CPM M4 Stahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen
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CPM M4-Stahl (M4 HSS) ist ein Schnellstahl (HSS), der für seine hervorragende Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und die Fähigkeit, bei erhöhter Temperatur die Härte zu erhalten, bekannt ist. Classified as a tool steel, CPM M4 ist eine Pulverschlacke, die eine einzigartige Mischung aus Legierungselementen umfasst, darunter Molybdän, Vanadium und Kobalt, die zu seinen überlegenen Leistungseigenschaften beitragen.
Umfassende Übersicht
CPM M4 wird hauptsächlich als Schnellstahl klassifiziert, der für Schneidwerkzeuge und Anwendungen entwickelt wurde, die hohe Härte und Verschleißfestigkeit erfordern. Die Schlüssellegierungselemente in CPM M4 sind:
- Molybdän (Mo): Verbessert die Härte und die Verschleißfestigkeit.
- Vanadium (V): Verbessert die Zähigkeit und verfeinert die Mikrostruktur, was zu einer besseren Verschleißfestigkeit führt.
- Kobalt (Co): Erhöht die Warmhärte und verbessert die Fähigkeit des Stahls, hohen Temperaturen standzuhalten, ohne seine Härte zu verlieren.
Die Kombination dieser Elemente führt zu einem Stahl, der außergewöhnliche Härte aufweist, typischerweise Werte von 62-66 HRC nach der Wärmebehandlung erreicht, sowie gute Zähigkeit und Widerstand gegen Abplatzen aufweist.
Vorteile (Pro):
- Außergewöhnliche Verschleißfestigkeit, die ihn ideal für Schneidwerkzeuge macht.
- Hohe Härtebeständigkeit bei erhöhten Temperaturen.
- Gute Zähigkeit, die das Risiko eines Werkzeugversagens verringert.
Beschränkungen (Contra):
- Teurer im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugstählen.
- Erfordert eine sorgfältige Wärmebehandlung, um optimale Eigenschaften zu erreichen.
- Kann aufgrund seiner Härte schwierig zu bearbeiten sein.
Historisch gesehen hat CPM M4 eine wichtige Rolle in der Herstellung von Hochleistungs-Schneidwerkzeugen, wie Bohrern, Fräsern und Sägeblättern, gespielt, wo seine Eigenschaften vollständig genutzt werden können.
Alternative Namen, Standards und Äquivalente
| Normierungsorganisation | Bezeichnung/Grad | Land/Region Herkunft | Bemerkungen/Anmerkungen |
|---|---|---|---|
| UNS | T11302 | USA | Nahezu äquivalent zu AISI M4 |
| AISI/SAE | M4 | USA | Allgemein verwendete Bezeichnung |
| ASTM | A681 | USA | Spezifikation für Schnellstähle |
| JIS | SKH51 | Japan | Ähnliche Eigenschaften, jedoch mit geringfügigen Zusammensetzungsunterschieden |
| DIN | 1.3343 | Deutschland | Äquivalenter Grad mit geringfügigen Variationen in der Zusammensetzung |
Die Unterschiede zwischen diesen Graden können die Leistung beeinflussen, insbesondere hinsichtlich der Verschleißfestigkeit und Zähigkeit. Zum Beispiel, obwohl JIS SKH51 ähnlich ist, könnte es in Hochtemperaturanwendungen nicht so gut abschneiden wie CPM M4.
Wesentliche Eigenschaften
Chemische Zusammensetzung
| Element (Symbol und Name) | Prozentsatzbereich (%) |
|---|---|
| C (Kohlenstoff) | 1.30 - 1.50 |
| Cr (Chrom) | 3.75 - 4.50 |
| Mo (Molybdän) | 4.00 - 5.00 |
| V (Vanadium) | 1.75 - 2.20 |
| Co (Kobalt) | 8.00 - 9.50 |
| W (Wolfram) | 5.00 - 6.50 |
Die Hauptfunktion von Kohlenstoff besteht darin, Härte und Festigkeit zu erhöhen, während Molybdän die Verschleißfestigkeit und Härtefähigkeit verbessert. Vanadium trägt zur Zähigkeit bei und verfeinert die Kornstruktur, während Kobalt die Warmhärte verbessert, was CPM M4 für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet macht.
Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Testtemperatur | Typischer Wert/Bereich (metrisch) | Typischer Wert/Bereich (imperial) | Referenzstandard für die Prüfmethoden |
|---|---|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Abgeschreckt & Anlasst | Raumtemperatur | 2000 - 2200 MPa | 290 - 320 ksi | ASTM E8 |
| Yield Strength (0.2% Offset) | Abgeschreckt & Anlasst | Raumtemperatur | 1800 - 2000 MPa | 261 - 290 ksi | ASTM E8 |
| Dehnung | Abgeschreckt & Anlasst | Raumtemperatur | 2 - 5% | 2 - 5% | ASTM E8 |
| Härte (HRC) | Abgeschreckt & Anlasst | Raumtemperatur | 62 - 66 HRC | 62 - 66 HRC | ASTM E18 |
| Schlagfestigkeit (Charpy) | Abgeschreckt & Anlasst | -20°C (-4°F) | 20 - 30 J | 15 - 22 ft-lbf | ASTM E23 |
Die Kombination aus hoher Zug- und Fließfestigkeit, sowie hervorragender Härte, macht CPM M4 besonders geeignet für Anwendungen mit hohen mechanischen Belastungen und Verschleiß, wie Schneidwerkzeuge und Matrizen.
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Wert (metrisch) | Wert (imperial) |
|---|---|---|---|
| Dichte | Raumtemperatur | 7.85 g/cm³ | 0.284 lb/in³ |
| Schmelzpunkt/-bereich | - | 1400 - 1450 °C | 2552 - 2642 °F |
| Wärmeleitfähigkeit | Raumtemperatur | 25 W/m·K | 14.5 BTU·in/h·ft²·°F |
| spezifische Wärmekapazität | Raumtemperatur | 460 J/kg·K | 0.11 BTU/lb·°F |
| Elektrische Widerstandsfähigkeit | Raumtemperatur | 0.0001 Ω·m | 0.0001 Ω·ft |
Die hohe Dichte und der Schmelzpunkt von CPM M4 tragen zu seiner Haltbarkeit und Leistung in Hochtemperaturanwendungen bei. Seine Wärmeleitfähigkeit ist moderat, was vorteilhaft für die Wärmeableitung während der Bearbeitungsprozesse ist.
Korrosionsbeständigkeit
| Korrosives Agens | Konzentration (%) | Temperatur (°C/°F) | Widerstandsbewertung | Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|
| Chloride | 5-10 | 25°C (77°F) | Ausreichend | Risiko von Lochkorrosion |
| Schwefelsäure | 10-20 | 25°C (77°F) | Schlecht | Nicht empfohlen |
| Essigsäure | 5-10 | 25°C (77°F) | Ausreichend | Empfindlich gegenüber Spannungsrisskorrosion |
CPM M4 weist eine moderate Korrosionsbeständigkeit auf, insbesondere in Chloridumgebungen, wo Lochbildung auftreten kann. Im Vergleich zu anderen Schnellstählen wie M2, der aufgrund seines höheren Chromgehalts eine bessere Korrosionsbeständigkeit aufweist, könnte CPM M4 in korrosiven Umgebungen Schutzbeschichtungen oder Oberflächenbehandlungen benötigen.
Hitzebeständigkeit
| Eigenschaft/Grenze | Temperatur (°C) | Temperatur (°F) | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Maximale kontinuierliche Betriebstemperatur | 500°C | 932°F | Hält Härte und Festigkeit |
| Maximale intermittierende Betriebstemperatur | 600°C | 1112°F | Geeignet für kurzfristige Belastungen |
| Skalierungstemperatur | 700°C | 1292°F | Risiko von Oxidation bei dieser Temperatur |
Bei erhöhten Temperaturen behält CPM M4 seine Härte und Festigkeit, was ihn für Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsanwendungen geeignet macht. Eine längere Exposition gegenüber Temperaturen über 600°C kann jedoch zu Oxidation und Skalierung führen, wodurch Schutzmaßnahmen notwendig sind.
Verarbeitungseigenschaften
Schweißbarkeit
| Schweißprozess | Empfohlenes Füllmetall (AWS-Klassifizierung) | Typisches Schutzgas/Flux | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| TIG | ER80S-D2 | Argon | Vorwärmen empfohlen |
| MIG | ER80S-D2 | Argon/CO2 | Erfordert Nachbehandlung des Schweißens |
Das Schweißen von CPM M4 kann aufgrund seiner hohen Härte und der Gefahr von Rissen herausfordernd sein. Vorwärmung und eine Nachbehandlung des Schweißens sind erforderlich, um Spannungen abzubauen und Mängel zu vermeiden.
