M2 vs M35 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

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Introdução

M2 e M35 são dois aços para ferramentas de alta velocidade (HSS) amplamente utilizados, frequentemente encontrados no processo de seleção para ferramentas de corte, punções, matrizes e componentes de desgaste. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura pesam rotineiramente as compensações, como custo versus dureza a quente, resistência ao desgaste versus tenacidade, e usinabilidade versus vida útil ao escolher entre essas classes. Os contextos típicos de decisão incluem a seleção de um aço para ferramentas para fresagem de alta velocidade, onde a dureza a quente é importante, ou a especificação de um blank para estampagem em alta volume, onde custo e tenacidade são determinantes.

A principal distinção técnica entre as duas classes é que uma é um HSS convencional de tungstênio-molibdênio, enquanto a outra é uma liga base semelhante modificada por uma adição significativa de cobalto para melhorar a dureza retida e a resistência ao desgaste em temperaturas elevadas. Como M2 e M35 compartilham grande parte de sua química de carbonetos e prática de tratamento térmico, eles são comumente comparados ao especificar ferramentas sujeitas a desgaste abrasivo e altas temperaturas de corte.

1. Normas e Designações

  • ASTM/ASME: Frequentemente fornecidos sob designações no estilo AISI/SAE (AISI M2, AISI M35 ou por especificações de produtos AMS / ASTM para aços para ferramentas em algumas regiões).
  • EN: Tipos equivalentes de HSS nas normas EN são comumente designados como HS6-5-2 (família M2) e HSS contendo cobalto correspondente, como HS6-5-2-5 (semelhante ao M35), dependendo da designação específica da EN.
  • JIS: Normas japonesas listam aços para ferramentas com químicas semelhantes (por exemplo, série SKH).
  • GB: Normas chinesas GB incluem designações M2 e M35 ou códigos equivalentes.

Classificação: Tanto M2 quanto M35 são aços para ferramentas de alta velocidade (HSS), ou seja, aços para ferramentas ligadas projetados para alta dureza e dureza a quente. Eles não são aços inoxidáveis ou aços HSLA.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Elemento M2 (faixas típicas) M35 (faixas típicas)
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 (columbium) tipicamente traço tipicamente traço
Ti tipicamente traço tipicamente traço
B tipicamente traço tipicamente traço
N tipicamente traço tipicamente traço

Nota: O tungstênio (W) é um constituinte importante de ambos M2 e M35 (tipicamente ~5.5–6.8 wt%), mas foi omitido da lista de elementos solicitada; inclua-o ao especificar ou encomendar. A adição definidora na família M35 é o cobalto (Co ≈ 4.5–5.5 wt%), que não é mostrado nas colunas da tabela acima, mas é o principal diferenciador.

Como a liga afeta as propriedades: - O carbono e os formadores de carbonetos (V, W, Mo, Cr) controlam a quantidade, tipo e estabilidade dos carbonetos: os carbonetos MC (ricos em V), M6C (ricos em W/Mo) e M23C6 (ricos em Cr) fornecem resistência ao desgaste. - O tungstênio e o molibdênio aumentam a temperabilidade e a resistência a altas temperaturas e formam carbonetos M6C que contribuem para a tempera secundária. - O vanádio forma carbonetos MC duros e finos que melhoram a resistência ao desgaste e a tenacidade da população de carbonetos. - O cromo fornece resistência à corrosão até certo ponto, contribui para a temperabilidade e forma carbonetos M23C6. - O cobalto em M35 não forma carbonetos, mas fortalece a matriz e aumenta a dureza a quente / dureza vermelha e a resistência à tempera.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestrutura típica (após resfriamento e têmpera apropriados): - Matriz: martensita temperada (fase primária de suporte de carga). - População de carbonetos: uma mistura de carbonetos MC (ricos em V, relativamente duros), M6C (ricos em W/Mo) e M23C6 (ricos em Cr) distribuídos na matriz martensítica.

