Chương 7: Màng bôi trơn đạt chuẩn chưa chắc vẫn còn hiệu quả sau khi biến dạng
Tại hiện trường dập nguội thường gặp những sự cố như sau:
Bề mặt dây thép có màu sắc đồng đều, trọng lượng màng phốt phát-xà phòng nằm trong phạm vi yêu cầu, nhưng khi đưa vào máy dập nguội, vẫn có thể xảy ra hiện tượng màng bị phấn hóa hoặc bong tróc, dự trữ chất bôi trơn không đủ, chi tiết bị đen, xước bề mặt, dính khuôn, mài mòn khuôn gia tăng; nghiêm trọng hơn còn có thể gây nứt.
Thực tế, nhiều người dễ quy kết nguyên nhân đơn giản là “phốt phát-xà phòng không tốt”, nhưng vấn đề thực sự thường không chỉ dừng lại ở đó.
Ví dụ thực tế 1: Phần thân chi tiết bị đen chỉ là một biểu hiện của việc màng bôi trơn đã mất tác dụng. Chỉ dựa vào màu sắc thì không thể xác định trực tiếp nguyên nhân; cần kiểm tra thêm màng bôi trơn, dầu bôi trơn trong lòng khuôn và tình trạng tăng nhiệt cục bộ.
Hình thức bên ngoài và trọng lượng màng phản ánh trạng thái tĩnh trước khi dập nguội; điều thực sự được kiểm nghiệm tại hiện trường chính là sau quá trình kéo sợi, màng bôi trơn còn lại bao nhiêu, và dưới áp lực cao, nhiệt ma sát cùng với độ biến dạng lớn, liệu nó có thể tiếp tục bám dính, giãn nở và duy trì khả năng bôi trơn hay không.
I. Không thể chỉ đánh giá phốt phát-xà phòng qua tổng trọng lượng màng
Creation Group đưa việc theo dõi ba lớp màng tồn dư sau kéo sợi trở thành hoạt động giám sát chất lượng định kỳ hàng tháng. Báo cáo kỳ này bao gồm 20 mác thép và quy cách đang sản xuất đại trà; mỗi loại lấy 3 mẫu sau kéo sợi để theo dõi trọng lượng màng tồn dư ở ba phần khác nhau.
Về mặt kỹ thuật, có thể hiểu như sau:
- Phốt phát kẽm: hình thành khung chịu lực, tạo nền tảng cho các chất bôi trơn bám dính;
- Xà phòng kẽm: lớp bôi trơn liên kết hình thành từ phản ứng xà phòng hóa;
- Xà phòng natri: cung cấp dự trữ chất bôi trơn cần thiết cho các công đoạn kéo sợi và dập nguội tiếp theo.
Ngoài trọng lượng màng, công tác giám sát hằng ngày còn kết hợp quan sát bằng kính hiển vi điện tử để đánh giá hình thái tinh thể, mức độ phủ và sự phân bố khác biệt trên bề mặt màng. Trọng lượng màng cho biết “còn lại bao nhiêu”, trong khi kính hiển vi giúp trả lời câu hỏi “bề mặt đã phát triển như thế nào”; chỉ khi kết hợp cả hai mới mang lại giá trị nhận định cao hơn so với việc chỉ nhìn vào màu sắc của dây thép.
Ảnh chụp kính hiển vi điện tử của màng phốt phát trong đợt kiểm tra định kỳ hàng tháng: dùng để quan sát hình thái tinh thể, mức độ phủ và sự phân bố khác biệt trên bề mặt màng. Tuy nhiên, một bức ảnh đơn lẻ không thể thay thế việc lấy mẫu tại nhiều vị trí cũng như kiểm chứng thực tế trong quá trình dập nguội.
Phép đo trọng lượng màng phốt phát trong báo cáo này áp dụng tiêu chuẩn GB/T 11376-2020. So với việc chỉ đo tổng trọng lượng màng trước xử lý, phương pháp chia nhỏ và quan sát riêng rẽ ba lớp màng tồn dư sau kéo sợi sẽ phản ánh gần hơn trạng thái thực tế của vật liệu khi bước vào máy dập nguội.
Biểu đồ gốc trong báo cáo hàng tháng của Creation Group: kết quả đo thực tế về phốt phát kẽm, xà phòng kẽm và xà phòng natri đối với 20 loại vật liệu đang sản xuất đại trà sau quá trình kéo sợi.
Các số liệu tháng này đều nằm trong phạm vi kiểm soát thông thường, cho thấy tình trạng ba lớp màng tồn dư sau phốt phát-xà phòng và kéo sợi nhìn chung ổn định. Việc công bố báo cáo này không nhằm chứng minh vật liệu có vấn đề, mà để nhấn mạnh rằng trạng thái màng bôi trơn không thể chỉ được đánh giá qua màu sắc; cần phải sử dụng các phép đo liên tục để xác nhận tính ổn định của quy trình.
