Ủ xanh: Quy trình xử lý nhiệt để tăng cường tính chất của thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Ủ xanh là một quy trình xử lý nhiệt chuyên dụng áp dụng cho các tấm hoặc dải thép, trong đó vật liệu được nung nóng đến nhiệt độ dưới tới hạn (thường là từ 500-700°C) và sau đó làm nguội trong không khí, dẫn đến sự hình thành lớp màng oxit màu xanh xám đặc trưng trên bề mặt. Quy trình này chủ yếu nhằm mục đích giảm ứng suất bên trong, cải thiện độ dẻo và tăng khả năng tạo hình trong khi vẫn duy trì các đặc tính về độ bền hợp lý.

Quá trình này có tên bắt nguồn từ lớp oxit sắt màu xanh lam đặc trưng (chủ yếu là Fe₃O₄, magnetite) phát triển trên bề mặt thép trong quá trình làm mát có kiểm soát. Ủ xanh chiếm vị trí quan trọng trong quá trình chế biến thép như một phương pháp xử lý trung gian cân bằng giữa việc tăng cường tính chất cơ học với những thay đổi tối thiểu về kích thước.

Trong bối cảnh rộng hơn của ngành luyện kim, ủ xanh đại diện cho một tiểu thể loại của các quy trình ủ giảm ứng suất, được phân biệt bởi phạm vi nhiệt độ cụ thể và các đặc điểm bề mặt kết quả. Đây là một bước quan trọng trong các quy trình sản xuất, trong đó các hoạt động tạo hình tiếp theo đòi hỏi khả năng gia công được cải thiện mà không cần kết tinh lại hoàn toàn hoặc thay đổi cấu trúc vi mô đáng kể.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, ủ xanh liên quan đến việc phục hồi một phần cấu trúc biến dạng của thép. Nhiệt độ của quy trình đủ để cho phép khuếch tán nguyên tử hạn chế, làm giảm mật độ sai lệch thông qua các cơ chế leo sai lệch và trượt ngang.

Trong quá trình ủ xanh, các khuyết điểm điểm và khuyết điểm đường (trật khớp) có được tính di động, cho phép chúng sắp xếp lại thành các cấu hình năng lượng thấp hơn. Sự sắp xếp lại này làm giảm ứng suất dư mà không làm thay đổi đáng kể cấu trúc hạt hoặc gây ra sự kết tinh lại rộng rãi sẽ xảy ra ở nhiệt độ cao hơn.

Lớp oxit màu xanh đặc trưng hình thành thông qua quá trình oxy hóa có kiểm soát của sắt trên bề mặt, tạo ra một lớp Fe₃O₄ (magnetit) mỏng, bám dính có khả năng chống ăn mòn đồng thời đóng vai trò là chỉ báo trực quan cho thấy quá trình xử lý nhiệt thích hợp đã đạt được.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình ủ màu xanh dựa trên động học phục hồi và các quá trình khuếch tán hạn chế. Phương trình Zener-Wert-Avrami tạo thành nền tảng để hiểu mối quan hệ thời gian-nhiệt độ trong quá trình này:

$X = 1 - \exp(-kt^n)$

Trong đó X biểu thị tỷ lệ phục hồi hoàn tất, k là hằng số tốc độ phụ thuộc vào nhiệt độ, t là thời gian và n là số mũ cụ thể của vật liệu.

Theo truyền thống, hiểu biết về ủ xanh đã phát triển từ các quan sát thực nghiệm trong ngành công nghiệp thép thời kỳ đầu thành các phương pháp khoa học hơn vào giữa thế kỷ 20. Những người làm thép đầu tiên đã nhận ra những tác động có lợi đến khả năng gia công nhưng lại thiếu hiểu biết lý thuyết về những thay đổi về cấu trúc vi mô.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại kết hợp lý thuyết lệch vị trí và động học khuếch tán để mô hình hóa quá trình, với các phương pháp tính toán hiện nay cho phép dự đoán những thay đổi về tính chất dựa trên hồ sơ thời gian-nhiệt độ.

