ניתוח סוגי חומרים ומאפיינים המתאימים לטכנולוגיית כיבוי לייזר

א. חומרי מתכת ברזלית (כיום היישום הנפוץ ביותר)

1. פלדת פחמן בינונית וגבוהה (תכולת פחמן 0.3% ~ 0.8%), חומרים אופייניים:

45 פלדה (פלדת מבנה פחמן בינונית באיכות גבוהה), המסומנת כ-S45C בתקני JIS, ASTM 1045/080M46 ו-DIN C45, היא פלדת מבנה פחמן פרימיום עם ההרכב הכימי הבא: 0.42-0.50% פחמן (C), 0.17-0.37% סיליקון (Si), 0.50-0.80% מנגן (Mn), ו-≤0.25% כרום (Cr). חומר רב-תכליתי זה מפגין יכולת עיבוד מעולה בקור/חום, תכונות מכניות מעולות, יעילות כלכלית וזמינות רחבה, מה שהופך אותו לשימוש נרחב ביישומים תעשייתיים. עם זאת, מגבלתו העיקרית טמונה בהתקשות נמוכה, מה שהופך אותו ללא מתאים לייצור רכיבים הדורשים ממדי חתך גדולים או סטנדרטים גבוהים של דיוק.

פלדת T8: פלדת כלים פחמנית אוטקטואידית המציגה קשיות ועמידות גבוהות בפני שחיקה לאחר חיסום וקיבוע, אם כי יש לה מגבלות הכוללות התקשות נמוכה בחום, התקשות ירודה ורגישות לעיוות התחממות יתר במהלך העיבוד השבבי. חומר זה עומד בתקני סדרת GB/T 1298, ומכיל תכולת פחמן בין 0.75% ל-0.84%, מה שהופך אותו מתאים לייצור תבניות עיצוב קר וכלי חיתוך פשוטים. תהליך החיסום דורש קירור במים בטמפרטורה של 780-800 מעלות צלזיוס, בעוד שהחיסום מעל 250 מעלות צלזיוס מבטיח יציבות ממדית. עם זאת, הוא אינו מומלץ עבור יישומים הדורשים עמידות לעומסי פגיעות.

פלדה 65Mn: מוצר פלדת קפיץ בעל חוזק גבוה לאחר טיפול בחום והתקשות בקור, המציע גמישות ופלסטיות טובות. בתנאי פני שטח זהים והתקשות מלאה, גבול העייפות שלו תואם לזו של קפיצי סגסוגת חמישה צבעים. עם זאת, עקב יכולת התקשות ירודה, הוא משמש בעיקר לקפיצים קטנים כגון קפיצים לוויסות לחץ/מהירות, קפיצים למדידת כוח, קפיצים סליליים עגולים/מלבניים מכניים כלליים, או קפיצי פלדה נמתחים בחוט למכונות קטנות. אפקט התקשות: קשיות פני השטח מגיעה ל-55-65 HRC עם עומק שכבה קשוח של 0.2~1.5 מ"מ, הכולל מבנה מרטנזיטי אחיד ועמידות משופרת משמעותית בפני שחיקה (למשל, חיי הבלאי של פלדת 45 מתארכים פי 4-6 לאחר קירור). מתאים להילוכים, פינים ורכיבי פיר. מנגנון: תכולת פחמן מספקת יוצרת מרטנזיט בשפע, שעובר אוסטניטיזציה מלאה במהלך חימום לייזר מהיר ומשיג טרנספורמציה מלאה של פאזה באמצעות קירור עצמי.

2. פלדת מבנה מסגסוגת (הוסיפו Cr, Ni, Mo ויסודות אחרים), חומרים אופייניים:

40Cr: (40Cr נופל תחת הקטגוריה של "פלדת סגסוגת מבנית" כפי שמוגדר ב-GB3077. פלדה זו מכילה 0.37%-0.44% פחמן, מעט פחות מפלדת 45, עם תכולת Si ו-Mn דומה. היא מכילה 0.80%-1.10% Cr. ביישומים מגולגלים בחום, תכולת Cr של 1% אינה יעילה למעשה, מכיוון ששתי הדרגות מפגינות תכונות מכניות דומות. בהתחשב בכך ש-40Cr עולה כמחצית מפלדת 45, שיקולים כלכליים מובילים לעתים קרובות לשימוש בפלדת 45 במקום זאת במידת האפשר.)

