Quy mô: Lỗi chính trong kiểm soát và thử nghiệm chất lượng thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Cặn trong ngành công nghiệp thép là lớp hoặc màng oxit hoặc các cặn bề mặt khác hình thành trên bề mặt thép trong quá trình xử lý nhiệt độ cao, chẳng hạn như cán nóng, ủ hoặc rèn. Cặn chủ yếu bao gồm các oxit sắt (như FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃) cùng với các oxit kim loại khác tùy thuộc vào các nguyên tố hợp kim và điều kiện môi trường.

Hiện tượng này là một khuyết tật bề mặt phổ biến ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, hình thức và đôi khi là tính chất cơ học của sản phẩm thép. Sự hình thành cặn là một cân nhắc quan trọng trong kiểm soát chất lượng vì nó có thể ảnh hưởng đến các quy trình hoàn thiện tiếp theo, khả năng chống ăn mòn và hiệu suất sản phẩm tổng thể.

Trong khuôn khổ rộng hơn của đảm bảo chất lượng thép, cặn được coi là một đặc điểm bề mặt không mong muốn có thể làm giảm độ nhẵn bề mặt, độ chính xác về kích thước và tính thẩm mỹ. Sự hiện diện của nó đòi hỏi phải loại bỏ hoặc giảm thiểu để đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của ngành về chất lượng bề mặt, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi tính toàn vẹn bề mặt cao như tấm ốp ô tô, máy móc chính xác và các thành phần kết cấu.

Bản chất vật lý và nền tảng luyện kim

Biểu hiện vật lý

Ở cấp độ vĩ mô, vảy xuất hiện dưới dạng lớp bề mặt thô ráp, bong tróc hoặc đóng vảy có thể được xác định bằng mắt thường thông qua kiểm tra. Nó thường biểu hiện dưới dạng lớp màng xỉn màu, hơi xanh, hơi nâu hoặc đen bao phủ bề mặt thép, tùy thuộc vào thành phần oxit và điều kiện làm mát.

Về mặt vi mô, lớp cặn bao gồm một lớp oxit xốp hoặc đặc dính chặt vào kim loại bên dưới một cách lỏng lẻo hoặc mạnh mẽ. Khi phóng đại, nó cho thấy một cấu trúc nhiều lớp với độ dày khác nhau, thường dao động từ vài micromet đến vài trăm micromet. Bề mặt có thể xuất hiện các vết nứt, bong tróc hoặc lớp phủ không đồng đều, biểu thị quá trình hình thành và lịch sử nhiệt.

Cơ chế luyện kim

Sự hình thành vảy về cơ bản được thúc đẩy bởi các phản ứng oxy hóa xảy ra khi thép tiếp xúc với oxy ở nhiệt độ cao. Trong quá trình gia nhiệt, oxy khuếch tán vào bề mặt thép, phản ứng với sắt và các nguyên tố hợp kim để tạo thành nhiều loại oxit sắt khác nhau. Các pha oxit cụ thể phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất riêng phần của oxy và thành phần hợp kim.

Những thay đổi về cấu trúc vi mô liên quan đến sự hình thành và phát triển của các lớp oxit trên bề mặt thép. Ban đầu, một lớp oxit mỏng hình thành, có thể dày hơn khi tiếp xúc lâu với nhiệt độ cao. Quá trình phát triển được điều chỉnh bởi sự khuếch tán của các ion oxy qua lớp oxit và tính ổn định nhiệt động của các pha oxit khác nhau.

Thành phần thép ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành cặn. Ví dụ, hàm lượng cao các nguyên tố hợp kim như crom, niken hoặc silic có thể làm thay đổi độ ổn định của oxit và làm giảm xu hướng hình thành cặn. Các điều kiện xử lý như nhiệt độ, khí quyển (oxy hóa so với khử) và tốc độ làm mát cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến bản chất và mức độ của cặn.

