Analiza vrsta i karakteristika materijala pogodnih za tehnologiju laserskog gašenja

I. Materijali od obojenih metala (trenutno najčešća primjena)

1. Čelik srednjeg i visokog udjela ugljika (sadržaj ugljika 0,3% ~ 0,8%), tipični materijali:

45 čelik (visokokvalitetni srednjeugljični konstrukcijski čelik), označen kao S45C u JIS standardima, ASTM 1045/080M46 i DIN C45, je vrhunski ugljični konstrukcijski čelik sa sljedećim hemijskim sastavom: 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 odličnu hladnu/toplu obradivost, superiorna 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 nepogodnim 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, slabu prokaljivost i podložnost pregrijavanju i deformaciji tokom obrade. Ovaj materijal je u skladu sa standardima serije GB/T 1298, sadrži udio ugljika između 0,75% i 0,84%, što ga čini pogodnim za proizvodnju 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 termičke obrade i hladnog izvlačenja, nudeći dobru fleksibilnost i plastičnost. Pod identičnim površinskim uvjetima i potpunom kaljenju, njegova granica zamora podudara se s granicom zamora opruga od legura pet boja. Međutim, zbog slabe prokaljivosti, uglavnom se koristi za opruge malih dimenzija kao što su opruge za podešavanje pritiska/regulaciju brzine, opruge za mjerenje sile, opće mehaničke kružne/pravokutne spiralne opruge ili žičano izvučene čelične opruge za male strojeve. Efekat očvršćavanja: Površinska tvrdoća dostiže 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 formira obilan martenzit, koji prolazi kroz potpunu austenitizaciju tokom 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, sa usporedivim sadržajem Si i Mn. Sadrži 0,80%-1,10% Cr. Kod toplo valjanih primjena, ovaj sadržaj Cr od 1% je u suštini neefikasan, 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, sa zateznom čvrstoćom ≥985MPa i granicom tečenja ≥835MPa, 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 sa sadržajem ugljika od 0,17%-0,24%, koji se često koristi u automobilskoj proizvodnji za mjenjače. Kao srednje kaljeni cementirani čelik (Cr-Mn-Ti), pokazuje izuzetnu prokaljivost uz održavanje visoke udarne žilavosti na niskim temperaturama. Posebno konstruiran za površinsko kaljenje cementacijom, ovaj čelik pokazuje odličnu obradivost s minimalnom deformacijom i izvanrednom otpornošću na zamor. Njegova primarna primjena uključuje proizvodnju komponenti vratila, dijelova klipova i specijaliziranih komponenti za automobile i avione.

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

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

3. Liveno gvožđe (sivi liv, nodularni liv), tipični materijali:

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

QT600-3: QT600-3 je perlitni nodularni liv, srednje i visoke čvrstoće, srednje žilavosti i plastičnosti, visokih sveobuhvatnih performansi, dobre otpornosti na habanje i prigušivanja vibracija, te dobrih karakteristika procesa lijevanja. Njegova svojstva se mogu mijenjati različitim termičkim obradama.

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

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

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

Legura titana odnosi se na razne legure napravljene od titana i drugih metala. Titan je važan strukturni metal razvijen 1950-ih, legura titana je otporna na čvrstoću, koroziju i visoku otpornost na toplinu.

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

  Tehnička poteškoća: Titanijumska legura ima visoku lasersku refleksivnost (oko 70%), pa treba koristiti prethodnu obradu površine (kao što je pjeskarenje) ili ultraljubičasti laser (talasna dužina 355 nm, refleksivnost ispod 30%).

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

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

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

Ograničenja aplikacije: Aluminijska legura ima jaku toplinsku provodljivost (toplotna provodljivost je oko 200 W/m K), potreban je laser velike snage (≥2 kW) da bi se osigurala efikasnost zagrijavanja, a lako je proizvesti i termičku deformaciju naprezanja.

3. Legure kalaja (mesing, bronza)

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. Specijalni funkcionalni materijali

1. Materijali za metalurgiju praha (npr. komponente na bazi željeza i bakra) Prednosti: Porozna struktura može skladištiti ulje za podmazivanje, a površina postaje gušća nakon laserskog kaljenja. Tvrdoća se povećava sa 20-30 HRC na 50-55 HRC, što ih čini pogodnim za samopodmazujuće ležajeve.

2. Materijali za površinske premaze (npr. premazi termičkim prskanjem i slojevi oblaganja) Tipične primjene: Nakon laserskog kaljenja WC-Co premaza prskanih 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 mašina.

IV. Materijali koji nisu pogodni za lasersko gašenje

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

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