Case 01 / Barsten bij kouddelen
Het flensgedeelte van de bout vertoont een netwerk van barsten:
Het oorzakenonderzoek start bij de lamellaire structuur en oppervlakteverharding
Bij een bepaalde bout zag het schroefgedeelte er normaal uit, maar aan de rand van de na kouddelen gevormde flens verschenen fijne barsten. In dergelijke gevallen volstaat het vaak niet om slechts te vragen: “Is het materiaal misschien te hard?”
De focus van deze analyse lag op het feit dat in de onmiddellijke nabijheid van het materiaaloppervlak zowel structurele afwijkingen als een verhoogde hardheid werden vastgesteld. Op basis hiervan concluderen we dat de lamellaire structuur samen met een mogelijke verhoging van het koolstofgehalte aan het oppervlak de lokale vervormbaarheid negatief hebben beïnvloed, waardoor tijdens het kouddelen van de flens barsten zijn ontstaan.
Hieronder leggen we de onderzoeksresultaten en deze faalweg duidelijk uit.
I. Achtergrond van de case: klant vraagt Creation Group om barsten bij kouddelen te analyseren
Een bepaald bevestigingsmiddelenbedrijf produceert bouten met draad die wordt geleverd door hun huidige leverancier. Tijdens de kouddelende bewerking werden in het flensgedeelte netvormige barsten waargenomen, waarna zij Creation Group inschakelden voor een onderzoek.
Volgens de klant betreft het materiaal SCM435, met een draaddiameter van φ13,15 mm. Het materiaal in dit geval is niet door Creation Group geleverd; Creation Group voerde de analyse uit op de ter onderzoek aangeboden monsters. De informatie over de klant en de leverancier is geanonimiseerd.
Deze analyse berust op de uiterlijke kenmerken van het monster, metalografische foto’s van doorsneden en micro-Vickers-hardheidsmetingen. Er zijn geen originele draad van dezelfde partij, complete hittebehandelingsrapporten of kwantitatieve resultaten over het koolstofgehalte beschikbaar.
Uiterlijk van de barsten in het flensgedeelte
Aan het flensgedeelte van het ter onderzoek ingediende monster zijn meerdere korte barsten waarneembaar, die zich op sommige plaatsen met elkaar vermengen.
Twee: Uit de analyse blijkt dat de oppervlaktelaag niet alleen anders is samengesteld, maar ook harder is
De metallografische foto’s laten zien dat er in de nabijoppervlakkige zone van het onderzochte doorsnedegebied duidelijke verschillen in microstructuur voorkomen. De gemeten breedte van de twee gemarkeerde gebieden bedraagt respectievelijk 78,56 μm en 105,64 μm, wat overeenkomt met ongeveer 0,08 tot 0,11 millimeter.
Bij hogere vergrotingen valt op dat deze zone kenmerkende plaat- en strokenvormige structuren vertoont, die afwijken van de vorm en structuur van de inwendige carbiden.
Microstructuur van de nabijoppervlakkige laag en lokale breedtemetingen
Het gemeten formaat van de twee gemarkeerde zones met structuurverschillen is niet direct gelijk aan de vastgestelde doorgroeide koolstoflaag.
Microstructuur van de nabijoppervlakkige laag bij hoge vergroting
In de nabijoppervlakkige laag zijn duidelijk plaat- en strokenvormige structuurelementen zichtbaar; de oorspronkelijke vergroting en schaal zijn behouden.
Microstructuur van het inwendige bij hoge vergroting
Vergelijk de karbidestructuren en hun verdeling met Afbeelding 3; contrasterende donkerlichteffecten mogen niet zonder meer worden gebruikt als vervanging voor een daadwerkelijke koolstofanalyse.
De microhardheid levert nog een aanvullend bewijs. Volgens de aantekeningen in dit testrapport, waarin de meetpunten in volgorde vanaf de rand naar binnen zijn genoteerd:
Vergelijkingspunten Testrapport
Eerste meetpunt nabij oppervlak 260,5 HV0.1
Volgende twee meetpunten 248,5 respectievelijk 240,6 HV0.1
Gemiddelde waarde voor het interval 0,5–1,4 mm Ongeveer 232,4 HV0.1
Het verschil tussen het eerste meetpunt nabij oppervlak en bovengenoemd gemiddelde Ongeveer 28,1 HV0.1
De verschillen in metallografische structuur en de toegenomen hardheid bevestigen elkaar: de nabijoppervlakkige laag is niet slechts “iets donkerder op de foto”, maar vertoont een andere structuur en mechanisch gedrag dan het inwendige materiaal.
