Анализ на видовете и характеристиките на материалите, подходящи за технология за лазерно закаляване

I. Материали от черни метали (в момента най-масовото приложение)

1. Средно и високо въглеродна стомана (съдържание на въглерод 0,3% ~ 0,8%), типични материали:

45 стомана (висококачествена средновъглеродна конструкционна стомана), обозначена като S45C в стандартите JIS, ASTM 1045/080M46 и DIN C45, е първокласна въглеродна конструкционна стомана със следния химичен състав: 0,42-0,50% въглерод (C), 0,17-0,37% силиций (Si), 0,50-0,80% манган (Mn) и ≤0,25% хром (Cr). Този универсален материал демонстрира отлична студена/гореща обработваемост, превъзходни механични свойства, икономическа ефективност и широка наличност, което го прави широко използван в промишлени приложения. Основното му ограничение обаче е ниската му закаляемост, което го прави неподходящ за производство на компоненти, изискващи големи размери на напречното сечение или високи стандарти за прецизност.

Стомана T8: Евтектоидна въглеродна инструментална стомана, която показва висока твърдост и износоустойчивост след закаляване и отпускане, въпреки че има ограничения, включително ниска закаляемост на горещо, лоша закаляемост и податливост на прегряване и деформация по време на машинна обработка. Този материал отговаря на стандартите от серията GB/T 1298, съдържащ въглерод между 0,75% и 0,84%, което го прави подходящ за производство на опростени студеноформовъчни матрици и режещи инструменти. Процесът на закаляване изисква водно охлаждане при 780-800℃°C, докато отпускането над 250℃°C осигурява размерна стабилност. Не се препоръчва обаче за приложения, изискващи устойчивост на ударно натоварване.

65Mn стомана: Продукт от пружинна стомана с висока якост след термична обработка и закаляване чрез студено изтегляне, предлагащ добра гъвкавост и пластичност. При идентични повърхностни условия и пълно закаляване, границата му на умора е същата като на пружините от петцветни сплави. Поради лошата закаляемост обаче, той се използва главно за пружини с малък размер, като например пружини за регулиране на налягането/скоростта, пружини за измерване на сила, общи механични кръгли/правоъгълни спирални пружини или стоманени пружини, изтеглени с тел, за малки машини. Ефект на закаляване: Повърхностната твърдост достига 55-65 HRC с дълбочина на закаления слой 0,2~1,5 мм, характеризирайки се с равномерна мартензитна структура и значително подобрена износоустойчивост (напр. животът на стомана 45 се увеличава 4-6 пъти след закаляване). Подходящ за зъбни колела, щифтове и компоненти на валове. Механизъм: Достатъчното съдържание на въглерод образува изобилен мартензит, който претърпява пълна аустенитизация по време на бързо лазерно нагряване и постига пълна фазова трансформация чрез самоохлаждащо се закаляване.

2. Легирана конструкционна стомана (добавяне на Cr, Ni, Mo и други елементи), типични материали:

40Cr: (40Cr попада в категорията „легирана конструкционна стомана“, както е дефинирано в GB3077. Тази стомана съдържа 0,37%-0,44% въглерод, малко по-малко от стомана 45, със сравнимо съдържание на Si и Mn. Съдържа 0,80%-1,10% Cr. При горещовалцувани приложения това 1% съдържание на Cr е по същество неефективно, тъй като и двата класа показват сходни механични свойства. Като се има предвид, че 40Cr струва около два пъти по-малко от стомана 45, икономическите съображения често водят до използването на стомана 45, когато е възможно.

35CrMo: 35CrMo е спецификационен код за легирана конструкционна стомана (легирана закалена и темперирана стомана), съответстващ на немския стандарт 1.7220, британския стандарт 708A37, френския стандарт 35CD4 и др., в съответствие с GB/T 3077-2015. Има въглероден еквивалент от 0,72%, лоша заваряемост, изискваща предварително нагряване. Тази стомана показва висока статична якост и ударна жилавост, с якост на опън ≥985MPa и граница на провлачване ≥835MPa, способна да издържа на дългосрочни работни температури до 500℃. Подходяща е за производство на механични компоненти с високо натоварване, като скоростни кутии, колянови валове, мотовилки и шпиндели на парни турбини във валцови станове.

20CrMnTi: Цементирана стомана със съдържание на въглерод от 0,17% до 0,24%, често използвана в автомобилното производство за трансмисионни зъбни колела. Като средно закаляваща се цементирана стомана (Cr-Mn-Ti), тя демонстрира изключителна закаляемост, като същевременно поддържа висока ударна жилавост при ниски температури. Специално разработена за повърхностно цементирано закаляване, тази стомана показва отлична обработваемост с минимална деформация и изключителна устойчивост на умора. Основните ѝ приложения включват производството на компоненти на валове, бутални части и специализирани компоненти за автомобили и самолети.

Ефект на закаляване: Твърдостта може да достигне 60~70 HRC, дълбочината на закаления слой 0,3~2 мм, легиращите елементи подобряват закаляемостта и устойчивостта на корозия (например, зъбно колело 35CrMo след закаляване, якостта на умора се увеличава с 30%).

