Analiza typów i charakterystyk materiałów nadających się do technologii hartowania laserowego

I. Materiały z metali żelaznych (obecnie najpopularniejsze zastosowanie)

1. Stal średnio- i wysokowęglowa (zawartość węgla 0,3%~0,8%), typowe materiały:

45 stali (wysokiej jakości stal konstrukcyjna o średniej zawartości węgla), oznaczona jako S45C w normach JIS, ASTM 1045/080M46 i DIN C45, to wysokiej jakości stal konstrukcyjna węglowa o następującym składzie chemicznym: 0,42–0,50% węgla (C), 0,17–0,37% krzemu (Si), 0,50–0,80% manganu (Mn) i ≤0,25% chromu (Cr). Ten wszechstronny materiał charakteryzuje się doskonałą obrabialnością na zimno i na gorąco, doskonałymi właściwościami mechanicznymi, ekonomicznością i szeroką dostępnością, co czyni go szeroko stosowanym w zastosowaniach przemysłowych. Jednak jego głównym ograniczeniem jest niska hartowność, co czyni go nieodpowiednim do produkcji elementów wymagających dużych przekrojów poprzecznych lub wysokich standardów precyzji.

Stal T8: Eutektoidalna stal narzędziowa węglowa, charakteryzująca się wysoką twardością i odpornością na zużycie po hartowaniu i odpuszczaniu, choć ma pewne ograniczenia, takie jak niska hartowność na gorąco, słaba hartowność oraz podatność na odkształcenia spowodowane przegrzaniem podczas obróbki. Materiał ten jest zgodny z normami GB/T serii 1298, a jego zawartość węgla mieści się w zakresie od 0,75% do 0,84%, co czyni go odpowiednim do produkcji prostych matryc do formowania na zimno i narzędzi skrawających. Proces hartowania wymaga chłodzenia wodnego w temperaturze 780-800°C, a odpuszczanie w temperaturze powyżej 250°C zapewnia stabilność wymiarową. Nie jest jednak zalecany do zastosowań wymagających odporności na obciążenia udarowe.

Stal 65Mn: Stal sprężynowa o wysokiej wytrzymałości po obróbce cieplnej i hartowaniu przez ciągnienie na zimno, oferująca dobrą elastyczność i plastyczność. W identycznych warunkach powierzchni i pełnym hartowaniu, jej granica zmęczenia odpowiada granicy wytrzymałości sprężyn ze stopów pięciobarwnych. Jednak ze względu na słabą hartowność, jest ona stosowana głównie do produkcji sprężyn o małych rozmiarach, takich jak sprężyny regulujące ciśnienie/prędkość, sprężyny do pomiaru siły, sprężyny śrubowe o przekroju kołowym/prostokątnym do zastosowań mechanicznych lub sprężyny stalowe ciągnione do małych maszyn. Efekt hartowania: Twardość powierzchni osiąga 55-65 HRC przy grubości warstwy hartowanej 0,2-1,5 mm, charakteryzując się jednorodną strukturą martenzytyczną i znacznie lepszą odpornością na zużycie (np. żywotność stali 45 wzrasta 4-6-krotnie po hartowaniu). Nadaje się do kół zębatych, sworzni i elementów wałów. Mechanizm: Wystarczająca zawartość węgla tworzy obfity martenzyt, który ulega całkowitej austenityzacji podczas szybkiego nagrzewania laserowego i osiąga pełną przemianę fazową poprzez samoczynne chłodzenie.

2. Stal konstrukcyjna stopowa (dodatek Cr, Ni, Mo i innych pierwiastków), typowe materiały:

40Cr: (40Cr należy do kategorii „stal konstrukcyjna stopowa” zgodnie z definicją w GB3077. Stal ta zawiera 0,37%–0,44% węgla, nieco mniej niż stal 45, przy porównywalnej zawartości Si i Mn. Zawiera 0,80%–1,10% Cr. W zastosowaniach walcowanych na gorąco ta 1% zawartość Cr jest zasadniczo nieskuteczna, ponieważ oba gatunki wykazują podobne właściwości mechaniczne. Biorąc pod uwagę, że stal 40Cr kosztuje około połowę tego, co stal 45, względy ekonomiczne często prowadzą do stosowania stali 45, gdy jest to możliwe.