Cơ sở khoa học vật liệu

Quá trình ủ xanh chủ yếu ảnh hưởng đến cấu trúc hạt phụ bên trong các hạt hiện có thay vì tạo ra ranh giới hạt mới. Nhiệt độ của quá trình không đủ để gây ra sự di chuyển ranh giới hạt đáng kể hoặc tái kết tinh hoàn toàn.

Những thay đổi về cấu trúc vi mô liên quan đến việc sắp xếp lại các vị trí sai lệch thành các cấu hình năng lượng thấp hơn, hình thành các ranh giới dưới hạt và phục hồi hạn chế cấu trúc gia công nguội. Những thay đổi này làm giảm năng lượng biến dạng bên trong trong khi vẫn bảo toàn phần lớn trạng thái làm cứng.

Quá trình này kết nối với các nguyên tắc khoa học vật liệu cơ bản về phục hồi, trước khi kết tinh lại trong trình tự ủ. Việc gia nhiệt có kiểm soát cho phép giảm ứng suất thông qua các quá trình được kích hoạt bằng nhiệt trong khi vẫn duy trì các đặc điểm vi cấu trúc cơ bản góp phần tạo nên độ bền của vật liệu.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Động học của quá trình phục hồi trong quá trình ủ xanh có thể được thể hiện bằng phương trình Arrhenius đã sửa đổi:

$k = A \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$

Trong đó k là hằng số tốc độ phục hồi, A là hệ số tiền mũ, Q là năng lượng hoạt hóa cho quá trình phục hồi (J/mol), R là hằng số khí phổ quát (8,314 J/mol·K) và T là nhiệt độ tuyệt đối (K).

Công thức tính toán liên quan

Mối quan hệ giữa độ giảm độ cứng và thời gian ủ có thể được biểu thị như sau:

$\frac{H_t - H_f}{H_i - H_f} = \exp\left(-Bt^n\right)$

Trong đó H₍t₎ là độ cứng tại thời điểm t, H₍i₎ là độ cứng ban đầu, H₍f₎ là độ cứng cân bằng cuối cùng, B là hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ và n là số mũ cụ thể của vật liệu.

Sự tăng trưởng độ dày của lớp oxit tuân theo động học parabol:

$x^2 ​​= k_pt$

Trong đó x là độ dày oxit, k₍p₎ là hằng số tốc độ parabol (phụ thuộc vào nhiệt độ) và t là thời gian tiếp xúc.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này chủ yếu áp dụng cho thép có hàm lượng carbon thấp và trung bình với hàm lượng carbon dưới 0,3%. Đối với thép có hàm lượng carbon cao hơn, cần phải xem xét động học kết tủa carbide.

Các mô hình giả định điều kiện đẳng nhiệt và trở nên kém chính xác hơn khi có sự chênh lệch nhiệt độ trên các phần dày. Chúng cũng giả định không có các nguyên tố hợp kim quan trọng có thể tạo thành kết tủa trong quá trình ủ.

Mô hình hình thành oxit chỉ áp dụng khi có đủ oxy trên bề mặt và giả định điều kiện bề mặt đồng nhất mà không có chất gây ô nhiễm có thể ức chế sự hình thành oxit.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM A700: Tiêu chuẩn thực hành về phương pháp đóng gói, đánh dấu và tải cho các sản phẩm thép để vận chuyển (bao gồm cả tấm ủ màu xanh)
• ASTM A568/A568M: Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thép, tấm, cacbon, kết cấu và cường độ cao, hợp kim thấp, cán nóng và cán nguội
• ISO 3574: Tấm thép cacbon cán nguội chất lượng thương mại và kéo
• JIS G3131: Tấm, lá và dải thép mềm cán nóng

Mỗi tiêu chuẩn đều đưa ra thông số kỹ thuật cho các sản phẩm ủ xanh, bao gồm các yêu cầu về độ hoàn thiện bề mặt, tính chất cơ học và dung sai kích thước.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Thiết bị phổ biến bao gồm kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét (SEM) để xác định đặc tính oxit bề mặt. Máy kiểm tra độ cứng vi mô được sử dụng để đo các cấu hình độ cứng trên toàn bộ độ dày của vật liệu.

Thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD) xác định các pha oxit và đo mức ứng suất dư. Máy thử kéo đánh giá các đặc tính cơ học bao gồm giới hạn chảy, độ bền kéo và độ giãn dài.

Thiết bị chuyên dụng như quang phổ phát xạ quang học phóng điện sáng (GDOES) có thể cung cấp thông tin về độ sâu của thành phần lớp oxit.

Yêu cầu mẫu

Mẫu kéo tiêu chuẩn tuân theo kích thước ASTM E8/E8M, thường có chiều dài đo 50mm đối với vật liệu dạng tấm. Đối với kiểm tra cấu trúc vi mô, mẫu phải được cắt vuông góc với hướng cán.

Chuẩn bị bề mặt đòi hỏi các kỹ thuật kim loại học cẩn thận để bảo quản lớp oxit. Đối với phân tích mặt cắt ngang, nên lắp trong nhựa epoxy sau đó mài và đánh bóng mà không tiếp xúc với nước.

Các mẫu phải đại diện cho vật liệu rời và không có hiệu ứng cạnh hoặc hư hỏng khi xử lý có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của lớp oxit.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (23±2°C) với độ ẩm tương đối dưới 60% để ngăn ngừa quá trình oxy hóa hoặc ăn mòn thêm.

Đối với thử nghiệm kéo, tốc độ biến dạng tiêu chuẩn từ 0,001/giây đến 0,008/giây được sử dụng theo tiêu chuẩn ASTM E8/E8M.

Các phép đo độ cứng vi mô thường sử dụng tải trọng 100-300 gf với thời gian dừng 15 giây để đảm bảo kết quả đo chính xác mà không làm hỏng lớp oxit.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu chính bao gồm đo trực tiếp các đặc tính cơ học và đặc điểm của lớp oxit. Nhiều phép đo (thường là 5-7) được thực hiện trên các mẫu để đảm bảo tính hợp lệ về mặt thống kê.

Phân tích thống kê thường bao gồm tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy. Phân tích ngoại lệ sử dụng tiêu chuẩn Chauvenet có thể được áp dụng để xác định và loại trừ các điểm dữ liệu bất thường.

Giá trị cuối cùng cho độ dày oxit, tính chất cơ học và đặc điểm bề mặt được báo cáo dưới dạng trung bình có độ lệch chuẩn hoặc dưới dạng phạm vi biểu thị khoảng tin cậy 95%.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (Độ dày oxit)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép tấm cacbon thấp (AISI 1008)	0,5-1,5 μm	600°C, 30 phút, làm mát bằng không khí	Tiêu chuẩn ASTM A568/A568M
Thép cacbon trung bình (AISI 1045)	0,8-2,0 μm	650°C, 45 phút, làm mát bằng không khí	Tiêu chuẩn ASTM A568/A568M
Thép HSLA	0,7-1,8 μm	620°C, 40 phút, làm mát bằng không khí	Tiêu chuẩn ASTMA606
Thép Silic	1,0-2,5 μm	680°C, 60 phút, làm mát bằng không khí	Tiêu chuẩn ASTMA677

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu là do sự khác biệt về tình trạng bề mặt trước khi ủ, kiểm soát nhiệt độ chính xác và quản lý tốc độ làm mát. Nhiệt độ ủ cao hơn và thời gian giữ lâu hơn thường tạo ra lớp oxit dày hơn.

