M2対M35 – 組成、熱処理、特性、および用途
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はじめに
M2とM35は、切削工具、パンチ、金型、摩耗部品の選定プロセスで頻繁に遭遇する、広く使用されている高速工具鋼（HSS）です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらのグレードを選択する際に、コスト対熱硬度、耐摩耗性対靭性、加工性対サービスライフなどのトレードオフを日常的に考慮します。典型的な意思決定の文脈には、赤熱硬度が重要な高速フライス加工用の工具鋼の選定や、コストと靭性が支配する高ボリュームのスタンピング用のブランクの指定が含まれます。
この2つのグレードの主な技術的な違いは、1つが従来のタングステン–モリブデンHSSであり、もう1つがコバルトの有意な添加によって保持硬度と高温での耐摩耗性を向上させた類似のベース合金であることです。M2とM35は、炭化物の化学組成と熱処理の実践が多く共通しているため、摩耗性や高切削温度にさらされる工具を指定する際によく比較されます。
1. 規格と呼称
- ASTM/ASME: AISI/SAEスタイルの呼称（AISI M2、AISI M35または一部地域の工具鋼に関するAMS / ASTM製品仕様）で供給されることが多い。
- EN: EN規格における同等のHSSタイプは、一般的にHS6-5-2（M2ファミリー）および特定のEN呼称に応じたコバルト含有HSS（HS6-5-2-5（M35類似））として指定される。
- JIS: 日本の規格では、類似の化学組成を持つ工具鋼（例：SKHシリーズ）がリストされています。
- GB: 中国のGB規格には、M2およびM35の呼称または同等のコードが含まれています。
分類: M2とM35はどちらも高速工具鋼（HSS）であり、すなわち高硬度と熱硬度のために設計された合金工具鋼です。これらはステンレス鋼やHSLA鋼ではありません。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | M2（典型的範囲） | M35（典型的範囲） |
|---|---|---|
| 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（コロンビウム） | 通常微量 | 通常微量 |
| Ti | 通常微量 | 通常微量 |
| B | 通常微量 | 通常微量 |
| N | 通常微量 | 通常微量 |
注: タングステン（W）はM2とM35の主要成分であり（通常は約5.5–6.8 wt%）、要求された元素リストからは省略されています。指定または注文する際には含めてください。M35ファミリーの定義的な添加物はコバルト（Co ≈ 4.5–5.5 wt%）であり、上記の表の列には示されていませんが、重要な差別化要因です。
合金が特性に与える影響: - 炭素と炭化物形成元素（V、W、Mo、Cr）は、炭化物の量、種類、安定性を制御します: MC（V豊富）、M6C（W/Mo豊富）、およびM23C6（Cr豊富）炭化物は耐摩耗性を提供します。 - タングステンとモリブデンは硬化性と高温強度を増加させ、二次硬化に寄与するM6C炭化物を形成します。 - バナジウムは硬く細かいMC炭化物を形成し、炭化物集団の耐摩耗性と靭性を改善します。 - クロムはある程度の耐腐食性を提供し、硬化性に寄与し、M23C6炭化物を形成します。 - M35のコバルトは炭化物を形成せず、マトリックスを強化し、熱硬度/赤熱硬度とテンパー抵抗を増加させます。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造（適切な焼入れと焼戻し後）: - マトリックス: テンパー処理されたマルテンサイト（主な荷重支持相）。 - 炭化物集団: マルテンサイトマトリックス内に分布するMC（V豊富、比較的硬い）、M6C（W/Mo豊富）、およびM23C6（Cr豊富）炭化物の混合物。
熱処理応答の違い: - 両グレードは、所望の硬度と二次硬化を発展させるために、オーステナイト化、焼入れ（油または真空）、および多段階のテンパー処理を使用します。 - コバルト含有のM35は、より高いテンパー処理温度で保持硬度が高く（より良い赤熱硬度）、より強い二次硬化応答を示します。コバルトはマルテンサイトのテンパー抵抗を増加させ、M2がより顕著に軟化する温度ではM35はより硬くなります。 - 硬化前の正規化は、圧延構造を精製することができます; 制御されたオーステナイト化温度は、バナジウムMC炭化物を過剰に溶解することなく、二次硬化のために適切な割合の炭化物を溶解するために重要です。 - 炭化物の分散を精製する熱機械処理（鍛造用）は、両グレードの靭性と摩耗挙動を改善します; M35は特に高温強度が要求されるアプリケーションで利益を得ます。
4. 機械的特性
| 特性 | M2（典型的） | M35（典型的） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 引張強度（UTS） | 約1800–2400 MPa（熱処理依存） | 約1900–2500 MPa（熱処理依存） | HSSのUTSは最終硬度とテンパー処理に強く依存します。 |
| 降伏強度 | 一般的に高く、UTSの割合に近い | 同様またはやや高い | HSSの降伏強度は通常別途指定されず、微細構造に依存します。 |
| 伸び（A%） | 低い: 通常1–6% | 低い: 通常1–5% | 両者は構造鋼と比較して比較的脆い; M35はCoのために靭性がやや低いことが多い。 |
| 衝撃靭性（シャルピー/定性的） | HSSとしては中程度; Co合金化されたバリアントよりも良好 | M2に対してやや低下（靭性が低い） | 靭性は断面サイズ、熱処理、炭化物分布に依存します。 |
