M2 против M35 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
M2 и M35 — это два широко используемых быстрорежущих сталей (HSS), которые часто встречаются в процессе выбора режущих инструментов, штампов, матриц и износостойких компонентов. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства регулярно взвешивают компромиссы, такие как стоимость против горячей твердости, износостойкость против прочности и обрабатываемость против срока службы при выборе между этими марками. Типичные контексты принятия решений включают выбор инструментальной стали для высокоскоростного фрезерования, где важна красная твердость, или спецификацию заготовки для высокообъемного штамповки, где определяющими являются стоимость и прочность.
Основное техническое различие между двумя марками заключается в том, что одна из них является обычной вольфрамово-молибденовой HSS, в то время как другая — это аналогичный базовый сплав, модифицированный значительным добавлением кобальта для повышения удерживаемой твердости и износостойкости при повышенных температурах. Поскольку M2 и M35 имеют много общего в своей карбидной химии и практике термообработки, их часто сравнивают при спецификации инструментов, подверженных абразивному износу и высоким температурам резания.
1. Стандарты и обозначения
- ASTM/ASME: Часто поставляются под обозначениями стиля AISI/SAE (AISI M2, AISI M35 или по спецификациям продуктов AMS / ASTM для инструментальных сталей в некоторых регионах).
- EN: Эквивалентные типы HSS в стандартах EN обычно обозначаются как HS6-5-2 (семейство M2) и соответствующие HSS, содержащие кобальт, такие как HS6-5-2-5 (аналог M35), в зависимости от конкретного обозначения EN.
- JIS: Японские стандарты перечисляют инструментальные стали с аналогичными химическими составами (например, серия SKH).
- GB: Китайские стандарты GB включают обозначения M2 и M35 или эквивалентные коды.
Классификация: И M2, и M35 являются быстрорежущими сталями (HSS), т.е. легированными инструментальными сталями, разработанными для высокой твердости и горячей твердости. Они не являются нержавеющими сталями или сталями HSLA.
2. Химический состав и стратегия легирования
| Элемент | M2 (типичные диапазоны) | M35 (типичные диапазоны) |
|---|---|---|
| C | 0.80–0.95 мас% | 0.80–0.95 мас% |
| Mn | 0.15–0.40 мас% | 0.15–0.40 мас% |
| Si | 0.15–0.45 мас% | 0.15–0.60 мас% |
| P | ≤0.03 мас% | ≤0.03 мас% |
| S | ≤0.03 мас% | ≤0.03 мас% |
| Cr | 3.75–4.50 мас% | 3.75–4.50 мас% |
| Ni | ≤0.30 мас% | ≤0.30 мас% |
| Mo | 4.50–5.50 мас% | 4.50–5.50 мас% |
| V | 1.70–2.20 мас% | 1.80–2.30 мас% |
| Nb (колумбий) | обычно следы | обычно следы |
| Ti | обычно следы | обычно следы |
| B | обычно следы | обычно следы |
| N | обычно следы | обычно следы |
Примечание: Вольфрам (W) является основным компонентом как M2, так и M35 (обычно ~5.5–6.8 мас%), но был опущен из запрашиваемого списка элементов; включите его при спецификации или заказе. Определяющим добавлением в семействе M35 является кобальт (Co ≈ 4.5–5.5 мас%), который не показан в столбцах таблицы выше, но является ключевым отличием.
Как легирование влияет на свойства: - Углерод и образователи карбидов (V, W, Mo, Cr) контролируют количество, тип и стабильность карбидов: карбиды MC (богатые V), M6C (богатые W/Mo) и M23C6 (богатые Cr) обеспечивают износостойкость. - Вольфрам и молибден увеличивают закаливаемость и прочность при высоких температурах и образуют карбиды M6C, которые способствуют вторичной закалке. - Ванадий образует твердые, мелкие карбиды MC, которые улучшают износостойкость и прочность карбидной популяции. - Хром обеспечивает коррозионную стойкость в определенной степени, способствует закаливаемости и образует карбиды M23C6. - Кобальт в M35 не образует карбидов, но укрепляет матрицу и увеличивает горячую твердость / красную твердость и стойкость к отпуску.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичная микроструктура (после соответствующего закалки и отпуска): - Матрица: отпущенный мартенсит (основная несущая фаза). - Популяция карбидов: смесь карбидов MC (богатые V, относительно твердые), M6C (богатые W/Mo) и M23C6 (богатые Cr), распределенных в мартенситной матрице.
