การวิเคราะห์ประเภทและคุณลักษณะของวัสดุที่เหมาะสมสำหรับเทคโนโลยีการดับเย็นด้วยเลเซอร์

1. วัสดุโลหะเหล็ก (ปัจจุบันเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด)

1. เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางและสูง (ปริมาณคาร์บอน 0.3%~0.8%) วัสดุทั่วไป:

เหล็ก 45 เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางคุณภาพสูง (S45C) ซึ่งกำหนดไว้ในมาตรฐาน JIS, ASTM 1045/080M46 และ DIN C45 เป็นเหล็กกล้าคาร์บอนโครงสร้างระดับพรีเมียมที่มีองค์ประกอบทางเคมีดังนี้: คาร์บอน (C) 0.42-0.50%, ซิลิคอน (Si) 0.17-0.37%, แมงกานีส (Mn) 0.50-0.80% และโครเมียม (Cr) ≤0.25% วัสดุอเนกประสงค์นี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการขึ้นรูปเย็น/ร้อนที่ดีเยี่ยม คุณสมบัติทางกลที่เหนือกว่า ความคุ้มค่า และหาได้ง่าย ทำให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในงานอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดหลักของมันคือความสามารถในการชุบแข็งต่ำ ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่ต้องการขนาดหน้าตัดขนาดใหญ่หรือมาตรฐานความแม่นยำสูง

เหล็กกล้า T8: เหล็กกล้าเครื่องมือคาร์บอนยูเทคทอยด์ชนิดนี้มีความแข็งและความทนทานต่อการสึกหรอสูงหลังจากการชุบแข็งและการอบคืนตัว อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดอยู่บ้าง เช่น ความสามารถในการชุบแข็งที่อุณหภูมิสูงต่ำ ความสามารถในการชุบแข็งที่ไม่ดี และความไวต่อการเสียรูปจากความร้อนสูงเกินไปในระหว่างการกลึง วัสดุนี้เป็นไปตามมาตรฐาน GB/T 1298 โดยมีปริมาณคาร์บอนระหว่าง 0.75% ถึง 0.84% ​​ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตแม่พิมพ์ขึ้นรูปเย็นและเครื่องมือตัดรูปทรงเรียบง่าย กระบวนการชุบแข็งต้องใช้การระบายความร้อนด้วยน้ำที่อุณหภูมิ 780-800 องศาเซลเซียส ในขณะที่การอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 250 องศาเซลเซียสจะช่วยให้ได้ความคงตัวของขนาด อย่างไรก็ตาม ไม่แนะนำให้ใช้ในงานที่ต้องการความทนทานต่อแรงกระแทก

เหล็กกล้า 65Mn: ผลิตภัณฑ์เหล็กสปริงที่มีความแข็งแรงสูงหลังจากการอบชุบความร้อนและการดึงเย็นเพื่อเพิ่มความแข็ง ให้ความยืดหยุ่นและความอ่อนตัวที่ดี ภายใต้สภาวะพื้นผิวที่เหมือนกันและการชุบแข็งอย่างสมบูรณ์ ขีดจำกัดความล้าจะเทียบเท่ากับสปริงโลหะผสมห้าสี อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความสามารถในการชุบแข็งที่ไม่ดี จึงส่วนใหญ่ใช้สำหรับสปริงขนาดเล็ก เช่น สปริงปรับแรงดัน/ควบคุมความเร็ว สปริงวัดแรง สปริงเกลียววงกลม/สี่เหลี่ยมทั่วไป หรือสปริงเหล็กดึงสำหรับเครื่องจักรขนาดเล็ก ผลการชุบแข็ง: ความแข็งของพื้นผิวสูงถึง 55-65 HRC โดยมีความลึกของชั้นชุบแข็ง 0.2~1.5 มม. มีโครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่สม่ำเสมอและทนทานต่อการสึกหรอได้ดีขึ้นอย่างมาก (เช่น อายุการใช้งานของเหล็ก 45 เพิ่มขึ้น 4-6 เท่าหลังจากการชุบแข็ง) เหมาะสำหรับเฟือง หมุด และชิ้นส่วนเพลา กลไก: ปริมาณคาร์บอนที่เพียงพอทำให้เกิดมาร์เทนไซต์จำนวนมาก ซึ่งจะเกิดออสเทนไนเซชันอย่างสมบูรณ์ในระหว่างการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์อย่างรวดเร็ว และบรรลุการเปลี่ยนแปลงเฟสอย่างสมบูรณ์ผ่านการชุบแข็งแบบระบายความร้อนด้วยตนเอง

2. เหล็กโครงสร้างอัลลอย (เติม Cr, Ni, Mo และธาตุอื่นๆ) วัสดุทั่วไป:

