Phay hóa học: Quy trình loại bỏ kim loại chính xác trong chế tạo thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Phay hóa học là một quy trình sản xuất trừ đi, loại bỏ vật liệu có chọn lọc khỏi phôi kim loại thông qua các phản ứng hóa học được kiểm soát, thường sử dụng chất khắc axit hoặc kiềm. Kỹ thuật loại bỏ vật liệu phi cơ học này đạt được khả năng kiểm soát kích thước chính xác bằng cách hòa tan các bề mặt kim loại tiếp xúc trong khi các khu vực được bảo vệ vẫn còn nguyên vẹn. Quy trình này đặc biệt có giá trị trong việc giảm trọng lượng trong các thành phần hàng không vũ trụ, tạo ra hình học phức tạp và sản xuất các bộ phận có thành mỏng mà thông thường khó gia công.

Trong bối cảnh rộng hơn của ngành luyện kim, phay hóa học là một kỹ thuật chế tạo chuyên biệt quan trọng, kết nối quá trình gia công cơ học truyền thống và xử lý bề mặt hóa học. Nó chiếm một vị trí độc đáo trong các quy trình loại bỏ vật liệu bằng cách dựa vào sự hòa tan hóa học thay vì lực cơ học, cho phép loại bỏ vật liệu đồng đều mà không gây ra ứng suất cơ học hoặc biến dạng nhiệt.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Nghiền hóa học hoạt động thông qua các phản ứng ăn mòn được kiểm soát ở cấp độ nguyên tử, trong đó các nguyên tử kim loại trên bề mặt bị oxy hóa và sau đó hòa tan vào dung dịch khắc. Quá trình này bao gồm sự chuyển electron tại giao diện kim loại-dung dịch, tạo ra các ion kim loại tách khỏi mạng tinh thể và đi vào dung dịch. Phản ứng điện hóa này tiếp tục tiến dần vào bên trong từ các bề mặt tiếp xúc, duy trì tốc độ loại bỏ vật liệu nhất quán trong điều kiện được kiểm soát.

Cơ chế hòa tan thường tuân theo động học phản ứng bậc nhất, với tốc độ phản ứng được xác định bởi nồng độ chất khắc, nhiệt độ, khuấy và hệ thống kim loại-chất khắc cụ thể. Đối với các thành phần thép, dung dịch gốc sắt (FeCl₃) hoặc axit nitric thường được sử dụng, tấn công vào ma trận sắt trong khi các nguyên tố hợp kim khác nhau có thể hòa tan ở các tốc độ khác nhau.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình nghiền hóa học là mô hình hòa tan điện hóa, mô tả quá trình này như một loạt các phản ứng oxy hóa-khử tại giao diện kim loại-dung dịch. Mô hình này ban đầu được phát triển vào những năm 1940 trong quá trình tìm kiếm các phương pháp để giảm trọng lượng thành phần máy bay của ngành hàng không vũ trụ.

Hiểu biết lịch sử phát triển từ các phương pháp tiếp cận thực nghiệm đơn giản đến các mô hình phức tạp kết hợp các hạn chế khuếch tán, động học phản ứng và các cân nhắc về năng lượng bề mặt. Các khuôn khổ lý thuyết hiện đại bao gồm phương trình Butler-Volmer cho động học điện cực và phương trình Nernst-Planck cho hiện tượng vận chuyển khối lượng.

Các phương pháp tiếp cận lý thuyết khác nhau bao gồm mô hình hòa tan hóa học trực tiếp cho các hệ thống đơn giản và lý thuyết thế hỗn hợp phức tạp hơn cho các hợp kim trong đó nhiều nguyên tố hòa tan ở các tốc độ khác nhau. Các mô hình động lực học chất lỏng tính toán gần đây đã tăng cường khả năng dự đoán hơn nữa bằng cách kết hợp các mẫu dòng chảy và gradient nồng độ.

