Hiện tượng cacbon hóa trên bề mặt ống thép là gì?

Quá trình khử cacbon trên bề mặt ống thép đề cập đến hiện tượng trong quá trình-xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao của ống thép, các nguyên tố cacbon trên bề mặt của nó trải qua phản ứng hóa học với môi trường trong môi trường gia nhiệt (chẳng hạn như oxy, hơi nước, cacbon đioxit, v.v.) hoặc khuếch tán vào môi trường xung quanh, dẫn đến giảm đáng kể hàm lượng cacbon trên bề mặt ống thép.

Hiểu quá trình khử cacbon bao gồm việc nắm bắt các điểm chính sau:

• Bản chất của quá trình khử cacbon:

Ở nhiệt độ cao, các nguyên tử carbon phản ứng hóa học với không khí bên trong lò (như oxy, hơi nước, carbon dioxide, hydro) để tạo ra các loại khí như carbon monoxide hoặc metan, do đó bị thất thoát khỏi bề mặt thép. Quá trình này là kết quả của sự khuếch tán. Một mặt, các nguyên tử như oxy trong khí lò khuếch tán vào thép; mặt khác, các nguyên tử carbon trong thép khuếch tán ra bên ngoài.

• Thành phần của lớp khử cacbon:

Lớp thép được khử cacbon thường bao gồm một lớp được khử cacbon hoàn toàn và một lớp được khử cacbon một phần (còn được gọi là lớp chuyển tiếp). Lớp khử cacbon hoàn toàn đề cập đến lớp bề mặt ngoài cùng nơi hàm lượng carbon đã giảm xuống mức cực thấp hoặc thậm chí bằng 0 và không có ngọc trai trong cấu trúc kim loại; Lớp khử cacbon một phần nằm trong lớp khử cacbon hoàn toàn, có hàm lượng cacbon thấp hơn giá trị ban đầu của vật liệu nhưng không bị loại bỏ hoàn toàn, đạt cấu trúc hàm lượng cacbon bình thường của thép. Trong trường hợp quá trình khử cacbon không nghiêm trọng, đôi khi chỉ có thể quan sát được lớp khử cacbon một phần mà không có lớp khử cacbon hoàn toàn.

• Mối quan hệ cạnh tranh giữa quá trình khử cacbon và quá trình oxy hóa:

Quá trình khử cacbon và quá trình oxy hóa thường xảy ra đồng thời và có mối quan hệ cạnh tranh giữa chúng. Lớp khử cacbon chỉ có thể hình thành và được quan sát khi tốc độ khử cacbon vượt quá tốc độ oxy hóa. Nếu tốc độ oxy hóa rất nhanh, một lớp oxit sắt sẽ nhanh chóng hình thành trên bề mặt thép và lớp oxit này có thể hoạt động như một “lá chắn” ngăn chặn sự thất thoát carbon thêm. Tại thời điểm này, lớp khử cacbon rõ ràng có thể không được quan sát bằng phương pháp vĩ mô, nhưng vật liệu vẫn bị hư hỏng do quá trình oxy hóa.

Quá trình khử cacbon bề mặt có thể có tác động tiêu cực đáng kể đến hiệu suất của ống thép:

• Giảm tính chất cơ học:

Việc giảm hàm lượng carbon trên bề mặt trực tiếp dẫn đến giảm đáng kể độ cứng, độ bền, khả năng chống mài mòn và độ bền mỏi của bề mặt ống thép.

• Gây ra khuyết tật dập tắt:

Đối với các ống thép cần tôi, quá trình khử cacbon trên bề mặt sẽ ngăn chặn sự hình thành cấu trúc martensite có độ cứng cao sau khi tôi, dẫn đến độ cứng bề mặt không đủ, tạo ra các điểm mềm và thậm chí có khả năng gây ra vết nứt do biến đổi cấu trúc vi mô không đồng đều.

• Suy giảm hiệu suất dịch vụ:

Đối với các bộ phận như thép chịu lực, thép lò xo và thép công cụ có yêu cầu cao về hiệu suất bề mặt, quá trình khử cacbon sẽ làm giảm đáng kể các chỉ số hiệu suất dịch vụ chính của chúng như khả năng chống mài mòn, khả năng chống mỏi tiếp xúc và độ cứng màu đỏ, dẫn đến hỏng hóc sớm các bộ phận.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử cacbon của thép chủ yếu bao gồm:

• Nhiệt độ và thời gian gia nhiệt:

Nhiệt độ gia nhiệt càng cao và thời gian ở nhiệt độ cao càng lâu thì xu hướng khử cacbon càng nghiêm trọng. Tuy nhiên, đối với một số loại thép (như thép lò xo 60Si2Mn), có thể có vùng nhạy cảm với quá trình khử cacbon trong một phạm vi nhiệt độ cụ thể (chẳng hạn như 1100-1250 độ) và ở nhiệt độ cao hơn, độ sâu của lớp khử cacbon thực sự có thể giảm.

• Không khí lò:

Đặc tính oxy hóa của môi trường lò là rất quan trọng. Hơi nước, carbon dioxide và oxy đều có khả năng khử cacbon mạnh. Trong khi carbon monoxide và metan cùng với những chất khác có tác dụng làm giàu carbon- nhất định.

• Thành phần hóa học của thép:

Hàm lượng carbon trong thép càng cao thì xu hướng khử cacbon càng lớn. Các nguyên tố hợp kim có trong thép cũng ảnh hưởng đến quá trình khử cacbon ở các mức độ khác nhau. Các nguyên tố như vonfram, nhôm, silicon và coban có thể thúc đẩy quá trình khử cacbon, trong khi các nguyên tố như crom và mangan giúp ức chế quá trình khử cacbon.

Trong sản xuất thực tế, các biện pháp sau thường được áp dụng để ngăn ngừa và giảm thiểu quá trình khử cacbon:

• Tối ưu hóa quá trình gia nhiệt:

Giảm thiểu nhiệt độ gia nhiệt nhiều nhất có thể và rút ngắn thời gian giữ ở nhiệt độ cao, đặc biệt là tránh tồn tại lâu trong phạm vi nhiệt độ nhạy cảm với quá trình khử cacbon của loại thép.

• Kiểm soát không khí sưởi ấm:

Đây là biện pháp quan trọng nhất. Cố gắng làm nóng trong môi trường trung tính hoặc bảo vệ (chẳng hạn như môi trường có nguồn gốc nitơ-có thể kiểm soát được hoặc khí trơ), tránh tiếp xúc trực tiếp giữa thép và các khí khử oxy và khử cacbon. Đối với một số trường hợp nhất định, gia nhiệt nhanh trong môi trường oxy hóa mạnh để làm cho tốc độ oxy hóa cao hơn nhiều so với tốc độ khử cacbon và sử dụng lớp oxit được tạo ra để bảo vệ lớp cacbon bên trong khỏi bị mất đi đáng kể, cũng là một chiến lược xử lý tùy chọn.

• Thực hiện các biện pháp bảo vệ vật lý:

Ví dụ, phủ lớp phủ bảo vệ lên bề mặt thép hoặc áp dụng xử lý nhiệt chân không, v.v.

• Phụ cấp gia công dự trữ:

Trong quá trình thiết kế bộ phận, cần dành đủ dung lượng gia công để đảm bảo rằng lớp được giải mã có thể được loại bỏ hoàn toàn trong quá trình xử lý cơ học tiếp theo.