Ủ nhà máy: Quy trình xử lý nhiệt thiết yếu cho sản xuất thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Ủ trong nhà máy là một quá trình xử lý nhiệt được áp dụng cho các sản phẩm thép trong hoặc ngay sau khi sản xuất tại các nhà máy thép để làm mềm vật liệu, giảm ứng suất bên trong và cải thiện khả năng gia công. Quá trình này bao gồm việc nung thép đến nhiệt độ dưới điểm chuyển đổi quan trọng của nó, giữ ở nhiệt độ đó trong một thời gian xác định, sau đó làm nguội ở tốc độ được kiểm soát, thường là trong không khí.

Ủ nhà máy là phương pháp xử lý nhiệt kinh tế, quy mô sản xuất, chuẩn bị thép cho các hoạt động sản xuất tiếp theo bằng cách cung cấp cấu trúc đồng đều và dễ gia công hơn. Mặc dù không được kiểm soát chính xác như các quy trình ủ hoàn toàn, nhưng nó mang lại những cải tiến về tính chất đủ cho nhiều ứng dụng thương mại.

Trong hệ thống phân cấp xử lý luyện kim, ủ cán chiếm vị trí trung gian giữa các điều kiện cán và xử lý nhiệt chuyên biệt hơn như chuẩn hóa, ủ hoàn toàn hoặc giảm ứng suất. Nó đóng vai trò là quy trình xử lý cơ sở cân bằng kinh tế sản xuất với sự phát triển tính chất cơ học đầy đủ.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, ủ trong máy nghiền thúc đẩy quá trình phục hồi và kết tinh lại một phần cấu trúc hạt bị biến dạng do quá trình gia công nóng hoặc lạnh. Nhiệt độ cao cung cấp đủ năng lượng nhiệt để các vị trí sai lệch sắp xếp lại và hủy diệt một phần, làm giảm mật độ vị trí sai lệch tổng thể trong vật liệu.

Các nguyên tử cacbon và các nguyên tố hợp kim khác đạt được tính di động trong quá trình ủ, cho phép chúng khuếch tán về các vị trí ổn định hơn về mặt nhiệt động lực học. Sự khuếch tán này giúp đồng nhất cấu trúc vi mô và giảm sự phân tách vi mô có thể xảy ra trong quá trình đông đặc hoặc xử lý tiếp theo.

Quá trình này cũng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình cầu hóa cacbua trong thép có hàm lượng cacbon trung bình đến cao, biến cacbua dạng phiến hoặc dạng tấm thành hình dạng tròn hơn giúp cải thiện khả năng gia công và giảm các điểm tập trung ứng suất.

Mô hình lý thuyết

Khung lý thuyết chính cho quá trình ủ trong nhà máy tuân theo mô hình phục hồi, kết tinh lại và tăng trưởng hạt được phát triển vào đầu thế kỷ 20. Mô hình này mô tả cách kim loại biến dạng khôi phục cấu trúc vi mô của chúng thông qua các quá trình được kích hoạt nhiệt tuần tự.

Hiểu biết lịch sử về quá trình ủ đã phát triển đáng kể với sự phát triển của các kỹ thuật nhiễu xạ tia X vào những năm 1920, cho phép các nhà luyện kim quan sát những thay đổi về tinh thể trong quá trình xử lý nhiệt. Những tiến bộ hơn nữa đến với kính hiển vi điện tử truyền qua vào những năm 1950, cho phép quan sát trực tiếp các cấu trúc trật khớp.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại kết hợp các mô hình động học dựa trên các phương trình kiểu Arrhenius để dự đoán sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình ủ, trong khi các mô hình chuyển đổi pha như các phương trình Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) mô tả sự tiến triển của quá trình kết tinh lại theo thời gian và nhiệt độ.

Cơ sở khoa học vật liệu

Ủ nghiền ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tinh thể của thép bằng cách giảm sự biến dạng mạng tinh thể và cho phép các nguyên tử đạt được nhiều vị trí cân bằng hơn trong mạng tinh thể. Tại ranh giới hạt, quá trình này thúc đẩy sự di chuyển của các ranh giới góc cao và loại bỏ các ranh giới hạt phụ góc thấp được hình thành trong quá trình biến dạng.

Những thay đổi về cấu trúc vi mô trong quá trình ủ trong nhà máy phụ thuộc vào tình trạng ban đầu và thành phần của thép. Trong thép cacbon thấp, quá trình này chủ yếu ảnh hưởng đến pha ferit, trong khi ở thép cacbon trung bình đến cao, nó ảnh hưởng đến cả ma trận ferit và hình thái cũng như sự phân bố của pha cacbua.

