M2 so với M35 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng
Chia sẻ
Table Of Content
Table Of Content
Giới thiệu
M2 và M35 là hai loại thép công cụ tốc độ cao (HSS) được sử dụng rộng rãi, thường xuyên xuất hiện trong quá trình lựa chọn dụng cụ cắt, chày, khuôn và các chi tiết chịu mài mòn. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên cân nhắc các yếu tố đánh đổi như chi phí so với độ cứng nóng, khả năng chống mài mòn so với độ dẻo dai, và khả năng gia công so với tuổi thọ khi lựa chọn giữa các loại thép này. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn thép công cụ cho phay tốc độ cao, nơi độ cứng đỏ là yếu tố quan trọng, hoặc chỉ định phôi cho dập khối lượng lớn, nơi chi phí và độ dẻo dai là yếu tố quyết định.
Điểm khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại này là một loại là thép HSS vonfram-molypden thông thường, trong khi loại còn lại là hợp kim nền tương tự được biến tính bằng cách bổ sung coban một cách đáng kể để tăng cường độ cứng và khả năng chống mài mòn ở nhiệt độ cao. Vì M2 và M35 có nhiều điểm chung về thành phần hóa học cacbua và quy trình xử lý nhiệt, nên chúng thường được so sánh khi chỉ định các dụng cụ chịu mài mòn và nhiệt độ cắt cao.
1. Tiêu chuẩn và Chỉ định
- ASTM/ASME: Thường được cung cấp theo tiêu chuẩn AISI/SAE (AISI M2, AISI M35 hoặc theo thông số kỹ thuật sản phẩm AMS/ASTM cho thép công cụ ở một số khu vực).
- EN: Các loại HSS tương đương trong tiêu chuẩn EN thường được chỉ định là HS6-5-2 (họ M2) và HSS chứa coban tương ứng như HS6-5-2-5 (giống M35) tùy thuộc vào chỉ định EN cụ thể.
- JIS: Tiêu chuẩn Nhật Bản liệt kê các loại thép công cụ có thành phần hóa học tương tự (ví dụ: dòng SKH).
- GB: Tiêu chuẩn GB của Trung Quốc bao gồm các ký hiệu M2 và M35 hoặc các mã tương đương.
Phân loại: Cả M2 và M35 đều là thép dụng cụ tốc độ cao (HSS), tức là thép dụng cụ hợp kim được thiết kế để có độ cứng cao và độ cứng nóng. Chúng không phải là thép không gỉ hoặc thép HSLA.
2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim
| Yếu tố | M2 (phạm vi điển hình) | M35 (tầm bắn điển hình) |
|---|---|---|
| C | 0,80–0,95% khối lượng | 0,80–0,95% khối lượng |
| Mn | 0,15–0,40% khối lượng | 0,15–0,40% khối lượng |
| Si | 0,15–0,45% khối lượng | 0,15–0,60% khối lượng |
| P | ≤0,03% khối lượng | ≤0,03% khối lượng |
| S | ≤0,03% khối lượng | ≤0,03% khối lượng |
| Cr | 3,75–4,50% khối lượng | 3,75–4,50% khối lượng |
| Ni | ≤0,30% khối lượng | ≤0,30% khối lượng |
| Mo | 4,50–5,50% khối lượng | 4,50–5,50% khối lượng |
| V | 1,70–2,20% khối lượng | 1,80–2,30% khối lượng |
| Nb (columbi) | thường theo dõi | thường theo dõi |
| Ti | thường theo dõi | thường theo dõi |
| B | thường theo dõi | thường theo dõi |
| N | thường theo dõi | thường theo dõi |
Lưu ý: Vonfram (W) là thành phần chính của cả M2 và M35 (thường khoảng 5,5–6,8 wt%), nhưng đã bị loại khỏi danh sách nguyên tố được yêu cầu; vui lòng thêm thành phần này khi chỉ định hoặc đặt hàng. Nguyên tố bổ sung quan trọng trong họ M35 là coban (Co ≈ 4,5–5,5 wt%), không được hiển thị trong các cột bảng trên nhưng là yếu tố phân biệt chính.
Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Các hợp chất tạo thành cacbon và cacbua (V, W, Mo, Cr) kiểm soát số lượng, loại và độ ổn định của cacbua: Cacbua MC (giàu V), M6C (giàu W/Mo) và M23C6 (giàu Cr) có khả năng chống mài mòn. - Vonfram và molypden làm tăng khả năng tôi luyện và độ bền nhiệt độ cao, đồng thời tạo thành cacbua M6C góp phần làm cứng thứ cấp. - Vanadi tạo thành hợp kim cacbua MC cứng, mịn giúp cải thiện khả năng chống mài mòn và độ dẻo dai của hợp kim cacbua. - Crom có khả năng chống ăn mòn ở một mức độ nhất định, góp phần làm cứng và tạo thành cacbua M23C6. - Coban trong M35 không tạo thành cacbua nhưng làm tăng cường ma trận và tăng độ cứng nóng/độ cứng đỏ và khả năng chống ram.
3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt
Cấu trúc vi mô điển hình (sau khi làm nguội và ram thích hợp): - Ma trận: martensite ram (pha chịu lực chính). - Quần thể cacbua: hỗn hợp các cacbua MC (giàu V, tương đối cứng), M6C (giàu W/Mo) và M23C6 (giàu Cr) phân bố trong nền martensitic.
Sự khác biệt về phản ứng xử lý nhiệt: - Cả hai loại đều sử dụng các chu trình xử lý nhiệt tương tự: austenit hóa, làm nguội (bằng dầu hoặc chân không) và ram nhiều giai đoạn để đạt được độ cứng mong muốn và làm cứng thứ cấp. - M35, với hàm lượng coban, thể hiện độ cứng duy trì cao hơn ở nhiệt độ ram cao (độ cứng đỏ tốt hơn) và phản ứng tôi cứng thứ cấp mạnh hơn. Coban làm tăng khả năng chịu ram của martensite—nhiệt độ làm mềm M2 rõ rệt hơn sẽ làm cho M35 cứng hơn. - Chuẩn hóa trước khi làm cứng có thể tinh chỉnh các cấu trúc khi cán; nhiệt độ austenit hóa được kiểm soát là rất quan trọng để hòa tan một lượng cacbua thích hợp để làm cứng lần thứ hai mà không hòa tan quá mức các cacbua vanadi MC. - Xử lý nhiệt cơ học (để rèn) giúp tinh chỉnh sự phân tán cacbua sẽ cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn ở cả hai loại; M35 đặc biệt có lợi trong các ứng dụng yêu cầu độ bền nóng.
4. Tính chất cơ học
| Tài sản | M2 (điển hình) | M35 (điển hình) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Độ bền kéo (UTS) | ~1800–2400 MPa (phụ thuộc vào xử lý nhiệt) | ~1900–2500 MPa (phụ thuộc vào xử lý nhiệt) | HSS UTS thay đổi mạnh mẽ theo độ cứng và quá trình ram cuối cùng. |
| Sức chịu lực | Nói chung là cao, gần với phân số UTS | Tương tự hoặc cao hơn một chút | Năng suất thường không được chỉ định riêng cho HSS mà phụ thuộc vào cấu trúc vi mô. |
| Độ giãn dài (A%) | Thấp: thường là 1–6% | Thấp: thường là 1–5% | Cả hai đều tương đối giòn so với thép kết cấu; M35 thường có độ dẻo thấp hơn một chút do Co. |
| Độ bền va đập (Charpy / định tính) | Trung bình đối với HSS; tốt hơn so với các biến thể hợp kim đồng | Giảm nhẹ so với M2 (độ dẻo dai thấp hơn) | Độ dẻo dai phụ thuộc vào kích thước tiết diện, xử lý nhiệt và phân bố cacbua. |
| Độ cứng (HRC, điển hình sau HT) | 60–66 HRC (ứng dụng cụ thể) | 60–67 HRC (giữ nhiệt tốt hơn) | M35 đạt được độ cứng tương tự ở nhiệt độ phòng nhưng vẫn giữ được độ cứng tốt hơn ở nhiệt độ cắt cao. |
Diễn giải: M35 thường cải thiện đáng kể độ cứng nóng và khả năng chống mài mòn ở nhiệt độ cao so với M2, nhưng lại có nhược điểm nhỏ về độ bền và khả năng định hình. Các thông số cơ học tuyệt đối thay đổi tùy theo phương pháp xử lý nhiệt và kích thước tiết diện.