35CrMo: 35CrMo to kod specyfikacji stali konstrukcyjnej stopowej (stal stopowa ulepszona cieplnie), odpowiadający normom niemieckiej 1.7220, brytyjskiej 708A37, francuskiej 35CD4 itp., zgodny z normą GB/T 3077-2015. Posiada równoważnik węgla 0,72%, a jej słaba spawalność wymaga podgrzewania wstępnego. Stal ta charakteryzuje się wysoką wytrzymałością statyczną i udarnością, z wytrzymałością na rozciąganie ≥985 MPa i granicą plastyczności ≥835 MPa, co pozwala na długotrwałą pracę w temperaturach do 500°C. Nadaje się do produkcji wysokoobciążonych elementów mechanicznych, takich jak przekładnie, wały korbowe, korbowody i wrzeciona turbin parowych w walcowniach.

20CrMnTi: Stal nawęglana o zawartości węgla 0,17%-0,24%, powszechnie stosowana w przemyśle motoryzacyjnym do produkcji przekładni. Jako stal nawęglana o średniej hartowności (Cr-Mn-Ti), charakteryzuje się wyjątkową hartownością, zachowując jednocześnie wysoką udarność w niskich temperaturach. Zaprojektowana specjalnie do hartowania powierzchniowego przez nawęglanie, stal ta charakteryzuje się doskonałą skrawalnością, minimalnymi odkształceniami i wyjątkową odpornością na zmęczenie. Jej główne zastosowania obejmują produkcję elementów wałów, części tłoków oraz specjalistycznych komponentów do samochodów i samolotów.

Efekt gaszenia: Twardość może osiągnąć 60~70 HRC, głębokość utwardzonej warstwy 0,3~2 mm, elementy stopowe poprawiają hartowność i odporność na korozję (np. koło zębate 35CrMo po hartowaniu zwiększa wytrzymałość zmęczeniową o 30%).

Uwaga: Wysoka zawartość stopu może zmniejszyć szybkość absorpcji lasera, dlatego konieczne jest zwiększenie efektywności absorpcji energii poprzez obróbkę czerniącą (np. fosforanowanie i powlekanie).

3. Żeliwo (żeliwo szare, żeliwo sferoidalne), typowe materiały:

HT300: jest rodzajem perlitu o wysokiej wytrzymałości, żeliwa szarego, zgodnego z normą krajową GB 9439-88, jego nazwa „HT” oznacza żeliwo szare, „300” wskazuje, że minimalna wytrzymałość na rozciąganie pręta testowego o średnicy 30 mm wynosi 300 MPa.

QT600-3: QT600-3 to żeliwo sferoidalne o korpusie perlitycznym, charakteryzujące się średnią i wysoką wytrzymałością, średnią udarnością i plastycznością, wysoką wydajnością, dobrą odpornością na zużycie i tłumieniem drgań, a także dobrymi właściwościami odlewniczymi. Jego właściwości można zmieniać poprzez różne obróbki cieplne.

Efekt gaszenia: Twardość powierzchni może osiągnąć 45~55 HRC, głębokość utwardzonej warstwy 0,1~0,8 mm, a struktura martenzytu + austenitu szczątkowego tworzy się wokół fazy grafitowej, co zwiększa zdolność przeciwścierną (na przykład współczynnik tarcia szyny prowadzącej obrabiarki po hartowaniu zmniejsza się o 20%).

II. Metale nieżelazne i ich stopy (nowe obszary zastosowań)

1. Stop tytanu (Ti-6Al-4V itp.)

Stop tytanu odnosi się do różnych stopów wykonanych z tytanu i innych metali. Tytan jest ważnym metalem konstrukcyjnym opracowanym w latach 50. XX wieku, charakteryzującym się wytrzymałością, odpornością na korozję i wysoką odpornością termiczną.

