M2 против M42 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Высокоскоростные стали M2 и M42 — одни из наиболее часто используемых марок для режущего инструмента, сверл, плашек, фрез и другого инструмента, где на работу влияют твёрдость, износостойкость и термическая стабильность. Инженеры, менеджеры по закупкам и производственные планировщики часто сталкиваются с выбором: приобрести более недорогую универсальную марку с хорошей вязкостью и износостойкостью при умеренных температурах или заплатить больше за марку, сохраняющую твёрдость и износостойкость при более высоких температурах резания.
Основное практическое различие между этими двумя марками заключается в стратегии легирования: одна делает упор на более высокое содержание тугоплавких карбидообразующих элементов (W, Mo, V) с сбалансированной вязкостью, в то время как другая содержит значительное количество кобальта для повышения горячей твёрдости и красной твёрдости. Это ведёт к разному поведению при термообработке, эксплуатационным характеристикам при горячей обработке и области применения — особенно при высокоскоростной, высокотемпературной обработке и абразивных условиях.
1. Стандарты и обозначения
- Основные международные обозначения и стандарты, в которых встречаются эти марки:
- AISI / SAE: M2, M42 (широко применяемые коммерческие марки).
- ASTM / ASME: спецификации инструментальных сталей и стандартные продукции часто ссылаются на обозначения AISI.
- EN / DIN / JIS / GB: существуют эквиваленты по национальным стандартам (типичные обозначения высокоскоростных сталей EN/DIN или местные номера марок), но точные цифровые соответствия зависят от издателя и производителя.
- Классификация: M2 и M42 — это высокоскоростные инструментальные стали (HSS), то есть легированные инструментальные стали, предназначенные для сохранения твёрдости при повышенных температурах, а не нержавеющие стали или стали с повышенной прочностью. Они относятся к инструментальным сталям для резания и штамповки, а не к конструкционным сталям.
2. Химический состав и стратегия легирования
В таблице ниже приведены типичные диапазоны содержания элементов для каждой марки. Точные пределы зависят от стандарта изготовления или поставщика; приведённые данные являются репрезентативными для коммерческой практики.
| Элемент (мас.%) | Типичный M2 (приведённый) | Типичный M42 (приведённый) |
|---|---|---|
| C | 0.85–1.05 | 0.80–1.05 |
| Mn | 0.15–0.40 | 0.15–0.35 |
| Si | 0.15–0.45 | 0.15–0.40 |
| P | ≤0.03 (примеси) | ≤0.03 (примеси) |
| S | ≤0.03 (примеси) | ≤0.03 (примеси) |
| Cr | 3.8–4.5 | 3.5–4.5 |
| Ni | ≤0.25 (примеси) | ≤0.3 (примеси) |
| Mo | 4.5–5.5 | ≈0.5–1.5 |
| V | 1.8–2.2 | 0.4–1.0 |
| W (вольфрам) | 6.0–6.75 | 8.5–10.5 |
| Co (кобальт) | ≤0.5 (часто отсутствует) | ≈7.5–9.0 |
| Nb, Ti, B, N | Примеси или не указаны | Примеси или не указаны |
Как легирование влияет на свойства: - Углерод вместе с карбидообразующими элементами (W, Mo, V) формируют твёрдые, износостойкие карбиды. Повышенное содержание W и V увеличивает объём и стабильность карбидов, улучшая износостойкость. - Значительное содержание кобальта в M42 не образует карбидов, но повышает прочность безкарбидной матрицы при повышенных температурах (горячая твёрдость), улучшая красную твёрдость и срок службы режущей кромки при тепловых нагрузках. - Хром в небольших количествах способствует сопротивлению отпуску и коррозионной стойкости высокоскоростных сталей; молибден и вольфрам увеличивают закаливаемость и прочность при высоких температурах. - Ванадий улучшает распределение карбидов и повышает сопротивляемость абразивному износу и стабильность режущей кромки.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичная микроструктура - В отожженном состоянии обе марки имеют отпущенномартенситную или мартенситно-ферритную матрицу с дисперсией первичных и вторичных карбидов (карбиды типов MC, M6C в зависимости от состава и охлаждения). - M2 формирует смесь, богатую молибдено-вольфрамовыми и ванадиевыми карбидами (твёрдыми, равномерно распределёнными VC, M6C). - M42 содержит аналогичный набор карбидов, но обычно с большей долей вольфрамистых карбидов и более мелкими вторичными карбидами; матрица укреплена эффектом твёрдого раствора кобальта при высокой температуре.
