M35 vs M42 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

M35 und M42 sind zwei weit verbreitete Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstähle (HSS), die häufig als Alternativen erscheinen, wenn Ingenieure und Beschaffungsspezialisten Schneidwerkzeuge, Bohrer, Gewindeschneider und verschleißfeste Komponenten spezifizieren. Das Auswahldilemma konzentriert sich typischerweise auf Kompromisse zwischen Warmhärte und Verschleißfestigkeit versus Zähigkeit, Bearbeitbarkeit und Kosten. Kurz gesagt, betont eine Sorte die Härte und Verschleißfestigkeit bei erhöhten Temperaturen, während die andere ein vorteilhaftes Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Leistung zu niedrigeren Kosten bietet.

Da beide Sorten Mitglieder der Molybdän/Wolfram-Serie von HSS sind und Kobalt enthalten, werden sie häufig für anspruchsvolle Bearbeitungsanwendungen verglichen, bei denen die Werkzeuglebensdauer unter Hitze und intermittierendem Schneiden von Bedeutung ist. Dieser Artikel vergleicht Standards, Zusammensetzung, Mikrostruktur, Wärmebehandlungsverhalten, mechanische Eigenschaften, Schweißbarkeit, Korrosions-/Oberflächenschutz, Fertigungseigenschaften, typische Anwendungen, Kosten/Verfügbarkeit und abschließende Auswahlrichtlinien.

1. Standards und Bezeichnungen

• Übliche Standards und Bezeichnungen für diese Sorten:
• AISI/SAE: M35, M42 (häufig in Nordamerika verwendet)
• DIN/EN: Oft mit HSxV oder ähnlichen HSS-Codes verknüpft (konsultieren Sie spezifische Normtabelle für genaue Querverweise)
• JIS: Verwendet andere HSS-Codes; prüfen Sie JIS G4305 und Lieferantenliteratur
• GB (China): Unter chinesischen Hochgeschwindigkeitsstählen mit lokalen Teilenummern aufgeführt
• Klassifizierung:
• Sowohl M35 als auch M42 sind Werkzeugstähle — spezifisch Hochgeschwindigkeitsstähle (HSS).
• Sie sind Legierungs-/Werkzeugstähle und keine rostfreien Stähle oder HSLA-Bauprofile.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle listet typische Zusammensetzungsbereiche für wichtige Elemente auf. Dies sind gängige Herstellungsbereiche, die für die Spezifikation und Beschaffung verwendet werden; genaue Werte variieren je nach Norm und Hersteller.

Wie die Legierungselemente die Eigenschaften beeinflussen - Kohlenstoff: Bestimmt die Martensithärte und den Volumenanteil der Karbide; höherer Kohlenstoff erhöht die Härte nach dem Abschrecken, kann jedoch Zähigkeit und Schweißbarkeit verringern. - Chrom: Fügt eine gewisse Temperwiderstandsfähigkeit, Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit hinzu. - Molybdän und Wolfram: Fördern die sekundäre Härtung und Warmhärte; Molybdän in M42 ist besonders hoch, um die anhaltende Härte bei erhöhten Temperaturen zu unterstützen. - Vanadium: Bildet stabile Vanadiumkarbide, die die Verschleißfestigkeit und die Schneidkantenhaltung verbessern. - Kobalt: Erhöht die rote (heiße) Härte und die thermische Stabilität der Matrix; höherer Kobalt in M42 erhöht die Hochtemperaturleistung auf Kosten der Bearbeitbarkeit und der Kosten.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostrukturen - In beiden Sorten ist die gewünschte Mikrostruktur nach geeigneter Wärmebehandlung eine harte martensitische Matrix, die eine Verteilung von Legierungskarbid enthält (Cr-reiche, Mo/W-reiche und V-reiche Karbide). - M35: Martensit mit gleichmäßig verteilten komplexen Karbiden (MC, M6C, M23C6). Das Vorhandensein von ~5% Co erhöht die Stabilität der Matrix und die Warmhärte, ohne die Karbidtypen im Vergleich zur M2/M35-Familie drastisch zu verändern. - M42: Höherer Mo- und Co-Gehalt erhöht die Menge und Stabilität der Mo-reichen Karbide und trägt zu einer höheren sekundären Härtungsreaktion bei; die Matrix widersteht der Temperweichen besser bei erhöhten Temperaturen.

