Analiza tipurilor de materiale și a caracteristicilor potrivite pentru tehnologia de călire cu laser

I. Materiale metalice feroase (în prezent cea mai răspândită aplicație)

1. Oțel cu conținut mediu și ridicat de carbon (conținut de carbon 0,3% ~ 0,8%), materiale tipice:

45 oțel (oțel structural cu conținut mediu de carbon de înaltă calitate), desemnat ca S45C în standardele JIS, ASTM 1045/080M46 și DIN C45, este un oțel structural cu conținut de carbon premium cu următoarea compoziție chimică: 0,42-0,50% carbon (C), 0,17-0,37% siliciu (Si), 0,50-0,80% mangan (Mn) și ≤0,25% crom (Cr). Acest material versatil demonstrează o excelentă prelucrabilitate la rece/cald, proprietăți mecanice superioare, rentabilitate și disponibilitate largă, ceea ce îl face utilizat pe scară largă în aplicații industriale. Cu toate acestea, principala sa limitare constă în călibilitatea scăzută, ceea ce îl face nepotrivit pentru fabricarea componentelor care necesită dimensiuni mari ale secțiunii transversale sau standarde de precizie ridicate.

Oțel T8: Un oțel carbon eutectoid pentru scule care prezintă o duritate ridicată și rezistență la uzură după călire și revenire, deși are limitări, inclusiv călibilitate scăzută la cald, călibilitate slabă și susceptibilitate la deformare prin supraîncălzire în timpul prelucrării. Acest material respectă standardele din seria GB/T 1298, având un conținut de carbon între 0,75% și 0,84%, fiind potrivit pentru fabricarea matrițelor de formare la rece și a sculelor așchietoare de formă simplă. Procesul de călire necesită răcire cu apă la 780-800℃°C, în timp ce revenirea peste 250℃°C asigură stabilitatea dimensională. Cu toate acestea, nu este recomandat pentru aplicații care necesită rezistență la impact.

Oțel 65Mn: Un produs din oțel pentru arcuri cu rezistență ridicată după tratamentul termic și călire la rece, oferind o bună flexibilitate și plasticitate. În condiții de suprafață identice și călire completă, limita sa de oboseală este egală cu cea a arcurilor din aliaje din cinci culori. Cu toate acestea, din cauza călibilității slabe, este utilizat în principal pentru arcuri de dimensiuni mici, cum ar fi arcurile de reglare a presiunii/vitezei, arcurile de măsurare a forței, arcurile elicoidale circulare/dreptunghiulare mecanice generale sau arcurile din oțel tras pentru utilaje mici. Efect de călire: Duritatea suprafeței atinge 55-65 HRC cu o adâncime a stratului călit de 0,2~1,5 mm, prezentând o structură martensitică uniformă și o rezistență la uzură semnificativ îmbunătățită (de exemplu, durata de viață a oțelului 45 crește de 4-6 ori după călire). Potrivit pentru angrenaje, bolțuri și componente ale arborilor. Mecanism: Un conținut suficient de carbon formează martensită abundentă, care suferă o austenitizare completă în timpul încălzirii rapide cu laser și realizează o transformare completă de fază prin călire cu auto-răcire.

2. Oțel structural aliat (cu adăugare de Cr, Ni, Mo și alte elemente), materiale tipice:

40Cr: (Oțelul 40Cr se încadrează în categoria „oțel structural aliat”, așa cum este definit în GB3077. Acest oțel conține 0,37%-0,44% carbon, puțin mai puțin decât oțelul 45, cu un conținut comparabil de Si și Mn. Conține 0,80%-1,10% Cr. În aplicațiile laminate la cald, acest conținut de 1% Cr este în esență ineficient, deoarece ambele clase demonstrează proprietăți mecanice similare. Având în vedere că oțelul 40Cr costă aproximativ jumătate din prețul oțelului 45, considerațiile economice duc adesea la utilizarea oțelului 45 atunci când este posibil.)

35CrMo: 35CrMo este un cod de specificație pentru oțelul structural aliat (oțel aliat călit și revenit), corespunzător standardului german 1.7220, standardului britanic 708A37, standardului francez 35CD4 etc., în conformitate cu GB/T 3077-2015. Are un echivalent carbon de 0,72%, o sudabilitate slabă care necesită măsuri de preîncălzire. Acest oțel prezintă o rezistență statică și o tenacitate la impact ridicate, cu o rezistență la tracțiune ≥985MPa și o rezistență la curgere ≥835MPa, capabil să reziste la temperaturi de funcționare pe termen lung de până la 500℃. Este potrivit pentru fabricarea de componente mecanice supuse sarcinilor mari, cum ar fi cutii de viteze, arbori cotiți, biele și fusuri ale turbinelor cu abur în laminoare.

20CrMnTi: Un oțel carburat cu un conținut de carbon de 0,17%-0,24%, utilizat în mod obișnuit în fabricarea de automobile pentru angrenaje de transmisie. Fiind un oțel carburat cu călire medie (Cr-Mn-Ti), demonstrează o călibilitate excepțională, menținând în același timp o tenacitate ridicată la impact la temperaturi scăzute. Proiectat special pentru călirea prin carburare superficială, acest oțel prezintă o prelucrabilitate excelentă, cu deformare minimă și o rezistență remarcabilă la oboseală. Principalele sale aplicații includ fabricarea de componente ale arborilor, pieselor pistoanelor și componentelor specializate pentru automobile și aeronave.

