Lasersammutustekniikkaan soveltuvien materiaalityyppien ja ominaisuuksien analyysi

I. Rautametallimateriaalit (tällä hetkellä yleisin sovellus)

1. Keski- ja runsashiilinen teräs (hiilipitoisuus 0,3–0,8 %), tyypilliset materiaalit:

45 terästä (korkealaatuinen keskihiilinen rakenneteräs), joka on JIS-standardeissa, ASTM 1045/080M46:ssa ja DIN C45:ssä merkitty S45C:ksi, on ensiluokkainen hiilirakenteinen teräs, jonka kemiallinen koostumus on seuraava: 0,42–0,50 % hiiltä (C), 0,17–0,37 % piitä (Si), 0,50–0,80 % mangaania (Mn) ja ≤0,25 % kromia (Cr). Tällä monipuolisella materiaalilla on erinomainen kylmä-/kuumatyöstettävyys, erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, se on kustannustehokas ja saatavilla laajasti, minkä ansiosta sitä käytetään laajalti teollisissa sovelluksissa. Sen ensisijainen rajoitus on kuitenkin alhainen karkenevuus, minkä vuoksi se ei sovellu suuria poikkileikkausmittoja tai suurta tarkkuutta vaativien komponenttien valmistukseen.

T8-teräs: Eutektoidinen hiiliteräs, jolla on korkea kovuus ja kulutuskestävyys sammutuksen ja päästön jälkeen, vaikka sillä onkin rajoituksia, kuten alhainen kuumakarkenevuus, huono karkenevuus ja alttius ylikuumenemismuodonmuutokselle koneistuksen aikana. Tämä materiaali täyttää GB/T 1298 -sarjan standardit ja sen hiilipitoisuus on 0,75–0,84 %, joten se soveltuu yksinkertaisten kylmämuovausmuottien ja leikkaustyökalujen valmistukseen. Sammutusprosessi vaatii vesijäähdytyksen 780–800 ℃ °C:ssa, kun taas yli 250 ℃ °C:n päästö varmistaa mittapysyvyyden. Sitä ei kuitenkaan suositella sovelluksiin, jotka vaativat iskunkestoa.

65Mn teräs: Jousiterästuote, jolla on korkea lujuus lämpökäsittelyn ja kylmävetokarkaisun jälkeen, ja joka tarjoaa hyvän joustavuuden ja plastisuuden. Identisissä pintaolosuhteissa ja täydellisessä karkaisussa sen väsymisraja vastaa viisiväristen metalliseosjousien väsymisrajaa. Huonon karkenevuuden vuoksi sitä käytetään kuitenkin pääasiassa pienikokoisiin jousiin, kuten paineensäätö-/nopeusjousiin, voimanmittausjousiin, yleisiin mekaanisiin pyöreisiin/suorakulmaisiin kierrejousiin tai pienten koneiden lankavedettyihin teräsjousiin. Karkaisuvaikutus: Pinnan kovuus saavuttaa 55–65 HRC:n ja karkaistun kerroksen syvyys 0,2–1,5 mm, jolloin sille on ominaista tasainen martensiittinen rakenne ja merkittävästi parantunut kulutuskestävyys (esim. 45-teräksen kulutuskestävyys kasvaa 4–6-kertaisesti sammutuksen jälkeen). Sopii hammaspyörille, tapeille ja akselin osille. Mekanismi: Riittävä hiilipitoisuus muodostaa runsaasti martensiittia, joka läpikäy täydellisen austeniittisoitumisen nopean laserlämmityksen aikana ja saavuttaa täyden faasimuutoksen itsejäähtyvän sammutuksen kautta.

2. Seosteräsrakenneteräs (lisää Cr, Ni, Mo ja muita alkuaineita), tyypilliset materiaalit:

40Cr: (40Cr kuuluu GB3077-standardin määritelmän mukaisten seosterästen luokkaan. Tämä teräs sisältää 0,37–0,44 % hiiltä, ​​mikä on hieman vähemmän kuin 45-teräs, ja sen piin ja mangaanin pitoisuus on vertailukelpoinen. Se sisältää 0,80–1,10 % kromia. Kuumavalssatuissa sovelluksissa tämä 1 %:n kromipitoisuus on käytännössä tehoton, koska molemmilla laaduilla on samanlaiset mekaaniset ominaisuudet. Koska 40Cr maksaa noin puolet 45-teräksen hinnasta, taloudelliset näkökohdat johtavat usein 45-teräksen käyttöön, kun se on mahdollista.)

