تجزیه و تحلیل انواع و ویژگی‌های مواد مناسب برای فناوری کوئنچ لیزری

I. مواد فلزی آهنی (در حال حاضر رایج‌ترین کاربرد)

۱. فولاد کربن متوسط ​​و بالا (محتوای کربن ۰.۳٪ تا ۰.۸٪)، مواد معمول:

فولاد ۴۵ (فولاد ساختاری با کربن متوسط ​​با کیفیت بالا) که در استانداردهای JIS، ASTM 1045/080M46 و DIN C45 با عنوان S45C شناخته می‌شود، یک فولاد ساختاری کربنی ممتاز با ترکیب شیمیایی زیر است: 0.42-0.50% کربن (C)، 0.17-0.37% سیلیکون (Si)، 0.50-0.80% منگنز (Mn) و ≤0.25% کروم (Cr). این ماده همه کاره، قابلیت کار سرد/گرم عالی، خواص مکانیکی برتر، مقرون به صرفه بودن و دسترسی گسترده را نشان می‌دهد و آن را به طور گسترده در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌دهد. با این حال، محدودیت اصلی آن در سختی‌پذیری پایین است که آن را برای ساخت قطعاتی که نیاز به ابعاد مقطع بزرگ یا استانداردهای دقت بالا دارند، نامناسب می‌کند.

فولاد T8: یک فولاد ابزار کربنی یوتکتوئیدی که پس از کوئنچ و تمپر کردن، سختی و مقاومت سایشی بالایی از خود نشان می‌دهد، اگرچه محدودیت‌هایی از جمله سختی‌پذیری پایین در دمای بالا، سختی‌پذیری ضعیف و حساسیت به تغییر شکل ناشی از حرارت بیش از حد در حین ماشینکاری دارد. این ماده با استانداردهای سری GB/T 1298 مطابقت دارد و حاوی محتوای کربن بین 0.75٪ تا 0.84٪ است که آن را برای ساخت قالب‌های شکل‌دهی سرد با شکل ساده و ابزارهای برش مناسب می‌کند. فرآیند کوئنچ نیاز به خنک‌کاری با آب در دمای 780-800 درجه سانتیگراد دارد، در حالی که تمپر کردن بالاتر از 250 درجه سانتیگراد ثبات ابعادی را تضمین می‌کند. با این حال، برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر بار ضربه‌ای دارند، توصیه نمی‌شود.

فولاد ۶۵ میلیونی: یک محصول فولادی فنری با استحکام بالا پس از عملیات حرارتی و سخت‌کاری کششی سرد، که انعطاف‌پذیری و انعطاف‌پذیری خوبی را ارائه می‌دهد. در شرایط سطحی یکسان و سخت‌کاری کامل، حد خستگی آن با حد خستگی فنرهای آلیاژی پنج رنگ مطابقت دارد. با این حال، به دلیل سختی‌پذیری ضعیف، عمدتاً برای فنرهای کوچک مانند فنرهای تنظیم فشار/تنظیم سرعت، فنرهای اندازه‌گیری نیرو، فنرهای مارپیچ دایره‌ای/مستطیلی مکانیکی عمومی یا فنرهای فولادی سیم‌کشی شده برای ماشین‌آلات کوچک استفاده می‌شود. اثر سخت‌کاری: سختی سطح به 55-65 HRC با عمق لایه سخت‌شده 0.2 تا 1.5 میلی‌متر می‌رسد، که دارای ساختار مارتنزیتی یکنواخت و مقاومت به سایش قابل توجهی بهبود یافته است (به عنوان مثال، عمر سایش فولاد 45 پس از کوئنچ 4-6 برابر افزایش می‌یابد). مناسب برای چرخ‌دنده‌ها، پین‌ها و اجزای شفت. مکانیسم: محتوای کربن کافی، مارتنزیت فراوانی را تشکیل می‌دهد که در طول گرمایش سریع لیزری، آستنیتیزاسیون کامل را تجربه می‌کند و از طریق کوئنچ خودخنک‌کننده به تبدیل فاز کامل دست می‌یابد.

۲. فولاد آلیاژی سازه‌ای (افزودن کروم، نیکل، مولیبدن و سایر عناصر)، مواد معمول:

40Cr: (فولاد 40Cr طبق تعریف GB3077 در دسته "فولاد سازه‌ای آلیاژی" قرار می‌گیرد. این فولاد حاوی 0.37٪ -0.44٪ کربن است که کمی کمتر از فولاد 45 است و محتوای Si و Mn آن قابل مقایسه است. این فولاد حاوی 0.80٪ -1.10٪ کروم است. در کاربردهای نورد گرم، این مقدار 1٪ کروم اساساً بی‌اثر است، زیرا هر دو گرید خواص مکانیکی مشابهی را نشان می‌دهند. با توجه به اینکه 40Cr تقریباً نصف فولاد 45 قیمت دارد، ملاحظات اقتصادی اغلب منجر به استفاده از فولاد 45 در صورت امکان می‌شود.