Testgegevens
Oorspronkelijke gegevens van 15 micro-Vickers-hardheidsmetingen
Hardheidsgrafiek
Micro-Vickers-hardheidsgrafiek
De testomstandigheden waren HV0.1, met in totaal 15 meetpunten. De gegevens en de grafiek tonen samen de hardheidsvariaties tussen de meetpunten en moeten worden gelezen in combinatie met de locaties van de meetpunten.
III. Eerste aanwijzing: waarom ontstaat er een lamellaire structuur?
Het doel van sferoidiserend uitgloeien is niet alleen om de hardheid te verlagen, maar ook om een geschikte vorm en verdeling van carbiden voor latere koude vervorming te verkrijgen.
Voor de thans waargenomen lamellaire structuur bekijken we voornamelijk twee mogelijke vormingsmechanismen: ofwel is het oorspronkelijke perliet onvoldoende gesferoidiseerd geraakt, ofwel heeft zich tijdens het afkoelen na het verwarmen opnieuw perliet gevormd.
De belangrijkste thermische verklaring die hier wordt aangedragen, is dat de combinatie van verwarmingstemperatuur, houdtijd en afkoeling ongeschikt was, waardoor lamellair perliet is blijven bestaan of opnieuw is ontstaan.
Wanneer bij het verwarmen sprake is van gedeeltelijke austenitisering, kan een te hoge temperatuur of een onjuiste houdtijd bij die temperatuur leiden tot veranderingen in de oplossingstoestand van de carbiden; volgt daarna een afkoeling die niet bevorderlijk is voor de vorming van bolvormige carbiden, dan kan zich opnieuw een lamellaire structuur vormen. Het sferoidiseringsproces zelf omvat zowel het oplossen van carbiden bij verwarming als het opnieuw uitscheiden ervan tijdens het afkoelen; men mag daarom niet alleen naar één bepaalde houdtijdparameter kijken.
Het is dus niet zo dat “hoe langer de houdtijd, des te zachter het materiaal wordt”, noch dat “eenmaal gesferoidiseerd het materiaal altijd volledig gesferoidiseerd is”. Uiteindelijk is het de microstructuur die doorslaggevend is.
IV. Tweede aanwijzing: heeft de atmosfeer in de oven de oppervlakteafwijkingen versterkt?
Cariërisatie van de oppervlaktelaag is een andere belangrijke procesverklaring die hier wordt geopperd.
Als de atmosfeer in de oven ten opzichte van het staal een cariëriserende neiging vertoont, kan zich aan het materiaaloppervlak een koolstofverrijking voordoen, die vervolgens het aantal carbiden, hun oplos- en omzettingsgedrag in dit gebied verandert en zo tot verschillende microstructuren in de oppervlaktelaag en het binnenste leidt.
Dit kan zich overlappen met afwijkingen in het sferoidiseringsproces: enerzijds blijft de lamellaire structuur onvoldoende verdwenen of ontstaat opnieuw, anderzijds verergert de koolstofverrijking aan het oppervlak de lokale microstructuur en hardheid nog meer.
Een belangrijk verschil dient echter te worden benadrukt: hoewel de huidige metallografische en hardheidsresultaten deze verklaring ondersteunen, kunnen ze op zichzelf geen definitief bewijs leveren dat het koolstofgehalte daadwerkelijk is gestegen. Ook bij gelijkblijvend koolstofgehalte kunnen veranderingen in de structuur, de korrelgrootte en de verdeling van de carbiden de materiaaleigenschappen beïnvloeden.
Het begrip “atmosferische cariërisatie” vormt in dit geval derhalve eerder een aannemelijke hypothese over de processuele oorzaak dan een feit dat reeds kwantitatief door tests is vastgesteld.
V. Waarom manifesteert zich uiteindelijk een netvormige scheurvorming in de flens?
Tijdens het vormen van de flens breidt het materiaal zich naar alle kanten uit, waardoor het oppervlak toeneemt; de laag nabij het oppervlak moet zich dan samen met het binnenste gaan vervormen.
De lamellaire structuur en de plaatselijk hogere hardheid wijzen erop dat de vervormingsrespons van dit gebied afwijkt van die van het binnenste. Onder invloed van lokale trek- en schuifspanningen kan, wanneer de vervormingscapaciteit onvoldoende is, al snel een scheur ontstaan.
Naarmate het vormproces verdergaat, ontstaan op verschillende zwakke punten achtereenvolgens scheuren; de scheuren breiden zich in verschillende richtingen uit en verbinden zich ter plaatse, waardoor een netvormige patronen kan ontstaan.
