Analiza vrsta i karakteristika materijala pogodnih za tehnologiju laserskog gašenja

I. Materijali od željeznih metala (trenutno najčešća primjena)

1. Srednje i visokougljični čelik (udio ugljika 0,3% ~ 0,8%), tipični materijali:

45 čelik (visokokvalitetni konstrukcijski čelik srednjeg udjela ugljika), označen kao S45C u JIS standardima, ASTM 1045/080M46 i DIN C45, vrhunski je konstrukcijski čelik od ugljika sljedećeg kemijskog sastava: 0,42-0,50% ugljika (C), 0,17-0,37% silicija (Si), 0,50-0,80% mangana (Mn) i ≤0,25% kroma (Cr). Ovaj svestrani materijal pokazuje izvrsnu obradivost u hladnoj/toploj fazi, vrhunska mehanička svojstva, isplativost i široku dostupnost, što ga čini široko korištenim u industrijskim primjenama. Međutim, njegovo glavno ograničenje leži u niskoj prokaljivosti, što ga čini neprikladnim za proizvodnju komponenti koje zahtijevaju velike dimenzije poprečnog presjeka ili visoke standarde preciznosti.

T8 čelik: Eutektoidni ugljični alatni čelik koji pokazuje visoku tvrdoću i otpornost na habanje nakon kaljenja i otpuštanja, iako ima ograničenja uključujući nisku prokaljivost na vrućem mjestu, slabu prokaljivost i osjetljivost na pregrijavanje i deformacije tijekom obrade. Ovaj materijal je u skladu sa standardima serije GB/T 1298, sadrži udio ugljika između 0,75% i 0,84%, što ga čini prikladnim za izradu jednostavnih alata za hladno oblikovanje i reznih alata. Proces kaljenja zahtijeva hlađenje vodom na 780-800 ℃°C, dok otpuštanje iznad 250 ℃°C osigurava dimenzijsku stabilnost. Međutim, ne preporučuje se za primjene koje zahtijevaju otpornost na udarno opterećenje.

Čelik 65Mn: Proizvod od opružnog čelika s visokom čvrstoćom nakon toplinske obrade i hladnog vučenog kaljenja, koji nudi dobru fleksibilnost i plastičnost. Pod identičnim uvjetima površine i potpunom kaljenju, njegova granica zamora odgovara onoj kod opruga od legure pet boja. Međutim, zbog slabe prokaljivosti, uglavnom se koristi za opruge malih dimenzija kao što su opruge za podešavanje tlaka/regulaciju brzine, opruge za mjerenje sile, opće mehaničke kružne/pravokutne spiralne opruge ili žičano vučene čelične opruge za male strojeve. Učinak očvršćavanja: Površinska tvrdoća doseže 55-65 HRC s dubinom očvrslog sloja od 0,2~1,5 mm, s ujednačenom martenzitnom strukturom i značajno poboljšanom otpornošću na habanje (npr. vijek trajanja čelika 45 povećava se 4-6 puta nakon kaljenja). Pogodno za zupčanike, klinove i komponente osovina. Mehanizam: Dovoljan sadržaj ugljika stvara obilan martenzit, koji prolazi kroz potpunu austenitizaciju tijekom brzog laserskog zagrijavanja i postiže potpunu faznu transformaciju kroz samohlađenje kaljenjem.

2. Legirani konstrukcijski čelik (dodati Cr, Ni, Mo i druge elemente), tipični materijali:

40Cr: (40Cr spada u kategoriju "legiranog konstrukcijskog čelika" kako je definirano u GB3077. Ovaj čelik sadrži 0,37%-0,44% ugljika, nešto manje od čelika 45, s usporedivim udjelom Si i Mn. Sadrži 0,80%-1,10% Cr. U toplo valjanim primjenama, ovaj sadržaj Cr od 1% je u biti neučinkovit, jer obje klase pokazuju slična mehanička svojstva. S obzirom na to da 40Cr košta otprilike upola manje od čelika 45, ekonomska razmatranja često dovode do korištenja čelika 45 kada je to moguće.)

35CrMo: 35CrMo je specifikacijski kod za legirani konstrukcijski čelik (legirani kaljeni i popušteni čelik), koji odgovara njemačkom standardu 1.7220, britanskom standardu 708A37, francuskom standardu 35CD4 itd., u skladu s GB/T 3077-2015. Ima ugljični ekvivalent od 0,72%, slabu zavarljivost koja zahtijeva mjere predgrijavanja. Ovaj čelik pokazuje visoku statičku čvrstoću i udarnu žilavost, s vlačnom čvrstoćom ≥985 MPa i granicom razvlačenja ≥835 MPa, sposoban je izdržati dugotrajne radne temperature do 500 ℃. Pogodan je za proizvodnju mehaničkih komponenti visokih opterećenja kao što su mjenjači, radilice, klipnjače i vretena parnih turbina u valjaonicama.

20CrMnTi: Cementirani čelik s udjelom ugljika od 0,17%-0,24%, koji se često koristi u automobilskoj proizvodnji za mjenjače. Kao srednje tvrdo cementirani čelik (Cr-Mn-Ti), pokazuje iznimnu prokaljivost uz održavanje visoke udarne žilavosti na niskim temperaturama. Posebno konstruiran za površinsko cementiranje, ovaj čelik pokazuje izvrsnu obradivost s minimalnom deformacijom i izvanrednom otpornošću na umor. Njegova primarna primjena uključuje proizvodnju komponenti osovina, dijelova klipova i specijaliziranih komponenti za automobile i zrakoplove.