Cơ sở khoa học vật liệu

Hành vi nghiền hóa học liên quan trực tiếp đến cấu trúc tinh thể của vật liệu, với tốc độ hòa tan thay đổi theo các hướng tinh thể khác nhau. Trong thép, cấu trúc ferit lập phương tâm khối (BCC) và cấu trúc austenit lập phương tâm mặt (FCC) thể hiện các đặc điểm khắc khác nhau. Ranh giới hạt, là vùng năng lượng cao hơn với phản ứng hóa học tăng lên, thường khắc nhanh hơn bên trong hạt.

Cấu trúc vi mô ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ khắc và chất lượng hoàn thiện bề mặt. Thép đa pha cho thấy sự khắc khác biệt giữa các pha, với ferit, peclit, martensite và austenit, mỗi pha phản ứng khác nhau với sự tấn công hóa học. Kết tủa cacbua thường chống lại sự hòa tan hiệu quả hơn so với ma trận xung quanh.

Quá trình này về cơ bản kết nối với các nguyên lý của điện hóa học, nhiệt động lực học và khoa học bề mặt. Sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs của phản ứng hòa tan quyết định tính tự phát của nó, trong khi động học phản ứng chi phối tốc độ khắc thực tế. Các cân nhắc về năng lượng bề mặt giải thích quá trình khắc ưu tiên tại các vị trí khuyết tật và ranh giới hạt.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Công thức cơ bản chi phối tốc độ nghiền hóa học là:

$$R = k \cdot C^n \cdot e^{-E_a/RT}$$

Ở đâu:
- $R$ = tốc độ khắc (thường tính bằng μm/phút hoặc mils/phút)
- $k$ = hằng số tốc độ (đặc trưng cho sự kết hợp kim loại-chất khắc)
- $C$ = nồng độ chất khắc
- $n$ = bậc phản ứng (thường nằm trong khoảng 0,5-1,5)
- $E_a$ = năng lượng hoạt hóa cho phản ứng hòa tan
- $R$ = hằng số khí phổ biến
- $T$ = nhiệt độ tuyệt đối

Công thức tính toán liên quan

Độ sâu loại bỏ vật liệu có thể được tính toán bằng cách sử dụng:

$$d = R \cdot t \cdot F_c$$

Ở đâu:
- $d$ = độ sâu của vật liệu bị loại bỏ
- $R$ = tốc độ khắc
- $t$ = thời gian phơi sáng
- $F_c$ = hệ số hiệu chỉnh cho hình dạng bộ phận và sự khuấy động

Đối với phần cắt ngang bên dưới mặt nạ, mối quan hệ thường được tính gần đúng như sau:

$$u = d \cdot F_u$$

Ở đâu:
- $u$ = khoảng cách cắt xén
- $d$ = độ sâu của vết khắc
- $F_u$ = hệ số cắt giảm (thường là 0,5-1,5 tùy thuộc vào điều kiện)

Các công thức này được áp dụng để dự đoán thời gian xử lý, thiết lập các thông số quy trình và xác định yêu cầu che chắn cho dung sai kích thước cụ thể.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình toán học này có giá trị trong điều kiện đẳng nhiệt với nồng độ chất khắc không đổi và khuấy đều. Chúng giả định động học phản ứng bậc nhất và thành phần vật liệu đồng nhất trên toàn bộ phôi.

Các hạn chế bao gồm sự cố ở nồng độ chất khắc rất cao hoặc rất thấp, không có khả năng tính đến các hiệu ứng cạn kiệt cục bộ mà không cần sửa đổi và độ chính xác giảm đối với các hợp kim phức tạp có nhiều pha. Các mô hình cũng giả định các hiệu ứng thụ động không đáng kể, điều này có thể không đúng đối với thép không gỉ và các hợp kim thụ động khác.