40 ล้านรูปี: (เหล็ก 40Cr จัดอยู่ในประเภท "เหล็กโครงสร้างอัลลอย" ตามที่กำหนดไว้ในมาตรฐาน GB3077 เหล็กชนิดนี้มีคาร์บอน 0.37%-0.44% ซึ่งต่ำกว่าเหล็ก 45 เล็กน้อย แต่มีปริมาณ Si และ Mn ใกล้เคียงกัน และมีโครเมียม 0.80%-1.10% ในการใช้งานรีดร้อน ปริมาณโครเมียม 1% นี้แทบไม่มีผล เนื่องจากเหล็กทั้งสองเกรดมีคุณสมบัติทางกลคล้ายคลึงกัน และเนื่องจากเหล็ก 40Cr มีราคาประมาณครึ่งหนึ่งของเหล็ก 45 การพิจารณาทางเศรษฐกิจจึงมักนำไปสู่การใช้เหล็ก 45 แทนเมื่อเป็นไปได้)

35CrMo: 35CrMo เป็นรหัสข้อกำหนดสำหรับเหล็กโครงสร้างอัลลอย (เหล็กอัลลอยชุบแข็งและอบคืนตัว) ซึ่งสอดคล้องกับมาตรฐานเยอรมัน 1.7220, มาตรฐานอังกฤษ 708A37, มาตรฐานฝรั่งเศส 35CD4 เป็นต้น โดยเป็นไปตามมาตรฐาน GB/T 3077-2015 มีปริมาณคาร์บอนเทียบเท่า 0.72% มีคุณสมบัติการเชื่อมที่ไม่ดี ต้องใช้มาตรการอุ่นก่อนเชื่อม เหล็กชนิดนี้มีความแข็งแรงคงที่และความเหนียวทนต่อแรงกระแทกสูง มีความแข็งแรงดึง ≥985 MPa และความแข็งแรงคราก ≥835 MPa สามารถทนต่ออุณหภูมิใช้งานในระยะยาวได้ถึง 500℃ เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรกลที่มีภาระสูง เช่น เกียร์บ็อกซ์ เพลาข้อเหวี่ยง ก้านสูบ และแกนกังหันไอน้ำในโรงรีดเหล็ก

20CrMnTi: เหล็กกล้าคาร์บอนไนซ์ที่มีปริมาณคาร์บอน 0.17%-0.24% นิยมใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ เช่น เกียร์ส่งกำลัง เหล็กกล้าคาร์บอนไนซ์ชนิดนี้ (Cr-Mn-Ti) มีความแข็งปานกลาง แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการชุบแข็งที่ยอดเยี่ยม ในขณะที่ยังคงรักษาความเหนียวทนต่อแรงกระแทกที่อุณหภูมิต่ำได้สูง ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับการชุบแข็งผิวหน้าด้วยคาร์บอนไนซ์ เหล็กกล้าชนิดนี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการขึ้นรูปที่ดีเยี่ยมโดยมีการเสียรูปน้อยที่สุด และมีความต้านทานต่อความล้าที่โดดเด่น การใช้งานหลัก ได้แก่ การผลิตชิ้นส่วนเพลา ชิ้นส่วนลูกสูบ และชิ้นส่วนพิเศษสำหรับรถยนต์และเครื่องบิน

ผลของการทำให้เย็นลง: ความแข็งสามารถสูงถึง 60~70 HRC ความลึกของชั้นชุบแข็ง 0.3~2 มม. ธาตุโลหะผสมช่วยเพิ่มความสามารถในการชุบแข็งและความต้านทานการกัดกร่อน (เช่น เฟือง 35CrMo หลังการชุบแข็ง ความแข็งแรงต่อความล้าเพิ่มขึ้น 30%)

หมายเหตุ: ปริมาณโลหะผสมที่สูงอาจลดอัตราการดูดซับพลังงานเลเซอร์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มประสิทธิภาพการดูดซับพลังงานผ่านการปรับสภาพผิวให้เป็นสีดำ (เช่น การเคลือบฟอสเฟตและการเคลือบผิว)

3. เหล็กหล่อ (เหล็กหล่อสีเทา, เหล็กหล่อเหนียว) วัสดุทั่วไป:

HT300: เป็นเหล็กหล่อสีเทาความแข็งแรงสูงชนิดเพิร์ลไลต์ ตามมาตรฐานแห่งชาติ GB 9439-88 โดยชื่อ "HT" หมายถึงเหล็กหล่อสีเทา และ "300" หมายความว่าความแข็งแรงดึงขั้นต่ำของแท่งทดสอบขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 30 มม. คือ 300 MPa