Učinak gašenja: Tvrdoća može doseći 60~70 HRC, dubina kaljenog sloja 0,3~2 mm, legirajući elementi poboljšavaju prokaljivost i otpornost na koroziju (npr. kod zupčanika 35CrMo nakon kaljenja čvrstoća na zamor povećana je za 30%).

Napomena: Visok sadržaj legure može smanjiti brzinu apsorpcije lasera, stoga je potrebno poboljšati učinkovitost apsorpcije energije tretmanom crnjenja (kao što je fosfatiranje i premazivanje).

3. Lijevano željezo (sivi lijevani lijev, nodularni lijevani lijev), tipični materijali:

HT300: je perlitni tip sivog lijevanog željeza visoke čvrstoće, primjenjuje nacionalni standard GB 9439-88, njegov naziv "HT" predstavlja sivo lijevano željezo, "300" označava da je minimalna vlačna čvrstoća ispitne šipke promjera 30 mm 300 MPa.

QT600-3: QT600-3 je perlitno nodularno lijevano željezo srednje i visoke čvrstoće, srednje žilavosti i plastičnosti, visokih sveobuhvatnih performansi, dobre otpornosti na habanje i prigušenja vibracija, te dobrih karakteristika procesa lijevanja. Svoja svojstva može mijenjati različitim toplinskim obradama.

Učinak gašenja: Tvrdoća površine može doseći 45~55 HRC, dubina okaljenog sloja 0,1~0,8 mm, a martenzitna + zaostala austenitna struktura formira se oko grafitne faze, što poboljšava sposobnost sprječavanja brušenja (na primjer, koeficijent trenja vodilice alatnog stroja nakon kaljenja smanjuje se za 20%).

II. Neželjezni metali i njihove legure (nova područja primjene)

1. Legura titana (Ti-6Al-4V, itd.)

Titanijeva legura odnosi se na razne legure izrađene od titana i drugih metala. Titan je važan strukturni metal razvijen 1950-ih, a legura titana ima čvrstoću, otpornost na koroziju i visoku otpornost na toplinu.

Karakteristike očvršćavanja: Lasersko zagrijavanje potiče stvaranje prezasićenog martenzita na površini, a tvrdoća se povećava s 300 HV na 500~600 HV, uz održavanje dobre žilavosti (pogodno za ojačanje lopatica zrakoplovnih motora).

  Tehnička poteškoća: Titanijeva legura ima visoku lasersku refleksivnost (oko 70%), pa treba koristiti predobradu površine (kao što je pjeskarenje) ili ultraljubičasti laser (valna duljina 355 nm, refleksivnost ispod 30%).

2. Aluminijska legura (serija 2xxx, serija 7xxx)

Ovo je legura na bazi aluminija koja sadrži dodane elemente poput bakra, silicija, magnezija, cinka i mangana. Prilagođavanjem omjera elemenata formira seriju od 1XXX do 8XXX koja pokriva industrijski čisti aluminij i legure aluminija i bakra. Njegov sustav kodiranja stanja temelji se na pet temeljnih stanja, uključujući F (slobodna obrada) i O (žarenje), s detaljnim kodovima poput T6 koji omogućuju preciznu kontrolu svojstava čvrstoće i otpornosti na koroziju.

Mehanizam za gašenje: Ojačavanje čvrste otopine postiže se brzim zagrijavanjem laserom, a metastabilna istaložena faza nastaje nakon samohlađenja (na primjer, tvrdoća aluminijske legure 7075 povećava se sa 150 HV na 220 HV nakon kaljenja).

Ograničenja primjene: Aluminijska legura ima jaku toplinsku vodljivost (toplinska vodljivost je oko 200 W/m K), potreban je laser velike snage (≥2 kW) kako bi se osigurala učinkovitost grijanja, a lako je proizvesti toplinsku deformaciju naprezanja.

3. Legure kositra (mjed, bronca)

Ovo je legura sastavljena od čistog bakra s jednim ili više dodatnih elemenata. Primjena: Površinsko kaljenje komponenti otpornih na habanje (npr. ležajeva, ventila). Nakon laserskog kaljenja, površina formira nanokristalnu strukturu, povećavajući tvrdoću za 15% do 30%. Međutim, temperatura zagrijavanja mora se kontrolirati kako bi se spriječilo omekšavanje bakrene matrice.

III. Posebni funkcionalni materijali

1. Materijali dobiveni metalurškim prahom (npr. komponente na bazi željeza i bakra dobivene metalurškim prahom) Prednosti: Porozna struktura može pohraniti ulje za podmazivanje, a površina postaje gušća nakon laserskog kaljenja. Tvrdoća se povećava s 20-30 HRC na 50-55 HRC, što ih čini prikladnima za samopodmazujuće ležajeve.

2. Materijali za površinske premaze (npr. premazi termičkim raspršivanjem i slojevi oblaganja) Tipične primjene: Nakon laserskog kaljenja WC-Co premaza raspršenih na površine ugljičnog čelika, formira se kompozitna struktura "martenzitna matrica + cementirana karbidna faza", postižući tvrdoću veću od 1000 HV. Ovi materijali se koriste u komponentama otpornim na habanje rudarskih strojeva.

IV. Materijali neprikladni za lasersko gašenje

Niskougljični čelik (udio ugljika Zbog nedovoljnog sadržaja ugljika, martenzitna transformacija je minimalna, što rezultira slabim učincima kaljenja (povećanje tvrdoće

Čisti austenitni nehrđajući čelik (npr. 316L): Nedostaje sposobnost martenzitne transformacije. Lasersko zagrijavanje uzrokuje samo očvršćavanje s ograničenim poboljšanjem tvrdoće (otprilike 15% -20%).