Các giả định cơ bản bao gồm khả năng tiếp cận đồng đều của chất khắc tới mọi bề mặt, tính chất vật liệu đồng nhất trên toàn bộ phôi và tác động không đáng kể từ quá trình giải phóng hydro hoặc các phản ứng thứ cấp khác.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM B767: Hướng dẫn tiêu chuẩn để xác định khối lượng trên một đơn vị diện tích của lớp phủ điện phân và lớp phủ liên quan bằng quy trình phân tích trọng lượng và phân tích hóa học khác (được điều chỉnh để xác định tốc độ khắc)
• ASTM E1558: Hướng dẫn tiêu chuẩn về đánh bóng điện phân các mẫu kim loại (nguyên tắc áp dụng cho quá trình nghiền hóa học)
• AMS 2640: Nghiền hóa học kim loại và hợp kim
• ISO 8407: Ăn mòn kim loại và hợp kim - Loại bỏ sản phẩm ăn mòn khỏi mẫu thử ăn mòn

Các tiêu chuẩn này bao gồm các phương pháp thử nghiệm để xác định tốc độ khắc, đánh giá chất lượng bề mặt và các thông số kiểm soát quy trình.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Thiết bị thông thường bao gồm bồn hóa chất kiểm soát nhiệt độ với hệ thống khuấy, thiết bị che chắn chính xác và thiết bị đo độ dày. Máy đo micrô kỹ thuật số, máy so sánh quang học và máy đo tọa độ (CMM) được sử dụng để xác minh kích thước.

Nguyên tắc cơ bản bao gồm việc phơi các phiếu thử nghiệm chuẩn hóa vào dung dịch khắc trong điều kiện được kiểm soát, sau đó đo tốc độ loại bỏ vật liệu. Các cơ sở hiện đại sử dụng hệ thống xử lý tự động với chức năng giám sát thời gian thực các thông số hóa học, nhiệt độ và khuấy của bồn tắm.

Phương pháp phân tích đặc tính tiên tiến sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để phân tích địa hình bề mặt, kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) để lập hồ sơ bề mặt ở quy mô nano và phép đo quang học để đo độ nhám bề mặt định lượng.

Yêu cầu mẫu

Mẫu thử tiêu chuẩn thường là các phiếu phẳng có kích thước 50mm × 50mm với độ dày phù hợp với vật liệu đang được đánh giá. Đối với thép, độ dày 0,5-3mm là phổ biến, với kích thước lớn hơn cho tốc độ khắc thấp hơn.

Chuẩn bị bề mặt đòi hỏi phải tẩy dầu mỡ, thường sử dụng chất tẩy rửa kiềm sau đó là hoạt hóa axit. Các mẫu vật phải không có cặn, oxit hoặc cặn xử lý trước đó. Khi áp dụng, lớp che chắn phải có các cạnh sạch, sắc và bám dính hoàn toàn.

Mẫu vật phải có thành phần đồng nhất, điều kiện xử lý nhiệt nhất quán và đại diện cho vật liệu sản xuất. Bề mặt hoàn thiện phải được chuẩn hóa, thường là 0,8-3,2μm Ra, để đảm bảo điều kiện cơ sở nhất quán.

Thông số thử nghiệm

Kiểm tra tiêu chuẩn diễn ra ở nhiệt độ từ 20-80°C, tùy thuộc vào hệ thống khắc. Kiểm soát nhiệt độ trong phạm vi ±1°C là điều cần thiết để có kết quả tái tạo được. Độ ẩm tương đối nên được kiểm soát trong môi trường thử nghiệm, đặc biệt là đối với chất khắc hút ẩm.

Tốc độ khuấy thường dao động từ 0,1-1,0 m/giây chuyển động dung dịch tương đối, được cung cấp bằng cách khuấy cơ học, chuyển động một phần hoặc phun dung dịch. Thời gian ngâm thay đổi từ vài phút đến vài giờ tùy thuộc vào vật liệu và độ ăn mòn.

Các thông số quan trọng bao gồm nồng độ chất khắc (duy trì trong phạm vi ±2% mục tiêu), hàm lượng kim loại hòa tan trong bể (thường được giữ dưới ngưỡng quy định) và độ pH đối với hệ thống kiềm.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu chính bao gồm phân tích trọng lượng (giảm trọng lượng), đo kích thước trước và sau khi xử lý và đo độ nhám bề mặt. Nhiều phép đo tại các vị trí khác nhau đảm bảo lấy mẫu đại diện.

