भाग विफलता को हल करना: एक निर्मित घटक विफलता विश्लेषण का मामला अध्ययन

संक्षिप्त में

धातु प्रक़्रिया वाले घटकों के साथ भाग की विफलता को हल करने वाले केस अध्ययन जड़ कारणों को उजागर करने के लिए कठोर तकनीकी जांच पर निर्भर करते हैं। विस्तृत धातुकर्म विश्लेषण, यांत्रिक परीक्षण और उन्नत अनुकरण के माध्यम से, इंजीनियर आपूर्ति दोष, प्रक्रिया त्रुटियों या डिजाइन दोष जैसी समस्याओं की पहचान कर सकते हैं। समाधान में अक्सर घटक की स्थायित्व में सुधार करने और भविष्य की विफलताओं को रोकने के लिए ऊष्मा उपचार प्रोटोकॉल को अनुकूलित करना, सामग्री की रसायन बनावट में समायोजन करना या स्वयं धातु प्रक़्रिया प्रक्रिया को सुधारना शामिल होता है।

समस्या: धातु प्रक़्रिया में भाग विफलता को समझने के लिए एक ढांचा

औद्योगिक निर्माण की उच्च-जोखिम दुनिया में, एक फोर्ज किए गए घटक की विफलता से महंगी बंदी, सुरक्षा जोखिम और महत्वपूर्ण वित्तीय नुकसान हो सकता है। इन विफलताओं की प्रकृति को समझना समाधान की ओर पहला कदम है। फोर्ज किए गए भागों में विफलताओं को उन दोषों के प्रकारों के आधार पर व्यापक रूप से वर्गीकृत किया जाता है जो उन्हें उत्पन्न करते हैं। ये दोष आकारिकीय हो सकते हैं, जैसे दृश्यमान दरारें या विरूपण, या सूक्ष्म, जो सामग्री की दानेदार संरचना के भीतर गहराई में छिपे होते हैं। उदाहरण के लिए, फोर्जिंग डाई की अकाल मृत्यु वर्ष में लाखों का नुकसान करती है क्योंकि यह दोषपूर्ण भागों का उत्पादन करती है और उत्पादन को रोक देती है।

गठित घटकों में देखे जाने वाले सामान्य दोषों को कई प्रमुख समूहों में वर्गीकृत किया जा सकता है। सतह दोष अक्सर सबसे स्पष्ट होते हैं और इसमें लैप या फोल्ड जैसी समस्याएं शामिल होती हैं, जहां सामग्री ओवरलैप हो जाती है लेकिन संगलित नहीं होती, जिससे एक कमजोर बिंदु बन जाता है। दरारें और बुलबुले, जो अक्सर फंसी हुई गैसों या अनुचित सामग्री प्रवाह के कारण होते हैं, भी अक्सर दोष के कारण बनते हैं। गठित एल्युमीनियम घटकों से संबंधित एक मामले ने यह उजागर किया कि ऐसे दोष किसी भाग की अखंडता को कैसे कमजोर कर सकते हैं। एक अन्य महत्वपूर्ण समस्या अंडरफिल है, जहां गठन सामग्री पूरी तरह से डाई गुहा को भर नहीं पाती है, जिसके परिणामस्वरूप अधूरा या आयामी रूप से अशुद्ध भाग बन जाता है।

सतही समस्याओं से परे, आंतरिक दोष अधिक कुटिल खतरा प्रस्तुत करते हैं। इनमें ठोसीकरण से उत्पन्न आंतरिक रिक्तियाँ या समावेशन (पोरोसिटी) और ऑक्साइड या सल्फाइड जैसे अधात्विक समावेशन शामिल हैं, जो तनाव केंद्रक के रूप में कार्य करते हैं। सामग्री की सूक्ष्मसंरचना (माइक्रोस्ट्रक्चर) स्वयं एक महत्वपूर्ण कारक है; अनुचित दाने का आकार या भंगुर चरणों की उपस्थिति घटक की टफनेस और थकान जीवन को गंभीर रूप से कम कर सकती है। एच13 टूल स्टील पर एक अध्ययन में विस्तार से बताया गया है कि स्टील के आधात्री में कार्बाइड अवक्षेपों का आकार और वितरण भी उसकी विदरण टफनेस और विफलता के प्रति प्रतिरोध में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

