Fall 01 / Rissbildung bei der Kaltfließformung
Der Flansch des Bolzens ist zu einem Netz gerissen:
Ursachenverfolgung anhand der Lamellenstruktur und der Oberflächenhärtung
Ein Bolzen, dessen Schaft scheinbar in Ordnung ist, weist am Rand des nach der Kaltfließformung entstandenen Flansches feine Risse auf. In solchen Fällen reicht es oft nicht aus, lediglich zu fragen: „Ist das Material etwa zu hart?“
Im Mittelpunkt dieser Analyse stehen eine strukturelle Anomalie sowie eine erhöhte Härte unmittelbar unter der Oberfläche des Materials. Daraus schließen wir: Die lamellare Gefügestruktur und eine vermutete Aufkohlung der Oberfläche beeinflussen gemeinsam die lokale Verformbarkeit und begünstigen während der Kaltfließformung des Flansches die Rissbildung.
Nachfolgend erläutern wir die Untersuchungsergebnisse und diesen Versagenspfad detailliert.
I. Fallhintergrund: Der Kunde beauftragt Creation Group mit der Analyse einer Rissbildung bei der Kaltfließformung
Ein Befestigungsmittelhersteller produziert Bolzen aus Draht seines bestehenden Lieferanten. Während der Kaltfließformung trat im Bereich des Flansches ein netzförmiges Rissmuster auf. Daraufhin beauftragte der Kunde die Creation Group mit der Ursachenanalyse.
Das vom Kunden angegebene Material lautet SCM435; die Drahtabmessung beträgt φ13,15 mm. Das vorliegende Material stammt nicht von Creation Group; Creation Group übernimmt die Analyse der eingesandten Proben. Kundendaten sowie Informationen zum Lieferanten wurden anonymisiert.
Zugrunde gelegt wurden bei dieser Analyse die Sichtprüfung der Probe, Metallographiefotos des Querschnitts sowie mikrohärtemessungen. Eine Vergleichsprobe aus demselben Produktionslauf, vollständige Wärmebehandlungsprotokolle sowie quantitative Kohlenstoffgehaltsmessungen lagen nicht vor.
Außerer Eindruck der Risse am Flansch
An dem untersuchten Probeflansch sind zahlreiche kurze Risse erkennbar, die sich stellenweise miteinander verzweigen.
II. Untersuchungsergebnisse: In der Randschicht unterscheiden sich nicht nur die Gefüge, sondern auch die Härte ist höher
Mikroskopische Aufnahmen zeigen, dass in der Nähe der Oberfläche des untersuchten Querschnitts deutliche Bereiche mit Gefügeunterschieden vorhanden sind; die beiden markierten Breiten betragen 78,56 μm bzw. 105,64 μm, was etwa 0,08 bis 0,11 mm entspricht.
Bei hoher Vergrößerung lässt sich erkennen, dass in diesem Bereich ausgeprägte platten- und streifenförmige Gefügestrukturen vorliegen, die sich von der Morphologie der inneren Karbide unterscheiden.
Gefüge der Randschicht und lokale Breitenmessungen
Die lokal gemessenen Breiten der beiden als Gefügeunterschiede gekennzeichneten Bereiche entsprechen nicht direkt der ermittelten Aufkohlungstiefe.
Hochvergrößertes Gefüge der Randschicht
In der Randschicht sind deutlich platten- und streifenförmige Gefügestrukturen zu erkennen; die Originalvergrößerung und der Maßstab wurden beibehalten.
Hochvergrößertes Gefüge im Inneren
Im Vergleich zur Abbildung 3 lassen sich die Form und Verteilung der Karbide gut erkennen; helle und dunkle Kontraste dürfen jedoch nicht ohne weiteres als Ersatz für eine direkte Kohlenstoffgehaltbestimmung herangezogen werden.
Eine weitere Belege liefert die Mikrohärtemessung. Gemäß der bei dieser Untersuchung dokumentierten Messreihenfolge „vom Rand zum Inneren“:
Vergleichspunkte Prüfprotokoll
Erster Messpunkt an der Randschicht 260,5 HV0,1
Zwei nachfolgende Messpunkte 248,5 bzw. 240,6 HV0,1
Durchschnittswert im Bereich von 0,5 bis 1,4 mm ca. 232,4 HV0,1
Differenz zwischen dem ersten Punkt an der Randschicht und dem genannten Durchschnittswert ca. 28,1 HV0,1
Die mikroskopischen Gefügeunterschiede und die erhöhte Härte unterstützen einander: Die Randschicht ist nicht einfach nur „etwas dunkler auf den Bildern“, sondern weist ein vom Inneren abweichendes Gefüge sowie eine andere mechanische Reaktion auf.
