Análisis de los tipos y características de los materiales adecuados para la tecnología de temple láser.

I. Materiales de metales ferrosos (actualmente la aplicación más común)

1. Acero de carbono medio y alto (contenido de carbono 0,3%~0,8%), materiales típicos:

acero 45 El acero estructural de carbono medio de alta calidad, denominado S45C en las normas JIS, ASTM 1045/080M46 y DIN C45, es un acero estructural de carbono de primera calidad con la siguiente composición química: 0,42-0,50 % de carbono (C), 0,17-0,37 % de silicio (Si), 0,50-0,80 % de manganeso (Mn) y ≤0,25 % de cromo (Cr). Este material versátil presenta una excelente trabajabilidad en frío y en caliente, propiedades mecánicas superiores, rentabilidad y amplia disponibilidad, lo que lo convierte en un material muy utilizado en aplicaciones industriales. Sin embargo, su principal limitación reside en su baja templabilidad, lo que lo hace inadecuado para la fabricación de componentes que requieren grandes dimensiones transversales o altos estándares de precisión.

Acero T8: Acero para herramientas de carbono eutectoide que presenta alta dureza y resistencia al desgaste tras el temple y revenido, aunque tiene limitaciones como baja templabilidad en caliente, poca templabilidad y susceptibilidad a la deformación por sobrecalentamiento durante el mecanizado. Este material cumple con las normas de la serie GB/T 1298, con un contenido de carbono entre 0,75 % y 0,84 %, lo que lo hace adecuado para la fabricación de matrices de conformado en frío y herramientas de corte de formas sencillas. El proceso de temple requiere refrigeración por agua a 780-800 °C, mientras que el revenido por encima de 250 °C garantiza la estabilidad dimensional. Sin embargo, no se recomienda para aplicaciones que requieran resistencia a cargas de impacto.

Acero 65Mn: Un producto de acero para muelles con alta resistencia después del tratamiento térmico y endurecimiento por trefilado en frío, que ofrece buena flexibilidad y plasticidad. Bajo condiciones superficiales idénticas y endurecimiento completo, su límite de fatiga coincide con el de los muelles de aleación de cinco colores. Sin embargo, debido a su baja templabilidad, se utiliza principalmente para muelles de tamaño pequeño como muelles de ajuste de presión/regulación de velocidad, muelles de medición de fuerza, muelles helicoidales circulares/rectangulares mecánicos generales o muelles de acero trefilado para maquinaria pequeña. Efecto de endurecimiento: La dureza superficial alcanza 55-65 HRC con una profundidad de capa endurecida de 0,2~1,5 mm, presentando una estructura martensítica uniforme y una resistencia al desgaste significativamente mejorada (por ejemplo, la vida útil del acero 45 aumenta 4-6 veces después del temple). Adecuado para engranajes, pasadores y componentes de ejes. Mecanismo: El contenido de carbono suficiente forma abundante martensita, que experimenta una austenización completa durante el calentamiento láser rápido y logra una transformación de fase completa a través del temple por autoenfriamiento.

2. Acero estructural aleado (con adición de Cr, Ni, Mo y otros elementos), materiales típicos:

40 millones de rupias: (El acero 40Cr se clasifica como "acero estructural aleado" según la norma GB3077. Este acero contiene entre un 0,37 % y un 0,44 % de carbono, ligeramente inferior al del acero 45, con un contenido comparable de Si y Mn. Contiene entre un 0,80 % y un 1,10 % de Cr. En aplicaciones de laminado en caliente, este 1 % de Cr resulta prácticamente ineficaz, ya que ambos grados presentan propiedades mecánicas similares. Dado que el acero 40Cr cuesta aproximadamente la mitad que el acero 45, las consideraciones económicas suelen llevar a utilizar el acero 45 en su lugar cuando sea posible.

35CrMo: 35CrMo es un código de especificación para acero estructural aleado (acero aleado templado y revenido), que corresponde a la norma alemana 1.7220, la norma británica 708A37, la norma francesa 35CD4, etc., y cumple con la norma GB/T 3077-2015. Tiene un equivalente de carbono de 0,72 %, y una soldabilidad deficiente que requiere medidas de precalentamiento. Este acero presenta una alta resistencia estática y tenacidad al impacto, con una resistencia a la tracción ≥985MPa y un límite elástico ≥835MPa, capaz de soportar temperaturas de funcionamiento prolongadas de hasta 500℃. Es adecuado para la fabricación de componentes mecánicos de alta carga, como cajas de engranajes, cigüeñales, bielas y husillos de turbinas de vapor en laminadoras.

20CrMnTi: Acero carburizado con un contenido de carbono del 0,17 % al 0,24 %, comúnmente utilizado en la fabricación de automóviles para engranajes de transmisión. Como acero carburizado de endurecimiento medio (Cr-Mn-Ti), presenta una templabilidad excepcional manteniendo una alta tenacidad al impacto a bajas temperaturas. Diseñado específicamente para el endurecimiento superficial por carburación, este acero exhibe una excelente maquinabilidad con mínima deformación y una extraordinaria resistencia a la fatiga. Sus principales aplicaciones incluyen la fabricación de componentes de ejes, piezas de pistones y componentes especializados para automóviles y aeronaves.

Efecto de extinción: La dureza puede alcanzar entre 60 y 70 HRC, la profundidad de la capa endurecida es de 0,3 a 2 mm, y los elementos de aleación mejoran la templabilidad y la resistencia a la corrosión (por ejemplo, en el engranaje de 35CrMo, la resistencia a la fatiga después del temple aumentó en un 30%).

