SKH9 vs M2 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
SKH9 e M2 são dois aços rápidos amplamente utilizados para ferramentas de corte, brocas, machos, ferramentas de forma e componentes resistentes ao desgaste. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente enfrentam o dilema da seleção: escolher com base na padronização regional, sutis diferenças de composição ou considerações da cadeia de suprimentos versus metas de desempenho específicas, como resistência ao desgaste, tenacidade ou resistência ao calor.
A distinção essencial para a seleção é que SKH9 é a designação padrão japonesa e M2 é a designação americana/internacional para uma família de aços rápidos de tungstênio-molibdênio muito semelhante. Eles são frequentemente comparados porque ocupam o mesmo nicho de desempenho (aço rápido para uso geral) e muitas vezes são intercambiáveis em design—no entanto, a origem padrão, as tolerâncias de especificação e o processamento do fornecedor podem influenciar a escolha final.
1. Normas e Designações
- M2: Comumente referenciado sob especificações baseadas em AISI/ASM e ASTM/ASME (AISI M2; ASTM: frequentemente capturado em listas de aços rápidos), amplamente utilizado nas cadeias de suprimentos da América do Norte e internacionais.
- SKH9: Designação da Norma Industrial Japonesa (JIS SKH9), utilizada em todo o Japão e em muitas cadeias de suprimentos asiáticas; também aceita em muitos mercados de exportação.
- EN/ISO: Famílias equivalentes nas normas europeias são frequentemente designadas como HS6-5-2-5 ou graus HSS de tungstênio-molibdênio semelhantes— a equivalência é aproximada e depende de faixas de elementos específicos.
- GB (China): As normas chinesas têm suas próprias designações, mas comumente fornecem equivalentes químicos diretos ou tabelas de referência cruzada para os aços SKH e M-series.
Classificação: Tanto SKH9 quanto M2 são aços para ferramentas da família de aços rápidos (HSS)—aços liga especificamente formulados para alta dureza e dureza a quente (retenção de dureza em temperaturas de corte elevadas). Eles não são aços inoxidáveis nem aços HSLA.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Tabela: faixas de composição típicas (massa %) para SKH9 e M2. Nota: a tabela lista os elementos solicitados; o tungstênio (W) é um elemento de liga essencial para essas classes, mas não estava entre as colunas da tabela—seu conteúdo típico é declarado abaixo da tabela.
| Elemento | Faixa típica SKH9 (JIS) | Faixa típica M2 (AISI) |
|---|---|---|
| C | 0.85–1.05 | 0.85–1.05 |
| Mn | 0.20–0.50 | 0.20–0.40 |
| Si | 0.15–0.40 | 0.20–0.45 |
| P | ≤0.03 | ≤0.03 |
| S | ≤0.03 | ≤0.03 |
| Cr | 3.75–4.50 | 3.75–4.50 |
| Ni | — (traço) | — (traço) |
| Mo | 4.50–5.50 | 4.50–5.50 |
| V | 1.70–2.20 | 1.70–2.20 |
| Nb | — | — |
| Ti | — | — |
| B | — | — |
| N | traço | traço |
Nota importante: Tanto SKH9 quanto M2 também contêm uma proporção substancial de tungstênio (W), tipicamente na faixa de aproximadamente 5.5–6.75% (varia conforme o produtor). Tungstênio mais molibdênio são os principais elementos de liga que proporcionam alta dureza a quente e resistência ao desgaste nesta família de graus. Adições menores de liga além da tabela (traço de Ti, Nb, B) podem estar presentes em fusões específicas para controlar a morfologia do carboneto e o tamanho do grão; tal micro-ligação depende do fornecedor.
Como a liga afeta as propriedades: - Carbono + formadores de carbonetos fortes (W, Mo, V, Cr) produzem carbonetos intermetálicos duros que resistem ao desgaste abrasivo e permitem o revenimento a alta dureza. - Cromo e vanádio contribuem para populações de carbonetos duros, melhorando a resistência ao desgaste e a dureza a quente. - Molibdênio e tungstênio melhoram o comportamento de endurecimento secundário e mantêm a dureza em temperaturas elevadas (dureza a quente da ferramenta de corte). - Silício e manganês estão presentes em pequenas quantidades para desoxidação e controle de resistência; seus níveis também afetam a tenacidade e a usinabilidade.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - Na condição recozida, ambos os aços apresentam uma matriz ferrítica com uma rede de carbonetos primários e secundários (carbonetos complexos incluindo M6C, tipos MC onde M = W, Mo, V, Cr). - Após austenitização e têmpera, a microestrutura torna-se martensítica com carbonetos retidos; o revenimento subsequente produz endurecimento secundário devido à precipitação de finos carbonetos de liga, o que é crítico para a dureza a altas temperaturas do HSS.
