Scarfing: Quy trình loại bỏ khuyết tật bề mặt quan trọng đối với chất lượng thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Scarfing là một quá trình xử lý bề mặt được sử dụng trong ngành công nghiệp thép để loại bỏ các khuyết tật và bất thường trên bề mặt của các sản phẩm thép bán thành phẩm như tấm, phôi và phôi. Quá trình này bao gồm việc loại bỏ có kiểm soát một lớp kim loại mỏng khỏi bề mặt bằng các phương pháp cắt nhiệt, thường là ngọn lửa oxy-nhiên liệu hoặc hồ quang plasma, để loại bỏ các khuyết tật như vết nứt, đường nối, mép và tạp chất không phải kim loại.

Trong khoa học và kỹ thuật vật liệu, quá trình tạo hình đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng bằng cách đảm bảo rằng các khuyết tật bề mặt không lan truyền vào thành phẩm. Quá trình này đặc biệt quan trọng đối với thép cấp cao, nơi tính toàn vẹn bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính cơ học và đặc điểm hiệu suất của sản phẩm cuối cùng.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, scaring là một bước xử lý trung gian thiết yếu, là cầu nối giữa các hoạt động luyện thép chính và hoàn thiện. Nó minh họa cho nguyên tắc luyện kim rằng kiểm soát chất lượng bề mặt là cơ bản để đạt được các đặc tính vật liệu mong muốn và ngăn ngừa hỏng hóc sớm trong điều kiện sử dụng.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, phương pháp tạo vết xước khai thác các đặc tính nhiệt khác biệt giữa thép và các khuyết tật bề mặt của nó. Khi nhiệt độ cao từ ngọn lửa oxy-nhiên liệu hoặc hồ quang plasma được áp dụng cho bề mặt thép, kim loại sẽ nhanh chóng bị oxy hóa và nóng chảy theo cách được kiểm soát. Sau đó, tia oxy áp suất cao sẽ loại bỏ vật liệu bị oxy hóa này, cắt bỏ một lớp mỏng trên bề mặt.

Quá trình này tạo ra một vùng phản ứng cục bộ, tại đó sắt bị oxy hóa để tạo thành oxit sắt (chủ yếu là Fe₃O₄). Phản ứng oxy hóa tỏa nhiệt này tạo ra nhiệt bổ sung duy trì quá trình cắt. Luồng oxy tốc độ cao đẩy các oxit nóng chảy và bất kỳ tạp chất nào bị mắc kẹt ra khỏi bề mặt.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình cắt xén là mô hình cắt oxy hóa nhiệt, kết hợp các nguyên lý của nhiệt động lực học đốt cháy, động lực học chất lưu và truyền nhiệt. Mô hình này mô tả sự tương tác giữa nguồn nhiệt, dòng oxy và nền thép.

Theo truyền thống, hiểu biết về kỹ thuật cắt bằng ngọn lửa đã phát triển từ các kỹ thuật cắt bằng ngọn lửa cơ bản vào đầu thế kỷ 20 thành các quy trình tinh vi được điều khiển bằng máy tính ngày nay. Các mô hình ban đầu chủ yếu tập trung vào mối quan hệ thực nghiệm giữa các thông số ngọn lửa và chất lượng cắt.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại kết hợp động lực học chất lỏng tính toán (CFD) để mô hình hóa động lực học dòng khí và phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để dự đoán các gradient nhiệt và tốc độ loại bỏ vật liệu. Các mô hình tiên tiến này tính đến các biến như thành phần thép, điều kiện bề mặt và đặc tính nhiệt để tối ưu hóa các thông số tạo thành lớp phủ.

Cơ sở khoa học vật liệu

Scarfing tương tác trực tiếp với cấu trúc tinh thể của thép bằng cách tạo ra vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) kéo dài ra ngoài bề mặt cắt thực tế. Trong vùng này, chu trình nhiệt có thể gây ra những thay đổi về cấu trúc vi mô bao gồm tinh chế hoặc làm thô hạt tùy thuộc vào nhiệt độ đỉnh và tốc độ làm mát.

Hiệu quả của quá trình tạo vòng liên quan đến cấu trúc vi mô của vật liệu, đặc biệt là sự phân bố và hình thái của các tạp chất, sự phân tách và các khuyết tật khác. Vật liệu có độ dẫn nhiệt cao hơn phân phối nhiệt nhanh hơn, ảnh hưởng đến chiều rộng của vùng HAZ và hiệu quả của quá trình tạo vòng.

