Giáo trình Công nghệ laser - Chương 1: Giới thiệu hợp kim khó gia công

t độ nóng chảy T > 1539 oC 
hoặc các kim loại kết hợp với các nguyên tố hợp kim khác. 
Ví dụ : Ti = 1672 oC Zr = 1855 oC Cr = 1875 oC 
V = 1900 oC Hf = 1975 oC Nb = 2415 oC 
Mo = 2610 oC Ta = 2996 oC Tc = 2700 oC 
Re = 3180 oC W = 3410 oC 
1.2 Thép hợp kim 
 Thép hợp kim đ−ợc chia ra theo nhiều dấu hiệu khác nhau: 
1. Thép chịu ăn mòn trong các môi tr−ờng khác nhau. 
2. Thép bền nhiệt . 
3. Thép chịu nhiệt. 
4. Thép có độ bền cao. 
5. Hợp kim bột kim loại. 
6. Hợp kim cứng . 
• Hợp kim do biến cứng 
• Hợp kim đ−ợc chế tạo với những thành phần các chất khác nhau. 
1.3 Các hợp kim đặc biệt khác 
1. Thép đặc biệt có nhiệt độ làm việc đến 700 oC. 
2. Hợp kim bền nhiệt trên nền Niken ( Nhiệt độ làm việc đến 1100 oC ) 
3. Hợp kim nền Mo và Nb có nhiệt độ làm việc đến 1500 oC. 
4. Hợp kim nền vônfram ( W) có nhiệt độ làm việc đến 2000 oC. 
5. Thép hợp kim chịu ăn mòn . Trong thực tế có 3 nhóm chính sau đây : 
Nhóm I - Thép chịu ăn mòn hợp kim thấp có độ bền cao 
 Bảng 1.1 
Tên nguyên tố C Cr Ni Mn Mo W V Si 
Thành phần % 0,25 - 
0,45 
<= 
5 
<= 
2,5 
<= 
1,5 
<= 
1,5
<= 
1,5
<= 
1 
<= 
1 
Giới hạn bền 
160 - 220 KG/mm2
Nhóm II : thép chịu ăn mòn có độ bền cao 
 Bảng 1.2 
Tên nguyên tố C Cr Ni Mn Mo W V Si 
 1
Thành phần % 0,25 - 
0,45 
<= 
12 
<= 
2,5 
<= 
1,5 
<= 
1,5
<= 
1,5
<= 
1 
<= 
1 
Giới hạn bền 
<= 180 , sau nhiệt luyện có thể đạt 260 - 300 KG/mm2
Nhóm III : Thép hợp kim martensit - hoá già 
 Bảng 1.3 
Tên nguyên tố C Cr Ni Co Mo Ti 
Thành phần % 0,25 - 
0,45 
 17 - 19 <= 
7 - 9
<= 
4- 6
<= 
0,5-1
Giới hạn bền 
(<= 190 - 210), thêm 12-16 % Co, 8-10% Mo, 12-13%Ni 
thì độ bền có thể đạt 280 KG/mm2, HRC 62, δ=8% 
1.4 Hợp kim có tỷ bền cao ( σB/ γ ) 
Hợp kim có tỷ bền cao : Nhôm, ti tan 
 γ - khối l−ợng riêng của vật liệu g/cm3. 
 σB - Giới hạn bền của vật liệu KG/mm2. 
 Ví dụ : Hợp kim titan σB > 160 KG/mm2. γ = 4,51 Tỷ bền K = 34,5 
Đặc biệt hợp kim ti tan còn có tính chịu ăn mòn trong các loại môi tr−ờng cao 
nên đ−ợc ứng dụng rất rộng rải. 
Hợp kim nhôm AlMg6 σB = 39 KG/mm2. 
γ = 2,7 
Hệ số tỷ bền là K = 14,4 
Chúng ta có thể so sánh với thép thông th−ờng : 
Thép CT38 σB = 38 KG/mm2. 
γ = 7,87 g/cm3. 
