Analiza vrst in značilnosti materialov, primernih za tehnologijo laserskega kaljenja

I. Materiali iz železnih kovin (trenutno najbolj razširjena uporaba)

1. Srednje in visoko ogljikovo jeklo (vsebnost ogljika 0,3 % ~ 0,8 %), tipični materiali:

45 jeklo (visokokakovostno srednjeogljično konstrukcijsko jeklo), označeno kot S45C v standardih JIS, ASTM 1045/080M46 in DIN C45, je vrhunsko ogljikovo konstrukcijsko jeklo z naslednjo kemično sestavo: 0,42–0,50 % ogljika (C), 0,17–0,37 % silicija (Si), 0,50–0,80 % mangana (Mn) in ≤0,25 % kroma (Cr). Ta vsestranski material ima odlično hladno/vročo obdelovalnost, vrhunske mehanske lastnosti, stroškovno učinkovitost in široko dostopnost, zaradi česar se pogosto uporablja v industrijskih aplikacijah. Vendar pa je njegova glavna omejitev nizka kaljivost, zaradi česar ni primeren za izdelavo komponent, ki zahtevajo velike prečne prereze ali visoke standarde natančnosti.

Jeklo T8: Evtektoidno ogljikovo orodno jeklo, ki po kaljenju in popuščanju kaže visoko trdoto in odpornost proti obrabi, čeprav ima omejitve, vključno z nizko vročo kaljivostjo, slabo kaljivostjo in dovzetnostjo za pregretje in deformacije med obdelavo. Ta material je skladen s standardi serije GB/T 1298, saj vsebuje med 0,75 % in 0,84 % ogljika, zaradi česar je primeren za izdelavo preprostih orodij za hladno oblikovanje in rezalnih orodij. Postopek kaljenja zahteva vodno hlajenje pri 780–800 ℃ °C, medtem ko popuščanje nad 250 ℃ °C zagotavlja dimenzijsko stabilnost. Vendar pa ni priporočljiv za aplikacije, ki zahtevajo odpornost proti udarnim obremenitvam.

Jeklo 65Mn: Izdelek iz vzmetnega jekla z visoko trdnostjo po toplotni obdelavi in ​​utrjevanju s hladnim vlečenjem, ki ponuja dobro prožnost in plastičnost. Pri enakih površinskih pogojih in popolnem utrjevanju je njegova meja utrujanja enaka meji utrujenosti vzmeti iz petbarvnih zlitin. Vendar pa se zaradi slabe kaljivosti uporablja predvsem za vzmeti majhnih dimenzij, kot so vzmeti za nastavitev tlaka/hitrosti, vzmeti za merjenje sile, splošne mehanske krožne/pravokotne vijačne vzmeti ali žično vlečene jeklene vzmeti za majhne stroje. Učinek utrjevanja: Površinska trdota doseže 55-65 HRC z globino utrjene plasti 0,2~1,5 mm, odlikuje se z enakomerno martenzitno strukturo in znatno izboljšano odpornostjo proti obrabi (npr. življenjska doba jekla 45 se po kaljenju poveča 4-6-krat). Primerno za zobnike, zatiče in komponente gredi. Mehanizem: Zadostna vsebnost ogljika tvori obilen martenzit, ki se med hitrim laserskim segrevanjem popolnoma avstenitizira in doseže popolno fazno transformacijo s samohlajenjem.

2. Legirano konstrukcijsko jeklo (dodani Cr, Ni, Mo in drugi elementi), tipični materiali:

40Cr: (40Cr spada v kategorijo "legiranih konstrukcijskih jekel", kot je opredeljeno v GB3077. To jeklo vsebuje 0,37 %–0,44 % ogljika, kar je nekoliko manj kot jeklo 45, s primerljivo vsebnostjo Si in Mn. Vsebuje 0,80 %–1,10 % Cr. Pri vroče valjanih aplikacijah je ta 1 % vsebnost Cr v bistvu neučinkovita, saj imata obe vrsti podobne mehanske lastnosti. Glede na to, da je 40Cr približno pol cenejše od jekla 45, ekonomski vidiki pogosto vodijo k uporabi jekla 45, kadar je to mogoče.

35CrMo: 35CrMo je specifikacijska koda za legirano konstrukcijsko jeklo (legirano kaljeno in popuščeno jeklo), ki ustreza nemškemu standardu 1.7220, britanskemu standardu 708A37, francoskemu standardu 35CD4 itd., v skladu z GB/T 3077-2015. Ima ogljikov ekvivalent 0,72 %, slabo varivost, ki zahteva predgrevanje. To jeklo ima visoko statično trdnost in udarno žilavost, z natezno trdnostjo ≥985 MPa in mejo tečenja ≥835 MPa, ter lahko prenese dolgotrajne obratovalne temperature do 500 ℃. Primerno je za izdelavo visoko obremenjenih mehanskih komponent, kot so menjalniki, ročične gredi, ojnice in vretena parnih turbin v valjarnah.

20CrMnTi: Cementirano jeklo z vsebnostjo ogljika 0,17–0,24 %, ki se pogosto uporablja v avtomobilski proizvodnji za menjalnike. Kot srednje trdo cementirano jeklo (Cr-Mn-Ti) kaže izjemno kaljivost, hkrati pa ohranja visoko udarno žilavost pri nizkih temperaturah. To jeklo, posebej zasnovano za površinsko cementacijsko kaljenje, kaže odlično obdelovalnost z minimalno deformacijo in izjemno odpornostjo proti utrujanju. Njegova primarna uporaba vključuje izdelavo komponent gredi, delov bata in specializiranih komponent za avtomobile in letala.

