Lazerinio gesinimo technologijai tinkamų medžiagų tipų ir savybių analizė

I. Juodųjų metalų medžiagos (šiuo metu labiausiai paplitusi taikymo sritis)

1. Vidutinio ir didelio anglies kiekio plienas (anglies kiekis 0,3 % ~ 0,8 %), tipinės medžiagos:

45 plienas (aukštos kokybės vidutinio anglies kiekio konstrukcinis plienas), JIS standartuose, ASTM 1045/080M46 ir DIN C45 žymimas S45C, yra aukščiausios kokybės anglinis konstrukcinis plienas, kurio cheminė sudėtis: 0,42–0,50 % anglies (C), 0,17–0,37 % silicio (Si), 0,50–0,80 % mangano (Mn) ir ≤0,25 % chromo (Cr). Ši universali medžiaga pasižymi puikiu šaltuoju / karštuoju apdirbamumu, geromis mechaninėmis savybėmis, ekonomiškumu ir plačiu prieinamumu, todėl ji plačiai naudojama pramonėje. Tačiau pagrindinis jos apribojimas yra mažas grūdinamumas, todėl ji netinka gaminti komponentams, kuriems reikalingi dideli skerspjūvio matmenys arba didelio tikslumo standartai.

T8 plienas: Eutektoidinis anglinis įrankinis plienas, pasižymintis dideliu kietumu ir atsparumu dilimui po grūdinimo ir atleidimo, tačiau turintis trūkumų, įskaitant mažą karštojo grūdinimo gebėjimą, prastą grūdinamumą ir jautrumą perkaitimo deformacijai apdirbimo metu. Ši medžiaga atitinka GB/T 1298 serijos standartus, joje yra nuo 0,75 % iki 0,84 % anglies, todėl ji tinka paprastos formos šaltojo formavimo matricų ir pjovimo įrankių gamybai. Grūdinimo procesui reikalingas aušinimas vandeniu 780–800 ℃ °C temperatūroje, o atleidimas aukštesnėje nei 250 ℃ °C temperatūroje užtikrina matmenų stabilumą. Tačiau jis nerekomenduojamas ten, kur reikalingas atsparumas smūginėms apkrovoms.

65Mn plienas: Spyruoklinio plieno gaminys, pasižymintis dideliu stiprumu po terminio apdorojimo ir šaltojo grūdinimo, pasižymintis geru lankstumu ir plastiškumu. Esant vienodoms paviršiaus sąlygoms ir visiškai sukietėjus, jo nuovargio riba atitinka penkių spalvų lydinių spyruoklių nuovargio ribą. Tačiau dėl prasto grūdinamumo jis daugiausia naudojamas mažų matmenų spyruoklėms, tokioms kaip slėgio reguliavimo / greičio reguliavimo spyruoklės, jėgos matavimo spyruoklės, bendrosios mechaninės apskritos / stačiakampės spiralinės spyruoklės arba vieliniu būdu temptos plieninės spyruoklės mažoms mašinoms. Grūdinimo efektas: Paviršiaus kietumas siekia 55–65 HRC, o sukietinto sluoksnio gylis yra 0,2–1,5 mm, pasižymi vienoda martensitine struktūra ir žymiai pagerintu atsparumu dilimui (pvz., 45 plieno dilimo laikas po grūdinimo pailgėja 4–6 kartus). Tinka krumpliaračiams, kaiščiams ir velenų komponentams. Mechanizmas: Pakankamas anglies kiekis sudaro gausų martensitą, kuris greito lazerinio kaitinimo metu visiškai austenitizuojamas ir savaime aušinančio grūdinimo būdu pasiekia visišką fazinę transformaciją.

2. Legiruotasis konstrukcinis plienas (pridėkite Cr, Ni, Mo ir kitų elementų), tipinės medžiagos:

40Cr: (40Cr priskiriamas „legiruotojo konstrukcinio plieno“ kategorijai, kaip apibrėžta GB3077. Šiame pliene yra 0,37–0,44 % anglies, šiek tiek mažiau nei 45 pliene, o Si ir Mn kiekis yra panašus. Jame yra 0,80–1,10 % Cr. Karštojo valcavimo atveju šis 1 % Cr kiekis iš esmės yra neveiksmingas, nes abi rūšys pasižymi panašiomis mechaninėmis savybėmis. Atsižvelgiant į tai, kad 40Cr kainuoja maždaug perpus pigiau nei 45 plienas, ekonominiai sumetimai dažnai lemia, kad, kai įmanoma, naudojamas 45 plienas.)