Hệ thống phân loại

Phân loại chuẩn của vảy thường xem xét hình dạng, độ bám dính và độ dày của nó. Các loại phổ biến bao gồm:

• Vảy nhẹ: Lớp màng oxit mỏng, bám dính thường có thể loại bỏ bằng cách vệ sinh nhẹ hoặc ngâm.
• Cặn nặng: Lớp oxit dày, bám dính lỏng lẻo có thể cần loại bỏ bằng phương pháp cơ học hoặc xử lý bằng hóa chất.
• Vảy phồng rộp hoặc bong tróc: Vảy nứt hoặc bong ra do ứng suất nhiệt hoặc sự giãn nở nhiệt không tương thích giữa oxit và kim loại.
• Thang màu: Các lớp oxit thể hiện màu sắc đặc trưng (xanh lam, rơm, nâu, đen) biểu thị lịch sử nhiệt độ và thành phần oxit.

Mức độ nghiêm trọng thường dựa trên phạm vi bao phủ và mức độ dễ loại bỏ, trong đó các tiêu chuẩn đưa ra ngưỡng cụ thể cho các điều kiện bề mặt có thể chấp nhận được trong các ứng dụng khác nhau.

Phương pháp phát hiện và đo lường

Kỹ thuật phát hiện chính

Kiểm tra trực quan vẫn là phương pháp đơn giản nhất để phát hiện ban đầu cặn, đặc biệt là trong môi trường sản xuất. Người vận hành đánh giá độ đồng đều, màu sắc và độ bám dính của bề mặt.

Để đo lường chính xác hơn, có thể sử dụng kính hiển vi quang học để kiểm tra cấu trúc vi mô bề mặt và độ dày lớp oxit. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh chi tiết về hình thái oxit và đặc điểm bám dính.

Các phương pháp kiểm tra không phá hủy như kiểm tra bằng dòng điện xoáy hoặc hạt từ ít phổ biến hơn nhưng đôi khi có thể phát hiện ra sự khác biệt về độ dẫn điện bề mặt hoặc tính chất từ ​​tính do lớp oxit gây ra.

Tiêu chuẩn và thủ tục thử nghiệm

Các tiêu chuẩn quốc tế như ASTM A123/A123M (Tiêu chuẩn kỹ thuật cho lớp phủ kẽm (mạ kẽm nhúng nóng) trên các sản phẩm sắt và thép) và ISO 9223 (Ăn mòn kim loại và hợp kim — Độ ăn mòn của khí quyển) cung cấp hướng dẫn để đánh giá quá trình oxy hóa bề mặt và cặn.

Quy trình điển hình bao gồm:

• Làm sạch bề mặt mẫu vật để loại bỏ bụi bẩn hoặc dầu mỡ.
• Kiểm tra bằng mắt trong điều kiện ánh sáng chuẩn.
• Đo độ dày lớp oxit bằng micrômet hoặc thiết bị dòng điện xoáy.
• Ghi lại hình dáng bề mặt, màu sắc và độ bám dính.

Các thông số quan trọng bao gồm nhiệt độ trong quá trình xử lý, tốc độ làm mát và thành phần khí quyển, ảnh hưởng đến đặc tính của cặn.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu phải đại diện cho lô sản xuất, với bề mặt được chuẩn bị theo điều kiện tiêu chuẩn—được làm sạch, không có dầu, mỡ hoặc các chất gây ô nhiễm khác. Việc xử lý bề mặt có thể bao gồm mài nhẹ hoặc đánh bóng để loại bỏ các điểm không đều trên bề mặt có thể ảnh hưởng đến phép đo.

Kích thước và hình dạng mẫu phụ thuộc vào phương pháp thử nghiệm; đối với phân tích vi cấu trúc, các mẫu nhỏ thường được sử dụng, trong khi các tấm lớn hơn được sử dụng để kiểm tra trực quan.

Độ chính xác đo lường

Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào thiết bị được sử dụng. Các micrômet và thiết bị dòng điện xoáy có thể đạt được độ chính xác ở cấp độ micrômet, nhưng kỹ năng của người vận hành và tình trạng bề mặt ảnh hưởng đến kết quả.

