Detaļas bojājuma novēršana: Karstās deformācijas komponenta bojājumu analīzes gadījuma izpēte

TL;DR

Gadījuma izpētes, kas risina detaļu bojājumus ar kaltiem komponentiem, balstās uz rūpīgu tehnisko izmeklēšanu, lai noskaidrotu pamata cēloņus. Veicot detalizētu metalurģisko analīzi, mehāniskos pārbaudījumus un modernas simulācijas, inženieri var identificēt problēmas, piemēram, materiāla defektus, procesa kļūdas vai konstrukcijas trūkumus. Risinājums bieži ietver termoapstrādes režīmu optimizēšanu, materiāla ķīmiskā sastāva korekciju vai pašas kalšanas procesa pilnveidošanu, lai uzlabotu komponenta izturību un novērstu nākotnes bojājumus.

Problēma: Rāmis, lai saprastu detaļu bojājumus kalšanā

Augstas riskes rūpnieciskās ražošanas pasaulē, kala izstrādājuma bojājums var izraisīt dārgu darbības pārtraukumu, drošības riskus un ievērojamas finansiālas zaudējumus. Lai atrisinātu šos jautājumus, pirmais solis ir saprast šo bojājumu būtību. Kala daļu bojājumi galvenokārt tiek klasificēti atkarībā no defektu veidiem, kas tos izraisa. Šie defekti var būt makroskopiski, piemēram, redzamas plaisas vai deformācijas, vai mikroskopiski, slēpti dziļi materiāla graudu struktūrā. Piemēram, kalšanas formu prieklaicīga nodilšana ik gadu rūpniecībai izmaksā miljonus dolāru, radot nepilnperfektus izstrādājumus un apturot ražošanu.

Kopējie defekti, ko novēro sakausētos komponentos, var tikt klasificēti vairākās galvenās grupās. Virsmas defekti bieži vien ir visredzamākie un ietver problēmas, piemēram, pārklājumus vai krokas, kad materiāls pārklājas, bet nesaplūst kopā, radot vāju vietu. Ieplaisājumi un burbuļi, kas bieži rodas no ieslēgtajiem gāzes daudzumiem vai nepareiza materiāla plūsmas, arī bieži ir vainīgi. Viens gadījums ar sakausētiem alumīnija komponentiem parādīja, kā šādi defekti var apdraudēt detaļas integritāti. Cita būtiska problēma ir nepilns piepildījums, kad kausēšanas materiāls pilnībā neaizpilda veidni, rezultējot nepilnīgā vai izmēros neatbilstošā detaļā.

Aiz virsmas slāņa esošiem defektiem ir vēl bīstamāka ietekme. Tie ietver iekšējus dobumus vai porainību, kas rodas sakarā ar kristalizācijas problēmām, kā arī ne-metāliskas ieslēgvielas, piemēram, oksīdus vai sulfīdus, kas darbojas kā sprieguma koncentratori. Paša materiāla mikrostruktūra ir ļoti svarīgs faktors; nepareiza graudu lieluma vai trausmu fāžu klātbūtne var ievērojami samazināt komponenta izturību un izturību pret nogurumu. Kā detalizēts pētījumā par H13 instrumentu tēraudu, pat karbīdu izdalījumu lielums un to sadalījums tērauda matricā ir būtisks faktors šī materiāla lūzuma izturībai un pretestībai sabrukšanai.

Metodoloģija: Bojājumu analīzes un izmeklēšanas process

Veiksmīga atteices izmeklēšana ir sistēmiska, daudznozaru procesa kombinācija ar novērojumu un modernām analītiskām metodēm. Mērķis ir pāriet no simptoma identificēšanas — plaisas vai lūzuma — uz pamata cēloņa atklāšanu. Process parasti sākas ar rūpīgu vizuālu bojātās sastāvdaļas pārbaudi un visu saistīto ekspluatācijas vēsturi, tostarp darbības slodžu, temperatūru un ražošanas datu savākšanu. Šī sākotnējā novērtēšana palīdz izveidot hipotēzi par atteices režīmu.

