Koldformningsingeniørklassen · Fejlanalyseafsnit - Kasus 01 / Koldformningsopbrevning: Boltenes flange er revnet til et netværk

Eksempel 01 / Revnedannelse ved koldformning
Bolteflanger revnet ud i et net:
Spores årsagen tilbage til lamellar mikrostruktur og overfladehærdning

En bolt havde en tilsyneladende normal skaftsektion, men på kanten af flangen opstod fine revner efter koldformningen. Når man støder på sådan en situation, er det ofte ikke nok blot at spørge: "Er materialet for hårdt?"

I denne analyse var fokus rettet mod det faktum, at nær overfladen optrådte både en unormal mikrostruktur og en øget hårdhed. På baggrund heraf foreslog vi, at den lamellære struktur sammen med en mistænkt karbonberigelse i overfladeskiksen samlet svækkede lokal deformationsevne og dermed fremprovokerede revnedannelse under koldformningen af flangen.

Nedenfor redegør vi klart for vores undersøgelsesresultater og denne fejlvej.

I. Baggrund for eksemplet: Kunde har bedt Creation Group om at analysere revnedannelse ved koldformning

En fastgørelsesvirksomhed anvendte tråd fra sin nuværende leverandør til produktion af bolte. Under koldformningsprocessen opdagede de et netværk af revner på flangeområdet og bad derefter Creation Group om assistance til at analysere problemet.

Kunden angav materialet som SCM435, med en tråddiameter på φ13,15 mm. Materialet i dette eksempel blev ikke leveret af Creation Group, som udførte analysen af de indsendte prøver; oplysninger om kunden og leverandøren er anonymiseret.

Analysens grundlag bestod af prøvens ydre fremtoning, metallografiske billeder af tværsnit samt optegnelser af mikro-Vickers-hårdhed. Det var dog ikke muligt at få adgang til originaltråden fra samme batch, de komplette varmebehandlingsprotokoller eller kvantitative resultater for kulstofforhold.

Udseendet af revner på flangeområdet

II. Undersøgelsen afslørede: Den nærliggende overfladeudskiftning er ikke kun af anden struktur, men også højere hårdhed

Mikroskopiske metalografiske billeder viser, at der i det undersøgte tværsnit ved overfladen findes tydelige områder med forskellige mikrostrukturer. De to markerede områders bredde er henholdsvis 78,56 μm og 105,64 μm, hvilket svarer til cirka 0,08–0,11 mm.

Ved stærk forstørrelse kan man se, at dette område indeholder tydeligt skive- og strimmelagtig struktur, som adskiller sig fra den indre karbidernes udseende.

Mikrostruktur ved overfladen og lokale breddemålinger

Sammenligningspunkter Testprotokol
Første målepunkt ved overfladen 260,5 HV0.1
De efterfølgende to målepunkter 248,5 og 240,6 HV0.1
Gennemsnit for intervallet 0,5–1,4 mm ca. 232,4 HV0.1
Forskellen mellem det første punkt ved overfladen og ovenstående gennemsnit ca. 28,1 HV0.1
Den metalografiske strukturændring og den øgede hårdhed understøtter hinanden: Overfladen er ikke blot „lidt mørkere på billedet“, men fremviser en anden struktur samt mekanisk respons end det indre materiale.

Testdata
De originale data fra de 15 mikro-Vickers-hårdhedsprøver
Hårdhedskurve
Mikro-Vickers-hårdhedskurve

III. Første årsagssporet: Hvorfor opstår skiveformet struktur?

Målet med globuliserende udkalkning er ikke blot at sænke en hårdhedsværdi, men også at opnå en karbidform og -fordeling, der er velegnet til efterfølgende koldformning.

I forhold til den observerede skiveformede struktur overvejer vi hovedsageligt to dannelsesveje: enten har den oprindelige perlit ikke været tilstrækkeligt globuliseret, eller der er under kølingen efter opvarmningen opstået ny perlit.

Den vigtigste termiske forklaring, der her fremlægges, er, at kombinationen af opvarmnings­temperatur, holdetid og køleproces er uoverensstemmende, hvilket fremmer tilbagevenden eller genopbygningen af skiveformet perlit.

Hvis opvarmningen når ind i det partielle austenitområde, og temperaturen er for høj eller holdetiden ved denne temperatur er utilstrækkelig, vil karbidernes opløsning ændre sig; hvis derefter kølingen ikke er gunstig for dannelsen af kugleformede carbider, kan der opstå skiveformet struktur igen. Selve globuliseringen involverer både karbiders opløsning ved opvarmning og deres udskillelse ved nedkøling, så man kan ikke kun fokusere på én enkelt holdetidsparameter.

Derfor gælder hverken teseen om, at “jo længere holdetid, desto blødere”, eller at “når man først har foretaget globulisering, er processen automatisk vellykket”. Det afgørende er den endelige mikrostruktur.

IV. Andet årsagssporet: Har atmosfæren i ovnen forstærket de unormale forhold i overfladen?

Kulstofberigelse i overfladen er en anden vigtig procesmæssig årsagsbegrundelse, der her fremsættes.

Hvis atmosfæren i ovnen har en tendens til at berige stålet med kulstof, kan materialens overflade opleve kulstofophobning, hvilket efterfølgende ændrer mængden af carbider samt deres opløsnings- og transformationsadfærd i dette område og skaber forskellige strukturelle tilstande mellem overfladen og indre dele.

