M35 so với M42 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

M35 và M42 là hai loại thép công cụ tốc độ cao (HSS) được sử dụng rộng rãi, thường được xem là lựa chọn thay thế khi các kỹ sư và chuyên gia mua sắm yêu cầu dụng cụ cắt, mũi khoan, ren và các chi tiết chịu mài mòn. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường xoay quanh sự cân bằng giữa độ cứng nóng và khả năng chống mài mòn so với độ bền, khả năng gia công và chi phí. Tóm lại, một loại nhấn mạnh vào độ cứng và khả năng chống mài mòn ở nhiệt độ cao, trong khi loại còn lại mang lại sự cân bằng có lợi giữa độ bền và hiệu suất với chi phí thấp hơn.

Vì cả hai loại thép này đều thuộc nhóm molypden/vonfram HSS và chứa coban, chúng thường được so sánh cho các ứng dụng gia công đòi hỏi khắt khe, trong đó tuổi thọ dụng cụ chịu nhiệt và cắt gián đoạn là yếu tố quan trọng. Bài viết này so sánh các tiêu chuẩn, thành phần, cấu trúc vi mô, đặc tính xử lý nhiệt, tính chất cơ học, khả năng hàn, khả năng chống ăn mòn/bảo vệ bề mặt, đặc điểm chế tạo, ứng dụng điển hình, chi phí/tính khả dụng và hướng dẫn lựa chọn cuối cùng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và tên gọi chung cho các cấp độ này:
• AISI/SAE: M35, M42 (thường được sử dụng ở Bắc Mỹ)
• DIN/EN: Thường được tham chiếu chéo với HSxV hoặc các mã HSS tương tự (tham khảo các bảng tiêu chuẩn cụ thể để biết tham chiếu chéo chính xác)
• JIS: Sử dụng các mã HSS khác; kiểm tra JIS G4305 và tài liệu của nhà cung cấp
• GB (Trung Quốc): Được liệt kê trong danh mục thép tốc độ cao của Trung Quốc với số hiệu sản phẩm địa phương
• Phân loại:
• Cả M35 và M42 đều là thép công cụ — cụ thể là thép tốc độ cao (HSS).
• Chúng là thép hợp kim/thép dụng cụ chứ không phải thép không gỉ hoặc thép kết cấu HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây liệt kê các phạm vi thành phần điển hình của các nguyên tố chính. Đây là các phạm vi sản xuất phổ biến được sử dụng cho việc xác định thông số kỹ thuật và mua sắm; giá trị chính xác thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà sản xuất.

Yếu tố	M35 (phạm vi điển hình, wt%)	M42 (phạm vi điển hình, wt%)
C	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	- (dấu vết)	- (dấu vết)
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
Đồng	~4,5–6,0	~7,5–9,0
Nb, Ti, B, N	Dấu vết hoặc tạp chất được kiểm soát	Dấu vết hoặc tạp chất được kiểm soát

Các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Cacbon: Tạo độ cứng cho martensite và tỷ lệ thể tích cacbua; hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ cứng sau khi tôi nhưng có thể làm giảm độ dẻo dai và khả năng hàn. - Crom: Tăng khả năng chịu nhiệt, khả năng làm cứng và khả năng chống ăn mòn ở mức độ nhỏ. - Molypden và vonfram: Thúc đẩy quá trình tôi thứ cấp và độ cứng nóng; hàm lượng molypden trong M42 đặc biệt cao để duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao. - Vanadi: Tạo thành cacbua vanadi ổn định giúp cải thiện khả năng chống mài mòn và giữ lưỡi dao. - Coban: Tăng độ cứng đỏ (nóng) và độ ổn định nhiệt của ma trận; hàm lượng coban cao hơn trong M42 làm tăng hiệu suất nhiệt độ cao nhưng lại làm giảm khả năng gia công và chi phí.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - Ở cả hai cấp, cấu trúc vi mô mong muốn sau khi xử lý nhiệt thích hợp là một ma trận martensitic cứng chứa sự phân bố các hợp kim cacbua (cacbua giàu Cr, giàu Mo/W và giàu V). - M35: Martensite với các hợp chất cacbua phức hợp phân bố đều (MC, M6C, M23C6). Sự hiện diện của ~5% Co làm tăng độ ổn định của nền và độ cứng nóng mà không làm thay đổi đáng kể các loại cacbua so với họ M2/M35. - M42: Hàm lượng Mo và Co cao hơn làm tăng lượng và độ ổn định của cacbua giàu Mo và góp phần tạo ra phản ứng làm cứng thứ cấp cao hơn; ma trận chống lại quá trình làm mềm khi ram tốt hơn ở nhiệt độ cao.