Động lực cho những thay đổi này bắt nguồn từ nguyên lý nhiệt động lực học về giảm thiểu năng lượng tự do, trong đó hệ thống di chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn bằng cách giảm mật độ khuyết tật và tạo ra sự phân bố pha ổn định hơn.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Động học của quá trình ủ, bao gồm ủ trong nhà máy, có thể được mô tả bằng phương trình Arrhenius:

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

Trong đó $k$ là hằng số tốc độ cho quá trình ủ, $A$ là hệ số tiền mũ, $E_a$ là năng lượng hoạt hóa cho cơ chế cụ thể (phục hồi, kết tinh lại hoặc phát triển hạt), $R$ là hằng số khí phổ quát và $T$ là nhiệt độ tuyệt đối tính bằng Kelvin.

Công thức tính toán liên quan

Tỷ lệ kết tinh lại trong quá trình ủ trong máy nghiền có thể được mô hình hóa bằng phương trình JMAK:

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

Trong đó X biểu thị phần thể tích kết tinh lại, k là hằng số tốc độ phụ thuộc nhiệt độ từ phương trình Arrhenius, t là thời gian ủ và n là số mũ Avrami phụ thuộc vào cơ chế hình thành và phát triển.

Sự làm mềm xảy ra trong quá trình ủ trong máy có thể được định lượng bằng mối quan hệ giữa độ giảm độ cứng và các thông số ủ:

$$\frac{H_0 - H}{H_0 - H_f} = f(t, T)$$

Trong đó $H_0$ là độ cứng ban đầu, $H$ là độ cứng sau khi ủ trong thời gian $t$ ở nhiệt độ $T$ và $H_f$ là độ cứng cân bằng cuối cùng.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình toán học này thường có giá trị đối với vật liệu một pha hoặc vật liệu có ít hạt pha thứ hai. Độ chính xác của chúng giảm trong thép đa pha phức tạp, nơi tương tác giữa các pha ảnh hưởng đến động học kết tinh lại.

Các mô hình giả định điều kiện đẳng nhiệt, điều kiện này có thể không được duy trì trong suốt quá trình ủ trong máy nghiền công nghiệp, trong đó nhiệt độ có thể thay đổi trên các mặt cắt ngang lớn hoặc các sản phẩm dài.

Hầu hết các mô hình ủ đều được rút ra theo kinh nghiệm đối với các thành phần thép và điều kiện ban đầu cụ thể, đòi hỏi phải hiệu chuẩn lại khi áp dụng cho các loại thép hoặc lịch sử xử lý khác nhau.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM E18: Phương pháp thử tiêu chuẩn về độ cứng Rockwell của vật liệu kim loại - Cung cấp các quy trình để đo những thay đổi về độ cứng do quá trình ủ cán.

ASTM E112: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để xác định kích thước hạt trung bình - Phác thảo các phương pháp định lượng sự thay đổi kích thước hạt sau quá trình xử lý ủ.

ISO 6507: Vật liệu kim loại - Thử độ cứng Vickers - Chỉ định phương pháp đo độ cứng thay thế thường được sử dụng để đánh giá hiệu quả ủ.

ASTM E3: Hướng dẫn tiêu chuẩn về chuẩn bị mẫu kim loại học - Chi tiết về chuẩn bị mẫu để kiểm tra cấu trúc vi mô của vật liệu ủ.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Kính hiển vi quang học vẫn là công cụ chính để đánh giá những thay đổi về cấu trúc vi mô sau khi ủ cán, cho phép đánh giá kích thước hạt, phân bố pha và hình thái cacbua ở độ phóng đại lên tới 1000 lần.

Máy kiểm tra độ cứng (Rockwell, Vickers hoặc Brinell) cung cấp phép đo định lượng về độ mềm đạt được trong quá trình ủ cán, với các phép đo thường được thực hiện trên các bề mặt phẳng đã chuẩn bị.

Máy thử kéo xác định những thay đổi về tính chất cơ học, đặc biệt là giới hạn chảy, độ bền kéo và độ giãn dài, những yếu tố bị ảnh hưởng đáng kể bởi quá trình ủ.

Đặc tính nâng cao có thể sử dụng nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử (EBSD) để định lượng phần kết tinh lại và sự phát triển kết cấu trong quá trình ủ.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu kim loại học tiêu chuẩn yêu cầu bề mặt phẳng, được đánh bóng, thường có kích thước từ 1-2 cm², với quá trình chuẩn bị bề mặt sau khi mài và đánh bóng liên tục để đạt được độ bóng như gương.

