Anàlisi dels tipus de materials i les seves característiques adequades per a la tecnologia de refredament làser

I. Materials metàl·lics ferrosos (actualment l'aplicació més comuna)

1. Acer de carboni mitjà i alt (contingut de carboni 0,3% ~ 0,8%), materials típics:

45 d'acer (acer estructural de carboni mitjà d'alta qualitat), designat com a S45C en les normes JIS, ASTM 1045/080M46 i DIN C45, és un acer estructural de carboni premium amb la següent composició química: 0,42-0,50% de carboni (C), 0,17-0,37% de silici (Si), 0,50-0,80% de manganès (Mn) i ≤0,25% de crom (Cr). Aquest material versàtil demostra una excel·lent treballabilitat en fred/calor, propietats mecàniques superiors, rendibilitat i àmplia disponibilitat, cosa que el fa àmpliament utilitzat en aplicacions industrials. Tanmateix, la seva principal limitació rau en la baixa trempabilitat, cosa que el fa inadequat per a la fabricació de components que requereixen grans dimensions de secció transversal o estàndards d'alta precisió.

Acer T8: Un acer per a eines de carboni eutectoide que presenta una alta duresa i resistència al desgast després del tremp i el reveniment, tot i que té limitacions, com ara una baixa trempabilitat en calent, una mala trempabilitat i la susceptibilitat a la deformació per sobreescalfament durant el mecanitzat. Aquest material compleix amb els estàndards de la sèrie GB/T 1298, conté un contingut de carboni entre el 0,75% i el 0,84%, cosa que el fa adequat per a la fabricació de matrius de conformació en fred i eines de tall de formes simples. El procés de tremp requereix refredament per aigua a 780-800 ℃, mentre que el reveniment per sobre de 250 ℃ garanteix l'estabilitat dimensional. Tanmateix, no es recomana per a aplicacions que requereixin resistència a la càrrega d'impacte.

Acer 65Mn: Un producte d'acer per a molles amb alta resistència després del tractament tèrmic i l'enduriment en fred, que ofereix bona flexibilitat i plasticitat. En condicions superficials idèntiques i enduriment complet, el seu límit de fatiga coincideix amb el de les molles d'aliatge de cinc colors. Tanmateix, a causa de la mala trempabilitat, s'utilitza principalment per a molles de mida petita com ara molles d'ajust de pressió/regulació de velocitat, molles de mesura de força, molles helicoïdals circulars/rectangulars mecàniques generals o molles d'acer estirat per a maquinària petita. Efecte d'enduriment: La duresa superficial arriba als 55-65 HRC amb una profunditat de capa endurida de 0,2~1,5 mm, amb una estructura martensítica uniforme i una resistència al desgast significativament millorada (per exemple, la vida útil de l'acer 45 augmenta de 4 a 6 vegades després del refredament). Apte per a engranatges, passadors i components d'eix. Mecanisme: Un contingut de carboni suficient forma abundant martensita, que experimenta una austenitització completa durant l'escalfament ràpid amb làser i aconsegueix una transformació de fase completa mitjançant el refredament per autorefrigeració.

2. Acer estructural d'aliatge (afegiu Cr, Ni, Mo i altres elements), materials típics:

40Cr: (El 40Cr entra dins la categoria d'"acer estructural d'aliatge" tal com es defineix a GB3077. Aquest acer conté entre un 0,37% i un 0,44% de carboni, lleugerament inferior al de l'acer 45, amb un contingut comparable de Si i Mn. Conté entre un 0,80% i un 1,10% de Cr. En aplicacions laminades en calent, aquest contingut de l'1% de Cr és essencialment ineficaç, ja que ambdues qualitats mostren propietats mecàniques similars. Atès que el 40Cr costa aproximadament la meitat que l'acer 45, les consideracions econòmiques sovint condueixen a utilitzar acer 45 quan és possible.

35CrMo: 35CrMo és un codi d'especificació per a l'acer estructural d'aliatge (acer d'aliatge tremp i revenit), corresponent a la norma alemanya 1.7220, la norma britànica 708A37, la norma francesa 35CD4, etc., i compleix amb la norma GB/T 3077-2015. Té un equivalent de carboni del 0,72% i una mala soldabilitat que requereix mesures de preescalfament. Aquest acer presenta una alta resistència estàtica i tenacitat a l'impacte, amb una resistència a la tracció ≥985MPa i un límit elàstic ≥835MPa, capaç de suportar temperatures de funcionament a llarg termini de fins a 500 ℃. És adequat per a la fabricació de components mecànics d'alta càrrega com ara caixes de canvis, cigonyals, bieles i eixos de turbines de vapor en laminadors.

20CrMnTi: Un acer carburitzat amb un contingut de carboni del 0,17%-0,24%, que s'utilitza habitualment en la fabricació d'automòbils per a engranatges de transmissió. Com a acer carburitzat d'enduriment mitjà (Cr-Mn-Ti), demostra una templabilitat excepcional alhora que manté una alta tenacitat a l'impacte a baixa temperatura. Dissenyat específicament per a l'enduriment per carburació superficial, aquest acer presenta una excel·lent maquinabilitat amb una mínima deformació i una resistència a la fatiga excepcional. Les seves aplicacions principals inclouen la fabricació de components d'eixos, peces de pistons i components especialitzats per a automòbils i avions.