Khả năng lặp lại và tái tạo được đảm bảo thông qua các quy trình chuẩn hóa và hiệu chuẩn thiết bị. Lỗi có thể phát sinh do độ nhám bề mặt, tính không đồng nhất của oxit hoặc các yếu tố môi trường như độ ẩm.

Để đảm bảo chất lượng đo lường, nên hiệu chuẩn theo các tiêu chuẩn đã được chứng nhận, đo nhiều lần ở các vị trí khác nhau và chuẩn bị bề mặt phù hợp.

Định lượng và Phân tích dữ liệu

Đơn vị đo lường và thang đo

Độ dày lớp oxit thường được biểu thị bằng micrômét (μm). Độ phủ bề mặt hoặc mức độ của lớp cặn có thể được định lượng theo tỷ lệ phần trăm diện tích bề mặt bị ảnh hưởng.

Màu sắc và hình thức thường được phân loại theo chất lượng nhưng có thể bổ sung bằng phép đo quang phổ để phân tích màu sắc chính xác.

Độ bám dính của cặn được đánh giá theo thang điểm từ 0 (bám dính hoàn toàn) đến 5 (có thể loại bỏ hoàn toàn), dựa trên các thử nghiệm bám dính tiêu chuẩn.

Giải thích dữ liệu

Kết quả được diễn giải theo các tiêu chuẩn công nghiệp và thông số kỹ thuật của khách hàng. Ví dụ, độ dày oxit tối đa 10 μm có thể được chấp nhận cho một số ứng dụng nhất định, trong khi lớp cặn dày hơn hoặc bám dính lỏng lẻo có thể bị từ chối.

Sự xuất hiện của lớp vảy màu hoặc bong tróc cho thấy quá trình oxy hóa hoặc ứng suất nhiệt quá mức, có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn hoặc độ hoàn thiện bề mặt.

Giá trị ngưỡng được thiết lập dựa trên mục đích sử dụng thép, với giới hạn chặt chẽ hơn cho các ứng dụng có độ chính xác cao hoặc thẩm mỹ.

Phân tích thống kê

Nhiều phép đo trên một lô cho phép đánh giá thống kê mức độ nghiêm trọng của thang đo. Tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy giúp đánh giá tính nhất quán của quy trình.

Kế hoạch lấy mẫu phải tuân theo các tiêu chuẩn của ngành như ASTM E177 (Tiêu chuẩn thực hành về việc sử dụng các thuật ngữ độ chính xác và độ lệch trong phương pháp thử nghiệm ASTM) để đảm bảo dữ liệu có tính đại diện.

Phân tích phương sai (ANOVA) có thể xác định các biến quy trình ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hình thành quy mô, hướng dẫn tối ưu hóa quy trình.

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
Chống ăn mòn	Cao	Cao	Độ dày oxit > 10 μm hoặc vảy bám lỏng lẻo
Hoàn thiện bề mặt	Vừa phải	Vừa phải	Vảy có thể nhìn thấy ảnh hưởng đến ngoại hình
Tính toàn vẹn cơ học	Thấp	Thấp	Vảy bị bong tróc hoặc nứt để lộ kim loại bên dưới
Khả năng sơn hoặc độ bám dính của lớp phủ	Cao	Cao	Sự hiện diện của lớp cặn xốp hoặc không bám dính cản trở độ bám dính của lớp phủ

Cặn có thể làm giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn bằng cách tạo đường dẫn cho hơi ẩm xâm nhập. Các lớp oxit dày hoặc bong tróc có thể gây ra độ nhám bề mặt, ảnh hưởng đến các quy trình hoàn thiện tiếp theo như sơn hoặc phủ.

Những thay đổi về cấu trúc vi mô liên quan đến cặn, chẳng hạn như bong tróc oxit, có thể gây ra các khuyết tật bề mặt làm giảm tuổi thọ chịu mỏi hoặc gây ra sự tập trung ứng suất.