Забележка: Високото съдържание на сплави може да намали скоростта на абсорбция на лазера, така че е необходимо да се подобри ефективността на абсорбция на енергия чрез обработка с почерняване (като фосфатиране и покритие).

3. Чугун (сив чугун, ковък чугун), типични материали:

HT300: е перлитен вид високоякостен сив чугун, прилагащ националния стандарт GB 9439-88, името му "HT" представлява сив чугун, "300" показва, че минималната якост на опън на изпитвателен прът с диаметър 30 ​​мм е 300 MPa.

QT600-3: QT600-3 е перлитен сферографитен чугун със средна и висока якост, средна жилавост и пластичност, високи общи характеристики, добра износоустойчивост и амортизация на вибрациите, добри характеристики при леене. Свойствата му могат да се променят чрез различни термични обработки.

Ефект на закаляване: Твърдостта на повърхността може да достигне 45~55 HRC, дълбочината на закаления слой 0,1~0,8 мм, а около графитната фаза се образува структура от мартензит + остатъчен аустенит, което подобрява способността за противошлифоване (например, коефициентът на триене на водещата релса на машинния инструмент след закаляване се намалява с 20%).

II. Цветни метали и техните сплави (нововъзникващи области на приложение)

1. Титаниева сплав (Ti-6Al-4V и др.)

Титаниевата сплав се отнася до различни сплави, направени от титан и други метали. Титанът е важен структурен метал, разработен през 50-те години на миналия век, титаниевата сплав се отличава със здравина, устойчивост на корозия и висока топлоустойчивост.

Характеристики на втвърдяване: Лазерното нагряване насърчава образуването на свръхнаситен мартензит върху повърхността, а твърдостта се увеличава от 300 HV до 500~600 HV, като същевременно се запазва добра жилавост (подходяща за подсилване на лопатките на авиационни двигатели).

  Техническа трудност: Титановата сплав има висока лазерна отражателна способност (около 70%), така че трябва да се използва предварителна обработка на повърхността (като пясъкоструене) или ултравиолетов лазер (дължина на вълната 355 nm, отражателна способност под 30%).

2. Алуминиева сплав (серия 2xxx, серия 7xxx)

Това е сплав на алуминиева основа, съдържаща добавени елементи като мед, силиций, магнезий, цинк и манган. Чрез регулиране на съотношението на елементите, той формира серията от 1XXX до 8XXX, обхващаща индустриален чист алуминий и алуминиево-медни сплави. Системата му за кодиране на състоянията се основава на пет основни състояния, включително F (свободна обработка) и O (отгряване), с подробни кодове като T6, позволяващи прецизен контрол на якостните и корозионноустойчивите свойства.

Механизъм за гасене: Укрепването на твърдия разтвор се постига чрез бързо нагряване с лазер, а метастабилната утаена фаза се образува след самоохлаждане (например, твърдостта на алуминиева сплав 7075 се увеличава от 150 HV до 220 HV след закаляване).

Ограничения на приложението: Алуминиевата сплав има силна топлопроводимост (топлопроводимостта е около 200 W/m K), за да се осигури ефективност на нагряването, е необходим лазер с висока мощност (≥2 kW) и е лесно да се произведе термична деформация от напрежение.

3. Калаени сплави (месинг, бронз)

Това е сплав, съставена от чиста мед с един или повече допълнителни елементи. Приложения: Повърхностно закаляване на износоустойчиви компоненти (напр. лагери, клапани). След лазерно закаляване, повърхността образува нанокристална структура, увеличавайки твърдостта с 15% до 30%. Температурата на нагряване обаче трябва да се контролира, за да се предотврати омекването на медната матрица.

III. Специални функционални материали

1. Материали за прахова металургия (напр. компоненти за прахова металургия на желязна и медна основа) Предимства: Порестата структура може да съхранява смазочно масло, като повърхността става по-плътна след лазерно закаляване. Твърдостта се увеличава от 20-30 HRC до 50-55 HRC, което ги прави подходящи за самосмазващи се лагери.

2. Материали за повърхностни покрития (напр. термично напръскани покрития и облицовъчни слоеве) Типични приложения: След лазерно закаляване на WC-Co покрития, напръскани върху повърхности от въглеродна стомана, се образува композитна структура „мартензитна матрица + циментирана карбидна фаза“, постигаща твърдост над 1000 HV. Тези материали се използват в износоустойчиви компоненти на минни машини.

IV. Материали, неподходящи за лазерно закаляване

Нисковъглеродна стомана (съдържание на въглерод Поради недостатъчното съдържание на въглерод, мартензитната трансформация е минимална, което води до лоши ефекти на втвърдяване (повишаване на твърдостта

Чиста аустенитна неръждаема стомана (напр. 316L): Липсва способност за мартензитно преобразуване. Лазерното нагряване води само до втвърдяване с ограничено подобрение на твърдостта (приблизително 15% -20%).