पद्धति: विफलता विश्लेषण और जांच की प्रक्रिया

एक सफल विफलता जांच एक व्यवस्थित, बहु-अनुशासनात्मक प्रक्रिया है जो अवलोकन को उन्नत विश्लेषणात्मक तकनीकों के साथ जोड़ती है। दरार या भंग जैसे लक्षण की पहचान से आगे बढ़कर मूलभूत मूल कारण का पता लगाना इसका उद्देश्य है। इस प्रक्रिया की शुरुआत आमतौर पर खराब घटक का गहन दृश्य निरीक्षण करने और संचालन भार, तापमान और विनिर्माण डेटा सहित सभी संबंधित सेवा इतिहास को एकत्र करने के साथ होती है। यह प्रारंभिक मूल्यांकन विफलता मोड के बारे में एक परिकल्पना बनाने में मदद करता है।

प्रारंभिक मूल्यांकन के बाद, गैर-विनाशक और विनाशक परीक्षणों की एक श्रृंखला का उपयोग किया जाता है। सटीक ज्यामितीय विश्लेषण के लिए आधुनिक तकनीकों जैसे 3D ऑप्टिकल स्कैनिंग का उपयोग बढ़ रहा है, जो इंजीनियरों को विफल भाग की तुलना मूल CAD मॉडल से विरूपण या क्षरण की पहचान करने के लिए करने में सक्षम बनाता है। इससे आयामी अशुद्धियाँ या अप्रत्याशित सामग्री की कमी या वृद्धि के क्षेत्रों का पता चल सकता है। उन्नत फाइनिट एलिमेंट मॉडलिंग (FEM) भी एक शक्तिशाली उपकरण है, जो आघात निर्माण प्रक्रिया के आभासी सिमुलेशन की अनुमति देता है जिससे बिना विनाशक परीक्षण के उच्च तनाव वाले क्षेत्रों की पहचान करना या अपूर्ण भराव, मोड़ या फंसी हवा की थैलियों जैसे दोषों की भविष्यवाणी करना संभव हो जाता है।

जांच का मूल अक्सर धातुकर्म विश्लेषण में होता है। विफल घटक से, विशेष रूप से तिरछे उद्गम के पास से नमूनों को काटा जाता है और सूक्ष्मदर्शी परीक्षण के लिए तैयार किया जाता है। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) जैसी तकनीकों का उपयोग तिरछे सतह (फ्रैक्टोग्राफी) के विश्लेषण के लिए किया जाता है, जो विफलता तंत्र के स्पष्ट संकेतों जैसे थकान रेखाएँ, भंगुर विदलन सतहें या लचीले गड्ढे को उजागर करता है। रासायनिक विश्लेषण यह सुनिश्चित करता है कि सामग्री की संरचना विनिर्देशों के अनुरूप हो, जबकि सूक्ष्म-कठोरता परीक्षण सतह के डीकार्बुरीकरण या अनुचित ऊष्मा उपचार का पता लगा सकता है। H13 फोर्जिंग डाई के विश्लेषण में दर्शाए गए अनुसार, विफल भागों की सूक्ष्म संरचना और कठोरता की तुलना अविफल भागों से करने से महत्वपूर्ण सुराग मिलते हैं। अंत में, यांत्रिक परीक्षण, जैसे तिरछे कठोरता परीक्षण, सामग्री की दरार फैलाव के प्रति प्रतिरोध करने की क्षमता को मात्रात्मक रूप से मापते हैं, जो सीधे सामग्री गुणों को प्रदर्शन से जोड़ता है।

केस अध्ययन गहन विश्लेषण: दरार युक्त ऑटोमोटिव घटकों से लेकर समाधान तक

भाग विफलता को हल करने का एक आकर्षक उदाहरण ऑटोमोटिव घटकों के आपूर्तिकर्ता से आता है, जो परिवर्तनशील वाल्व समय (VVT) प्लेटों में लगातार दरार का अनुभव कर रहा था। AISI 1045 कार्बन स्टील से बने इन भागों को ऊष्मा उपचार के लिए तीसरे पक्ष को भेजे जाने के बाद अक्सर दरार के साथ वापस कर दिया जाता था। इस समस्या ने कंपनी को अपने अनुबंधात्मक दायित्वों को पूरा करने के लिए भागों का अतिउत्पादन करने और बर्बाद हो रही सामग्री तथा अधिक लागत के कारण 100% निरीक्षण पर महत्वपूर्ण संसाधन खर्च करने के लिए मजबूर कर दिया। आवर्ती समस्या का निदान करने और उसे हल करने के लिए आपूर्तिकर्ता धातुकर्म विशेषज्ञों के पास गया।

