Analisi delle tipologie di materiali e delle caratteristiche idonee alla tecnologia di tempra laser.

I. Materiali metallici ferrosi (attualmente l'applicazione più diffusa)

1. Acciaio a medio e alto tenore di carbonio (contenuto di carbonio 0,3%~0,8%), materiali tipici:

acciaio 45 L'acciaio strutturale a medio tenore di carbonio di alta qualità (S45C), designato come S45C negli standard JIS, ASTM 1045/080M46 e DIN C45, è un acciaio strutturale al carbonio di prima qualità con la seguente composizione chimica: 0,42-0,50% di carbonio (C), 0,17-0,37% di silicio (Si), 0,50-0,80% di manganese (Mn) e ≤0,25% di cromo (Cr). Questo materiale versatile dimostra un'eccellente lavorabilità a caldo e a freddo, proprietà meccaniche superiori, economicità e ampia disponibilità, il che lo rende ampiamente utilizzato in applicazioni industriali. Tuttavia, il suo principale limite risiede nella bassa temprabilità, che lo rende inadatto alla produzione di componenti che richiedono grandi dimensioni della sezione trasversale o elevati standard di precisione.

Acciaio T8: Acciaio per utensili al carbonio eutettoidico che presenta elevata durezza e resistenza all'usura dopo tempra e rinvenimento, sebbene mostri alcune limitazioni, tra cui bassa temprabilità a caldo, scarsa temprabilità e suscettibilità alla deformazione da surriscaldamento durante la lavorazione. Questo materiale è conforme agli standard della serie GB/T 1298, con un contenuto di carbonio compreso tra lo 0,75% e lo 0,84%, il che lo rende adatto alla produzione di stampi per formatura a freddo e utensili da taglio di forma semplice. Il processo di tempra richiede raffreddamento ad acqua a 780-800 °C, mentre il rinvenimento a temperature superiori a 250 °C garantisce la stabilità dimensionale. Tuttavia, non è raccomandato per applicazioni che richiedono resistenza al carico d'urto.

Acciaio 65Mn: Un acciaio per molle ad alta resistenza dopo trattamento termico e indurimento per trafilatura a freddo, che offre buona flessibilità e plasticità. In condizioni superficiali identiche e con indurimento completo, il suo limite di fatica corrisponde a quello delle molle in lega a cinque colori. Tuttavia, a causa della scarsa temprabilità, viene utilizzato principalmente per molle di piccole dimensioni come molle di regolazione della pressione/velocità, molle di misura della forza, molle elicoidali circolari/rettangolari meccaniche generiche o molle in acciaio trafilato per piccoli macchinari. Effetto di indurimento: la durezza superficiale raggiunge 55-65 HRC con una profondità dello strato indurito di 0,2~1,5 mm, caratterizzata da una struttura martensitica uniforme e una resistenza all'usura significativamente migliorata (ad esempio, la durata di usura dell'acciaio 45 aumenta di 4-6 volte dopo la tempra). Adatto per ingranaggi, perni e componenti dell'albero. Meccanismo: un contenuto di carbonio sufficiente forma abbondante martensite, che subisce una completa austenitizzazione durante il riscaldamento laser rapido e raggiunge la completa trasformazione di fase attraverso la tempra autoraffreddante.

2. Acciaio strutturale legato (con aggiunta di Cr, Ni, Mo e altri elementi), materiali tipici:

40Cr: (L'acciaio 40Cr rientra nella categoria degli "acciai strutturali legati" come definiti nella norma GB3077. Questo acciaio contiene dallo 0,37% allo 0,44% di carbonio, leggermente inferiore all'acciaio 45, con un contenuto di Si e Mn comparabile. Contiene dallo 0,80% all'1,10% di Cr. Nelle applicazioni di laminazione a caldo, questo contenuto di Cr dell'1% è sostanzialmente inefficace, poiché entrambi i gradi presentano proprietà meccaniche simili. Dato che il 40Cr costa circa la metà dell'acciaio 45, considerazioni economiche spesso portano all'utilizzo dell'acciaio 45 quando possibile.

35CrMo: 35CrMo è un codice di specifica per acciaio strutturale legato (acciaio legato temprato e rinvenuto), corrispondente allo standard tedesco 1.7220, allo standard britannico 708A37, allo standard francese 35CD4, ecc., con conformità alla norma GB/T 3077-2015. Ha un equivalente di carbonio dello 0,72%, scarsa saldabilità che richiede misure di preriscaldamento. Questo acciaio presenta elevata resistenza statica e tenacità all'impatto, con resistenza alla trazione ≥985 MPa e limite di snervamento ≥835 MPa, in grado di sopportare temperature di esercizio a lungo termine fino a 500 °C. È adatto per la produzione di componenti meccanici ad alto carico come riduttori, alberi a gomiti, bielle e mandrini per turbine a vapore nei laminatoi.

20CrMnTi: Acciaio cementato con un contenuto di carbonio compreso tra lo 0,17% e lo 0,24%, comunemente utilizzato nell'industria automobilistica per la produzione di ingranaggi di trasmissione. Essendo un acciaio cementato a media temprabilità (Cr-Mn-Ti), presenta un'eccezionale temprabilità pur mantenendo un'elevata tenacità all'impatto a basse temperature. Specificamente progettato per la cementazione superficiale, questo acciaio mostra un'eccellente lavorabilità con minima deformazione e un'eccezionale resistenza alla fatica. Le sue principali applicazioni includono la produzione di componenti per alberi, parti di pistoni e componenti speciali per automobili e aeromobili.

