Lézeres edzési technológiához alkalmas anyagtípusok és jellemzők elemzése

I. Vasfém anyagok (jelenleg a legelterjedtebb alkalmazás)

1. Közepes és magas széntartalmú acél (széntartalom 0,3%~0,8%), tipikus anyagok:

45-ös acél (kiváló minőségű közepes széntartalmú szerkezeti acél), amelyet a JIS szabványok, az ASTM 1045/080M46 és a DIN C45 S45C-ként jelölnek, egy prémium minőségű széntartalmú szerkezeti acél, amelynek kémiai összetétele a következő: 0,42-0,50% szén (C), 0,17-0,37% szilícium (Si), 0,50-0,80% mangán (Mn) és ≤0,25% króm (Cr). Ez a sokoldalú anyag kiváló hideg-/melegalakíthatósággal, kiváló mechanikai tulajdonságokkal, költséghatékonysággal és széles körű elérhetőséggel rendelkezik, így széles körben használják ipari alkalmazásokban. Fő korlátja azonban az alacsony edzhetősége, ami miatt alkalmatlan nagy keresztmetszeti méreteket vagy nagy pontosságú szabványokat igénylő alkatrészek gyártására.

T8 acél: Eutektoid szén szerszámacél, amely nagy keménységet és kopásállóságot mutat edzés és megeresztés után, bár vannak korlátai, beleértve az alacsony melegedzhetőséget, a gyenge edzhetőséget és a megmunkálás során fellépő túlmelegedési deformációra való hajlamot. Ez az anyag megfelel a GB/T 1298 sorozatú szabványoknak, 0,75% és 0,84% közötti széntartalommal, így alkalmassá teszi egyszerű alakú hidegalakító szerszámok és vágószerszámok gyártására. A edzési folyamat 780-800 ℃°C-os vízhűtést igényel, míg a 250 ℃°C feletti megeresztés biztosítja a méretstabilitást. Azonban nem ajánlott ütésállóságot igénylő alkalmazásokhoz.

65Mn acél: Hőkezelés és hideghúzás után nagy szilárdságú rugóacél termék, jó rugalmassággal és képlékenységgel. Azonos felületi feltételek és teljes edzés mellett a kifáradási határa megegyezik az ötszínű ötvözetrugókéval. A gyenge edzhetőség miatt azonban főként kis méretű rugókhoz, például nyomásszabályozó/sebességszabályozó rugókhoz, erőmérő rugókhoz, általános mechanikus kör-/téglalap alakú csavarrugókhoz vagy kis gépekhez használt huzalhúzott acélrugókhoz használják. Edzési hatás: A felületi keménység eléri az 55-65 HRC értéket, 0,2~1,5 mm edzett rétegvastagsággal, egyenletes martenzites szerkezettel és jelentősen jobb kopásállósággal (pl. a 45-ös acél kopási élettartama 4-6-szorosára nő a kioltás után). Alkalmas fogaskerekek, csapok és tengelyalkatrészek gyártásához. Mechanizmus: Elegendő széntartalom esetén bőséges martenzit képződik, amely gyors lézeres hevítés során teljes ausztenitesedésen megy keresztül, és önhűtő kioltás révén teljes fázisátalakuláson megy keresztül.

2. Ötvözött szerkezeti acél (Cr, Ni, Mo és egyéb elemek hozzáadásával), tipikus anyagok:

40Cr: (A 40Cr a GB3077 szabványban meghatározott „ötvözött szerkezeti acél” kategóriájába tartozik. Ez az acél 0,37–0,44% szenet tartalmaz, ami valamivel kevesebb, mint a 45-ös acélé, és hasonló Si- és Mn-tartalommal rendelkezik. 0,80–1,10% Cr-t tartalmaz. Melegen hengerelt alkalmazásokban ez az 1%-os Cr-tartalom lényegében hatástalan, mivel mindkét minőség hasonló mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. Tekintettel arra, hogy a 40Cr körülbelül feleannyiba kerül, mint a 45-ös acél, a gazdasági megfontolások gyakran a 45-ös acél használatához vezetnek, amikor lehetséges.)

35CrMo: A 35CrMo az ötvözött szerkezeti acélok (ötvözött edzett és temperált acél) specifikációs kódja, amely megfelel a német 1.7220, a brit 708A37, a francia 35CD4 stb. szabványnak, és megfelel a GB/T 3077-2015 szabványnak. Szén-egyenértéke 0,72%, hegeszthetősége gyenge, ami előmelegítési intézkedéseket igényel. Ez az acél nagy statikus szilárdsággal és ütésállósággal rendelkezik, szakítószilárdsága ≥985 MPa és folyáshatára ≥835 MPa, és hosszú távon akár 500 ℃-ig terjedő üzemi hőmérsékletet is képes ellenállni. Alkalmas nagy terhelésű mechanikus alkatrészek, például sebességváltók, főtengelyek, hajtórudak és gőzturbina orsók gyártására hengerművekben.

20CrMnTi: 0,17–0,24% széntartalmú karbonizált acél, amelyet általában az autógyártásban használnak sebességváltókhoz. Közepesen keményedő karbonizált acélként (Cr-Mn-Ti) kivételes edzhetőséget mutat, miközben magas alacsony hőmérsékletű ütésállóságot is biztosít. Kifejezetten felületi karbonizálásra tervezték, ez az acél kiváló megmunkálhatóságot, minimális deformációt és kiemelkedő fáradási ellenállást mutat. Elsődleges alkalmazási területei közé tartozik tengelyalkatrészek, dugattyúalkatrészek, valamint autó- és repülőgép-alkatrészek gyártása.