Bearbeitbarkeit
| Bearbeitungsparameter | CPM M4 | AISI 1212 | Bemerkungen/Tipps |
|---|---|---|---|
| Relativer Bearbeitbarkeitsindex | 50% | 100% | CPM M4 ist schwieriger zu bearbeiten |
| Typische Schnittgeschwindigkeit | 20 m/min | 40 m/min | Karbidwerkzeuge für die besten Ergebnisse verwenden |
Die Bearbeitung von CPM M4 erfordert spezialisiertes Werkzeug und langsamere Schnittgeschwindigkeiten aufgrund seiner Härte. Karbidwerkzeuge werden für eine effektive Bearbeitung empfohlen.
Formbarkeit
CPM M4 wird aufgrund seiner hohen Härte und niedrigen Duktilität nicht typischerweise für Formanwendungen verwendet. Kalt- und Warmformprozesse sind im Allgemeinen nicht machbar, und das Material wird hauptsächlich in Anwendungen eingesetzt, in denen Schneiden und Formen erforderlich sind, anstatt zu formen.
Wärmebehandlung
| Behandlungsprozess | Temperaturbereich (°C/°F) | Typische Haltezeit | Kühlungsmethode | Primäres Ziel / Erwartetes Ergebnis |
|---|---|---|---|---|
| Härten | 1200 - 1250 °C (2192 - 2282 °F) | 30 - 60 min | Öl/Wasser | Hohe Härte erreichen |
| Anlassen | 500 - 600 °C (932 - 1112 °F) | 1 - 2 Stunden | Luft | Zähigkeit verbessern und Sprödigkeit verringern |
Der Wärmebehandlungsprozess ist entscheidend für die Erreichung der gewünschten Härte und Zähigkeit von CPM M4. Richtige Haltezeiten und Kühlmethoden sind wichtig, um Risse zu vermeiden und optimale Leistung zu gewährleisten.
Typische Anwendungen und Endverwendungen
| Branche/Sektor | Spezifisches Anwendungsbeispiel | Wichtige Stahleigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden | Grund für die Auswahl (kurz) |
|---|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Schneidwerkzeuge für Turbinenblätter | Hohe Härte, Verschleißfestigkeit | Erforderlich für Hochleistungsanwendungen |
| Automobilindustrie | Hochgeschwindigkeitsbearbeitungswerkzeuge | Zähigkeit, Hitzebeständigkeit | Wesentlich für Präzision und Haltbarkeit |
| Produktion | Sägeblätter | Verschleißfestigkeit, Härte | Notwendig für das Schneiden harter Materialien |
Weitere Anwendungen umfassen:
- Bohrer für die Metallbearbeitung.
- Fräser für das Bearbeiten komplexer Formen.
- Formwerkzeuge für hochfeste Materialien.
CPM M4 wird für diese Anwendungen aufgrund seiner Fähigkeit gewählt, die Härte zu bewahren und Verschleiß unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen zu widerstehen, was es ideal für anspruchsvolle Bearbeitungsaufgaben macht.
Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weiterführende Einblicke
| Eigenschaft/Eigenschaft | CPM M4 | M2 | D2 | Kurze Pro/Contra- oder Abwägungsbemerkung |
|---|---|---|---|---|
| Wesentliche mechanische Eigenschaft | Hohe Härte | Mittlere Härte | Hohe Zähigkeit | CPM M4 übertrifft in der Verschleißfestigkeit |
| Schlüsselkorrosionsaspekt | Moderat | Ausreichend | Schlecht | CPM M4 benötigt Schutzbeschichtungen |
| Schweißbarkeit | Herausfordernd | Moderat | Gut | Erfordert Vor-/Nachwärmebehandlung |
| Bearbeitbarkeit | Niedrig | Moderat | Hoch | Schwieriger zu bearbeiten als M2 |
| Ungefähre relative Kosten | Hoch | Moderat | Niedrig | Höhere Kosten spiegeln die Leistungsgewinne wider |
| Typische Verfügbarkeit | Moderat | Hoch | Hoch | M2 und D2 sind leichter verfügbar |
Bei der Auswahl von CPM M4 sind Überlegungen wie Kosten-Nutzen-Verhältnis im Vergleich zur Leistung, Verfügbarkeit und spezifische Anforderungsprofile entscheidend. Seine hohe Härte und Verschleißfestigkeit machen es für Hochleistungsanwendungen geeignet, während seine Herausforderungen in der Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit sorgfältige Planung und Umsetzung erfordern.
Zusammenfassend ist CPM M4 eine hervorragende Wahl für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, bei denen Haltbarkeit und Leistung von größter Bedeutung sind. Das Verständnis seiner Eigenschaften und Einschränkungen ermöglicht informierte Entscheidungen bei der Materialauswahl und Anwendungsdesign.