35CrMo: 35CrMo on seosteräkselle (seoskarkaistu ja päästetty teräs) tarkoitettu spesifikaatio, joka vastaa saksalaista standardia 1.7220, brittiläistä standardia 708A37, ranskalaista standardia 35CD4 jne. ja on GB/T 3077-2015 -standardin mukainen. Sen hiiliekvivalentti on 0,72 % ja sen hitsattavuus on heikko, mikä vaatii esilämmitystoimenpiteitä. Tällä teräksellä on korkea staattinen lujuus ja iskusitkeys, vetolujuus ≥985 MPa ja myötölujuus ≥835 MPa, ja se kestää pitkäaikaisia ​​käyttölämpötiloja jopa 500 ℃:een asti. Se soveltuu suuren kuormituksen mekaanisten komponenttien, kuten vaihteistojen, kampiakselien, kiertokankien ja valssaamojen höyryturbiinikarojen, valmistukseen.

20CrMnTi: Hiiletetty teräs, jonka hiilipitoisuus on 0,17–0,24 % ja jota käytetään yleisesti autoteollisuuden vaihteistoissa. Keskikovettuvana hiiletettynä teräksenä (Cr-Mn-Ti) sillä on poikkeuksellinen karkenevuus ja samalla korkea iskunkestävyys matalassa lämpötilassa. Erityisesti pintakarkaisuun suunniteltu teräs on erinomainen lastuttavuus, sillä sen muodonmuutos on minimaalinen ja väsymiskestävyys erinomainen. Sen pääasiallisia käyttökohteita ovat akselikomponenttien, männän osien sekä autojen ja lentokoneiden erikoisosien valmistus.

Sammutusvaikutus: Kovuus voi nousta 60–70 HRC:hen, karkaistun kerroksen syvyys 0,3–2 mm, seoselementit parantavat karkenevuutta ja korroosionkestävyyttä (kuten 35CrMo-vaihteiston väsymislujuus kasvaa 30 %) sammutuksen jälkeen.

Huomautus: Korkea seospitoisuus voi heikentää laserin absorptionopeutta, joten on tarpeen parantaa energian absorptiotehokkuutta mustauskäsittelyllä (kuten fosfatoinnilla ja pinnoituksella).

3. Valurauta (harmaa valurauta, pallografiittivalurauta), tyypilliset materiaalit:

HT300: on pearliittityyppinen, erittäin luja harmaa valurauta, joka on toteutettu kansallisen standardin GB 9439-88 mukaisesti. Sen nimi "HT" edustaa harmaata valurautaa ja "300" osoittaa, että 30 mm:n halkaisijan omaavan testitangon vetolujuus on vähintään 300 MPa.

QT600-3: QT600-3 on perliittirunkoinen pallografiittivalurauta, jolla on keski- ja korkea lujuus, keskikokoinen sitkeys ja plastisuus, korkea kokonaisvaltainen suorituskyky, hyvä kulutuskestävyys ja tärinänvaimennus sekä hyvät valuprosessiominaisuudet. Sen ominaisuuksia voidaan muuttaa erilaisilla lämpökäsittelyillä.

Sammutusvaikutus: Pinnan kovuus voi nousta 45–55 HRC:hen, karkaistun kerroksen syvyys 0,1–0,8 mm ja grafiittifaasin ympärille muodostuu martensiitti + jäännösausteniitti -rakenne, mikä parantaa jauhatuskykyä (esimerkiksi työstökoneen ohjauskiskon kitkakerroin sammutuksen jälkeen pienenee 20 %).

II. Ei-rautametallit ja niiden seokset (uudet sovellusalueet)

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

Titaaniseos viittaa erilaisiin titaanista ja muista metalleista valmistettuihin seoksiin. Titaani on tärkeä rakennemetalli, joka kehitettiin 1950-luvulla. Titaaniseoksella on lujuutta, korroosionkestävyyttä ja korkeaa lämmönkestävyyttä.

