Hardheidstesten in Gietereien: Niet-Destructieve Kwaliteitsborging

Een kritieke stap in het kwalificeren van metalen onderdelen met een niet-destructieve benadering

Hardheidstesten is een kwaliteitstest gebruikt in gietereien om de eigenschappen van gegoten metalen en hun geschiktheid voor verschillende toepassingen te meten. De populariteit is te danken aan de niet-destructieve aard van de test, en de relatie met andere mechanische eigenschappen. Gietereien leiden de trekkracht van een materiaal af op basis van het hardheidstestresultaat.

Eigenschappen van gegoten metalen variëren volgens de samenstelling van het metaal, procescondities, en warmtebehandeling. Het is belangrijk om gegoten metalen producten te certificeren als geschikt voor de gewenste eindtoepassing. Vier hoofdcategorieën van eigenschappen zijn belangrijk voor gegoten metaalgebruikers:

• Sterkte
• Impact
• Hardheid
• Corrosieweerstand

Gietereien gieten soms een testcoupon naast het productgietstuk. Kwaliteitstestresultaten van de testcoupon worden verondersteld ook geldig te zijn voor het gegoten product. Sommige tests – zoals trekkracht en impact – vernietigen het teststuk in het proces. Echter, niet-destructieve tests (NDT) vernietigen het metalen monster niet om een resultaat te verkrijgen. Het voordeel van NDT is dat tests uitgevoerd kunnen worden op het gegoten metaalproduct zelf, in tegenstelling tot een teststuk.

Voordelen van hardheidstesten:

• Mogelijkheid om de warmtebehandeling van een onderdeel in warmtebehandelingsoperaties en case diepte analyse te verifiëren
• Mogelijkheid om te bepalen of een materiaal de nodige eigenschappen heeft voor het beoogde gebruik
• Niet-destructieve testalternatief voor effectief kwalificeren en vrijgeven van materiaal of componenten voor doeltoepassingen
• Lage kosten en snelle uitvoering

Wat is een Hardheidstest?

De term hardheid impliceert typisch een weerstand tegen vervorming. Voor metalen is de eigenschap een maatstaf voor hun weerstand tegen permanente, of plastische, vervorming. Verschillende tests bestaan voor het meten van de hardheid van metalen en gegoten metalen.

Brinell Hardheidstest

De Brinell hardheidstest gebruikt methode ASTM E10 – Standaard Testmethode voor Brinell Hardheid van Metallische Materialen. De American Society for Testing and Measurement (ASTM) is de bewindhebber van deze standaard. Het is een macro-indentatie test waarbij een hoge belasting gebruikt wordt om de meting te verkrijgen. Gegoten metalen vereisen macro-hardheidstesten vanwege de grove korrelstructuur en de potentie voor inhomogeen materiaal.

Om een Brinell hardheidsgetal (BHN) te verkrijgen, drukt een hardmetaalbal van vaste diameter in het metaal bij een vaste druk voor een ingestelde tijd. Bij verwijdering van de belasting, meet de operator de diameter van de achtergebleven indentatie en converteert het naar het BHN met de volgende formule:

\(BHN={2PoverπD(D-sqrt{D^2-d^2 })}\)

P = toegepaste kracht (kgf)
D = diameter van de indenter (mm)
d = diameter van de indentatie (mm)

In de Verenigde Staten zijn testbelastingen voor staal en ijzer typisch ingesteld op een maximum van 3000 kgf met een 10 mm bal. Aluminium gebruikt een lagere testbelasting van 500 kgf, en soms een kleinere indenter van 5 mm. Een typisch BHN bereik ligt tussen 50-750 voor metalen. De Engineering Toolbox Brinell Hardheidstabel hieronder geeft een paar voorbeelden van BHN:

Voorbereiding van het metalen oppervlak voor Brinell hardheidstesten is zeer belangrijk. Een getand oppervlak of andere imperfecties zullen het resultaat beïnvloeden. Het is raadzaam het metalen oppervlak te slijpen ter voorbereiding op de test om variabiliteit in de resultaten te minimaliseren.

De oorsprong van de Brinell hardheidstest strekt zich uit tot 1900. In de vroege jaren van de test, werden de resultaten sterk beïnvloed door het perspectief van de operator. Verschillende operators zouden verschillende resultaten opleveren wat leidde tot hoge variabiliteit in meting. Echter, met de invoering van elektronische meetapparatuur, is het consistentieniveau aanzienlijk verbeterd.

Rockwell Hardheidstest

De Rockwell hardheidstest gebruikt methode ASTM E18 – Standaard Testmethoden voor Rockwell Hardheid van Metallische Materialen. De Rockwell test heeft twee stadia. De apparatuur past een voorlopige testkracht toe op het monster met een diamant of bal indenter. Het doel van dit stadium is om door het oppervlak van het metaal te breken en het effect van de oppervlakteafwerking op het eindresultaat te reduceren. De operator meet een basis indentatiediepte op dit punt. Na het vasthouden van de voorbelasting voor een ingestelde tijd, wordt een hoofdlast toegepast. Opnieuw wordt de kracht voor een vooraf ingestelde tijd vastgehouden, voordat het terug wordt gereduceerd naar de voorbelasting. Zodra de tijd verstreken is, neemt de operator een dieptemeting van de indentatie. Het Rockwell hardheidsgetal is gebaseerd op het verschil tussen de basis- en einddieptemetingen.

Het is belangrijk voor de nauwkeurigheid van de Rockwell test dat de testas binnen twee graden loodrecht is. Een Rockwell hardheidsschaal gaat de test vergezellen.