Các phương pháp thống kê bao gồm tính toán tỷ lệ khắc trung bình với độ lệch chuẩn, thường yêu cầu 3-5 mẫu sao chép. Phân tích ngoại lệ sử dụng thử nghiệm Grubbs hoặc các phương pháp tương tự xác định kết quả bất thường.

Tốc độ khắc cuối cùng được tính bằng cách chia sự thay đổi độ dày cho thời gian phơi sáng, với các hiệu chỉnh cho các biến thể nhiệt độ sử dụng mối quan hệ Arrhenius. Các thông số độ nhám bề mặt (Ra, Rz) được báo cáo dưới dạng trung bình trên nhiều vị trí đo.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi tốc độ khắc điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (1018, 1020)	0,5-2,0 mils/phút	FeCl₃, 45°C, 42° Baumé	AMS 2640
Thép Cacbon Trung Bình (1045, 1050)	0,4-1,8 mils/phút	FeCl₃, 45°C, 42° Baumé	AMS 2640
Thép hợp kim (4130, 4340)	0,3-1,5 mils/phút	FeCl₃, 50°C, 45° Baumé	AMS 2640
Thép không gỉ (304, 316)	0,1-0,8 mils/phút	FeCl3/HCl, 55°C	Tiêu chuẩn ASTM B767

Sự khác biệt trong mỗi phân loại bắt nguồn từ sự khác biệt về thành phần chính xác, xử lý nhiệt trước đó và lịch sử làm việc nguội. Hàm lượng carbon cao hơn thường làm giảm tốc độ khắc, trong khi hàm lượng hợp kim tăng lên, đặc biệt là crom, làm giảm đáng kể khả năng phản ứng.

Các giá trị này đóng vai trò là kỳ vọng cơ sở cho việc lập kế hoạch quy trình, với tốc độ sản xuất thực tế cần được xác minh thông qua quá trình xử lý mẫu. Mối quan hệ giữa tốc độ khắc và chất lượng hoàn thiện bề mặt phải được xem xét, vì tốc độ nhanh hơn thường tạo ra bề mặt thô hơn.

Đối với các loại thép khác nhau, có xu hướng rõ ràng là tốc độ khắc giảm khi hàm lượng hợp kim tăng, đặc biệt là với các nguyên tố tạo thành màng oxit thụ động như crom, niken và molypden.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư tính đến những thay đổi về kích thước do phay hóa học bằng cách kết hợp các khoản phụ cấp khắc vào các kích thước ban đầu của bộ phận. Các phương pháp thiết kế thông thường bao gồm việc thêm vật liệu bằng với độ sâu khắc đã lên kế hoạch cộng với hệ số dung sai 10-20% để thích ứng với các biến thể của quy trình.

Hệ số an toàn cho các thành phần được nghiền hóa học thường nằm trong khoảng từ 1,2-1,5 đối với các đặc tính phụ thuộc vào độ dày, với các hệ số cao hơn (1,5-2,0) được áp dụng khi quan tâm đến nứt do ăn mòn do mỏi hoặc ứng suất. Các hệ số này bù đắp cho các biến thể độ dày tiềm ẩn và các hiệu ứng về tình trạng bề mặt.

Quyết định lựa chọn vật liệu phải xem xét khả năng khắc, với thép hợp kim cao đòi hỏi chất khắc mạnh hơn hoặc thời gian xử lý lâu hơn. Các nhà thiết kế thường thích vật liệu có đặc tính khắc đồng nhất để duy trì kiểm soát kích thước nhất quán trên các hình dạng phức tạp.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Các thành phần cấu trúc hàng không vũ trụ đại diện cho lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất, nơi quá trình nghiền hóa học làm giảm trọng lượng một cách có chọn lọc ở các vùng chịu ứng suất thấp của vách ngăn, vỏ cánh và tấm thân máy bay. Việc giảm trọng lượng này chuyển trực tiếp thành hiệu quả nhiên liệu và tăng khả năng tải trọng.