Charakterystyka hartowania: Nagrzewanie laserowe powoduje powstawanie przesyconego martenzytu na powierzchni, a twardość wzrasta z 300 HV do 500~600 HV, przy zachowaniu dobrej wytrzymałości (odpowiedniej do wzmacniania łopatek silników lotniczych).

  Trudność techniczna: Stop tytanu charakteryzuje się wysokim współczynnikiem odbicia światła laserowego (ok. 70%), dlatego należy zastosować wstępną obróbkę powierzchni (np. piaskowanie) lub zastosować laser ultrafioletowy (długość fali 355 nm, współczynnik odbicia poniżej 30%).

2. Stop aluminium (seria 2xxx, seria 7xxx)

Jest to stop na bazie aluminium, zawierający dodane pierwiastki, takie jak miedź, krzem, magnez, cynk i mangan. Dzięki odpowiedniej regulacji proporcji pierwiastków, tworzy on serię od 1XXX do 8XXX, obejmującą czyste aluminium przemysłowe oraz stopy aluminium z miedzią. System kodów stanowych opiera się na pięciu podstawowych stanach, w tym F (obróbka skrawaniem) i O (wyżarzanie), a szczegółowe kody, takie jak T6, umożliwiają precyzyjną kontrolę wytrzymałości i odporności na korozję.

Mechanizm gaszenia: Wzmocnienie roztworu stałego uzyskuje się poprzez szybkie nagrzewanie laserem, a metastabilna faza wytrącona tworzy się po samoczynnym schłodzeniu (na przykład twardość stopu aluminium 7075 wzrasta ze 150 HV do 220 HV po hartowaniu).

Ograniczenia aplikacji: Stop aluminium charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną (przewodność cieplna wynosi około 200 W/mK), do zapewnienia efektywnego ogrzewania wymagany jest laser o dużej mocy (≥2 kW), a ponadto łatwo ulega odkształceniom pod wpływem naprężeń cieplnych.

3. Stopy cyny (mosiądz, brąz)

Stop ten składa się z czystej miedzi z jednym lub kilkoma dodatkowymi pierwiastkami. Zastosowania: Hartowanie powierzchniowe elementów odpornych na zużycie (np. łożysk, zaworów). Po hartowaniu laserowym powierzchnia tworzy strukturę nanokrystaliczną, zwiększając twardość o 15% do 30%. Należy jednak kontrolować temperaturę nagrzewania, aby zapobiec zmiękczeniu matrycy miedzianej.

III. Specjalne materiały funkcjonalne

1. Materiały metalurgii proszkowej (np. komponenty metalurgii proszkowej na bazie żelaza i miedzi). Zalety: Porowata struktura może magazynować olej smarowy, a powierzchnia staje się gęstsza po hartowaniu laserowym. Twardość wzrasta z 20-30 HRC do 50-55 HRC, co czyni je odpowiednimi do łożysk samosmarujących.

2. Materiały do ​​powłok powierzchniowych (np. powłoki natryskiwane cieplnie i warstwy okładzinowe) Typowe zastosowania: Po hartowaniu laserowym powłok WC-Co natryskiwanych na powierzchnie stali węglowej, powstaje struktura kompozytowa „matryca martenzytyczna + faza węglika spiekanego”, osiągająca twardość przekraczającą 1000 HV. Materiały te są stosowane w odpornych na zużycie elementach maszyn górniczych.

IV. Materiały nieodpowiednie do hartowania laserowego

Stal niskowęglowa (zawartość węgla Ze względu na niewystarczającą zawartość węgla, przemiana martenzytyczna jest minimalna, co skutkuje słabymi efektami hartowania (wzrost twardości

Czysta stal nierdzewna austenityczna (np. 316L): Brak zdolności do przemiany martenzytycznej. Nagrzewanie laserowe powoduje jedynie umocnienie zgniotowe z ograniczoną poprawą twardości (około 15%-20%).