SKH9 против M2 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между двумя очень похожими быстрорежущими сталями для резки, формовки и износостойкого инструмента: сталю, обозначенной по стандарту JIS, и широко упоминаемой сталю AISI/SAE. Проблема выбора обычно сосредоточена на спецификациях поставки и соблюдении стандартов, а также на требованиях к обработке и постсварочным условиям — компромиссы между доступностью, практикой термообработки и стоимостью вторичной обработки часто определяют решение, а не значительные различия в базовой производительности.

Обе марки являются быстрорежущими сталями, предназначенными для горячей обработки режущих инструментов и холодной/горячей механической обработки. Их часто сравнивают, потому что их номинальные химические составы и полученные свойства сильно пересекаются: одна предоставляется по японской национальной спецификации, а другая — по североамериканским/международным конвенциям по сталям для инструментов. На практике решающими факторами являются соответствие стандартам, инструкции по термообработке и доступность форм, а не существенные металлургические различия.

1. Стандарты и обозначения

• AISI/SAE/ASTM: AISI/SAE M2 (общепринятая международная ссылка для этого типа быстрорежущей стали; часто упоминается в листах данных по сталям ASTM).
• JIS: SKH9 (японский промышленный стандарт для эквивалентной быстрорежущей стали).
• EN/DIN: Существуют сопоставимые обозначения EN/DIN (обычно представлены как HS6-5-2 или аналогичные марки сталей EN; точная маркировка EN варьируется в зависимости от страны и конкретной семейства сплавов).
• GB (Китай): Китайские стандарты перечисляют инструментальные стали с аналогичными химическими составами (разные номера/обозначения).
• Классификация: как SKH9, так и M2 являются быстрорежущими сталями (HSS), т.е. сталями для инструментов/сплавами, разработанными для красной твердости, износостойкости и прочности при повышенных температурах. Они не являются нержавеющими сталями.

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица перечисляет типичные диапазоны составов для каждой марки. Значения представлены как типичные диапазоны; фактический сертифицированный анализ следует получать от завода или поставщика для закупки и приемочного тестирования.

Примечания: - Обе марки легированы относительно высоким содержанием W и Mo для горячей твердости и сложного образования карбидов; V способствует образованию твердых, стабильных карбидов типа MC, которые улучшают износостойкость. - Неорганические элементы (Nb, Ti, B, N) обычно находятся на следовых уровнях или не добавляются намеренно, за исключением специализированных вариантов (например, порошковая металлургия или модифицированные HSS). - Стратегия легирования акцентирует внимание на высокой закаливаемости и стабильных карбидах, а не на коррозионной стойкости: высокое содержание W/Mo + Cr + V дает сложные карбиды M6C/M2C и MC для износостойкости и красной твердости.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичная микроструктура: - Как SKH9, так и M2 развивают закаленные матрицы мартенсита, содержащие распределение твердых карбидов: сложные карбиды, богатые вольфрамом и молибденом (часто описываемые как типы M6C/M2C) и карбиды MC, богатые ванадием. Размер и распределение карбидов сильно зависят от плавления, затвердевания и практики ковки/прокатки.

Поведение при термообработке: - Аустенитизация: Быстрорежущие стали требуют высоких температур аустенитизации для растворения необходимой доли карбидов и получения желаемого углерода в матрице в растворе. Типичные диапазоны аустенитизации для этой группы высоки (обычно в пределах $1180^\circ\text{C}$ до $1250^\circ\text{C}$), но точные температуры берутся из графиков термообработки поставщика. - Закалка: Для формирования мартенсита используется закалка в масле или газе; из-за высокого содержания легирующих элементов остаточный аустенит может быть значительным и часто контролируется криогенной обработкой, если требуется более низкий остаточный аустенит. - Отпуск: Множественные циклы отпуска (два или три) при промежуточных температурах (часто в диапазоне $520^\circ\text{C}$–$600^\circ\text{C}$, в зависимости от целевой твердости) стабилизируют матрицу и осаждают вторичные карбиды. График отпуска определяет окончательный компромисс между твердостью и прочностью. - Нормализация/отжиг: Для механической обработки или формовки используется мягкий отжиг (удержание при температуре для сфероидизации карбидов, медленное охлаждение), чтобы снизить твердость и улучшить обрабатываемость.

Различия: - Металлургически обе марки реагируют очень похоже. Различия, наблюдаемые на практике, обычно возникают из-за специфической обработки (маршрут плавления, ковка/прокатка, графики отжига/нормализации) и рекомендаций по термообработке от поставщика, а не из-за внутреннего составного контраста.

4. Механические свойства

Механические свойства быстрорежущих сталей зависят настолько сильно от термообработки, что цифры лучше всего приводить как типичные диапазоны для общих условий. Таблица ниже показывает представительные диапазоны для отожженного и закаленного & отпущенного состояния.