Tuy nhiên, trọng lượng màng đạt chuẩn chỉ cho biết “tại thời điểm lấy mẫu còn lại bao nhiêu”, chứ không thể tự mình khẳng định liệu màng có bị phấn hóa, bong tróc, có chịu được nhiệt độ cục bộ tăng cao hay phù hợp với dầu bôi trơn trong lòng khuôn hay không. Đây chính là trọng tâm mà bài viết này muốn bàn đến.
II. Tại sao lớp màng phủ “đã được xử lý rất tốt” vẫn có thể khác nhau sau khi kéo dây?
Trọng lượng màng phủ tại thời điểm hoàn tất quá trình phốt phát hóa-xà phòng hóa chỉ cho thấy lớp màng đã hình thành.
Lớp màng phốt phát không thể giãn dài liên tục như nền thép. Sau khi vật liệu trải qua quá trình kéo rút, lớp màng chịu đồng thời các lực nén, cắt và giãn bề mặt: một phần lớp bôi trơn bị cuốn đi hoặc phân bố lại; nếu độ dẻo của lớp màng không đủ hoặc độ bám dính với nền thép yếu, có thể xuất hiện vi nứt, bong tróc dạng vảy, thậm chí bong tróc cục bộ.
Sự xuất hiện các vết nứt nhỏ trên màng phủ không đồng nghĩa với việc nó đã bị hỏng. Điều đáng quan tâm thực sự là sau khi nứt, diện tích nền kim loại lộ ra có lớn hay không, lớp bôi trơn xà phòng hóa còn có thể tiếp tục bao phủ hay không, và phần màng phủ còn lại có đủ khả năng chịu đựng các biến dạng tiếp theo trong quá trình dập nguội hay không. Nếu để lộ nền cục bộ, vật liệu khi vào khuôn sẽ dễ dàng tăng ma sát, gây xước hoặc dính khuôn.
Vì vậy, hai cuộn vật liệu dù có trọng lượng màng phủ tương đương sau khi phốt phát hóa-xà phòng hóa, nhưng sau khi trải qua các mức giảm tiết diện khác nhau và số lần kéo rút khác nhau, mức độ nứt vỡ, trạng thái che phủ và lượng màng phủ hữu hiệu còn lại vẫn có thể khác nhau.
Đây cũng là lý do vì sao các bài kiểm tra hàng tháng của Creation Group chú trọng đến “lượng màng phủ còn lại sau khi kéo dây”, thay vì đơn thuần theo đuổi trọng lượng màng phủ cao hơn trước khi xử lý.
III. Hiện tượng cháy khét chỉ là một biểu hiện của sự thất bại lớp màng phủ
Nói một cách nghiêm túc, nhiều trường hợp gọi là “cháy khét lớp màng phủ” thực chất không phải do tinh thể phốt phát bị đốt cháy như chất hữu cơ.
Trong quá trình dập nguội, nhiệt sinh ra do biến dạng và ma sát cùng lúc xuất hiện. Nếu lớp bôi trơn xà phòng hóa hoặc dầu bôi trơn vào khoang khuôn có khả năng chịu nhiệt kém, chúng có thể bị mềm hóa, suy giảm tính năng ở nhiệt độ cao, phân hủy hoặc cặn dư bị cacbon hóa.
Đồng thời, cấu trúc xương sống của lớp phốt phát có thể bị đè nén, làm mỏng hoặc bong tróc. Khi lớp bảo vệ bôi trơn mất tác dụng, chi tiết gia công tiếp xúc trực tiếp cục bộ với khuôn, sự cố sẽ phát triển theo chuỗi sau:
Suy giảm chức năng bôi trơn do nhiệt → Giảm khả năng chịu tải của màng dầu → Kim loại tiếp xúc trực tiếp cục bộ → Bề mặt bị đen, xước, dính khuôn và mài mòn bất thường của khuôn.
Ví dụ thực tế 2: Bề mặt đã xuất hiện những vết xước dọc rõ rệt, điều này cho thấy sự cố có thể đã phát triển từ việc lớp bôi trơn mất tác dụng sang tình trạng kim loại tiếp xúc trực tiếp và mài mòn dính.
Vì vậy, khi nhìn thấy bề mặt chi tiết bị đen, chỉ có thể nhận định rằng hệ thống bôi trơn có thể đã gặp vấn đề; không thể chỉ dựa vào màu sắc mà kết luận ngay đó là do lỗi của quy trình phốt phát hóa.
IV. Cả lớp màng phủ và dầu bôi trơn khoang khuôn đều cần được kiểm tra đầy đủ
Lớp màng phốt phát hóa-xà phòng hóa cung cấp lớp bảo vệ cơ bản trước khi vật liệu vào khuôn, trong khi dầu bôi trơn khoang khuôn cần tiếp tục bổ sung bôi trơn và tản bớt nhiệt trong suốt quá trình tạo hình.
Ngay cả khi lớp màng phủ còn lại trên dây thép vẫn ở trạng thái tốt, nếu độ nhớt của dầu bôi trơn giảm quá nhanh sau khi vào khuôn, khả năng chịu nhiệt kém, hoặc không thể duy trì đến các vùng biến dạng cao, thì bề mặt vẫn có thể bị đen và xước.
