Analýza typov a charakteristík materiálov vhodných pre technológiu laserového kalenia

I. Materiály zo železných kovov (v súčasnosti najbežnejšia aplikácia)

1. Oceľ so stredným a vysokým obsahom uhlíka (obsah uhlíka 0,3 % ~ 0,8 %), typické materiály:

45 oceľ (vysokokvalitná stredne uhlíková konštrukčná oceľ), označená ako S45C v normách JIS, ASTM 1045/080M46 a DIN C45, je prémiová uhlíková konštrukčná oceľ s nasledujúcim chemickým zložením: 0,42 – 0,50 % uhlíka (C), 0,17 – 0,37 % kremíka (Si), 0,50 – 0,80 % mangánu (Mn) a ≤ 0,25 % chrómu (Cr). Tento všestranný materiál vykazuje vynikajúcu spracovateľnosť za studena aj za tepla, vynikajúce mechanické vlastnosti, nákladovú efektívnosť a širokú dostupnosť, vďaka čomu sa hojne používa v priemyselných aplikáciách. Jeho hlavným obmedzením však je nízka kaliteľnosť, vďaka čomu je nevhodný na výrobu súčiastok vyžadujúcich veľké prierezové rozmery alebo vysoké štandardy presnosti.

Oceľ T8: Eutektoidná uhlíková nástrojová oceľ, ktorá po kalení a popúšťaní vykazuje vysokú tvrdosť a odolnosť proti opotrebovaniu, hoci má svoje obmedzenia vrátane nízkej kaliteľnosti za tepla, zlej kaliteľnosti a náchylnosti na deformáciu prehriatím počas obrábania. Tento materiál spĺňa normy série GB/T 1298 a obsahuje uhlík medzi 0,75 % a 0,84 %, vďaka čomu je vhodný na výrobu jednoduchých tvarovaných nástrojov na tvárnenie za studena a rezných nástrojov. Proces kalenia vyžaduje chladenie vodou pri teplote 780 – 800 ℃ °C, zatiaľ čo popúšťanie nad 250 ℃ °C zaisťuje rozmerovú stabilitu. Neodporúča sa však pre aplikácie vyžadujúce odolnosť voči rázovému zaťaženiu.

Oceľ 65Mn: Výrobok z pružinovej ocele s vysokou pevnosťou po tepelnom spracovaní a kalení ťahaním za studena, ktorý ponúka dobrú flexibilitu a plasticitu. Za rovnakých povrchových podmienok a úplného kalenia sa jeho medza únavy zhoduje s medzou únavy pružín z päťfarebných zliatin. Vzhľadom na nízku kaliteľnosť sa však používa hlavne pre malé pružiny, ako sú pružiny na nastavenie tlaku/reguláciu rýchlosti, pružiny na meranie sily, všeobecné mechanické kruhové/obdĺžnikové špirálové pružiny alebo drôtom ťahané oceľové pružiny pre malé stroje. Účinok kalenia: Povrchová tvrdosť dosahuje 55-65 HRC s hĺbkou kalené vrstvy 0,2~1,5 mm, vyznačuje sa rovnomernou martenzitickou štruktúrou a výrazne zlepšenou odolnosťou proti opotrebeniu (napr. životnosť ocele 45 sa po kalení zvyšuje 4-6-krát). Vhodný pre ozubené kolesá, čapy a hriadeľové komponenty. Mechanizmus: Dostatočný obsah uhlíka vytvára hojný martenzit, ktorý počas rýchleho laserového ohrevu prechádza úplnou austenitizáciou a dosahuje úplnú fázovú transformáciu prostredníctvom samochladiaceho kalenia.

2. Legovaná konštrukčná oceľ (s pridaním Cr, Ni, Mo a ďalších prvkov), typické materiály:

40Cr: (40Cr patrí do kategórie „legovaná konštrukčná oceľ“ podľa definície v GB3077. Táto oceľ obsahuje 0,37 % – 0,44 % uhlíka, čo je o niečo menej ako oceľ 45, s porovnateľným obsahom Si a Mn. Obsahuje 0,80 % – 1,10 % Cr. Pri valcovaní za tepla je tento 1 % obsah Cr v podstate neúčinný, pretože obe triedy vykazujú podobné mechanické vlastnosti. Vzhľadom na to, že 40Cr stojí približne polovicu ceny ocele 45, ekonomické úvahy často vedú k použitiu ocele 45, ak je to možné.

