Khi phát hiện vết nứt ở đầu, mép mặt bích hoặc góc lượn R tại hiện trường dập nguội, phản ứng đầu tiên của nhiều người thường là kiểm tra vật liệu hoặc khuôn dập nguội.
Nhưng vị trí xuất hiện khiếm khuyết trên sản phẩm hoàn chỉnh thường chỉ là nơi cuối cùng mà khiếm khuyết biểu lộ ra, chứ không nhất thiết là nơi nó hình thành ban đầu.
Một số khiếm khuyết phát sinh trong quá trình đúc liên tục và cán, một số khác do vận chuyển và bốc dỡ, còn lại có thể được tạo thêm trong các công đoạn tẩy rửa axit, kéo sợi, qua dây chuyền, cấp phôi và cắt.
Các khiếm khuyết bề mặt vừa có thể di truyền từ các công đoạn đầu nguồn, vừa có thể tái phát sinh trong các công đoạn trung gian. Quá trình dập nguội chỉ làm thay đổi hình thái của khiếm khuyết mà không thể khôi phục tính liên tục của vật liệu đã bị tổn hại.
Quá trình phát sinh khiếm khuyết: Phôi đúc liên tục → Dây cuộn cán → Vận chuyển và bốc dỡ → Tẩy rửa và cải tạo → Kéo sợi qua dây chuyền → Dập nguội định hình
I. Giai đoạn đúc liên tục: Khuyết tật có thể bắt đầu từ bên dưới bề mặt phôi thép
Phôi thép là điểm khởi đầu của dây cuộn. Các vết dao động bất thường, lỗ khí dưới bề mặt, xỉ lẫn, vảy kết và các vết lõm đều có thể trở thành nguồn gốc của những khuyết tật bề mặt sau này.
Hình 1: Vết dao động bất thường trên phôi đúc liên tục. Vết dao động nông bình thường không nhất thiết là khuyết tật; chỉ khi vết dao động trở nên sâu bất thường hoặc ở phần chân xuất hiện kèm theo vết nứt, xỉ lẫn thì nguy cơ về sau mới tăng lên rõ rệt.
Hình 2: Lỗ khí dưới bề mặt lộ ra sau khi mài sửa. Sau khi cán, lỗ khí có thể bị ép kín lại, cũng có thể bị kéo dài theo hướng cán; việc thành trong của lỗ khí có bị oxy hóa hay không sẽ ảnh hưởng đến khả năng hàn kín đáng tin cậy sau này.
Hình 3: Xỉ lẫn trên bề mặt hoặc gần bề mặt phôi thép. Pha xỉ không thể biến dạng đồng bộ với nền thép; sau khi cán, chúng có thể bị vỡ, kéo dài và chuyển thành vảy kết, nếp gấp hoặc các khuyết tật dạng sọc.
Hình 4: Vảy kết trên bề mặt phôi thép. Những mảng kim loại bám dính có thể bị ép mỏng và cuốn vào trong thân phôi trong quá trình cán tiếp theo; bề mặt trông như đã được cán phẳng, nhưng thực tế lớp biên giới bên trong chưa chắc đã liên kết hoàn toàn.
Hình 5: Vết lõm trên bề mặt phôi thép. “Vết lõm” chỉ mô tả hình thái bề ngoài; để xác định nguồn gốc cụ thể còn phải căn cứ vào tình trạng oxit ở đáy lõm, mép bị vênh gập và các vết nứt xung quanh.
Các khuyết tật bề mặt của phôi thép có thể bị ép kín, kéo dài hoặc thay đổi hướng trong quá trình cán. Việc bề mặt trở nên phẳng không có nghĩa là sự gián đoạn cấu trúc vật liệu ban đầu đã biến mất.
II. Giai đoạn cán: Các khuyết tật có thể bị kéo dài, cũng có thể được tạo ra mới
Vết nứt trên phôi thép có thể biến thành vết nứt dọc trên dây thanh, các vết sẹo và xỉ lẫn có thể bị ép mỏng rồi kéo dài, còn các lỗ khí dưới bề mặt cũng có thể hình thành những bất thường dạng đường đứt quãng.