Diferenças na resposta ao tratamento térmico: - Ambas as classes usam ciclos de tratamento térmico semelhantes: austenitização, resfriamento (óleo ou vácuo) e têmpera em múltiplas etapas para desenvolver a dureza desejada e a tempera secundária. - M35, com seu teor de cobalto, exibe maior dureza retida em temperaturas de têmpera elevadas (melhor dureza vermelha) e uma resposta de tempera secundária mais forte. O cobalto aumenta a resistência à tempera da martensita—temperaturas que amolecem M2 de forma mais notável deixarão M35 mais duro. - Normalização antes da têmpera pode refinar estruturas como-laminadas; temperaturas de austenitização controladas são críticas para dissolver uma fração apropriada de carbonetos para tempera secundária sem dissolver excessivamente os carbonetos MC de vanádio. - O processamento termo-mecânico (para forjados) que refina a dispersão de carbonetos melhorará a tenacidade e o comportamento de desgaste em ambas as classes; M35 se beneficia particularmente em aplicações onde a resistência a quente é necessária.

4. Propriedades Mecânicas

Propriedade M2 (típico) M35 (típico) Notas
Resistência à tração (UTS) ~1800–2400 MPa (dependente do tratamento térmico) ~1900–2500 MPa (dependente do tratamento térmico) UTS de HSS varia fortemente com a dureza final e a têmpera.
Resistência ao escoamento Geralmente alta, próxima à fração de UTS Semelhante ou ligeiramente superior O escoamento muitas vezes não é especificado separadamente para HSS—depende da microestrutura.
Alongamento (A%) Baixo: tipicamente 1–6% Baixo: tipicamente 1–5% Ambos são relativamente frágeis em comparação com aços estruturais; M35 geralmente apresenta tenacidade ligeiramente inferior devido ao Co.
Tenacidade ao impacto (Charpy / qualitativa) Moderada para HSS; melhor do que variantes com Co Levemente reduzida em comparação ao M2 (menor tenacidade) A tenacidade depende do tamanho da seção, tratamento térmico e distribuição de carbonetos.
Dureza (HRC, típica após HT) 60–66 HRC (específica para a aplicação) 60–67 HRC (melhor retenção em temperatura) M35 alcança dureza semelhante à temperatura ambiente, mas retém a dureza melhor em temperaturas de corte elevadas.

Interpretação: M35 geralmente proporciona melhorias marginais na dureza a quente e resistência ao desgaste em temperaturas elevadas em comparação com M2, mas isso vem com uma pequena penalidade em tenacidade e conformabilidade. Os números mecânicos absolutos variam com o tratamento térmico e o tamanho da seção.

5. Soldabilidade

A soldabilidade de aços de alta velocidade é limitada pelo alto teor de carbono e liga; tanto M2 quanto M35 requerem práticas de aquecimento cuidadosas para evitar trincas.

Índices de equivalente de carbono e soldabilidade úteis (para avaliação qualitativa): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - Tanto M2 quanto M35 têm altos valores de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ em relação a aços macios, indicando suscetibilidade a trincas assistidas por hidrogênio e endurecimento martensítico na HAZ. - O cobalto não altera significativamente o equivalente de carbono algebricamente, mas aumenta a temperabilidade e a resistência à tempera; isso pode tornar a HAZ de M35 mais propensa a trincas se não for devidamente pré-aquecida e pós-aquecida. - Prática recomendada: pré-aquecer para minimizar gradientes térmicos, usar eletrodos/filler de baixo hidrogênio, controlar a temperatura entre passes e realizar tratamento térmico pós-solda apropriado (PWHT) para temperar a martensita e aliviar tensões. Sempre que possível, evite soldagem por fusão para ferramentas com alta tensão—use brasagem ou união mecânica para montagens.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

  • Nenhum dos dois, M2 ou M35, é inoxidável; ambos são suscetíveis à corrosão oxidativa e manchas de superfície em ambientes úmidos ou corrosivos.
  • Métodos comuns de proteção: revestimentos protetores (PVD, CVD, TiN, TiAlN), niquelagem dura (onde apropriado), nitretação para dureza de superfície com benefício limitado contra corrosão, galvanização (para aplicações não relacionadas a ferramentas) e tintas ou óleos convencionais para armazenamento.
  • A fórmula PREN para seleção de inox não é aplicável a M2/M35 porque a resistência à corrosão não é uma característica de design primária desses HSS ricos em carbono: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
  • Use engenharia de superfície (revestimentos, nitretação, PVD) para estender a vida útil da ferramenta em ambientes de desgaste corrosivo ou adesivo.

