Su Kien 2016

Nhiệt luyện kim loại bằng tia laser một giải pháp mới trong ngành chế tạo máy

Thứ hai - 23/05/2016 21:24
Nhiệt luyện kim loại bằng tia Laser đã được ứng dụng trong ngành chế tạo máy bằng phương pháp gia công nhiệt cục bộ với nguồn năng lượng tập trung cho những bề mặt phức tạp và khó tiếp cận, tạo điều kiện tốt cho quá trình nhiệt luyện những chi tiết có bề mặt lớn và phức tạp.
 Laser (Light Amplification Simulated Emission of Radiation) là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức. Gia công chùm tia Laser là quá trình xử lý nhiệt trong đó tia Laser được dùng làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu.
Gia công bằng tia Laser thường được sử dụng trong các quy trình công nghệ mới trong đó đảm bảo tăng năng suất, độ tin cậy và chất lượng cao mà các phương pháp truyền thóng khác không thể đạt được.
Những công trình sử dụng Laser đầu tiên trong chế tạo máy được áp dụng ở Thụy sỹ. Từ năm 1966, với việc đưa vào sản xuất thiết bị khoan tự động bằng Laser các ổ trục của đồng hồ, gia công Laser đã phát triển nhanh chóng. Ngày nay, trong các công nghệ hiện đại như nhiệt luyện, hàn, khoan lỗ,… đều sử dụng Laser.
 Công nghệ nhiệt luyện bằng tia Laser được dùng để làm tăng độ cứng bề mặt vật liệu chi tiết máy. Độ cứng bề mặt tỷ lệ thuật với khả năng chống mài mòn và khả năng chịu mỏi của chi tiết máy. Nguyên lý cơ bản để để tăng độ cứng bề mặt là làm xuất hiện bề mặt có khả năng chịu ứng suất nén ngay bên dưới bề mặt chỗ cần tăng cứng. Về cơ bản nhiệt luyện bằng tia Laser cũng giống như các phương pháp nhiệt luyện thông thường. Tuy nhiên, khi nhiệt luyện bằng tia Laser chỉ có những bề mặt xác định được làm cứng, các vùng khác không bị ảnh hưởng. Do thép có tính chất dẫn nhiệt tốt nên cần sử dụng nguồn nhiệt lớn để nung nóng bề mặt của chi tiết đến nhiệt độ Ostenit hóa mà không ảnh hưởng đến toàn khối. Thông thường để có nguồn nhiệt này người ta dùng phương pháp nhiệt luyện bằng ngọn lửa hoặc truyền cảm ứng. Sau đó, tùy theo phương thức làm nguội cưỡng bức hoặc làm nguội tự nhiên mà độ cứng bề mặt khác nhau. Phương thức làm nguội tự nhiên được dùng khi có vùng nhiệt thấp bên trong đủ sức làm nguội vùng nhiệt độ cao bên ngoài bằng hình thức truyền nhiệt, dẫn nhiệt với tốc độ nguội đủ lớn để tạo thành lớp Mactenxit mỏng.
Nhiệt luyện bánh răng liền trục trong hộp giảm tốc bằng tia Laser
Nhiệt luyện bánh răng liền trục trong hộp giảm tốc bằng tia Laser

Trong những năm gần đây, Laser được ứng dụng nhiều vào lĩnh vực cơ khí chế tạo đặc biệt là ở những nguyên công nhiệt luyện. Tia Laser có nguồn năng lượng cao và tập trung nên đủ sức nung nóng một lớp mỏng bề mặt kim loại đến nhiệt độ Ostenit hóa với tốc độ nhanh mà không ảnh hưởng đến vùng còn lại. Ưu điểm của phương pháp nhiệt luyện bằng Laser dễ kiểm soát quá trình, không cần chân không, không có sản phẩm cháy. Tuy nhiên, hệ thống quang học phức tạp và phải dùng lớp phủ bề mặt do khả năng hấp thụ năng lượng hồng ngoại của kim loại đen thấp. Khi chiếu tia Laser lên bề mặt kim loại, một phần năng lượng của tia bị hấp thụ. Nếu cường độ công suất (W/cm2) của tia đủ lớn thì nhiệt lượng sinh ra tại bề mặt lớn hơn nhiều so với lượng nhiệt truyền vào trong vật liệu do đó nhiệt độ tại bề mặt vật liệu tăng lên rất nhanh với khoảng thời gian ngắn lớp kim loại mỏng đạt đến nhiệt độ Ostenit hóa. Khi di chuyển profile tia Laser, các vùng mà nó đi qua được tôi và ram (tự ram) theo tuần tự để tạo thành lớp Mactenxit mỏng. Độ dày của lớp Mactenxit cho mỗi loại vật liệu phụ thuộc vào cường độ công suất, tốc độ di chuyển của tia Laser.
b
Profile Laser hình chữ nhật
Trong quá trình nhiệt luyện, tia Laser thường có profile hình vuông hay hình chữ nhật, cường độ công suất thấp hơn so với hàn và cắt kim loại với giá trị 1000 đến 2000 W/cm2. Độ thấm tôi phụ thuộc vào loại vật liệu nhưng không vượt quá 2,5mm. Với thép có hàm lượng Các bon thấp đến trung bình dộ dày thấm tôi có giá trị khoảng 0,25 đến 1,3mm.
Kim loại đen nói chung và thép nói riêng ít hấp thụ năng lượng hồng ngoại: Đối với sắt sạch kỹ thuật đánh bóng vào khoảng 4% ở nhiệt độ phòng; Gang đúc bề mặt nhám khoảng 25% ở nhiệt độ phòng tăng lên 40% ở nhiệt độ 800oC trong môi trường khí trơ. Để tăng khả năng hấp thụ năng lượng của laser cần sử dụng chất phủ bề mặt có độ hấp thụ năng lượng hồng ngoại cao vào khoảng trên 80% như: Mangan Phốt phát và các lớp phủ Graphit, Silic, muội than… Khi dùng các tia hồng ngoại có bước sóng ngắn 1,06micromet độ hấp thu hồng ngoại của kim loại đen ở nhiệt độ phòng là 60% với hồng ngoại Yttrium-Alumilum-Garnet (YAG).
Với phương thức nhiệt luyện kim loại bằng tia Laser có những ưu điểm dễ kiểm soát quá trình có thể nung nóng nhanh với tốc độ tập trung năng lượng cao cho những vùng được xác định giúp tiết kiệm năng lượng, giảm cong vênh, tia Laser có thể chiếu thẳng góc vào những bề mặt phức tạp và khó tiếp cận, khoảng cách từ hệ thống phát Laser đến phôi lớn tạo điều kiện tốt cho quá trình nhiệt luyện những chi tiết có bề mặt lớn và phức tạp đang là một trong những nguyên công được các nhà khoa học, kỹ sư công nghệ nghiên cứu ứng dụng vào trong quy trình công nghệ chế tạo máy.

Tác giả bài viết: Tạ Hồng Phong

Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá

Click để đánh giá bài viết

Những tin mới hơn

Những tin cũ hơn

Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây