Giáo trình Công nghệ laster (Phần 1)

 Ch−ơng 1. Giới thiệu Hợp kim khó gia công 
Hợp kim khó gia công đ−ợc phân loại dựa theo nhiều đặc điểm khác nhau : 
theo nhiệt độ nó chảy, theo độ cứng, theo cơ tính của vật liệu,... Sau đây chúng ta sẽ 
xét một số kim loại và hợp kim : 
1.1 Kim loại khó chảy 
Vật liệu khó nóng chảy là các loại kim loại có nhiệt 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
 Ch−ơng 1. Giới thiệu Hợp kim khó gia công 
Hợp kim khó gia công đ−ợc phân loại dựa theo nhiều đặc điểm khác nhau : 
theo nhiệt độ nó chảy, theo độ cứng, theo cơ tính của vật liệu,... Sau đây chúng ta sẽ 
xét một số kim loại và hợp kim : 
1.1 Kim loại khó chảy 
Vật liệu khó nóng chảy là các loại kim loại có nhiệt 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
Ch−ơng 2 : giới thiệu Một số ph−ơng pháp gia công đặc biệt 
2.1 Giới thiệu 
Trong việc hoàn chỉnh các kết cấu máy, nâng cao khả năng gia công các kết 
chi tiết máy, ng−ời ta đang ứng dụng các công nghệ mới và các ph−ơng pháp gia 
công mới, sử dụng có hiệu quả các loại vật liệu mới, ... nhằm nhận đ−ợc các tính 
chất đặc biệt mà bằng các ph−ơng pháp gia công thông th−ờng khó thực hiện hoặc 
không thể thực hiện đ−ợc. Trong lĩnh vực cắt và gọt vật liệu có nhiều ph−ơng pháp 
: gia công bằng điện, điện - vật lý, điện - hoá, gia công bằng nguồn năng l−ợng tập 
trung,... Các ph−ơng pháp này đ−ợc sử dụng khá rộng rãi để gia công kim loại. 
Các ph−ơng pháp này cho phép sau khi gia công nhận đ−ợc cơ tính cao và không 
yêu cầu lực cắt gọt lớn hoặc cho phép không sử dụng dụng cụ cắt gọt với các yêu 
cầu đặc biệt về độ cứng, độ chịu mài mòn. Các ph−ơng pháp này cũng đảm bảo độ 
chính xác, độ bóng bề mặt nhất định và cho phép nâng cao năng suất lao động [6], 
[8]. 
2.2 Phân loại một số ph−ơng pháp gia công đặc biệt 
Các ph−ơng pháp gia công đặc biệt có thể kể đến các ph−ơng pháp gia công 
điện vật lý và điện hoá. 
 Các ph−ơng pháp này đ−ợc phân loại thành các nhóm nh− sau: 
1. Theo ph−ơng pháp sinh ra dạng năng l−ợng (Popilov L.IA) : Phuơng pháp điện 
hoá, Ph−ơng pháp điện - Hoá - Cơ (ph−ơng pháp anôt - cơ), ph−ơng pháp điện 
vật lý,... 
2. Theo cơ chế tác dụng : Ph−ơng pháp xói mòn điện (mài mòn điện), Ph−ơng 
pháp điện - thuỷ lực, ph−ơng pháp nổ - điện, ph−ơng pháp từ tr−ờng, ph−ơng 
pháp siêu âm,... 
3. Gia công bằng các nguồn nhiệt: Ph−ơng pháp dùng tia điện tử, Ph−ơng pháp 
dùng plasma, Ph−ơng pháp dùng chùm tia laser, ... 
 8
Hình 2-1 Sơ đồ phân loại một số ph−ơng pháp gia công đặc biệt 
Các ph−ơng pháp gia công 
điện - hoá 
Các ph−ơng pháp gia công 
điện - vật lý 
Phân loại một số ph−ơng pháp gia công đặc biệt 
Ph−ơng pháp tẩm 
thực, làm sạch, 
đánh bóng, mạ 
điện,... 