Hệ số tỷ bền là K = 4,8 
1.5 Tính chất của một số kim loại nguyên chất khó chảy 
và khó gia công 
Bảng các tính chất của các kim loại khó nóng chảy và các nguyên tố hợp kim 
 Bảng 1-4 
Đặc tính Đơn vị tính Be V W Hf Co Si Mn Mo Ni 
Khối l−ợng riêng G/cm3 1,84 6,11 19,3 13,31 8,92 2,33 7,4 10,2 8,91
Nhiệt độ nóng chảy oC 1283 1900 3410 2222 1495 1412 1245 2625 1425
Nhiệt độ bay hơi oC 2450 3400 5930 5400 3100 2600 2150 4800 3080
Hệ số giản nở vì nhiệt x 10. 11,6 10,6 4,0 5,9 12,08 6,95 23 5,49 13,3
Giới hạn bền KG/mm2 40-60 22-48 100-120 40-45 50 70 70 28-30
Độ giải dài t−ơng đối % 0,2-2 17 0 30 5 0 30 40
Độ cứng Brinel HB 60-85 70 350 120 125 240 125 65-70
 2
 Bảng 1-5 
Đặc tính Đơn vị tính Nb Re Ta Ti Cr Zr Ghi chú
Khối l−ợng riêng G/cm3 8,57 21 16,6 4,51 7,19 6,45 
Nhiệt độ nóng chảy oC 2500 3180 2996 1668 1910 1860 
Nhiệt độ bay hơi oC 5127 5900 5300 3277 2469 3700 
Hệ số giản nở vì nhiệt x 10. 7,1 6,8 6,6 8,3 6,7 6,3 
Giới hạn bền KG/mm2 30-45 50 45-55 40-45 30-35 25 
Độ giải dài t−ơng đối % 20 24 25-35 30-40 15 15-30 
Độ cứng Brinel HB 75 250 45-125 130-150 100 65 
Tính chất của một số các bít, Borit, Silixit, Nitrit 
 Bảng 1-6 
Các bít Thành 
phần 
Ti Zr Hf V Nb Ta Cr Mo W 
Các bon C % 20,05 11,64 6,31 19,08 11,45 6,22 13,34 5,89 6,13
Khối l−ợng riêng G/cm3 4,94 6,60 12,65 5,50 7,82 14,50 6,74 9,06 17,13
T nc oC 3150 3420 3700 2850 3600 3880 1895 2410 2790
Hệ số truyền dẫn 
nhiệt 
Cal/(cm.s.
oC) 
0,069 0,09 0,07 0,09 0,04 0,053 0,046 0,076 0,072
Hệ số giản nở 
nhiệt x 10(-6) 
 8,50 6,95 6,06 7,20 6,50 8,29 11,70 7,80 3,84
Độ cứng HRA HRA 93,00 87 84 91 83 82 81 74 81
 Bảng 1-7 
Borits ( + B ) Thành phần Ti Zr Hf V Nb Ta Cr 
Bo B % 31,20 19,17 10,81 29,81 18,89 10,68 29,38
Khối l−ợng riêng G/cm3 4,52 6,09 11,20 5,10 7,00 12,62 5,60
T nc
oC 2980 3040 3250 2400 3000 3100 2200
Hệ số truyền dẫn 
nhiệt 
cal/(cm.s.oC) 0,144 0,058 - 0,137 0,040 0,026 0,053
Hệ số giản nở 
nhiệt x 10e(-6) 
 8,10 6,88 5,73 7,5 8,10 5,12 11,10
Độ cứng HRA HRA 86 84 83 84 
 Bảng 1-8 
Nitrit ( + N2 ) Thành phần Ti Zr Hf V Nb Ta Cr 
Ni tơ N % 22,63 13,31 7,28 21,56 13,10 7,19 
Khối l−ợng riêng g/cm3 5,44 7,35 13,84 6,10 8,41 15,86 
T nc
oC 2950 2980 2980 2050 2050 2890 
Hệ truyền dẫn 
nhiệt 
cal/(cm.s.oC) 0,046 0,049 0,027 0,009 0,021 
Hệ số giản nở 
nhiệt x 10e(-6) 
 9,35 7,24 6,9 8,10 10,10 3,60 
Độ cứng HRA HRA 
 Bảng 1-9 
Si líc Si % 53,98 38,11 23,93 52,44 37,68 23,69 51,93
Khối l−ợng riêng g/cm3 4,13 4,86 8,03 4,66 5,66 9,10 5,00
 3
T nc
oC 1540 1750 1660 2160 2200 1500 2030
Hệ số truyền 
nhiệt 
cal/(cm.s.oC) 0,111 0,037 0,383 0,397 0,052 0,025
Hệ số giản nở 
nhiệt x 10e(-6) 
 8,8 8,6 11,2 11,7 8,8 10,0
Độ cứng HRA HRA 81 
1.6 Vật liệu bột 
Vật liệu kim loại hợp kim có thể đ−ợc chế tạo từ bột kim loại bằng ph−ơng 
pháp nấu chảy thông th−ờng hoặc kết hợp ép bột kim loại với thành phần các nguyên 
tố khác : C, Al2O3, Các bít, borit, ... để nhận đ−ợc hợp kim cứng hay kim loại gốm. 
