Eksempel 01 / Sprekker ved kaldstuking
Nettformede sprekker i en bolteflens:
Undersøkelse av lamellær mikrostruktur og økt hardhet nær overflaten
Skaftet på en bolt ser normalt ut, mens flenskanten har fått fine sprekker etter kaldstuking. I en slik situasjon er det ofte utilstrekkelig å spørre om materialet er for hardt.
Analysen retter seg mot samtidige avvik i mikrostruktur og forhøyet hardhet nær overflaten. På dette grunnlaget foreslår vi at lamellær mikrostruktur og mulig karbonberikelse i overflatesjiktet sammen reduserte den lokale deformasjonsevnen og bidro til sprekkdannelse ved kaldstuking av flensen.
Nedenfor vil vi klargjøre de funnene vi gjorde og redegjøre for denne sviktveien.
I. Bakgrunn: Kunden ber Creation Group undersøke sprekkdannelse ved kaldstuking
En produsent av festemidler brukte tråd fra sin eksisterende leverandør til bolteproduksjon. Nettformede sprekker ble oppdaget i flensen under kaldstuking, og kunden ba Creation Group bistå med analysen.
Kunden angir materialet som SCM435, med en tråddiameter på φ13,15 mm. Materialet i dette eksempelet ble ikke levert av Creation Group; Creation Group utførte analysen av de innsendte prøvene, mens opplysninger om kunde og leverandør er anonymisert.
Analysen bygger på prøvens ytre utseende, metallografiske bilder av tverrsnitt samt registreringer av mikro-Vickers-hardhet. Det foreligger imidlertid ingen opplysninger om originaltråden fra samme produksjonsserie, full varmebehandlingsprotokoll eller kvantitative resultater for karboninnholdet.
Utsnitt av sprekkene på flensområdet
På flensområdet av den innsendte prøven kan man se flere korte sprekklinjer som lokalt vever seg inn i hverandre.
II. Funn: Avvikende mikrostruktur og høyere hardhet nær overflaten
Mikrografiske bilder viser at det i nærheten av overflaten på den undersøkte tverrsnittet finnes tydelige områder med forskjellig mikrostruktur. De to merkede områdene har bredder på henholdsvis 78,56 μm og 105,64 μm, tilsvarende ca. 0,08–0,11 mm.
Ved høy forstørrelse ses tydelige lamellære og båndformede strukturtrekk i området. De skiller seg fra karbidmorfologien i det indre materialet.
Mikrostruktur nær overflaten og lokale breddemålinger
De to angivelsene er lokale bredder i området med avvikende mikrostruktur. De er ikke direkte mål på en bekreftet oppkullingsdybde.
Mikrostruktur ved overflaten under høy forstørrelse
I overflatesonen kan man observere tydelige lamellære og båndformede strukturer; opprinnelig forstørrelse og målestokk er beholdt.
Mikrostruktur innvendig under høy forstørrelse
I sammenligning med figur 3 kan man studere karbidenes form og fordeling; lys-mørk-kontrast brukes ikke som direkte erstatning for analyse av karboninnhold.
Mikrohardheten gir et ytterligere spor. Prøvingsregistreringen angir målepunktene i rekkefølge fra kanten og innover:
Sammenligningspunkter Testprotokollen
Første målepunkt ved overflaten 260,5 HV0.1
To etterfølgende målepunkter 248,5 og 240,6 HV0.1
Gjennomsnitt for området 0,5–1,4 mm ca. 232,4 HV0.1
Forskjellen mellom første punkt ved overflaten og ovennevnte gjennomsnitt ca. 28,1 HV0.1
Den mikrostrukturelle forskjellen og økt hardhet bekrefter hverandre: Overflatelaget er ikke bare «noe mørkere på bildet», men fremstår med en annen struktur og mekanisk respons enn det indre materialet.
Testdata
Originaldata fra 15 mikro-Vickers-hardhetsmålinger
Hardhetskurve
Mikro-Vickers-hardhetskurve
Testingen ble utført under forholdene HV0.1, totalt 15 punkter. Dataene og kurven viser sammenhengen mellom hardhetsvariasjonene i de ulike målepunktene og må tolkes sammen med målepunktenes plassering.
III. Første årsaksspor: Hvorfor oppstod lamellær mikrostruktur?
Sfæroidiserende gløding skal ikke bare redusere hardheten, men også gi en karbidform og -fordeling som er egnet for videre kaldforming.
For den observerte lamellære strukturen vurderes særlig to dannelsesruter: Den opprinnelige perlitten kan ha vært utilstrekkelig sfæroidisert, eller perlitt kan ha blitt dannet på nytt under avkjøling etter oppvarming.
Den viktigste varmebehandlingshypotesen er at oppvarmingstemperatur, holdetid og avkjøling ikke var tilstrekkelig samordnet, slik at lamellær perlitt ble bevart eller dannet på nytt.
Ved oppvarming inn i området for delvis austenittisering kan for høy temperatur eller uhensiktsmessig holdetid endre karbidenes oppløsningstilstand. Dersom avkjølingen deretter ikke fremmer kuleformede karbider, kan lamellær struktur dannes på nytt. Sfæroidiseringen omfatter oppløsning av karbider under oppvarming og ny utfelling under avkjøling. Én holdeparameter kan derfor ikke vurderes alene.
Lengre holdetid betyr ikke automatisk mykere materiale, og gjennomført sfæroidiserende gløding betyr ikke nødvendigvis tilstrekkelig sfæroidisering. Mikrostrukturen må vurderes.
