ASP23 против M2 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Инженеры и специалисты по закупкам часто должны выбирать между обычными коваными или литыми быстрорежущими сталями и вариантами порошковой металлургии (PM) при спецификации инструментов и износостойких компонентов. Решение зависит от компромиссов, таких как стоимость сырья по сравнению с сроком службы, легкость обработки по сравнению с требуемыми характеристиками и устойчивость к разрушению по сравнению с сохранением твердости при температуре. Типичные контексты включают выбор режущих инструментов, холодные формовочные матрицы и износостойкие вставки — где срок службы, возможность ремонта и стоимость производства имеют значение.

На высоком уровне основное различие заключается в том, что одна марка является быстрорежущей сталью, обработанной методом PM, предназначенной для более чистого и равномерного распределения карбидов и улучшенной прочности, в то время как другая является обычной кованой/литой быстрорежущей сталью, широко используемой в качестве базовой. Поскольку обе нацелены на высокую твердость и горячую твердость, их часто сравнивают для инструментов и износостойких приложений, где небольшие микроструктурные различия оказывают большое влияние на жизненный цикл.

1. Стандарты и обозначения

• M2
• Стандарты: AISI/SAE M2; обозначение EN обычно HSS M2 (EN ISO 4957), JIS SKH51 (приблизительный эквивалент), эквиваленты серии GB T 12902.

• Классификация: Быстрорежущая инструментальная сталь (традиционная, кованая/литая HSS).

• ASP23

• Стандарты: ASP — это торговое обозначение, используемое производителями порошковой стали (например, Hitachi, Sumitomo и др.). ASP23 — это семейство быстрорежущих сталей порошковой металлургии; оно может быть указано в технических листах поставщиков, а не в международных стандартах по химическому составу.
• Классификация: Быстрорежущая сталь порошковой металлургии (PM-HSS), т.е. вариант PM в семействе быстрорежущих/инструментальных сталей.

Примечание: Обе являются инструментальными сталями / быстрорежущими сталями; ни одна из них не является нержавеющей или HSLA. ASP23 — это форма PM химии быстрорежущей стали, сопоставимая с M2, но произведенная с более строгим контролем чистоты и микроструктуры.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица: (для ASP23 химический состав номинально схож с M2; производители контролируют примеси и могут добавлять микроалюминий — см. примечания)

Элемент	M2 (типичные стандартные диапазоны)	ASP23 (PM HSS — номинальное описание)
C	0.85–1.05%	Схожее номинальное содержание углерода (≈0.8–1.0%); контроль PM C и растворенного углерода
Mn	0.15–0.40%	Схожее; поддерживается на низком уровне для контроля сегрегации
Si	0.15–0.45%	Схожее; контролируется для дегазации и прочности
P	≤0.03%	Более строгие пределы (меньше P) для снижения хрупкости
S	≤0.03%	Значительно меньше S в PM классе для улучшения прочности
Cr	3.75–4.5%	Схожий уровень Cr для прочности/твердости матрицы
Ni	≤0.25%	Обычно незначительно; контролируемые примеси
Mo	4.5–5.5%	Схожий Mo для вторичной закаляемости
V	1.75–2.2%	Схожий V; обработка PM уточняет V-богатые карбиды
Nb	— / след	Может включать следовые добавки Nb/Ti (ppm до небольшого %) для стабилизации карбидов в процессе PM
Ti	— / след	Как выше; возможны небольшие добавки
B	— / след	Обычно не является основным легирующим элементом; иногда присутствует в следовых количествах
N	След	Контролируется и минимизируется в PM продукте, чтобы избежать хрупкости, вызванной нитридом

Примечание: Вольфрам (W) является основным легирующим элементом как в M2, так и в его PM эквивалентах (обычно несколько процентов). Таблица опускает W в соответствии с запрашиваемым списком столбцов, но W критически важен: стандартный M2 содержит примерно 5–7% W в качестве основного элемента закалки. ASP23 сохраняет вольфрам, как в родительской химии. Точные составы для ASP23 являются собственностью поставщика, но стратегия заключается в том, чтобы сопоставить основные легирующие элементы M2 для горячей твердости, улучшая чистоту и распределение размера карбидов.

Как легирование влияет на свойства - Углерод + W/Mo/Cr/V образуют смесь MC, M6C и сложных карбидов, которые обеспечивают твердость и износостойкость. - Хром способствует закаляемости и устойчивости к отпуску; молибден и вольфрам увеличивают горячую твердость. - Ванадий образует твердые ванадиевые карбиды (MC), которые сопротивляются абразивному износу; их распределение и размер сильно влияют на прочность и обрабатываемость. - Более низкие примеси (S, P) и контролируемый микроалюминий (Nb, Ti) в PM сталях ограничивают хрупкие пленки и обеспечивают более однородную микроструктуру, улучшая прочность без ущерба для твердости.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Микроструктура при стандартной обработке: - M2 (кованая/литая) - Типичная микроструктура после обычной обработки: закаленная мартенситная матрица с бимодальным населением карбидов — более крупные легированные карбиды (M6C, M2C) и меньшие ванадий-богатые карбиды MC. Карбиды более грубые и могут быть сегрегированы в зависимости от затвердевания и ковки. - ASP23 (PM) - Обработка PM производит однородную, мелкую и равномерно распределенную сеть карбидов с уменьшенной сегрегацией и меньшим количеством неметаллических включений. Карбиды более мелкие, что приводит к лучшей прочности и устойчивости к сколам.

