Analyse von Materialarten und -eigenschaften, die für die Laserabschrecktechnologie geeignet sind

I. Eisenmetallwerkstoffe (derzeit die gängigste Anwendung)

1. Mittel- und hochgekohlter Stahl (Kohlenstoffgehalt 0,3 % bis 0,8 %), typische Werkstoffe:

45 Stahl (Hochwertiger, mittelgekohlter Baustahl), in den JIS-Normen als S45C, ASTM 1045/080M46 und DIN C45 bezeichnet, ist ein Premium-Baustahl mit folgender chemischer Zusammensetzung: 0,42–0,50 % Kohlenstoff (C), 0,17–0,37 % Silizium (Si), 0,50–0,80 % Mangan (Mn) und ≤ 0,25 % Chrom (Cr). Dieser vielseitige Werkstoff zeichnet sich durch hervorragende Kalt- und Warmumformbarkeit, überlegene mechanische Eigenschaften, Wirtschaftlichkeit und weite Verfügbarkeit aus und findet daher breite Anwendung in der Industrie. Seine größte Einschränkung liegt jedoch in der geringen Härtbarkeit, wodurch er sich nicht für die Herstellung von Bauteilen mit großen Querschnittsabmessungen oder hohen Präzisionsanforderungen eignet.

T8-Stahl: Ein eutektoider Kohlenstoff-Werkzeugstahl, der nach dem Härten und Anlassen hohe Härte und Verschleißfestigkeit aufweist. Allerdings besitzt er Einschränkungen wie geringe Warmhärtbarkeit, schlechte Härtbarkeit und Anfälligkeit für Überhitzungsverformung bei der Bearbeitung. Dieser Werkstoff entspricht den Normen der GB/T 1298-Reihe und weist einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,75 % und 0,84 % auf. Dadurch eignet er sich für die Herstellung von einfach geformten Kaltumformwerkzeugen und Schneidwerkzeugen. Das Härten erfolgt in Wasser bei 780–800 °C, während das Anlassen bei über 250 °C die Formstabilität gewährleistet. Für Anwendungen, die eine hohe Stoßfestigkeit erfordern, ist er jedoch nicht empfehlenswert.

65Mn Stahl: Ein Federstahlprodukt mit hoher Festigkeit nach Wärmebehandlung und Kaltverformung, das gute Flexibilität und Plastizität bietet. Unter identischen Oberflächenbedingungen und vollständiger Härtung entspricht seine Dauerfestigkeit der von Fünffarben-Legierungsfedern. Aufgrund der geringen Härtbarkeit wird es jedoch hauptsächlich für kleine Federn wie Druck-/Drehzahlregelungsfedern, Kraftmessfedern, allgemeine mechanische Rund-/Rechteck-Schraubenfedern oder drahtgezogene Stahlfedern für Kleinmaschinen verwendet. Härtungseffekt: Die Oberflächenhärte erreicht 55–65 HRC bei einer Härtetiefe von 0,2–1,5 mm. Es zeichnet sich durch ein gleichmäßiges martensitisches Gefüge und eine deutlich verbesserte Verschleißfestigkeit aus (z. B. erhöht sich die Lebensdauer von Stahl 45 nach dem Abschrecken um das 4- bis 6-Fache). Geeignet für Zahnräder, Bolzen und Wellenkomponenten. Mechanismus: Der ausreichende Kohlenstoffgehalt führt zur Bildung von reichlich Martensit, der während der schnellen Lasererhitzung vollständig austenitisiert und durch Selbstkühlung beim Abschrecken eine vollständige Phasenumwandlung erfährt.

2. Legierter Baustahl (Zusatz von Cr, Ni, Mo und anderen Elementen), typische Werkstoffe:

40Cr: (40Cr fällt unter die Kategorie „legierter Baustahl“ gemäß GB3077. Dieser Stahl enthält 0,37–0,44 % Kohlenstoff, etwas weniger als Stahl 45, bei vergleichbarem Silizium- und Mangangehalt. Er enthält 0,80–1,10 % Chrom. Bei warmgewalzten Anwendungen ist dieser Chromgehalt von 1 % praktisch wirkungslos, da beide Stahlsorten ähnliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Da 40Cr etwa halb so viel kostet wie Stahl 45, wird aus wirtschaftlichen Gründen oft Stahl 45 bevorzugt.)

