Аналіз типів та характеристик матеріалів, придатних для технології лазерного гартування

I. Матеріали з чорних металів (наразі найпоширеніше застосування)

1. Середньо- та високовуглецева сталь (вміст вуглецю 0,3%~0,8%), типові матеріали:

45 сталь (високоякісна середньовуглецева конструкційна сталь), що позначається як S45C у стандартах JIS, ASTM 1045/080M46 та DIN C45, — це високоякісна вуглецева конструкційна сталь з наступним хімічним складом: 0,42-0,50% вуглецю (C), 0,17-0,37% кремнію (Si), 0,50-0,80% марганцю (Mn) та ≤0,25% хрому (Cr). Цей універсальний матеріал демонструє чудову оброблюваність у холодному/гарячому стані, чудові механічні властивості, економічну ефективність та широку доступність, що робить його широко використовуваним у промисловості. Однак його основним обмеженням є низька прогартовуваність, що робить його непридатним для виготовлення компонентів, що вимагають великих поперечних розмірів або високих стандартів точності.

Сталь Т8: Евтектоїдна вуглецева інструментальна сталь, яка демонструє високу твердість та зносостійкість після гартування та відпуску, хоча має обмеження, зокрема низьку прогартовуваність у гарячому стані, погану прогартовуваність та схильність до перегрівної деформації під час обробки. Цей матеріал відповідає стандартам серії GB/T 1298, маючи вміст вуглецю від 0,75% до 0,84%, що робить його придатним для виготовлення простих штампів для холодного формування та різальних інструментів. Процес гартування вимагає водяного охолодження при температурі 780-800℃°C, тоді як відпуск вище 250℃°C забезпечує стабільність розмірів. Однак, вона не рекомендується для застосувань, що вимагають стійкості до ударних навантажень.

Сталь 65Mn: Виріб з пружинної сталі з високою міцністю після термічної обробки та холодного витягування, що забезпечує добру гнучкість та пластичність. За однакових умов поверхні та повного загартування його межа втоми відповідає межі втоми пружин з п'ятикольорових сплавів. Однак, через погану прогартовуваність, він в основному використовується для пружин малого розміру, таких як пружини регулювання тиску/швидкості, пружини вимірювання сили, загальні механічні круглі/прямокутні гвинтові пружини або дротяні сталеві пружини для малого обладнання. Ефект гартування: Твердість поверхні досягає 55-65 HRC з глибиною загартованого шару 0,2~1,5 мм, що характеризується однорідною мартенситною структурою та значно покращеною зносостійкістю (наприклад, термін служби сталі 45 збільшується в 4-6 разів після гартування). Підходить для шестерень, штифтів та компонентів валів. Механізм: Достатній вміст вуглецю утворює рясний мартенсит, який зазнає повної аустенітизації під час швидкого лазерного нагрівання та досягає повного фазового перетворення завдяки самоохолодженню при гартуванні.

2. Легована конструкційна сталь (з додаванням Cr, Ni, Mo та інших елементів), типові матеріали:

40Кр: (40Cr належить до категорії «легована конструкційна сталь», як визначено в GB3077. Ця сталь містить 0,37%-0,44% вуглецю, що трохи менше, ніж сталь 45, з порівнянним вмістом Si та Mn. Вона містить 0,80%-1,10% Cr. У гарячекатаних прокатах цей 1% вміст Cr по суті неефективний, оскільки обидві марки демонструють подібні механічні властивості. Враховуючи, що 40Cr коштує приблизно вдвічі дешевше, ніж сталь 45, економічні міркування часто призводять до використання сталі 45, коли це можливо.

35CrMo: 35CrMo – це специфікація легованої конструкційної сталі (легована загартована та відпущена сталь), що відповідає німецькому стандарту 1.7220, британському стандарту 708A37, французькому стандарту 35CD4 тощо, що відповідає GB/T 3077-2015. Вона має вуглецевий еквівалент 0,72%, погано зварюється, що вимагає попереднього нагрівання. Ця сталь демонструє високу статичну міцність та ударну в'язкість, з міцністю на розрив ≥985 МПа та межею текучості ≥835 МПа, здатна витримувати тривалі робочі температури до 500 ℃. Вона підходить для виготовлення механічних компонентів з високим навантаженням, таких як коробки передач, колінчасті вали, шатуни та шпинделі парових турбін у прокатних станах.

20CrMnTi: Цементована сталь із вмістом вуглецю 0,17%-0,24%, яка зазвичай використовується в автомобільній промисловості для трансмісійних передач. Як середньоміцна цементована сталь (Cr-Mn-Ti), вона демонструє виняткову прогартовуваність, зберігаючи при цьому високу ударну в'язкість за низьких температур. Спеціально розроблена для поверхневого цементаційного гартування, ця сталь демонструє чудову оброблюваність з мінімальною деформацією та видатною стійкістю до втоми. Її основне застосування включає виробництво компонентів валів, деталей поршнів та спеціалізованих компонентів для автомобілів та літаків.