35CrMo: 35CrMo je špecifikačný kód pre legovanú konštrukčnú oceľ (legovaná kalená a popúšťaná oceľ), zodpovedajúci nemeckej norme 1.7220, britskej norme 708A37, francúzskej norme 35CD4 atď., v súlade s normou GB/T 3077-2015. Má uhlíkový ekvivalent 0,72 %, slabú zvariteľnosť, ktorá vyžaduje predhrievanie. Táto oceľ vykazuje vysokú statickú pevnosť a rázovú húževnatosť s pevnosťou v ťahu ≥985 MPa a medzou klzu ≥835 MPa, schopnú odolávať dlhodobým prevádzkovým teplotám až do 500 ℃. Je vhodná na výrobu vysoko zaťažených mechanických komponentov, ako sú prevodovky, kľukové hriadele, ojnice a vretená parných turbín vo valcovacích stoliciach.

20CrMnTi: Cementovaná oceľ s obsahom uhlíka 0,17 % – 0,24 %, bežne používaná v automobilovom priemysle na prevodové ozubené kolesá. Ako stredne tvrdnúca cementovaná oceľ (Cr-Mn-Ti) vykazuje výnimočnú kaliteľnosť a zároveň si zachováva vysokú rázovú húževnatosť pri nízkych teplotách. Táto oceľ, špeciálne navrhnutá pre povrchové cementačné kalenie, vykazuje vynikajúcu obrobiteľnosť s minimálnou deformáciou a vynikajúcou odolnosťou proti únave. Medzi jej hlavné aplikácie patrí výroba hriadeľových komponentov, piestnych dielov a špecializovaných komponentov pre automobily a lietadlá.

Zhášací účinok: Tvrdosť môže dosiahnuť 60 ~ 70 HRC, hĺbka kalenej vrstvy 0,3 ~ 2 mm, legujúce prvky zlepšujú kaliteľnosť a odolnosť proti korózii (napríklad ozubené koleso 35CrMo po kalení má zvýšenú únavovú pevnosť o 30 %).

Poznámka: Vysoký obsah zliatin môže znížiť mieru absorpcie laseru, preto je potrebné zvýšiť účinnosť absorpcie energie pomocou čiernenia (napríklad fosfátovania a povlakovania).

3. Liatina (sivá liatina, tvárna liatina), typické materiály:

HT300: je perlitový typ vysokopevnostnej sivej liatiny, ktorý zodpovedá národnej norme GB 9439-88. Jeho názov „HT“ predstavuje sivú liatinu. „300“ označuje, že minimálna pevnosť v ťahu skúšobnej tyče s priemerom 30 mm je 300 MPa.

QT600-3: QT600-3 je tvárna liatina s perlitickým telesom, so strednou a vysokou pevnosťou, strednou húževnatosťou a plasticitou, vysokým komplexným výkonom, dobrou odolnosťou proti opotrebovaniu a tlmením vibrácií, dobrými vlastnosťami pri odlievaní. Jej vlastnosti sa môžu meniť rôznymi tepelnými spracovaniami.

Zhášací účinok: Tvrdosť povrchu môže dosiahnuť 45 ~ 55 HRC, hĺbka kalenej vrstvy 0,1 ~ 0,8 mm a okolo grafitovej fázy sa vytvára štruktúra martenzitu + zvyškového austenitu, čo zvyšuje schopnosť proti brúseniu (napríklad koeficient trenia vodiacej lišty obrábacieho stroja po kalení sa znižuje o 20%).

II. Neželezné kovy a ich zliatiny (vznikajúce oblasti použitia)

1. Titánová zliatina (Ti-6Al-4V atď.)

Titánová zliatina označuje rôzne zliatiny vyrobené z titánu a iných kovov. Titán je dôležitý konštrukčný kov vyvinutý v 50. rokoch 20. storočia, zliatina titánu sa vyznačuje pevnosťou, odolnosťou proti korózii a vysokou tepelnou odolnosťou.