35CrMo: 35CrMo ist eine Spezifikationsbezeichnung für legierten Baustahl (vergüteter Stahl) gemäß der deutschen Norm 1.7220, der britischen Norm 708A37, der französischen Norm 35CD4 usw. und entspricht GB/T 3077-2015. Er hat einen Kohlenstoffäquivalent von 0,72 % und ist aufgrund seiner geringen Schweißbarkeit nur schwer vorzuwärmen. Dieser Stahl zeichnet sich durch hohe statische Festigkeit und Kerbschlagzähigkeit aus, mit einer Zugfestigkeit von ≥ 985 MPa und einer Streckgrenze von ≥ 835 MPa. Er ist für den Dauereinsatz bei Temperaturen bis zu 500 °C geeignet. Er eignet sich für die Herstellung hochbelasteter mechanischer Bauteile wie Getriebe, Kurbelwellen, Pleuelstangen und Dampfturbinenspindeln in Walzwerken.

20CrMnTi: Ein einsatzgehärteter Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,17–0,24 %, der häufig in der Automobilindustrie für Getriebeteile eingesetzt wird. Als mittelharter Einsatzstahl (Cr-Mn-Ti) zeichnet er sich durch hervorragende Härtbarkeit bei gleichzeitig hoher Kerbschlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen aus. Speziell für die Oberflächenhärtung entwickelt, bietet dieser Stahl ausgezeichnete Zerspanbarkeit mit minimaler Verformung und hervorragender Dauerfestigkeit. Zu seinen Hauptanwendungen zählen die Herstellung von Wellenkomponenten, Kolbenteilen und Spezialbauteilen für Automobile und Flugzeuge.

Abschreckwirkung: Die Härte kann 60~70 HRC erreichen, die Härtetiefe beträgt 0,3~2 mm, Legierungselemente verbessern die Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit (z. B. erhöht sich die Dauerfestigkeit eines 35CrMo-Zahnrads nach dem Abschrecken um 30 %).

Hinweis: Der hohe Legierungsanteil kann die Laserabsorptionsrate verringern. Daher ist es notwendig, die Energieabsorptionseffizienz durch eine Schwärzungsbehandlung (z. B. Phosphatierung und Beschichtung) zu verbessern.

3. Gusseisen (Grauguss, Sphäroguss), typische Werkstoffe:

HT300: Es handelt sich um einen perlitischen, hochfesten Grauguss, der der nationalen Norm GB 9439-88 entspricht. Die Bezeichnung „HT“ steht für Grauguss, „300“ gibt an, dass die Mindestzugfestigkeit eines Prüfstabes mit 30 mm Durchmesser 300 MPa beträgt.

QT600-3: QT600-3 ist ein perlitischer Gusseisen mit Kugelgraphit, der sich durch mittlere bis hohe Festigkeit, mittlere Zähigkeit und Plastizität, hohe Gesamtleistung, gute Verschleißfestigkeit und Schwingungsdämpfung sowie gute Gießeigenschaften auszeichnet. Seine Eigenschaften lassen sich durch verschiedene Wärmebehandlungen gezielt verändern.

Abschreckwirkung: Die Oberflächenhärte kann 45 bis 55 HRC erreichen, die Härtetiefe beträgt 0,1 bis 0,8 mm, und es bildet sich eine Martensit- + Restaustenitstruktur um die Graphitphase, was die Schleifbeständigkeit erhöht (beispielsweise wird der Reibungskoeffizient der Werkzeugmaschinenführungsschiene nach dem Abschrecken um 20 % reduziert).

II. Nichteisenmetalle und ihre Legierungen (neue Anwendungsgebiete)

1. Titanlegierung (Ti-6Al-4V usw.)

Der Begriff Titanlegierung bezeichnet eine Vielzahl von Legierungen aus Titan und anderen Metallen. Titan ist ein wichtiges Konstruktionsmetall, das in den 1950er Jahren entwickelt wurde und sich durch Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohe Hitzebeständigkeit auszeichnet.

