M2 vs M35 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
M2 und M35 sind zwei weit verbreitete Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstähle (HSS), die häufig im Auswahlprozess für Schneidwerkzeuge, Stempel, Matrizen und Verschleißkomponenten vorkommen. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen routinemäßig Abwägungen wie Kosten versus Warmhärte, Verschleißfestigkeit versus Zähigkeit und Bearbeitbarkeit versus Lebensdauer ab, wenn sie zwischen diesen Sorten wählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl eines Werkzeugstahls für Hochgeschwindigkeitsfräsen, bei dem die Rot-Härte wichtig ist, oder die Spezifikation eines Rohteils für Hochvolumen-Stanzen, bei dem Kosten und Zähigkeit entscheidend sind.
Der wesentliche technische Unterschied zwischen den beiden Sorten besteht darin, dass eine ein konventioneller Wolfram-Molybdän-HSS ist, während die andere eine ähnliche Basislegierung ist, die durch eine bedeutende Zugabe von Kobalt modifiziert wurde, um die erhaltene Härte und Verschleißfestigkeit bei erhöhten Temperaturen zu verbessern. Da M2 und M35 einen Großteil ihrer Karbidchemie und Wärmebehandlungspraktiken teilen, werden sie häufig verglichen, wenn Werkzeuge spezifiziert werden, die abrasivem Verschleiß und hohen Schneidtemperaturen ausgesetzt sind.
1. Standards und Bezeichnungen
- ASTM/ASME: Oft unter AISI/SAE-Stilbezeichnungen (AISI M2, AISI M35 oder durch AMS / ASTM-Produktspezifikationen für Werkzeugstähle in einigen Regionen) geliefert.
- EN: Entsprechende HSS-Typen in EN-Normen werden üblicherweise als HS6-5-2 (M2-Familie) und entsprechende kobalt-haltige HSS wie HS6-5-2-5 (M35-ähnlich) bezeichnet, abhängig von der spezifischen EN-Bezeichnung.
- JIS: Japanische Standards listen Werkzeugstähle mit ähnlichen Chemien (z.B. SKH-Serie) auf.
- GB: Chinesische GB-Standards umfassen M2- und M35-Bezeichnungen oder entsprechende Codes.
Klassifizierung: Sowohl M2 als auch M35 sind Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstähle (HSS), d.h. legierte Werkzeugstähle, die für hohe Härte und Warmhärte entwickelt wurden. Sie sind keine rostfreien Stähle oder HSLA-Stähle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
| Element | M2 (typische Bereiche) | M35 (typische Bereiche) |
|---|---|---|
| C | 0.80–0.95 Gew% | 0.80–0.95 Gew% |
| Mn | 0.15–0.40 Gew% | 0.15–0.40 Gew% |
| Si | 0.15–0.45 Gew% | 0.15–0.60 Gew% |
| P | ≤0.03 Gew% | ≤0.03 Gew% |
| S | ≤0.03 Gew% | ≤0.03 Gew% |
| Cr | 3.75–4.50 Gew% | 3.75–4.50 Gew% |
| Ni | ≤0.30 Gew% | ≤0.30 Gew% |
| Mo | 4.50–5.50 Gew% | 4.50–5.50 Gew% |
| V | 1.70–2.20 Gew% | 1.80–2.30 Gew% |
| Nb (Columbium) | typischerweise Spur | typischerweise Spur |
| Ti | typischerweise Spur | typischerweise Spur |
| B | typischerweise Spur | typischerweise Spur |
| N | typischerweise Spur | typischerweise Spur |
Hinweis: Wolfram (W) ist ein Hauptbestandteil sowohl von M2 als auch von M35 (typischerweise ~5.5–6.8 Gew%), wurde jedoch von der angeforderten Elementliste ausgeschlossen; fügen Sie es hinzu, wenn Sie spezifizieren oder bestellen. Die definierende Zugabe in der M35-Familie ist Kobalt (Co ≈ 4.5–5.5 Gew%), das in den obigen Tabellenspalten nicht angezeigt wird, aber der entscheidende Unterschied ist.