Ngành công nghiệp ô tô sử dụng phương pháp phay hóa học cho các thành phần chuyên dụng như thân van truyền động, nơi các đường dẫn chất lỏng phức tạp đòi hỏi phải kiểm soát kích thước chính xác mà không bị biến dạng liên quan đến gia công cơ học. Các thành phần này được hưởng lợi từ bản chất không có gờ của quá trình xử lý hóa học.

Các ứng dụng bổ sung bao gồm cấy ghép y tế, nơi các bề mặt không ứng suất cải thiện khả năng chống mỏi, các tấm kiến ​​trúc trang trí có hoa văn phức tạp và các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) nơi cần các tính năng vi mô. Phay hóa học cũng tạo ra các thành phần gia công quang hóa cho thiết bị điện tử, tạo ra các khung dẫn và đầu nối phức tạp.

Đánh đổi hiệu suất

Phay hóa học tạo ra sự đánh đổi cơ bản với độ cứng bề mặt, vì quá trình này về cơ bản loại bỏ lớp cứng do gia công có thể có từ các hoạt động sản xuất trước đó. Điều này có thể làm giảm khả năng chống mài mòn trong các ứng dụng mà độ cứng bề mặt là rất quan trọng.

Quá trình này cũng ảnh hưởng đến hiệu suất mỏi, với các bề mặt được phay hóa học thường cho thấy độ bền mỏi thấp hơn 5-15% so với các bề mặt được gia công cơ học có kích thước tương đương. Điều này xảy ra do rỗ ​​vi mô có thể đóng vai trò là các điểm tập trung ứng suất.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này bằng cách chỉ định các phương pháp xử lý sau khi phay như phun bi để khôi phục ứng suất nén bề mặt hoặc bằng cách thiết kế với các hệ số giảm độ bền mỏi thích hợp. Các phương pháp tiếp cận thay thế bao gồm xử lý lai, trong đó các bề mặt quan trọng được hoàn thiện cơ học sau khi phay hóa học.

Phân tích lỗi

Giòn hydro là một chế độ hỏng hóc phổ biến liên quan đến quá trình nghiền hóa học, đặc biệt là trong thép cường độ cao. Hydro nguyên tử được tạo ra trong phản ứng khắc có thể khuếch tán vào mạng kim loại, làm giảm độ dẻo và gây ra nứt chậm dưới ứng suất.

Cơ chế hỏng hóc tiến triển thông qua sự hấp thụ hydro trong quá trình xử lý, sau đó là sự di chuyển đến các vùng ứng suất cao và tích tụ tại các khuyết tật vi cấu trúc. Điều này dẫn đến sự khởi đầu và lan truyền vết nứt, thường dọc theo ranh giới hạt, dẫn đến sự hỏng giòn thảm khốc.

Các biện pháp giảm thiểu bao gồm nung sau quá trình ở nhiệt độ 175-200°C trong 3-24 giờ để khuếch tán hydro ra khỏi vật liệu, sử dụng chất khắc ức chế giúp giảm quá trình tạo ra hydro và áp dụng các kỹ thuật che chắn chuyên dụng giúp bảo vệ các vùng chịu ứng suất cao khỏi tiếp xúc với hóa chất.

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 tốc độ khắc trong thép, với hàm lượng carbon cao hơn thường làm giảm tốc độ hòa tan 10-30% so với các biến thể carbon thấp. Điều này xảy ra do sự hình thành các cacbua chống lại sự tấn công của hóa chất.

Các nguyên tố vi lượng như lưu huỳnh và phốt pho có thể tạo ra các ô galvanic cục bộ gây ra quá trình khắc không đều và bề mặt hoàn thiện kém. Ngay cả những thay đổi nhỏ (0,01-0,05%) cũng có thể tạo ra sự khác biệt rõ rệt về chất lượng bề mặt sau khi phay hóa học.

Tối ưu hóa thành phần thường bao gồm việc cân bằng hàm lượng crom để cung cấp khả năng chống ăn mòn đầy đủ mà không có khả năng chống khắc quá mức. Đối với các ứng dụng chuyên biệt, việc kiểm soát silic (0,2-0,6%) cải thiện tính đồng nhất của quá trình khắc bằng cách tạo thành silicat giúp điều chỉnh phản ứng.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng khắc, với thép hạt mịn (kích thước hạt ASTM 8-12) tạo ra bề mặt mịn hơn so với vật liệu hạt thô. Điều này xảy ra vì sự tấn công ưu tiên ranh giới hạt trở nên ít rõ rệt hơn khi ranh giới nhiều hơn và phân bố đều.

