M2 so với M42 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép tốc độ cao M2 và M42 là hai trong số những loại thép được chỉ định phổ biến nhất cho dụng cụ cắt, mũi khoan, ren, dao phay và các dụng cụ khác, trong đó độ cứng, khả năng chống mài mòn và độ ổn định nhiệt quyết định hiệu suất. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải đối mặt với tình huống khó xử trong việc lựa chọn: chọn loại thép đa năng, giá thành thấp hơn, có độ bền và khả năng chống mài mòn tốt ở nhiệt độ trung bình, hay trả thêm tiền cho loại thép có độ cứng và khả năng chống mài mòn tốt ở nhiệt độ cắt cao hơn.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại này nằm ở chiến lược hợp kim của chúng: một loại nhấn mạnh vào các vật liệu cacbua chịu nhiệt cao hơn (W, Mo, V) với độ dẻo dai cân bằng, trong khi loại còn lại bao gồm một lượng lớn coban để tăng độ cứng nóng và độ cứng đỏ. Sự khác biệt này dẫn đến các đặc tính xử lý nhiệt, hiệu suất gia công nóng và phạm vi ứng dụng khác nhau - đặc biệt là trong điều kiện cắt và mài mòn tốc độ cao, nhiệt độ cao.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và định danh quốc tế phổ biến mà các cấp độ này xuất hiện:
• AISI / SAE: M2, M42 (tên thương mại được sử dụng rộng rãi).
• ASTM / ASME: thông số kỹ thuật thép công cụ và tiêu chuẩn sản phẩm thường tham chiếu đến các ký hiệu AISI.
• EN / DIN / JIS / GB: có các tiêu chuẩn tương đương theo tiêu chuẩn quốc gia (ký hiệu EN/DIN HSS thông thường hoặc số hiệu cấp địa phương), nhưng các tham chiếu chéo số chính xác sẽ khác nhau tùy theo nhà xuất bản và nhà sản xuất.
• Phân loại: Cả M2 và M42 đều là thép dụng cụ tốc độ cao (HSS), tức là thép dụng cụ hợp kim được thiết kế để duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao, không phải thép không gỉ hoặc HSLA. Chúng được phân loại là thép dụng cụ dùng cho các ứng dụng cắt gọt và tạo hình chứ không phải thép kết cấu.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây cung cấp phạm vi thành phần điển hình cho từng loại. Giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn sản xuất hoặc nhà cung cấp; hãy coi các con số là đại diện cho thông lệ thương mại.

Nguyên tố (wt%)	M2 điển hình (đại diện)	M42 điển hình (đại diện)
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 (vết)	≤0,03 (vết)
S	≤0,03 (vết)	≤0,03 (vết)
Cr	3,8–4,5	3,5–4,5
Ni	≤0,25 (vết)	≤0,3 (vết)
Mo	4,5–5,5	≈0,5–1,5
V	1,8–2,2	0,4–1,0
W (vonfram)	6,0–6,75	8,5–10,5
Co (coban)	≤0,5 (thường không có)	≈7,5–9,0
Nb, Ti, B, N	Theo dõi hoặc không xác định	Theo dõi hoặc không xác định

Hợp kim kiểm soát hành vi như thế nào: - Hợp chất cacbon cộng với cacbua (W, Mo, V) tạo ra cacbua cứng, chống mài mòn. Hàm lượng W và V cao hơn làm tăng thể tích và độ ổn định của cacbua, cải thiện khả năng chống mài mòn. - Hàm lượng coban đáng kể của M42 không tạo thành cacbua nhưng làm tăng độ bền của ma trận chưa cacbon hóa ở nhiệt độ cao (độ cứng nóng), cải thiện độ cứng đỏ và tuổi thọ vượt trội dưới tải nhiệt. - Crom góp phần tăng khả năng chống nhiệt và chống ăn mòn ở mức độ nhỏ cho HSS; molypden và vonfram đều làm tăng khả năng tôi và độ bền ở nhiệt độ cao. - Vanadi làm tinh chỉnh sự phân bố cacbua và cải thiện khả năng chống mài mòn và độ ổn định của lưỡi dao.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Cấu trúc vi mô điển hình - Trong điều kiện ủ, cả hai loại đều bao gồm ma trận martensitic hoặc martensitic+ferrite đã được tôi luyện với sự phân tán của các loại cacbua chính và phụ (các loại cacbua MC, M6C tùy thuộc vào thành phần và quá trình làm nguội). - M2 tạo thành hỗn hợp giàu Mo-W và cacbua vanadi (VC cứng, phân bố đều, M6C). - M42 chứa một bộ hợp kim cacbua tương tự nhưng thường có tỷ lệ cacbua giàu vonfram cao hơn và cacbua thứ cấp mịn hơn; ma trận được gia cường nhờ hiệu ứng dung dịch rắn của coban ở nhiệt độ cao.