Các giá trị này đóng vai trò là chuẩn mực kiểm soát chất lượng trong quy trình sản xuất. Độ dày oxit tương quan với màu xanh lam trực quan và cung cấp một số dấu hiệu về nhiệt độ ủ đạt được.

Trong các loại thép khác nhau, hàm lượng silic cao hơn thường tạo ra màu xanh lam rõ nét hơn và lớp oxit dày hơn, trong khi hàm lượng mangan cao hơn có xu hướng làm tối tông màu xanh lam.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải tính đến giới hạn chảy giảm (thường thấp hơn 10-20% so với điều kiện cán nguội) khi thiết kế các thành phần sử dụng thép ủ xanh. Các tính toán thiết kế thường kết hợp hệ số an toàn là 1,5-2,0 để phù hợp với các biến thể về tính chất.

Khả năng định hình được cải thiện cho phép thực hiện các hoạt động định hình phức tạp hơn, nhưng các nhà thiết kế phải cân nhắc đến khả năng bong tróc oxit trong quá trình biến dạng nghiêm trọng. Khả năng chống nứt cạnh được cải thiện đáng kể so với vật liệu cán nguội.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường ưu tiên thép ủ xanh khi cần độ bền vừa phải kết hợp với khả năng tạo hình tốt, đặc biệt đối với các thành phần sẽ trải qua các công đoạn tạo hình tiếp theo mà không cần xử lý nhiệt thêm.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Ngành công nghiệp ô tô sử dụng rộng rãi thép ủ xanh cho các thành phần kết cấu đòi hỏi khả năng định hình tốt kết hợp với độ bền vừa phải. Các bộ phận như thành phần khung gầm, giá đỡ và phần gia cố được hưởng lợi từ cấu hình đặc tính cân bằng.

Ứng dụng xây dựng đại diện cho một lĩnh vực chính khác, nơi thép ủ xanh được sử dụng cho mái nhà, vách ngoài và các thành phần kết cấu. Lớp oxit cung cấp khả năng bảo vệ chống ăn mòn ban đầu trước khi sơn hoặc phủ.

Sản xuất thiết bị sử dụng thép ủ xanh cho các thành phần bên trong, nơi mà vẻ ngoài ít quan trọng hơn nhưng khả năng định hình là điều cần thiết. Ví dụ bao gồm giá đỡ bên trong, giá đỡ và các thành phần gia cố trong tủ lạnh, máy giặt và máy rửa chén.

Đánh đổi hiệu suất

Ủ xanh tạo ra sự cân bằng giữa độ bền và khả năng tạo hình. Quá trình này làm giảm độ bền kéo trong khi cải thiện độ giãn dài và giảm tốc độ làm cứng, đòi hỏi các kỹ sư phải cân bằng các yêu cầu về cấu trúc với các cân nhắc về sản xuất.

Chất lượng hoàn thiện bề mặt phải cân bằng với chi phí xử lý. Mặc dù oxit xanh cung cấp một số khả năng bảo vệ chống ăn mòn, nhưng nó có thể ảnh hưởng đến một số quy trình phủ hoặc tạo ra các vấn đề về thẩm mỹ trong các ứng dụng có thể nhìn thấy.

Các kỹ sư phải cân bằng lợi ích của việc giảm ứng suất với khả năng thay đổi kích thước. Mặc dù tối thiểu so với ủ hoàn toàn, ủ xanh vẫn có thể dẫn đến những thay đổi nhỏ về kích thước phải được điều chỉnh trong các ứng dụng chính xác.

Phân tích lỗi

Nứt bề mặt trong quá trình tạo hình tiếp theo là một chế độ hỏng hóc phổ biến. Điều này thường xảy ra khi lớp oxit quá dày hoặc không liên tục, tạo ra các điểm tập trung ứng suất trong quá trình biến dạng.

