Cháy trong thép: Nguyên nhân, tác động và biện pháp kiểm soát chất lượng

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Cháy trong bối cảnh của ngành công nghiệp thép đề cập đến một khiếm khuyết bề mặt được đặc trưng bởi quá trình oxy hóa cục bộ, đổi màu hoặc suy giảm bề mặt biểu hiện trong quá trình xử lý, xử lý nhiệt hoặc dịch vụ. Nó thường liên quan đến quá trình oxy hóa hoặc khử cacbon quá mức, dẫn đến bề mặt bị thay đổi rõ rệt có thể ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất của thép.

Về cơ bản, cháy biểu thị tình trạng bề mặt không mong muốn do tiếp xúc với nhiệt độ cao, thường dẫn đến giòn bề mặt, mất tính chất cơ học hoặc khiếm khuyết về mặt thẩm mỹ. Đây là mối quan tâm quan trọng trong kiểm soát chất lượng vì nó có thể ảnh hưởng xấu đến khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và độ bền tổng thể của các sản phẩm thép.

Trong khuôn khổ rộng hơn của đảm bảo chất lượng thép, cháy được phân loại là khuyết tật bề mặt hoặc vấn đề về chất lượng bề mặt. Việc phát hiện và kiểm soát nó rất quan trọng để đảm bảo rằng thép đáp ứng các tiêu chuẩn cụ thể về tính toàn vẹn của bề mặt, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi chất lượng bề mặt cao như ô tô, hàng không vũ trụ và kỹ thuật chính xác.

Bản chất vật lý và nền tảng luyện kim

Biểu hiện vật lý

Ở cấp độ vĩ mô, hiện tượng cháy xuất hiện dưới dạng các vùng đổi màu—dao động từ màu rơm nhạt đến nâu sẫm hoặc đen—trên bề mặt thép. Những thay đổi màu sắc này thường không đồng đều và cục bộ, biểu thị các vùng bị oxy hóa hoặc khử cacbon quá mức. Các vùng bị ảnh hưởng có thể có vẻ ngoài mờ hoặc xỉn so với bề mặt xung quanh, có thể có bề mặt nhám hoặc rỗ.

Về mặt vi mô, quá trình cháy biểu hiện dưới dạng lớp bề mặt có cấu trúc vi mô bị thay đổi, thường biểu hiện màng oxit, vùng khử cacbon hoặc vảy bề mặt. Lớp oxit có thể đặc hoặc dạng vảy, và các vùng khử cacbon biểu hiện hàm lượng cacbon giảm, dẫn đến lớp bề mặt mềm hơn, ít chịu lực hơn.

Cơ chế luyện kim

Cháy chủ yếu là kết quả của quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao, trong đó oxy phản ứng với bề mặt thép, tạo thành oxit sắt như FeO, Fe₂O₃ hoặc Fe₃O₄. Trong quá trình xử lý nhiệt hoặc hàn, nếu thép tiếp xúc với môi trường oxy hóa hoặc môi trường bảo vệ không đủ, quá trình oxy hóa sẽ diễn ra nhanh hơn, dẫn đến cháy.

Sự khử cacbon là một hiện tượng liên quan trong đó cacbon khuếch tán ra khỏi bề mặt thép vào môi trường xung quanh, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt độ cao trong môi trường oxy hóa. Quá trình này làm giảm hàm lượng cacbon trong lớp bề mặt, làm yếu cấu trúc vi mô và làm suy yếu các đặc tính cơ học.

Những thay đổi về cấu trúc vi mô liên quan đến sự hình thành các vảy oxit và sự cạn kiệt cacbon trong vùng bề mặt, tạo ra lớp mềm hơn, ít chịu lực hơn. Mức độ nghiêm trọng của quá trình cháy phụ thuộc vào thành phần thép—đặc biệt là cacbon và các nguyên tố hợp kim—và các thông số xử lý như nhiệt độ, khí quyển và thời gian.

