Thép mũi khoan rỗng được chế tạo như thế nào đối với các dụng cụ khoan đá?
Thép khoan rỗng là nguyên liệu ban đầu cho nhiều cần khoan thủy lực được sử dụng trong khai thác mỏ, đào hầm, khai thác đá và khoan xây dựng. Mặc dù trông giống như ống thép thông thường, nhưng nó phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe hơn nhiều so với ống thép thông thường.
Cần khoan thủy lực phải truyền năng lượng va đập tần số cao và chuyển động quay từ máy khoan đá đến mũi khoan. Đồng thời, lỗ xả bên trong của nó dẫn không khí hoặc nước đến bề mặt khoan, giúp loại bỏ vụn đá. Sự kết hợp giữa tải trọng va đập, chuyển động quay, mài mòn và dòng chảy chất lỏng bên trong khiến chất lượng vật liệu trở nên vô cùng quan trọng.
Nếu thép làm mũi khoan rỗng có độ thẳng kém, chứa quá nhiều tạp chất, tính chất cơ học yếu hoặc kích thước không đồng nhất, thì thanh khoan thành phẩm có thể bị hỏng do mỏi, hư hại ren, truyền năng lượng kém hoặc độ lệch lỗ khoan quá mức. Vì lý do này, sản xuất thép làm mũi khoan rỗng là một quy trình luyện kim và cán được kiểm soát chặt chẽ, bắt đầu từ rất lâu trước khi thanh thép được gia công.
1. Kiểm soát nguyên liệu thô bắt đầu từ việc lựa chọn phế liệu.
Chất lượng thép khoan rỗng bắt đầu từ khâu lựa chọn nguyên liệu thô. Các nhà sản xuất thép kiểm soát chặt chẽ phế liệu được sử dụng trong quá trình nấu chảy. Phế liệu phải được phân loại theo loại và thành phần, và các vật liệu chứa quá nhiều kim loại nặng hoặc các nguyên tố dư thừa có hại phải được loại bỏ.
Điều này rất quan trọng vì các nguyên tố dư thừa có thể ảnh hưởng đến độ bền, khả năng chịu mỏi, khả năng hàn, phản ứng với xử lý nhiệt và tuổi thọ sử dụng lâu dài. Ngay cả một lượng nhỏ các nguyên tố không mong muốn cũng có thể gây ra vấn đề khi cần khoan phải chịu tải trọng va đập lặp đi lặp lại.
Đối với thép khoan rỗng cao cấp, các nhà sản xuất thép cũng kiểm soát các tạp chất phi kim loại và hàm lượng khí trong quá trình sản xuất. Tạp chất là những hạt nhỏ bị mắc kẹt trong ma trận thép. Nếu chúng quá lớn hoặc quá nhiều, chúng có thể trở thành điểm tập trung ứng suất và gây ra vết nứt trong quá trình khoan.
Bài báo gốc đưa ra các giá trị tham khảo được sử dụng cho thép khoan rỗng của Thụy Điển, bao gồm chỉ số tạp chất oxit dưới 0,5 và hàm lượng khí dưới 0,056%. Các giá trị này nên được hiểu là các giá trị tham khảo kỹ thuật chứ không phải là thông số kỹ thuật chung. Mỗi nhà sản xuất phải thiết lập các tiêu chuẩn vật liệu riêng theo mác thép, ứng dụng dự định, yêu cầu của khách hàng và hệ thống quản lý chất lượng áp dụng.
2. Sản xuất và tinh luyện thép
Sau khi phân loại phế liệu, vật liệu sẽ được đưa vào quy trình luyện thép. Phương pháp nấu chảy bằng lò hồ quang điện thường được sử dụng để sản xuất thép hợp kim. Thép nóng chảy sau đó được tinh luyện để cải thiện khả năng kiểm soát thành phần hóa học và giảm tạp chất.
Quá trình tinh luyện thứ cấp có thể bao gồm xử lý trong lò nung và khử khí chân không. Tinh luyện trong lò nung cho phép nhà sản xuất điều chỉnh thành phần hợp kim, nhiệt độ và độ sạch. Khử khí chân không giúp loại bỏ các khí hòa tan như hydro và nitơ, có thể làm giảm chất lượng thép nếu có mặt ở nồng độ quá cao.
Kiểm soát cẩn thận trong quá trình nấu chảy và tinh luyện giúp tạo ra thành phần thép đồng nhất hơn. Điều này rất cần thiết vì thép làm mũi khoan rỗng phải đáp ứng ổn định trong các giai đoạn sau như rèn, cán, gia công, thấm cacbon, tôi cảm ứng và phun bi.
Sau quá trình tinh luyện, thép được đúc liên tục thành các phôi vuông. Quá trình đúc liên tục phải được kiểm soát chặt chẽ để giảm thiểu sự phân tách, các khuyết tật bên trong và các khiếm khuyết trên bề mặt. Phôi trở thành dạng ban đầu cho quá trình cán thép rỗng.
3. Chuẩn bị phôi và đục lỗ
Trước khi cán, các phôi vuông đúc liên tục được làm sạch để loại bỏ các khuyết tật trên bề mặt. Bề mặt phôi sạch giúp ngăn ngừa các khuyết tật bị cuốn vào vật liệu thành phẩm.
Phôi sau đó được xử lý qua một loạt các công đoạn tạo hình. Trình tự chung có thể bao gồm cán thô, mở phôi và chuyển đổi thành phôi tròn. Bề mặt bên ngoài có thể được bóc vỏ hoặc xử lý trước khi tạo lỗ ở giữa.