35CrMo: 35CrMo یک کد مشخصات برای فولاد سازه‌ای آلیاژی (فولاد آلیاژی کوئنچ و تمپر شده) است که مطابق با استاندارد آلمانی 1.7220، استاندارد بریتانیایی 708A37، استاندارد فرانسوی 35CD4 و غیره، مطابق با GB/T 3077-2015 می‌باشد. این فولاد دارای معادل کربن 0.72٪، جوش‌پذیری ضعیف و نیازمند اقدامات پیش‌گرمایش است. این فولاد استحکام استاتیکی و چقرمگی ضربه بالایی با استحکام کششی ≥985MPa و استحکام تسلیم ≥835MPa از خود نشان می‌دهد و قادر به تحمل دمای عملیاتی طولانی مدت تا 500℃ است. این فولاد برای ساخت قطعات مکانیکی تحت بار بالا مانند گیربکس، میل لنگ، شاتون و اسپیندل توربین بخار در کارخانه‌های نورد مناسب است.

20CrMnTi: فولادی کربوره شده با محتوای کربن 0.17%-0.24% که معمولاً در ساخت خودرو برای چرخ دنده‌های گیربکس استفاده می‌شود. به عنوان یک فولاد کربوره شده با سختی متوسط ​​(Cr-Mn-Ti)، سختی‌پذیری فوق‌العاده‌ای را نشان می‌دهد و در عین حال چقرمگی ضربه‌ای بالایی را در دمای پایین حفظ می‌کند. این فولاد که به طور خاص برای سخت‌کاری سطحی کربوره شده مهندسی شده است، قابلیت ماشینکاری عالی با حداقل تغییر شکل و مقاومت خستگی برجسته را نشان می‌دهد. کاربردهای اصلی آن شامل ساخت اجزای شفت، قطعات پیستون و اجزای تخصصی برای خودروها و هواپیماها است.

اثر خاموش کننده: سختی می‌تواند به 60 تا 70 راکول برسد، عمق لایه سخت‌شده 0.3 تا 2 میلی‌متر است، عناصر آلیاژی سختی‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشند (مانند چرخ‌دنده 35CrMo پس از کوئنچ، استحکام خستگی 30٪ افزایش می‌یابد).

توجه: محتوای بالای آلیاژ ممکن است میزان جذب لیزر را کاهش دهد، بنابراین لازم است راندمان جذب انرژی از طریق عملیات سیاه‌کاری (مانند فسفاته کردن و پوشش‌دهی) افزایش یابد.

۳. چدن (چدن خاکستری، چدن داکتیل)، مواد معمول:

اچ‌تی۳۰۰: نوعی چدن خاکستری با استحکام بالا از نوع پرلیت است که مطابق با استاندارد ملی GB 9439-88 می‌باشد. نام آن "HT" نشان‌دهنده چدن خاکستری است و "300" نشان می‌دهد که حداقل استحکام کششی یک میله آزمایش با قطر 30 میلی‌متر، 300 مگاپاسکال است.

QT600-3: QT600-3 چدن داکتیل با بدنه پرلیتی، با استحکام متوسط ​​و بالا، چقرمگی و شکل‌پذیری متوسط، عملکرد جامع بالا، مقاومت سایشی و میرایی ارتعاش خوب، ویژگی‌های فرآیند ریخته‌گری خوب است. این چدن می‌تواند خواص خود را از طریق عملیات حرارتی مختلف تغییر دهد.

اثر خاموش کننده: سختی سطح می‌تواند به ۴۵ تا ۵۵ راکول آر سی برسد، عمق لایه سخت شده ۰.۱ تا ۰.۸ میلی‌متر است و ساختار مارتنزیت + آستنیت باقیمانده در اطراف فاز گرافیت تشکیل می‌شود که قابلیت ضد سایش را افزایش می‌دهد (به عنوان مثال، ضریب اصطکاک ریل راهنمای ابزار ماشین پس از کوئنچ ۲۰٪ کاهش می‌یابد).

دوم. فلزات غیرآهنی و آلیاژهای آنها (زمینه‌های کاربردی نوظهور)

۱. آلیاژ تیتانیوم (Ti-6Al-4V و غیره)

آلیاژ تیتانیوم به انواع آلیاژهای ساخته شده با تیتانیوم و سایر فلزات اشاره دارد. تیتانیوم یک فلز ساختاری مهم است که در دهه 1950 توسعه یافت، آلیاژ تیتانیوم دارای استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر حرارت بالا است.

ویژگی‌های سخت‌شوندگی: گرمایش لیزری باعث تشکیل مارتنزیت فوق اشباع روی سطح می‌شود و سختی از 300 HV به 500 تا 600 HV افزایش می‌یابد، در حالی که چقرمگی خوب (مناسب برای تقویت پره موتور هواپیما) حفظ می‌شود.

  دشواری فنی: آلیاژ تیتانیوم بازتاب لیزر بالایی دارد (حدود 70٪)، بنابراین باید از پیش تصفیه سطح (مانند سندبلاست) یا لیزر فرابنفش (طول موج 355 نانومتر، بازتاب زیر 30٪) استفاده شود.

