Bạn đã đảm bảo các bộ phận được gia công đúng theo thông số kỹ thuật. Giờ hãy chắc chắn rằng bạn đã thực hiện các bước để bảo vệ các bộ phận này trong điều kiện mà khách hàng mong đợi.#basic
Quá trình thụ động hóa vẫn là một bước quan trọng để tối đa hóa khả năng chống ăn mòn cơ bản của các chi tiết và cụm chi tiết gia công bằng thép không gỉ. Nó có thể tạo ra sự khác biệt giữa hiệu suất hoạt động tốt và sự hỏng hóc sớm. Nếu thực hiện không đúng cách, quá trình thụ động hóa thực tế có thể gây ra ăn mòn.
Quá trình thụ động hóa là một phương pháp xử lý sau gia công nhằm tối đa hóa khả năng chống ăn mòn vốn có của hợp kim thép không gỉ cấu thành nên sản phẩm. Nó không phải là phương pháp tẩy cặn cũng không phải là lớp sơn phủ.
Hiện chưa có sự đồng thuận chung về cơ chế chính xác của quá trình thụ động hóa. Nhưng chắc chắn rằng có một lớp màng oxit bảo vệ trên bề mặt thép không gỉ đã được thụ động hóa. Lớp màng vô hình này được cho là cực kỳ mỏng, dày chưa đến 0,0000001 inch, chỉ bằng khoảng 1/100.000 độ dày của một sợi tóc người!
Một chi tiết thép không gỉ sạch, mới được gia công, đánh bóng hoặc tẩy gỉ sẽ tự động hình thành lớp màng oxit này do tiếp xúc với oxy trong không khí. Trong điều kiện lý tưởng, lớp oxit bảo vệ này bao phủ hoàn toàn tất cả các bề mặt của chi tiết.
Tuy nhiên, trên thực tế, các chất gây ô nhiễm như bụi bẩn trong xưởng hoặc các hạt sắt từ dụng cụ cắt có thể bám vào bề mặt các chi tiết thép không gỉ trong quá trình gia công. Nếu không được loại bỏ, các vật thể lạ này có thể làm giảm hiệu quả của lớp màng bảo vệ ban đầu.
Trong quá trình gia công, một lượng nhỏ sắt tự do có thể bị mài mòn từ dụng cụ và truyền lên bề mặt của phôi thép không gỉ. Trong một số trường hợp, một lớp gỉ mỏng có thể xuất hiện trên chi tiết. Đây thực chất là sự ăn mòn thép do dụng cụ gây ra, chứ không phải do kim loại nền. Thỉnh thoảng, các kẽ hở chứa các hạt thép bị kẹt từ dụng cụ cắt hoặc các sản phẩm ăn mòn của chúng có thể gây ra sự ăn mòn chính chi tiết đó.
Tương tự, các hạt bụi sắt nhỏ từ xưởng gia công có thể bám vào bề mặt chi tiết. Mặc dù kim loại có thể trông sáng bóng sau khi gia công, nhưng sau khi tiếp xúc với không khí, các hạt sắt tự do vô hình có thể gây ra hiện tượng gỉ sét trên bề mặt.
Các sunfua lộ ra ngoài cũng có thể là một vấn đề. Chúng xuất hiện do việc thêm lưu huỳnh vào thép không gỉ để cải thiện khả năng gia công. Sunfua làm tăng khả năng tạo phôi của hợp kim trong quá trình gia công, và phôi này có thể bị bong ra hoàn toàn khỏi dụng cụ cắt. Nếu các bộ phận không được xử lý thụ động đúng cách, sunfua có thể trở thành điểm khởi đầu cho sự ăn mòn bề mặt trên các sản phẩm được sản xuất.
Trong cả hai trường hợp, quá trình thụ động hóa là cần thiết để tối đa hóa khả năng chống ăn mòn tự nhiên của thép không gỉ. Nó loại bỏ các chất gây ô nhiễm trên bề mặt, chẳng hạn như các hạt bụi sắt trong xưởng và các hạt sắt trong dụng cụ cắt, có thể tạo thành gỉ sét hoặc trở thành điểm khởi đầu cho quá trình ăn mòn. Quá trình thụ động hóa cũng loại bỏ các sunfua lộ ra trên bề mặt của các hợp kim thép không gỉ dễ gia công.