Bản thân quá trình cán cũng có thể sinh ra các khuyết tật. Việc điền đầy lòng khuôn, tình trạng thiết bị dẫn hướng hoặc khe hở con lăn không bình thường có thể tạo ra tai; khi tai bị ép trở lại bề mặt vật liệu ở các khuôn tiếp theo thì có thể hình thành nếp gấp. Lớp oxit hoặc các tạp chất bị ép vào trong nền kim loại cũng sẽ để lại những vùng không liên tục cục bộ.
Hình 6: Mặt cắt ngang của khuyết tật nếp gấp. Lớp kim loại bề mặt bị cuộn lại như hình lưỡi, giữa các lớp không hình thành sự liên kết chắc chắn. Bề mặt tạm thời khép kín không đồng nghĩa với việc khuyết tật bên trong đã được loại bỏ.
Hình 7: Vết sẹo trên bề mặt dây thanh. So với các vết trầy thông thường, vết sẹo thường xuất hiện các mảng bám dạng phiến, một số chỗ bị vênh hoặc bong tróc.
Hình 8: Mặt cắt ngang của vết nứt trên bề mặt dây thanh. Vết nứt hiển thị trong hình kéo dài từ bề mặt vào sâu bên trong nền kim loại; việc nó có kèm theo hiện tượng oxy hóa, khử cacbon hay tổ chức vi mô bất thường hay không cần phải phân tích thêm.
Hình dáng bề ngoài của nếp gấp và vết nứt đôi khi khá giống nhau, nhưng cơ chế hình thành thì khác nhau. Nếp gấp là do một phần kim loại bị cuốn vào mà không tạo được sự liên kết chắc chắn; còn vết nứt là do tính liên tục của nền kim loại đã bị tách rời. Vì vậy, hướng điều tra đối với hai loại khuyết tật này không thể đơn giản gộp chung làm một.
III. Vận chuyển, bốc xếp: Các vết trầy xước do va chạm cũng có thể trở thành điểm khởi phát nứt gãy
Khi cuộn dây bị nâng hạ, thả xuống, xếp chồng hoặc vận chuyển, chúng có thể va đập, kéo rê hoặc cọ sát với nhau, từ đó sinh ra các vết trầy, vết lõm và mép kim loại bị bật lên. Những hư hỏng kiểu này thường mang tính cục bộ, ngẫu nhiên, dễ tập trung ở vòng ngoài của cuộn dây hoặc tại các vị trí tiếp xúc khi nâng hạ.
Hình 9: Các vết trầy xước do va chạm trong quá trình vận chuyển hoặc bốc xếp. Hướng và vị trí của chúng thường không cố định hoàn toàn, khác biệt so với các vết kéo dài theo chiều dọc do khuôn kéo dây gây ra.
Đối với các sản phẩm có mức độ biến dạng thông thường, những hư hỏng nhẹ chưa nhất thiết lập tức gây ra hiện tượng bất thường; nhưng khi chuyển sang các sản phẩm có mức độ biến dạng cao, đầu khuôn phức tạp hoặc vành mỏng, thì những vị trí hư hỏng có thể trở thành nơi tập trung ứng suất, và bị khuếch đại trong quá trình dập nguội.
IV. Giai đoạn tẩy axit: vừa làm lộ ra khuyết tật, vừa có thể để lại những nguy cơ tiềm ẩn
Sau khi tẩy sạch lớp oxit bề mặt, các vết nứt, nếp gấp, bọng khí và lỗ rỗng vốn bị che phủ trước đó sẽ dần hiện ra. Do vậy, việc phát hiện khuyết tật sau tẩy axit không nhất thiết có nghĩa là chúng đã hình thành trong chính công đoạn tẩy axit này.
Nếu lớp oxit không được loại bỏ hoàn toàn, các oxit còn sót lại sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành đồng đều của lớp phốt phát hóa, đồng thời có thể vỡ vụn, bong tróc hoặc bị ép vào bề mặt dây thép trong quá trình kéo rút.
Hình 10: Dư lượng oxit sau tẩy axit. Những dải tối chạy dọc cần được phân biệt với oxit còn sót lại bên trong các nếp gấp hoặc vết nứt; không nên chỉ dựa vào màu sắc để đưa ra kết luận.