Phản ứng xử lý nhiệt - Trình tự thông thường: nung nóng trước → làm cứng (austenit hóa ở nhiệt độ cao) → làm nguội (dầu/không khí tùy thuộc vào kích thước) → ram nhiều giai đoạn để đạt được độ cứng và độ dẻo dai cuối cùng. - M35: Nhiệt độ austenit hóa thường nằm trong khoảng HSS (ví dụ: khoảng 1180–1220 °C, tùy theo nhà sản xuất) sau đó là tôi dầu và ram. Độ cứng và độ dai tốt khi được ram đúng cách. - M42: Cần phải austenit hóa cẩn thận để hòa tan các cacbua cần thiết cho quá trình tôi thứ cấp (nhiệt độ phụ thuộc vào từng loại). M42 được hưởng lợi từ các chu trình ram ở nhiệt độ cao được kiểm soát để kết tủa các cacbua thứ cấp, mang lại độ cứng nóng đặc biệt.

Xử lý nhiệt cơ - Rèn và cán có kiểm soát, sau đó chuẩn hóa thích hợp để tinh chỉnh kích thước hạt và phân bố cacbua cho cả hai loại. Hàm lượng hợp kim cao hơn của M42 được hưởng lợi từ việc kiểm soát cấu trúc vi mô để tránh austenit dư thừa và tối ưu hóa sự phân tán cacbua.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt và kích thước tiết diện. Bảng dưới đây trình bày các so sánh điển hình về độ cứng sau xử lý nhiệt trong phạm vi số liệu định tính và thực tế.

Tài sản	M35	M42
Độ bền kéo	Cao (phụ thuộc vào H/T) — thường tương đương với họ HSS	Rất cao ở độ cứng tương tự (hỗ trợ cắt tải trọng cao)
Cường độ chịu kéo	Cao; phụ thuộc vào xử lý nhiệt	Rất cao; tăng cường độ chịu nhiệt độ cao so với M35
Độ giãn dài	Trung bình–thấp (thép công cụ)	Thấp hơn một chút so với M35 ở độ cứng tương đương
Độ bền va đập	Tốt hơn M42 (dễ tha thứ hơn)	Thấp hơn M35 ở cùng độ cứng do hàm lượng hợp kim cao hơn
Độ cứng (HRC, đã tôi và ram điển hình)	~62–65 HRC	~66–69 HRC (khả năng chịu nhiệt cao hơn)

Diễn giải - Độ bền và độ bền nóng: M42 thường mang lại độ cứng và độ bền cao hơn ở nhiệt độ cắt cao do lượng Mo và Co cao hơn cũng như lượng kết tủa cacbua thứ cấp. - Độ dẻo dai và dễ uốn: M35 có xu hướng dẻo dai hơn và ít giòn hơn M42 ở cùng mức độ cứng, khiến nó trở nên thích hợp hơn khi thường xuyên xảy ra va đập hoặc cắt đứt. - Độ cứng: M42 thường đạt và giữ được độ cứng cao hơn, đặc biệt là trong môi trường nhiệt độ cao.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép tốc độ cao bị hạn chế so với thép mềm. Các yếu tố chính là hàm lượng cacbon, khả năng tôi và hợp kim vi mô.