 Bảng 1.10 [2] 
Loại vật liệu Các cấu tử chính 
Vật liệu kết cấu Fe, Fe-Cu, Fe-P, Fe - C 
Fe-Ni-Cu, Fe-Cu-C 
Fe-Ni-Cu-Mo-C 
Thép không gỉ, Brông (Cu+Sn), Latông 
(Cu +Zn),... 
Ti 
Au-Cu 
Kim loại và hợp kim có cấu trúc xít chặt 
• Kim loại chịu nhiệt 
• Kim loại dùng trong kỹ thuật hạt nhân 
• Siêu hợp kim 
• Thép hợp kim 
W, Mo, Ta, Nb, Re 
Be, Zr 
Các hợp kim trên cơ sở Ni, Co 
Thép dụng cụ, thép gió 
Vật liệu có độ xốp cao 
• Bạc xốp tự bôi trơn 
• Tấm lọc 
Brông ( Cu+Sn+Al,Pb,) thép không gỉ, 
Cu-Al 
Ni-Cr, monel, Ti, Zr, Ag, Ta, Thép không 
gỉ 
Vật liệu liên kim loại Ni - Al 
MoSi2 
Ti-Al 
Co - Mo- Si 
Hợp kim cứng đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp ép và thiêu kết với áp lực và 
nhiệt độ thích hợp. 
Hợp kim cứng có hai loại : đặc và xốp ( có lỗ rỗng). Chúng th−ờng đ−ợc ứng 
dụng để chế tạo dụng cụ cắt gọt, vật liệu mủ đậy, võ bọc, ... Nhiệt độ làm việc có thể 
đạt 1000 - 2000 oC 
Hợp kim cứng có nhiều loại : ( trang 19 - 20 ) 
• Hợp kim cứng vônfram (WC) 
• Hợp kim cứng W - Ti 
• Hợp kim cứng Ti-Ta-W 
 4
Bảng 1.7 [2] [9] 
Mác hợp kim Thành phần % 
Ký hiệu theo LX và 
theo TCVN 
Các
bít 
W 
Các 
bít 
tanta
n 
Cácbít
Titan
Co 
Coban
σ 
(KG/m
m2) 
γ ( g/cm3) HRA 
>= 
Nhóm WC 
BK3M (WCCo3) 97 3 110 15-15,3 91,0 
BK4 (WCCo4) 96 4 130 14,9-15,1 89,5 
BK60M 91
,9 
 6 120 >=14,75 91,5 
BK6M (WCCo6) 94 6 130 14,8-15,1 90 
BK8 (WCCo8) 92 8 140 14,4-15,8 87,5 
BK100M 90 10 140 >=14,3 - 
BL10M (WCCo10) 90 10 140 >=14,3 88,5 
BK15M (WCCo15) 85 15 155 >=13,8 87,0 
BK150M (WCCo15) 82
,9 
 15 150 >=13,8 - 
BK25 (WCCo25) 75 25 220 12,9-13,2 82 
Nhóm Ti-WC 
T15K6 (WCTi15Co6) 79 15 6 110 11-11,7 90 
T5K10 (WCTiCo10) 85 6 9 130 12,3-13,2 88,5 
NhómTi-Ta-WC 
TT7K12 
(WCTTC7Co12) 
81 3 4 12 170 13-13,3 87 
TT10K8 
(WCTTC10Co8) 
82 7 3 8 140 13,5-13,8 89 
TT20K9 
(WCTTC20Co9) 
71 12 8 9 150 12-13 89 
Chú ý : Vật liệu ký hiệu theo TCVN đ−ợc đặt trong dấu ngoặc đơn. 
1.7 Nhóm vật liệu Cácbon - Nitrit - titan 
 Khối l−ợng riêng 5,6 - 6,2 g/cm3
 HRC 88 - 93 HRC 
 Giới hạn bền uốn 120 - 180 KG/mm2. 