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff und Karbidbildner (V, W, Mo, Cr) steuern die Menge, Art und Stabilität der Karbide: MC (V-reich), M6C (W/Mo-reich) und M23C6 (Cr-reich) Karbide bieten Abriebfestigkeit. - Wolfram und Molybdän erhöhen die Härtbarkeit und die Festigkeit bei hohen Temperaturen und bilden M6C-Karbide, die zur sekundären Härtung beitragen. - Vanadium bildet harte, feine MC-Karbide, die die Verschleißfestigkeit und Zähigkeit der Karbidpopulation verbessern. - Chrom bietet bis zu einem gewissen Grad Korrosionsbeständigkeit, trägt zur Härtbarkeit bei und bildet M23C6-Karbide. - Kobalt in M35 bildet keine Karbide, sondern verstärkt die Matrix und erhöht die Warmhärte / Rot-Härte und die Anlassempfindlichkeit.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
Typische Mikrostruktur (nach geeigneter Abschreckung und Anlassen): - Matrix: angelassene Martensit (primäre tragende Phase). - Karbidpopulation: eine Mischung aus MC (V-reich, relativ hart), M6C (W/Mo-reich) und M23C6 (Cr-reich) Karbiden, die in der martensitischen Matrix verteilt sind.
Unterschiede in der Wärmebehandlungsreaktion: - Beide Sorten verwenden ähnliche Wärmebehandlungszyklen: Austenitisierung, Abschreckung (Öl oder Vakuum) und mehrstufiges Anlassen, um die gewünschte Härte und sekundäre Härtung zu entwickeln. - M35 zeigt mit seinem Kobaltgehalt eine höhere erhaltene Härte bei erhöhten Anlasstemperaturen (bessere Rot-Härte) und eine stärkere sekundäre Härtungsreaktion. Kobalt erhöht die Anlassempfindlichkeit von Martensit – Temperaturen, die M2 deutlicher erweichen, lassen M35 härter zurück. - Normalisieren vor der Härtung kann die gewalzte Struktur verfeinern; kontrollierte Austenitisierungstemperaturen sind entscheidend, um einen angemessenen Anteil an Karbiden für die sekundäre Härtung aufzulösen, ohne vanadiumhaltige MC-Karbide überzulösen. - Thermo-mechanische Bearbeitung (für Schmiedeteile), die die Karbidverteilung verfeinert, verbessert die Zähigkeit und das Verschleißverhalten in beiden Sorten; M35 profitiert besonders in Anwendungen, bei denen hohe Festigkeit erforderlich ist.
4. Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | M2 (typisch) | M35 (typisch) | Hinweise |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit (UTS) | ~1800–2400 MPa (wärmebehandlungsabhängig) | ~1900–2500 MPa (wärmebehandlungsabhängig) | HSS UTS variiert stark mit der Endhärte und dem Anlassen. |
| Streckgrenze | Allgemein hoch, nahe der UTS-Fraktion | Ähnlich oder leicht höher | Streckgrenze wird oft nicht separat für HSS angegeben – hängt von der Mikrostruktur ab. |
| Dehnung (A%) | Niedrig: typischerweise 1–6% | Niedrig: typischerweise 1–5% | Beide sind im Vergleich zu Baustählen relativ spröde; M35 hat oft eine leicht geringere Zähigkeit aufgrund von Co. |
| Schlagzähigkeit (Charpy / qualitativ) | Moderat für HSS; besser als Co-legierte Varianten | Leicht reduziert im Vergleich zu M2 (geringere Zähigkeit) | Zähigkeit hängt von der Querschnittsgröße, der Wärmebehandlung und der Karbidverteilung ab. |
| Härte (HRC, typisch nach HT) | 60–66 HRC (anwendungsspezifisch) | 60–67 HRC (bessere Beibehaltung bei Temperatur) | M35 erreicht ähnliche Raumtemperaturhärte, behält jedoch die Härte bei erhöhten Schneidtemperaturen besser. |
Interpretation: M35 bietet typischerweise marginale Verbesserungen in der Warmhärte und Verschleißfestigkeit bei erhöhten Temperaturen im Vergleich zu M2, aber dies geht mit einem kleinen Nachteil in der Zähigkeit und Formbarkeit einher. Absolute mechanische Werte variieren mit der Wärmebehandlung und der Querschnittsgröße.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit von Hochgeschwindigkeitsstählen ist durch den hohen Kohlenstoff- und Legierungsgehalt begrenzt; sowohl M2 als auch M35 erfordern sorgfältige Heizpraktiken, um Rissbildung zu vermeiden.