Wärmebehandlungsreaktion - Normale Abfolge: Vorwärmen → Härten (Hochtemperatur-Austenitisierung) → Abschrecken (Öl/Luft je nach Größe) → mehrstufiges Anlassen, um die endgültige Härte und Zähigkeit zu erreichen. - M35: Austenitisierungstemperaturen typischerweise im HSS-Bereich (z. B. etwa 1180–1220 °C, herstellerspezifisch) gefolgt von Ölabschreckung und Anlassen. Gute Kombination aus Härte und Zähigkeit, wenn richtig angelassen. - M42: Erfordert sorgfältige Austenitisierung, um die erforderlichen Karbide für die sekundäre Härtung aufzulösen (Temperaturen sind sortenspezifisch). M42 profitiert von kontrollierten Hochtemperatur-Anlasszyklen, um sekundäre Karbide auszufällen, die außergewöhnliche Warmhärte verleihen.

Thermo-mechanische Bearbeitung - Schmieden und kontrolliertes Walzen, gefolgt von ordnungsgemäßer Normalisierung, verfeinern die Korngröße und die Karbidverteilung für beide Sorten. Der höhere Legierungsgehalt von M42 profitiert von der mikrostrukturellen Kontrolle, um übermäßigen zurückgehaltenen Austenit zu vermeiden und die Karbidverteilung zu optimieren.

4. Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung und der Querschnittsgröße ab. Die folgende Tabelle präsentiert typische, wärmebehandelte Vergleiche in qualitativen und praktischen numerischen Bereichen für die Härte.

Interpretation - Festigkeit und Warmfestigkeit: M42 liefert typischerweise höhere zurückgehaltene Härte und Festigkeit bei erhöhten Schneidtemperaturen aufgrund von höherem Mo und Co sowie sekundärer Karbidfällung. - Zähigkeit und Duktilität: M35 ist tendenziell zäher und weniger spröde als M42 bei ähnlichen Härtegraden, was es bevorzugt macht, wo Stöße oder unterbrochene Schnitte häufig sind. - Härte: M42 erreicht und hält im Allgemeinen eine höhere Härte, insbesondere in Hochtemperaturumgebungen.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von Hochgeschwindigkeitsstählen ist im Vergleich zu Baustählen begrenzt. Wichtige Faktoren sind der Kohlenstoffgehalt, die Härtbarkeit und die Mikrolegierung.

Übliche Schweißbarkeitsindizes (veranschaulichend): - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (für allgemeines Schweißrissrisiko): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation - M35: Mäßiger Kohlenstoff- und mäßiger Kobaltgehalt; Vorwärmen, kontrollierte Zwischenpass-Temperaturen und Nachschweißwärmebehandlung sind erforderlich, um Kaltverzug zu vermeiden und die Zähigkeit wiederherzustellen. Schweißzusätze und Verfahren, die für HSS maßgeschneidert sind, sollten verwendet werden. - M42: Höherer Kohlenstoff- und höherer Legierungsgehalt (insbesondere Mo und Co) erhöhen die Härtbarkeit und die Anfälligkeit für Schweißrisse und harte, spröde HAZ-Mikrostrukturen. Das Schweißen von M42 ist herausfordernder und oft nicht empfohlen, es sei denn, es ist kritisch; wenn das Schweißen erforderlich ist, sind strenge Vorwärm-, niedrige Wärmeeinbringungs- und Anlasszyklen zwingend erforderlich. - In beiden Fällen sind Löten oder mechanische Verbindungen häufig gegenüber dem Schmelzschweißen für kritische HSS-Teile bevorzugt.

6. Korrosions- und Oberflächenschutz

• Weder M35 noch M42 sind rostfreie Stähle; die Korrosionsbeständigkeit ist bescheiden und hauptsächlich vom Cr-Gehalt abgeleitet.
• Typischer Oberflächenschutz für nicht rostfreie Werkzeugstähle:
• Schutzbeschichtungen: TiN, TiCN, AlTiN (physikalische Dampfabscheidung), um den Verschleiß zu verbessern und die Haftung zu reduzieren.
• Chemische/galsanische Beschichtungen: nicht typisch für Schneidwerkzeuge, aber möglich für Werkzeugvorrichtungen — Verzinkung wird selten auf HSS-Schneidwerkzeugen verwendet.
• Farben und Passivierung: eher anwendbar auf Gehäuse und nicht schneidende Komponenten.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist für diese nicht rostfreien Werkzeugstähle nicht anwendbar: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Für Schneidumgebungen, in denen Korrosion den Verschleiß beschleunigen kann, spezifizieren Sie korrosionsbeständige Beschichtungen oder ziehen Sie rostfreie Werkzeugstähle nur in Betracht, wenn die Korrosions- und Verschleißleistung die Kompromisse rechtfertigt.