Phân bố pha trong thép đa pha tạo ra tốc độ khắc khác nhau, với ferit thường khắc nhanh hơn peclit và cả hai đều nhanh hơn martensit. Điều này có thể tạo ra địa hình bề mặt "bậc thang" làm tăng độ nhám theo tỷ lệ với sự khác biệt về kích thước pha.

Các tạp chất phi kim loại, đặc biệt là mangan sulfua và các sợi nhôm oxit, tạo ra các biến thể tốc độ khắc cục bộ. Các khuyết tật này có thể để lại các chỗ lồi hoặc lõm trên bề mặt khắc, với các hiệu ứng tỷ lệ thuận với kích thước tạp chất và mật độ phân bố.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến hành vi nghiền hóa học, với thép ủ thường khắc nhanh hơn 20-40% so với các biến thể tôi và ram có cùng thành phần. Các cấu trúc chuẩn hóa thường thể hiện các đặc điểm khắc đồng đều nhất.

Các hoạt động gia công nguội như cán hoặc kéo tạo ra các gradient năng lượng biến dạng giúp tăng tốc độ khắc lên 10-30% so với vật liệu không biến dạng. Hiệu ứng này giảm dần khi gia công nguội khi quá trình tôi cứng biến dạng đạt đến trạng thái bão hòa.

Tốc độ làm nguội trong quá trình xử lý trước ảnh hưởng đến kích thước và sự phân bố cacbua, với quá trình làm nguội chậm hơn tạo ra các cacbua lớn hơn tạo ra kết cấu bề mặt rõ nét hơn sau khi khắc. Làm nguội nhanh tạo ra các cấu trúc vi mô mịn hơn thường tạo ra bề mặt khắc mịn hơn.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ khắc, với mỗi lần tăng 10°C thường làm tăng tốc độ hòa tan lên 50-100% theo hành vi Arrhenius. Độ nhạy này đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ chính xác (±1°C) để có kết quả nhất quán.

Độ ẩm ảnh hưởng đến độ bám dính của lớp phủ và có thể ảnh hưởng đến nồng độ chất khắc thông qua quá trình bay hơi hoặc hấp thụ nước. Kiểm soát độ ẩm tương đối ở mức 40-60% trong khu vực xử lý đảm bảo hiệu suất phủ đồng đều và độ ổn định của dung dịch.

Các tác động phụ thuộc vào thời gian bao gồm sự suy giảm chất khắc khi kim loại hòa tan tích tụ, thường làm giảm tỷ lệ khắc 1-3% trên mỗi gam kim loại hòa tan trên mỗi lít. Lịch trình bổ sung phải tính đến sự giảm dần hoạt động này.

Phương pháp cải tiến

Cải tiến luyện kim bao gồm phát triển các vi cấu trúc đồng nhất, hạt mịn thông qua quá trình xử lý nhiệt cơ học được kiểm soát. Nung chảy chân không làm giảm hàm lượng tạp chất, tạo ra các đặc tính khắc đồng đều hơn và bề mặt hoàn thiện vượt trội.

Các phương pháp tiếp cận dựa trên quá trình xử lý bao gồm khắc nhiều giai đoạn với các dung dịch pha loãng dần, giúp loại bỏ vật liệu ban đầu nhanh chóng, sau đó là định cỡ cuối cùng được kiểm soát với bề mặt hoàn thiện được cải thiện. Quá trình khuấy siêu âm trong quá trình khắc giúp tăng cường tính đồng nhất bằng cách phá vỡ các lớp ranh giới.