Prüfdaten
Originaldaten von 15 Mikro-Vickers-Härtemesspunkten
Härtekurve
Mikro-Vickers-Härtekurve
Die Prüfbedingungen lauteten HV0,1, insgesamt wurden 15 Punkte gemessen. Die Daten und die Kurve verdeutlichen gemeinsam die Härteschwankungen zwischen den einzelnen Messpunkten und müssen zusammen mit deren Position interpretiert werden.
III. Erste Hinweislinie: Warum entsteht ein plattiges Gefüge?
Ziel der Kugelglühung ist es nicht nur, einen bestimmten Härtewert zu senken, sondern auch eine für die nachfolgende Kaltumformung geeignete Karbidform und -verteilung zu erzielen.
Bei dem hier beobachteten plattigen Gefüge betrachten wir vor allem zwei Entstehungswege: Entweder wurde das ursprüngliche Perlit nicht ausreichend kugelisiert, oder es bildete sich während des Abkühlvorgangs nach dem Erhitzen erneut Perlit.
Die vorliegende Haupterklärung aus Sicht der Wärmebehandlung lautet, dass Temperatur, Haltezeit und Abkühlprozess nicht optimal aufeinander abgestimmt waren, was zur Verbleib oder Neubildung eines plattigen Perlitgefüges führte.
Wird beim Erhitzen in den Bereich der partiellen Austenitisierung eingetreten, etwa durch zu hohe Temperaturen oder unzureichende Haltezeiten bei diesen Temperaturen, verändert sich der Lösungszustand der Carbide. Folgt darauf eine Abkühlung, die der Ausbildung kugeliger Carbide nicht förderlich ist, kann sich erneut ein plattiges Gefüge bilden. Der Kugelglühprozess selbst umfasst sowohl das Auflösen der Carbide beim Erhitzen als auch deren Ausscheidung während der Abkühlung; daher darf man nicht allein auf einzelne Halteparameter schauen.
Daher gilt weder „Je länger die Haltezeit, desto weicher“, noch „Wer einmal kugelgeglüht hat, ist automatisch vollständig kugelgeglüht“. Entscheidend bleibt letztlich das Gefüge.
IV. Zweite Hinweislinie: Hat die Ofenatmosphäre die Oberflächenanomalie verstärkt?
Die Anreicherung der Oberfläche mit Kohlenstoff stellt eine weitere zentrale anlagetechnische Ursache dar, die hier in Betracht gezogen wird.
Wenn die Ofenatmosphäre gegenüber dem Stahl eine kohlenstoffanreichernde Tendenz aufweist, kann es an der Werkstückoberfläche zu einer Kohlenstoffanreicherung kommen. Dies wiederum verändert die Anzahl, das Lösungs- und Umwandlungsverhalten der Carbide in diesem Bereich und führt dazu, dass sich zwischen Oberfläche und Kern unterschiedliche Gefügestrukturen ausbilden.
Dies kann sich mit den Unregelmäßigkeiten im Kugelglühprozess überlagern: Einerseits bleibt das plattige Gefüge unzureichend beseitigt oder bildet sich erneut, andererseits beeinflusst die kohlenstoffreiche Oberfläche zusätzlich das lokale Gefüge und die Härte.
Eine wichtige Unterscheidung ist jedoch zu machen: Die vorliegenden metallografischen und Härtemessergebnisse stützen diese Erklärung zwar, lassen jedoch keine alleinige Bestätigung eines erhöhten Kohlenstoffgehalts zu. Selbst bei gleichem Kohlenstoffgehalt können Änderungen in der Gefügestruktur, der Korngröße sowie der Verteilung der Carbide die Materialeigenschaften beeinflussen.
Daher handelt es sich im vorliegenden Fall bei der „Atmosphärenkohlenstoffanreicherung“ lediglich um eine plausible technologische Ursachenhypothese und nicht um ein quantitativ gesichertes Untersuchungsergebnis.
V. Warum zeigt sich schließlich ein netzförmiges Reißen am Flansch?
Beim Formen des Flansches dehnt sich das Material nach außen aus, die Oberfläche vergrößert sich entsprechend, und die oberflächennahen Bereiche müssen sich der Deformation des Kerns anpassen.
Das plattige Gefüge sowie die lokal erhöhte Härte deuten darauf hin, dass die Deformationsreaktion dieser Bereiche von jener des Kerns abweicht. Unter Einwirkung lokaler Zug- und Scherkräfte neigt dieses Gebiet, wenn seine Verformungsfähigkeit begrenzt ist, leicht zu Rissbildungen.
Mit fortschreitender Umformung reißen zunächst verschiedene Schwachstellen nacheinander auf; die Risse breiten sich in unterschiedlichen Richtungen aus und verbinden sich stellenweise, sodass schließlich ein netzartiges Muster entsteht.
Vereinfacht ausgedrückt: Während der innere Bereich sich weiter ausdehnt, kann die Oberfläche nicht mehr mithalten, und an mehreren Stellen kommt es nacheinander zum Auseinanderreißen.
