Lāzera dzēšanas tehnoloģijai piemērotu materiālu veidu un īpašību analīze

I. Melno metālu materiāli (pašlaik visizplatītākais pielietojums)

1. Vidēja un augsta oglekļa satura tērauds (oglekļa saturs 0,3% ~ 0,8%), tipiski materiāli:

45. tērauda (augstas kvalitātes vidēja oglekļa konstrukciju tērauds), kas JIS standartos, ASTM 1045/080M46 un DIN C45 apzīmēts ar S45C, ir augstākās kvalitātes oglekļa konstrukciju tērauds ar šādu ķīmisko sastāvu: 0,42–0,50 % oglekļa (C), 0,17–0,37 % silīcija (Si), 0,50–0,80 % mangāna (Mn) un ≤0,25 % hroma (Cr). Šim daudzpusīgajam materiālam ir lieliska aukstā/karstā apstrādājamība, pārākas mehāniskās īpašības, rentabilitāte un plaša pieejamība, tāpēc to plaši izmanto rūpnieciskos pielietojumos. Tomēr tā galvenais ierobežojums ir zemā sacietējamība, kas padara to nepiemērotu tādu detaļu ražošanai, kurām nepieciešami lieli šķērsgriezuma izmēri vai augstas precizitātes standarti.

T8 tērauds: Eitektoīds oglekļa instrumentu tērauds, kam pēc rūdīšanas un atlaidināšanas ir augsta cietība un nodilumizturība, lai gan tam ir ierobežojumi, tostarp zema karstumizturība, slikta rūdāmība un jutība pret pārkaršanas deformāciju apstrādes laikā. Šis materiāls atbilst GB/T 1298 sērijas standartiem, tā oglekļa saturs ir no 0,75% līdz 0,84%, padarot to piemērotu vienkāršas formas aukstās formēšanas matricu un griezējinstrumentu ražošanai. Rūdīšanas process prasa ūdens dzesēšanu 780–800 ℃°C temperatūrā, savukārt rūdīšana virs 250 ℃°C nodrošina izmēru stabilitāti. Tomēr tas nav ieteicams lietojumiem, kuriem nepieciešama triecienizturība.

65Mn tērauds: Atsperu tērauda izstrādājums ar augstu izturību pēc termiskās apstrādes un aukstās stiepšanas rūdīšanas, kas piedāvā labu elastību un plastiskumu. Vienādos virsmas apstākļos un pilnīgā rūdīšanā tā noguruma robeža atbilst piecu krāsu sakausējumu atsperu noguruma robežai. Tomēr sliktās rūdāmības dēļ to galvenokārt izmanto maza izmēra atsperēm, piemēram, spiediena regulēšanas/ātruma regulēšanas atsperēm, spēka mērīšanas atsperēm, vispārējām mehāniskām apaļām/taisnstūrveida spirālveida atsperēm vai stiepļu stiepšanas tērauda atsperēm mazām mašīnām. Rūdīšanas efekts: Virsmas cietība sasniedz 55–65 HRC ar rūdīta slāņa dziļumu 0,2–1,5 mm, tai ir vienmērīga martensīta struktūra un ievērojami uzlabota nodilumizturība (piemēram, 45. tērauda nodilumizturība pēc rūdīšanas palielinās 4–6 reizes). Piemērots zobratiem, tapām un vārpstas komponentiem. Mehānisms: Pietiekams oglekļa saturs veido bagātīgu martensītu, kas ātras lāzera karsēšanas laikā pilnībā austenitizējas un pašdzesēšanas rūdīšanas rezultātā sasniedz pilnīgu fāžu transformāciju.

2. Leģētais konstrukciju tērauds (pievienot Cr, Ni, Mo un citus elementus), tipiskie materiāli:

40Cr: (40Cr ietilpst "leģētā strukturālā tērauda" kategorijā, kā definēts GB3077. Šis tērauds satur 0,37–0,44 % oglekļa, kas ir nedaudz mazāk nekā 45. marga tēraudam, ar salīdzināmu Si un Mn saturu. Tas satur 0,80–1,10 % Cr. Karstās velmēšanas pielietojumos šis 1 % Cr saturs būtībā ir neefektīvs, jo abām kategorijām ir līdzīgas mehāniskās īpašības. Ņemot vērā, ka 40Cr maksā aptuveni pusi no 45. marga tērauda cenas, ekonomiskie apsvērumi bieži vien liek izmantot 45. marga tēraudu, kad tas ir iespējams.)