Ph−ơng pháp 
gia công có 
tác động cơ 
điện: siêu âm, 
nổ điện,...
Gia công bằng 
các chùm tia có 
nhiệt): 
Plasma, điện tử, 
tia laser,...
Ph−ơng pháp điện xói 
mòn (tia lửa điện, xung 
điện, tiếp xúc điện anốt
- cơ,... 
2.3 - Đặc điểm của các ph−ơng pháp gia công đặc biệt : 
ắ Trong quá trình gia công, tốc độ, chất l−ợng gia công hầu nh− không phụ vào 
tính chất cơ lý của vật liệu.. 
ắ Có thể gia công hầu hết các loại vật liệu với bất kỳ cơ tính nào mà không cần 
có lực lớn tác dụng, có thể gia công kim loại, hợp kim cứng và kim c−ơng, 
kính, ... 
ắ Không yêu cầu các dụng cụ có độ cứng cao hơn độ cứng vật liệu gia công (ví 
dụ khi gia công bằng siêu âm hoặc bằng các chùm tia laser, tia điện tử,... 
ắ Giảm tiêu hao vật liệu vì chiều rộng rảnh cắt nhỏ, mức độ chính xác cao,... 
ắ Có thể gia công những chi tiết phức tạp và có độ chính xác, độ bóng cao (lổ 
khuôn kéo có đ−ờng kính nhỏ, gia công lổ nhỏ và sâu, cắt hình, có thể gia công 
chép hình,... 
ắ Có thể gia công cục bộ (tại những điểm nhỏ) trên bề mặt chi tiết lớn, giảm bớt 
các b−ớc gia công trung gian (khâu chuyển tiếp) hoặc phải yêu cầu sử dụng đồ 
gá đặc biệt để gia công vật liệu cứng, dòn, đánh bóng hợp kim cứng,... 
ắ Có thể cơ khí  ... 
 33
3.6. Đặc điểm và khả năng ứng dụng của laser 
3.6.1 Đặc điểm của laser 
1. Công suất ( C−ờng độ ) của nguồn bức xạ bằng ánh sáng rất mạnh so với 
nguồn năng l−ợng điện từ có cùng nguồn. 
2. Độ đơn sắc cao . Độ đơn sắc đ−ợc đặc tr−ng bởi tỷ số à = ∆λ / λo . 
S = ∆ω / ωo 
Trong đó ∆λ - Chiều rộng quang phổ; à - Mức độ đơn sắc 
ωo - Tần số ứng với độ dài b−ớc sóng λo
Laser Rubin-Hồng Ngọc : λ = 0,69 àm 
 Với D = 1 cm Đ−ờng kính chùm tia bức xạ thì góc phân kỳ 
 θ0,5 = 0,85.10-4 rad ≈ 14'' 
 Laser CO2 : λ = 10,6 àm 
 Với D = 1,2.10-3 cm Đ−ờng kính chùm tia bức xạ thì 
 θ0,5 = 0,85.10-4 rad ≈ 3'20'' 
 Trong thực tế góc phân kỳ có lớn hơn do ảnh h−ởng của độ đồng nhất về sự 
phân bố biên độ và các pha trong vùng bức xạ. 