35CrMo: 35CrMo yra legiruoto konstrukcinio plieno (grūdinto ir atleisto plieno) specifikacijos kodas, atitinkantis Vokietijos standartą 1.7220, Didžiosios Britanijos standartą 708A37, Prancūzijos standartą 35CD4 ir kt., laikantis GB/T 3077-2015. Jo anglies ekvivalentas yra 0,72 %, prastas suvirinamumas reikalauja išankstinio pašildymo priemonių. Šis plienas pasižymi dideliu statiniu stiprumu ir smūginiu atsparumu, tempiamasis stipris ≥ 985 MPa ir takumo riba ≥ 835 MPa, gali atlaikyti ilgalaikę darbinę temperatūrą iki 500 ℃. Jis tinka gaminti didelės apkrovos mechaninius komponentus, tokius kaip pavarų dėžės, alkūniniai velenai, švaistikliai ir garo turbinų velenai valcavimo staklėse.

20CrMnTi: Įanglintas plienas, kurio anglies kiekis yra 0,17–0,24 %, dažniausiai naudojamas automobilių gamyboje transmisijų krumpliaračiams. Vidutinio kietėjimo įanglintas plienas (Cr-Mn-Ti) pasižymi išskirtiniu grūdinamumu, išlaikant didelį smūgio atsparumą žemai temperatūrai. Specialiai sukurtas paviršiniam įanglinimo grūdinimui, šis plienas pasižymi puikiu apdirbamumu, minimalia deformacija ir išskirtiniu atsparumu nuovargiui. Pagrindinės jo taikymo sritys apima velenų komponentų, stūmoklių dalių ir specializuotų automobilių bei orlaivių komponentų gamybą.

Gesinimo efektas: Kietumas gali siekti 60–70 HRC, sukietėjusio sluoksnio gylis – 0,3–2 mm, o legiruoti elementai pagerina grūdinamumą ir atsparumą korozijai (pvz., 35CrMo krumpliaračių nuovargio stipris po grūdinimo padidėja 30 %).

Pastaba: didelis lydinio kiekis gali sumažinti lazerio sugerties greitį, todėl būtina padidinti energijos sugerties efektyvumą juodinimo būdu (pvz., fosfatuojant ir dengiant).

3. Ketaus (pilkasis ketus, kalusis ketus), tipinės medžiagos:

HT300: yra perlito tipo didelio stiprumo pilkasis ketus, įgyvendinantis nacionalinį standartą GB 9439-88, jo pavadinimas „HT“ reiškia pilkąjį ketų, o „300“ rodo, kad minimalus 30 mm skersmens bandymo strypo tempiamasis stipris yra 300 MPa.

QT600-3: QT600-3 yra perlitinis kalusis geležis, pasižyminti vidutinio ir didelio stiprumo, vidutinio tvirtumo ir plastiškumo, didelėmis visapusiškomis eksploatacinėmis savybėmis, geru atsparumu dilimui ir vibracijos slopinimu, geromis liejimo proceso charakteristikomis. Jo savybės gali keistis dėl įvairaus terminio apdorojimo.

Gesinimo efektas: Paviršiaus kietumas gali siekti 45–55 HRC, sukietėjusio sluoksnio gylis – 0,1–0,8 mm, o aplink grafito fazę susidaro martensito ir likusio austenito struktūra, kuri pagerina atsparumą dilimui (pavyzdžiui, staklių kreipiančiosios bėgelio trinties koeficientas po grūdinimo sumažėja 20 %).

II. Spalvotieji metalai ir jų lydiniai (naujos taikymo sritys)

1. Titano lydinys (Ti-6Al-4V ir kt.)

Titano lydinys – tai įvairūs lydiniai, pagaminti iš titano ir kitų metalų. Titanas yra svarbus konstrukcinis metalas, sukurtas šeštajame dešimtmetyje, pasižymintis tvirtumu, atsparumu korozijai ir dideliu atsparumu karščiui.

