Анализа врста и карактеристика материјала погодних за технологију ласерског каљења

I. Материјали од црних метала (тренутно најраспрострањенија примена)

1. Средње и високоугљенични челик (садржај угљеника 0,3%~0,8%), типични материјали:

45 челик (висококвалитетни средњеугљенични конструкциони челик), означен као S45C у JIS стандардима, ASTM 1045/080M46 и DIN C45, је врхунски угљенични конструкциони челик са следећим хемијским саставом: 0,42-0,50% угљеника (C), 0,17-0,37% силицијума (Si), 0,50-0,80% мангана (Mn) и ≤0,25% хрома (Cr). Овај свестрани материјал показује одличну обрадивост на хладном/топлом месту, супериорна механичка својства, исплативост и широку доступност, што га чини широко коришћеним у индустријским применама. Међутим, његово главно ограничење лежи у ниској каљивости, што га чини непогодним за производњу компоненти које захтевају велике димензије попречног пресека или високе стандарде прецизности.

Т8 челик: Еутектоидни угљенични алатни челик који показује високу тврдоћу и отпорност на хабање након каљења и отпуштања, иако има ограничења, укључујући ниску прокаљивост на топло, лошу прокаљивост и подложност деформацијама услед прегревања током обраде. Овај материјал је у складу са стандардима серије GB/T 1298, садржи садржај угљеника између 0,75% и 0,84%, што га чини погодним за производњу алата за хладно обликовање и резних алата једноставног облика. Процес каљења захтева хлађење водом на 780-800℃°C, док отпуштање изнад 250℃°C обезбеђује димензионалну стабилност. Међутим, не препоручује се за примене које захтевају отпорност на ударно оптерећење.

Челик 65Mn: Производ од опружног челика са високом чврстоћом након термичке обраде и хладног каљења, нуди добру флексибилност и пластичност. Под идентичним површинским условима и потпуном каљењу, његова граница замора је једнака оној код опруга од легура пет боја. Међутим, због лоше каљивости, углавном се користи за опруге малих димензија као што су опруге за подешавање притиска/регулацију брзине, опруге за мерење силе, опште механичке кружне/правоугаоне спиралне опруге или челичне опруге вучене жицом за мале машине. Ефекат каљења: Површинска тврдоћа достиже 55-65 HRC са дубином каљеног слоја од 0,2~1,5 мм, са уједначеном мартензитном структуром и значајно побољшаном отпорношћу на хабање (нпр. век хабања челика 45 се повећава 4-6 пута након каљења). Погодан за зупчанике, клинове и компоненте вратила. Механизам: Довољан садржај угљеника формира обилан мартензит, који подлеже потпуној аустенитизацији током брзог ласерског загревања и постиже потпуну фазну трансформацију кроз самохлађење каљењем.

2. Легирани конструкциони челик (додајте Cr, Ni, Mo и друге елементе), типични материјали:

40Cr: (40Cr спада у категорију „легирани конструкциони челик“ како је дефинисано у GB3077. Овај челик садржи 0,37%-0,44% угљеника, нешто мање од челика 45, са упоредивим садржајем Si и Mn. Садржи 0,80%-1,10% Cr. Код топло ваљаних челика, овај садржај Cr од 1% је у суштини неефикасан, јер обе класе показују слична механичка својства. С обзиром да 40Cr кошта око упола мање од челика 45, економска разматрања често доводе до употребе челика 45 када је то могуће.)

35CrMo: 35CrMo је спецификациони код за легирани конструкциони челик (легирани каљени и отпушени челик), који одговара немачком стандарду 1.7220, британском стандарду 708A37, француском стандарду 35CD4 итд., у складу са GB/T 3077-2015. Има угљенични еквивалент од 0,72%, лошу заварљивост која захтева мере претходног загревања. Овај челик показује високу статичку чврстоћу и ударну жилавост, са затезном чврстоћом ≥985MPa и границом течења ≥835MPa, способан да издржи дуготрајне радне температуре до 500℃. Погодан је за производњу механичких компоненти са великим оптерећењем као што су мењачи, радилице, клипњаче и вретена парних турбина у ваљаоницама.

20CrMnTi: Карбуризовани челик са садржајем угљеника од 0,17%-0,24%, који се често користи у аутомобилској производњи за мењаче. Као средње очвршћени карбуризовани челик (Cr-Mn-Ti), показује изузетну каљивост уз одржавање високе ударне жилавости на ниским температурама. Посебно пројектован за површинско очвршћавање карбуризацијом, овај челик показује одличну обрадивост са минималном деформацијом и изванредном отпорношћу на замор. Његове примарне примене укључују производњу компоненти вратила, делова клипова и специјализованих компоненти за аутомобиле и авионе.

Ефекат гашења: Тврдоћа може достићи 60~70 HRC, дубина каљеног слоја 0,3~2 мм, легирани елементи побољшавају каљивост и отпорност на корозију (као што је зупчаник од 35CrMo након каљења повећао чврстоћу на замор за 30%).