Nützliche Kohlenstoffäquivalente und Schweißbarkeitsindizes (für qualitative Bewertungen): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - Sowohl M2 als auch M35 haben hohe $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte im Vergleich zu Baustählen, was auf eine Anfälligkeit für wasserstoffunterstützte Rissbildung und martensitische Härtung in der HAZ hinweist. - Kobalt verändert das Kohlenstoffäquivalent algebraisch nicht signifikant, erhöht jedoch die Härtbarkeit und Anlassempfindlichkeit; dies kann die HAZ von M35 anfälliger für Risse machen, wenn sie nicht ordnungsgemäß vorgeheizt und nachbehandelt wird. - Empfohlene Praxis: Vorwärmen, um thermische Gradienten zu minimieren, Verwendung von wasserstoffarmen Füllmaterialien/Elektroden, Kontrolle der Interpass-Temperatur und Durchführung einer geeigneten Nachschweißwärmebehandlung (PWHT), um Martensit zu tempern und Spannungen abzubauen. Wo möglich, vermeiden Sie das Schmelzschweißen für stark beanspruchte Werkzeuge – verwenden Sie Löten oder mechanische Verbindungen für Baugruppen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder M2 noch M35 sind rostfrei; beide sind anfällig für oxidative Korrosion und Oberflächenverfärbung in feuchten oder korrosiven Umgebungen.
- Übliche Schutzmethoden: Schutzbeschichtungen (PVD, CVD, TiN, TiAlN), Hartverchromung (wo angemessen), Nitrieren für Oberflächenhärte mit begrenztem Korrosionsnutzen, Verzinken (für Nicht-Werkzeuganwendungen) und konventionelle Farben oder Öle für die Lagerung.
- Die PREN-Formel für rostfreie Auswahl ist nicht auf M2/M35 anwendbar, da die Korrosionsbeständigkeit kein primäres Entwurfsmerkmal dieser kohlenstoffreichen HSS ist: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Verwenden Sie Oberflächenengineering (Beschichtungen, Nitrieren, PVD), um die Werkzeuglebensdauer in korrosiven oder adhäsiven Verschleißumgebungen zu verlängern.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Beide Legierungen sind schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoffstähle. M35 lässt sich normalerweise etwas schlechter bearbeiten als M2, da Kobalt die Festigkeit erhöht und die Bearbeitbarkeit verringert sowie den Werkzeugverschleiß bei Formoperationen erhöht.
- Schneiden/Formen: Kaltumformen oder Biegen ist herausfordernd; Warmbearbeitung erfordert sorgfältige Kontrolle und Zwischenanlassen. Schneidwerkzeugrohlinge werden oft geschliffen, anstatt stark bearbeitet zu werden.
- Oberflächenveredelung: Beide können auf feine Oberflächen geschliffen werden; M35 benötigt möglicherweise aggressivere Schleifparameter aufgrund der höheren Warmhärte und Zähigkeit der Karbide.
- EDM und Schleifen sind gängige Fertigungsmethoden für fertige Werkzeuge.