In gewone taal gezegd: het binnenste probeert zich nog steeds uit te rekken, maar het oppervlak kan niet meer volgen; op meerdere plaatsen ontstaan dan achtereenvolgens scheuren die zich uiteindelijk verspreiden.
De hier voorgestelde faalweg: een onjuist uitgevoerde sferoidiserende warmtebehandeling heeft resterende of opnieuw gevormde lamellaire structuren gecreëerd; vermoedelijk heeft de atmosferische cariërisatie de verschillen in structuur en hardheid nabij het oppervlak versterkt; tijdens het koudstempelen van de flens veroorzaakt een onvoldoende gecoördineerde lokale vervorming meerdere scheuren.
Dit is de belangrijkste mechanismeverklaring die op basis van de beschikbare gegevens wordt voorgesteld. De huidige monstername is aangegeven op de staaf; de waarnemingen op deze dwarsdoorsnede mogen echter niet zonder meer gelijkgesteld worden met de stelling dat “de scheuren in de flens reeds uit de abnormale laag zijn ontstaan”.
Zesde punt: Aandachtspunt bij de behandeling: tegelijkertijd het warmtebehandelingsproces en de atmosfeercontrole controleren
Aangezien er sprake is van een dubbele factor, mag de verdere behandeling niet alleen gericht zijn op één hardheidswaarde.
Eerstens: controleer het daadwerkelijke warmtebehandelingsproces. Vergelijk de daadwerkelijk door het materiaal doorlopen verwarmingstemperatuur, houdtijd en afkoelcurve om na te gaan of de lamellaire structuur onvoldoende gesferoidiseerd is of tijdens het afkoelen opnieuw is ontstaan.
Tweede punt: controleer de atmosfeer en de koolstofverdeling in de oppervlaktelaag. Vergelijk de registratiegegevens van de atmosfeercontrole en voer voor dezelfde partij ruw draad een overeenkomstige inspectie uit van de koolstofconcentratie, structuur en hardheid vanaf de oppervlakte tot aan het binnenste gedeelte, om de vaststelling van koolstoftoename in de oppervlaktelaag te verifiëren.
Derdens: valideer de effectiviteit van de aanpassingen aan de hand van de microstructuur en de vormingsresultaten. Het volstaat niet alleen te kijken of de algehele hardheid na aanpassing is gedaald; ook moet worden gekeken of de lamellaire structuur nabij het oppervlak is verminderd, of de toestand tussen binnen- en buitenkant gelijkmatiger is geworden en welke resultaten de koude-stamptests met soortgelijke producten opleveren.
De beschikbare gegevens bevatten geen herinspectie- en massaproductieverslagen na de verbetermaatregelen; daarom worden bovengenoemde behandelingsrichtlijnen niet weergegeven als reeds succesvol bevestigde maatregelen.
Zevende punt: Conclusie van het casus
De belangrijkste vastgestelde versuimmechanisme luidt: de lamellaire structuur nabij het oppervlak en lokale verharding verminderen het vermogen tot vervormingscoördinatie en veroorzaken netvormige scheurvorming tijdens het uitrekken bij het koud stempelen van flenzen.
Wat betreft de oorzaak van deze afwijking wordt vooral gedacht aan de combinatie van een ontoereikend sferoidiserend warmtebehandelingsproces en een vermoedelijke koolstoftoename door de ovenatmosfeer. De precieze ontstaansprocessen van hernieuwd ontstane perliet en koolstoftoename dienen nog nader te worden onderzocht aan de hand van corresponderende gegevens van het ruwe draad, de warmtebehandeling en de atmosfeer.
Dit casus laat zien dat bij het beoordelen van koudstempelmateriaal niet alleen gevraagd kan worden “wat is de gemiddelde hardheid”, maar dat ook aandacht dient te worden geschonken aan: welke structuur bevindt zich in de oppervlaktelaag, hoe verschilt deze van het binnenste gedeelte en kunnen beide samen voldoen aan de vereisten voor vervorming van het product?
Door klanten te helpen bij faalanalyses brengt Creation Group de uiterlijke kenmerken van scheuren, de microstructuur en de prestatiegegevens met elkaar in verband, waardoor het mogelijk wordt fundamentele, verifieerbare oorzaken te identificeren en de latere verbeteringen doelgericht uit te voeren.
Het zien van de scheur is slechts het begin; pas wanneer verklaard wordt waarom de scheur is ontstaan, komt de echte waarde van de faalanalyse naar voren.
Creation Group · Koudstempelingsingenieursklas
Materiaalproblemen helder uitleggen