Példa 01 / Hidegnyomásos alakítás során keletkezett repedés
A csavar francia része hálószerűen megrepedt:
A lamelláris mikroszerkezet és a felületi keménység növekedése nyomában kutatva az okok után
Egy csavarnál a szár része látszólag rendben volt, ám a hidegnyomás után a francia peremén finom repedések jelentkeztek. Ilyen esetekben gyakran nem elég csak annyit kérdezni: „Vajon túl kemény-e az anyag?”
Ezúttal a vizsgálat fókuszában az állt, hogy az anyag közel a felszínéhez egyszerre mutatkozott szövettani eltérés és keménység-növekedés. Ezek alapján feltételezzük, hogy a lamelláris mikroszerkezet és a felületi szénmegdúsulás gyanúja együttesen befolyásolta a helyi deformációs képességet, elősegítve a repedés kialakulását a francia hidegnyomás során.
Hadd világítsuk meg részletesen a vizsgálat eredményeit és ennek a meghibásodási útnak a menetét.
I. A példa háttere: Ügyfelünk a hidegnyomásos repedés elemzését bízta rá a Creation Groupra
Egy rögzítőelem-gyártó vállalat meglévő beszállítójától származó sodronyt használt csavarok gyártásához. A hidegnyomás folyamatában a francia részen hálószerű repedéseket észlelt, ezért a Creation Group Csoportot kérte fel az analízisre.
Az ügyfél szerint az anyag SCM435 típusú, a sodrony mérete pedig φ13,15 mm. Az adott anyag nem a Creation Group szállítása, így a Creation Group a bevizsgálandó minták elemzését végezte; az ügyfél és a beszállító adatai anonimizált formában szerepelnek.
A jelen vizsgálat alapját a minták külső megjelenése, a keresztmetszeti metallográfiai fényképek és a mikro-Vickers keménység-mérések adták. Ugyanabból a tételből származó eredeti sodrony, a teljes hőkezelési dokumentáció és a szénkoncentráció mennyiségi eredményei nem állnak rendelkezésre.
A francia részen megjelenő repedések kinézete
A bevizsgálandó mintán a francia részen több rövid repedés figyelhető meg, melyek helyenként egymást keresztezik.
II. A vizsgálat eredményei: a felszínközeli réteg nemcsak mikroszerkezetében, hanem keménységében is eltér
A metallográfiai fényképek azt mutatják, hogy a vizsgált keresztmetszet felszínközeli részén jól észlelhető szövészeti eltérésekkel rendelkező területek találhatók; két jelölés szélessége 78,56 μm és 105,64 μm, ami mintegy 0,08–0,11 mm-nek felel meg.
Nagy nagyításnál látható, hogy ezen a területen jól kivehető lemezes és csíkos szerkezet figyelhető meg, amely eltér a belső karbidok alakjától.
A felszínközeli réteg mikroszerkezete és helyi szélességmérések
Két jelölés azonosítja a szövészeti eltérésekkel rendelkező területeket; ezek mért szélessége nem egyenértékű közvetlenül a meghatározott karburációs mélységgel.
A felszínközeli réteg nagy nagyításban
Jól észrevehető lemezes és csíkos szerkezeti jellemzők láthatók a felszínközeli rétegen; a felvétel eredeti nagyítása és méretaránya megmaradt.
A belső réteg nagy nagyításban
A 3. ábrával összevetve megfigyelhetők a karbidok alakja és eloszlása; a sötét-világos kontraszt nem helyettesíti közvetlenül a szén-tartalom-mérését.
A mikroszkopikus keménység további bizonyítékot szolgáltat. Az aktuális vizsgálat jegyzőkönyvében feltüntetett „peremtől belső irányba” történő mérési sorrend szerint:
Összehasonlított tételek Vizsgálati jegyzőkönyv
A felszínközeli első mérési pont 260,5 HV0,1
A következő két mérési pont 248,5 és 240,6 HV0,1
A 0,5–1,4 mm-es tartomány átlagértéke mintegy 232,4 HV0,1
A felszínközeli első pont és az említett átlagérték közötti különbség mintegy 28,1 HV0,1
A metallográfiai szövészeti eltérés és a megnövekedett keménység egymást erősítik: a felszínközeli réteg nem pusztán „a fotón valamivel sötétebb”, hanem a belsejétől eltérő mikroszerkezettel és mechanikai viselkedéssel rendelkezik.