QT600-3: QT600-3 เป็นเหล็กหล่อเหนียวเนื้อเพิร์ลไลต์ มีความแข็งแรงปานกลางถึงสูง ความเหนียวและความยืดหยุ่นปานกลาง มีประสิทธิภาพโดยรวมสูง ทนต่อการสึกหรอและลดแรงสั่นสะเทือนได้ดี มีคุณสมบัติในกระบวนการหล่อที่ดี และสามารถปรับเปลี่ยนคุณสมบัติได้ผ่านการอบชุบความร้อนแบบต่างๆ

ผลของการทำให้เย็นลง: ความแข็งผิวสามารถสูงถึง 45~55 HRC ความลึกของชั้นแข็งอยู่ที่ 0.1~0.8 มม. และโครงสร้างมาร์เทนไซต์ + ออสเทนไนต์ที่เหลืออยู่จะก่อตัวขึ้นรอบๆ เฟสกราไฟต์ ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการต้านทานการเสียดสี (ตัวอย่างเช่น ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของรางนำเครื่องมือกลหลังจากชุบแข็งลดลง 20%)

II. โลหะที่ไม่ใช่เหล็กและโลหะผสม (สาขาการประยุกต์ใช้งานที่กำลังเกิดขึ้นใหม่)

1. โลหะผสมไทเทเนียม (Ti-6Al-4V เป็นต้น)

โลหะผสมไทเทเนียม หมายถึง โลหะผสมหลากหลายชนิดที่ทำจากไทเทเนียมและโลหะอื่นๆ ไทเทเนียมเป็นโลหะโครงสร้างที่สำคัญซึ่งได้รับการพัฒนาขึ้นในทศวรรษ 1950 โลหะผสมไทเทเนียมมีคุณสมบัติเด่นคือ ความแข็งแรง ความต้านทานการกัดกร่อน และความทนทานต่อความร้อนสูง

ลักษณะการชุบแข็ง: การให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ช่วยส่งเสริมการก่อตัวของมาร์เทนไซต์อิ่มตัวยิ่งยวดบนพื้นผิว ส่งผลให้ความแข็งเพิ่มขึ้นจาก 300 HV เป็น 500-600 HV ในขณะที่ยังคงรักษาความเหนียวที่ดีไว้ได้ (เหมาะสำหรับการเสริมความแข็งแรงของใบพัดเครื่องยนต์อากาศยาน)

  ปัญหาทางเทคนิค: โลหะผสมไทเทเนียมมีการสะท้อนแสงเลเซอร์สูง (ประมาณ 70%) ดังนั้นจึงควรใช้การเตรียมพื้นผิวก่อน (เช่น การพ่นทราย) หรือเลเซอร์อัลตราไวโอเลต (ความยาวคลื่น 355 นาโนเมตร การสะท้อนแสงต่ำกว่า 30%)

2. โลหะผสมอลูมิเนียม (ซีรี่ส์ 2xxx, ซีรี่ส์ 7xxx)

นี่คือวัสดุโลหะผสมอะลูมิเนียมที่มีส่วนผสมของธาตุอื่นๆ เช่น ทองแดง ซิลิคอน แมกนีเซียม สังกะสี และแมงกานีส โดยการปรับอัตราส่วนของธาตุต่างๆ ทำให้เกิดโลหะผสมซีรีส์ 1XXX ถึง 8XXX ซึ่งครอบคลุมทั้งอะลูมิเนียมบริสุทธิ์สำหรับอุตสาหกรรมและโลหะผสมอะลูมิเนียม-ทองแดง ระบบรหัสสถานะของโลหะผสมนี้อิงตามสถานะพื้นฐานห้าสถานะ ได้แก่ F (สามารถขึ้นรูปได้ง่าย) และ O (ต้องผ่านกระบวนการอบอ่อน) พร้อมด้วยรหัสรายละเอียด เช่น T6 ที่ช่วยให้สามารถควบคุมความแข็งแรงและคุณสมบัติการต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างแม่นยำ

กลไกการดับความร้อน: การเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของแข็งเกิดขึ้นจากการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วด้วยเลเซอร์ และเฟสตกตะกอนที่ไม่เสถียรจะเกิดขึ้นหลังจากการเย็นตัวลงเอง (ตัวอย่างเช่น ความแข็งของโลหะผสมอะลูมิเนียม 7075 เพิ่มขึ้นจาก 150 HV เป็น 220 HV หลังจากชุบแข็ง)

ข้อจำกัดในการใช้งาน: โลหะผสมอะลูมิเนียมมีค่าการนำความร้อนสูง (ค่าการนำความร้อนประมาณ 200 วัตต์/เมตร เคลวิน) จึงต้องใช้เลเซอร์กำลังสูง (≥2 กิโลวัตต์) เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพในการให้ความร้อน และยังทำให้เกิดการเสียรูปจากความเครียดทางความร้อนได้ง่าย