8. Typische Anwendungen
| M2 (typische Anwendungen) | M35 (typische Anwendungen) |
|---|---|
| Allzweckfräser, Bohrer, Gewindeschneider, Reamer für moderate Schneidtemperaturen | Hochleistungs-Schneidwerkzeuge, Gewindeschneider, Bohrer für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bei erhöhten Temperaturen |
| Stichsäge, Formwerkzeuge, Kaltkopfmatrizen | Warmarbeitswerkzeuge, bei denen die Rot-Härte die Lebensdauer verbessert (aber kein vollwertiger Warmarbeitsstahl) |
| Werkzeuge für kurze bis moderate Serien, bei denen die Kosten eine Rolle spielen | Hochvolumen-, Hochtemperatur-Schneiden, bei dem eine längere Werkzeuglebensdauer die höheren Materialkosten ausgleicht |
| Sägezähne, Zahnradfräser | Unterbrochene Schneidwerkzeuge und Bohren in schwer zu bearbeitenden Legierungen bei erhöhten Temperaturen |
Auswahlbegründung: Wählen Sie M2, wenn Kosten, moderate Warmhärte und angemessene Zähigkeit im Vordergrund stehen; wählen Sie M35, wenn die Operationen dauerhaft erhöhte Schneidtemperaturen erzeugen und die zusätzliche kobaltgetriebene Warmhärte eine längere Lebensdauer bietet, die die Kosten rechtfertigt.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: M35 ist typischerweise teurer als M2, da Kobalt eine kostspielige Legierungszugabe ist und das Angebot stärker eingeschränkt ist. Erwarten Sie, dass die Materialkosten für M35 pro Kilogramm deutlich höher sind.
- Verfügbarkeit: M2 ist einer der am häufigsten lagernden HSS-Grades und ist weit verbreitet in Stangen, Rohlingen und Werkzeugformen erhältlich. M35 ist ebenfalls häufig verfügbar, kann jedoch längere Lieferzeiten oder Premiumpreise für bestimmte Produktformen und große Größen haben.
- Produktformen: Beide werden als geglühtes Material, geschliffene Rohlinge und spezialisierte Formen geliefert; M35 wird möglicherweise häufiger als vorgehärtete und geschliffene Werkzeugrohlinge spezifiziert, um den Fertigungsaufwand zu reduzieren.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | M2 | M35 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Schlecht (herausfordernd) | Schlecht bis leicht schlechter (mehr härtbar) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Gute Balance für allgemeine HSS | Höhere Warmhärte, leicht weniger Zähigkeit |
| Kosten | Niedriger (wirtschaftlicher) | Höher (Premium aufgrund von Co) |
Empfehlungen: - Wählen Sie M2, wenn Sie einen kosteneffektiven, vielseitigen HSS mit guter Zähigkeit für Schneiden oder Formen bei konventionellen Geschwindigkeiten und Temperaturen benötigen. M2 ist geeignet, wenn Schleifen und Nachschärfen möglich sind und die thermischen Belastungen moderat sind. - Wählen Sie M35, wenn Ihre Anwendung Werkzeuge konstant hohen Schneidtemperaturen oder Rot-Härte-Anforderungen (Hochgeschwindigkeitsbearbeitung schwieriger Legierungen, kontinuierliches Hochtemperaturschneiden) aussetzt und die zusätzliche Werkzeuglebensdauer die höheren Material- und Verarbeitungskosten ausgleicht.
Letzter Hinweis: Geben Sie bei der Spezifikation einer der Sorten die erwarteten Betriebsbedingungen (Schneidgeschwindigkeiten, Kühl-/Schmierbedingungen, Querschnittsdicke und alle Anforderungen nach dem Schweißen) an, damit Wärmebehandlung, Oberflächenbehandlung und Beschaffung für die Lebenszykluskosten optimiert werden können, anstatt nur die nominalen Materialkosten zu berücksichtigen.