Vizsgálati adatok
A 15 mikroszkopikus Vickers-keménység-mérés eredeti adatai
A keménység-görbe
A mikroszkopikus Vickers-keménység görbéje
A vizsgálati feltételek HV0,1 voltak, összesen 15 mérési ponttal. Az adatok és a görbe együttesen mutatják a mérési pontok közötti keménységváltozást, amelyet a mérési pontok helyzetének ismeretében kell értelmezni.
III. Az első oki nyom: Miért jelenik meg a réteges mikroszerkezet?
A globulizáló lágyítás célja nem csupán egy keménységcsökkenés elérése, hanem a későbbi hidegformázásnak megfelelő karbidformák és eloszlások létrehozása is.
A most megfigyelt réteges szerkezet esetében két fő keletkezési utat vizsgálunk: vagy az eredeti perlit nem globulizálódott kellőképpen, vagy a hevítés után a hűtés során újra perlites struktúra alakult ki.
Az általunk felvetett fő hőkezelési magyarázat szerint a hevítési hőmérséklet, az állásidő és a hűtési folyamat nem megfelelő összhangja idézte elő a réteges perlit maradványainak megmaradását vagy újrakialakulását.
Ha a hevítés a részleges austenitizációs tartományba kerül, a hőmérséklet túl magas, vagy az adott hőmérsékleten történő állás nem megfelelő, akkor a karbidek oldottsági állapota változik; ezt követően pedig a hűtés, ha nem kedvez a gömbölyű karbidek kialakulásának, újra réteges szerkezetet eredményezhet. A globulizáció maga a hevítés során zajló karbidek oldódásából és a hűtés során történő újrafelülrakodásból áll, így nem lehet pusztán egyetlen állásparaméterre koncentrálni.
Ezért nem igaz az, hogy „minél tovább áll, annál puhább lesz”, és az sem, hogy „ha globulizáltuk, akkor biztosan megfelelően globulizált”. Végül mindig a mikroszerkezet dönt.
IV. A második oki nyom: Súlyosbította-e a felszíni rendellenességet a kemence légköre?
A felszíni szénfelhalmozódás a most felvetett másik fő gyártástechnológiai ok-vizsgálati irány.
Ha a kemence légköre a fémeszterethez képest szénfelhalmozó hatást fejt ki, akkor az anyag felszínén szénkoncentráció alakulhat ki, ami további változásokat idéz elő az adott terület karbidgeometriájában, az oldódásban és az átalakulásban, s ezáltal eltérő mikroszerkezeti állapotot eredményez a felszín és a belső részek között.
Ez a jelenség összeadódhat a globulizációs folyamat rendellenességeivel: egyrészt a réteges szerkezet nem szűnik meg eléggé vagy újra kialakul, másrészt a felszíni szénfelhalmozódás tovább növeli a lokális mikroszerkezeti és keménységbeli eltéréseket.
Fontos azonban megjegyezni egy lényeges különbséget: a jelenlegi metallográfiai és keménységvizsgálati eredmények ugyan támasztják ezt a magyarázatot, de önmagukban még nem bizonyítják a szénkoncentráció emelkedését. Ugyanazon szénkoncentráció mellett a mikroszerkezeti formák, a kristályszemcsék és a karbidek eloszlása is befolyásolja az anyag tulajdonságait.
Ezért a „légköri szénfelhalmozódás” ebben az esetben csak a fő gyártástechnológiai okok feltételezése, és nem egy már mennyiségileg igazolt vizsgálati tény.
V. Miért jelentkezik végül a francia hálószerű repedésekként?
A francia formázás során az anyag kiterjed a környező területekre, a felülete megnő, és a felszínhez közeli rétegeknek is követnie kell a belső részek deformációját.
A réteges mikroszerkezet és a helyenként nagyobb keménység arra utal, hogy ezen területek deformációs reakciója eltér a belső részekétől. Lokális nyújtó- és nyíródeformáció hatására, ha ezek a régiók nem képesek kellően alkalmazkodni, könnyen megjelennek rajtuk első repedések.
Amint a formázás folytatódik, a különböző gyenge pontokon egymás után keletkeznek a repedések, a repedések különböző irányokban terjednek, és néhol egymással összekapcsolódnak, így hálószerű mintázatot alkothatnak.
Leegyszerűsítve: a belső részek tovább nyúlnak, de a felszín már nem tud velük lépést tartani, és több helyen egymás után szakadnak meg.
