Lasersummutuse tehnoloogia jaoks sobivate materjalitüüpide ja omaduste analüüs

I. Mustmetallid (praegu kõige levinum rakendus)

1. Keskmise ja kõrge süsinikusisaldusega teras (süsinikusisaldus 0,3% ~ 0,8%), tüüpilised materjalid:

45 terast (kõrgekvaliteediline keskmise süsinikusisaldusega konstruktsiooniteras), mida JIS-standardites, ASTM 1045/080M46 ja DIN C45 tähistatakse kui S45C, on kõrgekvaliteediline süsinikkonstruktsiooniteras, mille keemiline koostis on järgmine: 0,42–0,50% süsinikku (C), 0,17–0,37% räni (Si), 0,50–0,80% mangaani (Mn) ja ≤0,25% kroomi (Cr). See mitmekülgne materjal on suurepärase külm- ja kuumtöödeldavusega, suurepäraste mehaaniliste omadustega, kulutõhususega ja laia kättesaadavusega, mistõttu seda kasutatakse laialdaselt tööstuslikes rakendustes. Selle peamine piirang seisneb aga madalas karastatavuses, mis muudab selle sobimatuks suurte ristlõikemõõtmete või kõrge täpsusega komponentide tootmiseks.

T8 teras: Eutektoidne süsinikterasest tööriistateras, millel on pärast karastamist ja noolutamist kõrge kõvadus ja kulumiskindlus, kuigi sellel on piiranguid, sealhulgas madal kuumkarastuvus, halb karastatavus ja vastuvõtlikkus ülekuumenemisdeformatsioonile töötlemise ajal. See materjal vastab GB/T 1298 seeria standarditele, sisaldades süsinikku vahemikus 0,75% kuni 0,84%, mistõttu sobib see lihtsa kujuga külmvormimisvormide ja lõikeriistade tootmiseks. Karastamisprotsess nõuab vesijahutust temperatuuril 780–800 ℃ °C, samas kui karastamine temperatuuril üle 250 ℃ °C tagab mõõtmete stabiilsuse. Seda ei soovitata aga rakenduste jaoks, mis vajavad löögikoormuskindlust.

65Mn teras: Pärast kuumtöötlust ja külmtõmbekarastamist on sellel kõrge tugevus, mis pakub head painduvust ja plastilisust. Identsete pinnatingimuste ja täieliku karastamise korral vastab selle väsimuspiir viievärviliste sulamvedrude omale. Halva karastatavuse tõttu kasutatakse seda aga peamiselt väikeste vedrude, näiteks rõhu reguleerimise/kiiruse reguleerimise vedrude, jõu mõõtmise vedrude, üldiste mehaaniliste ümmarguste/ristkülikukujuliste keerdvedrude või väikeste masinate traattõmmatud terasvedrude jaoks. Kõvenemisefekt: Pinna kõvadus ulatub 55–65 HRC-ni karastatud kihi paksusega 0,2–1,5 mm, millel on ühtlane martensiitne struktuur ja oluliselt parem kulumiskindlus (nt 45 terase kulumisaeg pikeneb pärast karastamist 4–6 korda). Sobib hammasrataste, tihvtide ja võllide komponentide jaoks. Mehhanism: Piisav süsinikusisaldus moodustab rohkelt martensiiti, mis läbib kiire laserkuumutamise ajal täieliku austenitiseerumise ja saavutab isejahtumise teel täieliku faasimuundumise.

2. Legeerkonstruktsiooniteras (lisada Cr, Ni, Mo ja muid elemente), tüüpilised materjalid:

40Cr: (40Cr kuulub standardi GB3077 kohaselt kategooriasse "legeeritud konstruktsiooniteras". See teras sisaldab 0,37–0,44% süsinikku, mis on veidi vähem kui 45 terasel, ning selle räni ja mangaani sisaldus on võrreldav. See sisaldab 0,80–1,10% kroomi. Kuumvaltsimise puhul on see 1% kroomi sisaldus sisuliselt ebaefektiivne, kuna mõlemal klassil on sarnased mehaanilised omadused. Arvestades, et 40Cr maksab umbes poole vähem kui 45 teras, viivad majanduslikud kaalutlused sageli võimaluse korral 45 terase kasutamiseni.)

