Phân tích các loại vật liệu và đặc tính phù hợp với công nghệ tôi bằng laser.

I. Vật liệu kim loại đen (hiện là ứng dụng phổ biến nhất)

1. Thép cacbon trung bình và cao (hàm lượng cacbon 0,3%~0,8%), vật liệu điển hình:

Thép 45 Thép kết cấu cacbon trung bình chất lượng cao (S45C), được ký hiệu theo tiêu chuẩn JIS, ASTM 1045/080M46 và DIN C45, là loại thép kết cấu cacbon cao cấp với thành phần hóa học như sau: 0,42-0,50% cacbon (C), 0,17-0,37% silic (Si), 0,50-0,80% mangan (Mn) và ≤0,25% crom (Cr). Vật liệu đa năng này thể hiện khả năng gia công nguội/nóng tuyệt vời, tính chất cơ học vượt trội, hiệu quả về chi phí và nguồn cung dồi dào, do đó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, hạn chế chính của nó nằm ở khả năng tôi cứng thấp, khiến nó không phù hợp để sản xuất các bộ phận yêu cầu kích thước mặt cắt ngang lớn hoặc tiêu chuẩn độ chính xác cao.

Thép T8: Thép công cụ cacbon eutectoid này có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao sau khi tôi và ram, tuy nhiên vẫn có những hạn chế như khả năng tôi nóng thấp, khả năng tôi kém và dễ bị biến dạng do quá nhiệt trong quá trình gia công. Vật liệu này tuân thủ các tiêu chuẩn GB/T 1298, có hàm lượng cacbon từ 0,75% đến 0,84%, thích hợp để chế tạo khuôn dập nguội và dụng cụ cắt có hình dạng đơn giản. Quá trình tôi cần làm mát bằng nước ở nhiệt độ 780-800°C, trong khi ram ở nhiệt độ trên 250°C đảm bảo độ ổn định kích thước. Tuy nhiên, vật liệu này không được khuyến khích sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu khả năng chịu tải trọng va đập.

Thép 65 triệu: Sản phẩm thép lò xo có độ bền cao sau khi xử lý nhiệt và tôi cứng bằng kéo nguội, mang lại độ dẻo và tính đàn hồi tốt. Trong điều kiện bề mặt giống nhau và tôi cứng hoàn toàn, giới hạn mỏi của nó tương đương với lò xo hợp kim ngũ sắc. Tuy nhiên, do khả năng tôi cứng kém, nó chủ yếu được sử dụng cho các lò xo cỡ nhỏ như lò xo điều chỉnh áp suất/tốc độ, lò xo đo lực, lò xo xoắn tròn/chữ nhật cơ khí thông thường, hoặc lò xo thép kéo dây cho máy móc nhỏ. Hiệu quả tôi cứng: Độ cứng bề mặt đạt 55-65 HRC với độ sâu lớp tôi cứng 0,2~1,5mm, có cấu trúc mactenxit đồng nhất và khả năng chống mài mòn được cải thiện đáng kể (ví dụ, tuổi thọ mài mòn của thép 45 tăng 4-6 lần sau khi tôi). Thích hợp cho bánh răng, chốt và các bộ phận trục. Cơ chế: Hàm lượng cacbon đủ tạo thành mactenxit dồi dào, trải qua quá trình austenit hóa hoàn toàn trong quá trình nung nóng nhanh bằng laser và đạt được sự chuyển đổi pha hoàn toàn thông qua quá trình tôi tự làm mát.

2. Thép kết cấu hợp kim (có thêm Cr, Ni, Mo và các nguyên tố khác), vật liệu điển hình:

40Cr: (Thép 40Cr thuộc loại "thép kết cấu hợp kim" theo định nghĩa trong tiêu chuẩn GB3077. Loại thép này chứa 0,37%-0,44% cacbon, thấp hơn một chút so với thép 45, với hàm lượng Si và Mn tương đương. Nó chứa 0,80%-1,10% Cr. Trong các ứng dụng cán nóng, hàm lượng Cr 1% này về cơ bản là không đáng kể, vì cả hai loại thép đều thể hiện các tính chất cơ học tương tự. Do giá thành của thép 40Cr chỉ bằng khoảng một nửa so với thép 45, nên các yếu tố kinh tế thường dẫn đến việc sử dụng thép 45 thay thế khi có thể.)