35CrMo: 35CrMo ir leģēta strukturālā tērauda (leģēta rūdīta un atlaidināta tērauda) specifikācijas kods, kas atbilst Vācijas standartam 1.7220, Lielbritānijas standartam 708A37, Francijas standartam 35CD4 u.c., ievērojot GB/T 3077-2015. Tā oglekļa ekvivalents ir 0,72%, slikta metināmība, kuras dēļ nepieciešami iepriekšējas uzsildīšanas pasākumi. Šim tēraudam ir augsta statiskā izturība un triecienizturība, stiepes izturība ≥985MPa un tecēšanas robeža ≥835MPa, kas spēj izturēt ilgstošu darba temperatūru līdz 500℃. Tas ir piemērots augstas slodzes mehānisko komponentu, piemēram, pārnesumkārbu, kloķvārpstu, klaņu un tvaika turbīnu vārpstu, ražošanai velmētavās.

20CrMnTi: Carburizēts tērauds ar oglekļa saturu 0,17–0,24 %, ko parasti izmanto automobiļu ražošanā transmisiju zobratiem. Kā vidēji cietējošs carburizēts tērauds (Cr-Mn-Ti) tas demonstrē izcilu cietināšanas spēju, vienlaikus saglabājot augstu triecienizturību zemā temperatūrā. Šis tērauds, kas īpaši izstrādāts virsmas carburizācijas sacietēšanai, izceļas ar izcilu apstrādājamību ar minimālu deformāciju un izcilu izturību pret nogurumu. Tā galvenie pielietojumi ietver vārpstas detaļu, virzuļu detaļu un specializētu detaļu ražošanu automašīnām un lidmašīnām.

Rūdīšanas efekts: Cietība var sasniegt 60–70 HRC, sacietētā slāņa dziļums ir 0,3–2 mm, un sakausējuma elementi uzlabo sacietējamību un izturību pret koroziju (piemēram, 35CrMo pārnesumu noguruma izturība pēc rūdīšanas palielinās par 30%).

Piezīme: Augsts sakausējuma saturs var samazināt lāzera absorbcijas ātrumu, tāpēc ir nepieciešams uzlabot enerģijas absorbcijas efektivitāti, izmantojot melnināšanas apstrādi (piemēram, fosfatēšanu un pārklāšanu).

3. Čuguns (pelēkais čuguns, kaļamais čuguns), tipiskie materiāli:

HT300: ir perlīta tipa augstas stiprības pelēkais čuguns, kas īsteno valsts standartu GB 9439-88, tā nosaukums "HT" apzīmē pelēko čugunu, "300" norāda, ka 30 mm diametra testa stieņa minimālā stiepes izturība ir 300 MPa.

QT600-3: QT600-3 ir perlīta korpusa kaļamais čuguns ar vidēju un augstu izturību, vidēju sīkstumu un plastiskumu, augstu visaptverošu veiktspēju, labu nodilumizturību un vibrācijas slāpēšanu, kā arī labām liešanas procesa īpašībām. Tas var mainīt savas īpašības, veicot dažādas termiskās apstrādes.

Rūdīšanas efekts: Virsmas cietība var sasniegt 45–55 HRC, sacietētā slāņa dziļums ir 0,1–0,8 mm, un ap grafīta fāzi veidojas martensīta + atlikušā austenīta struktūra, kas uzlabo pretslīpēšanas spēju (piemēram, darbgalda vadotnes berzes koeficients pēc rūdīšanas samazinās par 20%).

II. Krāsainie metāli un to sakausējumi (jaunas pielietojuma jomas)

1. Titāna sakausējums (Ti-6Al-4V utt.)

Titāna sakausējums attiecas uz dažādiem sakausējumiem, kas izgatavoti no titāna un citiem metāliem. Titāns ir svarīgs strukturāls metāls, kas tika izstrādāts 20. gadsimta 50. gados, ar titāna sakausējuma izturību, izturību pret koroziju un augstu karstumizturību.

