Ανάλυση τύπων και χαρακτηριστικών υλικών κατάλληλων για τεχνολογία σβέσης με λέιζερ

I. Σιδηρούχα μεταλλικά υλικά (η πιο διαδεδομένη εφαρμογή προς το παρόν)

1. Χάλυβας μεσαίου και υψηλού άνθρακα (περιεκτικότητα σε άνθρακα 0,3%~0,8%), τυπικά υλικά:

45 χάλυβας (υψηλής ποιότητας δομικός χάλυβας μεσαίας περιεκτικότητας σε άνθρακα), που χαρακτηρίζεται ως S45C στα πρότυπα JIS, ASTM 1045/080M46 και DIN C45, είναι ένας δομικός χάλυβας άνθρακα υψηλής ποιότητας με την ακόλουθη χημική σύνθεση: 0,42-0,50% άνθρακας (C), 0,17-0,37% πυρίτιο (Si), 0,50-0,80% μαγγάνιο (Mn) και ≤0,25% χρώμιο (Cr). Αυτό το ευέλικτο υλικό επιδεικνύει εξαιρετική κατεργασιμότητα σε κρύο/ζεστό περιβάλλον, ανώτερες μηχανικές ιδιότητες, οικονομική αποδοτικότητα και ευρεία διαθεσιμότητα, καθιστώντας το ευρέως χρησιμοποιούμενο σε βιομηχανικές εφαρμογές. Ωστόσο, ο κύριος περιορισμός του έγκειται στη χαμηλή σκληρυνσιμότητα, καθιστώντας το ακατάλληλο για την κατασκευή εξαρτημάτων που απαιτούν μεγάλες διατομές ή πρότυπα υψηλής ακρίβειας.

Χάλυβας T8: Ένας ευτηκτοειδής χάλυβας εργαλείων άνθρακα που παρουσιάζει υψηλή σκληρότητα και αντοχή στη φθορά μετά την απόσβεση και την σκλήρυνση, αν και έχει περιορισμούς όπως η χαμηλή σκληρότητα εν θερμώ, η κακή σκληρότητα και η ευαισθησία σε παραμόρφωση λόγω υπερθέρμανσης κατά την κατεργασία. Αυτό το υλικό συμμορφώνεται με τα πρότυπα της σειράς GB/T 1298, με περιεκτικότητα σε άνθρακα μεταξύ 0,75% και 0,84%, καθιστώντας το κατάλληλο για την κατασκευή απλών μήτρων ψυχρής διαμόρφωσης και εργαλείων κοπής. Η διαδικασία απόσβεσης απαιτεί ψύξη με νερό στους 780-800℃°C, ενώ η σκλήρυνση άνω των 250℃°C εξασφαλίζει σταθερότητα διαστάσεων. Ωστόσο, δεν συνιστάται για εφαρμογές που απαιτούν αντοχή σε φορτίο κρούσης.

65Mn χάλυβας: Ένα προϊόν χάλυβα ελατηρίων με υψηλή αντοχή μετά από θερμική επεξεργασία και σκλήρυνση εν ψυχρώ, προσφέροντας καλή ευκαμψία και πλαστικότητα. Υπό πανομοιότυπες συνθήκες επιφάνειας και πλήρη σκλήρυνση, το όριο κόπωσης του ταιριάζει με αυτό των ελατηρίων κράματος πέντε χρωμάτων. Ωστόσο, λόγω της κακής σκληρυνσιμότητας, χρησιμοποιείται κυρίως για ελατήρια μικρού μεγέθους, όπως ελατήρια ρύθμισης πίεσης/ταχύτητας, ελατήρια μέτρησης δύναμης, γενικά μηχανικά κυκλικά/ορθογώνια ελικοειδή ελατήρια ή ελατήρια χάλυβα συρματόσχοινου για μικρά μηχανήματα. Επίδραση σκλήρυνσης: Η σκληρότητα της επιφάνειας φτάνει τα 55-65 HRC με βάθος σκληρυμένου στρώματος 0,2~1,5 mm, με ομοιόμορφη μαρτενσιτική δομή και σημαντικά βελτιωμένη αντοχή στη φθορά (π.χ., η διάρκεια ζωής του χάλυβα 45 αυξάνεται 4-6 φορές μετά την απόσβεση). Κατάλληλο για γρανάζια, πείρους και εξαρτήματα άξονα. Μηχανισμός: Η επαρκής περιεκτικότητα σε άνθρακα σχηματίζει άφθονο μαρτενσίτη, ο οποίος υφίσταται πλήρη ωστενιτοποίηση κατά τη διάρκεια της ταχείας θέρμανσης με λέιζερ και επιτυγχάνει πλήρη μετασχηματισμό φάσης μέσω αυτοψύξης απόσβεσης.