Việc kiểm soát không đúng cách trong quá trình tẩy axit cũng có thể gây ra hiện tượng ăn mòn điểm và làm tăng độ nhám bề mặt. Để xác định xem vấn đề thực chất là do khuyết tật ban đầu bị lộ ra hay do chính công đoạn tẩy axit tạo ra thêm, cần lưu giữ mẫu vật trước và sau tẩy axit để đối chiếu.
V. Kéo rút cải biến: vết xước dọc – một dạng khuyết tật mới dễ bị đánh giá thấp
Quá trình cải biến không chỉ đơn thuần thay đổi kích thước nguyên liệu mà còn có thể trực tiếp làm tổn hại bề mặt dây thép.
Vòng mòn khuôn kéo, sự xâm nhập của oxit hoặc mạt kim loại vào lòng khuôn, tình trạng màng bôi trơn tạm thời mất tác dụng, cùng với các gờ sắc hoặc tiếp xúc bất thường tại bánh dẫn dây và các bộ phận hướng dẫn, tất cả đều có thể gây ra những vết xước dọc liên tục hoặc gián đoạn trên bề mặt dây thép.
Hình 11: Vết xước cục bộ do kéo rút cải biến. Các khuyết tật phân bố dọc theo chiều dài dây thép, kèm theo rãnh hằn, kim loại bị bật lên hoặc bong tróc cục bộ.
Với những vết xước ngắn, xảy ra rời rạc, cần chú ý đến các dị vật cứng, hiện tượng dính vật liệu tức thời và các vị trí tiếp xúc cục bộ; còn nếu vết xước xuất hiện liên tục trên quãng đường dài và vị trí trên chu vi tương đối cố định, thì cần tập trung kiểm tra khuôn kéo, bánh dẫn dây và các vị trí chuyển dây qua.
Tuy nhiên, những dấu vết dọc không nhất thiết bắt nguồn từ quá trình kéo rút. Các vết nứt do cán, nếp gấp và oxit còn sót lại sau khi trải qua kéo rút cũng có thể mang vẻ ngoài tương tự. Điều quan trọng cần xác minh là: khuyết tật đã tồn tại trước khi bước vào giai đoạn kéo rút, hay chỉ bắt đầu xuất hiện kể từ một khuôn kéo cụ thể hoặc một vị trí chuyển dây nào đó?
Chương này chỉ đề cập đến các hư hỏng bề mặt do kéo rút gây ra. Còn ảnh hưởng của tỷ lệ giảm tiết diện, số lần kéo rút và hiện tượng hóa cứng do gia công tới tính năng đột dập nguội sẽ được trình bày riêng ở Chương VI.
VI. Giai đoạn đầu tiên của đột dập nguội: khuyết tật mới phát sinh cuối cùng thường bị bỏ qua
Sau khi nguyên liệu được đưa vào máy đột dập nguội nhưng chưa tiến hành tạo hình chính thức, vẫn có thể xuất hiện những hư hỏng bề mặt mới. Bánh dẫn dây, bộ phận nắn thẳng và cơ cấu cấp liệu có thể làm trầy xước dây thép; trong khi dao cắt hoặc khuôn cắt bị mòn, sứt mẻ hoặc có gờ sắc cũng có thể gây tổn thương cho mặt đầu hoặc mặt bên của phôi.
Nếu các khuyết tật luôn xuất hiện ở cùng một hướng và cùng một vị trí cố định, hoặc thay đổi rõ rệt sau khi thay bánh dẫn dây hoặc dao cắt, thì không thể chỉ đơn giản tái kiểm tra chứng nhận chất lượng vật liệu và cuộn dây ban đầu.
7. Vì sao các khuyết tật lại “di truyền” đến thành phẩm?
Kéo sợi làm vật liệu giãn dài theo chiều dọc, còn dập nguội ép ngược lại khiến vật liệu bị nén dọc trục và chảy hướng kính. Những khuyết tật vốn có có thể bị kéo dài, bị nén hẹp hoặc tạm thời đóng kín; chúng cũng có thể di chuyển theo dòng chảy của vật liệu tới phần đầu, mặt bích hoặc góc lượn R, rồi lại mở ra ở những vùng biến dạng lớn.