Quy trình hai bước mang lại khả năng chống ăn mòn tốt nhất: 1. Làm sạch, một bước cơ bản nhưng đôi khi bị bỏ qua; 2. Xử lý bằng dung dịch axit hoặc xử lý thụ động hóa.
Việc làm sạch luôn phải được ưu tiên hàng đầu. Bề mặt phải được làm sạch kỹ lưỡng khỏi dầu mỡ, chất làm mát hoặc các chất bẩn khác trong xưởng để đạt được khả năng chống ăn mòn tối ưu. Các mảnh vụn gia công hoặc bụi bẩn khác trong xưởng có thể được lau sạch cẩn thận khỏi chi tiết. Có thể sử dụng các chất tẩy dầu mỡ hoặc chất tẩy rửa thương mại để loại bỏ dầu hoặc chất làm mát trong quá trình sản xuất. Các chất lạ như oxit nhiệt có thể phải được loại bỏ bằng các phương pháp như mài hoặc tẩy gỉ.
Đôi khi, người vận hành máy có thể bỏ qua bước làm sạch cơ bản, nhầm tưởng rằng việc làm sạch và thụ động hóa sẽ diễn ra đồng thời chỉ bằng cách nhúng chi tiết bị dính dầu mỡ vào dung dịch axit. Điều đó sẽ không xảy ra. Ngược lại, dầu mỡ bị nhiễm bẩn sẽ phản ứng với axit tạo thành bọt khí. Những bọt khí này tích tụ trên bề mặt chi tiết gia công và cản trở quá trình thụ động hóa.
Tệ hơn nữa, sự nhiễm bẩn của dung dịch thụ động hóa, đôi khi chứa nồng độ clorua cao, có thể gây ra hiện tượng "ăn mòn nhanh". Không giống như việc thu được lớp màng oxit mong muốn với bề mặt bóng, sạch và chống ăn mòn, ăn mòn nhanh có thể dẫn đến bề mặt bị ăn mòn nặng hoặc bị sẫm màu - sự xuống cấp bề mặt mà quá trình thụ động hóa được thiết kế để tối ưu hóa.
Các chi tiết làm từ thép không gỉ mactenxit [có từ tính, khả năng chống ăn mòn trung bình, độ bền kéo lên đến khoảng 280 ksi (1930 MPa)] được tôi cứng ở nhiệt độ cao và sau đó ram để đảm bảo độ cứng và các tính chất cơ học mong muốn. Các hợp kim có khả năng tôi cứng bằng kết tủa, có độ bền và khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với hợp kim mactenxit, có thể được xử lý dung dịch, gia công một phần, ủ ở nhiệt độ thấp hơn và sau đó hoàn thiện.
Trong trường hợp này, chi tiết phải được làm sạch kỹ lưỡng bằng chất tẩy dầu mỡ hoặc chất tẩy rửa để loại bỏ mọi dấu vết của dung dịch cắt gọt trước khi xử lý nhiệt. Nếu không, dung dịch cắt gọt còn sót lại trên chi tiết có thể gây ra quá trình oxy hóa quá mức. Tình trạng này có thể khiến các chi tiết có kích thước nhỏ hơn tiêu chuẩn bị lõm sau khi lớp vảy đã được loại bỏ bằng phương pháp axit hoặc mài mòn. Nếu dung dịch cắt gọt còn sót lại trên các chi tiết đã được tôi cứng sáng bóng, chẳng hạn như trong lò chân không hoặc môi trường bảo vệ, hiện tượng cacbon hóa bề mặt có thể xảy ra, dẫn đến mất khả năng chống ăn mòn.
Sau khi làm sạch kỹ lưỡng, các bộ phận bằng thép không gỉ có thể được ngâm trong dung dịch axit thụ động hóa. Có thể sử dụng một trong ba phương pháp – thụ động hóa bằng axit nitric, thụ động hóa bằng axit nitric với natri dicromat, và thụ động hóa bằng axit citric. Phương pháp nào được sử dụng phụ thuộc vào loại thép không gỉ và các tiêu chí chấp nhận được quy định.
