M35対M42 – 組成、熱処理、特性、および用途

はじめに

M35およびM42は、エンジニアや調達専門家が切削工具、ドリル、タップ、耐摩耗部品を指定する際にしばしば代替品として登場する、広く使用されている高速工具鋼（HSS）です。選択のジレンマは、通常、熱硬度と耐摩耗性と靭性、加工性、コストとのトレードオフに集中します。要するに、一方のグレードは高温での硬度と耐摩耗性を強調し、もう一方はコストを抑えつつ靭性と性能の有利なバランスを提供します。

両方のグレードはモリブデン/タングステン系列のHSSのメンバーであり、コバルトを含むため、工具寿命が熱と間欠的な切削の下で重要な要求される加工用途でしばしば比較されます。この記事では、標準、組成、微細構造、熱処理挙動、機械的特性、溶接性、腐食/表面保護、加工特性、典型的な用途、コスト/入手可能性、最終選択ガイダンスを比較します。

1. 標準と指定

• これらのグレードの一般的な標準と指定：
• AISI/SAE: M35, M42（北米でよく使用される）
• DIN/EN: HSxVまたは類似のHSSコードにしばしばクロスリファレンスされる（正確なクロスリファレンスについては特定の標準表を参照）
• JIS: 他のHSSコードを使用; JIS G4305およびサプライヤーの文献を確認
• GB（中国）: 中国の高速鋼の下にローカル部品番号でリストされている
• 分類：
• M35およびM42は工具鋼、具体的には高速鋼（HSS）です。
• それらはステンレス鋼やHSLA構造鋼ではなく、合金/工具鋼です。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、主要元素の典型的な組成範囲を示しています。これらは仕様および調達に使用される一般的な製造範囲であり、正確な値は標準および製造者によって異なります。

合金元素が特性に与える影響 - 炭素: マルテンサイトの硬度と炭化物体積分率を確立します; 高炭素は焼入れ硬度を増加させますが、靭性と溶接性を低下させる可能性があります。 - クロム: 小さな程度で耐熱性、硬化性、耐腐食性を追加します。 - モリブデンとタングステン: 二次硬化と熱硬度を促進します; M42のモリブデンは特に高く、高温での持続的な硬度をサポートします。 - バナジウム: 耐摩耗性とエッジ保持を改善する安定したバナジウム炭化物を形成します。 - コバルト: マトリックスの赤（熱）硬度と熱安定性を高めます; M42の高コバルトは、加工性とコストを犠牲にして高温性能を向上させます。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造 - 両方のグレードで、適切な熱処理後に望ましい微細構造は、合金炭化物（Crリッチ、Mo/Wリッチ、Vリッチ炭化物）の分布を含む硬いマルテンサイトマトリックスです。 - M35: 均一に分布した複雑な炭化物（MC、M6C、M23C6）を含むマルテンサイト。約5%のコバルトの存在は、M2/M35ファミリーに対して炭化物の種類を大きく変えることなく、マトリックスの安定性と熱硬度を増加させます。 - M42: 高いMoおよびCo含有量は、Moリッチ炭化物の量と安定性を増加させ、より高い二次硬化応答に寄与します; マトリックスは高温での焼戻し軟化に対してより抵抗します。

熱処理応答 - 通常のシーケンス: 予熱 → 硬化（高温オーステナイト化） → 冷却（サイズに応じて油/空気） → 最終硬度と靭性を達成するための多段階焼戻し。 - M35: オーステナイト化温度は通常HSS範囲内（例: 約1180–1220 °C、製造者特有）で、続いて油冷却と焼戻しが行われます。適切に焼戻しを行うと、硬度と靭性の良い組み合わせが得られます。 - M42: 二次硬化のために必要な炭化物を溶解させるために慎重なオーステナイト化が必要です（温度はグレード特有）。M42は、優れた熱硬度を与える二次炭化物を析出させるために制御された高温焼戻しサイクルから利益を得ます。

熱機械加工 - 鍛造と制御された圧延の後、適切な正規化が両方のグレードの粒子サイズと炭化物分布を精製します。M42の高い合金含有量は、過剰な残留オーステナイトを避け、炭化物の分散を最適化するための微細構造制御から利益を得ます。

4. 機械的特性

機械的特性は熱処理と断面サイズに強く依存します。以下の表は、硬度の定性的および実用的な数値範囲における典型的な熱処理比較を示しています。

解釈 - 強度と熱強度: M42は通常、より高い残留硬度と強度を提供し、高温切削温度での性能が向上します。 - 靭性と延性: M35は同等の硬度レベルでM42よりも靭性が高く、脆さが少ないため、衝撃や中断された切削が一般的な場合に好まれます。 - 硬度: M42は一般的に高温環境でより高い硬度を達成し、保持します。