35CrMo: 35CrMo הוא קוד מפרט לפלדת מבנה מסגסוגת (פלדת סגסוגת מרופדת ומחוסמת), התואם לתקן הגרמני 1.7220, התקן הבריטי 708A37, התקן הצרפתי 35CD4 וכו', עם תאימות לתקן GB/T 3077-2015. יש לה שווה ערך פחמן של 0.72%, יכולת ריתוך ירודה הדורשת אמצעי חימום מקדים. פלדה זו מציגה חוזק סטטי וקשיחות פגיעות גבוהים, עם חוזק מתיחה ≥985MPa וחוזק כניעה ≥835MPa, המסוגלת לעמוד בטמפרטורות הפעלה ארוכות טווח של עד 500℃. היא מתאימה לייצור רכיבים מכניים בעומס גבוה כגון תיבות הילוכים, גלי ארכובה, מוטות חיבור וצירים של טורבינות קיטור במפעלי גלגול.

20CrMnTi: פלדה קרבוריזציה בעלת תכולת פחמן של 0.17%-0.24%, המשמשת בדרך כלל בייצור רכב עבור גלגלי שיניים. כפלדה קרבוריזציה בעלת התקשות בינונית (Cr-Mn-Ti), היא מפגינה יכולת הקשייה יוצאת דופן תוך שמירה על קשיחות גבוהה בפני פגיעות בטמפרטורה נמוכה. פלדה זו, שתוכננה במיוחד עבור הקשיית קרבוריזציה על פני השטח, מפגינה יכולת עיבוד מצוינת עם עיוות מינימלי ועמידות יוצאת דופן לעייפות. היישומים העיקריים שלה כוללים ייצור רכיבי גל, חלקי בוכנה ורכיבים מיוחדים לרכבים ומטוסים.

אפקט מרווה: קשיות יכולה להגיע ל-60~70 HRC, עומק שכבה מוקשה 0.3~2 מ"מ, אלמנטים מסגסוגת משפרים את יכולת ההתקשות ועמידות בפני קורוזיה (כגון גלגל שיניים 35CrMo לאחר מרווה, חוזק העייפות גדל ב-30%).

הערה: תכולת הסגסוגת הגבוהה עשויה להפחית את קצב ספיגת הלייזר, לכן יש צורך לשפר את יעילות ספיגת האנרגיה באמצעות טיפול השחרה (כגון פוספטציה וציפוי).

3. ברזל יצוק (ברזל יצוק אפור, ברזל יצוק רקיע), חומרים אופייניים:

HT300: הוא ברזל יצוק אפור בעל חוזק גבוה מסוג פרליט, מיישם את התקן הלאומי GB 9439-88, שמו "HT" מייצג ברזל יצוק אפור, "300" מציין שחוזק המתיחה המינימלי של מוט בדיקה בקוטר 30 מ"מ הוא 300MPa.

QT600-3: QT600-3 הוא ברזל רקיע בעל גוף פרליטי, בעל חוזק בינוני וגבוה, קשיחות ופלסטיות בינוניות, ביצועים מקיפים גבוהים, עמידות טובה בפני שחיקה ובלימת רעידות, ומאפייני תהליך יציקה טובים. ניתן לשנות את תכונותיו באמצעות טיפולי חום שונים.

אפקט מרווה: קשיות פני השטח יכולה להגיע ל-45 ~ 55 HRC, עומק השכבה הקשה 0.1 ~ 0.8 מ"מ, ומבנה מרטנזיט + אוסטניט שיורי נוצר סביב שלב הגרפיט, מה שמשפר את יכולת העמידות בפני שחיקה (לדוגמה, מקדם החיכוך של מסילת ההובלה של כלי מכונה לאחר מרווה מופחת ב-20%).

II. מתכות לא ברזליות וסגסוגותיהן (תחומי יישום מתפתחים)

1. סגסוגת טיטניום (Ti-6Al-4V וכו')

סגסוגת טיטניום מתייחסת למגוון סגסוגות העשויות מטיטניום ומתכות אחרות. טיטניום היא מתכת מבנית חשובה שפותחה בשנות ה-50, בעלת חוזק סגסוגת טיטניום, עמידות בפני קורוזיה ועמידות גבוהה בחום.

