Analýza typů a vlastností materiálů vhodných pro technologii laserového kalení

I. Materiály ze železných kovů (v současnosti nejběžnější aplikace)

1. Středně a vysokouhlíková ocel (obsah uhlíku 0,3 % ~ 0,8 %), typické materiály:

45 ocel (vysoce kvalitní středně uhlíková konstrukční ocel), označovaná jako S45C v normách JIS, ASTM 1045/080M46 a DIN C45, je prémiová uhlíková konstrukční ocel s následujícím chemickým složením: 0,42–0,50 % uhlíku (C), 0,17–0,37 % křemíku (Si), 0,50–0,80 % manganu (Mn) a ≤0,25 % chromu (Cr). Tento všestranný materiál vykazuje vynikající zpracovatelnost za studena i za tepla, vynikající mechanické vlastnosti, cenovou efektivitu a širokou dostupnost, díky čemuž se široce používá v průmyslových aplikacích. Jeho hlavním omezením však je nízká prokalitelnost, takže je nevhodný pro výrobu součástí vyžadujících velké rozměry průřezu nebo vysoké standardy přesnosti.

Ocel T8: Eutektoidní uhlíková nástrojová ocel, která po kalení a popouštění vykazuje vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebení, ačkoli má svá omezení, včetně nízké prokalitelnosti za tepla, špatné prokalitelnosti a náchylnosti k deformaci přehřátím během obrábění. Tento materiál splňuje normy řady GB/T 1298 a obsahuje uhlík mezi 0,75 % a 0,84 %, což ho činí vhodným pro výrobu jednoduchých tvarovaných zápustek a řezných nástrojů pro tváření za studena. Proces kalení vyžaduje chlazení vodou při 780–800 °C, zatímco popouštění nad 250 °C zajišťuje rozměrovou stabilitu. Nedoporučuje se však pro aplikace vyžadující odolnost proti rázovému zatížení.

Ocel 65Mn: Výrobek z pružinové oceli s vysokou pevností po tepelném zpracování a kalení tažením za studena, který nabízí dobrou flexibilitu a plasticitu. Za stejných povrchových podmínek a plného kalení se jeho mez únavy shoduje s mezí únavy pružin z pětibarevných slitin. Vzhledem k nízké prokalitelnosti se však používá hlavně pro malé pružiny, jako jsou pružiny pro regulaci tlaku/rychlosti, pružiny pro měření síly, obecné mechanické kruhové/obdélníkové spirálové pružiny nebo ocelové pružiny tažené drátem pro malé stroje. Efekt kalení: Povrchová tvrdost dosahuje 55-65 HRC s hloubkou kalené vrstvy 0,2~1,5 mm, vyznačuje se jednotnou martenzitickou strukturou a výrazně zlepšenou odolností proti opotřebení (např. životnost oceli 45 se po kalení 4-6krát zvyšuje). Vhodný pro ozubená kola, čepy a hřídelové součásti. Mechanismus: Dostatečný obsah uhlíku vytváří hojný martenzit, který během rychlého laserového ohřevu prochází úplnou austenitizací a dosahuje plné fázové transformace samochlazením kalením.

2. Legovaná konstrukční ocel (s přídavkem Cr, Ni, Mo a dalších prvků), typické materiály:

40Cr: (40Cr spadá do kategorie „legované konstrukční oceli“ podle definice v GB3077. Tato ocel obsahuje 0,37 %–0,44 % uhlíku, což je o něco méně než ocel 45, se srovnatelným obsahem Si a Mn. Obsahuje 0,80 %–1,10 % Cr. V aplikacích válcovaných za tepla je tento 1% obsah Cr v podstatě neúčinný, protože obě jakosti vykazují podobné mechanické vlastnosti. Vzhledem k tomu, že 40Cr stojí přibližně polovinu ceny oceli 45, ekonomické úvahy často vedou k použití oceli 45, pokud je to možné.

35CrMo: 35CrMo je specifikační kód pro legovanou konstrukční ocel (legovaná kalená a popouštěná ocel), odpovídající německé normě 1.7220, britské normě 708A37, francouzské normě 35CD4 atd., splňující normu GB/T 3077-2015. Má uhlíkový ekvivalent 0,72 %, špatnou svařitelnost, která vyžaduje předehřev. Tato ocel vykazuje vysokou statickou pevnost a rázovou houževnatost s pevností v tahu ≥985 MPa a mezí kluzu ≥835 MPa, je schopna odolávat dlouhodobým provozním teplotám až do 500 °C. Je vhodná pro výrobu vysoce zatížených mechanických součástí, jako jsou převodovky, klikové hřídele, ojnice a vřetena parních turbín ve válcovnách.

20CrMnTi: Cementovaná ocel s obsahem uhlíku 0,17 %–0,24 %, běžně používaná v automobilovém průmyslu pro převodovky. Jako středně tvrdnoucí cementovaná ocel (Cr-Mn-Ti) vykazuje výjimečnou kalitelnost při zachování vysoké rázové houževnatosti za nízkých teplot. Tato ocel, speciálně navržená pro povrchové cementační kalení, vykazuje vynikající obrobitelnost s minimální deformací a vynikající odolností proti únavě. Mezi její hlavní aplikace patří výroba hřídelových součástí, pístních dílů a specializovaných součástí pro automobily a letadla.