Quá trình này kết nối với các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản về chuyển đổi pha, động học oxy hóa và độ ổn định nhiệt động. Đầu vào nhiệt được kiểm soát trong quá trình tạo hình phải được quản lý cẩn thận để loại bỏ các khuyết tật bề mặt mà không ảnh hưởng xấu đến các đặc tính của vật liệu khối.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Tốc độ loại bỏ vật liệu trong quá trình mài mòn có thể được biểu thị như sau:

$$MRR = \rho \cdot w \cdot d \cdot v$$

Ở đâu:
- $MRR$ là tốc độ loại bỏ vật liệu (kg/phút)
- $\rho$ là khối lượng riêng của thép (kg/m³)
- $w$ là chiều rộng của vùng bị che khuất (m)
- $d$ là độ sâu cắt (m)
- $v$ là tốc độ kéo sợi (m/phút)

Công thức tính toán liên quan

Lượng nhiệt đầu vào trong quá trình quấn khăn có thể được tính toán bằng cách sử dụng:

$$Q = \eta \cdot \frac{P}{v}$$

Ở đâu:
- $Q$ là nhiệt lượng truyền vào trên một đơn vị chiều dài (J/m)
- $\eta$ là hệ số hiệu suất nhiệt (không có thứ nguyên)
- $P$ là công suất của nguồn nhiệt (W)
- $v$ là tốc độ kéo sợi (m/phút)

Chu trình nhiệt tại một điểm trong vùng HAZ có thể được ước tính bằng cách sử dụng:

$$T(x,t) = T_0 + \frac{Q}{2\pi\lambda t} \cdot e^{-\frac{x^2}{4\alpha t}} $$

Ở đâu:
- $T(x,t)$ là nhiệt độ tại khoảng cách $x$ tính từ nguồn nhiệt tại thời điểm $t$
- $T_0$ là nhiệt độ ban đầu
- $\lambda$ là độ dẫn nhiệt
- $\alpha$ là độ khuếch tán nhiệt
- $x$ là khoảng cách từ nguồn nhiệt
- $t$ là thời gian

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này có giá trị đối với các hoạt động tạo rãnh tiêu chuẩn trên thép cacbon và thép hợp kim thấp có độ dày từ 10mm đến 300mm. Chúng giả định các đặc tính vật liệu đồng nhất và các điều kiện trạng thái ổn định trong quá trình tạo rãnh.

Các mô hình có những hạn chế khi áp dụng cho thép hợp kim cao hoặc vật liệu có độ dốc thành phần đáng kể. Các đặc tính vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ không được tính đến trong các mô hình đơn giản hóa, đòi hỏi các phương pháp tiếp cận số phức tạp hơn để tính toán chính xác.

Các biểu thức toán học này giả định các điều kiện lý tưởng bao gồm độ tinh khiết oxy hoàn hảo, đặc tính ngọn lửa đồng nhất và điều kiện bề mặt đồng nhất—những giả định có thể cần điều chỉnh trong các ứng dụng thực tế.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM A788/A788M: Tiêu chuẩn kỹ thuật cho sản phẩm rèn thép, Yêu cầu chung - Bao gồm các yêu cầu về chất lượng gia công cho sản phẩm rèn
• ISO 3887: Thép - Xác định độ sâu của quá trình khử cacbon - Có liên quan đến việc đánh giá HAZ sau khi tạo hình
• ASTM E340: Phương pháp thử tiêu chuẩn cho kim loại và hợp kim khắc vĩ mô - Được sử dụng để đánh giá chất lượng bề mặt sau khi mài
• EN 10163: Yêu cầu giao hàng về tình trạng bề mặt của tấm thép cán nóng, tấm phẳng rộng và các phần - Xác định chất lượng bề mặt có thể chấp nhận được sau các quy trình xử lý bao gồm cả khâu vát mép

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Thiết bị chung để đánh giá chất lượng tạo hình bao gồm kính hiển vi quang học và máy đo độ nhám bề mặt để đo độ nhám và độ gợn sóng bề mặt sau khi tạo hình. Các thiết bị này định lượng các đặc điểm địa hình của bề mặt tạo hình.

Thiết bị kiểm tra siêu âm thường được sử dụng để xác minh rằng các khuyết tật bên dưới bề mặt đã được loại bỏ hoàn toàn bằng quy trình tạo rãnh. Kỹ thuật không phá hủy này sử dụng sóng âm tần số cao để phát hiện các điểm không liên tục bên trong.