Efecte d'extinció: La duresa pot arribar a 60~70 HRC, la profunditat de la capa endurida de 0,3~2 mm, els elements d'aliatge milloren la trempabilitat i la resistència a la corrosió (com ara l'engranatge 35CrMo després del refredament la resistència a la fatiga augmenta en un 30%).

Nota: L'alt contingut d'aliatge pot reduir la taxa d'absorció del làser, per la qual cosa cal millorar l'eficiència d'absorció d'energia mitjançant un tractament d'ennegriment (com ara fosfatació i recobriment).

3. Ferro colat (ferro colat gris, ferro colat dúctil), materials típics:

HT300: és un tipus de perlita de ferro colat gris d'alta resistència, implementa la norma nacional GB 9439-88, el seu nom "HT" representa el ferro colat gris, "300" indica que la resistència mínima a la tracció d'una vareta de prova de 30 mm de diàmetre és de 300 MPa.

QT600-3: El QT600-3 és un ferro dúctil de cos perlític, amb resistència mitjana i alta, tenacitat i plasticitat mitjanes, alt rendiment integral, bona resistència al desgast i amortiment de vibracions, bones característiques del procés de fosa. Pot canviar les seves propietats mitjançant diversos tractaments tèrmics.

Efecte d'extinció: La duresa superficial pot arribar als 45~55 HRC, la profunditat de la capa endurida és de 0,1~0,8 mm i l'estructura de martensita + austenita residual es forma al voltant de la fase de grafit, cosa que millora la capacitat anti-esmolat (per exemple, el coeficient de fricció del carril guia de la màquina-eina després del refredament es redueix en un 20%).

II. Metalls no ferrosos i els seus aliatges (camps d'aplicació emergents)

1. Aliatge de titani (Ti-6Al-4V, etc.)

L'aliatge de titani fa referència a una varietat d'aliatges fets amb titani i altres metalls. El titani és un metall estructural important desenvolupat a la dècada de 1950, la força de l'aliatge de titani, la resistència a la corrosió i l'alta resistència a la calor.

Característiques d'enduriment: L'escalfament amb làser promou la formació de martensita sobresaturada a la superfície i la duresa augmenta de 300 HV a 500~600 HV, tot mantenint una bona tenacitat (adequada per al reforç de les pales dels motors aeronàutics).

  Dificultat tècnica: L'aliatge de titani té una alta reflectivitat làser (aproximadament un 70%), per la qual cosa s'ha d'utilitzar un pretractament superficial (com ara sorrejat) o làser ultraviolat (longitud d'ona de 355 nm, reflectivitat inferior al 30%).

2. Aliatge d'alumini (sèrie 2xxx, sèrie 7xxx)

Aquest és un material d'aliatge a base d'alumini que conté elements afegits com ara coure, silici, magnesi, zinc i manganès. Mitjançant ajustaments de la relació d'elements, forma la sèrie 1XXX a 8XXX que cobreix l'alumini pur industrial i els aliatges d'alumini-coure. El seu sistema de codis d'estat es basa en cinc estats fonamentals, incloent F (mecanitzat lliure) i O (recuit), amb codis detallats com T6 que permeten un control precís de les propietats de resistència a la resistència a la corrosió.

Mecanisme d'extinció: L'enfortiment de la solució sòlida s'aconsegueix mitjançant un escalfament ràpid del làser, i la fase precipitada metaestable es forma després de l'auto-refredament (per exemple, la duresa de l'aliatge d'alumini 7075 augmenta de 150 HV a 220 HV després del refredament).

Limitacions de l'aplicació: L'aliatge d'alumini té una forta conductivitat tèrmica (la conductivitat tèrmica és d'uns 200 W/m K), es requereix un làser d'alta potència (≥2 kW) per garantir l'eficiència de calefacció i és fàcil produir deformació per tensió tèrmica.

3. Aliatges d'estany (llautó, bronze)

Aquest és un aliatge compost de coure pur amb un o més elements addicionals. Aplicacions: Enduriment superficial de components resistents al desgast (per exemple, coixinets, vàlvules). Després del tremp làser, la superfície forma una estructura nanocristal·lina, augmentant la duresa entre un 15% i un 30%. Tanmateix, cal controlar la temperatura d'escalfament per evitar que la matriu de coure s'estova.

III. Materials funcionals especials

1. Materials de pulverismetal·lúrgica (per exemple, components pulverismetal·lúrgics a base de ferro i coure) Avantatges: L'estructura porosa pot emmagatzemar oli lubricant, i la superfície es torna més densa després del tremp làser. La duresa augmenta de 20-30 HRC a 50-55 HRC, cosa que els fa adequats per a coixinets autolubricants.

2. Materials de recobriment superficial (per exemple, recobriments per polvorització tèrmica i capes de revestiment) Aplicacions típiques: Després del refredament làser dels recobriments de WC-Co polvoritzats sobre superfícies d'acer al carboni, es forma una estructura composta de "matriu de martensita + fase de carbur cimentat", que aconsegueix una duresa superior a 1000 HV. Aquests materials s'utilitzen en components resistents al desgast de la maquinària minera.

IV. Materials no aptes per al tremp làser

Acer baix en carboni (contingut de carboni A causa d'un contingut insuficient de carboni, la transformació martensítica és mínima, cosa que resulta en uns efectes d'enduriment deficients (augment de la duresa

Acer inoxidable austenític pur (per exemple, 316L): Manca de capacitat de transformació martensítica. L'escalfament amb làser només provoca enduriment per deformació amb una millora limitada de la duresa (aproximadament del 15% al ​​20%).