Phương pháp nhiệt luyện bằng Laser

Nhiệt luyện bằng tia laser (gọi tắt là nhiệt luyện laser) được dùng để làm tăng độ cứng bề mặt chi tiết máy. Độ cứng bề mặt tỷ lệ thuận với khả năng chống mài mòn và độ bền mỏi. Nguyên lý cơ bản để tăng độ cứng bề mặt là làm xuất hiện một lớp vật liệu chịu ứng suất nén ngay bên dưới bề mặt chỗ cần tăng cứng. Về cơ bản, nhiệt luyện laser giống như các phương pháp nhiệt luyện thông thường khác. Tuy nhiên, khi nhiệt luyện laser, chỉ có những bề mặt xác định được làm cứng, còn các vùng khác không bị ảnh hưởng.

Vì thép dẫn nhiệt tốt nên có thể dùng nguồn nhiệt lớn, tập trung để nung nóng một lớp mỏng bề mặt chi tiết đến nhiệt độ ostenit hóa mà không làm ảnh hưởng nhiều đến nhiệt độ toàn khối. Thông thường, để có được nguồn nhiệt này người ta dùng phương pháp nhiệt luyện ngọn lửa hoặc nhiệt luyện cảm ứng. Sau đó, tùy vào phương thức vào làm nguội (làm nguội tự nhiên hoặc cưỡng bức) mà độ cứng bề mặt khác nhau. Phương thức làm nguội tự nhiên được dùng khi vùng có nhiệt độ thấp bên trong đủ sức làm nguội vùng có nhiệt độ cao bên ngoài bằng hình thức truyền nhiệt dẫn nhiệt với tốc độ nguội đủ lớn để tạo thành lớp mactenxit mỏng.

Trong những năm gần đây, laser được ứng dụng nhiều vào lĩnh vực cơ khí – chế tạo, trong đó có nhiệt luyện. Tia laser có nguồn năng lượng cao và tập trung nên đủ sức nung nóng một lớp mỏng bề mặt chi tiết đến nhiệt độ ostenit hóa với tốc độ nhanh mà không ảnh hưởng các vùng còn lại. Ưu điểm của phương pháp nhiệt luyện laser là dễ kiểm soát quá trình, không cần chân không, không có sản phẩm “quá lửa” (cháy đen). Tuy nhiên, nhược điểm của nó là hệ thống quang học phức tạp và phải dùng lớp phủ bề mặt do khả năng hấp thu năng lượng hồng ngoại của kim loại đen thấp. Ở châu Âu, người ta đang tìm cách ứng dụng kỹ thuật nhiệt luyện laser không lớp phủ.

Nền tảng Nhiệt Luyện laser

Khi chiếu tia laser lên bề mặt vật liệu, một phần năng lượng của tia bị hấp thu. Nếu cường độ công suất (W/cm2) của tia đủ lớn thì nhiệt lượng sinh ra tại bề mặt lớn hơn nhiều so với phần nhiệt lượng truyền vào trong vật liệu và do đó nhiệt độ tại bề mặt vật liệu tăng lên rất nhanh. Trong tích tắc, một lớp mỏng vật liệu đạt đến nhiệt độ ostenit hóa, trong khi các vùng bên trong không bị ảnh hưởng nhiều. Thậm chí với cường độ công suất không cao, khoảng 500 W/cm2, vẫn tạo được gradient nhiệt độ 500 oC/mm. 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 lớp mactenxit cho một loại thép cụ thể phụ thuộc vào cường độ công suất và tốc độ di chuyển tia laser.
Thông thường, profile tia laser có hình vuông hoặc hình chữ nhật. Cường độ công suất tia laser dùng cho nhiệt luyện thấp hơn so với hàn và cắt kim loại. Giá trị thường dùng vào khoảng 1000 – 2000 W/cm2.