Effetto di spegnimento: La durezza può raggiungere i 60~70 HRC, la profondità dello strato temprato è di 0,3~2 mm, gli elementi di lega migliorano la temprabilità e la resistenza alla corrosione (ad esempio, la resistenza alla fatica degli ingranaggi in 35CrMo dopo la tempra è aumentata del 30%).

Nota: l'elevato contenuto di lega può ridurre il tasso di assorbimento del laser, pertanto è necessario migliorare l'efficienza di assorbimento dell'energia mediante un trattamento di annerimento (come la fosfatazione e la verniciatura).

3. Ghisa (ghisa grigia, ghisa sferoidale), materiali tipici:

HT300: Si tratta di una ghisa grigia ad alta resistenza di tipo perlitico, conforme allo standard nazionale GB 9439-88. La sigla "HT" sta per ghisa grigia, mentre "300" indica che la resistenza alla trazione minima di una barra di prova di 30 mm di diametro è di 300 MPa.

QT600-3: La QT600-3 è una ghisa sferoidale a corpo perlitico, con resistenza medio-alta, tenacità e plasticità medie, elevate prestazioni complessive, buona resistenza all'usura e smorzamento delle vibrazioni, e buone caratteristiche di processo di fusione. Le sue proprietà possono essere modificate tramite vari trattamenti termici.

Effetto di spegnimento: La durezza superficiale può raggiungere 45~55 HRC, la profondità dello strato indurito è di 0,1~0,8 mm e la struttura di martensite + austenite residua si forma attorno alla fase grafitica, il che migliora la capacità anti-abrasione (ad esempio, il coefficiente di attrito della guida della macchina utensile dopo la tempra si riduce del 20%).

II. Metalli non ferrosi e loro leghe (campi di applicazione emergenti)

1. Lega di titanio (Ti-6Al-4V, ecc.)

Il termine "lega di titanio" si riferisce a una varietà di leghe composte da titanio e altri metalli. Il titanio è un importante metallo strutturale sviluppato negli anni '50, noto per la sua resistenza, la resistenza alla corrosione e l'elevata resistenza al calore.

Caratteristiche di indurimento: Il riscaldamento laser favorisce la formazione di martensite sovrassatura sulla superficie e la durezza aumenta da 300 HV a 500~600 HV, mantenendo al contempo una buona tenacità (adatta al rinforzo delle pale dei motori aeronautici).

  Difficoltà tecnica: La lega di titanio ha un'elevata riflettività laser (circa il 70%), quindi è necessario utilizzare un pretrattamento superficiale (come la sabbiatura) o un laser ultravioletto (lunghezza d'onda 355 nm, riflettività inferiore al 30%).

2. Lega di alluminio (serie 2xxx, serie 7xxx)

Si tratta di una lega a base di alluminio contenente elementi aggiunti come rame, silicio, magnesio, zinco e manganese. Attraverso la regolazione del rapporto tra gli elementi, forma la serie da 1XXX a 8XXX che comprende alluminio puro industriale e leghe alluminio-rame. Il suo sistema di codifica degli stati si basa su cinque stati fondamentali, tra cui F (lavorazione libera) e O (ricottura), con codici dettagliati come T6 che consentono un controllo preciso delle proprietà di resistenza e di resistenza alla corrosione.

Meccanismo di spegnimento: Il rafforzamento per soluzione solida si ottiene mediante riscaldamento rapido laser, e la fase precipitata metastabile si forma dopo l'autoraffreddamento (ad esempio, la durezza della lega di alluminio 7075 aumenta da 150 HV a 220 HV dopo la tempra).

Limitazioni dell'applicazione: La lega di alluminio ha un'elevata conduttività termica (circa 200 W/m K), è necessario un laser ad alta potenza (≥2 kW) per garantire l'efficienza del riscaldamento ed è facile che si verifichino deformazioni da stress termico.

3. Leghe di stagno (ottone, bronzo)

Si tratta di una lega composta da rame puro con uno o più elementi aggiuntivi. Applicazioni: indurimento superficiale di componenti resistenti all'usura (ad esempio, cuscinetti, valvole). Dopo la tempra laser, la superficie forma una struttura nanocristallina, aumentando la durezza dal 15% al ​​30%. Tuttavia, la temperatura di riscaldamento deve essere controllata per evitare l'ammorbidimento della matrice di rame.

III. Materiali funzionali speciali

1. Materiali metallurgici in polvere (ad esempio, componenti metallurgici in polvere a base di ferro e rame) Vantaggi: La struttura porosa può immagazzinare olio lubrificante, con la superficie che diventa più densa dopo la tempra laser. La durezza aumenta da 20-30 HRC a 50-55 HRC, rendendoli adatti per cuscinetti autolubrificanti.

2. Materiali per rivestimenti superficiali (ad es. rivestimenti a spruzzo termico e strati di rivestimento) Applicazioni tipiche: Dopo la tempra laser di rivestimenti WC-Co spruzzati su superfici di acciaio al carbonio, si forma una struttura composita "matrice di martensite + fase di carburo cementato", che raggiunge una durezza superiore a 1000 HV. Questi materiali sono utilizzati in componenti resistenti all'usura di macchinari per l'industria mineraria.

IV. Materiali non idonei alla tempra laser

Acciaio a basso tenore di carbonio (contenuto di carbonio A causa dell'insufficiente contenuto di carbonio, la trasformazione martensitica è minima, con conseguenti scarsi effetti di indurimento (aumento di durezza

Acciaio inossidabile austenitico puro (ad esempio, 316L): Manca la capacità di trasformazione martensitica. Il riscaldamento laser provoca solo incrudimento con un miglioramento limitato della durezza (circa 15% - 20%).