Resposta ao tratamento térmico: - Austenitização: Faixas de austenitização comparáveis são usadas para SKH9 e M2; temperatura e tempo controlam a dissolução do carboneto e a distribuição da liga. - Têmpera: A têmpera em óleo ou ar forçado é comum; ambos os aços requerem resfriamento controlado para evitar trincas. - Revenimento: Múltiplos ciclos de revenimento a temperaturas elevadas produzem endurecimento secundário. Os cronogramas de revenimento determinam a dureza final (típica HRC na faixa de 60 para ferramentas de corte) e o equilíbrio de tenacidade. - Normalização: Usada para refinar o tamanho do grão e homogeneizar a microestrutura antes do endurecimento final; mais comum na prática de oficina do que na produção final para HSS. - Processamento termo-mecânico: Práticas de fornecedores como fusão a vácuo, remeltagem eletroslag (ESR) ou fusão por indução a vácuo (VIM) melhoram a limpeza e a tenacidade; os produtores podem especificar essas rotas de fusão.
No geral, SKH9 e M2 respondem de maneira muito semelhante aos ciclos de tratamento térmico padrão do HSS; as diferenças surgem de pequenas tolerâncias de composição e rotas de fabricação de aço que afetam a distribuição de carbonetos e a limpeza.
4. Propriedades Mecânicas
Tabela: propriedades mecânicas qualitativas comparativas (típicas, dependentes do tratamento térmico)
| Propriedade | SKH9 (típica após tratamento térmico HSS adequado) | M2 (típica após tratamento térmico HSS adequado) |
|---|---|---|
| Resistência à Tração | Alta (nível classe HSS; dependente do tratamento térmico) | Alta (comparável ao SKH9) |
| Resistência ao Esforço | Alta (comparável ao comportamento de tração) | Alta (comparável ao SKH9) |
| Alongamento | Baixo a moderado (a fragilidade aumenta com a dureza) | Baixo a moderado (semelhante) |
| Tenacidade ao Impacto | Moderada a baixa (depende da distribuição de carbonetos e do tratamento térmico) | Moderada a baixa (semelhante) |
| Dureza (temperatura de serviço) | Tipicamente na faixa alta de HRC (domínio do aço para ferramentas HSS) | Tipicamente na faixa alta de HRC (domínio do aço para ferramentas HSS) |
Notas: - Valores numéricos para tração, resistência e impacto são extremamente sensíveis ao cronograma exato de tratamento térmico, condição do espécime e morfologia do carboneto; ambas as classes são projetadas para dureza e dureza a quente, em vez de ductilidade. - Na prática, a dureza (HRC) após austenitização apropriada e múltiplos revenimentos é a propriedade mais comumente especificada para ferramentas de corte; tanto SKH9 quanto M2 podem alcançar HRC na faixa baixa a média de 60 dependendo do revenimento.
Interpretação: Nenhuma das classes é categoricamente "mais forte" em termos de tração quando preparadas com tratamento térmico equivalente; o principal diferenciador é a distribuição de carbonetos e a limpeza da fabricação do aço, que pode favorecer ligeiramente a rota de processamento de um produtor. A tenacidade é tipicamente um compromisso com a dureza; o revenimento cuidadoso é usado para alcançar o equilíbrio necessário.
5. Soldabilidade
A soldabilidade para aços rápidos é geralmente ruim em relação aos aços de baixa liga devido ao seu alto teor de carbono e elementos formadores de carbonetos fortes que aumentam a endurecibilidade e a suscetibilidade a trincas.
Fórmulas preditivas úteis (interpretação qualitativa apenas): - O equivalente de carbono (IIW) é frequentemente usado para estimar a suscetibilidade a trincas a frio: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - A fórmula Pcm é outro índice de soldabilidade: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação: - Tanto SKH9 quanto M2 têm valores relativamente altos de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ devido a C, Cr, Mo, V e W (W também aumenta a endurecibilidade, mas não está nessas fórmulas específicas). Consequentemente, espere altos requisitos de pré-aquecimento, baixas temperaturas entre passes para evitar choque térmico e a necessidade de tratamento térmico pós-solda (PWHT) para aliviar tensões e temperar a martensita. - Prática típica: evite soldar aços rápidos sempre que possível. Se a soldagem for necessária, use pré-aquecimento controlado, processos de baixa entrada de calor, metais de enchimento correspondentes ou especializados e revenimento pós-solda para restaurar a tenacidade. Alternativamente, brasar ou unir mecanicamente componentes onde for viável.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Tanto SKH9 quanto M2 não são aços inoxidáveis. A resistência à corrosão em ambientes atmosféricos ou aquosos é limitada em comparação com graus inoxidáveis.
- Estratégias de proteção típicas: lubrificação, pintura, fosfatização ou galvanização onde apropriado; para ferramentas de corte, a corrosão é normalmente controlada pela lubrificação e armazenamento, em vez de revestimentos.