Ví dụ - kích th−ớc vùng bức xạ của tinh thể hồng ngọc khoảng 100 àm; kích 
th−ớc vùng bức xạ của hổn hợp hồng ngọc khoảng 850 àm (R−kalinpage 8) 
3. Tính đồng loạt cao : 
Thời gian kết hợp đối với tia ánh sáng th−ờng là : 10-8 s 
 Thời gian kết hợp đối với tia laser là : 10-2 - 10-1s 
4. Kích th−ớc chùm tia nhỏ, có h−ớng tập trung và có tính hội tụ cao 
5. Tần số ổn định; 
6. Thời gian một xung ngắn khoảng 10-9 giây 
 34
10-9 s 10-8 s 10-3 s Liên tục 
τ 
Loạ
Vùn
ứng
λ 
L
H 
g 
 dụng 
Hình
7. B
n
7
tr
đ
c
c
0,2 
Tử ng
 Hg 
ớp mà
ấp thụd-thuỷ tinh YAG, Rubun, CO2 i laser NRubin, N2; Thuỷ tinh + Nd 
Gia công màng mỏng Đột lỗ 
 4-1 Khoảng thời gian bức xạ của một số loại lase
−ớc sóng ngắn và có dãi sóng bức xạ lớn từ tia c
ên khả năng ứng dụng rộng. Chiều dài b−ớc sóng
0 àm). Trong thực tế ng−ời ta quan tâm nguồn có
ong khoảng 0,4 - 10,6 àm. Vì trong khoảng nà
−ợc một số thông số yêu cầu : nguồn nhiệt l−ợn
ông suất khi máy phát làm việc liên tục có ý ng
ông kim loại. 
0,33 
oại 
0,5 0,63 0,69 1,06
N2 Ar Xe He - Ne Rubi
ng mỏng Kim loại 
 cao 
 Cắt 
 [5](trang.1) 
ự tím đến hồng ngoại 
 trong khoảng ( 0,1 - 
 chiều dài b−ớc sóng 
y nguồn laser đã đạt 
g, công suất xung và 
hĩa cho quá trình gia 
10,6 
Hồng ngoại 
n Nd CO2. 
 Phi kim loại 
35
 Hình 4-2 Sơ đồ phân bố các loại sóng bức xạ của một số laser [5] (trang 17) 
8. Mật độ nguồn nhiệt lớn ( 107 ... 108 W/ cm2 . 
Có thể đạt 1010 - 1014 W/cm2. 
1- Nguồn nhiệt của tia lữa điện 
2- Nguồn nhiệt của laser có xung 
tuần hoàn (q=1010-1014 w/cm2. 
3- Nguồn nhiệt của laser liên tục có 
q = 108-109 w/cm2. 
4- Nguồn nhiệt của chùm tioa điện 
tử 
5- Nguồn nhiệt của hồ quang hàn 
6- Nguồn nhiệt của hồ quang 
plasma 
 10-2 1,0 Đ−ờng kính điểm nóng chảy, mm
2 3 4 5
6
7
1 
Q 
w/cm2
1010
106
102
 Hình 3-10 Sơ đồ mức độ tấp trung của các nguồn nhiệ
 Ng−ời ta 
chỉ trong khoảng thời gian nửa phần triệu giây nhiệt độ có 
khả năng này ng−ời ta đang nghiên cứu sử dụng chùm tia
khoan, khoét, hàn, cắt các loại vật liệu cứng và siêu cứng. 
Ngoài ra laser còn nhiều ứng dụng quan trong khác tr
trong y khoa, trong kỹ thuật ảnh, trong thông tin liên lạc, ... 
3.6.2 Khả năng ứng dụng của laser [1], [15]. 
Laser đ−ợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công 
nghệ laser đ−ợc sử dụng trong một số lĩnh vực sau : 
1. Laser trong công nghệ hoá học 
2. Laser trong công nghẹ vật liệu bán dẫn 
 t [6] 
 một diện tích hẹp thì 
thể đạt 8000 oC. Với 
 laser để gia công : tính rằng nếu tập trung nguồn nhiệt này lênong lĩnh vực quân sự, 
nghệ. Theo [15] công 
36
3. Laser trong công nghệ chế tạo vật liệu kim loại 
4. Laser trong công nghệ gia công vật liệu 
5. Laser -công nghệ năng l−ợng 
6. Laser trong lĩnh vực topography 
7. Laser trong các lĩnh vực khác (kiến trúc, nghệ thuật,y tế, 
 Trong chuyên đề này chỉ đề cặp đến công nghệ laser trong gia công vật 
liệu. 