Phản ứng xử lý nhiệt - Trình tự thông thường: tôi (austenit hóa) → tôi → ram nhiều giai đoạn. M2 thường được austenit hóa ở nhiệt độ thấp hơn một chút so với M42 (nhiệt độ chính xác thay đổi tùy theo nhà cung cấp) và được ram để đạt được sự cân bằng giữa độ cứng và độ dai. - M42 thường đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận quá trình austenit hóa và ram vì hàm lượng coban làm tăng độ cứng được giữ lại ở nhiệt độ ram và ảnh hưởng đến phản ứng ram; thép này thường được ram ở nhiệt độ ram cao hơn để khai thác độ cứng đỏ đồng thời tránh hiện tượng giòn quá mức. - Xử lý nhiệt cơ học (đối với phôi sản xuất hoặc thép dụng cụ có cấu trúc rèn) có thể tinh chỉnh sự phân bố cacbua, cải thiện độ dẻo dai. Khối lượng cacbua và hàm lượng coban cao hơn của M42 khiến việc kiểm soát cacbua trong quá trình gia công trở nên đặc biệt quan trọng để tránh hiện tượng giòn cục bộ.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học của thép công cụ rất nhạy cảm với xử lý nhiệt (nhiệt độ austenit hóa, môi trường tôi, lịch trình ram). Bảng dưới đây so sánh các giá trị độ cứng định tính và đại diện điển hình sau khi tôi và ram theo khuyến nghị để sử dụng làm dụng cụ cắt.

Tài sản	M2 (điển hình sau H/T để cắt)	M42 (điển hình sau H/T để cắt)
Độ bền kéo	Cao (phụ thuộc vào ứng dụng)	Có thể so sánh với mức cao hơn (phụ thuộc vào ứng dụng)
Sức chịu lực	Cao (phụ thuộc vào H/T)	Tương đương hoặc cao hơn một chút ở nhiệt độ cao
Độ giãn dài	Thấp đến trung bình (thép dụng cụ)	Thấp đến trung bình
Độ bền va đập	Trung bình đối với HSS (tốt hơn loại có hàm lượng coban cao)	Thấp hơn một chút so với M2 ở nhiệt độ phòng (nhiều cacbua hơn)
Độ cứng (HRC)	~62–66 HRC (tùy theo độ cứng)	~63–68 HRC (duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao hơn)