5. Khả năng hàn
Khả năng hàn của thép tốc độ cao bị hạn chế bởi hàm lượng cacbon và hợp kim cao; cả M2 và M35 đều yêu cầu phải gia nhiệt cẩn thận để tránh nứt.
Chỉ số tương đương cacbon và khả năng hàn hữu ích (để đánh giá định tính): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Giải thích định tính: - Cả M2 và M35 đều có giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao so với thép mềm, cho thấy dễ bị nứt do hydro và cứng martensitic ở vùng HAZ. - Coban không làm thay đổi đáng kể lượng cacbon tương đương về mặt đại số nhưng làm tăng khả năng tôi cứng và khả năng chống ram; điều này có thể khiến vùng HAZ của M35 dễ nứt hơn nếu không được nung nóng trước và nung nóng sau đúng cách. - Thực hành được khuyến nghị: gia nhiệt trước để giảm thiểu chênh lệch nhiệt độ, sử dụng vật liệu độn/điện cực có hàm lượng hydro thấp, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và thực hiện xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) thích hợp để ram martensite và giảm ứng suất. Nếu có thể, tránh hàn nóng chảy đối với các dụng cụ chịu ứng suất lớn—sử dụng hàn đồng hoặc nối cơ học cho các cụm lắp ráp.
6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt
- Cả M2 và M35 đều không phải thép không gỉ; cả hai đều dễ bị ăn mòn oxy hóa và ố màu bề mặt trong môi trường ẩm ướt hoặc ăn mòn.
- Các phương pháp bảo vệ phổ biến: lớp phủ bảo vệ (PVD, CVD, TiN, TiAlN), mạ crom cứng (nếu có), thấm nitơ để tăng độ cứng bề mặt với lợi ích chống ăn mòn hạn chế, mạ kẽm (cho các ứng dụng không dùng dụng cụ) và sơn hoặc dầu thông thường để lưu trữ.
- Công thức PREN để lựa chọn thép không gỉ không áp dụng cho M2/M35 vì khả năng chống ăn mòn không phải là tính năng thiết kế chính của HSS giàu cacbon này: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
- Sử dụng kỹ thuật bề mặt (lớp phủ, thấm nitơ, PVD) để kéo dài tuổi thọ dụng cụ trong môi trường ăn mòn hoặc mài mòn dính.
7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình
- Khả năng gia công: Cả hai hợp kim này đều khó gia công hơn thép cacbon. M35 thường có khả năng gia công kém hơn M2 một chút vì coban làm tăng độ bền và có xu hướng làm giảm khả năng gia công, đồng thời làm tăng độ mài mòn của dụng cụ trong quá trình tạo hình.
- Cắt/tạo hình: Tạo hình nguội hoặc uốn là một thách thức; gia công nóng đòi hỏi sự kiểm soát cẩn thận và ủ trung gian. Phôi dụng cụ cắt thường được mài thay vì gia công cơ khí phức tạp.
- Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều có thể được mài thành bề mặt mịn; M35 có thể yêu cầu thông số mài mạnh hơn do độ cứng nóng và độ dẻo dai cao hơn của cacbua.
- EDM và mài là những phương pháp chế tạo phổ biến để hoàn thiện các công cụ.