35CrMo: 35CrMo là mã kỹ thuật của thép kết cấu hợp kim (thép hợp kim tôi và ram), tương ứng với tiêu chuẩn Đức 1.7220, tiêu chuẩn Anh 708A37, tiêu chuẩn Pháp 35CD4, v.v., tuân thủ tiêu chuẩn GB/T 3077-2015. Thép này có hàm lượng cacbon tương đương 0,72%, khả năng hàn kém, cần có biện pháp gia nhiệt trước khi hàn. Loại thép này có độ bền tĩnh và độ dẻo dai va đập cao, với độ bền kéo ≥985MPa và độ bền chảy ≥835MPa, có khả năng chịu được nhiệt độ hoạt động lâu dài lên đến 500℃. Nó thích hợp để chế tạo các chi tiết cơ khí chịu tải trọng cao như hộp số, trục khuỷu, thanh truyền và trục tuabin hơi trong các nhà máy cán thép.

20CrMnTi: Thép thấm cacbon có hàm lượng cacbon từ 0,17% đến 0,24%, thường được sử dụng trong sản xuất ô tô cho các bánh răng truyền động. Là loại thép thấm cacbon có độ cứng trung bình (Cr-Mn-Ti), nó thể hiện khả năng tôi cứng vượt trội trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai va đập ở nhiệt độ thấp cao. Được thiết kế đặc biệt để tôi cứng bề mặt bằng phương pháp thấm cacbon, loại thép này có khả năng gia công tuyệt vời với độ biến dạng tối thiểu và khả năng chống mỏi vượt trội. Các ứng dụng chính của nó bao gồm sản xuất các bộ phận trục, các bộ phận piston và các bộ phận chuyên dụng cho ô tô và máy bay.

Hiệu ứng dập tắt: Độ cứng có thể đạt 60~70 HRC, độ sâu lớp tôi cứng 0,3~2mm, các nguyên tố hợp kim cải thiện khả năng tôi cứng và chống ăn mòn (ví dụ như bánh răng 35CrMo sau khi tôi cứng có độ bền mỏi tăng 30%).

Lưu ý: Hàm lượng hợp kim cao có thể làm giảm tỷ lệ hấp thụ laser, do đó cần tăng cường hiệu quả hấp thụ năng lượng thông qua xử lý làm đen (như phốt phát hóa và phủ lớp).

3. Gang (gang xám, gang dẻo), các vật liệu điển hình:

HT300: Đây là loại gang xám cường độ cao dạng perlit, thực hiện theo tiêu chuẩn quốc gia GB 9439-88, tên gọi "HT" đại diện cho gang xám, "300" cho biết cường độ kéo tối thiểu của thanh thử đường kính 30mm là 300MPa.

QT600-3: QT600-3 là gang dẻo thân pealit, có độ bền trung bình đến cao, độ dẻo dai và độ đàn hồi trung bình, hiệu suất tổng thể cao, khả năng chống mài mòn và giảm chấn rung tốt, đặc tính gia công đúc tốt. Nó có thể thay đổi các đặc tính của mình thông qua các phương pháp xử lý nhiệt khác nhau.

Hiệu ứng dập tắt: Độ cứng bề mặt có thể đạt 45~55 HRC, độ sâu lớp tôi cứng 0,1~0,8mm, và cấu trúc mactenxit + austenit dư được hình thành xung quanh pha graphit, giúp tăng cường khả năng chống mài mòn (ví dụ, hệ số ma sát của ray dẫn hướng máy công cụ sau khi tôi cứng giảm 20%).

II. Kim loại màu và hợp kim của chúng (các lĩnh vực ứng dụng mới nổi)

1. Hợp kim titan (Ti-6Al-4V, v.v.)

Hợp kim titan là tên gọi chung cho nhiều loại hợp kim được tạo ra từ titan và các kim loại khác. Titan là một kim loại cấu trúc quan trọng được phát triển vào những năm 1950, hợp kim titan có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và khả năng chịu nhiệt cao.