מאפייני התקשות: חימום הלייזר מקדם היווצרות של מרטנזיט רווי על פני השטח, והקשיות עולה מ-300 HV ל-500~600 HV, תוך שמירה על קשיחות טובה (מתאים לחיזוק להבי מנועי אווירונאוטיקה).

  קושי טכני: לסגסוגת טיטניום יש רפלקטיביות לייזר גבוהה (כ-70%), לכן יש להשתמש בטיפול מקדים לפני השטח (כגון התזת חול) או בלייזר אולטרה סגול (אורך גל 355 ננומטר, רפלקטיביות מתחת ל-30%).

2. סגסוגת אלומיניום (סדרת 2xxx, סדרת 7xxx)

זהו חומר סגסוגת מבוסס אלומיניום המכיל יסודות נוספים כגון נחושת, סיליקון, מגנזיום, אבץ ומנגן. באמצעות התאמות יחס יסודות, הוא יוצר את סדרת 1XXX עד 8XXX הכוללת אלומיניום טהור תעשייתי וסגסוגות אלומיניום-נחושת. מערכת קודי המצבים שלו מבוססת על חמישה מצבים בסיסיים, כולל F (עיבוד חופשי) ו-O (חישול), עם קודים מפורטים כמו T6 המאפשרים שליטה מדויקת בתכונות חוזק ועמידות בפני קורוזיה.

מנגנון כיבוי: חיזוק התמיסה המוצקה מושג על ידי חימום מהיר של הלייזר, ופאזה מטא-סטבילית נוצרת לאחר קירור עצמי (לדוגמה, קשיות סגסוגת האלומיניום 7075 עולה מ-150 HV ל-220 HV לאחר מרווה).

מגבלות יישום: לסגסוגת אלומיניום יש מוליכות תרמית חזקה (מוליכות תרמית היא כ-200 וואט/מ"ק), נדרש לייזר בעל עוצמה גבוהה (≥2 קילוואט) כדי להבטיח יעילות חימום, וקל לייצר עיוות מתח תרמי.

3. סגסוגות בדיל (פליז, ברונזה)

זוהי סגסוגת המורכבת מנחושת טהורה עם אלמנט נוסף אחד או יותר. יישומים: הקשחת פני השטח של רכיבים עמידים בפני שחיקה (למשל, מיסבים, שסתומים). לאחר כיבוי בלייזר, פני השטח יוצרים מבנה ננו-גבישי, מה שמגדיל את הקשיות ב-15% עד 30%. עם זאת, יש לשלוט בטמפרטורת החימום כדי למנוע ריכוך של מטריצת הנחושת.

ג. חומרים פונקציונליים מיוחדים

1. חומרים למתכת אבקה (למשל, רכיבים למתכת אבקה מבוססי ברזל ונחושת) יתרונות: המבנה הנקבובי יכול לאגור שמן סיכה, כאשר פני השטח הופכים צפופים יותר לאחר כיבוי בלייזר. הקשיות עולה מ-20-30 HRC ל-50-55 HRC, מה שהופך אותם למתאימים למסבים בעלי שימון עצמי.

2. חומרי ציפוי פני השטח (למשל, ציפויי ריסוס תרמי ושכבות חיפוי) יישומים אופייניים: לאחר כיבוי לייזר של ציפויי WC-Co המרוססים על משטחי פלדת פחמן, נוצר מבנה מרוכב של "מטריצת מרטנזיט + פאזה של קרביד צמנט", המשיג קשיות העולה על 1000 HV. חומרים אלה משמשים ברכיבים עמידים בפני שחיקה של מכונות כרייה.

IV. חומרים שאינם מתאימים לכיבוי בלייזר

פלדה דלת פחמן (תכולת פחמן עקב תכולת פחמן לא מספקת, הטרנספורמציה המרטנזיטית מינימלית, וכתוצאה מכך השפעות התקשות גרועות (עלייה בקשיות

פלדת אל-חלד אוסטניטית טהורה (למשל, 316L): חסר יכולת טרנספורמציה מרטנזיטית. חימום בלייזר גורם רק להתקשות עבודה עם שיפור קשיות מוגבל (כ-15% -20%).