Ефект гасіння: Твердість може досягати 60~70 HRC, глибина загартованого шару 0,3~2 мм, леговані елементи покращують загартовуваність та корозійну стійкість (наприклад, шестерні 35CrMo після гартування міцність на втому збільшується на 30%).

Примітка: Високий вміст сплаву може знизити коефіцієнт поглинання лазера, тому необхідно підвищити ефективність поглинання енергії шляхом обробки чорнінням (наприклад, фосфатуванням та покриттям).

3. Чавун (сірий чавун, ковкий чавун), типові матеріали:

HT300: є перлітним типом високоміцного сірого чавуну, що відповідає національному стандарту GB 9439-88, його назва "HT" означає сірий чавун, "300" означає, що мінімальна міцність на розтяг випробувального стрижня діаметром 30 мм становить 300 МПа.

QT600-3: QT600-3 — це перлітний ковкий чавун середньої та високої міцності, середньої ударної в'язкості та пластичності, високих комплексних експлуатаційних характеристик, гарної зносостійкості та гасіння вібрацій, а також добрих характеристик ливарного процесу. Він може змінювати свої властивості під час різних термічних обробок.

Ефект гасіння: Твердість поверхні може досягати 45~55 HRC, глибина загартованого шару 0,1~0,8 мм, а навколо графітової фази утворюється структура мартенситу + залишкового аустеніту, що підвищує стійкість до шліфування (наприклад, коефіцієнт тертя напрямної рейки верстата після гартування зменшується на 20%).

II. Кольорові метали та їхні сплави (нові галузі застосування)

1. Титановий сплав (Ti-6Al-4V тощо)

Титановий сплав відноситься до різноманітних сплавів, виготовлених з титану та інших металів. Титан є важливим конструкційним металом, розробленим у 1950-х роках, титановий сплав має міцність, стійкість до корозії та високу термостійкість.

Характеристики гартування: Лазерний нагрів сприяє утворенню пересиченого мартенситу на поверхні, а твердість збільшується з 300 HV до 500~600 HV, зберігаючи при цьому хорошу в'язкість (придатну для армування лопаток авіаційних двигунів).

  Технічна складність: Титановий сплав має високу відбивну здатність лазера (близько 70%), тому слід використовувати попередню обробку поверхні (наприклад, піскоструминну обробку) або ультрафіолетовий лазер (довжина хвилі 355 нм, відбивна здатність нижче 30%).

2. Алюмінієвий сплав (серія 2xxx, серія 7xxx)

Це алюмінієвий сплав, що містить такі елементи, як мідь, кремній, магній, цинк та марганець. Завдяки коригуванню співвідношення елементів він утворює серію від 1XXX до 8XXX, що охоплює промисловий чистий алюміній та алюмінієво-мідні сплави. Його система кодування станів базується на п'яти фундаментальних станах, включаючи F (вільна обробка) та O (відпал), з детальними кодами, такими як T6, що дозволяють точно контролювати властивості міцності та корозійної стійкості.

Механізм гасіння: Зміцнення твердого розчину досягається швидким нагріванням лазером, а метастабільна осаджена фаза утворюється після самоохолодження (наприклад, твердість алюмінієвого сплаву 7075 збільшується зі 150 HV до 220 HV після гартування).

Обмеження застосування: Алюмінієвий сплав має сильну теплопровідність (теплопровідність близько 200 Вт/м·K), для забезпечення ефективності нагрівання потрібен потужний лазер (≥2 кВт), і він легко створює деформацію від термічного напруження.

3. Олов'яні сплави (латунь, бронза)

Це сплав, що складається з чистої міді з одним або кількома додатковими елементами. Застосування: Поверхневе зміцнення зносостійких компонентів (наприклад, підшипників, клапанів). Після лазерного гартування поверхня утворює нанокристалічну структуру, що збільшує твердість на 15-30%. Однак температуру нагрівання необхідно контролювати, щоб запобігти розм'якшенню мідної матриці.

III. Спеціальні функціональні матеріали

1. Матеріали порошкової металургії (наприклад, компоненти порошкової металургії на основі заліза та міді) Переваги: ​​Пориста структура може зберігати мастило, при цьому поверхня стає щільнішою після лазерного гартування. Твердість збільшується з 20-30 HRC до 50-55 HRC, що робить їх придатними для самозмащувальних підшипників.

2. Матеріали для поверхневих покриттів (наприклад, термічні напилювані покриття та шари плакування). Типове застосування: Після лазерного гартування покриттів WC-Co, напилених на поверхні вуглецевої сталі, утворюється композитна структура "мартенситна матриця + фаза сплавленого карбіду", що досягає твердості понад 1000 HV. Ці матеріали використовуються в зносостійких компонентах гірничодобувного обладнання.

IV. Матеріали, непридатні для лазерного гартування

Низьковуглецева сталь (вміст вуглецю Через недостатній вміст вуглецю мартенситне перетворення мінімальне, що призводить до поганого гартування (збільшення твердості

Чиста аустенітна нержавіюча сталь (наприклад, 316L): Не має здатності до мартенситного перетворення. Лазерний нагрів викликає лише деформаційне зміцнення з обмеженим підвищенням твердості (приблизно на 15%-20%).