Nota: El alto contenido de aleación puede reducir la tasa de absorción del láser, por lo que es necesario mejorar la eficiencia de absorción de energía mediante un tratamiento de ennegrecimiento (como el fosfatado y el recubrimiento).

3. Hierro fundido (hierro fundido gris, hierro fundido dúctil), materiales típicos:

HT300: Es un hierro fundido gris de alta resistencia tipo perlita, que cumple con la norma nacional GB 9439-88. Su nombre "HT" representa hierro fundido gris, y "300" indica que la resistencia a la tracción mínima de una varilla de prueba de 30 mm de diámetro es de 300 MPa.

QT600-3: El QT600-3 es un hierro dúctil con cuerpo perlítico, de resistencia media a alta, tenacidad y plasticidad medias, alto rendimiento integral, buena resistencia al desgaste y amortiguación de vibraciones, y buenas características de proceso de fundición. Sus propiedades pueden modificarse mediante diversos tratamientos térmicos.

Efecto de extinción: La dureza superficial puede alcanzar entre 45 y 55 HRC, la profundidad de la capa endurecida es de 0,1 a 0,8 mm, y la estructura de martensita + austenita residual se forma alrededor de la fase de grafito, lo que mejora la capacidad antiafilado (por ejemplo, el coeficiente de fricción del riel guía de la máquina herramienta después del temple se reduce en un 20%).

II. Metales no ferrosos y sus aleaciones (campos de aplicación emergentes)

1. Aleación de titanio (Ti-6Al-4V, etc.)

La aleación de titanio se refiere a una variedad de aleaciones hechas con titanio y otros metales. El titanio es un metal estructural importante desarrollado en la década de 1950; sus aleaciones se caracterizan por su resistencia, resistencia a la corrosión y alta resistencia al calor.

Características de endurecimiento: El calentamiento por láser favorece la formación de martensita sobresaturada en la superficie, y la dureza aumenta de 300 HV a 500-600 HV, manteniendo una buena tenacidad (adecuada para el refuerzo de álabes de motores aeronáuticos).

  Dificultad técnica: La aleación de titanio tiene una alta reflectividad láser (alrededor del 70%), por lo que se debe utilizar un pretratamiento de la superficie (como el arenado) o un láser ultravioleta (longitud de onda de 355 nm, reflectividad inferior al 30%).

2. Aleación de aluminio (serie 2xxx, serie 7xxx)

Se trata de una aleación de aluminio con elementos añadidos como cobre, silicio, magnesio, zinc y manganeso. Mediante ajustes en la proporción de estos elementos, se forman las series 1XXX a 8XXX, que abarcan aluminio puro industrial y aleaciones de aluminio-cobre. Su sistema de codificación de estados se basa en cinco estados fundamentales, entre los que se incluyen F (mecanizado libre) y O (recocido), con códigos detallados como T6 que permiten un control preciso de la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión.

Mecanismo de enfriamiento: El endurecimiento por solución sólida se logra mediante el calentamiento rápido con láser, y la fase precipitada metaestable se forma después del enfriamiento natural (por ejemplo, la dureza de la aleación de aluminio 7075 aumenta de 150 HV a 220 HV después del temple).

Limitaciones de la aplicación: La aleación de aluminio tiene una alta conductividad térmica (de aproximadamente 200 W/m K), por lo que se requiere un láser de alta potencia (≥2 kW) para garantizar la eficiencia del calentamiento, y es fácil que se produzcan deformaciones por tensión térmica.

3. Aleaciones de estaño (latón, bronce)

Se trata de una aleación compuesta de cobre puro con uno o más elementos adicionales. Aplicaciones: Endurecimiento superficial de componentes resistentes al desgaste (p. ej., cojinetes, válvulas). Tras el temple láser, la superficie forma una estructura nanocristalina, lo que aumenta la dureza entre un 15 % y un 30 %. Sin embargo, es necesario controlar la temperatura de calentamiento para evitar el ablandamiento de la matriz de cobre.

III. Materiales funcionales especiales

1. Materiales de metalurgia de polvos (por ejemplo, componentes metalúrgicos de polvos a base de hierro y cobre). Ventajas: Su estructura porosa permite almacenar aceite lubricante, y la superficie se vuelve más densa tras el temple láser. La dureza aumenta de 20-30 HRC a 50-55 HRC, lo que los hace adecuados para cojinetes autolubricantes.

2. Materiales de recubrimiento superficial (p. ej., recubrimientos por proyección térmica y capas de revestimiento). Aplicaciones típicas: Tras el temple láser de recubrimientos de WC-Co aplicados por proyección térmica sobre superficies de acero al carbono, se forma una estructura compuesta de "matriz de martensita + fase de carburo cementado", alcanzando una dureza superior a 1000 HV. Estos materiales se utilizan en componentes resistentes al desgaste de maquinaria minera.

IV. Materiales no aptos para el enfriamiento por láser

Acero bajo en carbono (contenido de carbono Debido a su bajo contenido de carbono, la transformación martensítica es mínima, lo que resulta en un endurecimiento deficiente (aumento de la dureza

Acero inoxidable austenítico puro (por ejemplo, 316L): Carece de capacidad de transformación martensítica. El calentamiento por láser solo provoca endurecimiento por deformación con una mejora limitada de la dureza (aproximadamente entre un 15 % y un 20 %).