Der hier vorgeschlagene Versagensweg lautet: Eine unsachgemäße Kugelglühwärmebehandlung führte zur Ausbildung eines verbliebenen oder neu gebildeten plattigen Gefüges; eine mutmaßliche atmosphärische Kohlenstoffanreicherung verstärkte die Unterschiede in Gefüge und Härte nahe der Oberfläche; während der Kaltflanschumformung kam es schließlich aufgrund ungleichmäßiger lokaler Verformungen zu Mehrfachrisse.
Dies ist die vorliegende Hauptursachenanalyse, basierend auf den vorhandenen Daten. Die bisherigen Probenentnahmen sind am Schaft markiert; die Beobachtungen an diesem Querschnitt dürfen jedoch nicht direkt als Nachweis dafür gewertet werden, dass die Risse am Flansch tatsächlich aus der anomalen Schicht heraus entstanden sind.
6. Schwerpunkte der Bearbeitung: Gleichzeitige Überprüfung des Wärmebehandlungsprozesses und der Atmosphärensteuerung
Da von einem doppelten Einflussfaktor ausgegangen wird, darf die nachfolgende Bearbeitung nicht allein auf einen Härtewert fixiert bleiben.
Erstens: Den tatsächlichen Wärmebehandlungsprozess überprüfen. Unter Bezugnahme auf die tatsächlich durchlaufenen Parameter – Erwärmtemperatur, Haltezeit und Abkühlkurve – ist festzustellen, ob das Lamellengefüge unzureichend ausgeschieden wurde oder während der Abkühlung erneut entstanden ist.
Zweitens: Die Atmosphäre sowie die Kohlenstoffverteilung in der Randschicht prüfen. Dazu sind die Aufzeichnungen zur Atmosphärensteuerung heranzuziehen; zudem sind bei gleichartigen Rohldrähten entsprechende Untersuchungen der Kohlenstoffgehalts-, Gefüge- und Härteverläufe von der Oberfläche bis ins Werkstückinnere durchzuführen, um die Beurteilung einer Randaufkohlung zu bestätigen.
Drittens: Die Wirksamkeit der Maßnahmen anhand des Gefüges und der Umformergebnisse überprüfen. Es reicht nicht aus, lediglich zu prüfen, ob die Gesamthärte nach den Anpassungen gesunken ist; vielmehr ist zu beurteilen, ob das lamellare Gefüge nahe der Oberfläche abgenommen hat, ob sich die Zustände zwischen Oberfläche und Innerem angleichen und wie die Kaltfließpresstests mit vergleichbaren Produkten ausfallen.
Da die vorliegenden Unterlagen keine Nachprüfungen nach der Korrektur sowie Produktionsdaten aus der Serienfertigung enthalten, werden die oben genannten Bearbeitungsansätze hier nicht als bereits erfolgreich verifizierte Maßnahmen dargestellt.
7. Fallabschluss
Die vorliegende Hauptursachenanalyse kommt zu folgendem Ergebnis: Das lamellare Gefüge nahe der Oberfläche sowie lokale Härtungen verringern die Fähigkeit zur Verformungskoordination und begünstigen während der Flanschkaltfließpressung die Ausbildung netzförmiger Risse.
Was die Entstehungsursache der Anomalie betrifft, so weisen die Indizien vor allem auf eine kombinierte Wirkung eines fehlerhaften Spheroidisierungs-Wärmebehandlungsprozesses und einer mutmaßlichen Aufkohlung durch die Ofenatmosphäre hin. Die konkreten Entstehungsmechanismen des regenerierten Perlitgefüges sowie der Aufkohlung bedürfen jedoch noch einer weitergehenden, abgestimmten Überprüfung anhand der Originalrohdrähte, der Wärmebehandlungsprotokolle und der atmosphärischen Aufzeichnungen.
Dieser Fall zeigt, dass bei der Beurteilung von Kaltfließpresswerkstoffen nicht allein die Frage „Wie hoch ist die Durchschnittshärte?“ entscheidend ist, sondern auch die folgenden Aspekte berücksichtigt werden müssen: Welches Gefüge liegt an der Oberfläche vor, wie unterscheidet es sich vom Innengefüge und kann es gemeinsam die geforderten Umformvorgänge bewältigen?
Die Creation Group Gruppe unterstützt ihre Kunden bei der Fehleranalyse, indem sie Rissmorphologie, Gefüge und Leistungsdaten miteinander verknüpft und fundierte, überprüfbare Ursachenannahmen formuliert, sodass die anschließenden Verbesserungsmaßnahmen klar adressiert werden können.
Den Riss zu sehen, ist nur der Ausgangspunkt; erst die Erklärung, warum er entstanden ist, bildet den eigentlichen Wert der Fehleranalyse.
Creation Group Gruppe · Kaltfließpress-Ingenieur-Kurs
Materialprobleme verständlich erklärt