Kietėjimo charakteristikos: Lazerinis kaitinimas skatina persotinto martensito susidarymą paviršiuje, o kietumas padidėja nuo 300 HV iki 500–600 HV, išlaikant gerą tvirtumą (tinka aviacinių variklių menčių sutvirtinimui).

  Techniniai sunkumai: Titano lydinys pasižymi dideliu lazerio atspindžiu (apie 70 %), todėl reikia naudoti paviršiaus išankstinį apdorojimą (pvz., smėliasrovę) arba ultravioletinį lazerį (bangos ilgis 355 nm, atspindžio koeficientas mažesnis nei 30 %).

2. Aliuminio lydinys (2xxx serija, 7xxx serija)

Tai aliuminio pagrindu pagamintas lydinys, kurio sudėtyje yra tokių papildomų elementų kaip varis, silicis, magnis, cinkas ir manganas. Reguliuojant elementų santykį, jis sudaro 1XXX–8XXX seriją, apimančią pramoninį gryną aliuminį ir aliuminio-vario lydinius. Jo būsenų kodų sistema pagrįsta penkiomis pagrindinėmis būsenomis, įskaitant F (laisvąjį apdirbimą) ir O (atkaitinimą), o išsamūs kodai, tokie kaip T6, leidžia tiksliai kontroliuoti stiprumo ir atsparumo korozijai savybes.

Gesinimo mechanizmas: Kietojo tirpalo stiprinimas pasiekiamas greitai kaitinant lazerį, o metastabili nusodinta fazė susidaro po savaiminio aušinimo (pavyzdžiui, 7075 aliuminio lydinio kietumas po atšaldymo padidėja nuo 150 HV iki 220 HV).

Taikymo apribojimai: Aliuminio lydinys pasižymi dideliu šilumos laidumu (šilumos laidumas yra apie 200 W/m K), didelio galingumo lazeris (≥2 kW) reikalingas šildymo efektyvumui užtikrinti, todėl lengva sukelti šiluminio įtempio deformaciją.

3. Alavo lydiniai (žalvaris, bronza)

Tai lydinys, sudarytas iš gryno vario su vienu ar keliais papildomais elementais. Pritaikymas: atsparių dilimui komponentų (pvz., guolių, vožtuvų) paviršiaus grūdinimas. Po lazerinio grūdinimo paviršius suformuoja nanokristalinę struktūrą, padidindamas kietumą 15–30 %. Tačiau kaitinimo temperatūra turi būti kontroliuojama, kad vario matrica nesuminkštėtų.

III. Specialios funkcinės medžiagos

1. Miltelių metalurgijos medžiagos (pvz., geležies ir vario pagrindo miltelių metalurgijos komponentai) Privalumai: Porėta struktūra gali kaupti tepimo alyvą, o po lazerinio grūdinimo paviršius tampa tankesnis. Kietumas padidėja nuo 20–30 HRC iki 50–55 HRC, todėl jos tinka savaime tepamiems guoliams.

2. Paviršiaus dengimo medžiagos (pvz., terminio purškimo dangos ir apdailos sluoksniai). Tipinis pritaikymas: lazeriu užgrūdinus WC-Co dangas, užpurkštas ant anglinio plieno paviršių, susidaro „martensito matricos + cementuoto karbido fazės“ kompozicinė struktūra, kurios kietumas viršija 1000 HV. Šios medžiagos naudojamos kasybos mašinų dilimui atspariuose komponentuose.

IV. Lazeriniam gesinimui netinkamos medžiagos

Mažo anglies kiekio plienas (anglies kiekis Dėl nepakankamo anglies kiekio martensitinis virsmas yra minimalus, todėl grūdinimo efektai yra prasti (kietumo padidėjimas

Grynas austenitinis nerūdijantis plienas (pvz., 316L): Nepakanka martensitiniam transformavimui. Lazerinis kaitinimas sukelia tik grūdinimą, kurio kietumas padidėja ribotai (maždaug 15–20 %).