3. โลหะผสมดีบุก (ทองเหลือง, ทองแดง)

นี่คือโลหะผสมที่ประกอบด้วยทองแดงบริสุทธิ์กับธาตุอื่นๆ หนึ่งชนิดหรือมากกว่านั้น การใช้งาน: การเพิ่มความแข็งของพื้นผิวชิ้นส่วนที่ทนต่อการสึกหรอ (เช่น ตลับลูกปืน วาล์ว) หลังจากการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ พื้นผิวจะเกิดโครงสร้างผลึกนาโน ทำให้ความแข็งเพิ่มขึ้น 15% ถึง 30% อย่างไรก็ตาม ต้องควบคุมอุณหภูมิความร้อนเพื่อป้องกันไม่ให้เนื้อทองแดงอ่อนตัวลง

III. วัสดุพิเศษที่มีคุณสมบัติเฉพาะ

1. วัสดุโลหะผง (เช่น ชิ้นส่วนโลหะผงที่ทำจากเหล็กและทองแดง) ข้อดี: โครงสร้างที่มีรูพรุนสามารถกักเก็บน้ำมันหล่อลื่นได้ และพื้นผิวจะมีความหนาแน่นมากขึ้นหลังจากผ่านกระบวนการชุบแข็งด้วยเลเซอร์ ความแข็งเพิ่มขึ้นจาก 20-30 HRC เป็น 50-55 HRC ทำให้เหมาะสำหรับตลับลูกปืนหล่อลื่นตัวเอง

2. วัสดุเคลือบผิว (เช่น การเคลือบด้วยการพ่นความร้อนและชั้นหุ้ม) การใช้งานทั่วไป: หลังจากทำการชุบแข็งด้วยเลเซอร์กับสารเคลือบ WC-Co ที่พ่นลงบนพื้นผิวเหล็กกล้าคาร์บอน จะเกิดโครงสร้างคอมโพสิต "เมทริกซ์มาร์เทนไซต์ + เฟสคาร์ไบด์ซีเมนต์" ซึ่งทำให้มีความแข็งเกิน 1000 HV วัสดุเหล่านี้ใช้ในชิ้นส่วนที่ทนต่อการสึกหรอของเครื่องจักรในเหมืองแร่

IV. วัสดุที่ไม่เหมาะสมสำหรับการดับเย็นด้วยเลเซอร์

เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (ปริมาณคาร์บอน เนื่องจากปริมาณคาร์บอนไม่เพียงพอ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างแบบมาร์เทนไซต์จึงเกิดขึ้นน้อยมาก ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการชุบแข็งไม่ดี (ความแข็งเพิ่มขึ้นน้อยกว่า 10 HRC) ทำให้เหมาะสำหรับกระบวนการคาร์บูไรซิ่งและการชุบแข็งมากกว่า

เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกบริสุทธิ์ (เช่น 316L): ขาดความสามารถในการเปลี่ยนรูปเป็นมาร์เทนไซต์ การให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ทำให้เกิดการเพิ่มความแข็งจากการทำงานเท่านั้น โดยมีการเพิ่มความแข็งเพียงเล็กน้อย (ประมาณ 15% -20%)

วัสดุพอลิเมอร์ (พลาสติก, ยาง): การให้ความร้อนด้วยเลเซอร์มักทำให้เกิดการหลอมละลายหรือการสลายตัว จึงจำเป็นต้องใช้เทคนิคการปรับสภาพพื้นผิวแบบอื่น เช่น การบำบัดด้วยพลาสมา

5. สรุป

เทคโนโลยีการชุบแข็งด้วยเลเซอร์นั้นใช้ได้กับเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางถึงสูง เหล็กกล้าโครงสร้างผสม และเหล็กหล่อเป็นหลัก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การใช้งานได้ขยายไปยังโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก เช่น โลหะผสมไทเทเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียม การเลือกวัสดุต้องพิจารณาอย่างรอบด้านถึงอัตราการดูดซับเลเซอร์ การนำความร้อน และลักษณะการเปลี่ยนเฟส การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์ของกระบวนการ (เช่น กำลังและความเร็วในการสแกน) ร่วมกับการปรับสภาพพื้นผิว (การทำให้ดำและการทำให้หยาบ) สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการชุบแข็งได้ สำหรับวัสดุเสริมความแข็งแรงที่ไม่ต้องชุบแข็ง เช่น เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำและเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกบริสุทธิ์ แนะนำให้ใช้กระบวนการแบบผสมผสาน (เช่น การชุบแข็งด้วยเลเซอร์ร่วมกับการผสมโลหะที่พื้นผิว) หรือเทคนิคการปรับสภาพพื้นผิวแบบอื่น