Mẫu thử độ cứng cần có bề mặt phẳng song song với yêu cầu về độ dày tối thiểu tùy thuộc vào phương pháp thử nghiệm (thường là độ sâu vết lõm gấp 10 lần đối với thử nghiệm Vickers).

Mẫu kéo tuân theo hình dạng chuẩn hóa (ASTM E8/ISO 6892) với chiều dài đo và mặt cắt ngang phù hợp với hình dạng sản phẩm đang được đánh giá.

Thông số thử nghiệm

Hiệu quả ủ trong máy nghiền thường được đánh giá ở nhiệt độ phòng (20-25°C) trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn, mặc dù thử nghiệm chuyên biệt có thể đánh giá các đặc tính ở nhiệt độ cao.

Các phép đo độ cứng phải tuân theo tỷ lệ tải trọng và thời gian dừng tiêu chuẩn như được chỉ định trong các phương pháp thử nghiệm có liên quan, với nhiều phép đo được tính trung bình để tính đến tính không đồng nhất về cấu trúc vi mô.

Kiểm tra kim loại học đòi hỏi phải lựa chọn thuốc thử khắc thích hợp dựa trên thành phần thép, trong đó nital (axit nitric 2-5% trong etanol) thường được dùng cho thép cacbon và thép hợp kim thấp.

Xử lý dữ liệu

Dữ liệu độ cứng thường được thu thập từ nhiều vị trí (tối thiểu 5 điểm) và tính trung bình để tính đến những thay đổi cục bộ trong cấu trúc vi mô.

Các phép đo kích thước hạt tuân theo phương pháp thống kê được nêu trong ASTM E112, thường sử dụng phương pháp chặn hoặc so sánh để xác định đường kính hạt trung bình.

Đánh giá tài sản cuối cùng thường bao gồm phân tích thống kê phương sai để xác định ý nghĩa của những thay đổi về tài sản và thiết lập khoảng tin cậy cho các giá trị được báo cáo.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (Độ cứng)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (1018, 1020)	120-150 HB	Nhà máy ủ ở nhiệt độ 650-700°C	Tiêu chuẩn ASTMA108
Thép Cacbon Trung Bình (1040, 1045)	160-200 HB	Nhà máy ủ ở nhiệt độ 650-700°C	Tiêu chuẩn ASTMA29
Thép hợp kim (4140, 4340)	190-240 HB	Nhà máy ủ ở nhiệt độ 700-750°C	Tiêu chuẩn ASTMA29
Thép không gỉ (304, 316)	140-180 HB	Nhà máy ủ ở nhiệt độ 1000-1050°C	Tiêu chuẩn ASTMA240

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu là do sự khác biệt về thành phần hóa học chính xác, lịch sử xử lý trước đó và các thông số ủ cụ thể của nhà máy (nhiệt độ, thời gian, tốc độ làm nguội).

Các giá trị này thể hiện các điều kiện điển hình sau khi ủ trong nhà máy tiêu chuẩn và đóng vai trò là kỳ vọng cơ bản cho vật liệu ở điều kiện khi nhận được từ nhà sản xuất thép.

Xu hướng chung cho thấy thép có hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn vẫn giữ được độ cứng cao hơn sau khi ủ cán do khả năng làm cứng vốn có của chúng và sự hiện diện của hợp kim cacbua chống lại quá trình làm mềm.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường coi các đặc tính ủ trong nhà máy là điều kiện cơ sở khi thiết kế các thành phần, thường áp dụng hệ số an toàn từ 1,5-2,0 để tính đến các biến thể về đặc tính vật liệu và sự không nhất quán tiềm ẩn về cấu trúc vi mô.

Các thông số kỹ thuật vật liệu thường trích dẫn các đặc tính ủ trong nhà máy là giá trị tối thiểu có thể chấp nhận được, trong khi các nhà thiết kế tính đến khả năng cải thiện đặc tính thông qua các phương pháp xử lý nhiệt tiếp theo khi cần hiệu suất cao hơn.

Trạng thái ủ cán ảnh hưởng đáng kể đến quyết định lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng tạo hình hoặc gia công tốt vì các đặc tính này được cải thiện đáng kể so với điều kiện cán.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Sản xuất linh kiện ô tô phụ thuộc rất nhiều vào thép ủ trong nhà máy đối với các bộ phận đòi hỏi hoạt động gia công mở rộng, chẳng hạn như trục khuỷu, thanh truyền và các bộ phận truyền động, trong đó khả năng gia công được cải thiện giúp giảm hao mòn dụng cụ và chi phí sản xuất.

