0.15–0.60 wt% |
| P | ≤0.03 wt% | ≤0.03 wt% |
| S | ≤0.03 wt% | ≤0.03 wt% |
| Cr | 3.75–4.50 wt% | 3.75–4.50 wt% |
| Ni | ≤0.30 wt% | ≤0.30 wt% |
| Mo | 4.50–5.50 wt% | 4.50–5.50 wt% |
| V | 1.70–2.20 wt% | 1.80–2.30 wt% |
| Nb (كولومبيوم) | عادةً أثر | عادةً أثر |
| Ti | عادةً أثر | عادةً أثر |
| B | عادةً أثر | عادةً أثر |
| N | عادةً أثر | عادةً أثر |
ملاحظة: التنجستن (W) هو مكون رئيسي لكل من M2 و M35 (عادةً ~5.5–6.8 wt%)، ولكنه تم حذفه من قائمة العناصر المطلوبة؛ يجب تضمينه عند التحديد أو الطلب. الإضافة المحددة في عائلة M35 هي الكوبالت (Co ≈ 4.5–5.5 wt%)، والتي لم تظهر في أعمدة الجدول أعلاه ولكنها هي الفارق الرئيسي.
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يتحكم الكربون وعناصر تشكيل الكربيد (V، W، Mo، Cr) في الكمية والنوع واستقرار الكربيدات: توفر كربيدات MC (غنية بـ V)، وM6C (غنية بـ W/Mo)، وM23C6 (غنية بـ Cr) مقاومة للتآكل. - يزيد التنجستن والموليبدينوم من القدرة على التصلب والقوة عند درجات الحرارة العالية ويشكلان كربيدات M6C التي تساهم في التصلب الثانوي. - يشكل الفاناديوم كربيدات MC صلبة ودقيقة تحسن مقاومة التآكل والمتانة لمجموعة الكربيد. - يوفر الكروم مقاومة للتآكل إلى حد ما، ويساهم في القدرة على التصلب ويشكل كربيدات M23C6. - لا يشكل الكوبالت في M35 كربيدات ولكنه يقوي المصفوفة ويزيد من الصلابة الساخنة / الصلابة الحمراء ومقاومة التصلب.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنية المجهرية النموذجية (بعد التبريد المناسب والتقسية): - المصفوفة: مارتنسيت مقسى (المرحلة الرئيسية الحاملة للحمل). - مجموعة الكربيد: مزيج من كربيدات MC (غنية بـ V، صلبة نسبيًا)، وM6C (غنية بـ W/Mo)، وM23C6 (غنية بـ Cr) موزعة في المصفوفة المارتنسيتية.
اختلافات استجابة المعالجة الحرارية: - تستخدم كلتا الدرجتين دورات معالجة حرارية مشابهة: الأوستنيتيز، التبريد (زيت أو فراغ)، وتقسية متعددة المراحل لتطوير الصلابة المطلوبة والتصلب الثانوي. - يظهر M35، بمحتواه من الكوبالت، صلابة محتفظ بها أعلى عند درجات حرارة تقسية مرتفعة (صلابة حمراء أفضل) واستجابة أقوى للتصلب الثانوي. يزيد الكوبالت من مقاومة التصلب للمارتنسيت - درجات الحرارة التي تجعل M2 أكثر ليونة ستترك M35 أكثر صلابة. - يمكن أن يؤدي التطبيع قبل التصلب إلى تحسين الهياكل المدرفلة؛ تعتبر درجات حرارة الأوستنيتيز المتحكم فيها حاسمة لإذابة جزء مناسب من الكربيدات للتصلب الثانوي دون إذابة كربيدات MC الفاناديوم بشكل مفرط. - ستعمل المعالجة الحرارية الميكانيكية (للتزوير) التي تحسن توزيع الكربيد على تحسين المتانة وسلوك التآكل في كلتا الدرجتين؛ يستفيد M35 بشكل خاص في التطبيقات التي تتطلب قوة ساخنة.