Giải thích: - Cả hai đều là thép rất cứng sau khi xử lý nhiệt đúng cách; M42 thường giữ được độ cứng tốt hơn khi nhiệt độ tăng (độ cứng nóng và độ cứng đỏ tốt hơn) do ảnh hưởng gia cường của coban và cacbua ổn định. - M2 thường có độ bền gãy ở nhiệt độ phòng tốt hơn một chút so với độ cứng tương đương, khiến nó ít giòn hơn khi cắt đứt hoặc chịu tải trọng va đập. - Chỉ số kéo/giới hạn chảy ít khi được sử dụng riêng để lựa chọn dụng cụ HSS; độ cứng và độ dẻo dai ở nhiệt độ vận hành dự kiến ​​có tính quyết định hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép HSS thường bị hạn chế và đòi hỏi phải nung nóng trước cẩn thận, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn để tránh nứt và mất tính chất. - Các yếu tố chính thúc đẩy khả năng hàn: cacbon tương đương (khả năng làm cứng từ hợp kim), cacbua hợp kim và các nguyên tố hợp kim vi mô thúc đẩy khả năng làm cứng hoặc phân tách. - Công thức đánh giá hữu ích (hướng dẫn định tính): - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Thông số loại cacbon-mangan của Viện Ống Quốc tế: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Giải thích định tính: - Cả M2 và M42 đều có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ tương đối cao so với thép mềm hoặc thép hợp kim thấp do có chứa cacbua và hợp kim; cả hai đều khó nối bằng hàn nóng chảy nếu không có quy trình đặc biệt. - M42 thường khó hàn hơn M2 vì hàm lượng cacbua cao hơn và sự hiện diện của coban làm tăng nguy cơ nứt và làm giảm các đặc tính ăn khớp trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt. Thông thường, cần phải nung nóng trước, cấp nhiệt thấp và ram hoặc ủ sau khi hàn. - Đối với nhiều ứng dụng gia công, hàn bằng đồng thau hoặc hàn cơ học được ưa chuộng hơn hàn nóng chảy; khi cần hàn, hãy tham khảo ý kiến ​​nhà cung cấp thép để biết khuyến nghị về kim loại hàn và quy trình hàn đạt tiêu chuẩn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Là thép dụng cụ tốc độ cao không gỉ, cả M2 và M42 đều không có khả năng chống ăn mòn bẩm sinh. Việc lựa chọn hiếm khi phụ thuộc vào hiệu suất chống ăn mòn của kim loại cơ bản; thay vào đó, lớp phủ và lớp bảo vệ bề mặt được sử dụng.
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến:
• Lớp phủ cứng (PVD, CVD: TiN, TiAlN, AlTiN) được áp dụng cho các cạnh cắt để giảm mài mòn và giảm tương tác hóa học ở nhiệt độ cao.
• Mạ điện, thụ động hóa hoặc sơn ít phổ biến hơn đối với các dụng cụ cắt; đối với các dụng cụ tiếp xúc với môi trường ẩm ướt hoặc ăn mòn, phương pháp bảo quản và bôi trơn có kiểm soát là phổ biến.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) được sử dụng cho thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Chỉ số này không áp dụng cho M2 hoặc M42 vì cả hai đều không phải là hợp kim thép không gỉ có hàm lượng Cr/Mo/N bổ sung đáng kể nhằm tăng khả năng chống ăn mòn.

7. Chế tạo, Khả năng gia công và Khả năng định hình

• Khả năng gia công:
• Ở trạng thái ủ (mềm), cả hai đều có thể gia công bằng dụng cụ thông thường; M2 thường gia công dễ hơn M42 ở trạng thái ủ.
• Ở trạng thái tôi cứng, cả hai đều khó gia công; M42 thường khó gia công hơn đối với các dụng cụ cắt do hàm lượng cacbua cao hơn và độ bền của ma trận liên quan đến coban, làm giảm khả năng gia công so với M2.
• Mài và hoàn thiện:
• Cả hai đều đáp ứng tốt với quá trình mài chính xác; bánh mài kim cương hoặc CBN thường được sử dụng để hoàn thiện dụng cụ đã tôi cứng. Cần có các phương pháp mài và làm mát phù hợp.
• Khả năng định hình:
• Giống như thép HSS, cả hai loại đều không dùng để tạo hình tấm; có thể rèn hoặc gia công nóng đối với phôi đã ủ trước, nhưng việc kiểm soát cacbua và nhiệt độ là rất quan trọng. Hàm lượng cacbua cao hơn của M42 khiến việc rèn nóng trở nên khó khăn hơn.
• Uốn/ép:
• Không áp dụng cho các dụng cụ hoàn thiện; phôi có thể được tạo hình ở trạng thái mềm một cách cẩn thận.