A most felvetett meghibásodási útvonal: a globulizáló hőkezelés nem megfelelő végrehajtása, amely maradványos vagy újrakialakult réteges perlites szerkezetet eredményez; feltételezhetően a légköri szénfelhalmozódás felerősíti a felszínhez közeli rétegek mikroszerkezeti és keménységbeli eltéréseit; a francia hidegpréselés során a lokális deformáció összehangolatlansága pedig több helyen egyidejű repedésképződést idéz elő.
Ez a jelenleg rendelkezésre álló adatok alapján felállított fő mechanizmus-vizsgálati értékelés. A jelenlegi mintavételi helyek a rúdtesten vannak megjelölve, így nem tekinthető egyértelműen bizonyítottnak, hogy a francia repedések valóban a rendellenes rétegekből indultak volna.
6. Fő szempontok kezelése: egyidejű ellenőrzés a hőkezelési folyamatokról és a légköri kontrollról
Mivel kettős tényezőt említünk, a további feldolgozás nem korlátozódhat csupán egyetlen keménységi érték vizsgálatára.
Elsőként ellenőrizzük a tényleges hőkezelési folyamatot. Összevetjük az anyag valóságos hevítési hőmérsékletét, tartóidőit és a hűtési görbét, hogy megállapítsuk: a lamellás szerkezet nem lett-e kellőképpen globulizálva, vagy a hűtés során alakult-e ki újra.
Másodszor, ellenőrizzük a légköri állapotot és a felületi széneloszlást. Összevetjük a légköri vezérlés naplóit, és ugyanabból a termelési tételből származó nyersdrót esetében végezzük el a felülettől a belső rétegekig terjedő szénkoncentráció-, mikroszerkezet- és keménységvizsgálatokat, ezzel igazolva a felületi szénfelhalmozódás feltételezését.
Harmadszor, a változtatások hatását a mikroszerkezeti és formázási eredményekkel igazoljuk. Nem elég pusztán azt figyelni, hogy az összkeménység csökkent-e az átalakítás után; azt is meg kell vizsgálnunk, hogy a közel felületi lamellás szerkezet mértékben csökkent-e, hogy a külső és belső állapotok egyneműbbé váltak-e, valamint más hasonló termékek hidegpréses megerősítési eredményeit is értékeljük.
A rendelkezésre álló dokumentumok nem tartalmaznak az átalakítások utáni újrapróbálások és a sorozatgyártás eredményeiről szóló feljegyzéseket, ezért a fenti intézkedési irányokat nem minősítjük már sikeresen ellenőrzött lépéseknek.
7. Esettanulmány következtetése
Jelen esetben a fő meghibásodási mechanizmus így határozható meg: a közel felületi lamellás szerkezet és a helyi keményedés csökkentette az anyag deformációs koordinációját, ami a francia hidegpréselés során bekövetkező kitágulásnál repedéses hálózat kialakulásához vezetett.
Az anomália kialakulásának forrásait tekintve elsősorban a globulizáló hőkezelés nem megfelelő végrehajtása és a kemencében valószínűleg bekövetkezett légköri szénfelhalmozódás közös hatására mutatunk. Az újonnan keletkezett perlit és a szénfelhalmozódás konkrét kialakulási folyamatát az eredeti nyersdrót, a hőkezelési és a légköri adatok további összevetésével kell pontosabban igazolnunk.
Ez az eset rávilágít arra, hogy a hidegpréseléshez használt anyagok vizsgálatakor nem elegendő csak annak „átlagos keménységét” megkérdezni; figyelmet kell fordítani arra is, hogy milyen mikroszerkezet jellemzi a felületet, miben tér el a belső részekétől, és képes-e együttesen teljesíteni a termék által előírt deformációs követelményeket.
A Creation Group Csoport segít ügyfeleinek a meghibásodások elemzésében: összekapcsolja a repedések kinézetét, a mikroszerkezeti és teljesítményadatokat, megalapozott, ellenőrizhető okmeghatározásokat javasol, így a további fejlesztések célirányosan valósulhatnak meg.
A repedések észlelése csupán a kiindulópont; az igazi értéke a meghibásodás-elemzésnek abban rejlik, hogy megmagyarázza, miért jöttek létre azok a repedések.
A Creation Group Csoport · Hidegpréselési Mérnöki Tanfolyam
Az anyagproblémák világos megértése