Mức độ nghiêm trọng của cặn bám có liên quan đến nguy cơ hỏng hóc tăng cao trong quá trình sử dụng, đặc biệt là trong môi trường ăn mòn hoặc nơi tính toàn vẹn của bề mặt là rất quan trọng.

Nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng

Nguyên nhân liên quan đến quá trình

Nhiệt độ xử lý cao, đặc biệt là trên 700°C, thúc đẩy quá trình oxy hóa và hình thành cặn rộng rãi. Làm nguội hoặc làm nguội nhanh có thể gây ra ứng suất nhiệt, dẫn đến bong tróc.

Kiểm soát không đầy đủ bầu không khí lò nung—oxy dư thừa hoặc thiếu khí bảo vệ—làm trầm trọng thêm quá trình oxy hóa. Tốc độ gia nhiệt không phù hợp hoặc gia nhiệt không đều có thể tạo ra các biến thể cục bộ của vảy.

Các thông số cán, rèn hoặc xử lý nhiệt như nhiệt độ, thời gian và áp suất phải được quản lý cẩn thận để giảm thiểu quy mô.

Yếu tố thành phần vật liệu

Các nguyên tố hợp kim như crom, silic và nhôm ảnh hưởng đến độ ổn định và độ bám dính của oxit. Ví dụ, thép giàu crom có ​​xu hướng tạo thành lớp crom bảo vệ giúp giảm sự hình thành cặn.

Các tạp chất như lưu huỳnh, phốt pho hoặc mangan có thể làm thay đổi quá trình oxy hóa, dẫn đến cặn xốp hơn hoặc bám dính kém hơn.

Thép có hàm lượng cacbon cao có thể hình thành lớp gỉ rộng hơn do phản ứng bề mặt tăng ở nhiệt độ cao.

Ảnh hưởng của môi trường

Bầu khí quyển oxy hóa với áp suất riêng phần oxy cao thúc đẩy sự phát triển của oxit. Ngược lại, bầu khí quyển khử hoặc trơ ngăn chặn sự hình thành cặn.

Độ ẩm và hơi nước trong quá trình chế biến có thể đẩy nhanh quá trình oxy hóa. Tiếp xúc với các chất gây ô nhiễm như lưu huỳnh đioxit hoặc clorua có thể dẫn đến lớp cặn ăn mòn.

Các yếu tố phụ thuộc vào thời gian bao gồm tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài, dẫn đến lớp vảy dày hơn và gây ra nhiều vấn đề hơn.

Tác động của lịch sử luyện kim

Các bước xử lý trước đó, chẳng hạn như khử cacbon hoặc xử lý bề mặt, sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và xu hướng hình thành oxit.

Các đặc điểm cấu trúc vi mô như kích thước hạt, phân bố pha và ứng suất dư ảnh hưởng đến cách cặn hình thành và bám dính.

Các chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại hoặc quá trình oxy hóa trước đó có thể tạo ra tính không đồng nhất về cấu trúc vi mô, ảnh hưởng đến hành vi của vảy sau đó.

Chiến lược phòng ngừa và giảm thiểu

Biện pháp kiểm soát quy trình

Duy trì bầu không khí lò tối ưu - sử dụng các loại khí bảo vệ như nitơ, argon hoặc môi trường trơ ​​được kiểm soát - giúp giảm quá trình oxy hóa.

Kiểm soát tốc độ gia nhiệt và thời gian ngâm giúp giảm thiểu ứng suất nhiệt và sự phát triển của oxit. Làm nguội nhanh hoặc làm nguội có kiểm soát có thể hạn chế độ dày của lớp vảy.

Việc bảo trì lò thường xuyên và theo dõi bầu không khí sẽ đảm bảo các điều kiện quy trình nhất quán.

Phương pháp thiết kế vật liệu

Các sửa đổi về hợp kim, chẳng hạn như tăng hàm lượng crom hoặc silic, thúc đẩy sự hình thành các lớp oxit ổn định, bám dính có khả năng chống bong tróc.