35CrMo: 35CrMo on legeerkonstruktsiooniterase (sulamkarastatud ja noolutatud terase) spetsifikatsioonikood, mis vastab Saksa standardile 1.7220, Briti standardile 708A37, Prantsuse standardile 35CD4 jne ning on kooskõlas standardiga GB/T 3077-2015. Selle süsinikuekvivalent on 0,72% ja halb keevitatavus nõuab eelsoojendamist. Sellel terasel on kõrge staatiline tugevus ja löögikindlus, tõmbetugevusega ≥985 MPa ja voolavuspiiriga ≥835 MPa, mis talub pikaajalist töötemperatuuri kuni 500 ℃. See sobib suure koormusega mehaaniliste komponentide, näiteks käigukastide, väntvõllide, ühendusvardade ja auruturbiini spindlite tootmiseks valtsimistehastes.

20CrMnTi: Karastatud teras süsinikusisaldusega 0,17–0,24%, mida tavaliselt kasutatakse autotööstuses käigukastide hammasrataste jaoks. Keskmise karastusega karastatud terasena (Cr-Mn-Ti) on sellel erakordne karastatavus, säilitades samal ajal kõrge löögikindluse madalal temperatuuril. Spetsiaalselt pinna karastamise teel karastamise jaoks loodud teras on suurepärase töödeldavusega, minimaalse deformatsiooniga ja silmapaistva väsimuskindlusega. Selle peamised rakendused hõlmavad võllikomponentide, kolviosade ning autode ja lennukite spetsiaalsete komponentide tootmist.

Kustutav efekt: Kõvadus võib ulatuda 60–70 HRC-ni, karastatud kihi sügavus on 0,3–2 mm ja legeerelemendid parandavad karastatavust ja korrosioonikindlust (näiteks 35CrMo hammasratta väsimustugevus pärast karastamist suureneb 30%).

Märkus: Suur sulamisisaldus võib vähendada laserkiire neeldumiskiirust, seega on vaja energia neeldumise efektiivsust suurendada mustamise (näiteks fosfaatimise ja katmise) abil.

3. Malm (hallmalm, kõrgtugev malm), tüüpilised materjalid:

HT300: on perliidist valmistatud ülitugev hallmalm, mis vastab riiklikule standardile GB 9439-88 ja mille nimetus "HT" tähistab hallmalmi ning "300" näitab, et 30 mm läbimõõduga katsevarda minimaalne tõmbetugevus on 300 MPa.

QT600-3: QT600-3 on perliitkehaga kõrgtugev malm, millel on keskmine ja kõrge tugevus, keskmine sitkus ja plastilisus, kõrge terviklik jõudlus, hea kulumiskindlus ja vibratsioonisummutus, head valamisprotsessi omadused. Selle omadusi saab muuta erinevate kuumtöötluste abil.

Kustutav efekt: Pinna kõvadus võib ulatuda 45–55 HRC-ni, karastatud kihi sügavus on 0,1–0,8 mm ja grafiidifaasi ümber moodustub martensiidi + jääk-austeniidi struktuur, mis suurendab hõõrdumisvastast võimet (näiteks tööpingi juhtrööpa hõõrdetegur pärast kustutamist väheneb 20%).

II. Värvilised metallid ja nende sulamid (uued rakendusvaldkonnad)

1. Titaanisulam (Ti-6Al-4V jne)

Titaanisulam viitab mitmesugustele titaanist ja teistest metallidest valmistatud sulamitele. Titaan on oluline konstruktsioonimetall, mis töötati välja 1950. aastatel ning millel on tugevus, korrosioonikindlus ja kõrge kuumakindlus.