Đặc tính nâng cao có thể bao gồm kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp với quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDS) để phân tích thành phần hóa học và cấu trúc vi mô của bề mặt bị che khuất và vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu chuẩn để đánh giá chất lượng cắt mài thường yêu cầu cắt các phần có kích thước ít nhất là 100mm × 100mm vuông góc với bề mặt cắt mài để đánh giá độ sâu và độ đồng nhất của vật liệu bị loại bỏ.

Chuẩn bị bề mặt để kiểm tra bằng kính hiển vi bao gồm các quy trình kim loại học tiêu chuẩn như mài, đánh bóng và khắc để lộ cấu trúc vi mô của vùng bị che khuất và vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Các mẫu phải đại diện cho toàn bộ khu vực bị chia cắt, với nhiều mẫu vật lấy từ các địa điểm khác nhau để tính đến những biến thể tiềm ẩn trong quá trình chia cắt.

Thông số thử nghiệm

Các thử nghiệm tiêu chuẩn thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (20-25°C) trong điều kiện khí quyển bình thường, mặc dù các thử nghiệm chuyên biệt có thể mô phỏng môi trường dịch vụ.

Để đánh giá tính chất cơ học sau khi mài mòn, tỷ lệ tải trọng tiêu chuẩn theo ASTM E8/E8M để thử nghiệm kéo được áp dụng để xác định xem quá trình này có ảnh hưởng đến độ bền vật liệu hay không.

Các thông số quan trọng bao gồm độ phân giải đo lường (thường là 0,001mm đối với phép đo kích thước) và tiêu chuẩn hiệu chuẩn cho thiết bị được sử dụng trong phân tích cấu hình bề mặt.

Xử lý dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu chính bao gồm chụp ảnh kỹ thuật số các bề mặt bị che khuất và đo độ sâu trên các mặt cắt tiêu biểu.

Phân tích thống kê thường bao gồm tính toán độ sâu cắt trung bình, độ lệch chuẩn và xác định giá trị tối thiểu/tối đa để đánh giá tính nhất quán của quy trình.

Giá trị chất lượng cuối cùng được xác định bằng cách so sánh các thông số đo được với tiêu chuẩn chấp nhận được quy định trong các tiêu chuẩn có liên quan hoặc yêu cầu của khách hàng, thường sử dụng các phương pháp kiểm soát quy trình thống kê.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi độ sâu Scarfing điển hình	Điều kiện quy trình	Tiêu chuẩn tham khảo
Tấm thép cacbon	3-8mm	Oxy-nhiên liệu, 15-25 m/phút	Tiêu chuẩn ASTM A788/A788M
Phôi thép hợp kim thấp	2-5mm	Oxy-nhiên liệu, 20-30 m/phút	Tiêu chuẩn ISO3887
Tấm thép không gỉ	1-3mm	Hồ quang plasma, 10-15 m/phút	Tiêu chuẩn ASTMA480
Hoa thép cường độ cao	4-10mm	Oxy-nhiên liệu, 10-20 m/phút	Tiêu chuẩn EN 10163-3

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thép chủ yếu là do sự khác biệt về mức độ khuyết tật bề mặt, độ dày vật liệu và các yêu cầu chất lượng cụ thể cho ứng dụng cuối cùng.

Trong các ứng dụng thực tế, các giá trị này hướng dẫn các kỹ sư quy trình thiết lập các thông số cắt gọt để loại bỏ khuyết tật hiệu quả đồng thời giảm thiểu tổn thất vật liệu và thời gian sản xuất.

Một xu hướng đáng chú ý là thép hợp kim cao hơn thường yêu cầu độ sâu cắt nông hơn nhưng tốc độ xử lý chậm hơn do tính chất nhiệt và hành vi oxy hóa khác nhau của chúng.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư tính đến lượng vật liệu bị mất trong quá trình tạo hình bằng cách kết hợp các khoản phụ cấp về kích thước vào kích thước đúc hoặc cán ban đầu. Thông thường, thêm 1-2% diện tích mặt cắt ngang để bù đắp cho vật liệu bị loại bỏ trong quá trình xử lý bề mặt.