Pēc sākotnējās novērtēšanas tiek izmantota virkne nedestruktīvu un destruktīvu testu. Precīzai ģeometriskai analīzei aizvien biežāk tiek izmantotas modernas tehnoloģijas, piemēram, 3D optiskā skenēšana, kas ļauj inženieriem salīdzināt bojāto daļu ar tās oriģinālo CAD modeli, lai identificētu deformācijas vai nodilumu. Tas var atklāt izmēru neprecizitātes vai neparedzētas materiāla zuduma vai pieauguma zonas. Arī sarežģīts galveno elementu modelējums (FEM) ir spēcīgs rīks, kas ļauj veikt virtuālas simulācijas kala izgatavošanas procesam, lai identificētu augsta sprieguma zonas vai paredzētu defektus, piemēram, nepilnīgu piepildījumu, krokas vai gaisa iekļūšanu, neveicot destruktīvu testēšanu.

Izmeklēšanas kodols bieži vien ir metalurgiskā analīze. No bojātās sastāvdaļas, īpaši tuvu lūzuma avotam, tiek izgriezti paraugi un sagatavoti mikroskopiskai pārbaudei. Lūzuma virsmas analīzei (fraktogrāfijai) tiek izmantotas metodes, piemēram, skenējošā elektronu mikroskopija (SEM), kas atklāj raksturīgas pazīmes par bojāšanās mehānismu, piemēram, noguruma svītras, trauslus šķelšanās veidus vai plastiskus bedrītes. Ķīmiskā analīze nodrošina, ka materiāla sastāvs atbilst specifikācijām, savukārt mikrocietspītības testēšana var noteikt virsmas dekarbonizāciju vai nepareizu termoapstrādi. Kā parādīts H13 kalšanas formu analīzē, salīdzinot bojājušos un nebojājušos daļu mikrostruktūru un cietību, tiek iegūti būtiski norādījumi. Beigu beigās mehāniskie testi, piemēram, lūzuma izturības pārbaude, kvantitatīvi nosaka materiāla spēju pretesties plaisu izplatībai, tieši saistot materiāla īpašības ar tā darbību.

Gadījuma izpēte: No automašīnu komponentu plaisām līdz risinājumam

Pārliecinošs piemērs, kā risināt detaļu bojājumus, nāk no automašīnu komponentu piegādātāja, kurš saskaras ar pastāvīgu plaisāšanu mainīgā vārstu fāžu (VVT) plātnēs. Detaļas, kas izgatavotas no AISI 1045 oglekļa tērauda, bieži tika atgrieztas pēc siltumapstrādes trešās puses uzņēmumā, jo tajās konstatēja plaisas. Šis jautājums piespieda uzņēmumu ražot pārāk daudz detaļu, lai izpildītu līgumiskās saistības, kā arī iztērēt ievērojamas resursu summas 100% pārbaudei, kas rezultējās materiālu izšķērdēšanā un augstos izdevumos. Piegādātājs vērsās pie metalurģijas ekspertiem, lai diagnosticētu un novērstu atkārtoto problēmu.

Iz расследojums sākās ar bojāto detaļu forenisko analīzi. Metalurgi konstatēja, ka komponenti bija pārāk trausli. Tuva mikrostruktūras izpēte atklāja, ka detaļas bija karbonitrētas, kas ir virsmas cietināšanas process. Turpmāka izmeklēšana piegādes ķēdē atklāja būtisku informāciju: neapstrādātā tērauda ruļļi tika atkausēti slāpekļa bagātā vidē. Lai gan atkausēšana bija nepieciešama, lai sagatavotu tēraudu precīzai izspiešanai, slāpekļa kombinācija no atkausēšanas vides un alumīnija, ko izmanto kā graudu regulētāju 1045 tēraudā, bija problēmiska. Šī kombinācija veidoja alumīnija nitrīdus detaļas virsmā.

Alumīnija nitrīdu veidošanās radīja ļoti smalku graudu struktūru virspusē, kas traucēja tērauda spējai pienācīgi cietēt pēc tam sekojošajā termoapstrādē. Sākotnējais termoapstrādes veicējs, iespējams, mēģināja pārvarēt šo problēmu, izmantojot agresīvāku oglekļa un slāpekļa piesātināšanas procesu, taču tas vienīgais panākums bija virsmas kārtas trausluma palielināšana, nesasniedzot vēlamo serdes cietību. Sakne iemesls bija būtiska nevienprātība starp materiāla ķīmisko sastāvu un konkrētajiem apstrādes soļiem, kas tika izmantoti visā piegādes ķēdē.