- PREN (Número Equivalente de Resistência à Perfuração) não é aplicável porque estes não são graus inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- O uso de revestimentos duros (TiN, TiAlN, CrN, DLC) é comum para melhorar o desgaste da superfície e reduzir a exposição à corrosão em operações de corte; os revestimentos também aumentam o desempenho em temperaturas elevadas.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade: Na condição recozida, ambos os materiais são usináveis relativamente facilmente; na condição endurecida, são abrasivos devido aos carbonetos. M2 é comumente usado como aço para ferramentas e possui práticas de moagem e acabamento bem documentadas; SKH9 se comporta de maneira muito semelhante.
- Moagem e acabamento: Rodas de moagem de diamante ou CBN são frequentemente necessárias para HSS endurecido, e o controle de refrigerante é crítico para evitar trincas térmicas.
- Formabilidade/dobra: Assim como na maioria dos aços para ferramentas, a conformação a frio é limitada; a conformação a quente é possível, mas requer ciclos térmicos controlados para evitar problemas de precipitação de carbonetos.
- Acabamento de superfície: Polimento e adesão de revestimentos se comportam de maneira semelhante para ambas as classes; os processos de revestimento se beneficiam de um substrato limpo e preparação de superfície controlada.
8. Aplicações Típicas
| SKH9 (usos típicos) | M2 (usos típicos) |
|---|---|
| Ferramentas de corte para uso geral em ferramentas especificadas por japoneses/asiáticos (brocas, machos, fresas, alargadores) | Ferramentas de corte para uso geral em ferramentas da América do Norte/internacionais (brocas, machos, fresas, alargadores) |
| Ferramentas de conformação e trabalho a frio onde as propriedades do HSS são necessárias e a especificação JIS é exigida | Ferramentas de corte de alto desempenho e ferramentas de máquinas onde a referência ASTM/AISI/ISO ao M2 é especificada |
| Componentes resistentes ao desgaste onde a dureza a quente do grau HSS é necessária | Amplas aplicações de HSS em várias indústrias (aeroespacial, ferramentas automotivas, matrizes) |
Racional de seleção: - Escolha com base na precedência da especificação (o cliente ou contrato exige JIS ou AISI/ASTM), na origem da cadeia de suprimentos ou em reivindicações de processo específicas do fornecedor (por exemplo, ESR, VIM para limpeza). - Ambas as classes são selecionadas para os mesmos envelopes operacionais: corte em alta velocidade, resistência a temperaturas elevadas e resistência ao desgaste.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo: Ambas as classes estão posicionadas de maneira semelhante em preço como aços rápidos convencionais. Pequenas diferenças de custo decorrem da disponibilidade regional, preços de mercado de tungstênio e molibdênio e rota de fabricação de aço (prêmios de produtos ESR/VIM).
- Disponibilidade por forma de produto: Barras, blanks e estoque de ferramentas pré-endurecidas em SKH9 e M2 estão amplamente disponíveis de fornecedores de aço especializados. A preferência regional influencia o estoque: M2 é mais ubíquo na América do Norte e Europa, enquanto SKH9 é mais comumente estocado no Japão e em partes da Ásia.
- Prazo de entrega e prêmio: Processos específicos de fornecedores (aço limpo, variantes remeltadas) são frequentemente mais caros, mas oferecem tenacidade e desempenho melhorados.
10. Resumo e Recomendação
Tabela: comparação concisa
| Atributo | SKH9 | M2 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Ruim (alta endurecibilidade; requer procedimentos cuidadosos) | Ruim (semelhante) |
| Equilíbrio Dureza–Tenacidade | Alta dureza e resistência ao desgaste; a tenacidade depende do processamento | Alta dureza e resistência ao desgaste; a tenacidade depende do processamento |
| Custo | Comparável; variações regionais podem se aplicar | Comparável; variações regionais podem se aplicar |
Conclusão e orientação prática: - Escolha SKH9 se sua cadeia de compras ou produção seguir os padrões JIS/japoneses, se ferramentas ou peças de reposição forem especificadas por designações JIS, ou se fornecedores locais fornecerem SKH9 com rastreabilidade e processamento específico do fornecedor (ESR/VIM) que atendam aos seus requisitos de tenacidade. - Escolha M2 se seus desenhos, especificações ou normas da indústria exigirem AISI/ASTM/ISO M2, se você precisar de fornecedores alinhados com a origem da América do Norte ou internacional, ou se precisar de ampla disponibilidade de fornecedores e intercambialidade com referências M2.
Nota final: Metalurgicamente, SKH9 e M2 ocupam a mesma família de HSS e são funcionalmente equivalentes para a maioria das aplicações quando produzidos e tratados termicamente de acordo com padrões comparáveis. Os fatores decisivos são a conformidade com a especificação, o processamento do fornecedor (limpeza e métodos de remeltagem) e os controles de tratamento térmico que determinam a distribuição de carbonetos, tenacidade e desempenho final da ferramenta.