Härtungseigenschaften: Durch die Lasererwärmung wird die Bildung von übersättigtem Martensit an der Oberfläche begünstigt, und die Härte erhöht sich von 300 HV auf 500 bis 600 HV, während die Zähigkeit erhalten bleibt (geeignet zur Verstärkung von Triebwerkschaufeln).

  Technische Schwierigkeiten: Da Titanlegierungen eine hohe Laserreflexion (ca. 70%) aufweisen, sollte eine Oberflächenvorbehandlung (z. B. Sandstrahlen) oder ein ultravioletter Laser (Wellenlänge 355 nm, Reflexionsgrad unter 30%) verwendet werden.

2. Aluminiumlegierung (2xxx-Serie, 7xxx-Serie)

Es handelt sich um eine Aluminiumlegierung mit Zusätzen von Elementen wie Kupfer, Silizium, Magnesium, Zink und Mangan. Durch Anpassung des Elementverhältnisses entstehen Legierungen der Serien 1XXX bis 8XXX, die sowohl Reinaluminium als auch Aluminium-Kupfer-Legierungen umfassen. Das Zustandskennzeichnungssystem basiert auf fünf Grundzuständen, darunter F (Freiform) und O (Glühen). Detaillierte Kennzeichnungen wie T6 ermöglichen die präzise Steuerung von Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Abschreckmechanismus: Die Mischkristallverfestigung wird durch schnelles Erhitzen mittels Laser erreicht, und die metastabile Ausscheidungsphase bildet sich nach der Selbstabkühlung (zum Beispiel erhöht sich die Härte der Aluminiumlegierung 7075 nach dem Abschrecken von 150 HV auf 220 HV).

Anwendungsbeschränkungen: Aluminiumlegierungen weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf (die Wärmeleitfähigkeit beträgt etwa 200 W/m K), daher ist ein Hochleistungslaser (≥2 kW) erforderlich, um eine effiziente Erwärmung zu gewährleisten. Außerdem ist es leicht, thermische Spannungsverformungen zu erzeugen.

3. Zinnlegierungen (Messing, Bronze)

Es handelt sich um eine Legierung aus Reinkupfer und einem oder mehreren weiteren Elementen. Anwendungsgebiete: Oberflächenhärtung verschleißfester Bauteile (z. B. Lager, Ventile). Nach dem Laserhärten bildet die Oberfläche eine nanokristalline Struktur, wodurch die Härte um 15 % bis 30 % erhöht wird. Die Temperatur muss jedoch kontrolliert werden, um ein Erweichen der Kupfermatrix zu verhindern.

III. Spezielle Funktionsmaterialien

1. Pulvermetallurgische Werkstoffe (z. B. pulvermetallurgische Bauteile auf Eisen- und Kupferbasis) – Vorteile: Die poröse Struktur speichert Schmieröl, und die Oberfläche wird nach dem Laserhärten dichter. Die Härte steigt von 20–30 HRC auf 50–55 HRC, wodurch sie sich für selbstschmierende Lager eignen.

2. Oberflächenbeschichtungsmaterialien (z. B. thermische Spritzbeschichtungen und Plattierungsschichten) Typische Anwendungen: Nach dem Laserhärten von auf Kohlenstoffstahl gespritzten WC-Co-Beschichtungen bildet sich eine Verbundstruktur aus Martensitmatrix und Hartmetallphase mit einer Härte von über 1000 HV. Diese Werkstoffe werden in verschleißfesten Bauteilen von Bergbaumaschinen eingesetzt.

IV. Materialien, die für das Laserlöschen ungeeignet sind

Niedrigkohlenstoffstahl (Kohlenstoffgehalt Aufgrund des unzureichenden Kohlenstoffgehalts ist die martensitische Umwandlung minimal, was zu geringen Härtungseffekten führt (Härtezunahme

Reiner austenitischer Edelstahl (z. B. 316L): Besitzt keine Fähigkeit zur martensitischen Umwandlung. Lasererwärmung führt lediglich zu Kaltverfestigung mit begrenzter Härteverbesserung (ca. 15–20 %).