Kovettumisominaisuudet: Laserkuumennus edistää ylikyllästyneen martensiitin muodostumista pinnalle, ja kovuus kasvaa 300 HV:sta 500–600 HV:iin säilyttäen samalla hyvän sitkeyden (sopii lentokonemoottorin lapojen vahvistamiseen).

  Tekninen vaikeus: Titaaniseoksella on korkea laserheijastavuus (noin 70 %), joten tulisi käyttää pinnan esikäsittelyä (kuten hiekkapuhallusta) tai ultraviolettilaseria (aallonpituus 355 nm, heijastavuus alle 30 %).

2. Alumiiniseos (2xxx-sarja, 7xxx-sarja)

Tämä on alumiinipohjainen seosmateriaali, joka sisältää lisäelementtejä, kuten kuparia, piitä, magnesiumia, sinkkiä ja mangaania. Elementtisuhteiden säätöjen avulla se muodostaa 1XXX–8XXX-sarjan, joka kattaa teollisesti käytettävän puhtaan alumiinin ja alumiini-kupariseokset. Sen tilakoodijärjestelmä perustuu viiteen perustilaan, mukaan lukien F (vapaa työstö) ja O (hehkutus), ja yksityiskohtaiset koodit, kuten T6, mahdollistavat lujuuden ja korroosionkestävyyden tarkan hallinnan.

Sammutusmekanismi: Kiinteän liuoksen lujittuminen saavutetaan laserin nopealla kuumentamisella, ja metastabiili saostunut faasi muodostuu itsejäähdytyksen jälkeen (esimerkiksi 7075-alumiiniseoksen kovuus kasvaa 150 HV:sta 220 HV:iin sammutuksen jälkeen).

Sovelluksen rajoitukset: Alumiiniseoksella on vahva lämmönjohtavuus (lämmönjohtavuus on noin 200 W/m K), lämmitystehokkuuden varmistamiseksi tarvitaan suuritehoinen laser (≥2 kW), ja lämpöjännityksen muodonmuutos on helppo tuottaa.

3. Tinaseokset (messinki, pronssi)

Tämä on seos, joka koostuu puhtaasta kuparista ja yhdestä tai useammasta lisäalkuaineesta. Käyttökohteet: Kulutusta kestävien komponenttien (esim. laakerit, venttiilit) pinnan karkaisu. Lasersammutuksen jälkeen pinta muodostaa nanokiteisen rakenteen, joka lisää kovuutta 15–30 %. Lämmityslämpötilaa on kuitenkin valvottava kuparimatriisin pehmenemisen estämiseksi.

III. Erityiset toiminnalliset materiaalit

1. Jauhemetallurgiset materiaalit (esim. rauta- ja kuparipohjaiset jauhemetallurgiset komponentit) Edut: Huokoinen rakenne voi varastoida voiteluöljyä, ja pinta tiivistyy lasersammutuksen jälkeen. Kovuus kasvaa 20–30 HRC:stä 50–55 HRC:hen, mikä tekee niistä sopivia itsevoiteleville laakereille.

2. Pinnoitemateriaalit (esim. lämpöruiskutuspinnoitteet ja verhouskerrokset) Tyypilliset käyttökohteet: Hiiliteräspinnoille ruiskutettujen WC-Co-pinnoitteiden lasersammutuksen jälkeen muodostuu "martensiittimatriisi + kovametallifaasi" -komposiittirakenne, jonka kovuus on yli 1000 HV. Näitä materiaaleja käytetään kaivoskoneiden kulutusta kestävissä osissa.

IV. Lasersammutukseen sopimattomat materiaalit

Vähähiilinen teräs (hiilipitoisuus Riittämättömän hiilipitoisuuden vuoksi martensiittinen muutos on vähäistä, mikä johtaa heikkoihin karkaisuominaisuuksiin (kovuuden kasvu

Puhdas austeniittinen ruostumaton teräs (esim. 316L): Ei martensiittista muutoskykyä. Laserkuumennus aiheuttaa vain muokkauslujittumista, jonka kovuuden parannus on rajoitettu (noin 15–20 %).