Sacietēšanas īpašības: Lāzera karsēšana veicina pārsātināta martensīta veidošanos uz virsmas, un cietība palielinās no 300 HV līdz 500–600 HV, vienlaikus saglabājot labu izturību (piemērots aviācijas dzinēju lāpstiņu stiegrošanai).

  Tehniskas grūtības: Titāna sakausējumam ir augsta lāzera atstarošanas spēja (apmēram 70%), tāpēc jāizmanto virsmas pirmapstrāde (piemēram, smilšu strūkla) vai ultravioletais lāzers (viļņa garums 355 nm, atstarošanas spēja zem 30%).

2. Alumīnija sakausējums (2xxx sērija, 7xxx sērija)

Šis ir uz alumīnija bāzes veidots sakausējuma materiāls, kas satur tādus elementus kā varš, silīcijs, magnijs, cinks un mangāns. Pielāgojot elementu attiecību, tas veido 1XXX līdz 8XXX sēriju, kas aptver rūpnieciski tīru alumīniju un alumīnija-vara sakausējumus. Tā stāvokļu kodu sistēma ir balstīta uz pieciem pamatstāvokļiem, tostarp F (brīvā apstrāde) un O (atkvēlināšana), ar detalizētiem kodiem, piemēram, T6, kas ļauj precīzi kontrolēt izturības un korozijas izturības īpašības.

Dzēšanas mehānisms: Cietā šķīduma stiprināšana tiek panākta, ātri uzsildot lāzeru, un metastabilā nogulsnētā fāze veidojas pēc pašdzesēšanas (piemēram, 7075 alumīnija sakausējuma cietība pēc rūdīšanas palielinās no 150 HV līdz 220 HV).

Lietojumprogrammas ierobežojumi: Alumīnija sakausējumam ir spēcīga siltumvadītspēja (siltumvadītspēja ir aptuveni 200 W/m K), ir nepieciešams lieljaudas lāzers (≥2 kW), lai nodrošinātu sildīšanas efektivitāti, un ir viegli radīt termiskās sprieguma deformāciju.

3. Alvas sakausējumi (misiņš, bronza)

Šis ir sakausējums, kas sastāv no tīra vara ar vienu vai vairākiem papildu elementiem. Pielietojums: Nodilumizturīgu detaļu (piemēram, gultņu, vārstu) virsmas sacietēšana. Pēc lāzera dzēšanas virsma veido nanokristālisku struktūru, palielinot cietību par 15% līdz 30%. Tomēr sildīšanas temperatūra ir jākontrolē, lai novērstu vara matricas mīkstināšanu.

III. Īpaši funkcionālie materiāli

1. Pulvermetalurģijas materiāli (piemēram, pulvermetalurģijas komponenti uz dzelzs un vara bāzes). Priekšrocības: Porainā struktūra var uzglabāt smēreļļu, un pēc lāzera dzēšanas virsma kļūst blīvāka. Cietība palielinās no 20–30 HRC līdz 50–55 HRC, padarot tos piemērotus pašeļļojošiem gultņiem.

2. Virsmas pārklājuma materiāli (piemēram, termiski izsmidzināšanas pārklājumi un apšuvuma slāņi). Tipiski pielietojumi: Pēc WC-Co pārklājumu, kas izsmidzināti uz oglekļa tērauda virsmām, lāzera rūdīšanas veidojas kompozītmateriāla struktūra "martensīta matrica + cementēta karbīda fāze", sasniedzot cietību, kas pārsniedz 1000 HV. Šos materiālus izmanto kalnrūpniecības tehnikas nodilumizturīgās detaļās.

IV. Materiāli, kas nav piemēroti lāzera dzēšanai

Zema oglekļa satura tērauds (oglekļa saturs Nepietiekama oglekļa satura dēļ martensītiskā transformācija ir minimāla, kā rezultātā sacietēšanas efekti ir slikti (cietības pieaugums

Tīrs austenīta nerūsējošais tērauds (piemēram, 316L): Trūkst martensītiskās transformācijas spēju. Lāzera karsēšana izraisa tikai deformācijas sacietēšanu ar ierobežotu cietības uzlabojumu (aptuveni 15–20 %).