Hệ thống phân loại

Tình trạng bỏng thường được phân loại dựa trên mức độ nghiêm trọng và hình thức:

• Cháy nhẹ: Đổi màu nhẹ với sự hình thành oxit tối thiểu; bề mặt vẫn giữ được hầu hết các đặc tính ban đầu.
• Cháy vừa phải: Đổi màu đáng chú ý, có một ít cặn oxit và thoát cacbon nhẹ; bề mặt có thể cần được vệ sinh.
• Cháy nghiêm trọng: Quá trình oxy hóa lan rộng, lớp oxit dày, quá trình khử cacbon đáng kể và bề mặt bị hư hỏng; thường cần phải xử lý lại hoặc loại bỏ.

Các tiêu chuẩn như ASTM A480 hoặc ISO 683-17 cung cấp hướng dẫn về chất lượng bề mặt, bao gồm mức độ cháy cho phép. Trong thực tế, mức độ nghiêm trọng được đánh giá bằng mắt thường và thông qua phân tích bề mặt, với các tiêu chí chấp nhận khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng và thông số kỹ thuật của khách hàng.

Phương pháp phát hiện và đo lường

Kỹ thuật phát hiện chính

Kiểm tra trực quan vẫn là phương pháp ban đầu phổ biến nhất để phát hiện cháy, tập trung vào sự đổi màu bề mặt, lớp oxit và độ nhám bề mặt. Kính hiển vi quang học có độ phân giải cao có thể được sử dụng để kiểm tra cấu trúc vi mô bề mặt, xác định các lớp oxit và vùng khử cacbon.

Phân tích màu bề mặt bằng máy quang phổ có thể định lượng mức độ đổi màu một cách khách quan. Ngoài ra, máy kiểm tra độ nhám bề mặt phát hiện những thay đổi về kết cấu bề mặt liên quan đến quá trình cháy.

Để phân tích chi tiết hơn, các kỹ thuật như kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp với quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDS) được sử dụng để mô tả thành phần oxit và các thay đổi về cấu trúc vi mô. Các phương pháp này cung cấp khả năng nhận dạng chính xác các lớp oxit và vùng khử cacbon.

Tiêu chuẩn và thủ tục thử nghiệm

Các tiêu chuẩn có liên quan bao gồm ASTM E286-17 (Thực hành tiêu chuẩn để kiểm tra trực quan bề mặt thép), ISO 10563 (Kiểm tra bề mặt thép) và EN 10204 để chứng nhận vật liệu. Quy trình điển hình bao gồm:

• Chuẩn bị bề mặt mẫu vật bằng cách vệ sinh để loại bỏ bụi bẩn, dầu mỡ và vảy bong tróc.
• Tiến hành kiểm tra trực quan trong điều kiện ánh sáng chuẩn.
• Sử dụng biểu đồ màu hoặc máy quang phổ để định lượng sự đổi màu.
• Thực hiện phân tích vi cấu trúc khi cần thiết để xác nhận sự khử cacbon hoặc sự hiện diện của oxit.

Các thông số quan trọng bao gồm nhiệt độ trong quá trình xử lý nhiệt, thành phần khí quyển và ánh sáng kiểm tra. Sự nhất quán trong các thông số này đảm bảo đánh giá đáng tin cậy.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu phải đại diện cho toàn bộ lô, với bề mặt được chuẩn bị đồng đều—được làm sạch, đánh bóng hoặc khắc khi cần. Xử lý bề mặt, chẳng hạn như mài hoặc đánh bóng, giúp tăng độ chính xác của các đánh giá bằng mắt thường và kính hiển vi.

Các mẫu phải không có tạp chất bề mặt có thể che khuất hiệu ứng cháy. Đối với các mẫu đã xử lý nhiệt, bề mặt phải được làm mát trong điều kiện được kiểm soát để ngăn ngừa quá trình oxy hóa thêm.