8. Ứng dụng điển hình

M2 — Công dụng điển hình	M42 — Công dụng điển hình
Dụng cụ cắt đa năng: mũi khoan, vòi, dao phay đầu cho thép mềm và sử dụng chung trong cửa hàng	Cắt hiệu suất cao các hợp kim thép không gỉ, chịu nhiệt và hoạt động tốc độ cao
Dao phay, dao doa, dao cắt bánh răng cần cân bằng giữa độ bền và khả năng chống mài mòn	Máy phay tốc độ cao, vòi và dụng cụ tạo hình cho các ứng dụng mài mòn hoặc nhiệt độ cao
Mũi khoan dùng cho các vết cắt gián đoạn khi khả năng chống sốc là quan trọng	Dụng cụ sản xuất trong đó tốc độ cắt cao và nhiệt độ cắt cao đòi hỏi độ cứng đỏ vượt trội
Máy phay, máy doa, máy cưa cắt nhiều loại vật liệu thông dụng	Các công cụ chuyên dụng có tuổi thọ công cụ kéo dài đồng nghĩa với chi phí vật liệu cao hơn (ví dụ: sản xuất liên tục trên các vật liệu khó)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn M2 cho các ứng dụng cần độ bền tốt, khả năng ứng dụng rộng rãi và chi phí thấp hơn—đặc biệt là đối với dụng cụ đa năng có nhiệt độ vận hành vừa phải. - Chọn M42 khi quy trình tạo ra nhiệt độ cắt cao, khi gia công hợp kim thép không gỉ hoặc chịu nhiệt, hoặc khi kéo dài tuổi thọ dụng cụ ở tốc độ cao bù đắp cho chi phí vật liệu và gia công cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: M42 đắt hơn đáng kể so với M2 do có chứa coban và hàm lượng vonfram cao hơn. Coban là một nguyên liệu quý và đóng góp đáng kể vào chi phí.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• M2: có sẵn rộng rãi ở dạng thanh, phôi mài, mũi khoan và vật liệu tôi cứng trước; nhiều nhà sản xuất dụng cụ vẫn duy trì hàng tồn kho M2.
• M42: có sẵn nhưng ít phổ biến hơn; thường dùng trong các phôi dụng cụ cao cấp và các loại dụng cụ tùy chỉnh nhưng có thể có thời gian hoàn thành hoặc số lượng đặt hàng tối thiểu lâu hơn.
• Cân nhắc về mua sắm: tổng chi phí sở hữu (tuổi thọ dụng cụ, thời gian chết, mài lại) có thể khiến M42 có lợi thế về mặt kinh tế trong các hoạt động sản xuất khối lượng lớn hoặc nhiệt độ cao mặc dù chi phí vật liệu ban đầu cao hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Đặc điểm	M2	M42
Khả năng hàn	Độ khó trung bình; có thể hàn nếu cẩn thận	Khó hơn; coban và cacbua làm phức tạp khả năng hàn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng tốt; độ bền ở nhiệt độ phòng tương đối tốt hơn	Độ cứng nóng và khả năng chống mài mòn vượt trội; độ bền RT thấp hơn một chút trong một số điều kiện
Trị giá	Vừa phải / tiết kiệm	Cao cấp (chi phí vật liệu cao hơn)

Khuyến nghị kết luận: - Chọn M2 nếu bạn cần loại thép tốc độ cao, đa năng, tiết kiệm chi phí cho nhiều loại vật liệu và điều kiện cắt khác nhau, yêu cầu tốc độ và nhiệt độ cắt vừa phải và khả năng chống va đập/sốc là quan trọng. - Chọn M42 nếu hoạt động liên quan đến tốc độ cắt cao, nhiệt độ cao liên tục ở lưỡi cắt, vật liệu mài mòn hoặc khó gia công (ví dụ: thép không gỉ, hợp kim chịu nhiệt) và chi phí ban đầu tăng lên được biện minh bằng tuổi thọ dụng cụ dài hơn và thời gian ngừng hoạt động giảm.

Ghi chú thực tế cuối cùng: - Luôn xác nhận thành phần cụ thể và chu kỳ xử lý nhiệt được khuyến nghị với nhà cung cấp vật liệu hoặc tiêu chuẩn tham chiếu cho lô hàng bạn định mua—tính chất của HSS phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt. - Đối với các quyết định quan trọng về dụng cụ, hãy xác thực hiệu suất của ứng viên bằng một thử nghiệm sản xuất ngắn để định lượng tuổi thọ dụng cụ, thời gian chu kỳ và chi phí cho mỗi bộ phận thay vì chỉ dựa vào các đặc điểm đã công bố.