2. Δομικός χάλυβας κραμάτων (προσθέστε Cr, Ni, Mo και άλλα στοιχεία), τυπικά υλικά:

40Cr: (Το 40Cr εμπίπτει στην κατηγορία του "κραματοποιημένου δομικού χάλυβα" όπως ορίζεται στο GB3077. Αυτός ο χάλυβας περιέχει 0,37%-0,44% άνθρακα, ελαφρώς χαμηλότερο από τον χάλυβα 45, με συγκρίσιμη περιεκτικότητα σε Si και Mn. Περιέχει 0,80%-1,10% Cr. Σε εφαρμογές θερμής έλασης, αυτή η περιεκτικότητα σε 1% Cr είναι ουσιαστικά αναποτελεσματική, καθώς και οι δύο ποιότητες παρουσιάζουν παρόμοιες μηχανικές ιδιότητες. Δεδομένου ότι το 40Cr κοστίζει περίπου το μισό του χάλυβα 45, οι οικονομικοί παράγοντες συχνά οδηγούν στη χρήση χάλυβα 45 αντ' αυτού, όταν είναι δυνατόν.)

35CrMo: Το 35CrMo είναι ένας κωδικός προδιαγραφών για κράμα χάλυβα κατασκευών (κράμα χάλυβα που έχει υποστεί βαφή και θερμική κατεργασία), που αντιστοιχεί στο γερμανικό πρότυπο 1.7220, το βρετανικό πρότυπο 708A37, το γαλλικό πρότυπο 35CD4, κ.λπ., με συμμόρφωση με το GB/T 3077-2015. Έχει ισοδύναμο άνθρακα 0,72%, κακή συγκολλησιμότητα που απαιτεί μέτρα προθέρμανσης. Αυτός ο χάλυβας παρουσιάζει υψηλή στατική αντοχή και αντοχή σε κρούση, με αντοχή σε εφελκυσμό ≥985MPa και όριο διαρροής ≥835MPa, ικανό να αντέξει μακροχρόνιες θερμοκρασίες λειτουργίας έως 500℃. Είναι κατάλληλος για την κατασκευή μηχανικών εξαρτημάτων υψηλού φορτίου, όπως κιβώτια ταχυτήτων, στροφαλοφόροι άξονες, μπιέλες και άξονες ατμοστροβίλων σε ελασματουργεία.

20CrMnTi: Ένας ενανθράκωτος χάλυβας με περιεκτικότητα σε άνθρακα 0,17%-0,24%, που χρησιμοποιείται συνήθως στην αυτοκινητοβιομηχανία για γρανάζια κιβωτίου ταχυτήτων. Ως ενανθράκωτος χάλυβας μέσης σκλήρυνσης (Cr-Mn-Ti), επιδεικνύει εξαιρετική σκληρυνσιμότητα διατηρώντας παράλληλα υψηλή αντοχή σε κρούση σε χαμηλές θερμοκρασίες. Ειδικά σχεδιασμένος για επιφανειακή σκλήρυνση ενανθράκωσης, αυτός ο χάλυβας παρουσιάζει εξαιρετική μηχανική κατεργασία με ελάχιστη παραμόρφωση και εξαιρετική αντοχή στην κόπωση. Οι κύριες εφαρμογές του περιλαμβάνουν την κατασκευή εξαρτημάτων άξονα, εξαρτημάτων εμβόλων και εξειδικευμένων εξαρτημάτων για αυτοκίνητα και αεροσκάφη.

