Methoden voor metallografische analyses en stroomlijnen van waarnemingen en metingen
De concurrentie in de automobielindustrie wat betreft het gebruik van materialen om het gewicht te verminderen en tegelijkertijd de stijfheid te verbeteren, is de laatste tijd enorm toegenomen. Door de toepassing van hoogwaardigere materialen eisen deze bedrijven nu nauwkeurigheid, gemak en snelheid bij de waarneming en meting van metaalstructuren, bewerkingen die onmisbaar zijn voor de keuzen en het gebruik van optimale, metaalhoudende materialen.
In dit gedeelte worden de basiskennis over en problemen met metallografische analyses beschreven en wordt afgesloten met de nieuwste voorbeelden van het gebruik van de 4K digitale microscoop KEYENCE.
- Metaalhoudende materialen en de noodzaak van metallografische analyses
- Metaalstructuren en veranderingen ten gevolge van temperatuur
- Methoden voor metallografische analyses met microscopen
- Nieuwste voorbeelden van metallografische analyses
- Metallografische analyses aan de hand van ultra-high-definition 4K-beelden
- Zeer gedetailleerd waarnemen van contrast dankzij de 4K HDR functie
- Beelden van grote gebieden vastgelegd door middel van het zeer snel koppelen van beelden
- Meting van metaalstructuren met één muisklik
- Waarnemen van sferoïdisatie van grafiet en meten van gebiedsverhoudingen
- Metallografische analyses vereiste door toonaangevende industrieën
Metaalhoudende materialen en de noodzaak van metallografische analyses
Metaalhoudende materialen worden voor velerlei doeleinden gebruikt, van de auto-, luchtvaart- en ruimtevaartindustrie tot infrastructuurvoorzieningen, elektrische toestellen en elektronische apparaten. Verschillende metalen en legeringen worden geselecteerd en gebruikt al naargelang de toepassing ervan. Maar zelfs bij exact dezelfde metaalhoudende en van legering gemaakte bestanddelen verschillen afhankelijk van de metaalstructuur de mechanische eigenschappen, zoals duurzaamheid en verwerkbaarheid. Met metallografische analyses kunnen de eigenschappen van metaalhoudende materialen en de veranderingen ervan door verwerking, warmtebehandeling en andere factoren worden geëvalueerd en beoordeeld, waardoor de geschikte materialen kunnen worden geselecteerd en gebruikt.
In de auto-industrie en andere branches waar een breuk in metaalhoudende materialen de veiligheid van het product en van mensen in gevaar kan brengen, is het waarnemen van de metaalstructuur bijzonder belangrijk voor het evalueren en beoordelen van de mechanische eigenschappen van die materialen; evaluatie na oppervlakte- en warmtebehandeling; en foutenanalyse zoals van gebreken door bijvoorbeeld scheuren en belletjes in het metaal.
Mechanische eigenschappen en metaalhoudende materialen
Mechanische eigenschappen in termen van metaalhoudende materialen verwijzen naar dynamische eigenschappen zoals sterkte, stijfheid, taaiheid, materiaalmoeheid en slijtvastheid. De mechanische eigenschappen en metaalhoudende materialen veranderen als de metaalstructuren ervan veranderden door warmtebehandeling, zelfs als de materialen en onderdelen in dezelfde verhouding bestaan (de structuur is hetzelfde). Naast de duurzaamheid van materialen zijn deze eigenschappen nauw verbonden met de efficiëntie van mechanische verwerkingen, zoals snijden en kunststofbewerking, en met de karakteristieke veranderingen bij warmtebehandeling.
Metaalstructuren en veranderingen ten gevolge van temperatuur
Metaalstructuren bestaan doorgaans uit kristalstructuren waarin de atomen regelmatig zijn gerangschikt, maar dat is niet altijd bij alle atomen zo. Kristalstructuren waarin veel korrels regelmatig zijn gerangschikt, worden polykristalstructuren genoemd, en de grenzen tussen korrels in een gebied waar atomen onregelmatig zijn gerangschikt, worden korrelgrenzen genoemd.
