Lazerle soğutma teknolojisine uygun malzeme türleri ve özelliklerinin analizi

I. Demir esaslı metal malzemeler (şu anda en yaygın uygulama alanı)

1. Orta ve yüksek karbonlu çelik (karbon içeriği %0,3~%0,8), tipik malzemeler:

45 çelik (Yüksek kaliteli orta karbonlu yapısal çelik), JIS standartlarında S45C, ASTM 1045/080M46 ve DIN C45 olarak adlandırılan, aşağıdaki kimyasal bileşime sahip birinci sınıf bir karbon yapısal çeliğidir: %0,42-0,50 karbon (C), %0,17-0,37 silisyum (Si), %0,50-0,80 manganez (Mn) ve ≤%0,25 krom (Cr). Bu çok yönlü malzeme, mükemmel soğuk/sıcak işlenebilirlik, üstün mekanik özellikler, maliyet etkinliği ve geniş bulunabilirliği sayesinde endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, temel sınırlaması düşük sertleşebilirliğidir; bu da onu büyük kesit boyutları veya yüksek hassasiyet standartları gerektiren bileşenlerin üretiminde uygunsuz hale getirmektedir.

T8 çelik: Su verme ve temperleme işleminden sonra yüksek sertlik ve aşınma direnci gösteren ötektik karbonlu takım çeliğidir; ancak düşük sıcak sertleşme kabiliyeti, zayıf sertleşme özelliği ve işleme sırasında aşırı ısınma deformasyonuna yatkınlık gibi sınırlamaları vardır. Bu malzeme, %0,75 ile %0,84 arasında karbon içeriğine sahip olup GB/T 1298 serisi standartlarına uygundur ve bu da onu basit şekilli soğuk şekillendirme kalıpları ve kesici takımların üretimi için uygun hale getirir. Su verme işlemi 780-800℃°C'de su soğutması gerektirirken, 250℃°C'nin üzerindeki temperleme boyutsal kararlılığı sağlar. Bununla birlikte, darbe yüküne dayanıklılık gerektiren uygulamalar için önerilmez.

65Mn Çelik: Isıl işlem ve soğuk çekme sertleştirmesi sonrasında yüksek mukavemete sahip, iyi esneklik ve plastisite sunan bir yay çeliği ürünüdür. Aynı yüzey koşullarında ve tam sertleştirmede, yorulma limiti beş renkli alaşım yaylarınınkiyle aynıdır. Bununla birlikte, düşük sertleşme kabiliyeti nedeniyle, esas olarak basınç ayarlayıcı/hız düzenleyici yaylar, kuvvet ölçer yaylar, genel mekanik dairesel/dikdörtgen helisel yaylar veya küçük makineler için tel çekme çelik yaylar gibi küçük boyutlu yaylarda kullanılır. Sertleştirme Etkisi: Yüzey sertliği 0,2~1,5 mm sertleştirilmiş tabaka derinliği ile 55-65 HRC'ye ulaşır, düzgün martensitik yapıya ve önemli ölçüde iyileştirilmiş aşınma direncine sahiptir (örneğin, 45 çeliğinin aşınma ömrü sertleştirmeden sonra 4-6 kat artar). Dişliler, pimler ve şaft bileşenleri için uygundur. Mekanizma: Yeterli karbon içeriği bol miktarda martensit oluşturur, bu da hızlı lazer ısıtma sırasında tam östenitleşmeye uğrar ve kendiliğinden soğutmalı sertleştirme yoluyla tam faz dönüşümüne ulaşır.

2. Alaşımlı yapısal çelik (Cr, Ni, Mo ve diğer elementlerin eklenmesiyle), tipik malzemeler:

40Cr: (40Cr, GB3077'de tanımlandığı gibi "alaşımlı yapısal çelik" kategorisine girer. Bu çelik, %0,37-%0,44 karbon içerir; bu oran, 45 çeliğine göre biraz daha düşüktür ve Si ve Mn içeriği karşılaştırılabilir düzeydedir. %0,80-%1,10 Cr içerir. Sıcak haddelenmiş uygulamalarda, bu %1 Cr içeriği esasen etkisizdir, çünkü her iki kalite de benzer mekanik özellikler gösterir. 40Cr'nin maliyeti 45 çeliğinin yaklaşık yarısı kadar olduğundan, ekonomik hususlar genellikle mümkün olduğunda 45 çeliğinin kullanılmasını tercih etmeye yol açar.)