Učinek gašenja: Trdota lahko doseže 60~70 HRC, globina utrjene plasti 0,3~2 mm, elementi zlitine izboljšajo kaljivost in odpornost proti koroziji (npr. zobniki 35CrMo se po kaljenju utrujenostno trdnost poveča za 30 %).

Opomba: Visoka vsebnost zlitin lahko zmanjša stopnjo absorpcije laserja, zato je treba povečati učinkovitost absorpcije energije s črnjenjem (kot je fosfatiranje in premazovanje).

3. Lito železo (siva litina, nodularna litina), tipični materiali:

HT300: Je perlitna vrsta visoko trdne sive litine, ki izpolnjuje nacionalni standard GB 9439-88, njeno ime "HT" predstavlja sivo lito železo, "300" pa pomeni, da je najmanjša natezna trdnost preskusne palice s premerom 30 mm 300 MPa.

QT600-3: QT600-3 je perlitna nodularna litina s srednjo in visoko trdnostjo, srednjo žilavostjo in plastičnostjo, visokimi celovitimi lastnostmi, dobro odpornostjo proti obrabi in dušenjem vibracij ter dobrimi lastnostmi litja. Njene lastnosti se lahko spreminjajo z različnimi toplotnimi obdelavami.

Učinek gašenja: Površinska trdota lahko doseže 45~55 HRC, globina utrjene plasti 0,1~0,8 mm, okoli grafitne faze pa se tvori struktura martenzita in preostalega avstenita, kar izboljša sposobnost proti brušenju (na primer, koeficient trenja vodilne tirnice stroja po kaljenju se zmanjša za 20 %).

II. Neželezne kovine in njihove zlitine (nova področja uporabe)

1. Titanova zlitina (Ti-6Al-4V itd.)

Titanova zlitina se nanaša na različne zlitine, izdelane iz titana in drugih kovin. Titan je pomembna strukturna kovina, razvita v petdesetih letih prejšnjega stoletja, titanova zlitina pa je bila trdna, odporna proti koroziji in ima visoko toplotno odpornost.

Značilnosti utrjevanja: Lasersko segrevanje spodbuja nastanek prenasičenega martenzita na površini, trdota pa se poveča s 300 HV na 500~600 HV, hkrati pa ohranja dobro žilavost (primerno za ojačitev lopatic letalskih motorjev).

  Tehnična težava: Titanova zlitina ima visoko lasersko odbojnost (približno 70 %), zato je treba uporabiti predobdelavo površine (kot je peskanje) ali ultravijolični laser (valovna dolžina 355 nm, odbojnost pod 30 %).

2. Aluminijeva zlitina (serija 2xxx, serija 7xxx)

To je zlitina na osnovi aluminija, ki vsebuje dodane elemente, kot so baker, silicij, magnezij, cink in mangan. Z nastavitvijo razmerja elementov tvori serijo od 1XXX do 8XXX, ki zajema industrijski čisti aluminij in zlitine aluminija in bakra. Njegov sistem kod stanja temelji na petih temeljnih stanjih, vključno z F (prosta obdelava) in O (žarjenje), s podrobnimi kodami, kot je T6, ki omogočajo natančen nadzor lastnosti trdnosti in odpornosti proti koroziji.

Mehanizem za gašenje: Utrjevanje trdne raztopine se doseže s hitrim segrevanjem laserja, metastabilna oborjena faza pa se tvori po samoohlajanju (na primer, trdota aluminijeve zlitine 7075 se po kaljenju poveča s 150 HV na 220 HV).

Omejitve uporabe: Aluminijeva zlitina ima močno toplotno prevodnost (toplotna prevodnost je približno 200 W/m K), za zagotovitev učinkovitosti ogrevanja je potreben laser visoke moči (≥2 kW) in enostavno je povzročiti toplotno napetostno deformacijo.

3. Kositrove zlitine (medenina, bron)

To je zlitina, sestavljena iz čistega bakra z enim ali več dodatnimi elementi. Uporaba: Površinsko utrjevanje obrabno odpornih komponent (npr. ležajev, ventilov). Po laserskem kaljenju površina tvori nanokristalno strukturo, ki poveča trdoto za 15 % do 30 %. Vendar je treba temperaturo segrevanja nadzorovati, da se prepreči mehčanje bakrene matrice.

III. Posebni funkcionalni materiali

1. Materiali za praškasto metalurgijo (npr. komponente na osnovi železa in bakra, pridobljene s praškasto metalurgijo) Prednosti: Porozna struktura lahko shranjuje mazalno olje, površina pa po laserskem kaljenju postane gostejša. Trdota se poveča z 20–30 HRC na 50–55 HRC, zaradi česar so primerni za samomazalne ležaje.

2. Materiali za površinske premaze (npr. premazi s termičnim brizganjem in obložne plasti) Tipična uporaba: Po laserskem kaljenju premazov WC-Co, brizganih na površine ogljikovega jekla, se oblikuje kompozitna struktura "martenzitna matrica + cementirana karbidna faza", ki doseže trdoto nad 1000 HV. Ti materiali se uporabljajo v obrabno odpornih komponentah rudarskih strojev.

IV. Materiali, neprimerni za lasersko kaljenje

Nizkoogljično jeklo (vsebnost ogljika Zaradi nezadostne vsebnosti ogljika je martenzitna transformacija minimalna, kar ima za posledico slabe učinke kaljenja (povečanje trdote

Čisto avstenitno nerjavno jeklo (npr. 316L): Nima sposobnosti martenzitne transformacije. Lasersko segrevanje povzroči le utrjevanje z omejenim izboljšanjem trdote (približno 15 % -20 %).