Аналіз тыпаў і характарыстык матэрыялаў, прыдатных для тэхналогіі лазернай загартоўкі

I. Матэрыялы з чорных металаў (у цяперашні час найбольш распаўсюджанае прымяненне)

1. Сярэдне- і высокавугляродзістая сталь (утрыманне вугляроду 0,3%~0,8%), тыповыя матэрыялы:

45 сталь (высокаякасная сярэдневугляродзістая канструкцыйная сталь), якая пазначаецца як S45C у стандартах JIS, ASTM 1045/080M46 і DIN C45, — гэта высакаякасная вугляродзістая канструкцыйная сталь з наступным хімічным складам: 0,42-0,50% вугляроду (C), 0,17-0,37% крэмнію (Si), 0,50-0,80% марганцу (Mn) і ≤0,25% хрому (Cr). Гэты універсальны матэрыял дэманструе выдатную халодную/гарачую апрацоўвальнасць, выдатныя механічныя ўласцівасці, эканамічную эфектыўнасць і шырокую даступнасць, што робіць яго шырока выкарыстоўваным у прамысловасці. Аднак яго асноўным абмежаваннем з'яўляецца нізкая пракаліваемасць, што робіць яго непрыдатным для вырабу кампанентаў, якія патрабуюць вялікіх памераў папярочнага сячэння або высокіх стандартаў дакладнасці.

Сталь Т8: Эўтэктычная вугляродзістая інструментальная сталь, якая валодае высокай цвёрдасцю і зносаўстойлівасцю пасля загартоўкі і адпуску, хоць мае і абмежаванні, у тым ліку нізкую пракальвальнасць у гарачым стане, дрэнную пракальвальнасць і схільнасць да перагрэўной дэфармацыі падчас апрацоўкі. Гэты матэрыял адпавядае стандартам серыі GB/T 1298, утрымліваючы вуглярод ад 0,75% да 0,84%, што робіць яго прыдатным для вырабу простых халоднаштамповачных штампаў і рэжучых інструментаў. Працэс загартоўкі патрабуе вадзянога астуджэння пры тэмпературы 780-800℃°C, у той час як адпуск вышэй за 250℃°C забяспечвае стабільнасць памераў. Аднак яна не рэкамендуецца для прымянення, якія патрабуюць устойлівасці да ўдарных нагрузак.

Сталь 65Mn: Выраб з спружыннай сталі з высокай трываласцю пасля тэрмічнай апрацоўкі і халоднага валачэння, які забяспечвае добрую гнуткасць і пластычнасць. Пры аднолькавых умовах паверхні і поўным валачэнні яго мяжа стомленасці адпавядае мяжы стомленасці спружын з пяцікаляровых сплаваў. Аднак з-за дрэннай пракаліваемасці ён у асноўным выкарыстоўваецца для вырабу спружын малога памеру, такіх як спружыны рэгулявання ціску/хуткасці, спружыны вымярэння сілы, агульныя механічныя круглыя/прамавугольныя спіральныя спружыны або сталёвыя спружыны, валачаныя дротам, для невялікай тэхнікі. Эфект загартоўкі: цвёрдасць паверхні дасягае 55-65 HRC з глыбінёй загартаванага пласта 0,2~1,5 мм, мае аднастайную мартэнсітную структуру і значна палепшаную зносаўстойлівасць (напрыклад, тэрмін службы сталі 45 павялічваецца ў 4-6 разоў пасля загартоўкі). Падыходзіць для зубчастых колаў, штыфтоў і кампанентаў валаў. Механізм: дастатковае ўтрыманне вугляроду ўтварае багаты мартэнсіт, які падвяргаецца поўнай аўстэнітызацыі падчас хуткага лазернага нагрэву і дасягае поўнага фазавага ператварэння праз самаахалоджвальную загартоўку.

2. Легаваная канструкцыйная сталь (дадаць Cr, Ni, Mo і іншыя элементы), тыповыя матэрыялы:

40Кр: (40Cr падпадае пад катэгорыю «легаванай канструкцыйнай сталі», як гэта вызначана ў GB3077. Гэтая сталь утрымлівае 0,37%-0,44% вугляроду, што крыху менш, чым сталь 45, з параўнальным утрыманнем Si і Mn. Яна ўтрымлівае 0,80%-1,10% Cr. Пры гарачакатанай сталі гэтае 1% утрыманне Cr практычна неэфектыўна, бо абедзве маркі дэманструюць падобныя механічныя ўласцівасці. Улічваючы, што 40Cr каштуе прыкладна ўдвая танней, чым сталь 45, эканамічныя меркаванні часта прыводзяць да выкарыстання сталі 45, калі гэта магчыма.