Độ chính xác đo lường

Kiểm tra bằng mắt là chủ quan nhưng có thể được chuẩn hóa bằng cách sử dụng biểu đồ màu và thanh tra viên được đào tạo để cải thiện khả năng lặp lại. Các phép đo bằng kính hiển vi và quang phổ cung cấp dữ liệu định lượng với độ chính xác cao.

Các nguồn lỗi bao gồm sự thay đổi ánh sáng, ô nhiễm bề mặt và sự thiên vị của người vận hành. Hiệu chuẩn các thiết bị đo lường và tuân thủ các quy trình chuẩn hóa là điều cần thiết để đảm bảo độ tin cậy của phép đo.

Định lượng và Phân tích dữ liệu

Đơn vị đo lường và thang đo

Mức độ nghiêm trọng của sự đổi màu thường được đánh giá theo thang định tính (ví dụ: 0 đến 3 hoặc 1 đến 5), với số cao hơn cho thấy tình trạng cháy nghiêm trọng hơn. Dữ liệu quang phổ được thể hiện theo giá trị không gian màu L a b*, định lượng sắc độ và độ bão hòa.

Độ dày lớp oxit có thể được đo bằng micrômét (μm) bằng kính hiển vi hoặc phép đo độ cong. Độ sâu khử cacbon cũng được thể hiện bằng micrômét, xác định thông qua thử nghiệm độ cứng vi mô hoặc phân tích cấu trúc vi mô.

Các yếu tố chuyển đổi có thể liên hệ dữ liệu màu với xếp hạng mức độ nghiêm trọng về mặt thị giác, hỗ trợ cho việc chuẩn hóa.

Giải thích dữ liệu

Kết quả được diễn giải theo tiêu chuẩn chấp nhận đã thiết lập. Ví dụ, xếp hạng đổi màu bề mặt là 2 có thể chấp nhận được đối với một số ứng dụng nhất định, trong khi xếp hạng là 4 có thể cần phải xử lý lại.

Sự hiện diện của các lớp oxit vượt quá độ dày quy định hoặc độ sâu khử cacbon vượt quá ngưỡng cho thấy tính toàn vẹn của bề mặt bị tổn hại. Các thông số này tương quan với độ cứng giảm, khả năng chống ăn mòn và khả năng hàn.

Phân tích thống kê

Nhiều phép đo trên một lô cho phép đánh giá thống kê, bao gồm tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy. Biểu đồ kiểm soát có thể theo dõi tính ổn định của quy trình theo thời gian.

Kế hoạch lấy mẫu phải tuân theo các tiêu chuẩn như ISO 2859-1, đảm bảo dữ liệu đại diện cho đánh giá chất lượng. Phân tích thống kê giúp xác định xem quy trình có nằm trong giới hạn chấp nhận được hay không và hướng dẫn các hành động khắc phục.

Tác động đến tính chất và hiệu suất của vật liệu

Tài sản bị ảnh hưởng	Mức độ tác động	Rủi ro thất bại	Ngưỡng quan trọng
Độ cứng bề mặt	Có ý nghĩa	Cao	Độ sâu khử cacbon > 50 μm
Chống ăn mòn	Vừa phải	Vừa phải	Độ dày lớp oxit > 10 μm
Khả năng hàn	Có ý nghĩa	Cao	Sự đổi màu và sự hiện diện của lớp oxit
Sức mạnh cơ học	Nhẹ đến trung bình	Vừa phải	Sự khử cacbon bề mặt ảnh hưởng đến tính chất kéo

Đốt cháy có thể làm giảm độ cứng bề mặt do quá trình khử cacbon, khiến thép dễ bị mài mòn và biến dạng hơn. Các lớp oxit và sự xuống cấp của bề mặt làm giảm khả năng chống ăn mòn, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt. Sự hiện diện của oxit và vùng khử cacbon làm phức tạp quá trình hàn, làm tăng nguy cơ xảy ra các khuyết tật như nứt hoặc nóng chảy không hoàn toàn.