Chỉ số khả năng hàn chung (minh họa): - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (đối với nguy cơ nứt mối hàn nói chung): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính - M35: Hàm lượng cacbon và coban vừa phải; cần gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn để tránh nứt nguội và phục hồi độ dai. Nên sử dụng vật liệu hàn và quy trình hàn được thiết kế riêng cho HSS. - M42: Hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn (đặc biệt là Mo và Co) làm tăng độ cứng và dễ bị nứt mối hàn cũng như các cấu trúc vi mô HAZ cứng, giòn. Hàn M42 khó hơn và thường không được khuyến khích trừ khi cần thiết; nếu cần hàn, bắt buộc phải gia nhiệt sơ bộ nghiêm ngặt, nhiệt lượng đầu vào thấp và chu kỳ ram. - Trong cả hai trường hợp, hàn bằng đồng hoặc nối cơ học thường được ưa chuộng hơn hàn nóng chảy đối với các bộ phận HSS quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả M35 và M42 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn ở mức trung bình và chủ yếu bắt nguồn từ hàm lượng Cr.
• Bảo vệ bề mặt điển hình cho thép dụng cụ không gỉ:
• Lớp phủ bảo vệ: TiN, TiCN, AlTiN (bám hơi vật lý) để cải thiện khả năng chống mài mòn và giảm độ bám dính.
• Lớp phủ hóa học/mạ điện: không phổ biến đối với dụng cụ cắt nhưng có thể áp dụng cho đồ gá dụng cụ—mạ điện hiếm khi được sử dụng trên dụng cụ cắt HSS.
• Sơn và thụ động hóa: áp dụng nhiều hơn cho vỏ máy và các bộ phận không cắt.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép dụng cụ không phải thép không gỉ sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với môi trường cắt mà sự ăn mòn có thể làm tăng tốc độ mài mòn, hãy chỉ định lớp phủ chống ăn mòn hoặc chỉ xem xét thép dụng cụ không gỉ khi hiệu suất chống ăn mòn cộng với mài mòn biện minh cho sự đánh đổi.

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

• Khả năng gia công:
• M35: Khả năng gia công ở mức trung bình đối với HSS; sự hiện diện của coban làm giảm khả năng gia công phần nào nhưng mang lại độ dẻo dai và độ cứng nóng.
• M42: Khả năng gia công thấp hơn M35 do hàm lượng coban và molypden cao hơn cùng hàm lượng cacbon cao hơn—dự kiến ​​điều kiện cắt khắc nghiệt hơn để định hình trước khi xử lý nhiệt cuối cùng.
• Mài và hoàn thiện: Cả hai loại đều yêu cầu mài kim cương hoặc CBN để hoàn thiện ở trạng thái tôi cứng. Độ cứng của M42 đòi hỏi hệ thống mài mòn mạnh mẽ hơn và tốc độ loại bỏ chậm hơn.
• Tạo hình và uốn: Là thép công cụ, cả hai đều không dễ dàng tạo hình nguội ở trạng thái tôi. Gia công nóng hoặc rèn trong điều kiện ủ là phổ biến; việc tạo hình cuối cùng thường được hoàn thành trước khi tôi.
• Hoàn thiện bề mặt: Lớp phủ (PVD/CVD) thường được áp dụng sau khi xử lý nhiệt để cải thiện khả năng chống mài mòn và bôi trơn.