Различия в реакции на термообработку: - Обе марки используют аналогичные циклы термообработки: аустенитизация, закалка (масло или вакуум) и многоступенчатый отпуск для достижения желаемой твердости и вторичной закалки. - M35, с его содержанием кобальта, демонстрирует более высокую удерживаемую твердость при повышенных температурах отпуска (лучшая красная твердость) и более сильную реакцию вторичной закалки. Кобальт увеличивает стойкость к отпуску мартенсита — температуры, которые более заметно размягчают M2, оставят M35 более твердым. - Нормализация перед закалкой может улучшить структуры после прокатки; контролируемые температуры аустенитизации критически важны для растворения соответствующей доли карбидов для вторичной закалки без чрезмерного растворения карбидов MC ванадия. - Термомеханическая обработка (для ковки), которая улучшает дисперсию карбидов, улучшит прочность и износостойкость в обеих марках; M35 особенно выигрывает в приложениях, где требуется высокая прочность при нагреве.
4. Механические свойства
| Свойство | M2 (типично) | M35 (типично) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению (UTS) | ~1800–2400 МПа (в зависимости от термообработки) | ~1900–2500 МПа (в зависимости от термообработки) | UTS HSS сильно варьируется в зависимости от окончательной твердости и отпуска. |
| Предел текучести | Как правило, высокий, близкий к доле UTS | Похожий или немного выше | Предел текучести часто не указывается отдельно для HSS — зависит от микроструктуры. |
| Удлинение (A%) | Низкое: обычно 1–6% | Низкое: обычно 1–5% | Обе марки относительно хрупкие по сравнению со строительными сталями; M35 часто имеет немного меньшую пластичность из-за Co. |
| Ударная вязкость (Шарпи / качественная) | Умеренная для HSS; лучше, чем у вариантов с кобальтом | Немного снижена по сравнению с M2 (ниже прочность) | Прочность зависит от размера сечения, термообработки и распределения карбидов. |
| Твердость (HRC, типично после HT) | 60–66 HRC (в зависимости от применения) | 60–67 HRC (лучшее удержание при температуре) | M35 достигает аналогичной твердости при комнатной температуре, но лучше удерживает твердость при повышенных температурах резания. |
Интерпретация: M35 обычно обеспечивает незначительные улучшения в горячей твердости и износостойкости при повышенных температурах по сравнению с M2, но это происходит с небольшой потерей прочности и формуемости. Абсолютные механические показатели варьируются в зависимости от термообработки и размера сечения.
5. Сварка
Сварка быстрорежущих сталей ограничена высоким содержанием углерода и легирующих элементов; как M2, так и M35 требуют осторожных практик нагрева, чтобы избежать трещин.
Полезные эквиваленты углерода и индексы свариваемости (для качественной оценки): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Как M2, так и M35 имеют высокие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ по сравнению с мягкими сталями, что указывает на восприимчивость к трещинам, вызванным водородом, и мартенситной закалке в HAZ. - Кобальт не изменяет эквивалент углерода алгебраически, но увеличивает закаливаемость и стойкость к отпуску; это может сделать HAZ M35 более подверженным трещинам, если не проводить правильный предварительный и последующий нагрев. - Рекомендуемая практика: предварительный нагрев для минимизации тепловых градиентов, использование низководородных присадок/электродов, контроль температуры между проходами и выполнение соответствующей термообработки после сварки (PWHT) для отпуска мартенсита и снятия напряжений. По возможности избегайте сварки плавлением для сильно нагруженных инструментов — используйте пайку или механическое соединение для сборок.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни M2, ни M35 не являются нержавеющими; обе марки подвержены окислительной коррозии и загрязнению поверхности в влажных или коррозионных средах.
- Распространенные методы защиты: защитные покрытия (PVD, CVD, TiN, TiAlN), хромирование (где это уместно), нитрование для повышения твердости поверхности с ограниченной коррозионной защитой, оцинковка (для неинструментальных применений) и обычные краски или масла для хранения.