Efect de stingere: Duritatea poate atinge 60~70 HRC, adâncimea stratului călit 0,3~2 mm, elementele din aliaj îmbunătățesc călibilitatea și rezistența la coroziune (cum ar fi angrenajul 35CrMo după călire, rezistența la oboseală crește cu 30%).

Notă: Conținutul ridicat de aliaj poate reduce rata de absorbție a laserului, așadar este necesară îmbunătățirea eficienței de absorbție a energiei prin tratament de înnegrire (cum ar fi fosfatarea și acoperirea).

3. Fontă (fontă cenușie, fontă ductilă), materiale tipice:

HT300: este un tip de perlit de fontă cenușie de înaltă rezistență, implementează standardul național GB 9439-88, denumirea sa „HT” reprezintă fonta cenușie, „300” indică faptul că rezistența minimă la tracțiune a unei tije de testare cu diametrul de 30 mm este de 300 MPa.

QT600-3: QT600-3 este o fontă ductilă cu corp perlitic, cu rezistență medie și ridicată, tenacitate și plasticitate medie, performanță completă ridicată, rezistență bună la uzură și amortizare a vibrațiilor, caracteristici bune ale procesului de turnare. Își poate modifica proprietățile prin diverse tratamente termice.

Efect de stingere: Duritatea suprafeței poate ajunge la 45~55 HRC, adâncimea stratului întărit 0,1~0,8 mm, iar structura de martensită + austenită reziduală se formează în jurul fazei de grafit, ceea ce sporește capacitatea anti-șlefuire (de exemplu, coeficientul de frecare al șinei de ghidare a mașinii-unelte după călire este redus cu 20%).

II. Metale neferoase și aliajele acestora (domenii de aplicare emergente)

1. Aliaj de titan (Ti-6Al-4V etc.)

Aliajul de titan se referă la o varietate de aliaje fabricate din titan și alte metale. Titanul este un metal structural important, dezvoltat în anii 1950, având rezistență, rezistență la coroziune și rezistență ridicată la căldură.

Caracteristici de întărire: Încălzirea cu laser promovează formarea de martensită suprasaturată la suprafață, iar duritatea crește de la 300 HV la 500~600 HV, menținând în același timp o tenacitate bună (potrivită pentru armarea palelor motoarelor de aviație).

  Dificultate tehnică: Aliajul de titan are o reflectivitate laser ridicată (aproximativ 70%), așadar trebuie utilizată o pretratare a suprafeței (cum ar fi sablarea) sau un laser ultraviolet (lungime de undă 355 nm, reflectivitate sub 30%).

2. Aliaj de aluminiu (seria 2xxx, seria 7xxx)

Acesta este un material din aliaj pe bază de aluminiu care conține elemente adăugate precum cupru, siliciu, magneziu, zinc și mangan. Prin ajustări ale raportului elementelor, formează seria de la 1XXX la 8XXX, care acoperă aluminiul pur industrial și aliajele de aluminiu-cupru. Sistemul său de coduri de stare se bazează pe cinci stări fundamentale, inclusiv F (prelucrare liberă) și O (recoacere), cu coduri detaliate precum T6 care permit un control precis al proprietăților de rezistență și coroziune.

Mecanism de stingere: Consolidarea soluției solide se realizează prin încălzirea rapidă a laserului, iar faza precipitată metastabilă se formează după auto-răcire (de exemplu, duritatea aliajului de aluminiu 7075 crește de la 150 HV la 220 HV după răcire).

Limitări ale aplicației: Aliajul de aluminiu are o conductivitate termică puternică (conductivitatea termică este de aproximativ 200 W/m K), este necesar un laser de mare putere (≥2 kW) pentru a asigura eficiența încălzirii și este ușor să producă deformare termică sub tensiune.

3. Aliaje de staniu (alamă, bronz)

Acesta este un aliaj compus din cupru pur cu unul sau mai multe elemente suplimentare. Aplicații: Călirea suprafeței componentelor rezistente la uzură (de exemplu, rulmenți, supape). După călirea cu laser, suprafața formează o structură nanocristalină, crescând duritatea cu 15% până la 30%. Cu toate acestea, temperatura de încălzire trebuie controlată pentru a preveni înmuierea matricei de cupru.

III. Materiale funcționale speciale

1. Materiale din metalurgia pulberilor (de exemplu, componente metalurgice pulberilor pe bază de fier și cupru) Avantaje: Structura poroasă poate stoca ulei lubrifiant, suprafața devenind mai densă după călirea cu laser. Duritatea crește de la 20-30 HRC la 50-55 HRC, ceea ce le face potrivite pentru rulmenți autolubrifianți.

2. Materiale de acoperire a suprafețelor (de exemplu, acoperiri prin pulverizare termică și straturi de placare) Aplicații tipice: După călirea cu laser a acoperirilor WC-Co pulverizate pe suprafețe de oțel carbon, se formează o structură compozită de tip „matrice de martensită + fază de carbură cimentată”, atingând o duritate care depășește 1000 HV. Aceste materiale sunt utilizate în componentele rezistente la uzură ale utilajelor miniere.

IV. Materiale nepotrivite pentru călirea cu laser

Oțel cu conținut scăzut de carbon (conținut de carbon Din cauza conținutului insuficient de carbon, transformarea martensitică este minimă, rezultând efecte de călire slabe (creștere a durității

Oțel inoxidabil austenitic pur (de exemplu, 316L): Nu are capacitate de transformare martensitică. Încălzirea cu laser provoacă doar ecruisare cu o îmbunătățire limitată a durității (aproximativ 15% -20%).