Đặc tính làm cứng: Việc gia nhiệt bằng laser thúc đẩy sự hình thành mactenxit bão hòa quá mức trên bề mặt, và độ cứng tăng từ 300 HV lên 500~600 HV, đồng thời vẫn duy trì độ dẻo dai tốt (thích hợp cho việc gia cường cánh quạt động cơ máy bay).

  Sự cố kỹ thuật: Hợp kim titan có độ phản xạ laser cao (khoảng 70%), do đó cần phải xử lý bề mặt trước (như phun cát) hoặc sử dụng laser tia cực tím (bước sóng 355nm, độ phản xạ dưới 30%).

2. Hợp kim nhôm (dòng 2xxx, dòng 7xxx)

Đây là vật liệu hợp kim gốc nhôm có chứa các nguyên tố bổ sung như đồng, silic, magie, kẽm và mangan. Thông qua việc điều chỉnh tỷ lệ các nguyên tố, nó tạo thành chuỗi 1XXX đến 8XXX bao gồm nhôm nguyên chất công nghiệp và hợp kim nhôm-đồng. Hệ thống mã trạng thái của nó dựa trên năm trạng thái cơ bản bao gồm F (gia công tự do) và O (ủ), với các mã chi tiết như T6 cho phép kiểm soát chính xác các đặc tính về độ bền và khả năng chống ăn mòn.

Cơ chế dập tắt: Sự tăng cường độ bền dung dịch rắn đạt được nhờ quá trình nung nóng nhanh bằng laser, và pha kết tủa không bền được hình thành sau khi tự làm nguội (ví dụ, độ cứng của hợp kim nhôm 7075 tăng từ 150 HV lên 220 HV sau khi tôi).

Hạn chế của ứng dụng: Hợp kim nhôm có độ dẫn nhiệt cao (độ dẫn nhiệt khoảng 200 W/m K), cần laser công suất cao (≥2 kW) để đảm bảo hiệu quả gia nhiệt, và dễ gây ra biến dạng do ứng suất nhiệt.

3. Hợp kim thiếc (đồng thau, đồng đỏ)

Đây là hợp kim gồm đồng nguyên chất với một hoặc nhiều nguyên tố khác. Ứng dụng: Làm cứng bề mặt các chi tiết chịu mài mòn (ví dụ: ổ bi, van). Sau khi tôi bằng laser, bề mặt hình thành cấu trúc tinh thể nano, làm tăng độ cứng từ 15% đến 30%. Tuy nhiên, nhiệt độ nung phải được kiểm soát để tránh làm mềm ma ​​trận đồng.

III. Vật liệu chức năng đặc biệt

1. Vật liệu luyện kim bột (ví dụ: các thành phần luyện kim bột gốc sắt và gốc đồng) Ưu điểm: Cấu trúc xốp có thể lưu trữ dầu bôi trơn, bề mặt trở nên đặc hơn sau khi tôi bằng laser. Độ cứng tăng từ 20-30 HRC lên 50-55 HRC, thích hợp cho các ổ trục tự bôi trơn.

2. Vật liệu phủ bề mặt (ví dụ: lớp phủ phun nhiệt và lớp phủ bảo vệ) Ứng dụng điển hình: Sau khi tôi bằng laser các lớp phủ WC-Co phun trên bề mặt thép carbon, một cấu trúc hỗn hợp "ma trận mactenxit + pha cacbua xi măng" được hình thành, đạt độ cứng vượt quá 1000 HV. Các vật liệu này được sử dụng trong các bộ phận chịu mài mòn của máy móc khai thác mỏ.

IV. Các vật liệu không thích hợp cho quá trình làm nguội bằng laser

Thép cacbon thấp (hàm lượng cacbon Do hàm lượng cacbon không đủ, quá trình chuyển hóa mactenxit diễn ra tối thiểu, dẫn đến hiệu quả làm cứng kém (độ cứng tăng

Thép không gỉ austenit nguyên chất (ví dụ: 316L): Không có khả năng chuyển hóa mactenxit. Gia nhiệt bằng laser chỉ gây ra hiện tượng cứng hóa do biến dạng với mức độ cải thiện độ cứng hạn chế (khoảng 15% - 20%).