M2 vs M42 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Os aços rápidos M2 e M42 são duas das classificações mais comumente especificadas para ferramentas de corte, brocas, machos, fresas e outras ferramentas onde a dureza, resistência ao desgaste e estabilidade térmica governam o desempenho. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura enfrentam rotineiramente um dilema de seleção: escolher a classificação versátil de menor custo que oferece boa tenacidade e resistência ao desgaste em temperaturas moderadas, ou pagar um prêmio por uma classificação que preserva a dureza e a resistência ao desgaste em temperaturas de corte mais altas.

A principal distinção prática entre essas duas classificações reside em sua estratégia de liga: uma enfatiza formadores de carbonetos refratários mais altos (W, Mo, V) com tenacidade equilibrada, enquanto a outra inclui uma quantidade substancial de cobalto para aumentar a dureza a quente e a dureza vermelha. Essa diferença leva a diferentes comportamentos de tratamento térmico, desempenho em trabalho a quente e envelopes de aplicação—especialmente sob condições de corte e abrasão em alta velocidade e alta temperatura.

1. Normas e Designações

• Designações e normas internacionais comuns onde essas classificações aparecem:
• AISI / SAE: M2, M42 (nomes comerciais amplamente utilizados).
• ASTM / ASME: especificações de aço para ferramentas e normas de produtos frequentemente referenciam as designações AISI.
• EN / DIN / JIS / GB: equivalentes existem sob normas nacionais (designações típicas de HSS EN/DIN ou números de classificação locais), mas referências numéricas exatas variam por editor e fabricante.
• Classificação: Tanto M2 quanto M42 são aços para ferramentas de alta velocidade (HSS), ou seja, aços para ferramentas de liga projetados para manter a dureza em temperaturas elevadas, não aços inoxidáveis ou HSLA. Eles são categorizados como aços para ferramentas destinados a aplicações de corte e conformação, em vez de aços estruturais.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela abaixo apresenta faixas de composição típicas para cada classificação. Os limites exatos dependem do padrão ou fornecedor de produção; trate os números como representativos da prática comercial.

Como a liga controla o comportamento: - O carbono mais os formadores de carbonetos (W, Mo, V) criam carbonetos duros e resistentes ao desgaste. Um maior teor de W e V aumenta o volume e a estabilidade dos carbonetos, melhorando a resistência ao desgaste. - O conteúdo significativo de cobalto do M42 não forma carbonetos, mas aumenta a resistência da matriz não carburizada em temperaturas elevadas (dureza a quente), melhorando a dureza vermelha e a vida útil da aresta de corte sob carga térmica. - O cromo contribui para a resistência ao revenido e resistência à corrosão em menor grau para HSS; o molibdênio e o tungstênio aumentam a endurecibilidade e a resistência a altas temperaturas. - O vanádio refina a distribuição de carbonetos e melhora a resistência ao desgaste abrasivo e a estabilidade da aresta.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas - Na condição recozida, ambas as classificações consistem em uma matriz martensítica temperada ou martensita+ferrita com uma dispersão de carbonetos primários e secundários (carbonetos do tipo MC, M6C dependendo da composição e resfriamento). - O M2 forma uma mistura rica em carbonetos à base de Mo-W e vanádio (VC duro, uniformemente distribuído, M6C). - O M42 contém um conjunto semelhante de carbonetos, mas tipicamente uma fração maior de carbonetos ricos em tungstênio e carbonetos secundários mais finos; a matriz é reforçada pelo efeito de solução sólida do cobalto em alta temperatura.

Resposta ao tratamento térmico - Sequência normal: endurecimento (austenitização) → resfriamento → revenido em múltiplas etapas. O M2 comumente austenitiza a temperaturas ligeiramente mais baixas do que o M42 (as temperaturas exatas variam por fornecedor) e é revenido para alcançar um equilíbrio entre dureza e tenacidade. - O M42 frequentemente requer controle cuidadoso da austenitização e do revenido, pois o teor de cobalto aumenta a dureza retida em temperaturas de revenido e influencia a resposta ao revenido; é comumente revenido a temperaturas de revenido mais altas para aproveitar a dureza vermelha, evitando a fragilização excessiva. - Tratamentos termo-mecânicos (para blanks produzidos ou aços para ferramentas com estruturas forjadas) podem refinar a distribuição de carbonetos, melhorando a tenacidade. O maior volume de carbonetos e o teor de cobalto do M42 tornam o controle de carbonetos durante o processamento particularmente importante para evitar fragilidade localizada.

4. Propriedades Mecânicas

As propriedades mecânicas para aços para ferramentas são altamente sensíveis ao tratamento térmico (temperatura de austenitização, meio de resfriamento, programação de revenido). A tabela abaixo compara valores típicos qualitativos e representativos de dureza após o endurecimento e revenido recomendados para uso em ferramentas de corte.

Interpretação: - Ambos são aços muito duros após o tratamento térmico correto; o M42 tipicamente mantém a dureza melhor à medida que a temperatura aumenta (melhor dureza a quente e dureza vermelha) devido à influência de fortalecimento do cobalto e carbonetos estáveis. - O M2 frequentemente tem uma tenacidade à fratura em temperatura ambiente um pouco melhor para dureza comparável, tornando-o menos frágil em cortes interrompidos ou cargas de choque. - Os números de tração/escoamento são menos comumente usados sozinhos para selecionar ferramentas HSS; dureza e tenacidade sob a temperatura de operação esperada são mais decisivas.