- Links: polykristallijn metaal dat uit grote aantallen korrels bestaat
- Rechts: grens tussen korrels
In de kristalstructuren van deze metalen veranderen de patronen van korrelgrenzen als gevolg van warmtebehandelingen en andere toepassingen met hitte. Door een warmtebehandeling van dezelfde metaalhoudende materialen kunnen er verschillende veranderingen optreden, waarvan u de mechanische eigenschappen na een warmtebehandeling kunt waarnemen aan de hand van de veranderingen in de vorm, de grootte en de verdeling van de metaalstructuurkorrels.
Als voorbeeld worden hieronder structuurveranderingen in roestvrij staal (SUS-materiaal) ten gevolge van warmtebehandeling beschreven.
- Austeniet (SUS304)
- Hoewel deze structuur niet voorkomt op kamertemperatuur, wordt de structuur voor legeringen van Fe en C stabiel bij een temperatuur van minimaal 723°C. Het toevoegen van legeringselementen (Ni en Mn) die de afschrikbaarheid verbeteren, resulteert eveneens in een stabiele structuur. De austenietstructuur die in het staal na het afschrikken onveranderd blijft, wordt rest-austeniet genoemd.
- Martensiet (SUS410)
- Een harde maar breekbare structuur die wordt gevormd door een snelle afkoeling van de austenietstructuur. Door het uitgloeien van martensiet op 100 tot 200°C wordt Fe3C afgezet, waardoor deze structuur enigszins harder wordt, maar gemakkelijker corrodeert. Het martensiet in deze toestand wordt gegloeid martensiet genoemd om het te onderscheiden van het afgeschrokken martensiet.
- Ferriet (SUS430)
- Een structuur die lijkt op zuiver ijzer en tot 0,02% C in Fe bevat. Ferriet is structuur van een ferromagneet bij kamertemperatuur tot 780°C en is buigzaam en de zachtste van de ijzer- en staalstructuren.
De structuur die wordt verkregen door het langzaam afkoelen van staal in een austeniettoestand, wordt perliet genoemd. De tussenruimte tussen de laagjes verschilt al naargelang de koelsnelheid. Het wordt perliet genoemd omdat uiterst dunne afwisselende laagjes ferriet en Fe3C het metaal een parelmoerachtige kleur geven.
Methoden voor metallografische analyses met microscopen
Het metallografische analyseproces van het maken van een monster tot aan het waarnemen van dat monster met een gewone microscoop wordt hieronder beschreven.
1. Inbedding (vullen met hars)
Hard het uitgesneden monster uit met hars. Er zijn verschillende soorten uithardende harsen. Een veel gebruikte soort hars is een ééncomponent, met zichtbaar licht uithardende hars die zeer transparant is en snel uithardt. Doe het monster in een cilindervormige koker en giet er langzaam uithardende hars in. Zorg er daarbij voor dat er geen belletjes in de hars zitten.
2. Polijsten
Schuur het monster ruw op met waterproof schuurpapier en polijst het monster vervolgens zeer nauwkeurig met een polijstmachine. Gebruik SiC-schuurpapier met een korrelgrootte van 80 tot 2400 (van de ruwste tot de fijnste) en polijst nat. Bij zeer nauwkeurig polijsten wordt het monster spiegelglad gemaakt met behulp van synthetische zijde dat wordt bespoten met diamantkorrels van 9 tot 0,25 micrometer, schuurmiddel, smeermiddel en alkalische suspensie, waarna het oppervlak met stromend water wordt afgespoeld.
3. Etsen (corrosie)
Dompel het gepolijste oppervlak van het monster in een etsoplossing (corrosievloeistof) die geschikt is voor het monster. Spoel de corrosievloeistof af met water, dompel het monster onder in ethylalcohol of iets dergelijks en droog het monster vervolgens goed af.
4. Waarnemen van een structuur met een microscoop
Bekijk na het polijsten van het monster het gepolijste oppervlak van dat monster met een microscoop. Vergroot de structuur en stel goed scherp om de veranderingen in de structuur door een warmtebehandeling goed te kunnen waarnemen. Gedetailleerde metingen, zoals metingen van ingesloten niet-metalen deeltjes, sferoïdisatie van grafiet en de verhouding ferriet/perliet, kunnen pas worden uitgevoerd na installatie van de specifieke software.
