M35 против M42 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
M35 и M42 — две широко используемые быстрорежущие стали (HSS), которые часто рассматриваются в качестве альтернатив при выборе режущего инструмента, сверл, метчиков и износостойких компонентов инженерами и специалистами по закупкам. Основная дилемма выбора обычно связана с компромиссами между горячей твёрдостью и износостойкостью с одной стороны, и вязкостью, обрабатываемостью и стоимостью — с другой. В кратком изложении: одна марка акцентирует внимание на твёрдости и износостойкости при высокой температуре, а другая обеспечивает выгодный баланс вязкости и рабочих характеристик при более низкой стоимости.
Поскольку обе марки относятся к серии быстрорежущих сталей на основе молибдена и вольфрама и содержат кобальт, их часто сравнивают для ответственных задач металлообработки, где важна долговечность инструмента при нагреве и прерывистом резании. В данной статье анализируются стандарты, состав, микроструктура, поведение при термообработке, механические свойства, свариваемость, коррозионная стойкость и защита поверхности, особенности изготовления, типичные области применения, стоимость и рекомендации по выбору.
1. Стандарты и обозначения
- Распространённые стандарты и обозначения для этих марок:
- AISI/SAE: M35, M42 (часто используются в Северной Америке)
- DIN/EN: часто ссылаются на HSxV или аналогичные обозначения быстрорежущих сталей (точные кросс-ссылки уточняйте в соответствующих таблицах стандартов)
- JIS: применяются другие коды быстрорежущих сталей; см. JIS G4305 и документацию поставщиков
- GB (Китай): указаны как китайские быстрорежущие стали с локальными номерами марок
- Классификация:
- Обе марки являются инструментальными сталями — в частности быстрорежущими сталями (HSS).
- Это легированные инструментальные стали, а не нержавеющие или конструкционные стали с низким содержанием легирующих элементов (HSLA).
2. Химический состав и стратегия легирования
В таблице приведены типичные диапазоны содержания ключевых элементов, принятые для производства и закупок; точные значения зависят от стандарта и производителя.
| Элемент | M35 (типичный диапазон, мас.%) | M42 (типичный диапазон, мас.%) |
|---|---|---|
| С | 0.80–0.95 | 0.95–1.15 |
| Mn | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Si | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | ~3.5–5.0 | ~3.5–4.5 |
| Ni | — (следы) | — (следы) |
| Mo | ~4.5–5.5 | ~8.0–10.0 |
| W | ~5.5–7.0 | ~1.0–2.0 |
| V | ~1.5–2.5 | ~1.0–1.6 |
| Co | ~4.5–6.0 | ~7.5–9.0 |
| Nb, Ti, B, N | Следы или контролируемые примеси | Следы или контролируемые примеси |
Влияние легирующих элементов на свойства:
- Углерод: определяет твёрдость мартенсита и объём карбидов; повышение содержания углерода увеличивает отпускную твёрдость, но может снизить вязкость и свариваемость.
- Хром: повышает сопротивляемость отпуску, закаливаемость и в малой степени коррозионную стойкость.
- Молибден и вольфрам: способствуют вторичному упрочнению и горячей твёрдости; в M42 содержание молибдена особенно высоко для поддержания твёрдости при высоких температурах.
- Ванадий: образует стабильные ванадиевые карбиды, улучшающие износостойкость и сохранение режущей кромки.
- Кобальт: повышает красностойкость (горячую твёрдость) и тепловую стабильность матрицы; большее содержание кобальта в M42 улучшает эксплуатационные характеристики при высокой температуре за счёт ухудшения обрабатываемости и увеличения стоимости.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры:
- В обеих марках после соответствующей термообработки получают твёрдую мартенситную матрицу с распределением легированных карбидов (богатых Cr, Mo/W и V).
- M35: мартенсит с равномерно распределёнными сложными карбидами (MC, M6C, M23C6). Присутствие ~5% Co увеличивает стабильность матрицы и горячую твёрдость без существенных изменений типов карбидов по сравнению с семейством M2/M35.
- M42: более высокое содержание Mo и Co увеличивает количество и стабильность Mo- и кобальт-содержащих карбидов, а также усиливает вторичное упрочнение; матрица лучше противостоит отпускному размягчению при высоких температурах.
Реакция на термообработку:
- Обычная последовательность: предварительный нагрев(и) → закалка (аузенитизация при высокой температуре) → охлаждение (масло/воздух в зависимости от размера) → многоступенчатый отпуск для достижения требуемой твёрдости и вязкости.
- M35: температуры аустенитизации обычно в диапазоне для быстрорежущих сталей (примерно 1180–1220 °C, зависит от производителя), затем маслоохлаждение и отпуск. Хорошее сочетание твёрдости и вязкости при правильном отпуске.
- M42: требует осторожной аустенитизации для растворения необходимых карбидов для вторичного упрочнения (температуры зависят от сорта). M42 выгодно подвергается контролируемым высокотемпературным циклам отпуска для выделения вторичных карбидов, обеспечивающих исключительную горячую твёрдость.
Термо-механическая обработка:
- Кузнечная ковка и контролируемое прокатка с последующей нормализацией улучшают размер зерна и распределение карбидов для обеих марок. Высокое содержание легирующих элементов в M42 требует контроля микроструктуры, чтобы избежать избыточного остаточного аустенита и оптимизировать дисперсию карбидов.
4. Механические свойства
Механические свойства сильно зависят от термообработки и сечения детали. В таблице представлены типичные показатели закаленной стали с отпуском в качественных и практических числовых диапазонах твёрдости.
| Свойство | M35 | M42 |
|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву | Высокое (зависит от термообработки) — обычно сопоставимо с семейством HSS | Очень высокое при аналогичной твёрдости (поддерживает резание при больших нагрузках) |
| Предел текучести | Высокий; зависит от термообработки | Очень высокий; повышенная прочность при высоких температурах по сравнению с M35 |
| Относительное удлинение | Средне-низкое (для инструментальных сталей) | Чуть ниже, чем у M35 при равной твёрдости |
| Ударная вязкость | Лучше, чем у M42 (более «прощает» нагрузки) | Ниже, чем у M35 при той же твёрдости из-за более высокого содержания легирующих элементов |
| Твёрдость (HRC, типично после закалки и отпуска) | ~62–65 HRC | ~66–69 HRC (высокая горячая твёрдость) |
Интерпретация:
- Прочность и горячая прочность: M42 обычно обеспечивает более высокую остаточную твёрдость и прочность при повышенных температурах резания благодаря большему содержанию Mo и Co и выделению вторичных карбидов.
- Вязкость и пластичность: M35 чаще более вязкий и менее хрупкий, чем M42 при аналогичных твёрдостях, что делает его предпочтительным для условий с ударными или прерывистыми нагрузками.
- Твёрдость: M42 в целом достигает и сохраняет более высокую твёрдость, особенно при высоких температурах.
5. Свариваемость
Свариваемость быстрорежущих сталей ограничена по сравнению с углеродистыми конструкционными сталями. Ключевые факторы – содержание углерода, закаливаемость и микроэлементы легирования.
Распространённые индексы свариваемости (для оценки):
- Эквивалент углерода (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Pcm (для оценки риска межкристаллитной трещинообразования при сварке):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация:
- M35: среднее содержание углерода и кобальта; для предотвращения холодных трещин и восстановления вязкости требуется предварительный подогрев, контроль температуры между швами и послесварочная термообработка. Следует использовать сварочные материалы и технологии, адаптированные для быстрорежущих сталей.
- M42: более высокое содержание углерода и легирующих элементов (особенно Mo и Co) увеличивает закаливаемость и склонность к трещинообразованию и образованию твёрдых и хрупких зон термического влияния. Сварка M42 более сложна и зачастую нежелательна без острой необходимости; при необходимости обязательны строгий подогрев, низкий тепловложение и циклы отпуска.
- В обоих случаях для ответственных частей быстрорежущих сталей обычно предпочтительны пайка или механические соединения вместо сварки плавлением.
6. Коррозионная стойкость и защита поверхности
- Ни M35, ни M42 не являются нержавеющими сталями; коррозионная стойкость умеренная и в основном обеспечивается содержанием хрома.
- Типичные методы защиты поверхности для не нержавеющих инструментальных сталей:
- Защитные покрытия: TiN, TiCN, AlTiN (физическое осаждение из пара) для повышения износостойкости и снижения прилипания.
- Химические/гальванические покрытия: не типичны для режущего инструмента, но возможны для оснастки — оцинковка редко применяется для быстрорежущих инструментов.