Реакция на термообработку - Стандартная последовательность: отпуск (аустенитизация) → закалка → многоступенчатый отпуск. M2 обычно аустенитизируется при несколько более низких температурах, чем M42 (точные температуры зависят от поставщика) и отпускается для достижения баланса твёрдости и вязкости. - Для M42 требуется тщательный контроль температуры аустенитизации и отпуска, поскольку содержание кобальта повышает остаточную твёрдость при отпускных температурах и влияет на отклик при отпуске; обычно производится отпуск при более высоких температурах для достижения красной твёрдости с минимальным переотпуском. - Термомеханическая обработка (для заготовок или инструментальных сталей с кованой структурой) может улучшить распределение карбидов, повышая вязкость. Высокий объём карбидов и содержание кобальта в M42 требует строгого контроля кристаллизации карбидов, чтобы избежать локальной хрупкости.
4. Механические свойства
Механические свойства инструментальных сталей сильно зависят от термообработки (температуры аустенитизации, среды охлаждения, режима отпуска). В таблице ниже приведено сравнение типичных качественных и репрезентативных значений твёрдости после рекомендованной закалки и отпуска для резцовых инструментов.
| Свойство | M2 (типично после термообработки для резки) | M42 (типично после термообработки для резки) |
|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву | Высокое (зависит от применения) | Сравнимое или выше (зависит от применения) |
| Предел текучести | Высокий (зависит от режима термообработки) | Сравнимый или слегка выше при повышенных температурах |
| Относительное удлинение | Низкое до умеренного (инструментальные стали) | Низкое до умеренного |
| Ударная вязкость | Умеренная для HSS (лучше, чем у марок с высоким содержанием кобальта) | Слегка ниже, чем у M2 при комнатной температуре (больше карбидов) |
| Твёрдость (HRC) | ~62–66 HRC (в зависимости от отпуска) | ~63–68 HRC (сохраняет твёрдость при более высоких температурах) |
Интерпретация: - Обе стали являются очень твёрдыми после правильной термообработки; M42 обычно лучше сохраняет твёрдость с повышением температуры (лучшая горячая и красная твёрдость) благодаря упрочняющему влиянию кобальта и стабильным карбидам. - M2 часто обладает несколько лучшей вязкостью при комнатной температуре при сопоставимой твёрдости, что делает её менее хрупкой при прерывистом резании или динамических нагрузках. - Для выбора HSS инструмента значения временного сопротивления и предела текучести используются реже; более важны твёрдость и вязкость при предполагаемых рабочих температурах.
5. Свариваемость
Свариваемость высокоскоростных сталей обычно ограничена и требует тщательного предварительного подогрева, контроля температуры межслойного пространства и последующей термообработки для предотвращения трещин и потери свойств. - Основные факторы, влияющие на свариваемость: эквивалент углерода (закаливаемость от легирования), карбиды легирующих элементов и микроэлементы, способствующие повышению закаливаемости или сегрегации. - Полезные формулы для оценки (качественное руководство): - IIW эквивалент углерода: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Параметр углеродно-марганцевого типа Международного института труб: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Качественная интерпретация: - M2 и M42 имеют относительно высокие $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ по сравнению с малоуглеродистыми или низколегированными сталями из-за карбидов и содержания легирующих элементов; обе трудно свариваются методом плавления без специальных процедур. - M42 обычно более сложна в сварке, чем M2: больший объём карбидов и наличие кобальта увеличивают риск трещин и ухудшают свойства в зоне термического влияния. Часто требуются предварительный нагрев, низкие тепловые воздействия и отпуск или отжиг после сварки. - Для многих инструментальных применений предпочтительнее пайка или механическое крепление вместо сварки; при необходимости сварки следует консультироваться с поставщиком стали по подбору присадочного материала и квалифицированной технологии сварки.
6. Коррозионная стойкость и защита поверхности
- Как быстрорежущие стали без нержавеющих свойств, ни M2, ни M42 по своей природе не устойчивы к коррозии. Выбор редко основывается на коррозионной стойкости базового металла; вместо этого применяются методы поверхностной защиты и покрытия.
- Распространённые методы защиты:
- Твёрдые покрытия (PVD, CVD: TiN, TiAlN, AlTiN), наносимые на режущие кромки для уменьшения износа и снижения химического взаимодействия при высоких температурах.
- Гальваническое покрытие, пассивация или покраска используются реже для режущего инструмента; для инструментов, работающих во влажной или агрессивной среде, обычны контролируемое хранение и смазка.
- Для нержавеющих сталей применяется индекс PREN (эквивалент устойчивости к точечной коррозии): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Этот индекс неприменим к M2 и M42, поскольку ни одна из них не является нержавеющим сплавом с содержанием Cr, Mo или N, направленным на коррозионную стойкость.