Hệ số an toàn cho các sản phẩm dạng khăn thường nằm trong khoảng từ 1,2 đến 1,5 đối với các ứng dụng quan trọng, tính đến những thay đổi tiềm ẩn về độ sâu và tính nhất quán của quá trình khăn.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường xem xét đến khả năng cắt gọt, đặc biệt đối với các sản phẩm mà chất lượng bề mặt là tối quan trọng, chẳng hạn như bình chịu áp suất hoặc các bộ phận ô tô, nơi các khuyết tật bề mặt có thể trở thành điểm tập trung ứng suất.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong ngành dầu khí, hiện tượng nứt gãy rất quan trọng đối với sản xuất thép đường ống, nơi các khiếm khuyết bề mặt có thể gây ra nứt do ăn mòn ứng suất hoặc nứt do hydro trong điều kiện vận hành áp suất cao.

Ngành công nghiệp ô tô yêu cầu thép cắt chính xác cho các tấm thân xe và các thành phần kết cấu, trong đó chất lượng bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến cả tính thẩm mỹ và hiệu suất chống va chạm.

Trong sản xuất máy móc hạng nặng, tấm thép dạng xoắn rất cần thiết cho các bộ phận chịu tải trọng tuần hoàn, chẳng hạn như cần cẩu và tay máy xúc, nơi mà các khuyết tật bề mặt có thể dẫn đến hỏng hóc do mỏi.

Sự đánh đổi về hiệu suất

Độ sâu của vết cắt thể hiện sự đánh đổi với năng suất vật liệu—các vết cắt sâu hơn loại bỏ nhiều khuyết tật hơn nhưng lại làm giảm năng suất sản phẩm cuối cùng và làm tăng chi phí sản xuất.

Độ nhám bề mặt sau khi mài phải được cân bằng với tốc độ xử lý; mài chậm hơn thường tạo ra bề mặt mịn hơn nhưng làm giảm năng suất sản xuất.

Các kỹ sư phải cân bằng lượng nhiệt đầu vào trong quá trình tạo hình so với những thay đổi cấu trúc vi mô tiềm ẩn trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt, đặc biệt đối với thép đã qua xử lý nhiệt vì chu kỳ nhiệt có thể làm thay đổi các đặc tính được thiết kế cẩn thận.

Phân tích lỗi

Độ sâu tạo rãnh không đủ là nguyên nhân phổ biến gây ra hỏng hóc, khi các khuyết tật bên dưới bề mặt vẫn còn nguyên vẹn một phần và lan rộng trong các hoạt động tạo hình tiếp theo hoặc tải trọng trong quá trình sử dụng.

Cơ chế hỏng hóc thường liên quan đến sự khởi đầu của vết nứt tại các vị trí khuyết tật còn lại, sau đó là sự phát triển dần dần dưới tải trọng tuần hoàn cho đến khi xảy ra hỏng hóc thảm khốc.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm triển khai hệ thống kiểm soát độ sâu xói mòn tự động với chức năng giám sát thời gian thực, tiến hành thử nghiệm siêu âm sau khi xói mòn và thiết lập tiêu chí chấp nhận rõ ràng về chất lượng bề mặt.

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 hiệu suất tạo rãnh - thép có hàm lượng carbon cao hơn thường yêu cầu tốc độ tạo rãnh chậm hơn do độ dẫn nhiệt thấp hơn và hành vi oxy hóa khác nhau.

Các nguyên tố vi lượng như lưu huỳnh và phốt pho có thể ảnh hưởng đến chất lượng tạo vảy bằng cách tác động đến tính lưu động của kim loại nóng chảy và sự hình thành oxit trong quá trình này.

Việc tối ưu hóa thành phần để cải thiện khả năng tạo lớp thường bao gồm việc kiểm soát các nguyên tố còn lại và đảm bảo phân phối đồng đều các nguyên tố hợp kim để thúc đẩy quá trình oxy hóa đồng đều trong quá trình tạo lớp.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Cấu trúc hạt mịn hơn thường tạo ra sự tạo thành lớp đồng đều hơn do đặc tính nhiệt và oxy hóa đồng đều hơn trên bề mặt vật liệu.

Sự phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tạo rãnh—thép đa pha có các tính chất nhiệt khác nhau có thể bị loại bỏ vật liệu không đều trong quá trình tạo rãnh.

Các tạp chất và sự phân tách có thể gây ra các kiểu đan xen không đều vì các vùng này có thể có điểm nóng chảy và hành vi oxy hóa khác nhau so với chất nền xung quanh.

Xử lý ảnh hưởng

Các điều kiện xử lý nhiệt trước đó ảnh hưởng đến chất lượng tạo rãnh—thép chuẩn hóa thường thể hiện hành vi tạo rãnh đồng đều hơn so với vật liệu đúc sẵn hoặc vật liệu giảm ứng suất.