4. الخصائص الميكانيكية
| الخاصية | M2 (نموذجي) | M35 (نموذجي) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (UTS) | ~1800–2400 ميغاباسكال (تعتمد على المعالجة الحرارية) | ~1900–2500 ميغاباسكال (تعتمد على المعالجة الحرارية) | تختلف قوة UTS لـ HSS بشكل كبير مع الصلابة النهائية والتقسية. |
| قوة الخضوع | عالية عمومًا، قريبة من نسبة UTS | مماثلة أو أعلى قليلاً | غالبًا ما لا يتم تحديد الخضوع بشكل منفصل لـ HSS - يعتمد على البنية المجهرية. |
| التمدد (A%) | منخفض: عادةً 1–6% | منخفض: عادةً 1–5% | كلاهما هش نسبيًا مقارنة بالفولاذ الهيكلي؛ غالبًا ما تكون مرونة M35 أقل قليلاً بسبب Co. |
| صلابة التأثير (شاربي / نوعية) | متوسطة لـ HSS؛ أفضل من المتغيرات المضافة بالكوبالت | مخفضة قليلاً مقارنة بـ M2 (صلابة أقل) | تعتمد المتانة على حجم المقطع، والمعالجة الحرارية، وتوزيع الكربيد. |
| صلابة (HRC، نموذجية بعد HT) | 60–66 HRC (محددة حسب التطبيق) | 60–67 HRC (احتفاظ أفضل عند درجة الحرارة) | يحقق M35 صلابة مشابهة عند درجة حرارة الغرفة ولكنه يحتفظ بالصلابة بشكل أفضل عند درجات حرارة القطع المرتفعة. |
التفسير: يوفر M35 عادةً تحسينات هامشية في الصلابة الساخنة ومقاومة التآكل عند درجات حرارة مرتفعة مقارنة بـ M2، ولكن يأتي ذلك بتكلفة صغيرة في المتانة وقابلية التشكيل. تختلف الأرقام الميكانيكية المطلقة مع المعالجة الحرارية وحجم المقطع.
5. قابلية اللحام
تكون قابلية لحام الفولاذ عالي السرعة محدودة بسبب محتوى الكربون العالي والعناصر السبائكية؛ يتطلب كل من M2 و M35 ممارسات تسخين دقيقة لتجنب التشقق.
مؤشرات الكربون المكافئ وقابلية اللحام المفيدة (للتقييم النوعي): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - كل من M2 و M35 لهما قيم عالية من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ مقارنة بالفولاذات اللينة، مما يشير إلى القابلية للتشقق المدعوم بالهيدروجين والتصلب المارتنسيت في منطقة التأثير. - لا يغير الكوبالت بشكل كبير الكربون المكافئ جبريًا ولكنه يزيد من القدرة على التصلب ومقاومة التقسية؛ يمكن أن يجعل هذا منطقة التأثير لـ M35 أكثر عرضة للتشقق إذا لم يتم تسخينها مسبقًا وبعد اللحام بشكل صحيح. - الممارسة الموصى بها: التسخين المسبق لتقليل التدرجات الحرارية، استخدام مواد تعبئة / أقطاب منخفضة الهيدروجين، التحكم في درجة حرارة التداخل، وإجراء معالجة حرارية مناسبة بعد اللحام (PWHT) لتقسية المارتنسيت وتخفيف الضغوط. حيثما أمكن، تجنب اللحام الانصهاري للأدوات ذات الضغط العالي - استخدم اللحام باللحام أو الانضمام الميكانيكي للتجمعات.
6. التآكل وحماية السطح
- لا M2 ولا M35 مقاومان للصدأ؛ كلاهما عرضة للتآكل التأكسدي وتلطيخ السطح في البيئات الرطبة أو المسببة للتآكل.
- طرق الحماية الشائعة: الطلاءات الواقية (PVD، CVD، TiN، TiAlN)، الطلاء بالكروم الصلب (حيثما كان مناسبًا)، النترجة لصلابة السطح مع فائدة محدودة من التآكل، الجلفنة (للتطبيقات غير المتعلقة بالأدوات)، والدهانات التقليدية أو الزيوت للتخزين.
- صيغة PREN للاختيار المقاوم للصدأ غير قابلة للتطبيق على M2/M35 لأن مقاومة التآكل ليست ميزة تصميم أساسية لهذه الفولاذات الغنية بالكربون: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- استخدم هندسة السطح (الطلاءات، النترجة، PVD) لتمديد عمر الأداة في البيئات المسببة للتآكل أو التآكل اللاصق.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: كلا السبيكتين أكثر صعوبة في التشغيل مقارنة بالفولاذ الكربوني. عادةً ما يكون M35 أقل قابلية للتشغيل قليلاً من M2 لأن الكوبالت يزيد من القوة ويميل إلى تقليل قابلية التشغيل وزيادة تآكل الأداة في عمليات التشكيل.
