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.