5. 溶接性

高速鋼の溶接性は、軟鋼と比較して制限されています。主要な要因は炭素含有量、硬化性、微合金化です。

一般的な溶接性指数（例示）: - 炭素当量（IIW）: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（一般的な溶接亀裂リスクのため）: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈 - M35: 中程度の炭素と中程度のコバルト; 冷間亀裂を避け、靭性を回復するために予熱、制御されたインターパス温度、および溶接後の熱処理が必要です。HSS用に調整された溶接消耗品と手順を使用する必要があります。 - M42: 高い炭素と高い合金含有量（特にMoとCo）は、硬化性と溶接亀裂の感受性を増加させ、硬く脆いHAZ微細構造を引き起こします。M42の溶接はより困難であり、重要でない限り推奨されません; 溶接が必要な場合は、厳格な予熱、低熱入力、および焼戻しサイクルが必須です。 - 両方の場合において、重要なHSS部品には融合溶接よりもブレージングや機械的接合が一般的に好まれます。

6. 腐食と表面保護

• M35もM42もステンレス鋼ではなく、腐食抵抗は控えめで主にCr含有量に由来します。
• 非ステンレス工具鋼の典型的な表面保護：
• 保護コーティング: TiN、TiCN、AlTiN（物理蒸着）で摩耗を改善し、付着を減少させます。
• 化学/ガルバニックコーティング: 切削工具には一般的ではありませんが、工具固定具には可能です—ガルバニゼーションはHSS切削工具にはほとんど使用されません。
• 塗料とパッシベーション: ハウジングや非切削部品により適用されます。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの非ステンレス工具鋼には適用されません: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• 腐食が摩耗を加速する可能性のある切削環境では、腐食抵抗コーティングを指定するか、腐食と摩耗性能のトレードオフが正当化される場合にのみステンレス工具鋼を検討してください。

7. 加工、加工性、成形性

• 加工性：
• M35: HSSに対して加工性は中程度; コバルトの存在は加工性をやや低下させますが、靭性と熱硬度を提供します。
• M42: 高いコバルトとモリブデン、さらに高い炭素のため、M35よりも加工性が低くなります—最終熱処理前の成形にはより厳しい切削条件が予想されます。
• 研削と仕上げ: 両方のグレードは、硬化状態の仕上げにダイヤモンドまたはCBN研削を必要とします。M42の硬度は、より堅牢な研磨システムと遅い除去速度を必要とします。
• 成形と曲げ: 工具鋼として、両方は硬化状態で冷間成形されることは容易ではありません。焼鈍状態での熱間加工または鍛造が一般的であり、最終成形は通常硬化前に完了します。
• 表面仕上げ: コーティング（PVD/CVD）は、摩耗と潤滑性を改善するために熱処理後に一般的に適用されます。

8. 典型的な用途

選択の理由 - M35は、靭性、合理的な熱硬度、および低コストのバランスが求められる場合に選択してください; 中断された切削や偶発的な衝撃荷重が発生する用途に理想的です。 - M42は、高速切削および高温での工具寿命が優先される場合に選択してください。特に、難加工材料の連続的な高速加工や再研磨頻度を最小限に抑える必要がある場合に適しています。

9. コストと入手可能性

• コスト: M42は、一般的にM35よりも高価であり、より高い合金含有量（特にコバルトとモリブデン）およびより厳しい加工が必要です。M42の1キログラムあたりおよび1工具あたりのコストは高くなることが予想されます。
• 入手可能性: M35は標準形状（丸棒、平板、工具ブランク）で広く入手可能です。M42は入手可能ですが、在庫サイズやリードタイムが限られている場合があります; 多くのサプライヤーは主に高性能工具市場向けにM42を提供しています。両方のグレードのコーティングおよび仕上げ工具は、専門の工具メーカーから一般的に提供されています。

10. まとめと推奨

M35を選択する場合... - 中断された切削用に良好な靭性を持つコスト効果の高いHSSが必要で、工具寿命が重要ですが高温摩耗に支配されておらず、中程度の熱硬度で十分な場合。

M42を選択する場合... - 高速切削や重負荷生産における優れたエッジ保持と熱硬度が主な要件であり、高温と摩耗が工具の摩耗を支配する場合。 - 再研磨の間隔が長くなることが重要で、予算が高い初期工具コストをサポートする場合。

最終的な実用的な注意 期待される熱処理条件、部品の断面サイズ、および意図された用途環境とともにグレードを指定してください。重要な工具については、サプライヤーに熱処理されたサンプル、推奨される焼戻しサイクル、およびコーティングオプションを求めてください。このような詳細は、しばしば小さな組成の違いよりも、サービス中の性能に対して比例的に大きな影響を与えます。