Identificējot pamata cēloni, risinājums bija elegants, taču efektīvs. Tā kā mainīt tērauda lietuves termiskās apstrādes vidi nebija iespējams, komanda ierosināja veikt modificējumu materiālam pašam. Tika ieteikts 1045 tēraudam pievienot nelielu hroma daudzumu. Hroms ir spēcīgs sakausējuma elements, kas ievērojami palielina tērauda cietināmību. Šī pievienošana kompensēja alumīnija nitrīdu izraisīto smalko graudu struktūru, ļaujot VVT plātnēm sasniegt pilnīgu un vienmērīgu cietību standarta cietināšanas procesā, nekļūstot trauslām. Risinājums pierādījās par ļoti veiksmīgu, pilnībā novēršot plaisāšanas problēmu. Šis gadījums uzsvērt nozīmi ražošanas procesa vispārējai analīzei un norāda, kā speciālistu piegādātāju sadarbība var novērst šādas problēmas. Piemēram, uz augstas kvalitātes automašīnu komponentiem specializētām uzņēmumiem, piemēram, pasūtījuma kalšanas pakalpojumi no Shaoyi Metal Technology , bieži uztur vertikāli integrētus procesus un IATF16949 sertifikāciju, lai nodrošinātu materiālu un procesu integritāti no sākuma līdz beigām.

Iemesla analīze: Biežākie vaininieki sadedzinātu komponentu izgāšanās gadījumos

Sadedzinātu komponentu izgāšanās gandrīz vienmēr var attiecināt uz vienu no trim galvenajām jomām: materiāla trūkumiem, procesa radītiem defektiem vai problēmām, kas saistītas ar dizainu un ekspluatācijas apstākļiem. Rūpīgai iemesla analīzei ir nepieciešams pārbaudīt katru no šiem potenciālajiem faktoriem. Konkrētā vaininieka identificēšana ir būtiska, lai īstenotu efektīvas un ilgstošas korektīvās darbības.

Materiāla trūkumi ir iedzimtas tos sakausējuma izejmateriālam, kas izmantots karsēšanai. Šeit ietilpst nepareiza ķīmiskā sastāva, kad sakausējuma elementi atrodas ārpus noteiktā diapazona, vai pārmērīgu piemaisījumu, piemēram, sēra un fosfora, klātbūtne, kas var izraisīt trauslumu. Vēl viens liels risks ir ne-metāliskas iekļaušanas, piemēram, oksīdi un silikāti. Šie mikroskopiskie daļiņas var darboties kā plaisu veidošanās avoti, ievērojami samazinot detaļas izturību un izturību pret nogurumu. Kā norādīts H13 matricu analīzē, tērauda tīrība tieši ietekmē materiāla izturību un izotropiju.

Procesa radīti defekti tie tiek ieviesti ražošanas posmos, tostarp kalšanā un turpmākajā termoapstrādē. Kalšanas laikā nepareiza materiāla plūsma var izraisīt defektus, piemēram, pārklājumus un krokas. Nepareizas kalšanas temperatūras var izraisīt karstas plaisas (ja pārāk karsts) vai virsmas plaisas (ja pārāk auksts). Termoapstrāde ir vēl viens kritiskais posms, kur kļūdas var būt katastrofālas. Nepareiza dzesēšanas ātruma dēļ var rasties deformācijas vai dzesēšanas plaisas, savukārt nepareizas atkaļu temperatūras rezultātā var veidoties trausla mikrostruktūra. Kā parādīja H13 matricas gadījuma izpēte, nedaudz augstāka atkaļu temperatūra ievērojami uzlaboja lūzuma izturību, izvairoties no atkaļota martensīta trausluma diapazona.

Dizains un ekspluatācijas apstākļi attiecas uz to, kā detaļa ir veidota un kā tā tiek izmantota. Konstrukcijas trūkumi, piemēram, asas stūres, nepietiekami zaķīšu rādiusi vai pēkšņas šķērsgriezuma biezuma izmaiņas, rada spriegumu koncentrāciju, kas darbojas kā dabiski sākumpunkti metinājuma plaisām. Turklāt faktiskie ekspluatācijas apstākļi var pārsniegt projektēšanas pieņēmumus. Pārslodze, augsta iedarbība vai korozīvu vides iedarbība var visi novest pie agrīnas izgāšanās. Termoizturība, ko izraisa cikliska uzsildīšana un atdzišana, ir parasta izgāšanās forma kalšanas formām un citām sastāvdaļām, kas tiek izmantotas augstas temperatūras lietojumos.

Lai nodrošinātu skaidru atskaiti, tabulā zemāk apkopoti šie biežie izgāšanās cēloņi:

Bieži uzdotie jautājumi