Các loại hợp kim crom-niken có khả năng chống ăn mòn tốt hơn có thể được thụ động hóa trong dung dịch axit nitric 20% (v/v) (Hình 1). Như thể hiện trong bảng, thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn kém hơn có thể được thụ động hóa bằng cách thêm natri dicromat vào dung dịch axit nitric, làm cho dung dịch có tính oxy hóa mạnh hơn và có khả năng tạo thành lớp màng thụ động trên bề mặt kim loại. Một lựa chọn khác để thay thế axit nitric bằng natri cromat là tăng nồng độ axit nitric lên 50% theo thể tích. Cả việc thêm natri dicromat và nồng độ axit nitric cao hơn đều làm giảm nguy cơ xảy ra hiện tượng phản ứng chớp nhoáng không mong muốn.
Quy trình thụ động hóa thép không gỉ dễ gia công (cũng được thể hiện trong Hình 1) hơi khác so với các loại thép không gỉ không dễ gia công. Điều này là do trong quá trình thụ động hóa trong bể axit nitric thông thường, một số hoặc tất cả các sunfua chứa lưu huỳnh có trong thép dễ gia công sẽ bị loại bỏ, tạo ra các khuyết tật vi mô trên bề mặt của chi tiết gia công.
Ngay cả việc rửa sạch bằng nước hiệu quả cũng có thể để lại axit dư trong những chỗ gián đoạn này sau quá trình thụ động hóa. Axit này sau đó sẽ ăn mòn bề mặt của chi tiết trừ khi nó được trung hòa hoặc loại bỏ.
Để thụ động hóa hiệu quả thép không gỉ dễ gia công, Carpenter đã phát triển quy trình AAA (Kiềm-Axit-Kiềm), giúp trung hòa axit dư. Phương pháp thụ động hóa này có thể hoàn thành trong vòng chưa đầy 2 giờ. Dưới đây là quy trình từng bước:
Sau khi tẩy dầu mỡ, ngâm các chi tiết trong dung dịch natri hydroxit 5% ở nhiệt độ 71°C đến 82°C (160°F đến 180°F) trong 30 phút. Sau đó rửa sạch các chi tiết bằng nước. Tiếp theo, ngâm chi tiết trong 30 phút trong dung dịch axit nitric 20% (v/v) có chứa 22 g/l natri dicromat (3 oz/gal) ở nhiệt độ 49°C đến 60°C (120°F đến 140°F đến 60°C). Sau khi lấy chi tiết ra khỏi dung dịch, rửa sạch bằng nước và sau đó ngâm lại trong dung dịch natri hydroxit thêm 30 phút nữa. Rửa sạch chi tiết một lần nữa bằng nước và lau khô, hoàn tất phương pháp AAA.
Phương pháp thụ động hóa bằng axit citric ngày càng phổ biến đối với các nhà sản xuất muốn tránh sử dụng axit khoáng hoặc dung dịch chứa natri dicromat, cũng như các vấn đề về xử lý chất thải và những lo ngại lớn hơn về an toàn liên quan đến việc sử dụng chúng. Axit citric được coi là thân thiện với môi trường về mọi mặt.
Mặc dù quá trình thụ động hóa bằng axit citric mang lại những lợi ích hấp dẫn về môi trường, nhưng các xưởng đã thành công với quá trình thụ động hóa bằng axit vô cơ và không có lo ngại về an toàn có thể muốn tiếp tục sử dụng phương pháp hiện tại. Nếu những người dùng này có một xưởng sạch sẽ, thiết bị được bảo trì tốt và sạch sẽ, chất làm mát không bị nhiễm bẩn bởi kim loại nặng và một quy trình mang lại kết quả tốt, thì có thể không cần thiết phải thay đổi.
Quá trình thụ động hóa trong dung dịch axit citric đã được chứng minh là hữu ích cho nhiều loại thép không gỉ, bao gồm cả một số mác thép không gỉ riêng lẻ, như thể hiện trong Hình 2. Để thuận tiện, phương pháp thụ động hóa bằng axit nitric truyền thống trong Hình 1 cũng được đưa vào. Lưu ý rằng các công thức axit nitric cũ được biểu thị bằng phần trăm thể tích, trong khi nồng độ axit citric mới hơn được biểu thị bằng phần trăm trọng lượng. Điều quan trọng cần lưu ý là khi thực hiện các quy trình này, việc cân bằng cẩn thận thời gian ngâm, nhiệt độ dung dịch và nồng độ là rất quan trọng để tránh hiện tượng "bốc hơi" đã mô tả trước đó.