7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit:
• M35: Die Bearbeitbarkeit ist für HSS mäßig; das Vorhandensein von Kobalt verringert die Bearbeitbarkeit etwas, bietet jedoch Zähigkeit und Warmhärte.
• M42: Geringere Bearbeitbarkeit als M35 aufgrund von höherem Kobalt und Molybdän sowie höherem Kohlenstoff — erwarten Sie schwierigere Schneidbedingungen für die Formgebung vor der endgültigen Wärmebehandlung.
• Schleifen und Finishen: Beide Sorten erfordern Diamant- oder CBN-Schleifen für die Endbearbeitung im gehärteten Zustand. Die Härte von M42 erfordert robustere Schleifsysteme und langsamere Abtragsraten.
• Umformen und Biegen: Als Werkzeugstähle sind beide im gehärteten Zustand nicht leicht kalt zu formen. Warmbearbeitung oder Schmieden im geglühten Zustand ist üblich; die endgültige Formgebung erfolgt normalerweise vor der Härtung.
• Oberflächenveredelung: Beschichtungen (PVD/CVD) werden häufig nach der Wärmebehandlung aufgebracht, um den Verschleiß und die Schmierfähigkeit zu verbessern.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung - Wählen Sie M35, wenn ein Gleichgewicht zwischen Zähigkeit, angemessener Warmhärte und niedrigeren Kosten gewünscht ist; ideal für unterbrochene Schnitte und Anwendungen, bei denen gelegentliche Stoßlasten auftreten. - Wählen Sie M42, wenn die Werkzeuglebensdauer bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und erhöhten Temperaturen Priorität hat, insbesondere für kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsbearbeitung schwieriger Materialien oder wenn die Nachschärfhäufigkeit minimiert werden muss.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: M42 ist im Allgemeinen teurer als M35 aufgrund des höheren Legierungsgehalts (insbesondere Kobalt und Molybdän) und der anspruchsvolleren Verarbeitung. Erwarten Sie höhere Kosten pro Kilogramm und pro Werkzeug für M42.
• Verfügbarkeit: M35 ist in Standardformen (Rundstäbe, Flachstäbe, Werkzeugrohlinge) weit verbreitet. M42 ist verfügbar, kann jedoch begrenztere Lagergrößen und Lieferzeiten haben; viele Lieferanten bieten M42 hauptsächlich für den Hochleistungswerkzeugmarkt an. Beschichtete und fertig bearbeitete Werkzeuge in beiden Sorten sind von spezialisierten Werkzeugherstellern üblich.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Wählen Sie M35, wenn... - Sie einen kosteneffektiven HSS mit guter Zähigkeit für unterbrochene Schnitte benötigen, die Werkzeuglebensdauer wichtig ist, aber nicht von der Hochtemperaturverschleißfestigkeit dominiert wird, und moderate Warmhärte ausreicht. - Sie mit Schweißen, Reparaturen oder vor Ort Modifikationen rechnen und eine relativ einfachere Wiederherstellung nach dem Schweißen wünschen.

Wählen Sie M42, wenn... - Ihr Hauptbedarf überlegene Schneidkantenhaltung und Warmhärte bei hohen Schnittgeschwindigkeiten oder in der Schwerlastproduktion ist, wo erhöhte Temperaturen und Abrieb den Werkzeugverschleiß dominieren. - Eine längere Lebensdauer zwischen Nachschärfungen entscheidend ist und das Budget höhere anfängliche Werkzeugkosten unterstützt.

Letzte praktische Anmerkung Geben Sie die Sorte zusammen mit der erwarteten Wärmebehandlungsbedingung, der Bauteilquerschnittsgröße und der beabsichtigten Anwendungsumgebung an. Für kritische Werkzeuge fragen Sie die Lieferanten nach wärmebehandelten Mustern, empfohlenen Anlasszyklen und Beschichtungsoptionen. Solche Details haben oft einen verhältnismäßig größeren Einfluss auf die Leistung im Einsatz als kleine Zusammensetzungsunterschiede allein.