SKH9 vs M2 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
SKH9 und M2 sind zwei weit verbreitete Schnellarbeitsstähle, die für Schneidwerkzeuge, Bohrer, Gewindeschneider, Formwerkzeuge und verschleißfeste Komponenten eingesetzt werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor dem Auswahldilemma: Wählen basierend auf regionaler Standardisierung, subtilen Zusammensetzungsunterschieden oder Überlegungen zur Lieferkette versus spezifischen Leistungszielen wie Verschleißfestigkeit, Zähigkeit oder Hitzebeständigkeit.
Der wesentliche Unterschied für die Auswahl besteht darin, dass SKH9 die japanische Standardbezeichnung und M2 die amerikanische/internationale Bezeichnung für eine sehr ähnliche Wolfram-Molybdän-Schnellarbeitsstahlfamilie ist. Sie werden häufig verglichen, da sie im gleichen Leistungsbereich (Allzweck-Schnellarbeitsstahl) agieren und oft im Design austauschbar sind – dennoch können der Standardursprung, die Spezifikationstoleranzen und die Verarbeitung durch den Anbieter die endgültige Wahl beeinflussen.
1. Standards und Bezeichnungen
- M2: Häufig unter AISI/ASM und ASTM/ASME-basierten Spezifikationen (AISI M2; ASTM: oft in Listen von Schnellarbeitsstählen erfasst) referenziert, weit verbreitet in nordamerikanischen und internationalen Lieferketten.
- SKH9: Japanische Industrie-Standardbezeichnung (JIS SKH9), in ganz Japan und vielen asiatischen Lieferketten verwendet; auch in vielen Exportmärkten akzeptiert.
- EN/ISO: Entsprechende Familien in europäischen Normen werden häufig als HS6-5-2-5 oder ähnliche Wolfram-Molybdän-HSS-Qualitäten bezeichnet – die Entsprechung ist ungefähr und hängt von spezifischen Elementbereichen ab.
- GB (China): Chinesische Standards haben ihre eigenen Bezeichnungen, bieten jedoch häufig direkte chemische Äquivalente oder Kreuzreferenztabellen zu SKH- und M-Serie-Stählen.
Klassifikation: Sowohl SKH9 als auch M2 sind Werkzeugstähle der Familie der Schnellarbeitsstähle (HSS) – legierte Stähle, die speziell für hohe Härte und Rot-Härte (Erhaltung der Härte bei erhöhten Schnitttemperaturen) formuliert sind. Sie sind keine rostfreien Stähle oder HSLA-Stähle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle: typische Zusammensetzungsbereiche (Massen%) für SKH9 und M2. Hinweis: Die Tabelle listet die angeforderten Elemente; Wolfram (W) ist ein essentielles Legierungselement für diese Qualitäten, wurde jedoch nicht als Spalte in der Tabelle aufgeführt – sein typischer Gehalt wird unter der Tabelle angegeben.
| Element | SKH9 (JIS) typischer Bereich | M2 (AISI) typischer Bereich |
|---|---|---|
| C | 0.85–1.05 | 0.85–1.05 |
| Mn | 0.20–0.50 | 0.20–0.40 |
| Si | 0.15–0.40 | 0.20–0.45 |
| P | ≤0.03 | ≤0.03 |
| S | ≤0.03 | ≤0.03 |
| Cr | 3.75–4.50 | 3.75–4.50 |
| Ni | — (Spur) | — (Spur) |
| Mo | 4.50–5.50 | 4.50–5.50 |
| V | 1.70–2.20 | 1.70–2.20 |
| Nb | — | — |
| Ti | — | — |
| B | — | — |
| N | Spur | Spur |
Wichtiger Hinweis: Sowohl SKH9 als auch M2 enthalten auch einen erheblichen Anteil an Wolfram (W), typischerweise im Bereich von etwa 5.5–6.75% (variiert je nach Hersteller). Wolfram und Molybdän sind die Hauptlegierungselemente, die hohe Rot-Härte und Verschleißfestigkeit in dieser Stahlfamilie bieten. Geringfügige Legierungszusätze über die Tabelle hinaus (Spur Ti, Nb, B) können in spezifischen Schmelzen vorhanden sein, um die Karbidmorphologie und die Korngröße zu steuern; eine solche Mikrolegierung ist vom Anbieter abhängig.