Nieuwste voorbeelden van metallografische analyses
De digitale microscopen van KEYENCE bieden de nieuwste oplossingen.
Met de ultra-high-definition 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks van KEYENCE kunnen diverse taken aanzienlijk efficiënter worden uitgevoerd en kunnen metaalstructuren met behulp van high-definition beelden veel gedetailleerder worden waargenomen en geëvalueerd.
Metallografische analyses aan de hand van ultra-high-definition 4K-beelden
Een veelvoorkomend probleem bij het maken van monsters, is de tijd die daaraan moet worden besteed. Als het waarnemingsoppervlak van een ingebed (met hars gevuld) monster niet vlak is, zorgt zelfs het geringste hoogteverschil ertoe dat het beeld bij een sterk vergrote waarneming niet haarscherp kan worden bekeken, vandaar dat een zeer precieze afstelling noodzakelijk is.
Met de real-time compositie-interface van de 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks is snelle dieptecompositie eenvoudig en zonder te hoeven scherp te stellen mogelijk. Op die manier kunt u een volledige metalen structuur in beeld brengen, zelfs als het ingebedde (met hars gevulde) waar te nemen oppervlak niet vlak is, zodat u heel gemakkelijk met behulp van ultra-high-definition 4K-beelden de structuur duidelijk kunt waarnemen.
Zeer gedetailleerd waarnemen van contrast dankzij de 4K HDR functie
De 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks heeft een HDR-functie (High Dynamic Range) waarmee meerdere beelden met een hoge kleurengradatie bij verschillende sluitersnelheden kunnen worden gemaakt. Met deze microscoop kunnen gedetailleerde structuren worden waargenomen met zeer gedetailleerde beelden met een hoog contrast.
Beelden van grote gebieden vastgelegd door middel van het zeer snel koppelen van beelden
Met de functie voor beeldkoppeling van de VHX-reeks kunnen met één druk op de knop voor beeldkoppeling snel beeldgegevens uit verschillende zichtvelden en zonder foutieve uitlijning aan elkaar worden gekoppeld, waarmee u een beeld krijgt van wel 50.000 × 50.000 pixels. Met ongewijzigde vergroting en resolutie kan dit beeld worden gebruikt als perspectief vanuit vogelvlucht om efficiënt te kunnen waarnemen.
Meting van metaalstructuren met één muisklik
De 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks heeft een functie voor het automatisch meten van gebieden. Met een eenvoudige muisbediening kunt u met dit ene apparaat een gehele reeks taken uitvoeren, van een vergrote waarneming van metaalstructuren tot een kwantitatieve evaluatie van gebiedsverhoudingen tot automatische metingen en het genereren van rapporten.
Waarnemen van sferoïdisatie van grafiet en meten van gebiedsverhoudingen
De 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks heeft een functie voor het automatisch meten/tellen van gebieden. Middels een eenvoudige bediening kan met deze functie een gebiedsverhouding binnen een opgegeven bereik worden gemeten en geteld. Doelen die niet vereist zijn, kunnen worden uitgesloten en overlappende doelen kunnen van elkaar worden gescheiden. Zo kunt u op hetzelfde moment waarop u waarneemt met een microscoop, geavanceerde meetwaarden in een tabel of grafiek bekijken.
Metallografische analyses vereiste door toonaangevende industrieën
Met de autofabrikanten als voortrekkers heeft elk bedrijf hard gewerkt om zijn positie als toonaangevend bedrijf te behouden op het gebied van nieuwe materialen en verwerkingstechnologieën om het brandstofverbruik te verlagen door gewichtsvermindering en om de stijfheid te verbeteren.
Met de high-definition 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks kunt u voor metallurgische analyses waarnemen met hoge resolutie en meten.
De VHX-reeks die is uitgerust met een groot aantal andere geavanceerde functies, kan een krachtig hulpmiddel zijn voor industrieën die snel en nauwkeurig materialen moeten kiezen.
Klik voor meer informatie over de VHX-reeks op de onderstaande knop om te catalogus te downloaden. Klik voor vragen op de andere onderstaande knop of neem contact op met KEYENCE.