Kioltó hatás: A keménység elérheti a 60~70 HRC-t, az edzett réteg vastagsága 0,3~2 mm, az ötvözet elemei javítják az edzhetőséget és a korrózióállóságot (például a 35CrMo fogaskerék kioltás utáni fáradási szilárdsága 30%-kal nő).

Megjegyzés: A magas ötvözettartalom csökkentheti a lézer abszorpciós sebességét, ezért a feketedés (például foszfatálás és bevonatolás) révén növelni kell az energiaelnyelési hatékonyságot.

3. Öntöttvas (szürkeöntvény, gömbgrafitos öntöttvas), tipikus anyagok:

HT300: egy perlit típusú nagy szilárdságú szürkeöntvény, amely a GB 9439-88 nemzeti szabványt alkalmazza, a "HT" név a szürkeöntvényt jelöli, a "300" pedig azt jelzi, hogy egy 30 mm átmérőjű próbarúd minimális szakítószilárdsága 300 MPa.

QT600-3: A QT600-3 perlites testű gömbgrafitos öntöttvas, közepes és nagy szilárdságú, közepes szívósságú és képlékenységű, nagy átfogó teljesítménnyel, jó kopásállósággal és rezgéscsillapítással, valamint jó öntési eljárással. Tulajdonságai különféle hőkezelésekkel megváltoztathatók.

Kioltó hatás: A felületi keménység elérheti a 45~55 HRC-t, az edzett réteg vastagsága 0,1~0,8 mm, és a grafitfázis körül martenzit + maradék ausztenit szerkezet alakul ki, ami fokozza az őrlésgátló képességet (például a szerszámgép vezetősínének súrlódási együtthatója a kioltás után 20%-kal csökken).

II. Színesfémek és ötvözeteik (feltörekvő alkalmazási területek)

1. Titánötvözet (Ti-6Al-4V stb.)

A titánötvözet a titánból és más fémekből készült különféle ötvözetekre utal. A titán egy fontos szerkezeti fém, amelyet az 1950-es években fejlesztettek ki, titánötvözet szilárdsággal, korrózióállósággal és magas hőállósággal rendelkezik.

Edzési jellemzők: A lézeres melegítés elősegíti a túltelített martenzit képződését a felületen, és a keménység 300 HV-ról 500~600 HV-ra nő, miközben megőrzi a jó szívósságot (alkalmas repülőgép-hajtómű lapáterősítéséhez).

  Technikai nehézség: A titánötvözet magas lézerfényvisszaverő képességgel rendelkezik (kb. 70%), ezért felületkezelést (például homokfúvást) vagy ultraibolya lézert (355 nm hullámhossz, 30% alatti fényvisszaverő képesség) kell alkalmazni.

2. Alumíniumötvözet (2xxx sorozat, 7xxx sorozat)

Ez egy alumínium alapú ötvözet, amely olyan elemeket tartalmaz, mint a réz, szilícium, magnézium, cink és mangán. Az elemarányok beállításával alkotja az 1XXX-től 8XXX-ig terjedő sorozatot, amely ipari tisztaságú alumíniumot és alumínium-réz ötvözeteket foglal magában. Állapotkód-rendszere öt alapvető állapoton alapul, beleértve az F-et (szabad megmunkálás) és az O-t (lágyítás), a részletes kódok, mint például a T6, lehetővé teszik a szilárdsági és korrózióállósági tulajdonságok pontos szabályozását.

Kioltási mechanizmus: A szilárd oldat erősítését lézeres gyors melegítéssel érik el, és a metastabil kicsapódott fázis önhűtés után képződik (például a 7075 alumíniumötvözet keménysége a kioltás után 150 HV-ról 220 HV-ra nő).

Alkalmazási korlátok: Az alumíniumötvözet erős hővezető képességgel rendelkezik (a hővezető képesség körülbelül 200 W/m K), nagy teljesítményű lézerre (≥2 kW) van szükség a fűtési hatékonyság biztosításához, és könnyen előállítható hőfeszültség-deformáció.

3. Ónötvözetek (sárgaréz, bronz)

Ez egy tiszta rézből és egy vagy több további elemből álló ötvözet. Alkalmazások: Kopásálló alkatrészek (pl. csapágyak, szelepek) felületi edzése. Lézeres edzés után a felület nanokristályos szerkezetet képez, ami 15%-30%-kal növeli a keménységet. A melegítési hőmérsékletet azonban szabályozni kell a rézmátrix lágyulásának megakadályozása érdekében.

III. Speciális funkcionális anyagok

1. Porkohászati ​​anyagok (pl. vas- és rézalapú porkohászati ​​alkatrészek) Előnyök: A porózus szerkezet képes tárolni a kenőolajat, a lézeres edzés után a felület tömörödik. A keménység 20-30 HRC-ről 50-55 HRC-re nő, így alkalmasak önkenő csapágyakhoz.

2. Felületbevonó anyagok (pl. hőszórásos bevonatok és burkolórétegek) Tipikus alkalmazások: A szénacél felületekre szórt WC-Co bevonatok lézeres edzése után egy "martenzites mátrix + cementált keményfém fázis" kompozit szerkezet alakul ki, amely 1000 HV-t meghaladó keménységet ér el. Ezeket az anyagokat bányászati ​​gépek kopásálló alkatrészeiben használják.

IV. Lézeres edzésre alkalmatlan anyagok

Alacsony széntartalmú acél (széntartalom A nem megfelelő széntartalom miatt a martenzites átalakulás minimális, ami gyenge edzési hatást eredményez (keménységnövekedés

Tiszta ausztenites rozsdamentes acél (pl. 316L): Nem rendelkezik martenzites átalakulási képességgel. A lézeres melegítés csak alakváltozási keménységet okoz, korlátozott keménységnövekedéssel (körülbelül 15%-20%).