Analys av materialtyper och egenskaper lämpliga för lasersläckningsteknik

I. Järnhaltiga metallmaterial (för närvarande den vanligaste tillämpningen)

1. Medel- och högkolstål (kolhalt 0,3 % ~ 0,8 %), typiska material:

45 stål (högkvalitativt konstruktionsstål med medelhög kolhalt), betecknat som S45C i JIS-standarder, ASTM 1045/080M46 och DIN C45, är ett premiumkolkonstruktionsstål med följande kemiska sammansättning: 0,42–0,50 % kol (C), 0,17–0,37 % kisel (Si), 0,50–0,80 % mangan (Mn) och ≤0,25 % krom (Cr). Detta mångsidiga material uppvisar utmärkt kall-/varmbearbetbarhet, överlägsna mekaniska egenskaper, kostnadseffektivitet och bred tillgänglighet, vilket gör det allmänt använt inom industriella tillämpningar. Dess primära begränsning ligger dock i låg härdbarhet, vilket gör det olämpligt för tillverkning av komponenter som kräver stora tvärsnittsdimensioner eller höga precisionsstandarder.

T8 stål: Ett eutektoidt kolstål som uppvisar hög hårdhet och slitstyrka efter kylning och anlöpning, även om det har begränsningar inklusive låg varmhärdbarhet, dålig härdbarhet och känslighet för överhettningsdeformation under bearbetning. Detta material uppfyller GB/T 1298-seriens standarder och innehåller ett kolinnehåll mellan 0,75 % och 0,84 %, vilket gör det lämpligt för tillverkning av enkla kallformningsformar och skärverktyg. Härdningsprocessen kräver vattenkylning vid 780–800 ℃°C, medan anlöpning över 250 ℃°C säkerställer dimensionsstabilitet. Det rekommenderas dock inte för applikationer som kräver slagtålighet.

65Mn stål: En fjäderstålsprodukt med hög hållfasthet efter värmebehandling och kalldragningshärdning, vilket ger god flexibilitet och plasticitet. Under identiska ytförhållanden och fullständig härdning matchar dess utmattningsgräns den för femfärgade legeringsfjädrar. På grund av dålig härdbarhet används den dock huvudsakligen för små fjädrar såsom tryckjusterande/hastighetsreglerande fjädrar, kraftmätande fjädrar, allmänna mekaniska cirkulära/rektangulära spiralfjädrar eller tråddragna stålfjädrar för små maskiner. Härdningseffekt: Ythårdheten når 55-65 HRC med ett härdat skiktdjup på 0,2~1,5 mm, med enhetlig martensitisk struktur och avsevärt förbättrad slitstyrka (t.ex. ökar 45-stålets livslängd 4-6 gånger efter kylning). Lämplig för kugghjul, stift och axelkomponenter. Mekanism: Tillräckligt kolinnehåll bildar riklig martensit, som genomgår fullständig austenitisering under snabb laseruppvärmning och uppnår fullständig fasomvandling genom självkylning.

2. Legerat konstruktionsstål (tillsätt Cr, Ni, Mo och andra element), typiska material:

40Cr: (40Cr faller under kategorin "legerat konstruktionsstål" enligt definitionen i GB3077. Detta stål innehåller 0,37–0,44 % kol, något lägre än 45-stål, med jämförbar Si- och Mn-halt. Det innehåller 0,80–1,10 % Cr. I varmvalsade tillämpningar är denna 1 % Cr-halt i huvudsak ineffektiv, eftersom båda kvaliteterna uppvisar liknande mekaniska egenskaper. Med tanke på att 40Cr kostar ungefär hälften så mycket som 45-stål, leder ekonomiska överväganden ofta till att använda 45-stål istället när det är möjligt.)

35CrMo: 35CrMo är en specifikationskod för legerat konstruktionsstål (legerat kylt och anlöpt stål), motsvarande tysk standard 1.7220, brittisk standard 708A37, fransk standard 35CD4, etc., i överensstämmelse med GB/T 3077-2015. Det har en kolekvivalent på 0,72 %, dålig svetsbarhet som kräver förvärmningsåtgärder. Detta stål uppvisar hög statisk hållfasthet och slagseghet, med en draghållfasthet ≥985 MPa och en sträckgräns ≥835 MPa, och kan motstå långvariga driftstemperaturer upp till 500 ℃. Det är lämpligt för tillverkning av högbelastade mekaniska komponenter såsom växellådor, vevaxlar, vevstakar och ångturbinspindlar i valsverk.

20CrMnTi: Ett karburiserat stål med en kolhalt på 0,17–0,24 %, som vanligtvis används inom fordonstillverkning för transmissioner. Som ett medelhärdande karburiserat stål (Cr-Mn-Ti) uppvisar det exceptionell härdbarhet samtidigt som det bibehåller hög slagtålighet vid låg temperatur. Specifikt konstruerat för ythärdning genom karburering uppvisar detta stål utmärkt bearbetbarhet med minimal deformation och enastående utmattningsbeständighet. Dess primära tillämpningar inkluderar tillverkning av axelkomponenter, kolvdelar och specialkomponenter för bilar och flygplan.