- Лаки и пассивация: применяются преимущественно для корпусов и не режущих компонентов.
- PREN (число эквивалента сопротивления питтинговой коррозии) неприменимо для этих не нержавеющих инструментальных сталей:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
7. Изготовление, обрабатываемость и свариваемость
- Обрабатываемость:
- M35: Обрабатываемость средняя для быстрорежущей стали; присутствие кобальта несколько снижает обрабатываемость, но обеспечивает вязкость и горячую твёрдость.
- M42: Обрабатываемость ниже, чем у M35, из-за повышенного содержания кобальта и молибдена, а также более высокого содержания углерода — ожидаются более жёсткие условия обработки перед окончательной термообработкой.
- Шлифование и финишная обработка: Для обработки в закалённом состоянии обе марки требуют алмазного или CBN-шлифования. Твёрдость M42 требует более прочных абразивных систем и меньшей скорости съёма материала.
- Обработка и гибка: Как инструментальные стали, обе марки плохо поддаются холодной деформации в закалённом состоянии. Обычно применяют горячую деформацию или ковку в отожженном состоянии; окончательная обработка обычно завершается до закалки.
- Поверхностная отделка: Покрытия (PVD/CVD) обычно наносятся после термообработки для улучшения износостойкости и снижения трения.
8. Типичные области применения
| M35 (типичные применения) | M42 (типичные применения) |
|---|---|
| Высокопрочные метчики, сверла, фрезы для универсальной обработки, где важна вязкость | Высокоскоростные фрезы, протяжки, долгоживущие сверла и пильные полотна, где критична износостойкость при повышенных температурах |
| Формовочные инструменты и некоторые штампы для холодной обработки | Инструменты для высокоскоростного производства, прерывающихся резов и труднообрабатываемых сплавов |
| Универсальный инструмент из быстрорежущей стали с балансом цена/качество | Специальные инструменты, требующие высокой горячей твёрдости и стойкости режущей кромки при высоких температурах |
Обоснование выбора - Выбирайте M35, если требуется баланс вязкости, разумной горячей твёрдости и более низкой стоимости; идеально подходит для прерывистых резов и случаев с возможными ударными нагрузками. - Выбирайте M42, если приоритетом является срок службы инструмента при высоких скоростях резания и повышенных температурах, особенно для непрерывной высокоскоростной обработки сложных материалов или при необходимости минимизировать частоту переточки.
9. Стоимость и наличие
- Стоимость: M42 обычно дороже M35 из-за более высокого содержания легирующих элементов (особенно кобальта и молибдена) и более сложной обработки. Ожидайте более высокую цену за килограмм и за инструмент у M42.
- Наличие: M35 широко доступна в стандартных формах (круглые прутки, полосы, заготовки для инструмента). M42 доступна, но ассортимент размеров и сроки поставки могут быть ограничены; многие поставщики ориентируются на рынки высокопроизводительного инструмента. Финишные и покрытые инструменты обеих марок часто предлагаются специализированными производителями.
10. Резюме и рекомендации
| Свойство | M35 | M42 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (но требует осторожности) | Сложнее; высокий риск без строгих процедур |
| Баланс прочности и вязкости | Хорошая вязкость при высокой твёрдости | Выше горячая прочность и износостойкость; сложнее поддерживать вязкость |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Выбирайте M35, если… - Вам нужна экономичная быстрорежущая сталь с хорошей вязкостью для прерывистых резов, срок службы важен, но не доминирует износ при высоких температурах, и достаточно умеренной твёрдости при нагреве. - Планируется сварка, ремонт или модификации на месте с относительно простой последующей обработкой поверхности после сварки.
Выбирайте M42, если… - Главные требования — превосходная стойкость режущей кромки и высокая горячая твёрдость при высоких скоростях резания или в условиях тяжёлого производства с преобладанием высоких температур и абразивного износа. - Важна длительность службы инструмента между переточками, и бюджет позволяет более высокие первоначальные затраты на инструмент.
Практическое заключение Указывайте марку вместе с ожидаемыми условиями термообработки, размером сечения детали и условиями эксплуатации. Для критичных инструментов запрашивайте у поставщиков образцы с термообработкой, рекомендуемые режимы отпуска и варианты покрытий. Эти детали часто оказывают значительно большее влияние на работу инструмента, чем незначительные различия в составе.