Các ứng dụng xây dựng và kết cấu sử dụng thép ủ trong nhà máy vì các đặc tính cơ học có thể dự đoán được và khả năng hàn tốt, đặc biệt là trong các ứng dụng mà vật liệu sẽ trải qua các hoạt động tạo hình bổ sung tối thiểu.

Sản xuất hàng tiêu dùng được hưởng lợi từ thép ủ trong nhà máy trong các ứng dụng đòi hỏi hoạt động tạo hình vừa phải sau đó là quy trình hoàn thiện, chẳng hạn như các bộ phận thiết bị, đồ nội thất và đồ kim khí.

Đánh đổi hiệu suất

Ủ cán cải thiện khả năng gia công và tạo hình nhưng lại làm giảm độ bền so với điều kiện chuẩn hóa hoặc tôi và ram, đòi hỏi kỹ sư phải cân bằng giữa tính dễ sản xuất với yêu cầu về độ bền của thành phần cuối cùng.

Quá trình này làm tăng độ dẻo dai nhưng lại làm giảm độ cứng và khả năng chống mài mòn, đòi hỏi phải cân nhắc cẩn thận trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền bề mặt cao.

Các nhà thiết kế phải cân bằng giữa lợi thế kinh tế khi sử dụng vật liệu ủ trong nhà máy với nhu cầu tiềm ẩn về xử lý nhiệt tiếp theo để đạt được các đặc tính cơ học tối ưu cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

Phân tích lỗi

Quá trình ủ cán không đồng nhất có thể dẫn đến những biến đổi về cấu trúc vi mô gây ra biến dạng không thể đoán trước hoặc hỏng hóc sớm trong quá trình tạo hình, đặc biệt là trong các ứng dụng kéo sâu, nơi mà tính chất vật liệu đồng nhất là rất quan trọng.

Việc giải phóng ứng suất không hoàn toàn trong quá trình ủ có thể dẫn đến mất ổn định kích thước trong quá trình gia công, vì ứng suất dư phân bổ lại khi vật liệu bị loại bỏ.

Những rủi ro này có thể được giảm thiểu thông qua chứng nhận vật liệu phù hợp, thử nghiệm xác minh trước các hoạt động quan trọng và thiết kế quy trình phù hợp với một số thay đổi về tính chất vật liệu.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng ủ trong máy cán, thép cacbon cao hơn cần nhiệt độ ủ cao hơn và thời gian dài hơn để đạt được độ mềm tương đương do tính ổn định của pha cacbua.

Mangan và crom có ​​xu hướng làm chậm quá trình làm mềm trong quá trình ủ bằng cách tạo thành các cacbua ổn định có khả năng chống hòa tan và hình cầu ở nhiệt độ ủ thông thường.

Các nguyên tố còn lại như lưu huỳnh và phốt pho có thể phân tách thành ranh giới hạt trong quá trình ủ, có khả năng làm giảm tính chất cơ học nếu có quá nhiều.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ban đầu ảnh hưởng mạnh đến kết quả ủ trong máy nghiền, với hạt ban đầu mịn hơn thường dẫn đến sự kết tinh lại đồng đều hơn và sự phát triển của hạt được kiểm soát trong suốt quá trình.

Sự phân bố pha trước khi ủ, đặc biệt là hình thái và sự phân bố của cacbua, quyết định mức độ làm mềm có thể đạt được và thời gian cần thiết để đạt được mức tính chất mong muốn.

Các dải biến dạng có sẵn hoặc quá trình làm việc lạnh khắc nghiệt có thể tạo ra các vị trí kết tinh lại ưu tiên, có khả năng dẫn đến sự phát triển hạt bất thường trong quá trình ủ trong máy nếu kiểm soát nhiệt độ không đầy đủ.

Xử lý ảnh hưởng

Tốc độ gia nhiệt ảnh hưởng đến tính đồng nhất nhiệt độ trên toàn bộ mặt cắt ngang của vật liệu, trong khi quá trình gia nhiệt nhanh có khả năng tạo ra các gradient nhiệt độ dẫn đến các cấu trúc vi mô không đồng nhất ở các mặt cắt dày hơn.

Thời gian ngâm ở nhiệt độ xác định mức độ phục hồi và kết tinh lại, thời gian ngâm không đủ sẽ dẫn đến làm mềm không hoàn toàn và thời gian ngâm quá dài có thể gây ra sự phát triển hạt không mong muốn.