Phân loại công nghệ laser trong gia công vật liệu. 
• Cắt bằng laser 
• Khoan (khoan bằng đơn xung, đa xung, khoan tế vi (d < 0,5 mm), 
• Hàn bằng laser ( Hàn, kiểm tra khuyết tật, kiểm tra cơ tính, kiểm tra 
mõi, đo độ cứng th−ờng và độ cứng tế vi, kiểm tra tổ chức kim loại,... 
• Hàn vảy (vảy hàn cứng) 
• Hàn vảy (vảy hàn mềm) 
Phân loại công nghệ laser trong công nghệ vật liệu. 
• Biến cứng bề mặt 
• Làm bóng và đông cứng bề mặt 
• Hợp kim hoá bề mặt và phủ bề mặt 
• Luyện kim bột 
1 Trong công nghiệp : 
• Gia công vật liệu với độ chính xác cao 
• Có thể hàn, cắt, khoan các loại vật liệu đặc biệt là vật liệu cứng và dòn 
nh− kim c−ơng, thuỷ tinh, sứ,... 
• Không tiếp xúc trực tiếp cơ học với vật gia công nên ít gây biến dạng 
• Có vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp vi điện tử 
• Laser còn là ng−ời kiểm tra chất l−ợng lý t−ởng với độ chính xác và tin 
cậy cao nhờ có khả năng ánh sáng tập trung, hội tụ cao,... (kính hiển vi 
laser, thiết bị kiểm tra tham số hình học, thiết bị kiểm tra bề mặt,...) 
 37
2 Laser trong thông tin liên lạc 
• Truyền tin trên mặt đất và trong vũ trụ bằng tia laser vì tia sáng laser 
nh− một luồng sóng điện từ rất mạnh, định h−ớng cao, có khả năng 
mang một l−ợng thông vô cùng lớn. 
• Định vị vẹ tinh nhân tạo 
• Điều khiển hệ máy bay cất cánh và hạ cánh,... 
3 Laser trong khoa học kỹ thuật 
• Dùng tia laser công suất lớn để “bơm” năng l−ợng cho môi tr−ờng 
plassma đến nhiệt độ cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch. 
• Sử dụng tia laser để làm giàu uranium ... 
4 Laser trong quân sự 
• Chùm tia laser - “Đại bác laser” với năng l−ợng 1014-1016 w/cm2 có thể 
làm cháy, là xuyên thủng bất kỳ mục tiêu nào. 
• Các loại máy đo cự ly, radar laser là ng−ời trinh sát tinh t−ờng và chính 
xác 
• Sử dụng laser trong điều khiển đ−ờng bay của bom, tên lữa (tên lữa 
laser, bom laser,...) sai số của bom laser khoảng 3-4 m trong khi sai số 
của bom th−ờng là 100-150m. 
5 Laser và kỹ thuật toàn hình (hologrrahy) 
• Tạo ảnh toàn hình 
• Xây dựng kỹ thuật điện ảnh toàn hình 
6 Laser trong y học 
• Tia laser - một y cụ giải phẩu tuyệt vời; (Vi phẩu thuật mắt, các vếttrên 
da, các khối u,... 
• Sử dụng tia laser trong châm cứu ; 
• Sử dụng sợi quang dẫn để truyền ánh sáng laser đến các bộ phận bên 
trong cơ thể (nh− dạ dày, ruột,... ) để chẩn đoán và điều trị 
7. ứng dụng laser trong phục chế các t−ợng đài kỷ niệm, các di tích lịch sử bị 
hoen ố, ... 
 38
8. Laser trong nông nghiệp 
• Dùng tia laser để kích thích tăng tr−ởng 
• Dùng tia laser để xử lý hạt giống, tăng tỷ lệ nảy mầm 
9. Tia laser trong lĩnh vực bảo vệ môi tr−ờng 
• ứng dụng tia laser để phân tích, kiểm tra ô nhiểm môi tr−ờng 
 39
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