Độ thấm tôi khi nhiệt luyện laser phụ thuộc vào loại vật liệu nhưng hiếm khi lớn hơn 2,5 mm. Với thép có hàm lượng C từ thấp đến trung bình, độ dày thấm tôi vào khoảng 0,25 – 1,3 mm. Vì khả năng nung nóng và làm nguội nhanh nên phương pháp nhiệt luyện laser được dùng để làm cứng các loại thép ít được nhiệt luyện (ví dụ: thép có hàm lượng cacbon thấp). Với lý do tương tự, độ cứng bề mặt chi tiết được nhiệt luyện bằng phương pháp này lớn hơn một chút so với các phương pháp khác.

Kim loại đen nói chung và thép nói riêng ít hấp thu năng lượng hồng ngoại. Ví dụ, độ hấp thu hồng ngoại của sắt sạch kỹ thuật được đánh bóng vào khoảng 4% ở nhiệt độ phòng. Gang đúc có bề mặt nhám vào khoảng 25% ở nhiệt độ phòng, và tăng lên khoảng 40% ở 800oC trong môi trường khí trơ. Lớp màng oxit trên bề mặt kim loại có thể làm tăng độ hấp thu hồng ngoại, nhưng để tận dụng hiệu quả nguồn năng lượng laser cần sử dụng chất phủ bề mặt có độ hấp thu năng lượng hồng ngoại cao. Thường được sử dụng là các chất phủ hóa học như: mangan phosphat và các lớp phủ graphit, silic, muội than. Một số chất phủ bị bốc cháy trong quá trình nhiệt luyện, một số để lại sản phẩm cháy như là chất chỉ thị cho những chỗ có nhiệt độ cao nhất. Nhìn chung, độ hấp thu của chất phủ ở giai đoạn đầu quá trình gia nhiệt thường cao ( >= 90%) và sau đó giảm đi chút ít nhưng vẫn cao hơn nhiều so với kim loại không có chất phủ. Thông thường, độ hấp thu hồng ngoại của những chất phủ này vào khoảng 80%.

Khi dùng các tia hồng ngoại có bước sóng ngắn (1,06 µm), độ hấp thu hồng ngoại của kim loại đen ở nhiệt độ phòng có thể lên tới 60% (ứng với hồng ngoại yttrium-aluminum-garnet, còn gọi là hồng ngoại YAG). Tuy nhiên để đạt hiệu quả nhiệt luyện cao vẫn nên dùng chất phủ.

Ưu điểm của phương pháp nhiệt luyện laser là: quá trình dễ kiểm soát; tia laser có thể nung nóng nhanh với độ tập trung năng lượng cao cho những vùng xác định nên giúp tiết kiệm năng lượng và giảm cong vênh; tia laser có thể chiếu thẳng góc những bề mặt phức tạp, khó tiếp cận. Vì không cần dùng các thiết bị phụ trợ như buồng chân không hay khí bảo vệ nên khoảng cách từ phôi đến hệ thống phát tia laser có thể lớn, điều này cho phép nhiệt luyện các chi tiết có bề mặt lớn hay phức tạp. Profile tia laser có nhiều hình dạng khác nhau, và được dùng theo từng trường hợp cụ thể.

Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là độ thấm tôi thấp (< 2,5mm ), thường bằng nửa giá trị này, và chi phí đầu tư cao. Chính vì thế, cần cân nhắc kỹ lưỡng khi sử dụng phương phương pháp nhiệt luyện này.

Lý thuyết nhiệt luyện laser

Như đã đề cập, nhiệt luyện laser về bản chất không khác so với các phương pháp nhiệt luyện thông thường khác. Tuy nhiên, điểm khác biệt cơ bản của nhiệt luyện laser là vận tốc nâng nhiệt là rất lớn và thời gian nâng nhiệt nhỏ hơn rất nhiều so với thời gian làm nguội.

Chuyển biến pha của thép nói chung khi được làm nguội nhanh từ vùng gamma (ostenit) đã được nghiên cứu rất kỹ lưỡng. Về cơ bản, vấn đề then chốt trong nhiệt luyện laser là mức độ đồng đều pha gamma và sự phân bố lại C trong nền kim loại, cần thiết để đồng đều hoá dung dịch rắn gamma Fe-C, trong những bước thời gian nhỏ và xác định. Việc nghiên cứu động lực quá trình với tốc độ nhanh như vậy còn mơ hồ, làm cho việc tính toán và kiểm soát quá trình nhiệt luyện laser khó khăn hơn so với các phương pháp nhiệt luyện khác.