Интерпретация: - Как SKH9, так и M2 могут быть закалены до высоких значений HRC, типичных для HSS (60–67 HRC), с соответствующей очень высокой прочностью на разрыв и низкой пластичностью. - Отожженный материал обрабатываем и значительно прочнее/более пластичен, чем закаленное состояние. - Различия в прочности и прочности между SKH9 и M2 в эквивалентных условиях термообработки, как правило, небольшие; практическая производительность будет отражать распределение карбидов и выполнение термообработки.

5. Сварка

Быстрорежущие стали с относительно высоким содержанием углерода и легирующих элементов изначально плохо свариваются или требуют сложных условий сварки. Два часто используемых предсказателя свариваемости по составу:

• Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (Dai): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - Как SKH9, так и M2 имеют относительно высокие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ из-за их содержания углерода, хрома, молибдена, вольфрама и ванадия. Это указывает на высокую закаливаемость и восприимчивость к холодным трещинам и образованию хрупкого мартенсита в зоне термического влияния. - Практические последствия: сварка быстрорежущих сталей требует строгого предварительного подогрева, контролируемой температуры межпроходного шва, использования соответствующих/совместимых filler materials и постсварочного отпуска. Для критического инструмента сварка часто избегается в пользу пайки, механического соединения или полной переработки заменяющих заготовок. - Если сварка необходима, проконсультируйтесь с техническими условиями сварки поставщика и выполните квалификационные сварки с полной постсварочной термообработкой.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни SKH9, ни M2 не являются нержавеющими сплавами. Коррозионная стойкость ограничивается той, которую обеспечивает содержание Cr, но недостаточна для воздействия агрессивных сред.
• Общие стратегии защиты: покраска, покрытие, покрытия с паровым осаждением (TiN, TiAlN), нитридирование, дробеструйная обработка или оцинковка для неинструментальных применений. Для резательных и формовочных инструментов поверхностная инженерия (покрытия, упрочнение поверхности) является основным методом защиты и увеличения износостойкости.
• PREN не применим к этим не нержавеющим инструментальным сталям, но для ясности индекс коррозии нержавеющей стали: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Используйте коррозионно-стойкие марки (нержавеющие инструментальные стали или другие сплавы), когда коррозионная стойкость является основным требованием; в противном случае защищайте HSS с помощью покрытий и контролируемого хранения.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: В отожженном (мягком) состоянии обе марки достаточно обрабатываемы для грубой и тонкой обработки. В закаленном состоянии шлифование и EDM являются типичными методами формовки.
• Резка и шлифование: Высокое содержание легирующих элементов и твердые карбиды увеличивают абразивный износ на резательных/шлифовальных инструментах; используйте алмазные или CBN инструменты, где это уместно для высокой производительности.
• Формуемость: Холодная формовка ограничена; горячая формовка или механическая обработка заготовок является стандартной практикой. Сгибание/формовка отожженного материала возможно, но риск пружинистости и трещин увеличивается с содержанием углерода/легирующих элементов.
• Обработка поверхности: Полировка и адгезия покрытия выигрывают от контролируемого распределения карбидов и хорошей практики термообработки.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Обе марки выбираются за износостойкость и горячую твердость. Выбирайте на основе местной доступности, требуемой сертификации (JIS против AISI/ASTM) и того, ожидают ли downstream-поставщики материал в одной спецификации или в другой. - Для экстремального износа или специализированных свойств рассмотрите порошковую металлургию HSS или заменители карбидов.

9. Стоимость и доступность

• Факторы стоимости: рыночные цены на вольфрам и молибден, метод производства (традиционный литье против порошковой металлургии) и требования к сертификации/прослеживаемости.
• Доступность: M2 широко распространена и широко хранится международными дистрибьюторами; SKH9 распространена в регионах, где JIS является нормой закупки, и может быть предпочтительна для местных заводов.
• Формы продукции: обе доступны в виде прутков, заготовок и листов инструментальной стали; варианты PM-M2 (порошковая металлургия) имеют премиум-цену, но предлагают улучшенную прочность и равномерное распределение карбидов.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное):

Рекомендация: - Выбирайте SKH9, если вам требуется соблюдение японских национальных стандартов, вы закупаете в цепочках поставок, которые указывают обозначения JIS, или если поставщик предоставляет индивидуальные инструкции по термообработке и сертификации, которые соответствуют вашему процессу. - Выбирайте M2, если вам нужна широко признанная международная марка с широкой доступностью на downstream, стандартной документацией AISI/ASTM и более легким источником от глобальных дистрибьюторов. M2 часто является предпочтительным выбором, когда важна трансграничная закупка или многопоточность поставок.

Заключительная заметка: Металлургически SKH9 и M2 по сути эквивалентны быстрорежущим сталям; различия в производительности в эксплуатации обычно обусловлены термообработкой, контролем карбидов, маршрутом производства и обработкой поверхности, а не фундаментально различной химией. Для критических инструментальных приложений получайте сертификаты завода, требуйте инструкции по термообработке от поставщика и квалифицируйте фактическую производительность партии с помощью тестирования на твердость, микроструктуру и, при необходимости, тестирования на прочность.