35CrMo: 35CrMo — гэта спецыфікацыйны код для легаванай канструкцыйнай сталі (легаваная загартаваная і адпушчаная сталь), які адпавядае нямецкаму стандарту 1.7220, брытанскаму стандарту 708A37, французскаму стандарту 35CD4 і г.д., і адпавядае GB/T 3077-2015. Яна мае вугляродны эквівалент 0,72%, дрэнную зварвальнасць, што патрабуе папярэдняга нагрэву. Гэтая сталь валодае высокай статычнай трываласцю і ўдарнай вязкасцю, з трываласцю на расцяжэнне ≥985 МПа і мяжой цякучасці ≥835 МПа, здольная вытрымліваць працяглыя эксплуатацыйныя тэмпературы да 500℃. Яна падыходзіць для вырабу механічных кампанентаў з высокімі нагрузкамі, такіх як рэдуктары, каленчатыя валы, шатуны і шпіндзелі паравых турбін у пракатных станах.

20CrMnTi: Цуглеродная сталь з утрыманнем вугляроду 0,17%-0,24%, якая звычайна выкарыстоўваецца ў аўтамабільнай вытворчасці для трансмісійных зубчастых перадач. Як сярэдне-гартаваная цэментаваная сталь (Cr-Mn-Ti), яна дэманструе выключную загартоўвальнасць, захоўваючы пры гэтым высокую ўдарную глейкасць пры нізкіх тэмпературах. Спецыяльна распрацаваная для павярхоўнага цэментавання, гэтая сталь валодае выдатнай апрацоўваемасцю з мінімальнай дэфармацыяй і выдатнай устойлівасцю да стомленасці. Яе асноўныя сферы прымянення ўключаюць выраб кампанентаў валаў, дэталяў поршняў і спецыялізаваных кампанентаў для аўтамабіляў і самалётаў.

Эфект гашэння: Цвёрдасць можа дасягаць 60~70 HRC, глыбіня загартаванага пласта 0,3~2 мм, легіруючыя элементы паляпшаюць загартоўвальнасць і каразійную ўстойлівасць (напрыклад, шасцярня з 35CrMo пасля загартоўкі павялічвае трываласць на стомленасць на 30%).

Заўвага: Высокае ўтрыманне сплаваў можа знізіць хуткасць паглынання лазернага выпраменьвання, таму неабходна павысіць эфектыўнасць паглынання энергіі шляхам апрацоўкі чарненнем (напрыклад, фасфатаваннем і пакрыццём).

3. Чыгун (шэры чыгун, каваны чыгун), тыповыя матэрыялы:

HT300: - гэта высокатрывалы шэры чыгун перліту, які адпавядае нацыянальнаму стандарту GB 9439-88, яго назва "HT" азначае шэры чыгун, "300" азначае, што мінімальная трываласць на расцяжэнне выпрабавальнай штангі дыяметрам 30 мм складае 300 МПа.

QT600-3: QT600-3 — гэта перлітны чыгун з высокім каваннем, які мае сярэднюю і высокую трываласць, сярэднюю глейкасць і пластычнасць, высокія комплексныя характарыстыкі, добрую зносаўстойлівасць і гашэнне вібрацыі, добрыя характарыстыкі ліцця. Ён можа мяняць свае ўласцівасці падчас розных тэрмічных апрацоўкі.

Эфект гашэння: Цвёрдасць паверхні можа дасягаць 45~55 HRC, глыбіня загартаванага пласта 0,1~0,8 мм, а вакол графітавай фазы ўтвараецца структура мартэнсіту + рэшткавага аўстэніту, што павышае здольнасць супрацьстаяць шліфаванню (напрыклад, каэфіцыент трэння накіроўвалай рэйкі станка пасля загартоўкі зніжаецца на 20%).

II. Каляровыя металы і іх сплавы (новыя вобласці прымянення)

1. Тытанавы сплаў (Ti-6Al-4V і г.д.)

Тытанавы сплаў адносіцца да розных сплаваў, вырабленых з тытана і іншых металаў. Тытан - важны канструкцыйны метал, распрацаваны ў 1950-х гадах, трывалы, каразійна-ўстойлівы і высокатрывалы.