Mức độ nghiêm trọng của quá trình cháy có liên quan trực tiếp đến sự xuống cấp của tính chất; quá trình khử cacbon sâu hơn hoặc lớp oxit dày hơn thường dẫn đến mất hiệu suất đáng kể hơn. Do đó, việc kiểm soát quá trình cháy là điều cần thiết để duy trì tuổi thọ và độ an toàn của thép.

Nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng

Nguyên nhân liên quan đến quá trình

Xử lý nhiệt độ cao, chẳng hạn như ủ hoặc tôi, được thực hiện trong môi trường oxy hóa là nguyên nhân chính gây cháy. Thời gian gia nhiệt hoặc nhiệt độ quá cao có thể đẩy nhanh quá trình oxy hóa và khử cacbon.

Các quy trình hàn liên quan đến nhiệt lượng đầu vào cao mà không có khí bảo vệ hoặc bầu khí quyển bảo vệ thích hợp có thể gây ra cháy. Bầu khí quyển lò không phù hợp trong quá trình xử lý nhiệt, chẳng hạn như môi trường giàu oxy, cũng góp phần gây ra cháy.

Các điểm kiểm soát quan trọng bao gồm điều chỉnh nhiệt độ lò, thành phần khí quyển và tốc độ làm mát. Đảm bảo các thông số quy trình phù hợp sẽ giảm thiểu rủi ro cháy.

Yếu tố thành phần vật liệu

Thành phần thép ảnh hưởng đáng kể đến khả năng nhạy cảm. Thép có hàm lượng cacbon cao dễ bị khử cacbon hơn, trong khi thép hợp kim có các nguyên tố như crom, niken hoặc molypden có khả năng chống oxy hóa cao hơn.

Các tạp chất như lưu huỳnh hoặc phốt pho có thể làm trầm trọng thêm sự xuống cấp bề mặt. Ngược lại, thép có các thành phần hợp kim bảo vệ hoặc lớp phủ bề mặt cho thấy khả năng chống cháy được cải thiện.

Tối ưu hóa thành phần hóa học bằng cách điều chỉnh hàm lượng hợp kim và mức độ tạp chất có thể làm giảm xu hướng cháy.

Ảnh hưởng của môi trường

Xử lý trong môi trường oxy hóa, chẳng hạn như không khí hoặc khí giàu oxy, thúc đẩy quá trình đốt cháy. Ngược lại, môi trường bảo vệ như khí trơ (argon, nitơ) hoặc điều kiện chân không làm giảm quá trình oxy hóa.

Môi trường dịch vụ có nhiệt độ cao và tiếp xúc với oxy có thể gây ra quá trình oxy hóa bề mặt theo thời gian, dẫn đến sự xuống cấp giống như bị cháy. Các yếu tố phụ thuộc vào thời gian bao gồm tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài, làm tăng cường quá trình oxy hóa và khử cacbon.

Kiểm soát các điều kiện môi trường trong quá trình chế biến và phục vụ là rất quan trọng để ngăn ngừa tình trạng cháy.

Tác động của lịch sử luyện kim

Các bước xử lý trước đó, chẳng hạn như cán nóng, rèn hoặc xử lý nhiệt, ảnh hưởng đến các đặc điểm cấu trúc vi mô như kích thước hạt, ứng suất dư và lớp oxit hiện có.

Các chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại có thể tích tụ hư hỏng bề mặt hoặc tích tụ oxit, làm tăng khả năng cháy. Các đặc điểm cấu trúc vi mô như hạt thô hoặc vùng khử cacbon trước đó có thể đóng vai trò là vị trí bắt đầu cho quá trình oxy hóa tiếp theo.

Hiểu biết về lịch sử luyện kim giúp dự đoán và ngăn ngừa hiện tượng cháy trong quá trình xử lý tiếp theo.