8. Ứng dụng điển hình
| M2 (sử dụng điển hình) | M35 (sử dụng điển hình) |
|---|---|
| Máy phay, mũi khoan, vòi, máy doa đa năng cho nhiệt độ cắt vừa phải | Dụng cụ cắt, vòi, mũi khoan hiệu suất cao để gia công tốc độ cao ở nhiệt độ cao |
| Máy khoan, dụng cụ tạo hình, khuôn dập nguội | Gia công nóng chảy trong đó độ cứng màu đỏ cải thiện tuổi thọ (nhưng không phải là thép gia công nóng hoàn toàn) |
| Dụng cụ cho các đợt chạy ngắn đến trung bình khi chi phí là một yếu tố | Cắt khối lượng lớn, nhiệt độ cao, trong đó tuổi thọ dụng cụ dài hơn bù đắp cho chi phí vật liệu cao hơn |
| Răng cưa, dao phay bánh răng | Các công cụ cắt bị gián đoạn và khoan trong các hợp kim khó gia công ở nhiệt độ cao |
Cơ sở lựa chọn: Chọn M2 khi chi phí, độ cứng nóng vừa phải và độ dẻo dai hợp lý là những yếu tố chính; chọn M35 khi các thao tác tạo ra nhiệt độ cắt cao liên tục và độ cứng nóng do coban tạo ra mang lại tuổi thọ dài hơn, xứng đáng với chi phí.
9. Chi phí và tính khả dụng
- Chi phí: M35 thường đắt hơn M2 vì coban là một phụ gia hợp kim đắt tiền và nguồn cung hạn chế hơn. Dự kiến chi phí vật liệu cho M35 sẽ cao hơn đáng kể tính theo kg.
- Tính khả dụng: M2 là một trong những loại thép HSS phổ biến nhất và được cung cấp rộng rãi dưới dạng thanh, phôi và hình dạng dụng cụ. M35 cũng phổ biến nhưng có thể có thời gian giao hàng lâu hơn hoặc giá cao hơn đối với một số dạng sản phẩm và kích thước lớn.
- Hình dạng sản phẩm: Cả hai đều được cung cấp dưới dạng thanh ủ, phôi mài và hình dạng chuyên dụng; M35 thường được chỉ định là phôi dụng cụ đã được làm cứng trước và mài để giảm công sức chế tạo.
10. Tóm tắt và khuyến nghị
| Thuộc tính | M2 | M35 |
|---|---|---|
| Khả năng hàn | Kém (thách thức) | Kém đến kém hơn một chút (dễ cứng hơn) |
| Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai | Cân bằng tốt cho HSS nói chung | Độ cứng nóng cao hơn, độ dẻo dai kém hơn một chút |
| Trị giá | Thấp hơn (tiết kiệm hơn) | Cao hơn (phí bảo hiểm do Co) |
Khuyến nghị: - Chọn M2 nếu bạn cần loại thép gió HSS đa năng, tiết kiệm chi phí, có độ bền tốt để cắt hoặc tạo hình ở tốc độ và nhiệt độ thông thường. M2 phù hợp khi có thể mài và mài lại và chịu tải nhiệt ở mức trung bình. - Chọn M35 nếu ứng dụng của bạn liên tục yêu cầu dụng cụ phải chịu nhiệt độ cắt cao hoặc độ cứng cao (gia công tốc độ cao các hợp kim khó, cắt liên tục ở nhiệt độ cao) và tuổi thọ dụng cụ tăng thêm bù đắp cho chi phí vật liệu và gia công cao hơn.
Lưu ý cuối cùng: Khi chỉ định bất kỳ loại nào, hãy cung cấp các điều kiện dịch vụ dự kiến (tốc độ cắt, điều kiện làm mát/bôi trơn, độ dày mặt cắt và bất kỳ yêu cầu nào sau khi hàn) để xử lý nhiệt, xử lý bề mặt và mua sắm có thể được tối ưu hóa cho chi phí vòng đời thay vì chỉ riêng chi phí vật liệu danh nghĩa.