8. Ứng dụng điển hình

M35 (sử dụng phổ biến)	M42 (sử dụng phổ biến)
Vòi, mũi khoan, dao phay đầu hiệu suất cao dùng cho mục đích cắt thông thường khi độ bền là yếu tố quan trọng	Máy phay tốc độ cao, máy khoan, máy khoan và lưỡi cưa có tuổi thọ cao, nơi khả năng chống mài mòn ở nhiệt độ cao là rất quan trọng
Các công cụ tạo hình và một số khuôn làm việc nguội	Dụng cụ sản xuất tốc độ cao, cắt gián đoạn và hợp kim khó gia công
Dụng cụ HSS đa năng khi cần cân bằng giữa chi phí và hiệu suất	Dụng cụ chuyên dụng đòi hỏi độ cứng đỏ vượt trội và khả năng giữ cạnh dưới nhiệt

Cơ sở lựa chọn - Chọn M35 khi cần sự cân bằng giữa độ dẻo dai, độ cứng nóng hợp lý và chi phí thấp hơn; lý tưởng cho các vết cắt gián đoạn và các ứng dụng có tải trọng va chạm không thường xuyên. - Chọn M42 khi tuổi thọ dụng cụ ở tốc độ cắt cao và nhiệt độ cao là ưu tiên hàng đầu, đặc biệt là khi gia công liên tục tốc độ cao các vật liệu khó hoặc khi tần suất mài lại phải được giảm thiểu.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: M42 thường đắt hơn M35 do hàm lượng hợp kim cao hơn (đặc biệt là coban và molypden) và quy trình xử lý phức tạp hơn. Dự kiến ​​chi phí trên mỗi kg và trên mỗi dụng cụ của M42 sẽ cao hơn.
• Tính khả dụng: M35 được cung cấp rộng rãi ở các dạng tiêu chuẩn (thanh tròn, thanh dẹt, phôi dụng cụ). M42 cũng có sẵn nhưng có thể có kích thước kho và thời gian giao hàng hạn chế hơn; nhiều nhà cung cấp M42 chủ yếu cung cấp cho thị trường dụng cụ hiệu suất cao. Dụng cụ tráng phủ và hoàn thiện ở cả hai cấp độ này thường được cung cấp bởi các nhà sản xuất dụng cụ chuyên dụng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	M35	M42
Khả năng hàn	Tốt hơn (nhưng vẫn cần phải cẩn thận)	Khó hơn; rủi ro cao nếu không có quy trình nghiêm ngặt
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai tốt với khả năng cứng cao	Độ bền nóng và khả năng chống mài mòn cao hơn; khả năng chống gãy bền hơn
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Chọn M35 nếu... - Bạn cần loại HSS tiết kiệm chi phí, có độ dẻo dai tốt để cắt đứt quãng, tuổi thọ dụng cụ rất quan trọng nhưng không bị chi phối bởi độ mài mòn ở nhiệt độ cao và độ cứng nóng vừa phải là đủ. - Bạn dự định hàn, sửa chữa hoặc sửa đổi tại chỗ và muốn phục hồi sau khi hàn dễ dàng hơn.

Chọn M42 nếu... - Yêu cầu chính của bạn là khả năng giữ lưỡi cắt tốt và độ cứng khi nóng ở tốc độ cắt cao hoặc trong sản xuất công nghiệp nặng, nơi nhiệt độ cao và mài mòn là nguyên nhân chính gây hao mòn dụng cụ. - Tuổi thọ sử dụng lâu hơn giữa các lần mài lại là rất quan trọng và ngân sách hỗ trợ chi phí dụng cụ ban đầu cao hơn.

Ghi chú thực tế cuối cùng Hãy nêu rõ cấp độ cùng với điều kiện xử lý nhiệt dự kiến, kích thước tiết diện linh kiện và môi trường ứng dụng dự kiến. Đối với các dụng cụ quan trọng, hãy yêu cầu nhà cung cấp cung cấp mẫu đã xử lý nhiệt, chu kỳ ram khuyến nghị và các tùy chọn lớp phủ. Những chi tiết này thường có ảnh hưởng lớn hơn đến hiệu suất sử dụng so với chỉ riêng sự khác biệt nhỏ về thành phần.