Kallstansingenjörsklass · Felanalysavsnitt - Fall 01 / Kallstansformningssprickbildning: Bultens fläns har spruckit upp som ett nät

Exempel 01 / Sprickbildning vid kallhoppsformning
Bultflänsen har spruckit i ett nät:
Spåra orsaken genom att undersöka det lamellära mikrostrukturella förhållandet och ytutkolkningen

Ett exemplar av en bult visar på ett normalt utseende på skaftet, men vid flänsens kant uppstod fina sprickor efter kallhoppsformningen. I sådana fall räcker det ofta inte med bara att fråga: "Är materialet för hårt?"

I den här analysen ligger fokus på att det närmast ytan finns både en ovanlig struktur och en högre hårdhet. Utifrån detta föreslår vi att det lamellära mikrostrukturella förhållandet tillsammans med misstänkt ytutkolkning samverkat och påverkat lokal deformationsegenskap, vilket lett till sprickbildning under flänsens kallhoppsformningsprocess.

Nedan redogör vi tydligt för de upptäckter som gjorts vid provningen samt den här felvägen.

I. Bakgrund till fallet: Kund anlitar Creation Group för analys av sprickbildning vid kallhoppsformning

Ett fastighetsföretag tillverkar bultar med trådmaterial från sin befintliga leverantör. Under kallhoppsprocessen upptäcktes nätliknande sprickor på flänsen, varpå företaget anlitade Creation Group-gruppen för att hjälpa till med analysen.

Kunden anger att materialet är SCM435, med en tråddiameter på φ13,15 mm. Materialet i detta exempel levererades inte av Creation Group, som istället ansvarar för analysen av de inskickade proverna; information om kunden och leverantören har anonymiserats.

Analysen baseras på provets ytskildheter, metallurgiska bilder av tvärsnittet samt registrerade värden för mikro-Vickershårdhet. Samtidigt saknas originaltråd från samma batch, fullständiga hettbehandlingsprotokoll samt kvantitativa resultat för kolhalt.

Utsikten över sprickorna på flänsen

II. Undersökningen visar: Den ytliga ytan har inte bara annorlunda struktur, utan även högre hårdhet

Metallografiska fotografer visar att det i den undersökta tvärsnittsytan finns tydliga områden med olika mikrostruktur. De båda markerade bredderna är 78,56 μm respektive 105,64 μm, vilket motsvarar cirka 0,08–0,11 millimeter.

Vid förstoring kan man se att detta område innehåller tydligt skikt- och bandliknande strukturer, som skiljer sig från karbidernas utseende i det inre av materialet.

Mikrostrukturen nära ytan samt mätning av lokal bredd

Jämförande data Provprotokoll
Första mätningen nära ytan 260,5 HV0.1
Följande två mätningar 248,5 och 240,6 HV0.1
Gemensamt genomsnitt för intervallet 0,5–1,4 mm ca 232,4 HV0.1
Skillnaden mellan den första mätningen nära ytan och ovanstående genomsnitt ca 28,1 HV0.1
De metallgrafiska strukturella skillnaderna och den ökade hårdheten stöder varandra: den ytliga zonen är inte bara ”lite mörkare på bilden”, utan uppvisar både en annorlunda struktur och ett annorlunda mekaniskt beteende jämfört med det inre av materialet.

Provdata
Originaluppgifterna från 15 mikro-Vickershårdhetsmätningar
Hårdhetskurva
Mikro-Vickershårdhetskurvan

III. Första orsaksspåret: Varför uppstår skiktformad struktur?

Målet med sfäroidiserande utglödning är inte bara att sänka hårdhetstaket, utan också att uppnå en karbidform och -fördelning som passar för efterföljande kallformning.

När det gäller den observerade skiktformade strukturen fokuserar vi på två bildningsvägar: antingen har befintlig perlit inte sfäroidiserats tillräckligt, eller så har perlit återbildats under kylprocessen efter upphettningen.

Huvudförklaringen som presenteras här är att ovarsam samverkan mellan upphettningstemperatur, heldetid och kylningsprocess har lett till att skiktformad perlit kvarstår eller återuppstår.

Om upphettningen sker inom området för delvis austenitisering, vid för hög temperatur eller med otillräcklig heldetid vid denna temperatur, kan karbidernas löslighetsgrad ändras; om sedan kylningsprocessen inte gynnar bildandet av sfäriska karbider, kan skiktformad struktur återuppstå. Sfäroidiseringsprocessen innefattar både karbidlöslighet vid upphettning och återutfällning vid nedkylning, varför man inte kan fokusera endast på någon enskild heldetidsparameter.

Därför gäller inte att ”ju längre heldetiden desto mjukare”, och heller inte att ”har man utfört sfäroidisering så är den automatiskt fullständig”. Det är i slutändan mikrostrukturen som avgör.

IV. Andra orsaksspåret: Har atmosfären i ugnen förvärrat ytskiktsavvikelserna?

Ytskiktets kolberikelse utgör ytterligare en av de viktigaste processorsakerna som föreslagits i detta fall.

Om atmosfären i ugnen tenderar till att berika materialet med kol kan kolansamling ske i ytskiktet, vilket i sin tur förändrar mängden, lösligheten och omvandlingsbeteendet hos karbiderna i detta område, varvid ytskiktet och inre delarna får olika mikrostrukturer.