Kỹ thuật vi cấu trúc, bao gồm tinh chế hạt và phân phối pha được kiểm soát, giúp tăng cường khả năng chống oxy hóa.

Các phương pháp xử lý nhiệt như ngâm chua, thụ động hóa hoặc phủ lớp có thể làm giảm sự hình thành oxit bề mặt hoặc cải thiện độ bám dính của oxit.

Kỹ thuật khắc phục

Nếu phát hiện có cặn trước khi vận chuyển, có thể sử dụng các phương pháp loại bỏ cơ học như mài, phun bi hoặc chải.

Các phương pháp xử lý hóa học như ngâm axit sẽ hòa tan lớp oxit, phục hồi chất lượng bề mặt.

Các cuộc kiểm tra sau khi xử lý đảm bảo rằng cặn còn sót lại không ảnh hưởng đến hiệu suất và các sản phẩm được khắc phục sẽ được đánh giá lại theo tiêu chí chấp nhận.

Hệ thống đảm bảo chất lượng

Việc thực hiện các giao thức kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt, bao gồm kiểm tra bề mặt thường xuyên và đo độ dày oxit, giúp ngăn ngừa sự hình thành cặn quá mức.

Việc ghi chép các thông số quy trình, kết quả kiểm tra và hành động khắc phục đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc và cải tiến liên tục.

Quy trình vận hành tiêu chuẩn (SOP) để kiểm soát bầu không khí trong lò, lịch trình gia nhiệt và chuẩn bị bề mặt là rất cần thiết để đảm bảo chất lượng đồng đều.

Ý nghĩa công nghiệp và các nghiên cứu điển hình

Tác động kinh tế

Sự hình thành cặn có thể dẫn đến tăng chi phí sản xuất do phải vệ sinh, ngâm chua hoặc tái chế thêm. Nó có thể gây ra sự chậm trễ và giảm năng suất.

Chất lượng bề mặt kém do cặn có thể dẫn đến việc từ chối, yêu cầu bảo hành hoặc phải làm lại, ảnh hưởng đến lợi nhuận.

Trong các ứng dụng có giá trị cao như hàng không vũ trụ hoặc linh kiện ô tô, các lỗi liên quan đến cặn có thể gây nguy hiểm cho an toàn và dẫn đến việc thu hồi hoặc trách nhiệm pháp lý tốn kém.

Các ngành công nghiệp bị ảnh hưởng nhiều nhất

Sản xuất ô tô phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng bề mặt; cặn quá nhiều có thể làm giảm độ bám dính của sơn và tính thẩm mỹ.

Sản xuất thép kết cấu đòi hỏi quy mô tối thiểu để đảm bảo khả năng chống ăn mòn và khả năng hàn.

Các ngành kỹ thuật chính xác, chẳng hạn như hàng không vũ trụ hoặc thiết bị y tế, đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ các điều kiện bề mặt, khiến quy mô trở thành mối quan tâm quan trọng.

Ngành công nghiệp đường ống và bình chịu áp suất cũng ưu tiên quy mô tối thiểu để ngăn ngừa điểm bắt đầu ăn mòn.

Ví dụ về nghiên cứu tình huống

Một nhà máy thép sản xuất tấm cán nóng đã quan sát thấy các khuyết tật bề mặt thường xuyên do lớp vảy quá nhiều. Phân tích nguyên nhân gốc rễ cho thấy kiểm soát không khí lò không đầy đủ và tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài. Các hành động khắc phục bao gồm nâng cấp hệ thống giám sát không khí và tối ưu hóa lịch trình gia nhiệt. Sau khi triển khai, mức độ nghiêm trọng của lớp vảy giảm 70%, cải thiện chất lượng bề mặt và giảm chi phí gia công lại.

Một trường hợp khác liên quan đến một nhà máy mạ kẽm gặp phải tình trạng lớp phủ bám dính kém do cặn còn sót lại. Phân tích bề mặt cho thấy các lớp oxit bám dính lỏng lẻo. Giải pháp bao gồm việc triển khai quy trình tẩy rửa chuẩn hóa và giới thiệu phép đo độ dày oxit trực tuyến, dẫn đến cải thiện hiệu suất lớp phủ và độ tin cậy của sản phẩm.