\(RHN={N-(h/ S ) }\)

N = constante
S = schaaleenheid
h = indentatiediepte

Leeb Terugkaats Hardheidstest

De Leeb test gebruikt ASTM A956 – Standaard Testmethode voor Leeb Hardheidstesten van Staalproducten. De Leeb test is een maatstaf voor de terugkaatsing van een object van het testmonster. De hardheid van metalen beïnvloedt de terugkaatsenergie – harder materialen produceren een grotere terugkaatsing, zachtere materialen dempen de terugkaatsenergie. De snelheid van het object, voor en na het raken van het monster, vormt de basis voor de terugkaatswaarde. Leeb testapparatuur bevat een spoel, die de geïnduceerde spanning van de magnetische bal meet die gebruikt wordt voor de terugkaatstest. Deze geïnduceerde spanning is direct gerelateerd aan de snelheid van de bal die door de spoel van de testapparatuur beweegt. De Leeb hardheidswaarde wordt berekend met de volgende formule:

\(LHN={Rebound ;Velocity over Impact;Velocity}x1000\)

Voordelen van de Leeb methode zijn het feit dat de indentatie die op het testmonster achterblijft veel kleiner is dan met andere methoden. Het is ook draagbaar, makkelijker te gebruiken, en sneller dan de Brinell en Rockwell hardheidstesters. Een nadeel is dat het variabele resultaten kan opleveren waar het monsteroppervlak oneffen is. De dikte van het monster, en koolstofgehalte, kunnen het resultaat ook beïnvloeden.

Hardheidsgetal Conversie

ASTM E140-12be1 geeft standaard hardheidsconversietabellen voor metalen om van de ene hardheidstestmethode naar de andere te converteren. Het is belangrijk om te noteren dat deze conversies benaderend zijn en afhangen van factoren zoals materiauxsamenstelling, microstructuur, en warmtebehandeling. Hoewel de tabellen gebaseerd zijn op grote aantallen testen over de verschillende methoden, kan een conversieresultaat alleen beschouwd worden als een schatting van vergelijkbare waarden.

Hardheidsgetal en Warmtebehandeling

Gegoten metalen worden warmtebehandeld om hun eigenschappen te manipuleren. Warmtebehandeling omvat het verhogen van de temperatuur van het materiaal tot een vooraf bepaalde waarde. Vervolgens wordt het gekoeld met een specifieke snelheid afhankelijk van de gewenste eigenschappen van het product. De eindtemperatuur van de verhittingscyclus en de afkoelsnelheid hebben een direct impact op de microstructuur van het metaal.

Fijn perliet en ferriet microstructuren veroorzaakt door een snellere afkoelsnelheid hebben een hogere hardheidswaarde. Als het metaal geanimeerd wordt, resulteert de snelle afkoeling in een martensiet microstructuur, wat de grootste hardheid van alle heeft. Vanwege de directe relatie tussen microstructuur en hardheid, is de hardheidstest een snelle indicator of de warmtebehandeling succesvol is geweest of niet.

Hardheidsgetal en Gegoten Metaal Eigenschappen

Tabellen tonen hoe trekkracht correleert met hardheid voor specifieke materialen. Dit is een nuttige correlatie omdat het meten van trekkracht een destructief proces is, terwijl hardheidstesten niet-destructief zijn. Er zijn echter beperkingen voor de conversie van hardheid naar trekkracht en deze tabellen zijn slechts benaderingen.

De relatie tussen Brinell hardheidsgetal en trekkracht:

\(TS(MPa)=begin{cases}3.55 \cdot HB(HB \le 175 )[2ex]3.38 \cdot HB(HB>175 )end{cases}\)

\(TS(psi)=begin{cases}515 \cdot HB(HB \le 175 )[2ex]490 \cdot HB(HB>175 )end{cases}\)

HB = Brinell hardheid van materiaal (gemeten met een standaard indenter en een 3000kgf belasting)

Gegoten Producten en Kwalificering

Veel factoren beïnvloeden de kwalificering van gegoten staal. Samenstelling van het product, chemische en mechanische eigenschappen, en warmtebehandelingsprocessen spelen allemaal een rol in de certificering van elk gegoten product tegen de toepasselijke ASTM standaard.

ASTM stelt standaardspecificaties voor verschillende graden metaalproducten. Het is belangrijk om deze graden en hun eigenschappen te begrijpen om de juiste graad voor elke toepassing te selecteren. ASTM A27 is een standaard die koolstofstaal gietstukken voor algemene toepassingen dekt.

Hardheidstesten in Gietereien

De ontwikkeling van de hardheidstest heeft het voor metaalgietereien gemakkelijker gemaakt om de eigenschappen van hun producten te schatten op basis van één eenvoudige test. Het is niet-destructief, wat betekent dat het uitgevoerd kan worden op afgeronde producten zonder schade te veroorzaken. Het is een snel proces, wat gieteries snelle feedback geeft over de producten verlaten de productielijn. De correlatie tussen hardheidsgetal en trekkracht is een nuttige gids om een initiële beoordeling van productgraad te maken. Gietereien voltooien een volledige set certificeringstesten voordat ze producten aan klanten vrijgeven.

Hardheidstesten helpt gieteries ook hun warmtebehandelingsprocessen te controleren. De resultaten tonen of de microstructuur van het materiaal veranderd is zoals verwacht. Hardheidstesten is een kritisch onderdeel van kwaliteitscontrole en procesafstelling voor metaalgietereien.