Các phương pháp xử lý thụ động hóa khác nhau tùy thuộc vào hàm lượng crom và đặc tính gia công của từng loại thép. Lưu ý các cột tham chiếu đến Quy trình 1 hoặc Quy trình 2. Như thể hiện trong Hình 3, Quy trình 1 có ít bước hơn Quy trình 2.
Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng quá trình thụ động hóa bằng axit citric dễ bị "ăn mòn nhanh" hơn so với quá trình bằng axit nitric. Các yếu tố góp phần gây ra hiện tượng này bao gồm nhiệt độ dung dịch quá cao, thời gian ngâm quá lâu và sự nhiễm bẩn dung dịch. Các sản phẩm axit citric có chứa chất ức chế ăn mòn và các chất phụ gia khác như chất làm ướt hiện có bán trên thị trường và được cho là làm giảm khả năng bị "ăn mòn nhanh".
Phương pháp thụ động hóa được lựa chọn cuối cùng sẽ phụ thuộc vào các tiêu chí chấp nhận do khách hàng đặt ra. Xem tiêu chuẩn ASTM A967 để biết thêm chi tiết. Có thể truy cập tại www.astm.org.
Các thử nghiệm thường được thực hiện để đánh giá bề mặt của các bộ phận đã được thụ động hóa. Câu hỏi cần trả lời là, "Quá trình thụ động hóa có loại bỏ sắt tự do và tối ưu hóa khả năng chống ăn mòn của các loại thép dễ gia công hay không?"
Điều quan trọng là phương pháp kiểm tra phải phù hợp với cấp độ đang được đánh giá. Các bài kiểm tra quá khắt khe sẽ đánh trượt những vật liệu hoàn toàn tốt, trong khi các bài kiểm tra quá lỏng lẻo sẽ cho phép những bộ phận không đạt yêu cầu được chấp nhận.
Thép không gỉ dòng 400 được tôi cứng bằng kết tủa và gia công dễ dàng được đánh giá tốt nhất trong tủ có khả năng duy trì độ ẩm 100% (mẫu ướt) trong 24 giờ ở 95°F (35°C). Mặt cắt ngang thường là bề mặt quan trọng nhất, đặc biệt đối với các loại thép dễ cắt gọt. Một lý do cho điều này là sunfua bị kéo dài theo hướng gia công, cắt ngang bề mặt này.
Các bề mặt quan trọng nên được đặt hướng lên trên, nhưng nghiêng từ 15 đến 20 độ so với phương thẳng đứng để cho phép thoát hơi ẩm. Vật liệu được xử lý thụ động đúng cách sẽ khó bị gỉ, mặc dù có thể xuất hiện một số vết ố nhẹ.
Các loại thép không gỉ Austenit cũng có thể được đánh giá bằng phương pháp kiểm tra độ ẩm. Khi kiểm tra như vậy, các giọt nước sẽ xuất hiện trên bề mặt mẫu, cho thấy sự hiện diện của sắt tự do thông qua sự có mặt của bất kỳ vết rỉ sét nào.
Các quy trình thụ động hóa các loại thép không gỉ gia công dễ dàng và không dễ gia công thường dùng trong dung dịch axit citric hoặc axit nitric đòi hỏi các phương pháp khác nhau. Hình 3 bên dưới cung cấp chi tiết về việc lựa chọn quy trình.
(a) Điều chỉnh độ pH bằng natri hiđroxit. (b) Xem Hình 3. (c) Na2Cr2O7 biểu thị 3 oz/gallon (22 g/l) natri đicromat trong axit nitric 20%. Một hỗn hợp thay thế cho hỗn hợp này là axit nitric 50% không có natri đicromat.
Một phương pháp nhanh hơn là sử dụng dung dịch trong tiêu chuẩn ASTM A380, “Tiêu chuẩn thực hành làm sạch, tẩy cặn và thụ động hóa các bộ phận, thiết bị và hệ thống bằng thép không gỉ”. Thử nghiệm bao gồm lau bộ phận bằng dung dịch đồng sunfat/axit sulfuric, giữ ẩm trong 6 phút và quan sát sự hình thành lớp mạ đồng. Ngoài ra, có thể ngâm bộ phận vào dung dịch trong 6 phút. Nếu sắt tan ra, lớp mạ đồng sẽ xuất hiện. Không nên sử dụng thử nghiệm này trên bề mặt các bộ phận chế biến thực phẩm. Cũng không nên sử dụng cho thép mactenxit серии 400 hoặc thép ferrit crom thấp vì có thể cho kết quả dương tính giả.