Zhášecí účinek: Tvrdost může dosáhnout 60~70 HRC, hloubka kalené vrstvy 0,3~2 mm, legující prvky zlepšují kalitelnost a odolnost proti korozi (například u ozubených kol 35CrMo se po kalení únavová pevnost zvýšila o 30 %).

Poznámka: Vysoký obsah slitin může snížit rychlost absorpce laseru, proto je nutné zvýšit účinnost absorpce energie černěním (například fosfátováním a povlakováním).

3. Litina (šedá litina, tvárná litina), typické materiály:

HT300: je perlitový typ vysokopevnostní šedé litiny, implementující národní normu GB 9439-88, její název „HT“ představuje šedou litinu, „300“ označuje, že minimální pevnost v tahu zkušební tyče o průměru 30 mm je 300 MPa.

QT600-3: QT600-3 je tvárná litina s perlitickým tělesem, se střední a vysokou pevností, střední houževnatostí a plasticitou, vysokým komplexním výkonem, dobrou odolností proti opotřebení a tlumením vibrací, dobrými vlastnostmi při odlévání. Její vlastnosti se mohou měnit různými tepelnými zpracováními.

Zhášecí účinek: Tvrdost povrchu může dosáhnout 45~55 HRC, hloubka kalené vrstvy 0,1~0,8 mm a kolem grafitové fáze se tvoří struktura martenzitu a zbytkového austenitu, což zvyšuje odolnost proti broušení (například koeficient tření vodicí lišty obráběcího stroje po kalení se sníží o 20 %).

II. Neželezné kovy a jejich slitiny (nové oblasti použití)

1. Titanová slitina (Ti-6Al-4V atd.)

Titanová slitina označuje řadu slitin vyrobených z titanu a dalších kovů. Titan je důležitý konstrukční kov vyvinutý v 50. letech 20. století, jehož slitina se vyznačuje pevností, odolností proti korozi a vysokou tepelnou odolností.

Charakteristiky kalení: Laserový ohřev podporuje tvorbu přesyceného martenzitu na povrchu a tvrdost se zvyšuje z 300 HV na 500~600 HV při zachování dobré houževnatosti (vhodné pro vyztužení lopatek leteckých motorů).

  Technická obtížnost: Titanová slitina má vysokou laserovou odrazivost (asi 70 %), proto by se měla použít předúprava povrchu (například pískování) nebo ultrafialový laser (vlnová délka 355 nm, odrazivost pod 30 %).

2. Hliníková slitina (řada 2xxx, řada 7xxx)

Jedná se o slitinu na bázi hliníku obsahující přidané prvky, jako je měď, křemík, hořčík, zinek a mangan. Prostřednictvím úpravy poměru prvků tvoří řadu 1XXX až 8XXX, která zahrnuje průmyslový čistý hliník a slitiny hliníku a mědi. Její systém kódování stavů je založen na pěti základních stavech, včetně F (volné obrábění) a O (žíhání), s podrobnými kódy, jako je T6, které umožňují přesné řízení pevnostních a korozních vlastností.

Mechanismus kalení: Zpevnění pevného roztoku se dosahuje rychlým ohřevem laserem a metastabilní precipitovaná fáze se vytvoří po samoochlazení (například tvrdost hliníkové slitiny 7075 se po kalení zvýší ze 150 HV na 220 HV).

Omezení aplikace: Hliníková slitina má silnou tepelnou vodivost (tepelná vodivost je asi 200 W/m K), pro zajištění účinnosti ohřevu je zapotřebí laser s vysokým výkonem (≥2 kW) a je snadné vyvolat deformaci tepelným napětím.

3. Slitiny cínu (mosaz, bronz)

Jedná se o slitinu složenou z čisté mědi s jedním nebo více dalšími prvky. Použití: Povrchové kalení otěruvzdorných součástí (např. ložisek, ventilů). Po laserovém kalení povrch vytváří nanokrystalickou strukturu, což zvyšuje tvrdost o 15 % až 30 %. Teplota ohřevu však musí být kontrolována, aby se zabránilo změknutí měděné matrice.

III. Speciální funkční materiály

1. Materiály práškové metalurgie (např. komponenty práškové metalurgie na bázi železa a mědi) Výhody: Porézní struktura umožňuje ukládání mazacího oleje a po laserovém kalení se povrch zhušťuje. Tvrdost se zvyšuje z 20–30 HRC na 50–55 HRC, což je činí vhodnými pro samomazná ložiska.

2. Povrchové nátěrové materiály (např. žárově nastříkané povlaky a plátovací vrstvy) Typické aplikace: Po laserovém kalení povlaků WC-Co nastříkaných na povrchy uhlíkové oceli se vytvoří kompozitní struktura „martenzitická matrice + fáze slinutého karbidu“, která dosahuje tvrdosti přesahující 1000 HV. Tyto materiály se používají v otěruvzdorných součástech důlních strojů.

IV. Materiály nevhodné pro laserové kalení

Nízkouhlíková ocel (obsah uhlíku Vzhledem k nedostatečnému obsahu uhlíku je martenzitická transformace minimální, což má za následek špatné kalení (zvýšení tvrdosti

Čistá austenitická nerezová ocel (např. 316L): Chybí schopnost martenzitické transformace. Laserový ohřev způsobuje pouze zpevnění s omezeným zlepšením tvrdosti (přibližně 15 % - 20 %).