Chuyển biến cơ bản trong khi nung là chuyển biến P -> gamma. Điều này xảy ra do sự sinh mầm và phát triển mầm gamma trên nền P. Trong điều kiện nâng nhiệt chậm, chuyển biến bắt đầu từ điểm A1 (khảng 723oC) và kết thúc tại đường A3. Tuy nhiên, khi tốc độ nâng nhiệt nhanh thì hệ thống cân bằng dịch chuyển lên cao hơn đường A3. Do đó, khi nhiệt luyện bằng tia laser hay gặp trường hợp nhiệt độ bề mặt chi tiết đã quá ngưỡng A3 nhưng chuyển biến vẫn chưa xảy ra. Chính vì thế cần phải xác định nhiệt độ chuyển biến của từng loại thép với tốc độ nâng nhiệt phù hợp của tia laser sao cho xảy ra chuyển biến P -> gamma nhưng không làm nóng chảy bề mặt cần nhiệt luyện.

Ngoài ra, tại nhiệt độ thường, tổ chức của gang và thép có chứa cacbon dưới dạng hợp chất hoá học xememtit và graphit tự do. Để tiến hành nhiệt luyện cần thiết phải chuyển cacbon từ dạng này vào pha gamma. Việc này xả ra khi cacbon khuếch tán vào nền ferrit.

Quá trình này cần thời gian và phụ thuộc vào những điều kiện xác định về tổ chức hợp kim, điều kiện giữ nhiệt… Trong nhiệt luyện laser, quá trình nhiệt luyện diễn ra quá nhanh đến nỗi cacbon không kịp khuếch tán. Hình 3 cho thấy tổ chức của gang cầu sau khi nhiệt luyện laser. Phần cacbon khuếch tán được thể hiện bằng vùng mactenxit xuất hiện xung quanh cầu graphit.Một vấn đề khác khi nhiệt luyện laser là lượng ostenit dư. Thực tế cho thấy lượng ostenit dư tăng khi nhiệt độ lớn nhất của quá trình tăng. Nỗ lực tăng độ thấm tôi bằng cách tăng năng lượng chùm tia laser sẽ dẫn đến kết quả xấu nếu quá lạm dụng.

Nhiệt độ giới hạn trên được đặt dựa vào nhiệt độ nóng chảy của hợp kim. Trong trường hợp tấm phẳng, thông số nhiệt độ dễ kiểm soát hơn. Ngược lại, đối với các chi tiết dạng bậc và có góc nhọn thì năng lượng chùm tia laser cần được điều khiển cẩn trọng vì hiệu ứng tập trung nhiệt ở góc nhọn có thể làm nóng chảy chi tiết. Cuối cùng, một vấn đề thuờng gặp khi nhiệt luyện laser là độ cứng tại vùng tiếp xúc giữa hai bước nhiệt luyện thấp hơn so với các vùng xung quanh. Hiện tượng này xảy ra là do sự truyền nhiệt dẫn đến các vùng đã được tôi bị ram lại. Để phần nào khắc phục hiện tượng này người ta nhiệt luyện chồng, nghĩa là có sự xen phủ vùng nhiệt luyện giữa các bước nhiệt luyện.

Thông số quá trình

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết quả nhiệt luyện laser bao gồm kích thước profile laser, cường độ tia laser, hình dạng profile, tốc độ quá trình, tính chất vật liệu.

Thông số đầu tiên cần chú ý là cường độ tia, hình dạng profile và tốc độ dịch chuyển profile. Dễ dàng thấy rằng tốc độ dịch chuyển profile càng cao thì chu kỳ sản xuất càng ngắn. Tuy nhiên, tốc độ dịch chuyển profile laser qua bề mặt chi tiết không phải là thông số tốt để xác định chu kỳ sản xuất. Vì ngoài nó ra, còn hai thông số khác là kích thước profile và diện tích bề mặt chi tiết. Một thông số khác quan trọng là thời gian giữ (dwell time), thời gian giữ là thời gian chùm tia laser đi qua một đơn vị diện tích xác định. Diện tích profile tia laser là thông số để tính toán năng lượng của chùm tia ngoại trừ trường hợp profile laser rất hẹp so với phương chuyển động và/hoặc khi nó chuyển động với tốc độ rất chậm.