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff + starke Karbidbildner (W, Mo, V, Cr) erzeugen harte intermetallische Karbide, die abrasivem Verschleiß widerstehen und eine Vergütung auf hohe Härte ermöglichen. - Chrom und Vanadium tragen zu harten Karbidpopulationen bei, die die Verschleißfestigkeit und Rot-Härte verbessern. - Molybdän und Wolfram verbessern das sekundäre Härteverhalten und erhalten die Härte bei erhöhten Temperaturen (Rot-Härte von Schneidwerkzeugen). - Silizium und Mangan sind in geringen Mengen zur Entgasung und zur Festigkeitskontrolle vorhanden; ihre Gehalte beeinflussen auch die Zähigkeit und Bearbeitbarkeit.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen: - Im geglühten Zustand zeigen beide Stähle eine ferritische Matrix mit einem Netzwerk aus primären und sekundären Karbiden (komplexe Karbide einschließlich M6C, MC-Typen, wobei M = W, Mo, V, Cr). - Nach Austenitisierung und Abschrecken wird die Mikrostruktur martensitisch mit erhaltenen Karbiden; die anschließende Vergütung führt zu einer sekundären Härte aufgrund der Ausscheidung feiner Legierungskarbid, was entscheidend für die Hochtemperaturhärte von HSS ist.
Reaktion auf Wärmebehandlung: - Austenitisierung: Vergleichbare Austenitisierungsbereiche werden für sowohl SKH9 als auch M2 verwendet; Temperatur und Zeit steuern die Karbidauflösung und die Legierungsverteilung. - Abschrecken: Öl- oder Luftabschrecken ist üblich; beide Stähle erfordern eine kontrollierte Abkühlung, um Rissbildung zu vermeiden. - Vergütung: Mehrere Vergütungszyklen bei erhöhten Temperaturen führen zu einer sekundären Härte. Vergütungspläne bestimmen die endgültige Härte (typische HRC im 60er-Bereich für Schneidwerkzeuge) und das Zähigkeitsgleichgewicht. - Normalisieren: Wird verwendet, um die Korngröße zu verfeinern und die Mikrostruktur vor der endgültigen Härtung zu homogenisieren; häufiger in der Werkstattpraxis als in der Endproduktion für HSS. - Thermo-mechanische Verarbeitung: Anbieterpraktiken wie Vakuum-Schmelzen, Elektroschlacke-Umschmelzen (ESR) oder Vakuum-Induktionsschmelzen (VIM) verbessern die Sauberkeit und Zähigkeit; Hersteller können diese Schmelzwege spezifizieren.
Insgesamt reagieren SKH9 und M2 sehr ähnlich auf standardisierte HSS-Wärmebehandlungszyklen; Unterschiede ergeben sich aus geringfügigen Zusammensetzungstoleranzen und Stahlherstellungsverfahren, die die Karbidverteilung und Sauberkeit beeinflussen.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: vergleichende qualitative mechanische Eigenschaften (typisch, abhängig von der Wärmebehandlung)
| Eigenschaft | SKH9 (typisch nach ordnungsgemäßer HSS-Wärmebehandlung) | M2 (typisch nach ordnungsgemäßer HSS-Wärmebehandlung) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Hoch (HSS-Klasseniveau; abhängig von der Wärmebehandlung) | Hoch (vergleichbar mit SKH9) |
| Streckgrenze | Hoch (vergleichbar mit Zugverhalten) | Hoch (vergleichbar mit SKH9) |
| Dehnung | Niedrig bis moderat (Sprödigkeit nimmt mit der Härte zu) | Niedrig bis moderat (ähnlich) |
| Schlagzähigkeit | Moderat bis niedrig (abhängig von der Karbidverteilung und Wärmebehandlung) | Moderat bis niedrig (ähnlich) |
| Härte (Betriebsvergütung) | Typischerweise im hohen HRC-Bereich (Werkzeugstahl HSS-Bereich) | Typischerweise im hohen HRC-Bereich (Werkzeugstahl HSS-Bereich) |
Hinweise: - Numerische Werte für Zug-, Streck- und Schlag sind extrem empfindlich gegenüber dem genauen Wärmebehandlungsplan, dem Zustand des Probenmaterials und der Karbidmorphologie; beide Qualitäten sind für Härte und Rot-Härte ausgelegt, nicht für Duktilität. - In der Praxis ist die Härte (HRC) nach geeigneter Austenitisierung und mehreren Vergütungen die am häufigsten spezifizierte Eigenschaft für Schneidwerkzeuge; sowohl SKH9 als auch M2 können HRC im niedrigen bis mittleren 60er-Bereich erreichen, abhängig von der Vergütung.