35CrMo: 35CrMo, Alman standardı 1.7220, İngiliz standardı 708A37, Fransız standardı 35CD4 vb. ile uyumlu, GB/T 3077-2015 standardına uygun, alaşımlı yapısal çelik (sertleştirilmiş ve temperlenmiş alaşımlı çelik) için bir spesifikasyon kodudur. %0,72 karbon eşdeğerine sahiptir ve kaynaklanabilirliği zayıf olduğundan ön ısıtma önlemleri gerektirir. Bu çelik, ≥985 MPa çekme dayanımı ve ≥835 MPa akma dayanımı ile yüksek statik mukavemet ve darbe dayanıklılığı sergiler ve 500℃'ye kadar uzun süreli çalışma sıcaklıklarına dayanabilir. Haddehanelerde dişli kutuları, krank milleri, biyel kolları ve buhar türbini milleri gibi yüksek yük taşıyan mekanik bileşenlerin imalatı için uygundur.

20CrMnTi: %0,17-%0,24 karbon içeriğine sahip, genellikle otomotiv üretiminde şanzıman dişlilerinde kullanılan bir karbürlenmiş çeliktir. Orta sertleşme özelliğine sahip bir karbürlenmiş çelik (Cr-Mn-Ti) olarak, yüksek düşük sıcaklık darbe dayanıklılığını korurken olağanüstü sertleşebilirlik sergiler. Özellikle yüzey karbürleme sertleştirmesi için tasarlanan bu çelik, minimum deformasyonla mükemmel işlenebilirlik ve olağanüstü yorulma direnci gösterir. Başlıca uygulama alanları arasında otomobil ve uçaklar için şaft bileşenleri, piston parçaları ve özel bileşenlerin üretimi yer almaktadır.

Söndürme etkisi: Sertlik 60~70 HRC'ye ulaşabilir, sertleştirilmiş katman derinliği 0,3~2 mm'dir, alaşım elementleri sertleşebilirliği ve korozyon direncini artırır (örneğin, 35CrMo dişlisinin su verme işleminden sonra yorulma dayanımı %30 artar).

Not: Yüksek alaşım içeriği lazer emilim oranını düşürebilir, bu nedenle karartma işlemi (fosfatlama ve kaplama gibi) yoluyla enerji emilim verimliliğini artırmak gereklidir.

3. Dökme demir (gri dökme demir, sünek dökme demir), tipik malzemeler:

HT300: Bu, perlit tipi yüksek mukavemetli gri dökme demirdir ve GB 9439-88 ulusal standardına uygundur. "HT" kısaltması gri dökme demiri temsil eder, "300" ise 30 mm çapındaki bir test çubuğunun minimum çekme dayanımının 300 MPa olduğunu gösterir.

QT600-3: QT600-3, orta ve yüksek mukavemete, orta tokluğa ve plastisiteye, yüksek kapsamlı performansa, iyi aşınma direncine ve titreşim sönümlemesine, iyi döküm proses özelliklerine sahip, perlitik gövdeli sfero dökümdür. Çeşitli ısıl işlemlerle özellikleri değiştirilebilir.

Söndürme etkisi: Yüzey sertliği 45~55 HRC'ye ulaşabilir, sertleştirilmiş tabaka derinliği 0,1~0,8 mm'dir ve grafit fazının etrafında martensit + artık östenit yapısı oluşur, bu da aşınmaya karşı direnci artırır (örneğin, su verme işleminden sonra takım tezgahı kılavuz rayının sürtünme katsayısı %20 oranında azalır).

II. Demir dışı metaller ve alaşımları (gelişen uygulama alanları)

1. Titanyum alaşımı (Ti-6Al-4V, vb.)

Titanyum alaşımı, titanyum ve diğer metallerle yapılan çeşitli alaşımları ifade eder. Titanyum, 1950'lerde geliştirilen önemli bir yapısal metaldir; titanyum alaşımının mukavemeti, korozyon direnci ve yüksek ısı direnci vardır.