Detta kan överlappa med avvikelser i sfäroidiseringsprocessen: å ena sidan har den skiktformade strukturen inte elimineras tillräckligt eller har återuppstått, samtidigt som kolberikelsen i ytskiktet ytterligare påverkar den lokala mikrostrukturen och hårdheten.

Det är dock viktigt att poängtera en avgörande skillnad: de nuvarande metallgrafiska och hårdhetstestresultaten stöder denna tolkning, men bevisar inte ensamt att kolhalten faktiskt har ökat. Vid samma kolhalt kan variationer i mikrostruktur, kornstorlek och fördelning av karbider likaså påverka materialens egenskaper.

Därför är ”kolberikelse genom atmosfären” i detta fall en primär hypotes angående processorsaken, snarare än ett redan kvantitativt verifierat testfynd.

V. Varför visar sig bronsen till slut som nätliknande sprickor?

Vid formning av flänsen expanderar materialet utåt, vilket gör att ytan ökar; närmast ytan måste då följa med i deformationen tillsammans med det inre.

Den skiktformade strukturen samt den lokalt hårdare karaktären tyder på att detta område reagerar annorlunda på deformation jämfört med det inre. Under lokal drag- och skjuvdeformation kan sprickbildning uppstå om förmågan till deformation är otillräcklig.

När formningen fortsätter kan sprickor successivt uppstå på olika svaga punkter; sprickorna breder ut sig i olika riktningar och kopplas lokalt ihop, vilket kan resultera i en nätliknande sprickmönster.

I vardagligt tal: Inre delarna forsar utåt, medan ytskiktet inte hänger med, och flera ställen dras isär en efter en.

Förslaget till felmekanism i detta fall lyder: ofullständig sfäroidiserande värmebehandling har gett upphov till kvarvarande eller återbildad skiktformad struktur; misstänkt atmosfärskolberikelse har förstärkt skillnaden i mikrostruktur och hårdhet närmast ytan; vid kallformning av flänsen har oöverensstämmelse i lokal deformation lett till sprickbildning på flera platser.
Detta är den huvudsakliga mekanismbedömningen baserad på de tillgängliga uppgifterna. De nuvarande provtagningarna är indikerade på skaftet, men observationerna från just detta tvärsnitt kan ännu inte direkt tolkas som att ”sprickorna i flänsen redan har startat från det avvikande ytskiktet”.

6. Behandlingsfokus: Samtidigt kontrollera värmebehandlingsprocessen och atmosfärestyrningen

Eftersom det handlar om dubbla faktorer får den efterföljande behandlingen inte enbart fokusera på ett enda hårdhetsvärde.

Först ska den faktiska värmebehandlingsprocessen kontrolleras. Genom att jämföra med de uppmätta uppvärmningstemperaturerna, heldetiderna och avkylningskurvorna kan man fastställa om skiktstrukturen är otillräckligt sfäroidiserad eller om den återigen har bildats under kylprocessen.

För andra ska atmosfären och kolfördelningen i ytskiktet kontrolleras. Jämför atmosfärestyrningsprotokollet och utför samtidigt en korresponderande undersökning av kolhalten, mikrostrukturen och hårdheten från ytan till insidan för originaltråden från samma batch, för att verifiera bedömningen om kolberikning i ytlagret.

Tredje punkten innebär att justeringsresultaten bekräftas genom analys av mikrostruktur och formningsutfall. Det räcker inte att konstatera att den totala hårdheten sjunkit efter justeringen; det måste också prövas om antalet skikt i ytskiktet minskar, om förhållandet mellan yta och inre delar blir mer homogent samt hur resultatet ser ut vid kallformningsprovning av likartade produkter.

Eftersom befintliga dokument inte innehåller re-inspektionsrapporter eller massproduktionsprotokoll efter åtgärderna, anges ovanstående behandlingsriktningar därför inte som redan bevisat framgångsrika åtgärder.

7. Fallkonklusion

I detta fall bedöms huvudmisslyckandemekanismen vara att den skiktiga strukturen nära ytan tillsammans med lokal härdning minskar förmågan till deformationssamarbete, vilket under expanderingsprocessen vid flänskallformning leder till nätliknande sprickbildning.

När det gäller orsakerna till avvikelsen pekar fokus framför allt mot en kombination av felaktig sfäroidiseringsvärmebehandling och misstänkt kolberikning i ugnens atmosfär. Den specifika processen bakom återbildningen av perlit och kolberikningen kräver dock ytterligare korresponderande verifiering med hjälp av originaltråd-, värmebehandlings- och atmosfärestyrningsprotokoll.

Detta fall visar att när man bedömer kallformningsmaterial inte bara bör fråga “vilken är den genomsnittliga hårdheten”, utan även fokusera på: vilken mikrostruktur finns i ytskiktet, hur skiljer sig denna från det inre, och om dessa två kan tillsammans utföra den deformation som produkten kräver.

Creation Group-gruppen hjälper sina kunder att utföra felanalys genom att koppla samman sprickornas utseende, mikrostrukturen och egenskapsdata, och därmed presentera grundade och verifierbara orsaksbedömningar, så att efterföljande förbättringar får tydliga mål.

Att se sprickorna är bara utgångspunkten; det är förklaringen till varför sprickorna uppstod som utgör värdet av felanalysen.
Creation Group-gruppen · Klassrum för kallformningsingenjörer
Förklara materialfrågor tydligt