- Формула PREN для выбора нержавеющих сталей не применима к M2/M35, поскольку коррозионная стойкость не является основной конструктивной особенностью этих богатых углеродом HSS: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Используйте поверхностную инженерию (покрытия, нитрование, PVD) для продления срока службы инструмента в коррозионных или адгезионных условиях износа.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: Оба сплава труднее обрабатывать, чем углеродные стали. M35 обычно обрабатывается немного хуже, чем M2, потому что кобальт увеличивает прочность и, как правило, снижает обрабатываемость и увеличивает износ инструмента в процессе формовки.
- Резка/формование: Холодная формовка или изгиб являются сложными; горячая обработка требует тщательного контроля и промежуточного отжига. Заготовки для режущих инструментов часто шлифуются, а не сильно обрабатываются.
- Обработка поверхности: Оба могут быть отшлифованы до тонких отделок; M35 может требовать более агрессивных параметров шлифования из-за более высокой горячей твердости и прочности карбидов.
- Электроэрозионная обработка и шлифование являются распространенными методами изготовления готовых инструментов.
8. Типичные применения
| M2 (типичные применения) | M35 (типичные применения) |
|---|---|
| Универсальные фрезы, сверла, метчики, развертки для умеренных температур резания | Высокопроизводительные режущие инструменты, метчики, сверла для высокоскоростной обработки при повышенных температурах |
| Броши, формовочные инструменты, матрицы для холодной обжимки | Инструменты для горячей обработки, где красная твердость улучшает срок службы (но не полная горячая сталь) |
| Инструменты для коротких и умеренных серий, где стоимость является фактором | Высокий объем, высокотемпературная резка, где более длительный срок службы инструмента оправдывает более высокую стоимость материала |
| Зубья пил, фрезы для зубчатых колес | Инструменты для прерывистой резки и сверления в труднообрабатываемых сплавах при повышенных температурах |
Обоснование выбора: Выбирайте M2, когда стоимость, умеренная горячая твердость и разумная прочность являются основными; выбирайте M35, когда операции создают устойчивые повышенные температуры резания, и дополнительная горячая твердость, обусловленная кобальтом, обеспечивает более длительный срок службы, который оправдывает стоимость.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: M35 обычно дороже, чем M2, потому что кобальт является дорогим легирующим добавлением, а поставки более ограничены. Ожидайте, что стоимость материала для M35 будет заметно выше на килограмм.
- Доступность: M2 является одной из самых распространенных марок HSS и широко доступна в виде прутков, заготовок и форм инструментов. M35 также обычно доступен, но может иметь более длительные сроки поставки или премиум-цены для определенных форм продуктов и больших размеров.
- Формы продуктов: Оба поставляются в виде отожженных прутков, шлифованных заготовок и специализированных форм; M35 может чаще специфицироваться как предварительно закаленные и шлифованные заготовки инструментов для снижения усилий по изготовлению.
10. Резюме и рекомендации
| Атрибут | M2 | M35 |
|---|---|---|
| Сварка | Плохая (сложная) | Плохая до немного хуже (более закаливаемая) |
| Баланс прочности и прочности | Хороший баланс для общего HSS | Более высокая горячая твердость, немного меньше прочности |
| Стоимость | Ниже (более экономично) | Выше (премия из-за Co) |
Рекомендации: - Выбирайте M2, если вам нужна экономичная, универсальная HSS с хорошей прочностью для резки или формовки на обычных скоростях и температурах. M2 подходит, когда шлифовка и повторная заточка возможны и когда тепловые нагрузки умеренные. - Выбирайте M35, если ваше применение постоянно подвергает инструменты высоким температурам резания или требованиям к красной твердости (высокоскоростная обработка трудных сплавов, непрерывная высокотемпературная резка) и дополнительный срок службы инструмента оправдывает более высокие затраты на материал и обработку.
Заключительная заметка: При спецификации любой марки указывайте ожидаемые условия эксплуатации (скорости резания, условия охлаждения/смазки, толщина сечения и любые требования после сварки), чтобы термообработка, обработка поверхности и закупка могли быть оптимизированы для стоимости жизненного цикла, а не только для номинальной стоимости материала.