Hình 12: Rạn nứt mép mặt bích trên sản phẩm dập nguội hoàn thiện. Bức ảnh chỉ cho thấy vị trí cuối cùng mà khuyết tật xuất hiện; không thể chỉ dựa vào hình thức bề ngoài để suy luận rằng khuyết tật nhất định bắt nguồn từ nguyên liệu.
Khuyết tật dọc trên dây thép khi đến thành phẩm thường không giữ nguyên dạng đường thẳng ban đầu. Chúng có thể biểu hiện dưới dạng rạn nứt ở mép đầu, gấp nếp ở mặt bích, vết nứt tại góc lượn R hoặc lõm cục bộ; vị trí cụ thể phụ thuộc vào cấu trúc sản phẩm, hướng cắt phôi và quỹ đạo chảy của vật liệu.
Khuyết tật không đơn giản được sao chép nguyên vẹn lên thành phẩm, mà qua mỗi công đoạn đều thay đổi hình thái trước khi tiếp tục tồn tại.
8. Chìa khóa để xác định nguồn gốc khuyết tật là tìm ra “lần xuất hiện đầu tiên”
Chỉ kiểm tra các chi tiết bị nứt ở giai đoạn cuối thường không đủ để phán đoán khuyết tật bắt nguồn từ công đoạn nào. Phương pháp điều tra hiệu quả hơn là lập chuỗi mẫu thử gồm phôi thép, dây cuộn, vật liệu sau tẩy axit, bán thành phẩm kéo sợi, phôi dập nguội và thành phẩm, nhằm phát hiện công đoạn mà khuyết tật lần đầu tiên xuất hiện.
Những bất thường tập trung ở một đoạn nhất định của cuộn dây, hay phân bố liên tục dọc toàn bộ cuộn? Hướng khuyết tật và vị trí trên chu vi có cố định không? Sau khi thay khuôn, con lăn dẫn dây hoặc dao cắt, tình trạng có thay đổi hay không? Bên trong vết nứt có hiện tượng oxy hóa, mất cacbon hoặc các dòng chảy kim loại bất thường không? Những yếu tố này có thể cung cấp hướng điều tra, nhưng không thể tách rời khỏi hồ sơ ghi chép từng công đoạn.
Quan điểm của kỹ sư
Các khuyết tật bề mặt có thể xuất hiện từ quá trình đúc liên tục, cán, vận chuyển, tẩy axit và cải tạo kéo sợi; chúng cũng có thể sinh ra trong các bước dẫn dây, cấp liệu và cắt phôi của máy dập nguội.
Vị trí nứt gãy trên thành phẩm không đồng nghĩa với nơi khuyết tật thực sự hình thành.
Khuyết tật trên thành phẩm chỉ là kết quả; chỉ khi tìm được công đoạn mà khuyết tật lần đầu xuất hiện, ta mới có thể tiến gần tới điểm khởi đầu thực sự.
Mục đích của việc truy vết khuyết tật không phải là phân định trách nhiệm trước tiên, mà nhằm xây dựng một chuỗi bằng chứng đầy đủ xuyên suốt các công đoạn.
Nếu bạn cũng gặp phải các vấn đề như da cá trên dây cuộn, vết xước dọc, nếp gấp hoặc tình trạng nứt gãy ngẫu nhiên khi dập nguội, hãy gửi cho tôi thông tin về mác thép, quy cách, ảnh chụp khuyết tật, vị trí phát sinh và đặc điểm phân bố bất thường. Tôi sẽ giúp bạn đánh giá trước xem nên bắt đầu điều tra từ nguyên liệu của nhà máy thép, biện pháp bảo vệ trong vận chuyển, quy trình tẩy axit – cải tạo, hay từ phía thiết bị dập nguội.
Thông báo kỳ tới
Chương 6: “Cùng một loại vật liệu, vì sao sau khi kéo sợi, tính năng dập nguội lại khác nhau?”
Chương tiếp theo sẽ tập trung bàn về tỷ lệ giảm tiết diện, số lần kéo sợi và hiện tượng hóa cứng do gia công, cũng như cách chúng làm thay đổi trạng thái thực tế của vật liệu khi đưa vào máy dập nguội.