Interpretation: Keine der Qualitäten ist kategorisch "stärker" in Zugkraft, wenn sie mit äquivalenter Wärmebehandlung vorbereitet wird; der entscheidende Unterschied ist die Karbidverteilung und die Sauberkeit der Stahlherstellung, die leicht die Verarbeitungsroute eines Herstellers begünstigen kann. Zähigkeit ist typischerweise ein Kompromiss mit Härte; sorgfältige Vergütung wird verwendet, um das benötigte Gleichgewicht zu erreichen.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit von Schnellarbeitsstählen ist im Vergleich zu niedriglegierten Stählen allgemein schlecht aufgrund ihres hohen Kohlenstoffgehalts und der starken Karbid bildenden Elemente, die die Härtbarkeit und die Anfälligkeit für Rissbildung erhöhen.
Nützliche prädiktive Formeln (nur qualitative Interpretation): - Der Kohlenstoffäquivalent (IIW) wird häufig verwendet, um die Anfälligkeit für Kaltverzug abzuschätzen: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Die Pcm-Formel ist ein weiterer Schweißbarkeitsindex: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation: - Sowohl SKH9 als auch M2 haben relativ hohe $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ Werte aufgrund von C, Cr, Mo, V und W (W erhöht ebenfalls die Härtbarkeit, ist jedoch nicht in diesen spezifischen Formeln enthalten). Folglich sind hohe Vorwärm-Anforderungen, niedrige Interpass-Temperaturen zur Vermeidung von thermischem Schock und eine Notwendigkeit für eine Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) zu erwarten, um Spannungen abzubauen und Martensit zu vergüten. - Typische Praxis: Vermeiden Sie das Schweißen von Schnellarbeitsstählen, wenn möglich. Wenn das Schweißen notwendig ist, verwenden Sie kontrolliertes Vorwärmen, Prozesse mit niedriger Wärmeeinbringung, passende oder spezialisierte Füllmetalle und Nachschweißvergütung, um die Zähigkeit wiederherzustellen. Alternativ können Komponenten, wo möglich, gelötet oder mechanisch verbunden werden.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl SKH9 als auch M2 sind keine rostfreien Stähle. Die Korrosionsbeständigkeit in atmosphärischen oder wässrigen Umgebungen ist im Vergleich zu rostfreien Qualitäten begrenzt.
- Typische Schutzstrategien: Ölen, Lackieren, Phosphatieren oder Verzinken, wo angebracht; bei Schneidwerkzeugen wird Korrosion normalerweise durch Schmierung und Lagerung und nicht durch Beschichtungen kontrolliert.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ist nicht anwendbar, da dies keine rostfreien Qualitäten sind: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Der Einsatz von harten Beschichtungen (TiN, TiAlN, CrN, DLC) ist üblich, um die Oberflächenverschleißfestigkeit zu verbessern und die Korrosionsbelastung bei Schneidoperationen zu reduzieren; Beschichtungen erhöhen auch die Leistung bei erhöhten Temperaturen.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Im geglühten Zustand lassen sich beide Materialien relativ leicht bearbeiten; im gehärteten Zustand sind sie aufgrund der Karbide abrasiv. M2 wird häufig als Werkzeugstahl verwendet und hat gut dokumentierte Schleif- und Finishpraktiken; SKH9 verhält sich sehr ähnlich.
- Schleifen und Finishen: Diamant- oder CBN-Schleifscheiben sind häufig für gehärtete HSS erforderlich, und die Kühlmittelkontrolle ist entscheidend, um thermische Risse zu vermeiden.
- Formbarkeit/Biegen: Wie bei den meisten Werkzeugstählen ist die Kaltumformung begrenzt; Warmumformung ist möglich, erfordert jedoch kontrollierte thermische Zyklen, um Probleme mit der Karbidniederschlagung zu vermeiden.
- Oberflächenfinish: Polieren und Beschichtungsadhäsion verhalten sich für beide Qualitäten ähnlich; Beschichtungsprozesse profitieren von einem sauberen Substrat und kontrollierter Oberflächenvorbereitung.