Kõvenemise omadused: Laserkuumutamine soodustab üleküllastunud martensiidi moodustumist pinnale ja kõvadus suureneb 300 HV-lt 500–600 HV-ni, säilitades samal ajal hea sitkuse (sobib lennukimootori labade tugevdamiseks).

  Tehniline raskusaste: Titaanisulamil on kõrge laserpeegeldusvõime (umbes 70%), seega tuleks kasutada pinna eeltöötlust (näiteks liivapritsimist) või ultraviolettlaserit (lainepikkus 355 nm, peegeldusvõime alla 30%).

2. Alumiiniumsulam (2xxx seeria, 7xxx seeria)

See on alumiiniumipõhine sulammaterjal, mis sisaldab lisatud elemente nagu vask, räni, magneesium, tsink ja mangaan. Elementide suhte reguleerimise kaudu moodustab see seeria 1XXX kuni 8XXX, mis hõlmab tööstuslikku puhast alumiiniumi ja alumiinium-vase sulameid. Selle olekukoodide süsteem põhineb viiel põhiolekul, sealhulgas F (vaba töötlemine) ja O (lõõmutamine), kusjuures detailsed koodid, näiteks T6, võimaldavad tugevuse ja korrosioonikindluse omadusi täpselt kontrollida.

Kustutusmehhanism: Tahke lahuse tugevdamine saavutatakse laseri kiire kuumutamise teel ja metastabiilne sadenenud faas moodustub pärast isejahtumist (näiteks 7075 alumiiniumisulami kõvadus suureneb pärast kustutamist 150 HV-lt 220 HV-le).

Rakenduse piirangud: Alumiiniumsulamil on tugev soojusjuhtivus (soojusjuhtivus on umbes 200 W/m K), kütte efektiivsuse tagamiseks on vaja suure võimsusega laserit (≥2 kW) ning termilise pinge deformatsiooni on lihtne tekitada.

3. Tinasulamid (messing, pronks)

See on sulam, mis koosneb puhtast vasest ja ühest või mitmest lisaelemendist. Kasutusalad: kulumiskindlate komponentide (nt laagrid, ventiilid) pinna karastamine. Pärast laseriga karastamist moodustab pind nanokristallilise struktuuri, suurendades kõvadust 15–30%. Vase maatriksi pehmenemise vältimiseks tuleb aga kuumutamistemperatuuri kontrollida.

III. Spetsiaalsed funktsionaalsed materjalid

1. Pulbermetallurgiamaterjalid (nt raua- ja vasepõhised pulbermetallurgiakomponendid) Eelised: Poorne struktuur suudab säilitada määrdeõli, pind muutub pärast laseriga karastamist tihedamaks. Kõvadus suureneb 20–30 HRC-lt 50–55 HRC-ni, mistõttu sobivad need iseõlitavate laagrite jaoks.

2. Pinnakattematerjalid (nt termiliselt pihustatud katted ja fassaadikihid) Tüüpilised rakendused: Pärast süsinikterasest pindadele pihustatud WC-Co katete laserkarastust moodustub "martensiitmaatriks + tsementeeritud karbiidfaas" komposiitstruktuur, mille kõvadus ületab 1000 HV. Neid materjale kasutatakse kaevandusmasinate kulumiskindlates komponentides.

IV. Lasersummutamiseks sobimatud materjalid

Madala süsinikusisaldusega teras (süsinikusisaldus Ebapiisava süsinikusisalduse tõttu on martensiitse muundumine minimaalne, mille tulemuseks on halb kõvenemine (kõvaduse kasv

Puhas austeniitne roostevaba teras (nt 316L): Puudub martensiitse transformatsiooni võime. Laserkuumutamine põhjustab ainult töötlemiskõvenemist, mille kõvaduse paranemine on piiratud (umbes 15–20%).