۲. آلیاژ آلومینیوم (سری ۲xxx، سری ۷xxx)

این یک ماده آلیاژی پایه آلومینیوم است که حاوی عناصر افزوده شده مانند مس، سیلیکون، منیزیم، روی و منگنز می‌باشد. از طریق تنظیم نسبت عناصر، سری 1XXX تا 8XXX را تشکیل می‌دهد که آلومینیوم خالص صنعتی و آلیاژهای آلومینیوم-مس را پوشش می‌دهد. سیستم کد حالت آن بر اساس پنج حالت اساسی شامل F (ماشینکاری آزاد) و O (آنیل) است، با کدهای دقیقی مانند T6 که امکان کنترل دقیق خواص استحکام و مقاومت در برابر خوردگی را فراهم می‌کند.

مکانیسم خاموش شدن: تقویت محلول جامد با گرم کردن سریع لیزر حاصل می‌شود و فاز رسوبی شبه پایدار پس از خود-سرمایش تشکیل می‌شود (برای مثال، سختی آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵ پس از کوئنچ از ۱۵۰ HV به ۲۲۰ HV افزایش می‌یابد).

محدودیت‌های برنامه: آلیاژ آلومینیوم رسانایی حرارتی قوی دارد (رسانایی حرارتی حدود 200 وات بر متر کلوین است)، برای اطمینان از راندمان گرمایش به لیزر پرقدرت (≥2 کیلووات) نیاز است و ایجاد تغییر شکل ناشی از تنش حرارتی در آن آسان است.

۳. آلیاژهای قلع (برنج، برنز)

این آلیاژی است که از مس خالص به همراه یک یا چند عنصر اضافی تشکیل شده است. کاربردها: سخت‌کاری سطحی قطعات مقاوم در برابر سایش (مانند یاتاقان‌ها، شیرآلات). پس از کوئنچ لیزری، سطح یک ساختار نانوکریستالی تشکیل می‌دهد که سختی را ۱۵ تا ۳۰ درصد افزایش می‌دهد. با این حال، دمای گرمایش باید کنترل شود تا از نرم شدن ماتریس مس جلوگیری شود.

III. مواد کاربردی ویژه

۱. مواد متالورژی پودر (به عنوان مثال، اجزای متالورژی پودر پایه آهن و پایه مس) مزایا: ساختار متخلخل می‌تواند روغن روان‌کننده را ذخیره کند و سطح آن پس از کوئنچ لیزری متراکم‌تر می‌شود. سختی از 20-30 HRC به 50-55 HRC افزایش می‌یابد و آنها را برای یاتاقان‌های خود روان‌کننده مناسب می‌کند.

۲. مواد پوشش سطح (به عنوان مثال، پوشش‌های پاشش حرارتی و لایه‌های روکش) کاربردهای معمول: پس از کوئنچ لیزری پوشش‌های WC-Co که روی سطوح فولاد کربنی اسپری می‌شوند، یک ساختار کامپوزیتی "ماتریس مارتنزیت + فاز کاربید سیمانی" تشکیل می‌شود که به سختی بیش از 1000 HV می‌رسد. این مواد در اجزای مقاوم در برابر سایش ماشین‌آلات معدن استفاده می‌شوند.

IV. مواد نامناسب برای کوئنچ لیزری

فولاد کم کربن (محتوای کربن کمتر از 0.3٪): به دلیل کمبود کربن، استحاله مارتنزیتی حداقل است و در نتیجه اثرات سخت‌کاری ضعیفی دارد (افزایش سختی کمتر از 10 HRC). این امر آن را برای فرآیندهای کربن‌دهی و کوئنچ مناسب‌تر می‌کند.

فولاد ضد زنگ آستنیتی خالص (به عنوان مثال، 316L): فاقد قابلیت تبدیل مارتنزیتی است. گرمایش لیزری فقط باعث سخت‌کاری با بهبود سختی محدود (تقریباً 15٪ -20٪) می‌شود.

مواد پلیمری (پلاستیک، لاستیک): گرمایش لیزری باعث ذوب یا تجزیه می‌شود و به تکنیک‌های جایگزین برای عملیات سطحی مانند عملیات پلاسما نیاز دارد.

خلاصه

فناوری کوئنچ لیزری در درجه اول برای فولادهای کربن متوسط-بالا، فولادهای ساختاری آلیاژی و چدن کاربرد دارد. در سال‌های اخیر، کاربردهای آن به فلزات غیرآهنی مانند آلیاژهای تیتانیوم و آلیاژهای آلومینیوم گسترش یافته است. انتخاب مواد نیاز به بررسی جامع نرخ جذب لیزر، رسانایی حرارتی و ویژگی‌های گذار فاز دارد. بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند (به عنوان مثال، توان و سرعت اسکن) همراه با پیش‌عملیات سطحی (سیاه‌کاری و زبرکاری) می‌تواند اثربخشی کوئنچ را افزایش دهد. برای مواد تقویت‌کننده بدون کوئنچ مانند فولادهای کم کربن و فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی خالص، فرآیندهای ترکیبی (به عنوان مثال، کوئنچ لیزری همراه با آلیاژسازی سطحی) یا تکنیک‌های جایگزین عملیات سطحی توصیه می‌شود.