Analyse van materiaalsoorten en -eigenschappen die geschikt zijn voor laserhardingstechnologie.

I. Ferrometalen materialen (momenteel de meest gangbare toepassing)

1. Middel- en hoogkoolstofstaal (koolstofgehalte 0,3%~0,8%), typische materialen:

45 staal (Hoogwaardig middelmatig koolstofconstructiestaal), aangeduid als S45C in JIS-normen, ASTM 1045/080M46 en DIN C45, is een premium koolstofconstructiestaal met de volgende chemische samenstelling: 0,42-0,50% koolstof (C), 0,17-0,37% silicium (Si), 0,50-0,80% mangaan (Mn) en ≤0,25% chroom (Cr). Dit veelzijdige materiaal kenmerkt zich door uitstekende koud- en warmverwerkbaarheid, superieure mechanische eigenschappen, kosteneffectiviteit en brede beschikbaarheid, waardoor het veelvuldig wordt gebruikt in industriële toepassingen. De belangrijkste beperking is echter de lage hardbaarheid, waardoor het ongeschikt is voor de productie van componenten met grote doorsneden of hoge precisie-eisen.

T8-staal: Dit eutectoïde koolstofgereedschapsstaal vertoont een hoge hardheid en slijtvastheid na afschrikken en temperen, hoewel het beperkingen heeft zoals een lage warmhardbaarheid, slechte hardbaarheid en gevoeligheid voor oververhittingsvervorming tijdens bewerking. Dit materiaal voldoet aan de GB/T 1298-normenreeks en heeft een koolstofgehalte tussen 0,75% en 0,84%, waardoor het geschikt is voor de productie van eenvoudig gevormde koudvormmatrijzen en snijgereedschappen. Het afschrikproces vereist waterkoeling bij 780-800 °C, terwijl temperen boven 250 °C de dimensionale stabiliteit garandeert. Het wordt echter niet aanbevolen voor toepassingen die stootbelastingsweerstand vereisen.

65Mn-staal: Een verenstaalproduct met een hoge sterkte na warmtebehandeling en koudtrekken, dat goede flexibiliteit en plasticiteit biedt. Onder identieke oppervlaktecondities en volledige harding komt de vermoeiingsgrens overeen met die van vijfkleurige legeringsveren. Vanwege de geringe hardbaarheid wordt het echter voornamelijk gebruikt voor kleine veren, zoals drukregel-/snelheidsregelveren, krachtmeetveren, algemene mechanische ronde/rechthoekige spiraalveren of draadgetrokken stalen veren voor kleine machines. Hardingseffect: De oppervlaktehardheid bereikt 55-65 HRC met een hardingslaagdikte van 0,2-1,5 mm, met een uniforme martensitische structuur en een aanzienlijk verbeterde slijtvastheid (bijvoorbeeld de slijtvastheid van 45-staal neemt 4-6 keer toe na afschrikken). Geschikt voor tandwielen, pinnen en ascomponenten. Mechanisme: Voldoende koolstofgehalte vormt overvloedig martensiet, dat tijdens snelle laserverwarming een volledige austenitisatie ondergaat en een volledige faseomzetting bereikt door zelfkoeling.

2. Gelegeerd constructiestaal (toevoeging van Cr, Ni, Mo en andere elementen), typische materialen:

40Cr: (40Cr valt onder de categorie "gelegeerd constructiestaal" zoals gedefinieerd in GB3077. Dit staal bevat 0,37%-0,44% koolstof, iets minder dan 45-staal, met een vergelijkbaar Si- en Mn-gehalte. Het bevat 0,80%-1,10% Cr. Bij warmgewalste toepassingen is dit 1% Cr-gehalte in wezen niet van belang, aangezien beide kwaliteiten vergelijkbare mechanische eigenschappen vertonen. Gezien het feit dat 40Cr ongeveer de helft kost van 45-staal, wordt er om economische redenen vaak voor 45-staal gekozen wanneer dat mogelijk is.)

35CrMo: 35CrMo is een specificatiecode voor gelegeerd constructiestaal (gehard en getemperd gelegeerd staal), overeenkomend met de Duitse norm 1.7220, de Britse norm 708A37, de Franse norm 35CD4, enz., en voldoet aan GB/T 3077-2015. Het heeft een koolstofequivalent van 0,72% en een slechte lasbaarheid, waardoor voorverwarming noodzakelijk is. Dit staal vertoont een hoge statische sterkte en slagvastheid, met een treksterkte van ≥985 MPa en een vloeigrens van ≥835 MPa, en is bestand tegen langdurige bedrijfstemperaturen tot 500 °C. Het is geschikt voor de productie van zwaarbelaste mechanische componenten zoals versnellingsbakken, krukassen, drijfstangen en stoomturbinespindels in walserijen.

20CrMnTi: Een gecarburiseerd staal met een koolstofgehalte van 0,17%-0,24%, dat veelvuldig wordt gebruikt in de automobielindustrie voor transmissietandwielen. Als een middelhardend gecarburiseerd staal (Cr-Mn-Ti) vertoont het een uitzonderlijke hardbaarheid met behoud van een hoge slagvastheid bij lage temperaturen. Dit staal is specifiek ontwikkeld voor oppervlakteharding door carburisatie en heeft een uitstekende bewerkbaarheid met minimale vervorming en een uitstekende vermoeiingsweerstand. De belangrijkste toepassingen zijn onder andere de productie van ascomponenten, zuigeronderdelen en gespecialiseerde componenten voor auto's en vliegtuigen.

Blus-effect: De hardheid kan 60-70 HRC bereiken, de hardingslaag heeft een dikte van 0,3-2 mm, en legeringselementen verbeteren de hardbaarheid en corrosiebestendigheid (zo is de vermoeiingssterkte van een 35CrMo-tandwiel na afschrikken met 30% toegenomen).