Напомена: Висок садржај легуре може смањити брзину апсорпције ласера, па је неопходно побољшати ефикасност апсорпције енергије третманом црнења (као што је фосфатирање и премазивање).

3. Ливено гвожђе (сиви лив, нодуларни лив), типични материјали:

HT300: је перлитни тип сивог ливеног гвожђа високе чврстоће, примењује национални стандард GB 9439-88, његово име "HT" представља сиво ливено гвожђе, "300" означава да је минимална затезна чврстоћа тестног штапа пречника 30 мм 300MPa.

QT600-3: QT600-3 је перлитно нодуларно гвожђе, средње и високе чврстоће, средње жилавости и пластичности, високих свеобухватних перформанси, добре отпорности на хабање и пригушења вибрација, добрих карактеристика процеса ливења. Може да мења своја својства кроз различите термичке обраде.

Ефекат гашења: Тврдоћа површине може достићи 45~55 HRC, дубина очврслог слоја 0,1~0,8 мм, а структура мартензита + резидуалног аустенита се формира око графитне фазе, што побољшава способност отпорности на брушење (на пример, коефицијент трења вођице машинског алата након каљења се смањује за 20%).

II. Обојени метали и њихове легуре (нова подручја примене)

1. Легура титанијума (Ti-6Al-4V, итд.)

Легура титанијума се односи на разне легуре направљене од титанијума и других метала. Титанијум је важан структурни метал развијен 1950-их, чврстоћа легуре титанијума, отпорност на корозију и високу отпорност на топлоту.

Карактеристике очвршћавања: Ласерско загревање подстиче стварање презасићеног мартензита на површини, а тврдоћа се повећава са 300 HV на 500~600 HV, уз одржавање добре жилавости (погодно за ојачање лопатица авионских мотора).

  Техничка тешкоћа: Легура титанијума има високу рефлективност ласера ​​(око 70%), па треба користити претходну обраду површине (као што је пескарење) или ултраљубичасти ласер (таласна дужина 355 нм, рефлективност испод 30%).

2. Алуминијумска легура (серија 2xxx, серија 7xxx)

Ово је легура на бази алуминијума која садржи додате елементе као што су бакар, силицијум, магнезијум, цинк и манган. Подешавањем односа елемената, формира серија од 1XXX до 8XXX која покрива индустријски чисти алуминијум и легуре алуминијума и бакра. Његов систем кодова стања заснован је на пет основних стања, укључујући F (слободна обрада) и O (жарење), са детаљним кодовима попут T6 који омогућавају прецизну контролу својстава чврстоће и отпорности на корозију.

Механизам за гашење: Ојачавање чврстог раствора постиже се брзим загревањем ласера, а метастабилна исталожена фаза се формира након самохлађења (на пример, тврдоћа легуре алуминијума 7075 повећава се са 150 HV на 220 HV након каљења).

Ограничења апликације: Алуминијумска легура има јаку топлотну проводљивост (топлотна проводљивост је око 200 W/m K), потребан је ласер велике снаге (≥2 kW) да би се осигурала ефикасност грејања, а лако је произвести и термичку деформацију напрезања.

3. Легуре калаја (месинг, бронза)

Ово је легура састављена од чистог бакра са једним или више додатних елемената. Примене: Површинско каљење компоненти отпорних на хабање (нпр. лежајеви, вентили). Након ласерског каљења, површина формира нанокристалну структуру, повећавајући тврдоћу за 15% до 30%. Међутим, температура загревања мора бити контролисана како би се спречило омекшавање бакарне матрице.

III. Специјални функционални материјали

1. Материјали за прашкасту металургију (нпр. компоненте прашкасте металургије на бази гвожђа и бакра) Предности: Порозна структура може да складишти уље за подмазивање, а површина постаје гушћа након ласерског каљења. Тврдоћа се повећава са 20-30 HRC на 50-55 HRC, што их чини погодним за самоподмазујуће лежајеве.

2. Материјали за површинске премазе (нпр. термички прскани премази и слојеви облагања) Типичне примене: Након ласерског каљења WC-Co премаза прсканих на површине угљеничног челика, формира се композитна структура „мартензитна матрица + фаза цементираног карбида“, постижући тврдоћу већу од 1000 HV. Ови материјали се користе у компонентама отпорним на хабање рударских машина.

IV. Материјали непогодни за ласерско гашење

Нискоугљенични челик (садржај угљеника Због недовољног садржаја угљеника, мартензитна трансформација је минимална, што резултира лошим ефектима каљења (повећање тврдоће

Чисти аустенитни нерђајући челик (нпр. 316L): Недостаје му могућност мартензитне трансформације. Ласерско загревање изазива само очвршћавање уз ограничено побољшање тврдоће (приближно 15% -20%).