Trong lịch sử, thử nghiệm phun muối 5% ở 95°F (35°C) cũng được sử dụng để đánh giá các mẫu đã được thụ động hóa. Thử nghiệm này quá khắc nghiệt đối với một số loại thép và nhìn chung không cần thiết để xác nhận rằng quá trình thụ động hóa có hiệu quả.
Tránh sử dụng quá nhiều clorua, vì điều này có thể gây ra các cơn đột quỵ nguy hiểm. Nếu có thể, chỉ sử dụng nước chất lượng cao với hàm lượng clorua dưới 50 phần triệu (ppm). Nước máy thường đủ tốt và trong một số trường hợp có thể chịu được đến vài trăm ppm clorua.
Việc thay dung dịch mạ thường xuyên rất quan trọng để tránh mất điện thế thụ động, có thể dẫn đến hiện tượng phóng điện và hư hỏng các bộ phận. Dung dịch mạ cần được duy trì ở nhiệt độ thích hợp, vì nhiệt độ tăng quá cao có thể gây ăn mòn cục bộ.
Việc duy trì lịch thay dung dịch rất cụ thể trong các đợt sản xuất cường độ cao là rất quan trọng để giảm thiểu nguy cơ nhiễm bẩn. Một mẫu đối chứng đã được sử dụng để kiểm tra hiệu quả của dung dịch. Nếu mẫu bị ăn mòn, đã đến lúc phải thay dung dịch.
Vui lòng ghi rõ rằng một số máy chỉ gia công thép không gỉ; hãy sử dụng cùng loại dung dịch làm mát được khuyến nghị để cắt thép không gỉ, loại trừ tất cả các kim loại khác.
Các bộ phận của giá đỡ DO được xử lý riêng lẻ để tránh tiếp xúc kim loại với kim loại. Điều này đặc biệt quan trọng đối với thép không gỉ dễ gia công, vì cần có dung dịch thụ động hóa và rửa trôi dạng chảy tự do để khuếch tán các sản phẩm ăn mòn trong sunfua và tránh sự hình thành các túi axit.
Không nên thụ động hóa các chi tiết thép không gỉ đã được thấm cacbon hoặc thấm nitơ. Khả năng chống ăn mòn của các chi tiết được xử lý như vậy có thể bị giảm đến mức chúng sẽ bị ăn mòn trong dung dịch thụ động hóa.
Không nên sử dụng dụng cụ bằng sắt trong môi trường xưởng không được sạch sẽ. Có thể tránh bụi thép bằng cách sử dụng dụng cụ bằng cacbua hoặc gốm.
Đừng quên rằng hiện tượng ăn mòn có thể xảy ra trong bể thụ động hóa nếu chi tiết không được xử lý nhiệt đúng cách. Các loại thép mactenxit có hàm lượng cacbon và crom cao cần được tôi cứng để chống ăn mòn.
Quá trình thụ động hóa thường được thực hiện sau khi tôi luyện ở nhiệt độ đủ để duy trì khả năng chống ăn mòn.
Không được bỏ qua nồng độ axit nitric trong dung dịch thụ động hóa. Nên kiểm tra định kỳ bằng phương pháp chuẩn độ đơn giản do Carpenter cung cấp. Không nên thụ động hóa nhiều hơn một loại thép không gỉ cùng một lúc. Điều này giúp tránh nhầm lẫn tốn kém và tránh các phản ứng điện hóa.
Về các tác giả: Terry A. DeBold là chuyên gia nghiên cứu và phát triển hợp kim thép không gỉ, còn James W. Martin là kỹ sư luyện kim thanh tại Carpenter Technology Corp. (Reading, PA).
Trong một thế giới với các tiêu chuẩn về độ hoàn thiện bề mặt ngày càng khắt khe, các phép đo “độ nhám” đơn giản vẫn rất hữu ích. Hãy cùng xem tại sao việc đo độ nhám bề mặt lại quan trọng và làm thế nào để kiểm tra nó ngay tại xưởng sản xuất bằng các thiết bị đo cầm tay hiện đại.
Bạn có chắc mình đã chọn loại dao tiện tốt nhất cho thao tác này không? Hãy kiểm tra phoi, đặc biệt là nếu để lâu không sử dụng. Đặc điểm của phoi có thể cho bạn biết rất nhiều điều.