SKH9 против M2 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
SKH9 и M2 — это два широко используемых быстрорежущих инструментальных стали, применяемых для режущих инструментов, сверл, метчиков, формовочных инструментов и износостойких компонентов. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с дилеммой выбора: основывать выбор на региональной стандартизации, тонких различиях в составе или соображениях цепочки поставок против конкретных целевых показателей производительности, таких как износостойкость, прочность или термостойкость.
Основное различие для выбора заключается в том, что SKH9 — это японское стандартное обозначение, а M2 — американское/международное обозначение для очень похожей семейства быстрорежущих сталей на основе вольфрама и молибдена. Их часто сравнивают, потому что они занимают одну и ту же нишу производительности (универсальная быстрорежущая инструментальная сталь) и часто взаимозаменяемы в конструкции — однако стандартное происхождение, допуски спецификаций и обработка поставщика могут повлиять на окончательный выбор.
1. Стандарты и обозначения
- M2: Обычно ссылаются на спецификации, основанные на AISI/ASM и ASTM/ASME (AISI M2; ASTM: часто упоминается в списках быстрорежущих сталей), широко используется в североамериканских и международных цепочках поставок.
- SKH9: Обозначение японского промышленного стандарта (JIS SKH9), используется по всей Японии и во многих азиатских цепочках поставок; также принимается на многих экспортных рынках.
- EN/ISO: Эквивалентные семейства в европейских нормах часто обозначаются как HS6-5-2-5 или аналогичные сорта быстрорежущих сталей на основе вольфрама и молибдена — эквивалентность приблизительна и зависит от конкретных диапазонов элементов.
- GB (Китай): Китайские стандарты имеют свои собственные обозначения, но обычно предоставляют прямые химические эквиваленты или перекрестные таблицы для сталей SKH и M-серии.
Классификация: как SKH9, так и M2 являются инструментальными сталями семейства быстрорежущих сталей (HSS) — легированные стали, специально разработанные для высокой твердости и красной твердости (сохранение твердости при повышенных температурах резания). Они не являются нержавеющими сталями и не являются сталями HSLA.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: типичные диапазоны состава (массовый %) для SKH9 и M2. Примечание: таблица перечисляет запрашиваемые элементы; вольфрам (W) является важным легирующим элементом для этих сортов, но не был одним из столбцов таблицы — его типичное содержание указано под таблицей.
| Элемент | SKH9 (JIS) типичный диапазон | M2 (AISI) типичный диапазон |
|---|---|---|
| C | 0.85–1.05 | 0.85–1.05 |
| Mn | 0.20–0.50 | 0.20–0.40 |
| Si | 0.15–0.40 | 0.20–0.45 |
| P | ≤0.03 | ≤0.03 |
| S | ≤0.03 | ≤0.03 |
| Cr | 3.75–4.50 | 3.75–4.50 |
| Ni | — (следы) | — (следы) |
| Mo | 4.50–5.50 | 4.50–5.50 |
| V | 1.70–2.20 | 1.70–2.20 |
| Nb | — | — |
| Ti | — | — |
| B | — | — |
| N | следы | следы |
Важное примечание: как SKH9, так и M2 также содержат значительную долю вольфрама (W), обычно в диапазоне примерно 5.5–6.75% (варьируется в зависимости от производителя). Вольфрам и молибден являются основными легирующими элементами, которые обеспечивают высокую горячую твердость и износостойкость в этой группе сталей. Небольшие добавки легирующих элементов, выходящие за пределы таблицы (следы Ti, Nb, B), могут присутствовать в конкретных плавках для контроля морфологии карбидов и размера зерна; такое микроалюминирование зависит от поставщика.
Как легирование влияет на свойства: - Углерод + сильные образователи карбидов (W, Mo, V, Cr) производят твердые интерметаллические карбиды, которые сопротивляются абразивному износу и позволяют закаливать до высокой твердости. - Хром и ванадий способствуют образованию твердых карбидов, улучшающих износостойкость и красную твердость. - Молибден и вольфрам улучшают поведение вторичного закаливания и поддерживают твердость при повышенных температурах (красная твердость режущего инструмента). - Кремний и марганец присутствуют в небольших количествах для дегазации и контроля прочности; их уровни также влияют на прочность и обрабатываемость.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - В отожженном состоянии обе стали показывают ферритную матрицу с сетью первичных и вторичных карбидов (сложные карбиды, включая M6C, MC, где M = W, Mo, V, Cr). - После аустенитизации и закалки микроструктура становится мартенситной с сохраненными карбидами; последующая отпускная обработка приводит к вторичному закаливанию из-за осаждения мелких легированных карбидов, что критично для высокотемпературной твердости HSS.
