Análise dos tipos e características dos materiais adequados para a tecnologia de têmpera a laser

I. Materiais de metais ferrosos (atualmente a aplicação mais comum)

1. Aço com médio e alto teor de carbono (teor de carbono de 0,3% a 0,8%), materiais típicos:

45 aço O aço estrutural de médio carbono de alta qualidade, designado como S45C nas normas JIS, ASTM 1045/080M46 e DIN C45, é um aço estrutural de carbono premium com a seguinte composição química: 0,42-0,50% de carbono (C), 0,17-0,37% de silício (Si), 0,50-0,80% de manganês (Mn) e ≤0,25% de cromo (Cr). Este material versátil demonstra excelente trabalhabilidade a frio e a quente, propriedades mecânicas superiores, custo-benefício e ampla disponibilidade, o que o torna amplamente utilizado em aplicações industriais. No entanto, sua principal limitação reside na baixa temperabilidade, o que o torna inadequado para a fabricação de componentes que exigem grandes dimensões de seção transversal ou padrões de alta precisão.

Aço T8: Um aço ferramenta carbono eutetóide que apresenta alta dureza e resistência ao desgaste após têmpera e revenido, embora possua limitações como baixa temperabilidade a quente, baixa temperabilidade e suscetibilidade à deformação por superaquecimento durante a usinagem. Este material está em conformidade com as normas da série GB/T 1298, contendo teor de carbono entre 0,75% e 0,84%, o que o torna adequado para a fabricação de matrizes de conformação a frio e ferramentas de corte de formato simples. O processo de têmpera requer resfriamento em água a 780-800°C, enquanto o revenido acima de 250°C garante estabilidade dimensional. No entanto, não é recomendado para aplicações que exigem resistência a cargas de impacto.

Aço 65Mn: Um aço para molas com alta resistência após tratamento térmico e têmpera por trefilação a frio, oferecendo boa flexibilidade e plasticidade. Sob condições de superfície idênticas e têmpera completa, seu limite de fadiga se equipara ao de molas de liga de cinco cores. No entanto, devido à baixa temperabilidade, é utilizado principalmente em molas de pequeno porte, como molas de ajuste de pressão/regulação de velocidade, molas de medição de força, molas helicoidais circulares/retangulares para aplicações mecânicas em geral ou molas de aço trefilado para máquinas de pequeno porte. Efeito da têmpera: A dureza superficial atinge 55-65 HRC com uma profundidade da camada endurecida de 0,2 a 1,5 mm, apresentando estrutura martensítica uniforme e resistência ao desgaste significativamente melhorada (por exemplo, a vida útil do aço 45 aumenta de 4 a 6 vezes após a têmpera). Adequado para engrenagens, pinos e componentes de eixos. Mecanismo: O teor suficiente de carbono forma martensita abundante, que sofre austenitização completa durante o aquecimento rápido a laser e atinge a transformação de fase completa por meio da têmpera com resfriamento automático.

2. Aço estrutural ligado (com adição de Cr, Ni, Mo e outros elementos), materiais típicos:

40Cr: (O aço 40Cr se enquadra na categoria de "aço estrutural ligado", conforme definido na norma GB3077. Este aço contém de 0,37% a 0,44% de carbono, um pouco menos que o aço 45, com teores comparáveis ​​de Si e Mn. Contém de 0,80% a 1,10% de Cr. Em aplicações de laminação a quente, esse teor de 1% de Cr é essencialmente ineficaz, visto que ambos os tipos de aço apresentam propriedades mecânicas semelhantes. Considerando que o aço 40Cr custa cerca de metade do preço do aço 45, as considerações econômicas muitas vezes levam à utilização do aço 45 em seu lugar, quando possível.)

35CrMo: 35CrMo é um código de especificação para aço estrutural ligado (aço ligado temperado e revenido), correspondente às normas alemãs 1.7220, britânicas 708A37, francesas 35CD4, etc., em conformidade com a norma GB/T 3077-2015. Possui um equivalente de carbono de 0,72%, baixa soldabilidade, exigindo medidas de pré-aquecimento. Este aço apresenta alta resistência estática e tenacidade ao impacto, com resistência à tração ≥985MPa e limite de escoamento ≥835MPa, capaz de suportar temperaturas de operação de até 500°C por longos períodos. É adequado para a fabricação de componentes mecânicos de alta carga, como caixas de engrenagens, virabrequins, bielas e eixos de turbinas a vapor em laminadores.

20CrMnTi: Um aço cementado com teor de carbono de 0,17% a 0,24%, comumente usado na fabricação de engrenagens de transmissão automotiva. Como um aço cementado de média dureza (Cr-Mn-Ti), demonstra excepcional temperabilidade, mantendo alta resistência ao impacto em baixas temperaturas. Projetado especificamente para endurecimento por cementação superficial, este aço apresenta excelente usinabilidade com mínima deformação e excepcional resistência à fadiga. Suas principais aplicações incluem a fabricação de componentes de eixos, peças de pistões e componentes especiais para automóveis e aeronaves.

Efeito de extinção: A dureza pode atingir 60~70 HRC, a profundidade da camada endurecida é de 0,3~2 mm, e os elementos de liga melhoram a temperabilidade e a resistência à corrosão (como, por exemplo, a resistência à fadiga de uma engrenagem de 35CrMo após têmpera aumentou em 30%).