Tối ưu hóa thiết kế bao gồm việc định hướng các bề mặt quan trọng vuông góc với hướng khắc chính và tránh các góc bên trong sắc nhọn nơi dòng chảy của chất khắc bị hạn chế. Việc kết hợp các tính năng hy sinh bị loại bỏ trong quá trình xử lý có thể bảo vệ các kích thước quan trọng khỏi các hiệu ứng cắt xén.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Phôi hóa học là một dạng phay hóa học chuyên biệt, trong đó chất khắc sẽ xuyên qua hoàn toàn độ dày của vật liệu, tạo ra các lỗ xuyên qua hoặc các đặc điểm cắt. Quy trình này thường được sử dụng cho các thành phần tấm mỏng có các lỗ đục phức tạp.

Gia công quang hóa kết hợp các kỹ thuật che phủ quang khắc với phay hóa học để tạo ra các mẫu phức tạp với độ chính xác cao. Quy trình lai này cho phép độ phân giải tính năng xuống tới 0,025mm trong các vật liệu mỏng.

Gia công điện hóa là một quá trình liên quan trong đó vật liệu được loại bỏ thông qua quá trình hòa tan anot trong chất điện phân dưới dòng điện được áp dụng. Không giống như quá trình nghiền hóa học, quá trình này đòi hỏi độ dẫn điện và cung cấp khả năng kiểm soát chính xác hơn thông qua thao tác mật độ dòng điện.

Các quy trình này tạo thành một nhóm các kỹ thuật loại bỏ vật liệu phi cơ học, trong đó phay hóa học cung cấp khả năng ứng dụng rộng rãi nhất nhưng độ chính xác thấp nhất, gia công quang hóa cung cấp độ phân giải được cải thiện cho các vật liệu mỏng và gia công điện hóa cung cấp độ chính xác cao nhất cho các phôi dẫn điện.

Tiêu chuẩn chính

AMS 2640 (Xay hóa học kim loại và hợp kim) đóng vai trò là tiêu chuẩn chính của ngành hàng không vũ trụ, nêu chi tiết các yêu cầu về quy trình, quy trình kiểm soát chất lượng và tiêu chí chấp nhận đối với các thành phần được nghiền hóa học. Tiêu chuẩn toàn diện này bao gồm bảo trì dung dịch, yêu cầu che chắn và phương pháp kiểm tra.

ASTM B767 cung cấp các phương pháp thử nghiệm chuẩn hóa để xác định tỷ lệ loại bỏ vật liệu và đánh giá chất lượng bề mặt sau khi xử lý hóa học. Tiêu chuẩn này tập trung vào các kỹ thuật đo lường hơn là các thông số kỹ thuật quy trình.

Tiêu chuẩn quân sự MIL-STD-1537C (Phay hóa học kim loại) khác với các tiêu chuẩn thương mại ở chỗ áp dụng các yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với thử nghiệm giòn do hydro và lập tài liệu toàn diện hơn về các thông số quy trình, đặc biệt đối với các thành phần thép có độ bền cao.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào các chất khắc thân thiện với môi trường giúp giảm thiểu chất thải nguy hại trong khi vẫn duy trì hiệu suất. Các hệ thống kiềm dựa trên hydro peroxide với các tác nhân phức hợp hữu cơ cho thấy triển vọng thay thế các chất khắc axit truyền thống.

Các công nghệ mới nổi bao gồm hệ thống thị giác máy tính để theo dõi tiến trình khắc theo thời gian thực, cho phép điều chỉnh động các thông số quy trình. Phay hóa học hỗ trợ bằng laser, sử dụng năng lượng laser mục tiêu để tăng tốc cục bộ tốc độ phản ứng, cho phép xử lý chọn lọc các hình học phức tạp.

Các phát triển trong tương lai có thể bao gồm mô hình động lực học chất lỏng tính toán để tối ưu hóa các mẫu khuấy cho hình dạng bộ phận phức tạp, giảm thời gian xử lý đồng thời cải thiện tính đồng nhất. Tích hợp với các quy trình sản xuất bồi đắp có thể tạo ra các phương pháp tiếp cận lai trong đó quá trình nghiền hóa học sửa đổi có chọn lọc các thành phần kim loại in 3D để đạt được kích thước cuối cùng và chất lượng bề mặt.