Αποσβεστική δράση: Η σκληρότητα μπορεί να φτάσει τα 60~70 HRC, το βάθος της σκληρυμένης στρώσης είναι 0,3~2mm, τα στοιχεία κράματος βελτιώνουν τη σκληρότητα και την αντοχή στη διάβρωση (όπως το γρανάζι 35CrMo μετά την απόσβεση, η αντοχή στην κόπωση αυξάνεται κατά 30%).

Σημείωση: Η υψηλή περιεκτικότητα σε κράμα μπορεί να μειώσει τον ρυθμό απορρόφησης του λέιζερ, επομένως είναι απαραίτητο να ενισχυθεί η απόδοση απορρόφησης ενέργειας μέσω επεξεργασίας μαυρίσματος (όπως φωσφορίωση και επίστρωση).

3. Χυτοσίδηρος (γκρι χυτοσίδηρος, όλκιμος χυτοσίδηρος), τυπικά υλικά:

HT300: είναι ένας τύπος περλίτη από γκρι χυτοσίδηρο υψηλής αντοχής, εφαρμόζει το εθνικό πρότυπο GB 9439-88, το όνομά του "HT" αντιπροσωπεύει γκρι χυτοσίδηρο, το "300" υποδεικνύει ότι η ελάχιστη αντοχή σε εφελκυσμό μιας ράβδου δοκιμής διαμέτρου 30 mm είναι 300 MPa.

QT600-3: Το QT600-3 είναι όλκιμος σίδηρος με περλιτικό σώμα, με μέτρια και υψηλή αντοχή, μέτρια σκληρότητα και πλαστικότητα, υψηλή συνολική απόδοση, καλή αντοχή στη φθορά και απόσβεση κραδασμών, καλά χαρακτηριστικά χύτευσης. Μπορεί να αλλάξει τις ιδιότητές του μέσω διαφόρων θερμικών επεξεργασιών.

Αποσβεστική δράση: Η σκληρότητα της επιφάνειας μπορεί να φτάσει τα 45 ~ 55 HRC, το βάθος του σκληρυμένου στρώματος 0,1 ~ 0,8 mm και η δομή μαρτενσίτη + υπολειμματικού ωστενίτη σχηματίζεται γύρω από τη φάση γραφίτη, γεγονός που ενισχύει την ικανότητα αντι-λείανσης (για παράδειγμα, ο συντελεστής τριβής της οδηγητικής ράγας εργαλειομηχανών μετά την απόσβεση μειώνεται κατά 20%).

II. Μη σιδηρούχα μέταλλα και κράματά τους (αναδυόμενοι τομείς εφαρμογής)

1. Κράμα τιτανίου (Ti-6Al-4V, κ.λπ.)

Το κράμα τιτανίου αναφέρεται σε μια ποικιλία κραμάτων που κατασκευάζονται με τιτάνιο και άλλα μέταλλα. Το τιτάνιο είναι ένα σημαντικό δομικό μέταλλο που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1950, με αντοχή στο κράμα τιτανίου, αντοχή στη διάβρωση και υψηλή αντοχή στη θερμότητα.

Χαρακτηριστικά σκλήρυνσης: Η θέρμανση με λέιζερ προάγει τον σχηματισμό υπερκορεσμένου μαρτενσίτη στην επιφάνεια και η σκληρότητα αυξάνεται από 300 HV σε 500~600 HV, διατηρώντας παράλληλα καλή ανθεκτικότητα (κατάλληλη για ενίσχυση πτερυγίων αεροκινητήρων).

  Τεχνική δυσκολία: Το κράμα τιτανίου έχει υψηλή ανακλαστικότητα λέιζερ (περίπου 70%), επομένως θα πρέπει να χρησιμοποιείται προεπεξεργασία επιφάνειας (όπως αμμοβολή) ή υπεριώδες λέιζερ (μήκος κύματος 355nm, ανακλαστικότητα κάτω από 30%).