Chiến lược phòng ngừa và giảm thiểu

Biện pháp kiểm soát quy trình

Việc thực hiện kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt trong quá trình xử lý nhiệt đảm bảo nhiệt độ vẫn nằm trong giới hạn an toàn để ngăn ngừa quá trình oxy hóa quá mức. Sử dụng bầu khí quyển bảo vệ—như khí trơ hoặc chân không—làm giảm tiếp xúc với oxy.

Theo dõi bầu không khí lò bằng cảm biến oxy và duy trì thông gió thích hợp giúp ngăn ngừa quá trình oxy hóa. Làm mát nhanh hoặc tốc độ làm mát được kiểm soát sẽ giảm thiểu quá trình oxy hóa và khử cacbon.

Sử dụng lớp phủ bảo vệ hoặc xử lý bề mặt trước các quá trình nhiệt độ cao có thể đóng vai trò như rào cản chống lại quá trình oxy hóa.

Phương pháp thiết kế vật liệu

Điều chỉnh thành phần hợp kim bằng cách thêm các nguyên tố chống ăn mòn như crom hoặc nhôm giúp tăng khả năng chống oxy hóa. Kỹ thuật vi cấu trúc, chẳng hạn như tinh chỉnh kích thước hạt, có thể cải thiện độ ổn định bề mặt.

Xử lý nhiệt được thiết kế để tối ưu hóa cấu trúc vi mô và giảm ứng suất dư có thể làm giảm khả năng cháy. Hợp kim bề mặt hoặc lớp phủ cung cấp khả năng bảo vệ bổ sung trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ cao.

Kỹ thuật khắc phục

Nếu phát hiện cháy trước khi vận chuyển, các phương pháp làm sạch bề mặt như mài, phun bi hoặc tẩy hóa chất có thể loại bỏ lớp oxit và lớp khử cacbon. Việc phủ lại lớp phủ bảo vệ có thể khôi phục lại tính toàn vẹn của bề mặt.

Trong trường hợp cháy nghiêm trọng, có thể cần phải xử lý nhiệt lại hoặc tái chế để khôi phục chất lượng bề mặt. Tiêu chuẩn chấp nhận phải được tuân thủ nghiêm ngặt và các sản phẩm được khắc phục phải đáp ứng các tiêu chuẩn đã chỉ định.

Hệ thống đảm bảo chất lượng

Việc triển khai các hệ thống quản lý chất lượng toàn diện, bao gồm kiểm tra và thử nghiệm thường xuyên, đảm bảo phát hiện sớm tình trạng cháy. Việc sử dụng các giao thức và tài liệu kiểm tra chuẩn hóa giúp duy trì tính nhất quán.

Kiểm toán quy trình thường xuyên, hiệu chuẩn các thiết bị đo lường và đào tạo nhân viên là những thành phần thiết yếu. Việc duy trì hồ sơ chi tiết tạo điều kiện cho khả năng truy xuất nguồn gốc và cải tiến liên tục.

Ý nghĩa công nghiệp và các nghiên cứu điển hình

Tác động kinh tế

Việc đốt cháy dẫn đến tăng chi phí sản xuất do phải xử lý lại, loại bỏ hoặc xử lý bề mặt bổ sung. Nó có thể gây ra sự chậm trễ trong lịch trình sản xuất và tăng tỷ lệ phế liệu.

Trong các ứng dụng quan trọng, các lỗi liên quan đến cháy có thể dẫn đến khiếu nại bảo hành, vấn đề trách nhiệm pháp lý hoặc thu hồi sản phẩm, ảnh hưởng đến danh tiếng và sự ổn định tài chính của nhà sản xuất.

Các ngành công nghiệp bị ảnh hưởng nhiều nhất

Sản xuất ô tô, linh kiện hàng không vũ trụ, chế tạo bình chịu áp suất và máy móc chính xác rất nhạy cảm với các vấn đề về chất lượng bề mặt như cháy. Các lĩnh vực này đòi hỏi tính toàn vẹn bề mặt nghiêm ngặt để đảm bảo an toàn và hiệu suất.