Charakteristiky kalenia: Laserové zahrievanie podporuje tvorbu presýteného martenzitu na povrchu a tvrdosť sa zvyšuje z 300 HV na 500 ~ 600 HV, pričom sa zachováva dobrá húževnatosť (vhodné na vystuženie lopatiek leteckých motorov).

  Technická náročnosť: Titánová zliatina má vysokú laserovú odrazivosť (približne 70 %), preto by sa mala použiť predúprava povrchu (napríklad pieskovanie) alebo ultrafialový laser (vlnová dĺžka 355 nm, odrazivosť pod 30 %).

2. Hliníková zliatina (séria 2xxx, séria 7xxx)

Ide o zliatinový materiál na báze hliníka, ktorý obsahuje pridané prvky, ako je meď, kremík, horčík, zinok a mangán. Prostredníctvom úpravy pomeru prvkov tvorí sériu 1XXX až 8XXX, ktorá zahŕňa priemyselný čistý hliník a zliatiny hliníka a medi. Jeho systém kódovania skupín je založený na piatich základných skupenstvách vrátane F (voľné obrábanie) a O (žíhanie), s podrobnými kódmi, ako napríklad T6, ktoré umožňujú presnú kontrolu pevnostných a odolných vlastností proti korózii.

Mechanizmus kalenia: Spevnenie tuhého roztoku sa dosiahne rýchlym ohrevom laserom a metastabilná precipitovaná fáza sa vytvorí po samovoľnom ochladení (napríklad tvrdosť hliníkovej zliatiny 7075 sa po kalení zvýši zo 150 HV na 220 HV).

Obmedzenia aplikácie: Hliníková zliatina má silnú tepelnú vodivosť (tepelná vodivosť je približne 200 W/m K), na zabezpečenie účinnosti ohrevu je potrebný vysokovýkonný laser (≥2 kW) a je ľahké vytvoriť tepelnú deformáciu.

3. Zliatiny cínu (mosadz, bronz)

Ide o zliatinu zloženú z čistej medi s jedným alebo viacerými ďalšími prvkami. Použitie: Povrchové kalenie opotrebovaniu odolných komponentov (napr. ložísk, ventilov). Po laserovom kalení povrch tvorí nanokryštalickú štruktúru, čím sa zvyšuje tvrdosť o 15 % až 30 %. Teplota ohrevu sa však musí kontrolovať, aby sa zabránilo zmäknutiu medenej matrice.

III. Špeciálne funkčné materiály

1. Materiály práškovej metalurgie (napr. komponenty práškovej metalurgie na báze železa a medi) Výhody: Pórovitá štruktúra dokáže uchovávať mazací olej, pričom povrch sa po laserovom kalení stáva hustejším. Tvrdosť sa zvyšuje z 20 – 30 HRC na 50 – 55 HRC, vďaka čomu sú vhodné pre samomazné ložiská.

2. Materiály na povrchové úpravy (napr. tepelne striekané nátery a plátovacie vrstvy) Typické aplikácie: Po laserovom kalení náterov WC-Co nastriekaných na povrchy z uhlíkovej ocele sa vytvorí kompozitná štruktúra „martenzitická matrica + fáza spekaného karbidu“, ktorá dosahuje tvrdosť presahujúcu 1000 HV. Tieto materiály sa používajú v opotrebovaniu odolných komponentoch banských strojov.

IV. Materiály nevhodné na laserové kalenie

Nízkouhlíková oceľ (obsah uhlíka Kvôli nedostatočnému obsahu uhlíka je martenzitická transformácia minimálna, čo má za následok slabé kalenie (zvýšenie tvrdosti

Čistá austenitická nehrdzavejúca oceľ (napr. 316L): Chýba schopnosť martenzitickej transformácie. Laserový ohrev spôsobuje iba spevnenie materiálu s obmedzeným zlepšením tvrdosti (približne 15 % – 20 %).