Реакция на термообработку: - Аустенитизация: Сравнимые диапазоны аустенитизации используются как для SKH9, так и для M2; температура и время контролируют растворение карбидов и распределение легирующих элементов. - Закалка: Масляная или принудительная закалка распространена; обе стали требуют контролируемого охлаждения, чтобы избежать трещин. - Отпуск: Множественные циклы отпуска при повышенных температурах приводят к вторичному закаливанию. Графики отпуска определяют конечную твердость (типичная HRC в 60-х для режущих инструментов) и баланс прочности. - Нормализация: Используется для уточнения размера зерна и гомогенизации микроструктуры перед окончательной закалкой; более распространена в производственной практике, чем в окончательном производстве для HSS. - Термомеханическая обработка: Практики поставщиков, такие как вакуумная плавка, электрошлаковая переплавка (ESR) или вакуумная индукционная плавка (VIM), улучшают чистоту и прочность; производители могут указывать эти маршруты плавки.
В целом, SKH9 и M2 реагируют очень похоже на стандартные циклы термообработки HSS; различия возникают из-за небольших допусков в составе и маршрутов производства стали, которые влияют на распределение карбидов и чистоту.
4. Механические свойства
Таблица: сравнительные качественные механические свойства (типичные, зависящие от термообработки)
| Свойство | SKH9 (типично после правильной термообработки HSS) | M2 (типично после правильной термообработки HSS) |
|---|---|---|
| Устойчивость к растяжению | Высокая (уровень HSS; зависит от термообработки) | Высокая (сравнимая с SKH9) |
| Устойчивость к текучести | Высокая (сравнимая с поведением при растяжении) | Высокая (сравнимая с SKH9) |
| Удлинение | Низкое до умеренного (хрупкость увеличивается с твердостью) | Низкое до умеренного (аналогично) |
| Ударная прочность | Умеренная до низкой (зависит от распределения карбидов и термообработки) | Умеренная до низкой (аналогично) |
| Твердость (рабочий отпуск) | Обычно в высоком диапазоне HRC (область инструментальной стали HSS) | Обычно в высоком диапазоне HRC (область инструментальной стали HSS) |
Примечания: - Числовые значения для прочности на растяжение, текучести и удара чрезвычайно чувствительны к точному графику термообработки, состоянию образца и морфологии карбидов; обе марки спроектированы для твердости и красной твердости, а не для пластичности. - На практике твердость (HRC) после соответствующей аустенитизации и множественных отпусков является наиболее часто указываемым свойством для режущих инструментов; как SKH9, так и M2 могут достигать HRC в низком и среднем диапазоне 60-х в зависимости от отпуска.
Интерпретация: Ни одна из марок не является категорически "сильнее" в терминах растяжения, когда подготовлена с эквивалентной термообработкой; ключевым отличием является распределение карбидов и чистота производства стали, что может немного склонять в пользу маршрута обработки одного производителя. Прочность обычно является компромиссом с твердостью; тщательный отпуск используется для достижения необходимого баланса.
5. Сварка
Сварка для быстрорежущих сталей обычно плохая по сравнению с низколегированными сталями из-за их высокого содержания углерода и сильных образующих карбид элементов, которые увеличивают закаливаемость и восприимчивость к трещинам.
Полезные предсказательные формулы (только качественная интерпретация): - Углеродный эквивалент (IIW) часто используется для оценки восприимчивости к холодным трещинам: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Формула Pcm является еще одним индексом свариваемости: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация: - Как SKH9, так и M2 имеют относительно высокие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ из-за C, Cr, Mo, V и W (W также увеличивает закаливаемость, но не входит в эти конкретные формулы). Следовательно, ожидайте высоких требований к предварительному нагреву, низких температур межпроходной сварки, чтобы избежать термического удара, и необходимости в постсварочной термообработке (PWHT) для снятия напряжений и отпуска мартенсита. - Типичная практика: избегать сварки быстрорежущих сталей, когда это возможно. Если сварка необходима, используйте контролируемый предварительный нагрев, процессы с низким тепловым вводом, соответствующие или специализированные filler metals и постсварочный отпуск для восстановления прочности. В качестве альтернативы, паяйте или механически соединяйте компоненты, где это возможно.
6. Коррозия и защита поверхности
- Как SKH9, так и M2 не являются нержавеющими сталями. Коррозионная стойкость в атмосферных или водных средах ограничена по сравнению с нержавеющими сортами.
- Типичные стратегии защиты: смазка, покраска, фосфатирование или оцинковка, где это уместно; для режущих инструментов коррозия обычно контролируется смазкой и хранением, а не покрытиями.