Släckningseffekt: Hårdheten kan nå 60~70 HRC, det härdade lagerdjupet är 0,3~2 mm, och legeringselementen förbättrar härdbarheten och korrosionsbeständigheten (t.ex. 35CrMo-kugghjulets utmattningshållfasthet ökar med 30% efter kylning).

Obs: Det höga legeringsinnehållet kan minska laserns absorptionshastighet, så det är nödvändigt att förbättra energiabsorptionseffektiviteten genom svärtningsbehandling (såsom fosfatering och beläggning).

3. Gjutjärn (grått gjutjärn, segjärn), typiska material:

HT300: är en perlittyp av höghållfast grått gjutjärn, implementerar den nationella standarden GB 9439-88, dess namn "HT" representerar grått gjutjärn, "300" indikerar att den minsta draghållfastheten för en teststång med en diameter på 30 mm är 300 MPa.

QT600-3: QT600-3 är ett perlitiskt segjärn med medelhög och hög hållfasthet, medelhög seghet och plasticitet, hög heltäckande prestanda, god slitstyrka och vibrationsdämpning, samt goda gjutprocessegenskaper. Det kan förändra sina egenskaper genom olika värmebehandlingar.

Släckningseffekt: Ythårdheten kan nå 45~55 HRC, det härdade skiktdjupet 0,1~0,8 mm, och martensit + kvarvarande austenitstruktur bildas runt grafitfasen, vilket förbättrar förmågan att motstå slipning (till exempel minskas friktionskoefficienten för maskinverktygets styrskena med 20% efter kylning).

II. Icke-järnmetaller och deras legeringar (framväxande tillämpningsområden)

1. Titanlegering (Ti-6Al-4V, etc.)

Titanlegering avser en mängd olika legeringar tillverkade av titan och andra metaller. Titan är en viktig strukturmetall som utvecklades på 1950-talet, med sin titanlegeringsstyrka, korrosionsbeständighet och hög värmebeständighet.

Härdningsegenskaper: Laseruppvärmningen främjar bildandet av övermättad martensit på ytan, och hårdheten ökar från 300 HV till 500~600 HV, samtidigt som god seghet bibehålls (lämplig för förstärkning av flygmotorblad).

  Teknisk svårighet: Titanlegering har hög laserreflektivitet (cirka 70 %), så ytbehandling (såsom sandblästring) eller ultraviolett laser (våglängd 355 nm, reflektivitet under 30 %) bör användas.

2. Aluminiumlegering (2xxx-serien, 7xxx-serien)

Detta är en aluminiumbaserad legering som innehåller tillsatta element som koppar, kisel, magnesium, zink och mangan. Genom justeringar av elementförhållandet bildar den 1XXX till 8XXX-serien som omfattar industriellt ren aluminium och aluminium-kopparlegeringar. Dess tillståndskodsystem är baserat på fem grundläggande tillstånd inklusive F (fribearbetning) och O (glödgning), med detaljerade koder som T6 som möjliggör exakt kontroll av hållfasthet och korrosionsbeständighetsegenskaper.

Släckningsmekanism: Förstärkningen i fast lösning uppnås genom snabb uppvärmning av lasern, och den metastabila utfällda fasen bildas efter självkylning (till exempel ökar hårdheten hos 7075 aluminiumlegering från 150 HV till 220 HV efter kylning).

Applikationsbegränsningar: Aluminiumlegering har stark värmeledningsförmåga (värmeledningsförmågan är cirka 200 W/m K), högeffektslaser (≥2 kW) krävs för att säkerställa värmeeffektivitet, och det är lätt att producera termisk spänningsdeformation.

3. Tennlegeringar (mässing, brons)

Detta är en legering bestående av ren koppar med ett eller flera ytterligare element. Användningsområden: Ythärdning av slitstarka komponenter (t.ex. lager, ventiler). Efter laserhärdning bildar ytan en nanokristallin struktur, vilket ökar hårdheten med 15 % till 30 %. Uppvärmningstemperaturen måste dock kontrolleras för att förhindra mjukning av kopparmatrisen.

III. Speciella funktionella material

1. Pulvermetallurgiska material (t.ex. järnbaserade och kopparbaserade pulvermetallurgiska komponenter) Fördelar: Den porösa strukturen kan lagra smörjolja, varvid ytan blir tätare efter lasersläckning. Hårdheten ökar från 20–30 HRC till 50–55 HRC, vilket gör dem lämpliga för självsmörjande lager.

2. Ytbeläggningsmaterial (t.ex. termiska sprutbeläggningar och beklädnadsskikt) Typiska tillämpningar: Efter laserhärdning av WC-Co-beläggningar som sprutats på kolstålytor bildas en kompositstruktur av "martensitmatris + hårdmetallfas", som uppnår en hårdhet som överstiger 1000 HV. Dessa material används i slitstarka komponenter i gruvmaskiner.

IV. Material som inte är lämpliga för lasersläckning

Lågkolhaltigt stål (kolhalt På grund av otillräcklig kolhalt är den martensitiska omvandlingen minimal, vilket resulterar i dåliga härdningseffekter (hårdhetsökning

Rent austenitiskt rostfritt stål (t.ex. 316L): Saknar martensitisk transformationsförmåga. Laseruppvärmning orsakar endast deformationshärdning med begränsad hårdhetsförbättring (cirka 15 % -20 %).