Cán nóng trước khi tạo rãnh có thể ảnh hưởng đến quá trình bằng cách thay đổi địa hình bề mặt và hình thái khuyết tật, có khả năng đòi hỏi phải điều chỉnh các thông số tạo rãnh.

Tốc độ làm nguội sau khi đúc ảnh hưởng trực tiếp đến độ sâu và sự phân bố của các khuyết tật bề mặt, do đó ảnh hưởng đến độ sâu rãnh và các thông số quy trình cần thiết.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất cắt gọt—vật liệu lạnh hơn cần lượng nhiệt cao hơn và có thể chịu nhiều ứng suất nhiệt hơn trong quá trình này.

Độ ẩm ảnh hưởng đến đặc tính ngọn lửa trong quá trình cắt oxy-nhiên liệu, có khả năng làm thay đổi chất lượng và độ đồng nhất của vết cắt, đặc biệt là trong các hoạt động cắt ngoài trời.

Quá trình oxy hóa bề mặt hoặc hình thành cặn trước khi mài có thể làm thay đổi đặc tính hấp thụ nhiệt của bề mặt thép, đòi hỏi phải điều chỉnh các thông số quy trình.

Phương pháp cải tiến

Thiết kế hợp kim tiên tiến với hình thái và sự phân bố tạp chất được kiểm soát có thể cải thiện khả năng cắt bằng cách thúc đẩy quá trình oxy hóa và loại bỏ vật liệu đồng đều hơn.

Việc triển khai các hệ thống quấn tự động với khả năng giám sát thời gian thực và kiểm soát thích ứng sẽ tối ưu hóa quy trình bằng cách điều chỉnh các thông số dựa trên điều kiện vật liệu và phép đo phản hồi.

Việc làm nóng thép trước khi cán có thể cải thiện hiệu quả và chất lượng quy trình bằng cách giảm sự chênh lệch nhiệt độ và ứng suất liên quan trong quá trình vận hành.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Xử lý là thuật ngữ rộng hơn bao gồm nhiều quy trình xử lý bề mặt khác nhau như mài, mài và phun bi, tất cả đều nhằm mục đích cải thiện chất lượng bề mặt của các sản phẩm thép.

Cắt bằng ngọn lửa là quá trình cắt nhiệt sử dụng ngọn lửa oxy-nhiên liệu, có cùng nguyên lý vật lý như cắt xén nhưng thường được sử dụng để cắt định hình hơn là xử lý bề mặt.

Quá trình khử cacbon mô tả sự mất cacbon khỏi bề mặt thép trong các quá trình nhiệt độ cao bao gồm cả quá trình tạo rãnh, có thể ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học của vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Các thuật ngữ này có mối liên hệ với nhau trong bối cảnh rộng hơn về quản lý chất lượng bề mặt thép và kỹ thuật xử lý nhiệt.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A484/A484M "Tiêu chuẩn về các yêu cầu chung đối với thanh, phôi và sản phẩm rèn bằng thép không gỉ" bao gồm các yêu cầu toàn diện về quy trình xử lý bao gồm cả quá trình cán mỏng cho các sản phẩm thép không gỉ.

Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản JIS G 0203 "Thuật ngữ sử dụng trong ngành công nghiệp sắt thép" cung cấp các định nghĩa và thông số kỹ thuật chi tiết liên quan đến quá trình tạo nhám và các quy trình xử lý bề mặt khác.

Các tiêu chuẩn này khác nhau chủ yếu ở tiêu chí chấp nhận và phương pháp kiểm tra, trong đó các tiêu chuẩn Châu Âu thường cho phép các khuyết tật bề mặt ít nghiêm trọng hơn so với các tiêu chuẩn ở Bắc Mỹ.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển các công nghệ cắt gọt hỗ trợ bằng laser giúp kiểm soát chính xác hơn độ sâu loại bỏ vật liệu và giảm vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt.

Các công nghệ mới nổi bao gồm hệ thống thị giác máy tính để phát hiện lỗi theo thời gian thực và điều chỉnh thông số thích ứng, cải thiện hiệu quả quy trình và tính nhất quán về chất lượng.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ tích hợp quá trình tạo hình chặt chẽ hơn với các quy trình đúc liên tục, có khả năng cho phép xử lý bề mặt trực tuyến giúp giảm quá trình xử lý và cải thiện hiệu quả sản xuất tổng thể.