Let op: het hoge legeringsgehalte kan de laserabsorptiesnelheid verlagen. Daarom is het noodzakelijk om de energieabsorptie-efficiëntie te verbeteren door middel van een zwartingsbehandeling (zoals fosfatering en coating).

3. Gietijzer (grijs gietijzer, nodulair gietijzer), typische materialen:

HT300: Het betreft een perlietachtig, zeer sterk grijs gietijzer, dat voldoet aan de nationale norm GB 9439-88. De aanduiding "HT" staat voor grijs gietijzer en "300" geeft aan dat de minimale treksterkte van een teststaaf met een diameter van 30 mm 300 MPa bedraagt.

QT600-3: QT600-3 is een perlietisch, nodulair gietijzer met een gemiddelde tot hoge sterkte, gemiddelde taaiheid en plasticiteit, hoge algehele prestaties, goede slijtvastheid en trillingsdemping, en goede gietproceseigenschappen. De eigenschappen kunnen worden gewijzigd door verschillende warmtebehandelingen.

Blus-effect: De oppervlaktehardheid kan 45 tot 55 HRC bereiken, de hardingslaag heeft een dikte van 0,1 tot 0,8 mm, en rond de grafietfase wordt een martensiet + rest-austenietstructuur gevormd, wat het vermogen tot slijtvastheid verbetert (zo wordt bijvoorbeeld de wrijvingscoëfficiënt van de geleiderail van een werktuigmachine na afschrikken met 20% verlaagd).

II. Non-ferrometalen en hun legeringen (opkomende toepassingsgebieden)

1. Titaniumlegering (Ti-6Al-4V, enz.)

Titaniumlegeringen verwijzen naar verschillende legeringen die gemaakt zijn van titanium en andere metalen. Titanium is een belangrijk constructiemetaal dat in de jaren 50 is ontwikkeld en bekend staat om zijn sterkte, corrosiebestendigheid en hoge hittebestendigheid.

Verhardingseigenschappen: De laserverwarming bevordert de vorming van oververzadigd martensiet aan het oppervlak, waardoor de hardheid toeneemt van 300 HV tot 500-600 HV, met behoud van een goede taaiheid (geschikt voor versterking van vliegtuigmotorbladen).

  Technische moeilijkheid: Titaniumlegeringen hebben een hoge laserreflectie (ongeveer 70%), daarom is voorbehandeling van het oppervlak (zoals zandstralen) of een ultraviolette laser (golflengte 355 nm, reflectie lager dan 30%) aan te raden.

2. Aluminiumlegering (2xxx-serie, 7xxx-serie)

Dit is een legering op basis van aluminium waaraan elementen zoals koper, silicium, magnesium, zink en mangaan zijn toegevoegd. Door aanpassingen in de elementverhoudingen ontstaat de 1XXX tot 8XXX-serie, die industrieel zuiver aluminium en aluminium-koperlegeringen omvat. Het coderingssysteem is gebaseerd op vijf fundamentele toestanden, waaronder F (vrij verspanen) en O (gloeien), met gedetailleerde codes zoals T6 die een nauwkeurige controle van de sterkte en corrosiebestendigheid mogelijk maken.

Blusmechanisme: De versterking door vaste oplossingen wordt bereikt door snelle verhitting met een laser, en de metastabiele neerslagfase wordt gevormd na zelfkoeling (bijvoorbeeld, de hardheid van de 7075 aluminiumlegering neemt toe van 150 HV tot 220 HV na afschrikken).

Toepassingsbeperkingen: Aluminiumlegeringen hebben een hoge thermische geleidbaarheid (ongeveer 200 W/m K), waardoor een laser met hoog vermogen (≥2 kW) nodig is voor een efficiënte verwarming. Bovendien is de legering gevoelig voor vervorming door thermische spanning.

3. Tinlegeringen (messing, brons)

Dit is een legering bestaande uit zuiver koper met een of meer extra elementen. Toepassingen: Oppervlakteharding van slijtvaste componenten (bijv. lagers, kleppen). Na laserharding vormt het oppervlak een nanokristallijne structuur, waardoor de hardheid met 15% tot 30% toeneemt. De verwarmingstemperatuur moet echter gecontroleerd worden om te voorkomen dat de kopermatrix zachter wordt.

III. Speciale functionele materialen

1. Materialen vervaardigd met poedermetallurgie (bijv. ijzer- en koperhoudende poedermetallurgische componenten) Voordelen: De poreuze structuur kan smeerolie opslaan, waarbij het oppervlak na laserharding dichter wordt. De hardheid neemt toe van 20-30 HRC tot 50-55 HRC, waardoor ze geschikt zijn voor zelfsmurende lagers.

2. Oppervlaktecoatingmaterialen (bijv. thermisch gespoten coatings en bekledingslagen) Typische toepassingen: Na laserharding van WC-Co-coatings die op koolstofstalen oppervlakken zijn gespoten, ontstaat een composietstructuur van "martensietmatrix + gecementeerde carbidefase", waarmee een hardheid van meer dan 1000 HV wordt bereikt. Deze materialen worden gebruikt in slijtvaste onderdelen van mijnbouwmachines.

IV. Materialen die ongeschikt zijn voor laserblussing

Koolstofarm staal (koolstofgehalte Door het onvoldoende koolstofgehalte is de martensitische transformatie minimaal, wat resulteert in een gering hardingseffect (hardheidsverhoging

Zuiver austenitisch roestvrij staal (bijv. 316L): Mist het vermogen tot martensitische transformatie. Laserverwarming veroorzaakt alleen werkverharding met een beperkte verbetering van de hardheid (ongeveer 15% -20%).