Bài học kinh nghiệm

Kiểm soát quy trình một cách nhất quán, đặc biệt là quản lý bầu không khí và điều chỉnh nhiệt độ, đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa sự hình thành cặn.

Phát hiện sớm thông qua kiểm tra trực quan và vi cấu trúc cho phép thực hiện hành động khắc phục kịp thời, giảm chi phí sau này.

Những tiến bộ trong kỹ thuật phân tích bề mặt, chẳng hạn như quét laser và quang phổ, giúp tăng cường khả năng định lượng và kiểm soát các vấn đề liên quan đến quy mô.

Các phương pháp hay nhất nhấn mạnh vào hệ thống quản lý chất lượng tích hợp kết hợp giám sát quy trình, kiểm tra và cải tiến liên tục.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các lỗi hoặc thử nghiệm liên quan

• Lớp oxit: Thuật ngữ rộng hơn bao gồm tất cả các lớp oxit bề mặt, bao gồm cả cặn.
• Độ nhám bề mặt: Một thước đo về độ không đồng đều của bề mặt có thể bị ảnh hưởng bởi việc loại bỏ cặn.
• Tẩy gỉ: Một quá trình hóa học được sử dụng để loại bỏ cặn bám trên bề mặt thép.
• Thụ động hóa: Hình thành lớp oxit bảo vệ giúp giảm quá trình oxy hóa tiếp theo.
• Kiểm tra khả năng chống ăn mòn: Đánh giá chất lượng bảo vệ của lớp oxit và tính toàn vẹn của bề mặt.

Các khái niệm này có mối liên hệ với nhau, trong đó cặn thường là lớp oxit ban đầu có thể được sửa đổi hoặc loại bỏ thông qua các phương pháp xử lý tiếp theo.

Tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chính

• ASTM A123/A123M: Chỉ định các yêu cầu đối với lớp phủ kẽm nhưng bao gồm các hướng dẫn về độ sạch bề mặt và kiểm soát oxit.
• ISO 9223: Giải quyết vấn đề phân loại ăn mòn và tác động của khí quyển đến quá trình hình thành cặn.
• EN 10051: Cung cấp các tiêu chuẩn về chất lượng bề mặt thép, bao gồm đánh giá tỷ lệ.
• SAE J404: Bao gồm vệ sinh bề mặt và chuẩn bị cho các thành phần thép.

Tiêu chuẩn khu vực có thể chỉ định độ dày, hình thức và mức độ bám dính của oxit có thể chấp nhận được phù hợp với từng ngành công nghiệp cụ thể.

Công nghệ mới nổi

Những cải tiến bao gồm công nghệ làm sạch bề mặt bằng laser, xử lý plasma và cảm biến tiên tiến trong dòng để đo độ dày oxit theo thời gian thực.

Việc phát triển các mô hình dự đoán dựa trên các thông số quy trình cho phép kiểm soát chủ động quá trình hình thành cặn.

Nghiên cứu về thành phần hợp kim có khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao vẫn đang tiếp tục phát triển, hứa hẹn tạo ra loại thép có khả năng chống gỉ tốt hơn.

Các định hướng tương lai tập trung vào việc tích hợp tự động hóa, máy học và phân tích bề mặt tiên tiến để tối ưu hóa kiểm soát quy trình và chất lượng bề mặt trong sản xuất thép.

---

Bài viết toàn diện này cung cấp hiểu biết chi tiết về "Quy mô" trong ngành thép, bao gồm các khía cạnh cơ bản, phương pháp phát hiện, tác động, nguyên nhân, chiến lược phòng ngừa, tính liên quan trong ngành và các tiêu chuẩn liên quan. Bài viết này nhằm mục đích phục vụ như một tài liệu tham khảo có thẩm quyền cho các chuyên gia tham gia vào sản xuất thép, kiểm soát chất lượng và khoa học vật liệu.