Sự khác biệt giữa bột gốc sắt và bột gốc niken trong công nghệ phủ laser
Trong quá trình phủ laser các chi tiết gang, việc lựa chọn bột gốc sắt hay bột gốc niken ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, các kịch bản ứng dụng và chi phí của lớp phủ. Sự khác biệt cốt lõi giữa hai loại bột này thể hiện ở thành phần, hiệu suất, khả năng thích ứng quy trình và các kịch bản ứng dụng như sau:
1. Sự khác biệt về thành phần
| Dạng bột | Thành phần chính | Các nguyên tố hợp kim điển hình |
| Bột gốc sắt | Dựa trên hàm lượng Fe (thường > 50%) | Thường chứa Cr, Ni, Mo, Si, B, v.v. (ví dụ như hệ Fe-Cr-Ni-Mo, hệ Fe-Si-B) |
| Bột gốc niken | Dựa trên hàm lượng Ni (thường > 50%) | Thường chứa Cr, Mo, W, Co, Si, B, v.v. (ví dụ như hệ Ni-Cr-Mo, hệ Ni-Cr-B-Si) |
2. So sánh hiệu năng cốt lõi
1) Tính chất cơ học
Bột gốc sắt:
• Độ cứng cao (HRC 30-60, với điều chỉnh thành phần, loại có hàm lượng Cr, Mo cao có thể đạt HRC 50 trở lên), khả năng chống mài mòn tốt;
• Độ bền gần bằng với độ bền của nền gang (độ bền kéo 500-1000MPa), khả năng tương thích luyện kim tốt hơn với gang, và độ bền liên kết giữa lớp phủ và nền cao (thường >300MPa);
• Các mẫu có độ giòn trung bình, độ cứng cao có thể nhạy cảm với vết nứt nhất định (quá trình phủ cần được kiểm soát để giảm ứng suất).
Bột gốc niken:
• Độ cứng trung bình (HRC 20-45, loại hợp kim thấp mềm hơn, loại Cr cao, loại W có thể đạt HRC 40-50), nhưng độ dẻo dai tuyệt vời, khả năng chống va đập tốt hơn so với bột gốc sắt;
• Độ bền kéo thấp hơn một chút so với bột hợp kim sắt cao cấp (400-800MPa), nhưng độ dẻo tốt hơn (độ giãn dài >10%, bột sắt thường
• Độ bền liên kết với gang hơi thấp hơn (thường là 200-300MPa), nhưng độ nhạy nứt thấp, không dễ bị nứt nguội (do tính dẻo dai và đặc tính ứng suất thấp của niken).
2) Khả năng chống ăn mòn
Bột sắt: khả năng chống ăn mòn trung bình. Bột sắt thông thường (hàm lượng Cr thấp) có khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường khí quyển và nước ngọt, nhưng dễ bị gỉ trong môi trường axit và kiềm. Loại có hàm lượng Cr cao (hàm lượng Cr > 12%) có khả năng chống ăn mòn được cải thiện, nhưng vẫn không tốt bằng bột niken.
Bột gốc niken: khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, đặc biệt trong môi trường nhiệt độ cao, ẩm ướt, axit và kiềm (như axit hữu cơ, kiềm yếu) (vì Ni và Cr tạo thành một lớp màng oxit dày đặc), thích hợp cho các điều kiện ăn mòn.
3) Khả năng chịu nhiệt
Bột sắt: khả năng chịu nhiệt nói chung, nhiệt độ làm việc lâu dài thường
Bột niken: có khả năng chịu nhiệt cao, có thể hoạt động ổn định trong môi trường nhiệt độ cao từ 600-1000℃ (ví dụ như bột niken có chứa các nguyên tố Cr và W, có khả năng chống oxy hóa và chống mỏi nhiệt tuyệt vời).
4) Khả năng tương thích với chất nền gang
Bột gốc sắt: có hệ số giãn nở nhiệt gần với gang (gốc Fe) (bột gốc sắt khoảng 11-14×10⁻⁶/℃, gang khoảng 10-12×10⁻⁶/℃), ứng suất nhiệt nhỏ trong quá trình phủ, không dễ bị nứt do chênh lệch giãn nở nhiệt (đặc biệt thích hợp cho lớp phủ dày).