जांच की शुरुआत विफल भागों के प्रायोगिक विश्लेषण से हुई। धातुकर्मज्ञों ने टिप्पणी की कि घटक अत्यधिक भंगुर थे। सूक्ष्म संरचना पर नज़दीकी नज़र डालने से पता चला कि भागों पर कार्बन-नाइट्राइडीकरण किया गया था, जो एक सतह सख्तीकरण प्रक्रिया है। आपूर्ति श्रृंखला में ऊपर की ओर आगे जांच करने पर एक महत्वपूर्ण बात सामने आई: कच्चे इस्पात कॉइल्स को नाइट्रोजन युक्त वातावरण में ऐनील किया जा रहा था। यद्यपि इस्पात को फाइन ब्लैंकिंग के लिए तैयार करने के लिए ऐनीलिंग आवश्यक थी, लेकिन 1045 इस्पात में दाने के सुधारक के रूप में उपयोग किए जाने वाले एल्युमीनियम और ऐनीलिंग वातावरण से नाइट्रोजन का संयोजन समस्याग्रस्त था। इस संयोजन के कारण भाग की सतह पर एल्युमीनियम नाइट्राइड का निर्माण हुआ।

एल्युमीनियम नाइट्राइड के निर्माण से सतह पर अत्यंत सूक्ष्म दाने की संरचना बन गई, जिससे इस्पात को बाद के ऊष्मा उपचार के दौरान सही ढंग से कठोर होने से रोक दिया। मूल ऊष्मा उपचारक ने संभवतः इस समस्या को अधिक कठोर कार्बनाइट्राइडिंग प्रक्रिया का उपयोग करके दूर करने का प्रयास किया, लेकिन इससे केवल सतह परत को भंगुर बनाने में सफलता मिली, जबकि आवश्यक कोर कठोरता प्राप्त नहीं हो सकी। मूल कारण आपूर्ति श्रृंखला में उपयोग किए गए विशिष्ट प्रसंस्करण चरणों और सामग्री की रसायन बनावट के बीच मौलिक असंगतता थी।

मूल कारण की पहचान होने के बाद, समाधान सरल तो था ही, साथ ही प्रभावी भी था। चूंकि स्टील मिल में एनीलिंग वातावरण को बदलना संभव नहीं था, टीम ने सामग्री में स्वयं में एक संशोधन का प्रस्ताव रखा। उन्होंने 1045 इस्पात में क्रोमियम की थोड़ी मात्रा मिलाने की सिफारिश की। क्रोमियम एक शक्तिशाली मिश्र धातु तत्व है जो इस्पात की कठोरता बढ़ाने की क्षमता को काफी बढ़ा देता है। इस अतिरिक्त मिश्रण ने एल्युमीनियम नाइट्राइड्स के कारण हुई सूक्ष्म धानी आकार की भरपाई की, जिससे VVT प्लेट्स को मानक कठोरीकरण प्रक्रिया के माध्यम से पूर्ण और समान कठोरता प्राप्त करने में सक्षम बनाया, बिना भंगुर हुए। यह समाधान अत्यधिक सफल साबित हुआ और दरार की समस्या को पूरी तरह समाप्त कर दिया। इस मामले ने विनिर्माण प्रक्रिया के समग्र दृष्टिकोण के महत्व को उजागर किया और यह भी दर्शाया कि किसी विशिष्ट आपूर्तिकर्ता के साथ साझेदारी ऐसी समस्याओं को रोकने में कैसे सहायता कर सकती है। उदाहरण के लिए, उच्च-गुणवत्ता वाले ऑटोमोटिव घटकों पर केंद्रित कंपनियां, जैसे कि शाओयी मेटल टेक्नोलॉजी की कस्टम फोर्जिंग सेवाएं , अक्सर ऊर्ध्वाधर रूप से एकीकृत प्रक्रियाओं और IATF16949 प्रमाणन को बनाए रखते हैं ताकि सामग्री और प्रक्रिया की अखंडता को प्रारंभ से अंत तक सुनिश्चित किया जा सके।