| 硬度（HRC、熱処理後の典型的） | 60–66 HRC（用途特有） | 60–67 HRC（温度での保持が良好） | M35は室温での硬度は同様ですが、高切削温度での硬度保持が良好です。 |
解釈: M35は通常、M2と比較して高温硬度と耐摩耗性にわずかな改善を提供しますが、これは靭性と成形性に小さなペナルティを伴います。絶対的な機械的数値は熱処理と断面サイズによって異なります。
5. 溶接性
高速鋼の溶接性は、高い炭素と合金含有量によって制限されます; M2とM35の両方は、亀裂を避けるために慎重な加熱手法を必要とします。
有用な炭素当量と溶接性指数（定性的評価用）: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈: - M2とM35は、軟鋼に対して高い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値を持ち、水素助け亀裂やHAZでのマルテンサイト硬化に対する感受性を示します。 - コバルトは炭素当量を代数的に大きく変えませんが、硬化性とテンパー抵抗を増加させます; これにより、M35のHAZは適切に予熱および後熱処理されない場合、亀裂が発生しやすくなります。 - 推奨される実践: 熱勾配を最小限に抑えるために予熱し、低水素のフィラー/電極を使用し、インターパス温度を制御し、マルテンサイトをテンパー処理し、応力を緩和するために適切な溶接後熱処理（PWHT）を行います。可能な限り、過度にストレスのかかる工具には融合溶接を避け、組立にはブレージングまたは機械的接合を使用してください。
6. 腐食と表面保護
- M2もM35もステンレスではなく、湿気の多い環境や腐食性環境で酸化腐食や表面汚れに対して感受性があります。
- 一般的な保護方法: 保護コーティング（PVD、CVD、TiN、TiAlN）、適切な場合の硬クロムメッキ、限られた腐食利益のための表面硬化のための窒化、非工具用途のための亜鉛メッキ、保管用の従来の塗料や油。
- ステンレス選定のためのPREN式は、これらの炭素豊富なHSSの腐食抵抗が主要な設計特徴ではないため、M2/M35には適用されません: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 腐食性または粘着摩耗環境での工具寿命を延ばすために表面工学（コーティング、窒化、PVD）を使用してください。
7. 加工性、機械加工性、成形性
- 加工性: 両合金は炭素鋼よりも加工が難しい。M35は通常、コバルトが強度を増加させ、加工性を低下させ、成形作業での工具摩耗を増加させるため、M2よりもわずかに加工が難しい。
- 切削/成形: 冷間成形や曲げは困難であり、熱間加工には慎重な制御と中間アニーリングが必要です。切削工具のブランクは、重加工されるのではなく、しばしば研削されます。
- 表面仕上げ: 両者は細かい仕上げに研削できます; M35は炭化物の高い熱硬度と靭性のため、より攻撃的な研削パラメータを必要とする場合があります。
- EDMおよび研削は、完成した工具の一般的な製造方法です。
8. 典型的な用途
| M2（典型的な用途） | M35（典型的な用途） |
|---|---|
| 一般的なミリングカッター、ドリル、タップ、中程度の切削温度用のリーマー | 高温での高速加工用の高性能切削工具、タップ、ドリル |
| ブローチ、成形工具、冷間ヘッディング金型 | 赤熱硬度が寿命を改善する熱間加工工具（ただし完全な熱間加工鋼ではない） |
| コストが要因となる短期間から中程度のラン用の工具 | 長い工具寿命が高い材料コストを相殺する高ボリューム、高温切削 |
| 鋸歯、ギアホブカッター | 高温での加工が難しい合金での中断切削工具とドリリング |
選定の理由: コスト、中程度の熱硬度、合理的な靭性が主な場合はM2を選択し、操作が持続的に高い切削温度を生成し、追加のコバルト駆動の熱硬度がコストを正当化する長寿命を提供する場合はM35を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト: M35は通常、コバルトが高価な合金添加物であり、供給がより制約されるため、M2よりも高価です。M35の材料コストは、キログラムあたりで明らかに高くなることが予想されます。
- 入手可能性: M2は最も一般的に在庫されているHSSグレードの1つであり、バー、ブランク、工具形状で広く入手可能です。M35も一般的に入手可能ですが、特定の製品形状や大きなサイズに対してはリードタイムが長くなるか、プレミアム価格が設定される場合があります。
- 製品形状: 両者はアニーリングされたバー、研削されたブランク、特殊な形状として供給されます; M35は製造努力を減らすために、事前硬化および研削された工具ブランクとして指定されることがより多いかもしれません。
10. 要約と推奨
| 属性 | M2 | M35 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 悪い（困難） | 悪いからやや悪い（より硬化しやすい） |
| 強度–靭性のバランス | 一般的なHSSに対して良好なバランス | 高い熱硬度、やや低い靭性 |
| コスト | 低い（より経済的） | 高い（Coによるプレミアム） |
推奨事項: - コスト効果が高く、従来の速度と温度での切削または成形に適した良好な靭性を持つ一般的なHSSが必要な場合はM2を選択してください。M2は研削および再研磨が可能で、熱負荷が中程度の場所に適しています。 - ツールが高い切削温度や赤熱硬度の要件に一貫してさらされる場合（難加工合金の高速加工、連続高温切削）にはM35を選択し、追加の工具寿命が高い材料および加工コストを相殺します。
最終的な注意: いずれのグレードを指定する際にも、期待されるサービス条件（切削速度、冷却/潤滑条件、断面厚さ、および溶接後の要件）を提供し、熱処理、表面処理、および調達がライフサイクルコストの最適化に向けて最適化されるようにしてください。