Характарыстыкі зацвярдзення: Лазерны нагрэў спрыяе ўтварэнню перасычанага мартэнсіту на паверхні, і цвёрдасць павялічваецца з 300 HV да 500~600 HV, захоўваючы пры гэтым добрую глейкасць (падыходзіць для ўзмацнення лапатак авіяцыйных рухавікоў).

  Тэхнічная складанасць: Тытанавы сплаў мае высокую адбівальную здольнасць лазера (каля 70%), таму варта выкарыстоўваць папярэднюю апрацоўку паверхні (напрыклад, пяскоструйную апрацоўку) або ультрафіялетавы лазер (даўжыня хвалі 355 нм, адбівальная здольнасць ніжэй за 30%).

2. Алюмініевы сплаў (серыя 2xxx, серыя 7xxx)

Гэта сплаў на аснове алюмінію, які змяшчае такія элементы, як медзь, крэмній, магній, цынк і марганец. Дзякуючы карэкціроўцы суадносін элементаў, ён утварае серыю ад 1XXX да 8XXX, якая ахоплівае прамысловы чысты алюміній і алюмініева-медныя сплавы. Яго сістэма кодаў станаў заснавана на пяці асноўных станах, у тым ліку F (свабодная апрацоўка) і O (адпал), з падрабязнымі кодамі, такімі як T6, якія дазваляюць дакладна кантраляваць трываласць і каразійную стойкасць.

Механізм гашэння: Умацаванне цвёрдага раствора дасягаецца хуткім награваннем лазерам, а метастабільная асадкавая фаза ўтвараецца пасля самаахалоджвання (напрыклад, цвёрдасць алюмініевага сплаву 7075 павялічваецца са 150 HV да 220 HV пасля загартоўкі).

Абмежаванні прыкладання: Алюмініевы сплаў мае высокую цеплаправоднасць (цеплаправоднасць каля 200 Вт/м К), для забеспячэння эфектыўнасці нагрэву патрабуецца лазер высокай магутнасці (≥2 кВт), і ён лёгка выклікае дэфармацыю пад уздзеяннем цеплавых нагрузак.

3. Алавяныя сплавы (латунь, бронза)

Гэта сплаў, які складаецца з чыстай медзі з адным або некалькімі дадатковымі элементамі. Прымяненне: павярхоўнае ўмацаванне зносаўстойлівых кампанентаў (напрыклад, падшыпнікаў, клапанаў). Пасля лазернай загартоўкі паверхня ўтварае нанакрышталічную структуру, павялічваючы цвёрдасць на 15–30%. Аднак тэмпературу нагрэву неабходна кантраляваць, каб прадухіліць размякчэнне меднай матрыцы.

III. Спецыяльныя функцыянальныя матэрыялы

1. Матэрыялы парашковай металургіі (напрыклад, кампаненты парашковай металургіі на аснове жалеза і медзі) Перавагі: Сітаватая структура можа ўтрымліваць змазачны алей, прычым паверхня становіцца больш шчыльнай пасля лазернай загартоўкі. Цвёрдасць павялічваецца з 20-30 HRC да 50-55 HRC, што робіць іх прыдатнымі для самазмазвальных падшыпнікаў.

2. Павярхоўныя пакрыцці (напрыклад, пакрыцці, нанесеныя тэрмічным напыленнем, і плакіруючыя пласты) Тыповыя сферы прымянення: пасля лазернай загартоўкі пакрыццяў WC-Co, напыленых на паверхні з вугляродзістай сталі, утвараецца кампазітная структура "мартэнсітная матрыца + фаза цэментаванага карбіду", цвёрдасць якой перавышае 1000 HV. Гэтыя матэрыялы выкарыстоўваюцца ў зносаўстойлівых кампанентах горназдабыўной тэхнікі.

IV. Матэрыялы, непрыдатныя для лазернай загартоўкі

Нізкавугляродзістая сталь (утрыманне вугляроду З-за недастатковага ўтрымання вугляроду мартенсітнае пераўтварэнне мінімальнае, што прыводзіць да дрэнных эфектаў загартоўкі (павелічэнне цвёрдасці

Чыстая аўстэнітная нержавеючая сталь (напрыклад, 316L): Не мае здольнасці да мартэнсітнага пераўтварэння. Лазерны нагрэў выклікае толькі ўмацаванне пад ціскам з абмежаваным павышэннем цвёрдасці (прыблізна на 15%-20%).