Ngược lại, nếu lượng màng phủ hữu hiệu còn lại trên dây thép sau khi kéo rút đã không đủ, thì việc chỉ tăng thêm dầu bôi trơn khoang khuôn cũng chưa chắc đã khôi phục được điều kiện bôi trơn ban đầu.
Lớp màng phủ đảm nhiệm vai trò nền tảng, dầu bôi trơn giữ nhiệm vụ bảo vệ liên tục; kết quả cuối cùng thực sự phụ thuộc vào sự phù hợp giữa hai yếu tố này trong từng loại khuôn và quy trình cụ thể.
Ví dụ thực tế 3: Chi tiết kích thước nhỏ xuất hiện hiện tượng đen cục bộ. Tuy diện tích sự cố khá nhỏ, nhưng vẫn cần kết hợp đánh giá vị trí xảy ra, tốc độ sản xuất và quy luật sản xuất liên tục để đưa ra nhận định chính xác.
V. Khả năng chịu nhiệt ≥ 900℃, trong điều kiện nguốn lạnh khắc nghiệt có ý nghĩa gì?
Hệ thống màng dầu mà Creation Group đang sử dụng hiện nay đạt chỉ số chịu nhiệt trên 900℃, cung cấp dự trữ ổn định nhiệt dồi dào hơn cho quá trình nguốn lạnh với mức biến dạng cao.
Ở đây cần lưu ý rằng chỉ số chịu nhiệt của màng dầu phản ánh khả năng ổn định của hệ thống lớp màng dưới tác động của nhiệt độ cao, chứ không đồng nghĩa với việc tất cả các loại dầu bôi trơn khuôn vẫn giữ nguyên độ nhớt và tính năng bôi trơn ở 900℃. Trong sản xuất hàng loạt thực tế, vẫn phải xem xét sự phối hợp hài hòa giữa màng dầu, lớp màng dư còn lại, dầu bôi trơn khuôn và các bước gia công.
Trong quá trình kiểm chứng đối với sản phẩm SCM435, tỷ lệ cường độ – khối lượng đạt 79,8%. Dưới sự phối hợp chặt chẽ giữa hệ thống màng dầu, lớp màng dư sau kéo sợi, dầu bôi trơn khuôn và các bước tạo hình, hiện đã đạt được trạng thái sản xuất hàng loạt ổn định.
Ví dụ sản xuất hàng loạt trong điều kiện nguốn lạnh khắc nghiệt của SCM435: tỷ lệ cường độ – khối lượng 79,8%, sau khi tối ưu quy trình tổng thể đã đạt được sản xuất ổn định.
Ví dụ này cho thấy, điều thực sự thuyết phục không phải là một con số chịu nhiệt đơn lẻ, cũng không phải là kết quả đo trọng lượng màng dầu duy nhất, mà là liệu vật liệu có thể liên tục, ổn định tạo ra sản phẩm đạt tiêu chuẩn ngay cả trong điều kiện biến dạng khắc nghiệt hay không.
Quan điểm của kỹ sư
Giá trị thực sự của phương pháp phốt phát-xà phòng hóa không phải là làm cho vật liệu trông đều đặn khi nhập kho, mà là để nó sau khi trải qua kéo sợi và nguốn lạnh liên tục vẫn có thể bám dính tại những vị trí cần bảo vệ, duy trì đủ lượng dầu bôi trơn dự trữ, tiếp tục bảo vệ phôi và khuôn mẫu.
Chương VII chỉ cần ghi nhớ một câu:
Trước xử lý nhìn có vẻ bình thường chỉ là điểm khởi đầu; sau kéo sợi vẫn còn đủ lớp màng dư hữu hiệu, đồng thời trong điều kiện biến dạng, nhiệt độ và dầu bôi trơn khuôn không bị bở vụn, không bong tróc, không mất dần tính bôi trơn sớm mới thực sự là đảm bảo cho sản xuất hàng loạt.
Nếu bạn cũng gặp tình trạng màng dầu bị bở vụn, bong tróc, phôi bị đen, cháy, xước bề mặt, dính khuôn hoặc tuổi thọ khuôn bất thường, vui lòng gửi cho chúng tôi thông tin về mác vật liệu, quy cách, kích thước trước và sau kéo sợi, vị trí xảy ra sự cố cùng ảnh chụp hiện trường. Creation Group sẽ giúp bạn xác định ban đầu xem vấn đề nên được điều tra từ phía lớp màng dầu còn lại, trạng thái liên kết, dầu bôi trơn khuôn hay các điều kiện nhiệt độ và ma sát.
Thông báo kỳ tới
Chương VIII: “Vật liệu không đổi, vì sao chỉ thay đổi cấu trúc sản phẩm lại khó nguốn?”
Chương tiếp theo sẽ tập trung vào cấu trúc sản phẩm, góc bo, mức biến dạng mỗi bước và phân bổ các công đoạn, nhằm giải thích cách thức thay đổi quỹ đạo chuyển động của vật liệu trong khuôn như thế nào.