Dette kan overlægges med uregelmæssigheder i globuliseringen: På den ene side er den skiveformede struktur enten ikke tilstrækkeligt elimineret eller genopstået, og på den anden side forstærker kulstofberigelsen i overfladen yderligere de lokale strukturelle og hårdevidsmæssige forskelle.

Det er dog vigtigt at bemærke en væsentlig forskel: De foreliggende metallografiske og hårdevidsmæssige resultater understøtter denne forklaring, men kan ikke alene bekræfte, at kulstofforholdene rent faktisk er steget. Selv ved samme kulstofindhold kan ændringer i strukturfremtoning, krystallitter og carbiddistribution påvirke materialets egenskaber.

Således er “atmosfærisk kulstofberigelse” i dette tilfælde en vigtig hypotese om den procesmæssige årsag, snarere end et empirisk bevist og kvantificeret resultat.

V. Hvorfor viser det sig i sidste ende som netformet revnedannelse i flangen?

Når flangen formes, udvider materialet sig udad, overfladen øges, og det nærliggende overfladelag må følge med de indre dele i deformationen.

Den skiveformede struktur og det lokalt hårdere materiale indikerer, at dette område reagerer anderledes på deformation end det indre. Under lokal spænding og skærvirkning kan revner let opstå, hvis regionens evne til at deformere sig er utilstrækkelig.

Efterhånden som formningen fortsætter, opstår revner på flere svage punkter, revnerne breder sig i forskellige retninger og kobles lokalt sammen, hvilket kan resultere i en netformet revnedannelse.

I daglig tale: Indre dele forsøger stadig at komme ud, mens overfladen ikke kan følge med, og adskillige steder sprækker efter hinanden.

Den her foreslåede fejlsporingsvej er: Uregelmæssig globuliseringstermisk behandling har medført tilbageværende eller genopstået skiveformet struktur; mistænkt atmosfærisk kulstofberigelse har forstærket forskellene i struktur og hårdevid i det nærliggende overfladelag; under cold heading-formningen af flangen opstår der lokale deformationsmisforhold, hvilket fremmer revnedannelse fra flere punkter.
Dette er den vigtigste mekanistiske vurdering baseret på de foreliggende data. De nuværende prøvetagningsmarkeringer er placeret på skaftet, og observationerne fra dette tværsnit kan endnu ikke umiddelbart betragtes som “bevis for, at flangens revner allerede er opstået fra det unormale lag”.

6. Behandlingsfokus: Samtidig kontrol af varmebehandlingsprocessen og atmosfærekontrollen

Når der er tale om dobbelt faktor, må den efterfølgende behandling ikke kun fokusere på en enkelt hærdetværdi.

Først skal den faktiske varmebehandlingsproces kontrolleres. Ved at sammenligne med de faktisk gennemgåede opvarmnings- og hviletider samt kølekurerne kan man afgøre, om skiveformet struktur enten er utilstrækkeligt kugleformet eller genopstået under kølingen.

Dernæst skal atmosfæren og kulstoffordelingen i overfladen undersøges. Sammenlign atmosfærekontrolprotokollen og udfør en korresponderende undersøgelse af kulstoffordelingen, mikrostrukturen og hårdheden fra overfladen til det indre af samme batch råtråde for at verificere vurderingen af kulstofindholdets stigning ved overfladen.

Tredjens skal effekten af justeringerne bekræftes ud fra mikrostrukturen og formede resultater. Det er ikke nok blot at se, om den generelle hærdhed efter justeringen er faldet; det er også nødvendigt at undersøge, om mængden af skiveformet struktur nær overfladen er reduceret, om fordelingen mellem ydre og indre deler er mere jævn, samt at evaluere resultatet af koldhamringsprøver på lignende produkter.

Eftersom de foreliggende data ikke indeholder retest- og masseproduktionsrapporter efter fejlrettelsen, vil vi ikke betragte ovennævnte løsningsveje som allerede vellykkede og verificerede tiltag.

7. Casuskonklusion

I dette tilfælde er den primære fejlmekanisme dømt til at være, at den skiveformede struktur tæt på overfladen samt lokaliseret hærdning har nedsat evnen til at koordinere deformation, hvilket under flangekoldhamringens ekspansionsproces fremprovokerede netformet revnedannelse.

Hvad angår årsagen til afvigelsen, peger fokus mod en kombineret virkning af uhensigtsmæssig kugleformningsvarmebehandling og formodet kulstofindholdsstigning i ovnens atmosfære. Den præcise dannelse af regenereret perlit og kulstofindholdet kræver dog yderligere sammenligning og bekræftelse baseret på originale råtråde, varmebehandlingsprotokoller samt atmosfæregistreringer.

Dette casus viser, at vurderingen af koldhamringsmaterialer ikke alene bør spørge “hvad er den gennemsnitlige hærdhed”, men også bør fokusere på: hvilken mikrostruktur findes ved overfladen, hvordan adskiller den sig fra det indre, og kan den sammen med det indre bidrage til at opfylde produktets deformationskrav?

Creation Group-gruppen hjælper kunder med at udføre svigtanalyse ved at koble revnedetaljer, mikrostruktur og egenskabsdata sammen og fremlægge grundige, verificerbare årsagsforklaringer, så efterfølgende forbedringer får klart målrettet sig.

At se revner er blot udgangspunktet; først når man forklarer, hvorfor revnerne opstår, ligger analysens egentlige værdi.
Creation Group-gruppen · Koldhamringsingeniørklassen
Forklar materialproblemer tydeligt