Bột niken: Hệ số giãn nở nhiệt tương đối cao (khoảng 13-16×10⁻⁶/℃), hơi khác so với gang. Nó dễ bị nứt do ứng suất nhiệt trong quá trình phủ lớp dày, cần được khắc phục bằng cách nung nóng trước, làm nguội chậm hoặc phủ lớp nhiều lớp.
3. Sự khác biệt về khả năng thích ứng của quy trình
Bột gốc sắt:
• Độ nhạy thấp với công suất laser, độ lỏng trung bình của vũng nóng chảy, dễ tạo thành lớp phủ phẳng;
• Chứa các nguyên tố khử oxy như Si và B, có khả năng chịu đựng cao đối với các tạp chất như C và S trong gang (không dễ tạo lỗ rỗ);
• Tỷ lệ pha loãng của lớp phủ (tỷ lệ kim loại nền được trộn vào lớp phủ) tương đối khó kiểm soát, thường được kiểm soát ở mức 10%-20% (tỷ lệ quá cao có thể làm giảm độ cứng).
Bột gốc niken:
• Tỷ lệ hấp thụ laser cao, độ chảy của vũng nóng chảy tốt (đặc biệt là bột gốc niken có chứa B và Si), dễ dàng tạo được lớp phủ mỏng và đồng đều;
• Nhạy cảm với cacbon trong gang. Nếu chất nền có hàm lượng cacbon cao (như gang xám), dễ hình thành các pha giòn (như cacbua mạng) do sự khuếch tán của cacbon vào lớp phủ. Cần phải kiểm soát chặt chẽ các thông số laser (như giảm công suất và tăng tốc độ quét) để giảm tỷ lệ pha loãng (thường yêu cầu nhỏ hơn 10%);
• Dễ dàng phản ứng với lưu huỳnh (S) trong gang để tạo thành hợp kim eutectic có điểm nóng chảy thấp (như Ni₃S₂), dẫn đến nứt do nhiệt. Cần đảm bảo loại bỏ các sunfua trên bề mặt trong quá trình xử lý sơ bộ các chi tiết gang.
4. Chi phí và các kịch bản ứng dụng
| Kích thước | Bột gốc sắt | Bột gốc niken |
| Trị giá | Giá thành thấp hơn (khoảng 1/3-1/2 so với bột niken), tiết kiệm chi phí. | Cao (do giá kim loại Ni cao), áp lực chi phí cao |
| Các trường hợp áp dụng | 1. Điều kiện làm việc đòi hỏi khả năng chống mài mòn cao và khả năng chống ăn mòn trung bình (chẳng hạn như ray dẫn hướng máy công cụ và sửa chữa con lăn); 2. Phục hồi kích thước hoặc tăng cường bề mặt các bộ phận gang với chi phí thấp, số lượng lớn; 3. Yêu cầu đối với các lớp phủ dày (>2mm) (chẳng hạn như sửa chữa mài mòn các bộ phận gang đúc lớn). | 1. Điều kiện làm việc đòi hỏi khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt cao (như thiết bị hóa chất, van chịu nhiệt độ cao); 2. Các trường hợp yêu cầu độ bền và khả năng chống va đập tuyệt vời (chẳng hạn như bề mặt răng bánh răng, búa máy nghiền); 3. Gia công phủ chính xác các chi tiết gang thành mỏng hoặc có hình dạng phức tạp (như khuôn mẫu, các bộ phận thủy lực). |
Bản tóm tắt
• Bột sắt được ưa chuộng trong các trường hợp: chi phí thấp và khả năng chống mài mòn cao, đồng thời điều kiện làm việc không yêu cầu khả năng chống ăn mòn mạnh hoặc nhiệt độ cao (ví dụ như sửa chữa các bộ phận cơ khí thông thường).
• Bột gốc niken được ưa chuộng trong các trường hợp: khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt hoặc độ dẻo dai cao, và chi phí cao hơn được chấp nhận (ví dụ như tăng cường độ bền cho các chi tiết gang đúc chính xác trong điều kiện làm việc đặc biệt).