मूल कारण विश्लेषण: धातु-आघातित घटक विफलता में सामान्य दोषी

धातु-आघातित घटकों की विफलता का कारण लगभग हमेशा तीन प्राथमिक क्षेत्रों में से एक होता है: सामग्री की कमी, प्रक्रिया के कारण उत्पन्न दोष, या डिज़ाइन और सेवा स्थितियों से संबंधित समस्याएं। एक गहन मूल कारण विश्लेषण के लिए इनमें से प्रत्येक संभावित योगदानकर्ता की जांच आवश्यक है। विशिष्ट दोषी की पहचान करना प्रभावी और स्थायी सुधारात्मक कार्रवाई लागू करने के लिए आवश्यक है।

सामग्री की कमी जो फोर्जिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले कच्चे स्टॉक के अंतर्निहित होते हैं। इनमें गलत रासायनिक संघटन शामिल है, जहाँ मिश्र धातु तत्व निर्दिष्ट सीमा से बाहर होते हैं, या सल्फर और फॉस्फोरस जैसी अत्यधिक अशुद्धियों की उपस्थिति होती है, जो भंगुरता का कारण बन सकती है। गैर-धात्विक अंतर्वेशन, जैसे ऑक्साइड और सिलिकेट, एक अन्य प्रमुख चिंता का विषय हैं। ये सूक्ष्म कण दरारों के लिए प्रारंभिक स्थल के रूप में कार्य कर सकते हैं, जिससे घटक की कठोरता और थकान आयु में नाटकीय कमी आ सकती है। इस्पात की स्वच्छता, जैसा कि H13 डाई के विश्लेषण में देखा गया है, सामग्री की कठोरता और समदैशिकता पर सीधा प्रभाव डालती है।

प्रक्रिया-उत्प्रेरित दोष निर्माण के चरणों के दौरान पेंच और मोड़ जैसे दोष उत्पन्न हो सकते हैं, जिसमें फोर्जिंग और उसके बाद की ऊष्मा उपचार शामिल हैं। फोर्जिंग के दौरान, अनुचित सामग्री प्रवाह लैप्स और फोल्ड्स जैसी खामियाँ पैदा कर सकता है। गलत फोर्जिंग तापमान के कारण अत्यधिक गर्मी में गर्म फाड़ (हॉट टियरिंग) या बहुत कम तापमान पर सतह दरारें आ सकती हैं। ऊष्मा उपचार एक अन्य महत्वपूर्ण चरण है जहाँ त्रुटियाँ घातक हो सकती हैं। अनुचित शमन दर के कारण विकृति या शमन दरारें हो सकती हैं, जबकि गलत टेम्परिंग तापमान के कारण भंगुर सूक्ष्म संरचना बन सकती है। जैसा कि H13 डाई के मामले के अध्ययन में दिखाया गया था, टेम्पर्ड मार्टेंसाइट भंगुरता सीमा से बचने के लिए थोड़ा अधिक तापमान पर टेम्परिंग करने से भंजन थोकता में महत्वपूर्ण सुधार हुआ।

डिज़ाइन और सेवा स्थितियाँ इस बात से संबंधित है कि भाग की आकृति कैसे है और इसका उपयोग कैसे किया जाता है। तीखे कोने, अपर्याप्त फ़िलेट त्रिज्या, या अनुभाग की मोटाई में अचानक परिवर्तन जैसी डिज़ाइन खामियाँ तनाव संकेंद्रण पैदा करती हैं जो थकान दरारों के लिए प्राकृतिक शुरुआती बिंदु के रूप में कार्य करते हैं। इसके अतिरिक्त, वास्तविक सेवा स्थितियाँ डिज़ाइन मान्यताओं से अधिक हो सकती हैं। अतिभार, उच्च प्रभाव घटनाएँ, या क्षरणकारी वातावरण के संपर्क में आने से सभी प्रीमैच्योर विफलता का कारण बन सकते हैं। चक्रीय तापन और शीतलन के कारण उत्पन्न तापीय थकान, जिसका उपयोग उच्च तापमान अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले फोर्जिंग डाई और अन्य घटकों के लिए एक सामान्य विफलता मोड है।

एक स्पष्ट संदर्भ प्रदान करने के लिए, नीचे दी गई तालिका इन सामान्य विफलता के कारणों का सारांश देती है:

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न