5. Soldabilidade

A soldabilidade das classificações HSS é geralmente limitada e requer pré-aquecimento cuidadoso, temperaturas de interpassagem controladas e tratamento térmico pós-solda para evitar trincas e perda de propriedades. - Principais fatores que influenciam a soldabilidade: equivalente de carbono (endurecibilidade da liga), carbonetos de liga e elementos de micro-liga que promovem a endurecibilidade ou segregação. - Fórmulas de avaliação úteis (orientação qualitativa): - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parâmetro do tipo carbono-manganês do International Pipes Institute: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Interpretação qualitativa: - Tanto o M2 quanto o M42 têm $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ relativamente altos em comparação com aços de baixo carbono ou baixa liga devido aos carbonetos e ao conteúdo de liga; ambos são difíceis de unir por soldagem a fusão sem procedimentos especiais. - O M42 é tipicamente mais desafiador de soldar do que o M2 porque o maior volume de carbonetos e a presença de cobalto aumentam o risco de trincas e prejudicam as propriedades de correspondência na zona afetada pelo calor. Pré-aquecimento, baixos inputs de calor e revenido ou recozimento pós-solda são frequentemente necessários. - Para muitas aplicações de ferramentas, a soldagem a brasagem ou fixação mecânica é preferida em relação à soldagem a fusão; quando a soldagem é necessária, consulte o fornecedor do aço para recomendações de metal de adição e procedimentos de soldagem qualificados.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Como aços para ferramentas de alta velocidade não inoxidáveis, nem o M2 nem o M42 são inerentemente resistentes à corrosão. A seleção raramente depende do desempenho de corrosão do metal base; em vez disso, proteção de superfície e revestimentos são utilizados.
• Métodos comuns de proteção:
• Revestimentos duros (PVD, CVD: TiN, TiAlN, AlTiN) aplicados nas arestas de corte para reduzir o desgaste e reduzir a interação química em altas temperaturas.
• Eletrodeposição, passivação ou pintura são menos comuns para ferramentas de corte; para ferramentas expostas a ambientes úmidos ou corrosivos, armazenamento controlado e lubrificação são típicos.
• PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) é usado para aços inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Este índice não é aplicável ao M2 ou M42 porque nenhum deles é uma liga inoxidável com adições significativas de Cr/Mo/N destinadas à resistência à corrosão.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade

• Maquinabilidade:
• Na condição recozida (macia), ambos podem ser usinados usando ferramentas convencionais; o M2 geralmente é mais fácil de usinar do que o M42 em estado recozido.
• Na condição endurecida, ambos são difíceis; o M42 é tipicamente mais duro em ferramentas de corte devido ao maior conteúdo de carbonetos e à resistência da matriz relacionada ao cobalto, reduzindo a maquinabilidade em relação ao M2.
• Desbaste e acabamento:
• Ambos respondem bem ao desbaste de precisão; rodas de diamante ou CBN são comuns para acabamento de ferramentas endurecidas. O desbaste e estratégias de resfriamento apropriadas são necessárias.
• Conformabilidade:
• Como classificações HSS, nenhum deles é destinado à conformação de chapas; forjamento ou trabalho a quente é possível para blanks pré-recozidos, mas o controle de carbonetos e o controle de temperatura são críticos. A maior fração de carbonetos do M42 torna o forjamento a quente mais desafiador.
• Dobragem/pressão:
• Não aplicável para ferramentas acabadas; blanks podem ser formados na condição macia com cuidado.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha M2 para aplicações que necessitam de boa tenacidade, ampla aplicabilidade e menor custo—especialmente para ferramentas de uso geral onde as temperaturas de operação são moderadas. - Escolha M42 quando o processo gerar altas temperaturas de corte, ao usinar ligas inoxidáveis ou resistentes ao calor, ou quando a vida útil prolongada da ferramenta em altas velocidades compensar o custo mais alto de material e processamento.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo: O M42 é materialmente mais caro do que o M2 devido ao cobalto e ao maior teor de tungstênio. O cobalto é uma mercadoria preciosa e contribui significativamente para o custo.
• Disponibilidade por forma de produto:
• M2: amplamente disponível em barras, blanks usinados, bitolas e estoque pré-endurecido; muitos fabricantes de ferramentas mantêm estoque de M2.
• M42: disponível, mas menos onipresente; comum em blanks de ferramentas premium e corridas de ferramentas personalizadas, mas pode ter prazos de entrega mais longos ou quantidades mínimas de pedido.
• Considerações de aquisição: o custo total de propriedade (vida útil da ferramenta, tempo de inatividade, reafilamentos) pode tornar o M42 economicamente favorável em operações de alto volume ou alta temperatura, apesar do custo de material inicial mais alto.

10. Resumo e Recomendação

Tabela de resumo (qualitativa):

Recomendações finais: - Escolha M2 se você precisar de um aço rápido de custo efetivo e de uso geral para uma ampla gama de materiais e condições de corte onde velocidades e temperaturas de corte moderadas são esperadas, e onde a resistência a impactos/choques é importante. - Escolha M42 se a operação envolver altas velocidades de corte, temperaturas elevadas sustentadas na aresta de corte, materiais abrasivos ou difíceis de usinar (por exemplo, aços inoxidáveis, ligas resistentes ao calor), e o aumento do custo inicial for justificado por uma vida útil mais longa da ferramenta e redução do tempo de inatividade.

Notas práticas finais: - Sempre confirme a composição específica e os ciclos de tratamento térmico recomendados com seu fornecedor de material ou padrão de referência para o lote que você pretende comprar— as propriedades de HSS são fortemente dependentes do tratamento térmico. - Para decisões críticas sobre ferramentas, valide o desempenho da classificação candidata com um curto teste de produção para quantificar a vida útil da ferramenta, o tempo de ciclo e o custo por peça, em vez de confiar apenas nas características publicadas.