Cơ chế hỏng hóc liên quan đến sự tách biệt tại giao diện oxit-kim loại, lan truyền vào kim loại cơ bản dưới ứng suất kéo. Điều này trở nên trầm trọng hơn do độ dày oxit không đồng đều hoặc ô nhiễm bị mắc kẹt bên dưới lớp oxit.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm kiểm soát cẩn thận các thông số ủ, vệ sinh bề mặt đúng cách trước khi ủ và thiết kế các hoạt động tạo hình để giảm thiểu ứng suất kéo nghiêm trọng vuông góc với bề mặt tấm.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon ảnh hưởng đáng kể đến kết quả ủ xanh, với thép có hàm lượng carbon cao hơn cần nhiệt độ thấp hơn để tránh các chuyển đổi pha không mong muốn. Phạm vi nhiệt độ tối ưu thu hẹp khi hàm lượng carbon tăng.

Các nguyên tố vi lượng như lưu huỳnh và phốt pho có thể tạo thành oxit không đồng đều và làm giảm chất lượng lớp hoàn thiện màu xanh. Duy trì các nguyên tố này dưới 0,025% thường được khuyến nghị để có kết quả đồng nhất.

Silic làm tăng màu xanh bằng cách thúc đẩy sự hình thành Fe₃O₄, trong khi mangan có xu hướng làm sẫm màu oxit. Việc cân bằng các nguyên tố này cho phép các nhà sản xuất đạt được các đặc điểm màu cụ thể.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ban đầu mịn hơn thường dẫn đến sự hình thành oxit đồng đều hơn và các tính chất cơ học tốt hơn sau khi ủ xanh. Diện tích ranh giới hạt tăng lên tạo điều kiện cho các quá trình phục hồi mà không có sự phát triển hạt đáng kể.

Phân bố pha trước khi ủ ảnh hưởng đến các tính chất cuối cùng. Thép có cấu trúc ferit-pearlit đồng nhất phản ứng có thể dự đoán được hơn so với thép có cấu trúc dạng dải hoặc phân tách đáng kể.

Các tạp chất và khuyết tật bề mặt có thể phá vỡ quá trình hình thành oxit, tạo ra các đốm hoặc vùng có màu sắc khác nhau. Độ sạch bề mặt trước khi ủ là rất quan trọng để tạo ra lớp hoàn thiện màu xanh đồng đều.

Xử lý ảnh hưởng

Kiểm soát tốc độ gia nhiệt là điều cần thiết, với tốc độ thông thường là 15-25°C/phút mang lại kết quả tối ưu. Gia nhiệt nhanh hơn có thể gây ra các đặc tính không đồng đều, trong khi gia nhiệt chậm hơn có thể gây ra quá trình oxy hóa quá mức.

Làm nguội trước khi ủ xanh ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cuối cùng. Mức độ làm nguội trước cao hơn dẫn đến thay đổi tính chất lớn hơn trong quá trình ủ do năng lượng lưu trữ cao hơn có sẵn cho các quá trình phục hồi.

Tốc độ làm nguội sau khi ủ ảnh hưởng đến cả tính chất cơ học và đặc tính oxit. Tốc độ làm nguội thông thường là 3-10°C/phút trong không khí tĩnh tạo ra lớp hoàn thiện màu xanh đặc trưng, ​​trong khi làm nguội nhanh hơn có thể tạo ra màu nhạt hơn.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ môi trường trong quá trình làm mát ảnh hưởng đến động học hình thành oxit. Nhiệt độ môi trường cao hơn thường dẫn đến lớp oxit dày hơn với màu xanh đậm hơn.

Độ ẩm trên 70% trong quá trình làm mát có thể gây ra sự hình thành oxit sắt ngậm nước, tạo ra các đốm màu nâu đỏ thay vì màu xanh mong muốn. Làm mát bằng không khí có kiểm soát đôi khi được sử dụng cho các ứng dụng quan trọng.

Việc lưu trữ thép ủ xanh trong thời gian dài có thể dẫn đến sự thay đổi dần dần lớp oxit, đặc biệt là trong môi trường ẩm ướt. Nên đóng gói bảo vệ hoặc tra dầu nhẹ cho các vật liệu không được xử lý ngay lập tức.