7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade

  • Usinabilidade: Ambas as ligas são mais difíceis de usinar do que aços carbono. M35 geralmente usina ligeiramente pior do que M2 porque o cobalto aumenta a resistência e tende a reduzir a usinabilidade e aumentar o desgaste da ferramenta em operações de conformação.
  • Corte/conformação: A conformação a frio ou a dobra é desafiadora; o trabalho a quente requer controle cuidadoso e recozimento intermediário. Os blanks de ferramentas de corte são frequentemente retificados em vez de usinados pesadamente.
  • Acabamento de superfície: Ambos podem ser retificados para acabamentos finos; M35 pode exigir parâmetros de retificação mais agressivos devido à maior dureza a quente e tenacidade dos carbonetos.
  • EDM e retificação são métodos comuns de fabricação para ferramentas acabadas.

8. Aplicações Típicas

M2 (usos típicos) M35 (usos típicos)
Cortadores de fresagem de uso geral, brocas, machos, alargadores para temperaturas de corte moderadas Ferramentas de corte de alto desempenho, machos, brocas para usinagem em alta velocidade em temperaturas elevadas
Brochas, ferramentas de forma, matrizes de cabeçote a frio Ferramentas de trabalho a quente onde a dureza vermelha melhora a vida útil (mas não é um aço de trabalho a quente completo)
Ferramentas para corridas curtas a moderadas onde o custo é um fator Corte em alta volume e alta temperatura onde a vida útil mais longa compensa o custo de material mais alto
Dentes de serra, cortadores de engrenagem Ferramentas de corte interrompido e perfuração em ligas difíceis de usinar com temperaturas elevadas

Racional de seleção: Escolha M2 quando custo, dureza a quente moderada e tenacidade razoável forem primários; escolha M35 quando as operações gerarem temperaturas de corte elevadas sustentadas e a dureza a quente impulsionada por cobalto proporcionar uma vida útil mais longa que justifique o custo.

9. Custo e Disponibilidade

  • Custo: M35 é tipicamente mais caro do que M2 porque o cobalto é uma adição de liga cara e o fornecimento é mais restrito. Espere que o custo do material para M35 seja visivelmente mais alto em uma base por quilograma.
  • Disponibilidade: M2 é uma das classes de HSS mais comumente estocadas e está amplamente disponível em barras, blanks e formas de ferramentas. M35 também está comumente disponível, mas pode ter prazos de entrega mais longos ou preços premium para certas formas de produto e tamanhos grandes.
  • Formas de produto: Ambos são fornecidos como barras recozidas, blanks retificados e formas especializadas; M35 pode ser mais frequentemente especificado como blanks de ferramenta pré-endurecidos e retificados para reduzir o esforço de fabricação.

10. Resumo e Recomendação

Atributo M2 M35
Soldabilidade Pobre (desafiador) Pobre a ligeiramente pior (mais endurecível)
Equilíbrio Força–Tenacidade Bom equilíbrio para HSS geral Maior dureza a quente, ligeiramente menos tenacidade
Custo Mais baixo (mais econômico) Mais alto (premium devido ao Co)

Recomendações: - Escolha M2 se você precisar de um HSS econômico e de uso geral com boa tenacidade para corte ou conformação em velocidades e temperaturas convencionais. M2 é adequado onde a retificação e o reafiamento são viáveis e onde as cargas térmicas são moderadas. - Escolha M35 se sua aplicação submeter consistentemente as ferramentas a altas temperaturas de corte ou requisitos de dureza vermelha (usinagem em alta velocidade de ligas difíceis, corte contínuo em alta temperatura) e a vida útil incremental compensa os custos mais altos de material e processamento.

Nota final: Ao especificar qualquer uma das classes, forneça as condições de serviço esperadas (velocidades de corte, condições de resfriamento/lubrificação, espessura da seção e quaisquer requisitos pós-solda) para que o tratamento térmico, o tratamento de superfície e a aquisição possam ser otimizados para o custo do ciclo de vida, em vez de apenas o custo nominal do material.

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