Một lỗ trung tâm được khoan vào phôi tròn, và một trục gá bằng thép hợp kim cường độ cao được đưa vào. Trục gá đóng vai trò quan trọng vì nó xác định lỗ thoát nước bên trong trong quá trình cán tiếp theo.
Độ chính xác của bước này rất quan trọng. Lỗ khoan phải giữ được vị trí trung tâm và đồng nhất, đồng thời thép bao quanh nó phải duy trì độ dày thành và độ bền kết cấu cần thiết. Một lỗ khoan lệch tâm có thể tạo ra độ dày thành không đồng đều, mất cân bằng trong quá trình quay và làm giảm hiệu suất chịu mỏi của cần khoan cuối cùng.
4. Cán thép rỗng chuyên dụng
Sau khi lắp trục gá, phôi được nung nóng lại và cán trong một nhà máy cán thép rỗng chuyên dụng. Quá trình cán này làm giảm đường kính ngoài, tạo hình dạng cần thiết và định hình lỗ thoát nước bên trong xung quanh trục gá.
Thép khoan rỗng có thể được sản xuất với nhiều hình dạng bên ngoài khác nhau tùy thuộc vào thiết kế cần khoan. Các hình dạng phổ biến bao gồm hình tròn, hình lục giác và các hình dạng chuyên dụng khác. Hình dạng cuối cùng phải đáp ứng các dung sai kích thước để hỗ trợ gia công và thiết kế kết nối sau này.
Thép sau đó được làm nguội một cách có kiểm soát, thường sử dụng hệ thống làm nguội bậc thang. Tốc độ làm nguội có thể ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô, ứng suất dư, độ thẳng và các tính chất cơ học. Do đó, làm nguội có kiểm soát là một phần của hệ thống chất lượng tổng thể, chứ không chỉ đơn thuần là một giai đoạn chờ đợi.
Sau khi làm nguội, thiết bị thủy lực sẽ kéo trục gá ra khỏi thép. Sản phẩm sau đó được chuyển đến khâu kiểm tra trực tuyến, cắt theo chiều dài và hoàn thiện chính xác.
5. Yêu cầu kiểm tra và kích thước
Thép mũi khoan rỗng thành phẩm được kiểm tra trước khi cung cấp cho nhà sản xuất cần khoan. Các bước kiểm tra quan trọng có thể bao gồm:
Đường kính ngoài và kích thước mặt cắt
Đường kính và độ đồng tâm của lỗ xả bên trong
Độ thẳng
Chất lượng bề mặt
Tính nhất quán về độ dày thành
Tính chất cơ học
Khử cacbon trên bề mặt bên ngoài và bên trong
Mức độ bao gồm và độ sạch của vật liệu
Hiện tượng khử cacbon cần được đặc biệt chú ý. Nó xảy ra khi cacbon bị mất đi khỏi bề mặt thép trong quá trình nung nóng. Khử cacbon quá mức có thể làm giảm độ cứng bề mặt và làm suy yếu khả năng chống mài mòn của vật liệu sau khi xử lý nhiệt.
Đối với các ứng dụng cần khoan, cả bề mặt ngoài và thành lỗ xả bên trong đều phải đáp ứng các yêu cầu khử cacbon có kiểm soát. Thành trong rất quan trọng vì nó tiếp xúc với môi chất xả tốc độ cao và các mảnh vụn khoan mài mòn trong quá trình sử dụng.
6. Bảo vệ chống ăn mòn và vận chuyển
Sau khi hoàn thiện, thép khoan rỗng có thể được phủ một lớp vật liệu chống ăn mòn. Lỗ thoát nước cũng có thể được bịt kín bằng nút nhựa bảo vệ để ngăn ngừa ô nhiễm và hơi ẩm xâm nhập trong quá trình vận chuyển và bảo quản.
Những biện pháp phòng ngừa này giúp bảo quản chất lượng vật liệu trước giai đoạn sản xuất cần khoan. Sự ăn mòn, bụi bẩn hoặc hơi ẩm bên trong lỗ xả có thể gây ra các vấn đề trong quá trình gia công sau này và ảnh hưởng đến độ tin cậy của sản phẩm cuối cùng.
Thép rỗng sau đó được chuyển đến các nhà sản xuất cần khoan, nơi nó trải qua các công đoạn làm thẳng, tạo ren, hàn ma sát hoặc tạo hình đầu cần khoan nếu cần, gia công cơ khí, xử lý nhiệt, phun bi, kiểm tra cuối cùng và đóng gói.
Tại sao chất lượng thép khoan rỗng lại quan trọng trong thực tế?
Thép khoan rỗng chất lượng cao hỗ trợ sản xuất cần khoan có độ bền mỏi, khả năng chống mài mòn và độ chính xác kích thước tốt hơn. Điều này giúp các nhà thầu khoan được các lỗ thẳng hơn, duy trì tốc độ khoan ổn định và giảm thời gian ngừng hoạt động do hỏng cần khoan.
Hiệu suất cuối cùng của cần khoan thủy lực phụ thuộc vào toàn bộ chuỗi sản xuất. Gia công và xử lý nhiệt tốt không thể bù đắp hoàn toàn cho độ sạch của thép kém, tính chất cơ học yếu hoặc hình dạng không nhất quán của vật liệu ban đầu.
Vì lý do này, các nhà sản xuất dụng cụ khoan đá đáng tin cậy coi thép khoan rỗng là một vật liệu chiến lược chứ không phải là một mặt hàng thông thường. Bằng cách kiểm soát luyện kim, cán, kiểm tra và hoàn thiện, họ tạo ra một nền tảng vững chắc hơn cho hiệu suất khoan đáng tin cậy.