Phương pháp cải tiến

Ủ xanh trong khí quyển có kiểm soát, sử dụng áp suất oxy riêng phần giảm nhẹ, tạo ra các lớp oxit đồng đều hơn với màu sắc nhất quán. Phương pháp này được sử dụng cho các sản phẩm ủ xanh chất lượng cao.

Cán qua lớp da sau khi ủ xanh (với mức giảm 0,5-1,0%) có thể cải thiện độ hoàn thiện bề mặt và tăng nhẹ độ bền kéo trong khi vẫn duy trì khả năng tạo hình tốt. Quá trình này làm phẳng các bề mặt gồ ghề và tạo ra vẻ ngoài đồng đều hơn.

Tối ưu hóa hồ sơ thời gian-nhiệt độ thông qua lò nung điều khiển bằng máy tính cho phép các nhà sản xuất đạt được các kết hợp tính chất cụ thể. Các hệ thống hiện đại có thể điều chỉnh các thông số theo thời gian thực dựa trên hệ thống theo dõi và phản hồi vật liệu.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Ủ giảm ứng suất là một loại xử lý nhiệt rộng hơn nhằm mục đích giảm ứng suất dư mà không làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô. Ủ xanh là một loại ủ giảm ứng suất cụ thể được phân biệt bởi phạm vi nhiệt độ và oxit bề mặt thu được.

Ủ dưới tới hạn bao gồm các xử lý nhiệt được thực hiện dưới nhiệt độ chuyển đổi A₁. Ủ xanh nằm trong phạm trù này, cùng với ủ quy trình và ủ hình cầu.

Cán nguội (lăn qua da) thường được thực hiện sau khi ủ xanh để cải thiện bề mặt và điều chỉnh một chút các đặc tính cơ học. Hoạt động cán nguội nhẹ này thường áp dụng mức giảm 0,5-2%.

Mối quan hệ giữa các thuật ngữ này phản ánh vị trí của quá trình ủ xanh trong phổ rộng hơn của phương pháp xử lý nhiệt, chủ yếu được phân biệt theo phạm vi nhiệt độ và mục tiêu cụ thể.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A109/A109M "Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thép, dải, cacbon (tối đa 0,25 phần trăm), cán nguội" bao gồm các điều khoản về vật liệu ủ xanh, chỉ định các đặc tính cơ học và điều kiện bề mặt cần thiết.

EN 10130 "Sản phẩm thép phẳng cacbon thấp cán nguội dùng để tạo hình nguội" bao gồm các thông số kỹ thuật của Châu Âu đối với các sản phẩm ủ xanh, với các yêu cầu về tính chất hơi khác so với tiêu chuẩn ASTM.

JIS G3141 "Tấm và dải thép cacbon cán nguội" đưa ra các tiêu chuẩn công nghiệp của Nhật Bản cho vật liệu ủ xanh, đặc biệt chú trọng đến chất lượng bề mặt và đặc tính oxit.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển các quy trình ủ màu xanh khí quyển được kiểm soát chính xác tạo ra các lớp oxit đồng nhất hơn với khả năng chống ăn mòn được cải thiện. Khí quyển được biến đổi với áp suất riêng phần oxy cho thấy kết quả đầy hứa hẹn.

Các công nghệ mới nổi bao gồm ủ xanh hỗ trợ bằng laser để xử lý tại chỗ và hệ thống giám sát liên tục sử dụng phân tích quang phổ để đảm bảo hình thành oxit đồng nhất trong quá trình sản xuất.

Những phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc tích hợp ủ xanh vào các quy trình xử lý nhiệt nhiều giai đoạn phức tạp hơn, cho phép các nhà sản xuất đạt được các đặc tính phức tạp thông qua các bước xử lý nhiệt được sắp xếp cẩn thận.