2. Κράμα αλουμινίου (σειρά 2xxx, σειρά 7xxx)

Πρόκειται για ένα υλικό κράματος με βάση το αλουμίνιο που περιέχει πρόσθετα στοιχεία όπως χαλκό, πυρίτιο, μαγνήσιο, ψευδάργυρο και μαγγάνιο. Μέσω ρυθμίσεων της αναλογίας στοιχείων, σχηματίζει τη σειρά 1XXX έως 8XXX που καλύπτει το βιομηχανικό καθαρό αλουμίνιο και τα κράματα αλουμινίου-χαλκού. Το σύστημα κωδικών καταστάσεων βασίζεται σε πέντε θεμελιώδεις καταστάσεις, συμπεριλαμβανομένων των F (ελεύθερη κατεργασία) και O (ανόπτηση), με λεπτομερείς κωδικούς όπως ο T6 που επιτρέπουν τον ακριβή έλεγχο της αντοχής και των ιδιοτήτων αντοχής στη διάβρωση.

Μηχανισμός σβέσης: Η ενίσχυση του στερεού διαλύματος επιτυγχάνεται με ταχεία θέρμανση του λέιζερ και η μετασταθής κατακρημνισμένη φάση σχηματίζεται μετά από αυτοψύξη (για παράδειγμα, η σκληρότητα του κράματος αλουμινίου 7075 αυξάνεται από 150 HV σε 220 HV μετά την απόσβεση).

Περιορισμοί εφαρμογής: Το κράμα αλουμινίου έχει ισχυρή θερμική αγωγιμότητα (η θερμική αγωγιμότητα είναι περίπου 200 W/m K), απαιτείται λέιζερ υψηλής ισχύος (≥2 kW) για να εξασφαλιστεί η απόδοση θέρμανσης και είναι εύκολο να παραμορφωθεί η θερμική τάση.

3. Κράματα κασσιτέρου (ορείχαλκος, μπρούντζος)

Πρόκειται για κράμα που αποτελείται από καθαρό χαλκό με ένα ή περισσότερα πρόσθετα στοιχεία. Εφαρμογές: Επιφανειακή σκλήρυνση εξαρτημάτων ανθεκτικών στη φθορά (π.χ. ρουλεμάν, βαλβίδες). Μετά την απόσβεση με λέιζερ, η επιφάνεια σχηματίζει μια νανοκρυσταλλική δομή, αυξάνοντας τη σκληρότητα κατά 15% έως 30%. Ωστόσο, η θερμοκρασία θέρμανσης πρέπει να ελέγχεται για να αποφευχθεί η μαλάκυνση της μήτρας χαλκού.

III. Ειδικά Λειτουργικά Υλικά

1. Υλικά Μεταλλουργίας Σκόνης (π.χ., εξαρτήματα μεταλλουργίας σκόνης με βάση τον σίδηρο και τον χαλκό) Πλεονεκτήματα: Η πορώδης δομή μπορεί να αποθηκεύσει λιπαντικό λάδι, με την επιφάνεια να γίνεται πυκνότερη μετά την απόσβεση με λέιζερ. Η σκληρότητα αυξάνεται από 20-30 HRC σε 50-55 HRC, καθιστώντας τα κατάλληλα για αυτολιπαινόμενα ρουλεμάν.

2. Υλικά Επικάλυψης Επιφανειών (π.χ., επιστρώσεις θερμικού ψεκασμού και στρώματα επένδυσης) Τυπικές Εφαρμογές: Μετά την σκλήρυνση με λέιζερ των επιστρώσεων WC-Co που ψεκάζονται σε επιφάνειες ανθρακούχου χάλυβα, σχηματίζεται μια σύνθετη δομή "μήτρας μαρτενσίτη + φάση τσιμέντου καρβιδίου", η οποία επιτυγχάνει σκληρότητα που υπερβαίνει τα 1000 HV. Αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται σε εξαρτήματα ανθεκτικά στη φθορά των μηχανημάτων εξόρυξης.

IV. Υλικά ακατάλληλα για σβέση με λέιζερ

Χάλυβας χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα (περιεκτικότητα σε άνθρακα Λόγω ανεπαρκούς περιεκτικότητας σε άνθρακα, ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός είναι ελάχιστος, με αποτέλεσμα κακές επιδράσεις σκλήρυνσης (αύξηση σκληρότητας

Καθαρός ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας (π.χ., 316L): Δεν έχει ικανότητα μαρτενσιτικού μετασχηματισμού. Η θέρμανση με λέιζερ προκαλεί μόνο σκλήρυνση με περιορισμένη βελτίωση της σκληρότητας (περίπου 15%-20%).