8. Typische Anwendungen
| SKH9 (typische Anwendungen) | M2 (typische Anwendungen) |
|---|---|
| Allzweck-Schneidwerkzeuge in japanisch/asiatisch spezifizierten Werkzeugen (Bohrer, Gewindeschneider, Fräser, Reamer) | Allzweck-Schneidwerkzeuge in nordamerikanischen/internationalen Werkzeugen (Bohrer, Gewindeschneider, Fräser, Reamer) |
| Form- und Kaltarbeitswerkzeuge, wo HSS-Eigenschaften erforderlich sind und die JIS-Spezifikation vorgeschrieben ist | Hochleistungs-Schneidwerkzeuge und Maschinenwerkzeuge, wo auf ASTM/AISI/ISO M2 verwiesen wird |
| Verschleißfeste Komponenten, wo HSS-Qualität Rot-Härte benötigt wird | Breite HSS-Anwendungen in mehreren Industrien (Luftfahrt, Automobilwerkzeuge, Stempel) |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie basierend auf der Spezifikationspriorität (Kunde oder Vertrag erfordert JIS oder AISI/ASTM), der Beschaffung in der Lieferkette oder spezifischen Prozessansprüchen des Lieferanten (z.B. ESR, VIM für Sauberkeit). - Beide Qualitäten werden für die gleichen Betriebsbereiche ausgewählt: Hochgeschwindigkeitsschneiden, Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und Verschleißfestigkeit.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relativer Preis: Beide Qualitäten sind preislich ähnlich positioniert wie gängige Schnellarbeitsstähle. Kleine Preisunterschiede ergeben sich aus regionaler Verfügbarkeit, Marktpreisen für Wolfram und Molybdän sowie dem Stahlherstellungsverfahren (ESR/VIM-Produktprämien).
- Verfügbarkeit nach Produktform: Stangen, Rohlinge und vorgehärtete Werkzeugbestände in sowohl SKH9 als auch M2 sind weit verbreitet bei Spezialstahlanbietern erhältlich. Regionale Präferenzen beeinflussen die Lagerhaltung: M2 ist in Nordamerika und Europa verbreiteter, SKH9 wird häufiger in Japan und Teilen Asiens gelagert.
- Lieferzeit und Prämie: Anbieter-spezifische Prozesse (sauberer Stahl, umgeschmolzene Varianten) sind oft teurer, bieten jedoch verbesserte Zähigkeit und Leistung.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Tabelle: prägnanter Vergleich
| Attribut | SKH9 | M2 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Schlecht (hohe Härtbarkeit; erfordert sorgfältige Verfahren) | Schlecht (ähnlich) |
| Stärke-Zähigkeit-Gleichgewicht | Hohe Härte und Verschleißfestigkeit; Zähigkeit hängt von der Verarbeitung ab | Hohe Härte und Verschleißfestigkeit; Zähigkeit hängt von der Verarbeitung ab |
| Kosten | Vergleichbar; regionale Unterschiede können gelten | Vergleichbar; regionale Unterschiede können gelten |
Fazit und praktische Anleitung: - Wählen Sie SKH9, wenn Ihre Beschaffungs- oder Produktionskette den JIS/japanischen Standards folgt, wenn Werkzeuge oder Ersatzteile durch JIS-Bezeichnungen spezifiziert sind oder wenn lokale Anbieter SKH9 mit Rückverfolgbarkeit und anbieter-spezifischer Verarbeitung (ESR/VIM), die Ihren Zähigkeitsanforderungen entspricht, bereitstellen. - Wählen Sie M2, wenn Ihre Zeichnungen, Spezifikationen oder Branchenstandards auf AISI/ASTM/ISO M2 verweisen, wenn Sie Anbieter benötigen, die mit nordamerikanischer oder internationaler Beschaffung übereinstimmen, oder wenn Sie eine breite Verfügbarkeit und Austauschbarkeit mit M2-Referenzen benötigen.
Letzter Hinweis: Metallurgisch gehören SKH9 und M2 zur gleichen HSS-Familie und sind funktional für die meisten Anwendungen äquivalent, wenn sie nach vergleichbaren Standards produziert und wärmebehandelt werden. Die entscheidenden Faktoren sind die Konformität mit den Spezifikationen, die Verarbeitung durch den Anbieter (Sauberkeit und Umschmelzmethoden) und die Wärmebehandlungssteuerungen, die die Karbidverteilung, Zähigkeit und die endgültige Werkzeugleistung bestimmen.