Thép xây dựng và thép kết cấu nói chung ít bị ảnh hưởng hơn nhưng vẫn cần được kiểm soát để ngăn ngừa ăn mòn và đảm bảo tuổi thọ.

Ví dụ về nghiên cứu tình huống

Một nhà cung cấp thép đã gặp phải tình trạng đổi màu bề mặt thường xuyên ở các thành phần được xử lý nhiệt, dẫn đến khiếu nại của khách hàng. Phân tích nguyên nhân gốc rễ cho thấy việc kiểm soát bầu không khí lò không đầy đủ, dẫn đến quá trình oxy hóa và khử cacbon.

Các hành động khắc phục bao gồm nâng cấp giám sát bầu không khí lò, triển khai lớp phủ bảo vệ và tinh chỉnh các giao thức xử lý nhiệt. Sau khi triển khai, chất lượng bề mặt được cải thiện đáng kể, giảm tỷ lệ loại bỏ.

Bài học kinh nghiệm

Kiểm soát quy trình nhất quán, quản lý khí quyển phù hợp và kiểm tra bề mặt kỹ lưỡng là chìa khóa để ngăn ngừa cháy. Những tiến bộ trong giám sát thời gian thực và tự động hóa đã nâng cao khả năng phát hiện lỗi.

Các thông lệ tốt nhất của ngành nhấn mạnh các biện pháp phòng ngừa hơn là hành động khắc phục, nêu bật tầm quan trọng của hệ thống quản lý chất lượng tích hợp.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các lỗi hoặc thử nghiệm liên quan

• Quá trình oxy hóa : Sự hình thành oxit trên bề mặt do tiếp xúc với nhiệt độ cao, thường liên quan đến quá trình đốt cháy.
• Sự khử cacbon : Sự mất cacbon khỏi bề mặt thép, làm yếu cấu trúc vi mô.
• Vảy bề mặt : Lớp oxit hoặc xỉ hình thành trong quá trình nhiệt độ cao.
• Độ nhám bề mặt : Sự thay đổi về kết cấu do bị đốt cháy hoặc loại bỏ lớp vảy.

Các phương pháp thử nghiệm bổ sung bao gồm kiểm tra trực quan, thử độ cứng vi mô và phân tích hóa học để đánh giá tình trạng bề mặt.

Tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chính

• ASTM A480/A480M : Tiêu chuẩn kỹ thuật cho tấm thép không gỉ, bao gồm các yêu cầu về chất lượng bề mặt.
• ISO 10563 : Kiểm tra bề mặt thép, cung cấp hướng dẫn đánh giá trực quan.
• EN 10204 : Tiêu chuẩn chứng nhận vật liệu quy định tài liệu về tình trạng bề mặt.
• JIS G 0555 : Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản về chất lượng bề mặt của tấm thép.

Tiêu chuẩn khu vực có thể khác nhau, nhưng các nguyên tắc đánh giá chất lượng bề mặt vẫn nhất quán trên khắp các khu vực pháp lý.

Công nghệ mới nổi

Những tiến bộ bao gồm phương pháp quang phổ đánh lửa cảm ứng laser (LIBS) để phân tích oxit nhanh, hệ thống kiểm tra quang học tự động và giám sát bầu khí quyển theo thời gian thực trong quá trình xử lý nhiệt.

Việc phát triển lớp phủ bảo vệ và kỹ thuật bề mặt nhằm mục đích giảm thiểu khả năng cháy. Nghiên cứu trong tương lai tập trung vào mô hình dự đoán hành vi oxy hóa và sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong điều kiện nhiệt độ cao.

---

Bài viết toàn diện này cung cấp hiểu biết sâu sắc về quá trình cháy trong ngành thép, bao gồm các khía cạnh cơ bản, phương pháp phát hiện, tác động, nguyên nhân, chiến lược phòng ngừa và tính liên quan của ngành, đảm bảo tính rõ ràng và chính xác về mặt kỹ thuật cho các chuyên gia và nhà nghiên cứu.