Анализ типов и характеристик материалов, пригодных для технологии лазерного гашения.

I. Материалы из черных металлов (в настоящее время наиболее распространенное применение)

1. Средне- и высокоуглеродистая сталь (содержание углерода 0,3%~0,8%), типичные материалы:

45 сталь Высококачественная среднеуглеродистая конструкционная сталь (S45C) в стандартах JIS, ASTM 1045/080M46 и DIN C45 представляет собой премиальную углеродистую конструкционную сталь со следующим химическим составом: 0,42-0,50% углерода (C), 0,17-0,37% кремния (Si), 0,50-0,80% марганца (Mn) и ≤0,25% хрома (Cr). Этот универсальный материал демонстрирует отличную обрабатываемость в холодном и горячем состоянии, превосходные механические свойства, экономичность и широкую доступность, что делает его широко используемым в промышленности. Однако его основным ограничением является низкая закаливаемость, что делает его непригодным для изготовления компонентов, требующих больших размеров поперечного сечения или высокой точности.

Сталь Т8: Эвтектоидная углеродистая инструментальная сталь, обладающая высокой твердостью и износостойкостью после закалки и отпуска, однако имеет ограничения, включая низкую закаливаемость в горячем состоянии, плохую закаливаемость и склонность к деформации при перегреве во время механической обработки. Этот материал соответствует стандартам серии GB/T 1298, содержит от 0,75% до 0,84% углерода, что делает его пригодным для изготовления простых штампов и режущих инструментов методом холодной формовки. Процесс закалки требует водяного охлаждения при температуре 780-800℃°C, а отпуск при температуре выше 250℃°C обеспечивает стабильность размеров. Однако он не рекомендуется для применений, требующих устойчивости к ударным нагрузкам.

Сталь 65Мн: Пружинная сталь, обладающая высокой прочностью после термообработки и холодной вытяжки, обеспечивает хорошую гибкость и пластичность. При одинаковых условиях поверхности и полной закалке ее предел усталости соответствует пределу усталости пружин из пятицветных сплавов. Однако из-за плохой закаливаемости она в основном используется для пружин малых размеров, таких как пружины регулирования давления/скорости, пружины измерения силы, механические круглые/прямоугольные винтовые пружины общего назначения или стальные пружины, изготовленные методом вытяжки проволоки для небольшого оборудования. Эффект закалки: твердость поверхности достигает 55-65 HRC при глубине закаленного слоя 0,2-1,5 мм, характеризуется однородной мартенситной структурой и значительно улучшенной износостойкостью (например, срок службы стали 45 увеличивается в 4-6 раз после закалки). Подходит для шестерен, штифтов и валов. Механизм: достаточное содержание углерода образует большое количество мартенсита, который подвергается полной аустенитизации при быстром лазерном нагреве и достигает полного фазового превращения при самоохлаждающейся закалке.

2. Легированная конструкционная сталь (с добавлением Cr, Ni, Mo и других элементов), типичные материалы:

40 крор: (Сталь 40Cr относится к категории «легированная конструкционная сталь» согласно определению в GB3077. Эта сталь содержит 0,37%-0,44% углерода, что немного меньше, чем сталь 45, при сопоставимом содержании Si и Mn. Она содержит 0,80%-1,10% Cr. В горячекатаных изделиях это содержание 1% Cr практически неэффективно, поскольку обе марки демонстрируют схожие механические свойства. Учитывая, что сталь 40Cr стоит примерно вдвое дешевле стали 45, экономические соображения часто приводят к использованию стали 45, когда это возможно.)

35CrMo: 35CrMo — это код спецификации для легированной конструкционной стали (легированной закаленной и отпущенной стали), соответствующий немецкому стандарту 1.7220, британскому стандарту 708A37, французскому стандарту 35CD4 и др., а также стандарту GB/T 3077-2015. Она имеет углеродистый эквивалент 0,72%, обладает плохой свариваемостью, требующей предварительного нагрева. Эта сталь демонстрирует высокую статическую прочность и ударную вязкость, с пределом прочности на растяжение ≥985 МПа и пределом текучести ≥835 МПа, способна выдерживать длительные рабочие температуры до 500℃. Она подходит для изготовления высоконагруженных механических компонентов, таких как редукторы, коленчатые валы, шатуны и шпиндели паровых турбин на прокатных станах.

20CrMnTi: Цементированная сталь с содержанием углерода 0,17%-0,24%, широко используемая в автомобилестроении для изготовления трансмиссионных шестерен. Как среднетвердеющая цементированная сталь (Cr-Mn-Ti), она демонстрирует исключительную закаливаемость, сохраняя при этом высокую ударную вязкость при низких температурах. Специально разработанная для поверхностной цементации, эта сталь обладает превосходной обрабатываемостью с минимальной деформацией и выдающейся усталостной прочностью. Основные области её применения включают производство валов, поршневых деталей и специализированных компонентов для автомобилей и самолетов.