1.8 Nhóm vật liệu Cácbít - crôm + hợp kim cứng ( page 208 ) 
 Khối l−ợng riêng 6,6 - 7,0 g/cm3
 HRC 80 - 90 HRC 
 Giới hạn bền uốn 40 - 70 KG/mm2. 
 5
1.9 Nhóm vật liệu không có vônfram 
Gồm có các thành phần các chất nh− sau : 
 TIC% TiN% 4Ni1Mo Khối l−ợng riêng HRA Giới hạn bền uốn 
THM-20 79% - 21% 5,5 g/cm3. 91 115 KG/mm2. 
THM-25 74 26 5,7 90 130 
THM30 70 30 5,9 89 140 
KTHM30A 26 42 32 5,8 88 150 
1.10 Vật liệu bột mài và dụng cụ cắt 
 Bảng 1.8 
Loại vật liệu Độ cứng 
Knoop 
Giới hạn bền 
Mpa = 
N/mm2
T nc 
oC 
HRA 
Kim c−ơng 8000 7000 3500 
Nitrit Bo ( BN) 5000 7000 1540 
TiC 3100 2800 3100 93
SiC 3000 1000 2400 
WC 2700 5000 2780 82 - 90
Al2O3 2100 3000 2050 
SiO2 1000 1200 
Thép đã tôi (để so sánh) 800 1200 
1.11 Vật liệu siêu cứng. [2] 
 Bảng 1.9 
Vật liệu KL riêng 
g/cm3
Độ cứng 
HV 
Giới hạn bền 
MPa 
Nhiệt độ giới 
hạn của độ bền 
Kim c−ơng tự nhiên 3,01-3,56 10.000 1900-2100 600-850 
Kim c−ơng nhân tạo 
• Loại đơn tinh thể 
• Loại đa tinh thể 
3,48-3,54 
3,30-4,00 
8.600-10.000 
8.000-10.000 
2000 
200-800 
850 
700 
Nitri Bo (BN) 
• Loại đơn tinh thể 
• Loại đa tinh thể 
3,44-3,49 
3,30-3,40 
9.000-9500 
7.000-8.000 
500 
2000-3000 
1200 
1400 
Vật liệu kim c−ơng tuy có độ cứng cao nh−ng bị giới hạn bởi độ bền nhiệt (Có 
nhiệt độ giới hạn của độ bền thấp ) 
 Vật liệu nitrit bo ( BN ) có độ cứng cao và có tính bền nhiệt cao nên thích hợp 
với gia công cơ ( khoan tiện, phay, ... 
Chú ý : 
Càng tăng độ bền và độ cứng vật liệu thì vận tốc cắt giảm đi . Tốc độ cắt gọt tỷ 
lệ nghịch với bình ph−ơng giới hạn bền của vật liệu. 
 6
Khó khăn chủ yếu khi gia công là do : 
• Lực cắt yêu cầu phải lớn; đối với thép bền nhiết tăng 1,5 lần; đối với hợp 
kim bền nhiệt tăng 2 - 2,5 lần so với khi gia công thép C45. 
• Các hợp kim này có tính dẫn nhiệt kém nên nhiệt độ sinh ra tại vùng cắt rất 
cao 
• Khi gia công cắt các loại thép có độ bền nhiệt vận tốc cắt giảm 10 - 20 lần so 
với khi gia công thép C45 ( Ký hiệu theo Nga 45 ). 
• Giá thành bột kim loại th−ờng đắt hơn 1,5 - 3,5 lần so với kim loại cơ bản. 
Nh−ng với kim loại chế tạo bột ngay từ đầu thì th−ờng có giá thành rẻ hơn. 
Tuy giá đắt hơn nh−ng nó đ−ợc bù lại do có hệ số sử dụng cao với những 
tính chất đặc biệt. 
• Theo các chuyên gia kinh tế để đánh giá hiệu quả của vật liệu gốm ng−ời ta 
thấy : Cứ cho 1000 tấn sản phẩm thì tiết kiệm đ−ợc 1500 - 2000 tấn kim loại, 
vì lẽ đó mà nó giảm bớt đ−ợc 50 đơn vị máy gia công, cùng lúc làm giảm 
120.000 giờ gia công và năng suất nói chung tăng lên 1,5 lần. 
 7