- PREN (эквивалентный номер устойчивости к образованию ямок) не применим, поскольку это не нержавеющие сорта: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Использование твердых покрытий (TiN, TiAlN, CrN, DLC) распространено для улучшения износостойкости поверхности и снижения коррозионного воздействия в процессе резания; покрытия также увеличивают производительность при повышенных температурах.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: В отожженном состоянии оба материала обрабатываются относительно легко; в закаленном состоянии они абразивны из-за карбидов. M2 обычно используется как инструментальная сталь и имеет хорошо задокументированные практики шлифования и отделки; SKH9 ведет себя очень похоже.
- Шлифование и отделка: Для закаленной HSS часто требуются алмазные или CBN шлифовальные круги, а контроль охлаждающей жидкости критически важен для предотвращения термического растрескивания.
- Формуемость/гибкость: Как и в большинстве инструментальных сталей, холодная формовка ограничена; горячая формовка возможна, но требует контролируемых термических циклов, чтобы избежать проблем с осаждением карбидов.
- Отделка поверхности: Полировка и адгезия покрытий ведут себя аналогично для обеих марок; процессы покрытия выигрывают от чистого субстрата и контролируемой подготовки поверхности.
8. Типичные применения
| SKH9 (типичные применения) | M2 (типичные применения) |
|---|---|
| Универсальные режущие инструменты в японских/азиатских спецификациях (сверла, метчики, фрезы, развертки) | Универсальные режущие инструменты в североамериканских/международных спецификациях (сверла, метчики, фрезы, развертки) |
| Формовочные и холодные рабочие инструменты, где требуются свойства HSS и обязательна спецификация JIS | Высокопроизводительные режущие инструменты и инструменты для станков, где указана ссылка на M2 по ASTM/AISI/ISO |
| Износостойкие компоненты, где требуется красная твердость HSS-класса | Широкие применения HSS в различных отраслях (авиастроение, инструментальная оснастка, штампы) |
Обоснование выбора: - Выбирайте на основе приоритета спецификации (клиент или контракт требует JIS или AISI/ASTM), источников цепочки поставок или конкретных заявлений поставщика (например, ESR, VIM для чистоты). - Обе марки выбираются для одних и тех же рабочих диапазонов: высокоскоростная резка, прочность при повышенных температурах и износостойкость.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: Обе марки имеют схожие цены, как основные быстрорежущие стали. Небольшие различия в стоимости возникают из-за региональной доступности, рыночных цен на вольфрам и молибден, а также маршрута производства стали (премии за продукцию ESR/VIM).
- Доступность по форме продукта: Бруски, заготовки и предварительно закаленные инструменты как в SKH9, так и в M2 широко доступны у специализированных поставщиков стали. Региональные предпочтения влияют на запасы: M2 более распространен в Северной Америке и Европе, SKH9 чаще хранится в Японии и частях Азии.
- Сроки поставки и премия: Процессы, специфичные для поставщика (чистая сталь, переплавленные варианты), часто более дорогие, но обеспечивают улучшенную прочность и производительность.
10. Резюме и рекомендации
Таблица: краткое сравнение
| Атрибут | SKH9 | M2 |
|---|---|---|
| Сварка | Плохая (высокая закаливаемость; требует тщательных процедур) | Плохая (аналогично) |
| Баланс прочности и прочности | Высокая твердость и износостойкость; прочность зависит от обработки | Высокая твердость и износостойкость; прочность зависит от обработки |
| Стоимость | Сравнимая; могут применяться региональные различия | Сравнимая; могут применяться региональные различия |
Заключение и практическое руководство: - Выбирайте SKH9, если ваша цепочка поставок или производства следует стандартам JIS/японским стандартам, если инструменты или запасные части указаны по обозначениям JIS, или если местные поставщики предоставляют SKH9 с отслеживаемостью и специфической обработкой поставщика (ESR/VIM), которые соответствуют вашим требованиям к прочности. - Выбирайте M2, если ваши чертежи, спецификации или отраслевые стандарты требуют AISI/ASTM/ISO M2, если вам нужны поставщики, соответствующие североамериканским или международным источникам, или если вам нужна широкая доступность поставщиков и взаимозаменяемость с ссылками на M2.
Заключительное примечание: Металлургически SKH9 и M2 занимают одно и то же семейство HSS и функционально эквивалентны для большинства применений, когда они производятся и термообрабатываются по сопоставимым стандартам. Решающие факторы — это соответствие спецификациям, обработка поставщика (чистота и методы переплавки) и контроль термообработки, которые определяют распределение карбидов, прочность и конечную производительность инструмента.