Эффект гашения: Твердость может достигать 60–70 HRC, глубина упрочненного слоя составляет 0,3–2 мм, легирующие элементы улучшают закаливаемость и коррозионную стойкость (например, у шестерни из 35CrMo после закалки усталостная прочность увеличивается на 30%).

Примечание: Высокое содержание легирующих элементов может снизить коэффициент поглощения лазерного излучения, поэтому необходимо повысить эффективность поглощения энергии путем обработки методом чернения (например, фосфатирования и нанесения покрытия).

3. Чугун (серый чугун, высокопрочный чугун), типичные материалы:

HT300: Это высокопрочный серый чугун перлитного типа, соответствующий национальному стандарту GB 9439-88. Обозначение «HT» означает серый чугун, а «300» указывает на то, что минимальная прочность на растяжение испытательного стержня диаметром 30 мм составляет 300 МПа.

QT600-3: QT600-3 — это высокопрочный перлитный чугун, обладающий средней и высокой прочностью, средней ударной вязкостью и пластичностью, высокими комплексными характеристиками, хорошей износостойкостью и виброгашением, а также хорошими характеристиками процесса литья. Его свойства могут изменяться в результате различных термических обработок.

Эффект гашения: Твердость поверхности может достигать 45–55 HRC, глубина упрочненного слоя составляет 0,1–0,8 мм, а вокруг графитовой фазы формируется структура мартенсита + остаточного аустенита, что повышает устойчивость к шлифованию (например, коэффициент трения направляющей станка после закалки снижается на 20%).

II. Цветные металлы и их сплавы (перспективные области применения)

1. Титановый сплав (Ti-6Al-4V и др.)

Титановые сплавы — это различные сплавы, изготовленные из титана и других металлов. Титан — важный конструкционный металл, разработанный в 1950-х годах, обладающий высокой прочностью, коррозионной стойкостью и высокой термостойкостью.

Характеристики закалки: Лазерный нагрев способствует образованию пересыщенного мартенсита на поверхности, что повышает твердость с 300 HV до 500–600 HV при сохранении хорошей ударной вязкости (подходит для усиления лопаток авиационных двигателей).

  Технические неполадки: Титановый сплав обладает высокой отражательной способностью при лазерном воздействии (около 70%), поэтому следует использовать предварительную обработку поверхности (например, пескоструйную обработку) или ультрафиолетовое лазерное излучение (длина волны 355 нм, отражательная способность ниже 30%).

2. Алюминиевый сплав (серии 2xxx, 7xxx)

Это алюминиевый сплав, содержащий такие элементы, как медь, кремний, магний, цинк и марганец. Путем регулирования соотношения элементов он образует серии от 1XXX до 8XXX, охватывающие промышленный чистый алюминий и алюминиево-медные сплавы. Его система кодирования основана на пяти основных состояниях, включая F (легкообрабатываемая обработка) и O (отжиг), с подробными кодами, такими как T6, позволяющими точно контролировать прочностные характеристики и коррозионную стойкость.

Механизм гашения: Упрочнение твердым раствором достигается за счет быстрого лазерного нагрева, а метастабильная осажденная фаза образуется после самоохлаждения (например, твердость алюминиевого сплава 7075 увеличивается со 150 HV до 220 HV после закалки).

Ограничения приложения: Алюминиевый сплав обладает высокой теплопроводностью (теплопроводность составляет около 200 Вт/м·К), для обеспечения эффективности нагрева требуется мощный лазер (≥2 кВт), и легко возникают деформации, вызванные термическими напряжениями.

3. Сплавы олова (латунь, бронза)

Это сплав, состоящий из чистой меди с одним или несколькими дополнительными элементами. Применение: упрочнение поверхности износостойких компонентов (например, подшипников, клапанов). После лазерной закалки на поверхности образуется нанокристаллическая структура, увеличивающая твердость на 15–30%. Однако температуру нагрева необходимо контролировать, чтобы предотвратить размягчение медной матрицы.

III. Специальные функциональные материалы

1. Материалы порошковой металлургии (например, порошковые металлургические компоненты на основе железа и меди) Преимущества: Пористая структура способна удерживать смазочное масло, а поверхность становится более плотной после лазерной закалки. Твердость увеличивается с 20-30 HRC до 50-55 HRC, что делает их пригодными для самосмазывающихся подшипников.

2. Материалы для поверхностных покрытий (например, термонапыляемые покрытия и плакирующие слои). Типичные области применения: После лазерного охлаждения покрытий WC-Co, напыляемых на поверхности углеродистой стали, образуется композитная структура «мартенситная матрица + фаза твердого сплава», достигающая твердости более 1000 HV. Эти материалы используются в износостойких компонентах горнодобывающей техники.

IV. Материалы, непригодные для лазерного гашения

Низкоуглеродистая сталь (содержание углерода Из-за недостаточного содержания углерода мартенситное превращение минимально, что приводит к слабому эффекту упрочнения (увеличение твердости

Чистая аустенитная нержавеющая сталь (например, 316L): Не обладает способностью к мартенситному превращению. Лазерный нагрев вызывает лишь упрочнение при деформации с ограниченным повышением твердости (приблизительно на 15-20%).