Sau đây là một số hướng dẫn để chọn thông số quá trình: 
- Cường độ tia dao động trong khoảng 500-5000 W/cm2. Tương ứng với thời gian giữ từ 0,1 – 10s. Đối với thép cacon, cường độ dao động trong khoảng 1000 – 1500 W/cm2 và thời gian giữ từ 1 -2 s.
- Vật liệu có khả năng nhiệt luyện tốt thì tiến hành với cường độ tia thấp và thời gian giữ dài (tốc độ dịch chuyển thấp); ngược lại vật liệu có khăn nhiệt luyện kém thì dùng cường độ tia cao và thời gian gữ nhiệt thấp.
- Để có độ cứng đồng đều, thường dùng profile hình chữ nhật, hình vuông, hình tròn với cường độ phân bố đồng đều.
- Cường độ tia cao và thời gian giữ nhiệt thấp cho độ thấm nhiệt thấp, nhưng tốc độ làm nguội lớn. Điều ngược lại cũng hoàn toàn đúng.
- Nhiệt độ cao nhất của bề mặt được nhiệt luyện cần cân đối với tốc độ dịch chuyển profile. Bởi vì, khi cường độ tăng 2 lần thì tốc độ dịch chuyển profile tăng 4 lần để giữ được nhiệt độ cao nhất hợp lý trên bề mặt. Hình 7 cho thấy kết quả nhiệt luyện laser cho thép SAE 1078 với cường độ và tốc độ khác nhau.
- Thép đã được thường hóa, ủ, hay có tổ chức dạng cầu; thép có tổ chức xemetit trước cùng tinh; gang và thép với có tổ chức cacbit bền vững cần thời gian giữ lâu hơn so với thép đã được tôi và ram.
- Phôi nhỏ thì cần cường độ năng lượng cao hơn và thời gian giữ lâu hơn so với phôi lớn, nếu không thì phải dùng các phương pháp làm nguội cững bức.

Ứng dụng

5.1) Khuôn kim loại
Thực tế khuôn kim loại chỉ cần cứng ở một vài bề mặt làm việc, trong khi công nghệ nhiệt luyện hiện nay lại nhiệt luyện cho toàn khối. Ứng dụng công nghệ nhiệt luyện laser có thể làm giảm thời gian chuẩn bị khuôn và cho hiệu quả kinh tế cao hơn, đặc biệt đối với các khuôn có bề mặt lớn.

5.2) Nhiệt luyện bánh răng và trục cam
Hiện nay để tăng năng suất một số nước đã ứng dụng công nghệ nhiệt luyện laser để nhiệt luyện cho các bánh răng và trục cam.

Tổng kết

Nhiệt luyện laser là phương pháp nhiệt luyện được ứng dụng cho các loại thép cacbon thấp, gang cầu và cho những chi tiết có diện tích làm việc tương đối lớn. Ngoài ra, đây là phương pháp nhiệt luyện có “chọn lọc”, được dùng để nhiệt luyện những vùng xác định của chi tiết (ví dụ các vùng chịu mài mòn của khuôn kim loại).

Ưu điểm của nhiệt luyện laser là dễ kiểm soát quá trình, không cần chân không, không có sản phẩm “quá lửa” (cháy đen). Tuy nhiên, nhược điểm của nó là hệ thống quang học phức tạp, phải dùng lớp phủ bề mặt để tăng khả năng hấp thu năng lượng hồng ngoại của kim loại và giá thành đắt.

Các thông số cần được xem xét trong quá trình nhiệt luyện laser là: cường độ tia, thời gian giữ, độ cứng yêu cầu và điều kiện làm nguội (trong trường hợp đặc biệt).