Поведение при термообработке: - Нормализация: Используется для уточнения литых/кованных структур; более эффективна на обычном M2 для разрушения сегрегации, но не может полностью соответствовать однородности PM. - Типичная последовательность закалки для обоих: аустенизация при повышенной температуре (низкоцикловая аустенизация, подходящая для класса), масло или воздух для закалки (иногда высокое давление газа для PM классов), за которым следуют несколько циклов отпуска для достижения желаемого баланса твердости и прочности. - Реакция на закалку и отпуск: - M2: Хорошая закаляемость; требуется тщательный контроль температуры аустенизации и отпуска для балансировки оставшегося аустенита, твердости и прочности. - ASP23: Из-за уменьшенной сегрегации и более мелких карбидов, ASP23 обычно дает улучшенную прочность при эквивалентной твердости и может показывать более однородную реакцию во время отпуска с меньшим риском мягких участков. - Термомеханическая обработка менее актуальна для PM продуктов (синтерование/ковка используются до финишной обработки), в то время как кованое M2 выигрывает от контролируемых графиков ковки и термообработки для уменьшения грубых кластеров карбидов.

4. Механические свойства

Значения для инструментальных сталей сильно варьируются в зависимости от термообработки; таблица ниже предоставляет сравнительный, ориентированный на применение взгляд, а не одну гарантированную спецификацию.

Свойство	M2 (обычная HSS)	ASP23 (PM HSS)
Упругая прочность	Высокая (типичный диапазон быстрорежущей стали)	Сравнимая или немного выше из-за однородной микроструктуры
Предельная прочность	Высокая	Сравнимая или немного улучшенная
Удлинение	Низкое до умеренного (инструментальные стали: небольшой %)	Схожее или умеренно улучшенное (лучшая прочность позволяет использовать в более требовательных геометриях)
Ударная прочность	Умеренная до низкой (чувствительна к грубости карбидов и включениям)	Выше, чем у M2 при эквивалентной твердости из-за более мелких карбидов и меньшего количества включений
Твердость (HRC)	Обычно до ~62–66 HRC после закалки/отпуска в зависимости от циклов отпуска	Схожая максимальная твердость достижима; сохраняет твердость более равномерно и часто показывает лучшую прочность при данной HRC

Интерпретация - Прочность и способность к твердости сопоставимы, поскольку обе имеют одинаковую легирующую основу; однако микроструктура PM ASP23 обычно обеспечивает более высокую прочность на разрушение и улучшенную устойчивость к катастрофическим сколам. - Удлинение в инструментальных сталях по своей природе ограничено; улучшения в PM классе являются инкрементальными, но значительными для инструментов, которые подвергаются ударным нагрузкам или циклическим напряжениям.

5. Сварка

Сварка быстрорежущих сталей обычно ограничена из-за высокой закаляемости и содержания легирующих элементов, образующих карбиды. Важные соображения: - Содержание углерода и легирование повышают закаляемость и предрасполагают зону термического воздействия (HAZ) к жесткому, хрупкому мартенситу. - Микролегирование и низкие примеси в PM сталях уменьшают сегрегацию, но не устраняют риск трещин, вызванных сваркой.

Полезные индексы (качественная интерпретация): - Углеродный эквивалент (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ Более высокий $CE_{IIW}$ подразумевает большую предрасположенность к твердости HAZ и трещинам — подчеркивает необходимость контроля предварительного нагрева/межпроходной температуры. - Pcm: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$ Более высокий $P_{cm}$ указывает на повышенный риск трещин и необходимость специальных сварочных процедур.

Качественные рекомендации: - И M2, и ASP23 требуют предварительного нагрева, контролируемых межпроходных температур и термообработки после сварки, если сварка неизбежна. - Более низкое содержание примесей в ASP23 помогает немного снизить склонность к трещинам при сварке, но его высокое содержание легирующих элементов означает, что сварка по-прежнему является сложной задачей и обычно избегается для критических инструментов — часто предпочитается пайка, лужение или механическое соединение. - Для ремонта сварки выбирайте filler metals, предназначенные для быстрорежущих сталей, и планируйте отпуск для снятия напряжений.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни M2, ни ASP23 не являются нержавеющими; коррозионная стойкость скромная и в основном определяется содержанием хрома (~4% уровень), что недостаточно для истинных коррозионных сред.
• Типичные методы защиты:
• Покрытия (PVD/CVD, TiN, AlTiN) для режущих инструментов, чтобы уменьшить износ и коррозию в эксплуатации.
• Барьерные покрытия (никель, хромирование), покраска или оцинковка для неинструментальных компонентов, где это возможно.
• Местное цементирование/нитридирование обычно не является типичным, поскольку высокое содержание легирующих элементов и карбидов ограничивает эффективность диффузии.
• PREN не применим к этим не нержавеющим сплавам. Для нержавеющих марок вы бы использовали: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ — но этот индекс не применим к M2/ASP23.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Резка и шлифовка:
• ASP23 (PM) обычно показывает улучшенную обрабатываемость и более равномерный износ инструмента, поскольку размеры карбидов меньше и более равномерно распределены.
• M2 может иметь более грубые карбиды, которые могут вызывать более высокий абразивный износ на шлифовальных кругах и менее предсказуемый срок службы инструмента.
• Обрабатываемость (предварительная закалка)
• Обе марки легче обрабатывать в отожженном или «мягком» состоянии; PM стали могут быть немного сложнее в обработке из-за однородного распределения твердых частиц, если они не полностью отожжены.
• Формуемость и изгиб
• Обе имеют плохую пластичность по сравнению со строительными сталями; формование ограничено и должно выполняться в отожженном состоянии с достаточными допусками на упругость.
• Финишная обработка
• Более мелкая структура карбидов ASP23 часто приводит к превосходной поверхности после шлифовки/полировки для режущих инструментов.

8. Типичные применения

ASP23 (PM HSS)	M2 (Обычная HSS)
Режущие вставки и высокопроизводительные режущие инструменты, где критически важны равномерный износ и прочность	Универсальные быстрорежущие инструменты (сверла, метчики, фрезы) с установленными цепочками поставок
Матрицы и штампы для среднего и высокого износа, где требуется устойчивая к усталости	Стандартные инструменты в приложениях с низкой стоимостью или где преимущества PM не нужны
Долговечные развертки, микроинструменты и прецизионные инструменты, требующие стабильности кромки	Широкий спектр инструментов, где чувствительность к стоимости превышает максимальный срок службы
Специализированные износостойкие компоненты, где улучшенная прочность на разрушение увеличивает срок службы	Ремонтируемые инструменты и устаревшие приложения с хорошо понятными графиками термообработки

Обоснование выбора: - Выбирайте ASP23, когда вам нужна улучшенная прочность на разрушение, стабильная производительность по партиям инструментов, более длительный срок службы инструмента и превосходная устойчивость к сколам — особенно для операций с высоким объемом или высоким риском. - Выбирайте M2, когда стоимость, доступность и традиционные пути обработки являются основными ограничениями и когда известное поведение кованой/литой HSS приемлемо.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: PM стали (ASP23) обычно дороже за килограмм, чем обычные M2, поскольку производство порошка, атомизация, синтерование и консолидация увеличивают стоимость процесса. Однако стоимость жизненного цикла может быть в пользу PM из-за уменьшенного времени простоя и более длительного срока службы инструмента.
• Доступность: M2 широко доступна по всему миру в виде прутков, листов и готовых заготовок. ASP23 доступна у крупных поставщиков и дистрибьюторов PM стали, но может потребовать более длительных сроков поставки или минимальных количеств для специальных форм продуктов; она обычно доступна в виде заготовок для инструментов, предварительно закаленных прутков и синтерованных слитков.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное)

Атрибут	ASP23 (PM HSS)	M2 (Обычная HSS)
Сварка	Плохая — немного лучше, чем у M2 из-за чистоты	Плохая — высокий риск трещин
Баланс прочности и прочности	Отличный при эквивалентной твердости (лучшая прочность)	Хорошая прочность, меньшая прочность при той же твердости
Стоимость (сырье)	Выше	Ниже

Выводы и рекомендации - Выбирайте ASP23, если: - Вам нужен более длительный срок службы инструмента, улучшенная прочность на разрушение и предсказуемая производительность по партиям. - Приложение связано с резкой или формованием с высокими ударными нагрузками или где уменьшенное время простоя оправдывает более высокую стоимость материала. - Вам нужна превосходная обрабатываемость и более равномерное распределение карбидов для прецизионных инструментов.

• Выбирайте M2, если:
• Бюджет и немедленная доступность являются основными факторами, и приложение хорошо обслуживается обычной HSS.
• Геометрия инструмента и условия нагрузки не подвержены сколам или катастрофическому разрушению, и соблюдаются установленные протоколы термообработки.
• Вам нужна широко доступная, хорошо понятная базовая сталь для устаревших процессов.

Заключительная заметка: Обе марки зависят от тщательной термообработки и контроля процесса для достижения производительности. Для критически важных инструментов подтвердите технические листы поставщика для точной химии ASP23 и запросите рекомендации по термообработке и эмпирические данные о производительности (тесты срока службы инструмента) по сравнению с M2 в конкретной операции перед окончательным выбором.