Sertleşme özellikleri: Lazerle ısıtma, yüzeyde aşırı doymuş martensit oluşumunu teşvik eder ve sertlik 300 HV'den 500~600 HV'ye yükselirken, iyi bir tokluk da korunur (uçak motoru kanadı takviyesi için uygundur).

  Teknik sorun: Titanyum alaşımının lazer yansıtma oranı yüksektir (yaklaşık %70), bu nedenle yüzey ön işlemi (örneğin kumlama) veya ultraviyole lazer (dalga boyu 355 nm, yansıtma oranı %30'un altında) kullanılmalıdır.

2. Alüminyum alaşımı (2xxx serisi, 7xxx serisi)

Bu, bakır, silisyum, magnezyum, çinko ve manganez gibi ilave elementler içeren alüminyum bazlı bir alaşım malzemedir. Element oranlarındaki ayarlamalar sayesinde, endüstriyel saf alüminyum ve alüminyum-bakır alaşımlarını kapsayan 1XXX ila 8XXX serisini oluşturur. Durum kod sistemi, F (serbest işleme) ve O (tavlama) dahil olmak üzere beş temel duruma dayanır ve T6 gibi ayrıntılı kodlar, mukavemet ve korozyon direnci özelliklerinin hassas kontrolünü sağlar.

Söndürme mekanizması: Lazerle hızlı ısıtma yoluyla katı çözelti güçlendirmesi sağlanır ve kendiliğinden soğuma sonrasında metastabil çökelmiş faz oluşur (örneğin, 7075 alüminyum alaşımının sertliği, su verme işleminden sonra 150 HV'den 220 HV'ye yükselir).

Uygulama sınırlamaları: Alüminyum alaşımı yüksek ısı iletkenliğine sahiptir (ısı iletkenliği yaklaşık 200 W/m K), ısıtma verimliliğini sağlamak için yüksek güçlü lazer (≥2 kW) gereklidir ve termal gerilme deformasyonuna kolayca neden olabilir.

3. Kalay alaşımları (pirinç, bronz)

Bu, bir veya daha fazla ilave element içeren saf bakırdan oluşan bir alaşımdır. Uygulama alanları: Aşınmaya dayanıklı bileşenlerin (örneğin, rulmanlar, vanalar) yüzey sertleştirilmesi. Lazerle sertleştirme işleminden sonra yüzeyde nanokristalin bir yapı oluşur ve sertlik %15 ila %30 oranında artar. Bununla birlikte, bakır matrisinin yumuşamasını önlemek için ısıtma sıcaklığı kontrol edilmelidir.

III. Özel Fonksiyonel Malzemeler

1. Toz Metalurji Malzemeleri (örneğin, demir ve bakır bazlı toz metalurji bileşenleri) Avantajları: Gözenekli yapı yağlama yağını depolayabilir ve lazerle sertleştirme işleminden sonra yüzey daha yoğun hale gelir. Sertlik 20-30 HRC'den 50-55 HRC'ye yükselir, bu da onları kendinden yağlamalı rulmanlar için uygun hale getirir.

2. Yüzey Kaplama Malzemeleri (örneğin, termal püskürtme kaplamaları ve kaplama katmanları) Tipik Uygulamalar: Karbon çelik yüzeylere püskürtülen WC-Co kaplamaların lazerle soğutulmasından sonra, 1000 HV'nin üzerinde bir sertliğe ulaşan "martensit matris + sertleştirilmiş karbür fazı" kompozit yapısı oluşur. Bu malzemeler, madencilik makinelerinin aşınmaya dayanıklı bileşenlerinde kullanılır.

IV. Lazerle söndürmeye uygun olmayan malzemeler

Düşük karbonlu çelik (karbon içeriği Yetersiz karbon içeriği nedeniyle martensitik dönüşüm minimum düzeydedir ve bu da zayıf sertleşme etkilerine (sertlik artışı

Saf östenitik paslanmaz çelik (örneğin, 316L): Martensitik dönüşüm yeteneğinden yoksundur. Lazerle ısıtma yalnızca sınırlı sertlik artışı (yaklaşık %15-20) ile iş sertleşmesine neden olur.