IV. Andre årsaksspor: Kan ovnsatmosfæren ha forsterket overflateavviket?
Karbonberikelse av overflatesjiktet er en annen viktig prosessmessig årsaksantagelse som presenteres her.
Dersom ovnsatmosfæren virker oppkullende på stålet, kan karbon anrikes i overflatesjiktet. Det kan endre karbidmengde, oppløsning og omdanningsforløp i dette området, slik at mikrostrukturen blir forskjellig fra det indre materialet.
Dette kan virke sammen med avvik i sfæroidiseringen. Lamellær struktur kan være utilstrekkelig fjernet eller dannes på nytt, samtidig som karbonberikelse påvirker lokal mikrostruktur og hardhet ytterligere.
Det er imidlertid viktig å nevne en vesentlig forskjell: De foreliggende metallografiske og hardhetsresultatene underbygger denne forklaringen, men de kan ikke alene bevise at karboninnholdet faktisk har økt. Selv ved samme karboninnhold vil endringer i mikrostruktur, kornstørrelse og fordelingen av karbider påvirke materialenes egenskaper.
Karbonberikelse fra ovnsatmosfæren er derfor en vesentlig prosesshypotese i denne saken, ikke et kvantitativt bekreftet prøvingsfunn.
V. Hvorfor viser det seg til slutt som nettformet sprekking i flensen?
Under formingen av flensen utvider materialet seg utover, overflatearealet øker, og det nærmeste overflatesjiktet må følge med og deformere seg sammen med det indre materialet.
Lamellær struktur og lokalt forhøyet hardhet tyder på en annen deformasjonsrespons enn i det indre materialet. Ved lokal strekk- og skjærdeformasjon kan sprekker oppstå først i områder med utilstrekkelig deformasjonsevne.
Etter hvert som formingen fortsetter, kan flere svake områder initiere sprekker. Sprekkene kan vokse i ulike retninger og forbindes lokalt til et nettformet mønster.
Enkelt sagt fortsetter det indre materialet å bevege seg utover mens overflatesjiktet ikke holder tritt, slik at flere steder åpner seg etter tur.
Foreslått sviktforløp: Uhensiktsmessig sfæroidiserende varmebehandling gir gjenværende eller nydannet lamellær struktur. Mulig karbonberikelse fra atmosfæren forsterker forskjeller i mikrostruktur og hardhet nær overflaten. Under utvidelsen av flensen ved kaldstuking blir den lokale deformasjonen uensartet, noe som bidrar til sprekkinitiering flere steder.
Dette er hovedhypotesen basert på tilgjengelig dokumentasjon. Den viste prøvetakingen er markert på skaftet. Observasjonene i dette snittet dokumenterer derfor ikke direkte at flenssprekkene startet i det avvikende sjiktet.
6. Behandlingsfokus: Samtidig kontroll av varmebehandlingsprosessen og atmosfærestyringen
Når to faktorer vurderes sammen, kan videre oppfølging ikke begrenses til én hardhetsverdi.
Kontroller først det faktiske varmebehandlingsforløpet. Sammenhold oppvarmingstemperatur, holdetid og avkjølingskurve som materialet faktisk har gjennomgått, for å avklare om lamellær struktur skyldes utilstrekkelig sfæroidisering eller ny dannelse under avkjøling.
Kontroller deretter atmosfæren og karbonfordelingen nær overflaten. Sammenhold atmosfæreregistreringer med undersøkelser av karboninnhold, mikrostruktur og hardhet fra overflaten og innover i originaltråd fra samme parti for å prøve hypotesen om karbonberikelse.
Verifiser til slutt effekten av justeringene gjennom mikrostruktur og formingsresultater. Det er ikke nok at den samlede hardheten synker. Undersøk også om lamellær struktur nær overflaten avtar, om ytre og indre materialtilstand blir mer ensartet, og om kaldstukingsprøver på tilsvarende produkter gir bedre resultater.
Tilgjengelig dokumentasjon inneholder verken ny prøving eller serieproduksjonsresultater etter korrigering. Oppfølgingsforslagene beskrives derfor ikke som allerede verifiserte, vellykkede tiltak.
7. Konklusjon av caset
Hovedvurderingen av sviktmekanismen er at lamellær struktur nær overflaten og lokalt forhøyet hardhet reduserte evnen til samordnet deformasjon og bidro til nettformet sprekkdannelse under utvidelsen av flensen ved kaldstuking.
Som mulig opprinnelse til avviket vurderes samvirket mellom uhensiktsmessig sfæroidiserende varmebehandling og mulig karbonberikelse fra ovnsatmosfæren. Det konkrete forløpet bak nydannet perlitt og karbonberikelse må fortsatt kontrolleres mot originaltråd, varmebehandlingsdata og atmosfæreregistreringer.
Saken viser at materialer til kaldstuking ikke bør vurderes bare ut fra gjennomsnittshardheten. Mikrostrukturen nær overflaten, forskjellen fra det indre materialet og evnen til å gjennomføre den nødvendige deformasjonen sammen må også undersøkes.
Creation Group bistår kunder med sviktanalyse ved å knytte sprekkutseende, mikrostruktur og egenskapsdata sammen. Målet er begrunnede, etterprøvbare årsaksvurderinger som gir en tydelig retning for videre forbedring.
Å observere sprekken er bare starten. Verdien av sviktanalysen ligger i å forklare hvorfor den oppstod.
Creation Group · Fagstoff om kaldstuking
Tydelige forklaringer på materialproblemer