- القطع / التشكيل: التشكيل البارد أو الانحناء يمثل تحديًا؛ يتطلب العمل الساخن تحكمًا دقيقًا وتخميرًا وسيطًا. غالبًا ما يتم طحن قوالب أدوات القطع بدلاً من تشغيلها بشكل مكثف.
- إنهاء السطح: يمكن طحن كلاهما إلى تشطيبات دقيقة؛ قد يتطلب M35 معلمات طحن أكثر عدوانية بسبب صلابة الكربيدات العالية والمتانة.
- تعتبر EDM والطحن طرق تصنيع شائعة للأدوات النهائية.
8. التطبيقات النموذجية
| M2 (الاستخدامات النموذجية) | M35 (الاستخدامات النموذجية) |
|---|---|
| قواطع الطحن العامة، المثاقب، الصمامات، المثاقب لدرجات حرارة قطع معتدلة | أدوات قطع عالية الأداء، صمامات، مثاقب للمعالجة عالية السرعة عند درجات حرارة مرتفعة |
| أدوات التشكيل، قوالب التشكيل، قوالب التشكيل البارد | أدوات العمل الساخن حيث تحسن الصلابة الحمراء من العمر (لكنها ليست فولاذ عمل ساخن كامل) |
| أدوات لعمليات قصيرة إلى معتدلة حيث تكون التكلفة عاملًا | قطع عالي الحجم ودرجات حرارة عالية حيث تعوض عمر الأداة الأطول التكلفة الأعلى للمواد |
| أسنان المنشار، قواطع التروس | أدوات القطع المتقطعة والحفر في سبائك صعبة التشغيل عند درجات حرارة مرتفعة |
مبررات الاختيار: اختر M2 عندما تكون التكلفة، والصلابة الساخنة المعتدلة، والمتانة المعقولة هي الأولويات؛ اختر M35 عندما تولد العمليات درجات حرارة قطع مرتفعة مستدامة وتوفر الصلابة الساخنة المدفوعة بالكوبالت عمرًا أطول يبرر التكلفة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: عادةً ما يكون M35 أكثر تكلفة من M2 لأن الكوبالت إضافة سبائكية مكلفة والإمدادات أكثر تقييدًا. توقع أن تكون تكلفة المواد لـ M35 أعلى بشكل ملحوظ على أساس كل كيلوغرام.
- التوافر: M2 هو واحد من أكثر درجات HSS المخزنة شيوعًا ومتاحة على نطاق واسع في القضبان، والقوالب، وأشكال الأدوات. M35 متاح أيضًا بشكل شائع ولكن قد يكون له أوقات تسليم أطول أو تسعير متميز لبعض أشكال المنتجات والأحجام الكبيرة.
- أشكال المنتجات: يتم توفير كلاهما كقضبان مقلوبة، وقوالب مصقولة، وأشكال متخصصة؛ قد يتم تحديد M35 بشكل أكثر تكرارًا كقوالب أدوات مسبقة التصلب ومصقولة لتقليل جهد التصنيع.
10. الملخص والتوصية
| السمة | M2 | M35 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | ضعيفة (تحدي) | ضعيفة إلى أسوأ قليلاً (أكثر قابلية للتصلب) |
| توازن القوة والمتانة | توازن جيد لفولاذ HSS العام | صلابة ساخنة أعلى، متانة أقل قليلاً |
| التكلفة | أقل (أكثر اقتصادية) | أعلى (متميز بسبب Co) |
التوصيات: - اختر M2 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ HSS فعال من حيث التكلفة، متعدد الاستخدامات مع متانة جيدة للقطع أو التشكيل عند سرعات ودرجات حرارة تقليدية. M2 مناسب حيث يكون الطحن وإعادة الشحذ ممكنين وحيث تكون الأحمال الحرارية معتدلة. - اختر M35 إذا كانت تطبيقاتك تتعرض باستمرار لدرجات حرارة قطع مرتفعة أو متطلبات صلابة حمراء (المعالجة عالية السرعة للسبائك الصعبة، القطع المستمر عند درجات حرارة مرتفعة) وتبرر عمر الأداة الإضافي التكلفة الأعلى للمواد والمعالجة.
ملاحظة نهائية: عند تحديد أي من الدرجتين، قدم ظروف الخدمة المتوقعة (سرعات القطع، ظروف التبريد / التشحيم، سمك المقطع، وأي متطلبات بعد اللحام) حتى يمكن تحسين المعالجة الحرارية، ومعالجة السطح، والمشتريات لتكلفة دورة الحياة بدلاً من تكلفة المواد الاسمية فقط.