7. Изготовление, Обрабатываемость и Формуемость
- Обрабатываемость:
- В отожженном (мягком) состоянии обе стали можно обрабатывать с использованием стандартного инструмента; как правило, M2 обрабатывается легче, чем M42 в отожженном состоянии.
- В закалённом состоянии обе труднообрабатываемы; M42 обычно твёрже за счёт более высокого содержания карбидов и прочности матрицы, связанной с кобальтом, что снижает обрабатываемость по сравнению с M2.
- Шлифование и доводка:
- Обе хорошо поддаются прецизионному шлифованию; для доводки закалённого инструмента часто применяются алмазные или CBN (кубический нитрид бора) круги. Необходима правильная правка и использование соответствующих СОЖ.
- Формуемость:
- Как марки быстрорежущих сталей, ни одна из них не предназначена для холодной штамповки листа; ковка или горячая обработка возможны для заготовок в отожженном состоянии, но важен контроль карбидов и температуры. Более высокое содержание карбидов в M42 усложняет горячую ковку.
- Гибка/прессование:
- Не применимо для готовых инструментов; заготовки можно формовать в мягком состоянии с осторожностью.
8. Типичные области применения
| M2 — Типичные применения | M42 — Типичные применения |
|---|---|
| Инструменты общего назначения: сверла, метчики, фрезы для малоуглеродистых сталей и общих производственных задач | Высокопроизводительная обработка нержавеющих, жаропрочных сплавов и высокоскоростные операции |
| Фрезы, развертки, зубофрезы, где требуется баланс прочности и износостойкости | Высокоскоростные фрезы, метчики и профильный инструмент для абразивных и высокотемпературных условий |
| Режущие пластины для прерывистых резов с необходимостью сопротивления ударам | Инструменты для серийного производства при высоких скоростях резания и повышенных температурах режущей кромки, требующие высокой красной твёрдости |
| Полуавтоматы, зенковки, круги для прорезания многих распространённых материалов | Специализированный инструмент, где длительный срок службы оправдывает более высокую стоимость материала (например, непрерывные производственные циклы на трудных материалах) |
Причины выбора: - Выбирайте M2 для задач, требующих хорошей прочности, универсальности и низкой стоимости — особенно для инструментов общего назначения при умеренных рабочих температурах. - Выбирайте M42 при высоких температурах резания, обработке нержавеющих или жаропрочных сплавов, а также когда более длительный срок службы инструмента при высоких скоростях оправдывает более высокую стоимость материала и изготовления.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: M42 значительно дороже M2 из-за содержания кобальта и повышенного содержания вольфрама. Кобальт — дорогостоящий металл, существенно увеличивающий цену.
- Доступность по форме изделия:
- M2: широко доступен в виде прутков, шлифованных заготовок, режущих пластин и предварительно закалённого полуфабриката; многие производители поддерживают запасы M2.
- M42: доступен, но менее распространён; обычно применяется в премиальных заготовках и заказных партиях, может требовать более длительных сроков поставки или минимальных заказов.
- Особенности закупок: совокупная стоимость владения (срок службы инструмента, простой, затраты на повторную доводку) может сделать M42 экономически выгодным при больших объёмах производства или высоких температурах работы, несмотря на более высокую первоначальную стоимость.
10. Итоги и рекомендации
Таблица сравнительных характеристик (качественно):
| Характеристика | M2 | M42 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Средняя сложность; возможно сваривание с соблюдением технологии | Более сложная; кобальт и карбиды усложняют сварку |
| Баланс прочность–пластичность | Хороший баланс; сравнительно лучшая пластичность при комнатной температуре | Превосходная твёрдость при высоких температурах и износостойкость; некоторое снижение пластичности при комнатной температуре |
| Стоимость | Средняя / экономичная | Премиум (высокая стоимость материала) |
Заключительные рекомендации: - Выбирайте M2, если нужен экономичный быстрорежущий инструмент общего назначения для широкого спектра материалов и условий резания с умеренными скоростями и температурами, где важна устойчивость к ударам и нагрузкам. - Выбирайте M42, если процесс предполагает высокие скорости резания, длительное нагревание режущей кромки, обработку абразивных или труднообрабатываемых материалов (например, нержавеющих сталей, жаропрочных сплавов), а повышенная стоимость оправдана более долгим сроком службы инструмента и меньшими простоями.
Практические заметки: - Всегда уточняйте конкретный химический состав и рекомендуемые режимы термообработки у вашего поставщика материала или в стандарте партии, которую планируете купить — свойства быстрорежущих сталей сильно зависят от термообработки. - Для ответственных решений по инструменту рекомендуется провести короткое производственное испытание выбранной марки, чтобы оценить срок службы, время цикла и себестоимость детали, а не полагаться только на опубликованные характеристики.