Tốc độ làm nguội từ nhiệt độ ủ ảnh hưởng đến các tính chất cuối cùng, việc làm nguội chậm hơn thường mang lại khả năng giải phóng ứng suất hoàn toàn hơn nhưng có khả năng tạo ra sự kết tủa các pha không mong muốn trong một số loại thép hợp kim.

Các yếu tố môi trường

Biến động nhiệt độ môi trường xung quanh trong nhà máy có thể ảnh hưởng đến tốc độ làm mát và tính chất cuối cùng, đặc biệt là trong các hoạt động làm mát ngoài trời thường thấy trong các hoạt động ủ công nghiệp.

Các điều kiện khí quyển trong quá trình ủ, đặc biệt là hàm lượng oxy, có thể dẫn đến quá trình khử cacbon hoặc oxy hóa bề mặt, ảnh hưởng đến các đặc tính bề mặt và có thể cần phải loại bỏ trước khi xử lý tiếp theo.

Sự thay đổi theo mùa trong hoạt động của nhà máy có thể tạo ra sự khác biệt nhỏ trong kết quả ủ, đặc biệt là ở những cơ sở không có điều kiện môi trường được kiểm soát hoàn toàn.

Phương pháp cải tiến

Ủ trong môi trường có kiểm soát là sự cải tiến về mặt luyện kim so với ủ trong máy nghiền tiêu chuẩn, ngăn ngừa quá trình oxy hóa bề mặt và khử cacbon đồng thời đảm bảo các đặc tính đồng nhất hơn trên toàn bộ vật liệu.

Các cấu hình làm mát được điều khiển bằng máy tính có thể nâng cao kết quả ủ bằng cách tối ưu hóa sự cân bằng giữa giảm ứng suất và phát triển cấu trúc vi mô cuối cùng.

Các bước ủ trung gian trong quá trình tạo hình nhiều giai đoạn có thể phân bổ biến dạng đều hơn và ngăn chặn quá trình tôi luyện đạt đến mức gây nứt hoặc mài mòn dụng cụ quá mức.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Ủ hoàn toàn khác với ủ cán ở chỗ nung nóng trên nhiệt độ tới hạn (A3 hoặc Acm) để đạt được quá trình austenit hóa hoàn toàn trước khi làm nguội chậm, dẫn đến quá trình làm mềm hoàn toàn hơn và tinh chỉnh cấu trúc vi mô.

Ủ giảm ứng suất diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn ủ cán, chủ yếu là giảm ứng suất dư mà không có thay đổi đáng kể về cấu trúc vi mô hoặc kết tinh lại.

Chuẩn hóa bao gồm việc nung nóng trên nhiệt độ tới hạn sau đó làm mát bằng không khí, tạo ra cấu trúc vi mô đồng đều và tinh tế hơn so với ủ cán, với độ bền và độ cứng cao hơn một chút.

Ủ quy trình là quá trình ủ trung gian được thực hiện trong quá trình sản xuất để khôi phục độ dẻo giữa các hoạt động tạo hình, tương tự như ủ cán nhưng được áp dụng cho các thành phần được xử lý một phần.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A1016/A1016M: Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho các yêu cầu chung đối với thép hợp kim Ferritic, thép hợp kim Austenitic và ống thép không gỉ - Bao gồm các điều khoản về xử lý ủ cán cho các sản phẩm ống.

SAE J1268: Xử lý nhiệt nguyên liệu thép thô - Cung cấp hướng dẫn cho nhiều quy trình ủ khác nhau, bao gồm các thông số ủ trong nhà máy cho thép dùng trong ô tô.

EN 10052: Thuật ngữ xử lý nhiệt cho các sản phẩm sắt - Chuẩn hóa thuật ngữ liên quan đến quy trình ủ trong sản xuất tại Châu Âu.

Xu hướng phát triển

Mô hình hóa máy tính tiên tiến về quá trình ủ cho phép dự đoán chính xác hơn quá trình tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình ủ nhà máy, cho phép nhà sản xuất tối ưu hóa các thông số cho các mục tiêu tính chất cụ thể.

Công nghệ ủ cảm ứng đang được phát triển để cung cấp các giải pháp thay thế tiết kiệm năng lượng hơn và được kiểm soát chính xác hơn cho các quy trình ủ máy nghiền thông thường.

Hệ thống cảm biến tích hợp và dự đoán cấu trúc vi mô theo thời gian thực đại diện cho hướng đi tương lai của công nghệ ủ cán, có khả năng cho phép kiểm soát quy trình thích ứng dựa trên phản ứng thực tế của vật liệu thay vì các cấu hình nhiệt độ-thời gian được xác định trước.