Nota: O alto teor de liga pode reduzir a taxa de absorção do laser, sendo necessário aumentar a eficiência de absorção de energia por meio de tratamento de escurecimento (como fosfatização e revestimento).

3. Ferro fundido (ferro fundido cinzento, ferro fundido nodular), materiais típicos:

HT300: É um ferro fundido cinzento de alta resistência do tipo perlita, que atende à norma nacional GB 9439-88. Sua designação, "HT", representa ferro fundido cinzento, e "300" indica que a resistência mínima à tração de uma barra de teste com 30 mm de diâmetro é de 300 MPa.

QT600-3: O QT600-3 é um ferro fundido nodular com corpo perlítico, de resistência média a alta, tenacidade e plasticidade médias, alto desempenho geral, boa resistência ao desgaste e amortecimento de vibrações, além de boas características de processo de fundição. Suas propriedades podem ser alteradas por meio de diversos tratamentos térmicos.

Efeito de extinção: A dureza superficial pode atingir 45~55 HRC, a profundidade da camada endurecida 0,1~0,8 mm, e a estrutura de martensita + austenita residual é formada ao redor da fase de grafite, o que aumenta a capacidade de resistência ao desgaste (por exemplo, o coeficiente de atrito do trilho guia da máquina-ferramenta após o resfriamento é reduzido em 20%).

II. Metais não ferrosos e suas ligas (campos de aplicação emergentes)

1. Liga de titânio (Ti-6Al-4V, etc.)

Liga de titânio refere-se a uma variedade de ligas feitas com titânio e outros metais. O titânio é um importante metal estrutural desenvolvido na década de 1950, sendo a liga de titânio caracterizada por sua resistência, resistência à corrosão e alta resistência ao calor.

Características de endurecimento: O aquecimento a laser promove a formação de martensita supersaturada na superfície, e a dureza aumenta de 300 HV para 500~600 HV, mantendo uma boa tenacidade (adequado para reforço de pás de motores aeronáuticos).

  Dificuldade técnica: A liga de titânio possui alta refletividade a laser (cerca de 70%), portanto, deve-se utilizar pré-tratamento de superfície (como jateamento de areia) ou laser ultravioleta (comprimento de onda de 355 nm, refletividade abaixo de 30%).

2. Liga de alumínio (séries 2xxx e 7xxx)

Trata-se de uma liga de alumínio com adição de elementos como cobre, silício, magnésio, zinco e manganês. Através do ajuste da proporção desses elementos, forma-se a série 1XXX a 8XXX, que abrange o alumínio puro industrial e as ligas de alumínio-cobre. Seu sistema de classificação é baseado em cinco estados fundamentais, incluindo F (usinagem livre) e O (recozimento), com códigos detalhados como T6, que permitem o controle preciso das propriedades de resistência mecânica e à corrosão.

Mecanismo de extinção: O fortalecimento por solução sólida é obtido pelo aquecimento rápido a laser, e a fase precipitada metaestável é formada após o auto-resfriamento (por exemplo, a dureza da liga de alumínio 7075 aumenta de 150 HV para 220 HV após o resfriamento rápido).

Limitações da aplicação: A liga de alumínio possui alta condutividade térmica (cerca de 200 W/m K), sendo necessário um laser de alta potência (≥2 kW) para garantir a eficiência do aquecimento, além de ser suscetível à deformação por tensão térmica.

3. Ligas de estanho (latão, bronze)

Trata-se de uma liga composta de cobre puro com um ou mais elementos adicionais. Aplicações: Endurecimento superficial de componentes resistentes ao desgaste (ex.: rolamentos, válvulas). Após o tratamento térmico a laser, a superfície forma uma estrutura nanocristalina, aumentando a dureza em 15% a 30%. No entanto, a temperatura de aquecimento deve ser controlada para evitar o amolecimento da matriz de cobre.

III. Materiais Funcionais Especiais

1. Materiais de Metalurgia do Pó (ex.: componentes de metalurgia do pó à base de ferro e cobre) Vantagens: A estrutura porosa permite o armazenamento de óleo lubrificante, e a superfície torna-se mais densa após o resfriamento a laser. A dureza aumenta de 20-30 HRC para 50-55 HRC, tornando-os adequados para mancais autolubrificantes.

2. Materiais de Revestimento de Superfície (ex.: revestimentos por aspersão térmica e camadas de revestimento) Aplicações Típicas: Após o resfriamento a laser de revestimentos de WC-Co aplicados em superfícies de aço carbono, forma-se uma estrutura composta de "matriz martensítica + fase de carboneto cimentado", atingindo uma dureza superior a 1000 HV. Esses materiais são utilizados em componentes resistentes ao desgaste de máquinas de mineração.

IV. Materiais inadequados para extinção a laser

Aço de baixo carbono (teor de carbono Devido ao teor insuficiente de carbono, a transformação martensítica é mínima, resultando em efeitos de endurecimento deficientes (aumento de dureza

Aço inoxidável austenítico puro (ex.: 316L): Não possui capacidade de transformação martensítica. O aquecimento a laser causa apenas endurecimento por deformação, com um aumento limitado na dureza (aproximadamente 15% a 20%).