Výroba a opravy hřídelí, ozubených kol, výkovků a mnoha dalších aplikací těžkých zařízení vyžadují materiály, které odolávají náročným podmínkám. V těchto případech se často používají nízkolegované oceli AISI/SAE 4130 a 4140, protože jejich chemické složení umožňuje tepelné zpracování na vysokou pevnost v tahu a tvrdost. Specifikace ocelí AISI/SAE 4130 a 4140 se týkají pouze rozsahu chemického složení, na rozdíl od rozsahu chemického složení i mechanických vlastností. Jak 4130, tak 4140 obsahují jako primární legující prvky uhlík, chrom (0,80 % až 1,15 %) a molybden (0,15 % až 0,25 %). Mírně se liší obsahem uhlíku: 4130 má nominální obsah uhlíku 0,3 %, zatímco 4140 má nominální obsah uhlíku 0,4 %. Pevnost obou materiálů se může výrazně měnit v závislosti na provedeném tepelném zpracování: žíhání, normalizaci nebo kalení a popouštění. K dodatečnému zpevnění vnější strany těchto materiálů při zachování relativně měkkého vnitřku lze použít kalení plamenem.
Ocel 4130 a 4140 se díky své pevnosti dobře hodí pro součásti, jako jsou ozubená kola, která vyžadují vysokou pevnost a odolnost. Vyšší obsah uhlíku, chromu a molybdenu, díky němuž jsou tyto materiály pevné a vysoce kalitelné, je však také činí náchylnějšími k praskání. Podívejte se na běžné problémy a osvědčené postupy při svařování ocelí 4130 a 4140, a to jak při výrobě nových materiálů, tak při svařování oprav, a na to, jak může správný přídavný kov pomoci zajistit úspěch.
TIPY PRO SVAŘOVÁNÍ OCELÍ 4130 A 4140
Mnoho problémů a osvědčených postupů při svařování ocelí 4130 a 4140 je stejných, ať už se jedná o svařování nového materiálu nebo o opravy. Při svařování nebo opravách ocelí 4130 a 4140 zvažte těchto šest důležitých kroků:
- Identifikujte tepelné zpracování. Nová výroba se obvykle provádí na materiálu v žíhaném nebo normalizovaném stavu. Nedoporučuje se svařovat ocel 4130 nebo 4140 v kaleném a popuštěném stavu nebo zakalenou bez předchozího provedení žíhání nebo normalizace v oblasti, která má být svařena.
- Vyberte přídavný kov. Výběr vhodného přídavného kovu pro oceli 4130 a 4140 závisí na stavu materiálu před svařováním, požadavcích na konstrukci součásti a požadovaném stavu materiálu po svařování. U materiálu ponechaného ve stavu po svařování nebo po svařování bez napětí je běžným určujícím faktorem při výběru přídavného kovu shoda s pevností v tahu základního kovu ve stavu po svařování. Typické je použití nízkolegovaného přídavného kovu, který nemá stejné chemické složení jako základní materiál 4130/4140, ale který přesto poskytuje vhodné mechanické vlastnosti jak pro stav po svařování, tak pro stav po tepelném zpracování (PWHT). Pokud však má být součást během své životnosti mnohokrát opravována – přičemž každá oprava si vyžádá cyklus uvolnění napětí po svařování – zajistěte, aby přídavný kov poskytoval požadované mechanické vlastnosti i po celkové době uvolnění napětí.
Podcenění pevnosti v tahu základního kovu 4130 a 4140 – volba přídavného kovu, který je slabší než základní kov – umožňuje zlepšit tažnost a únavovou životnost svarového kovu, ale nemusí umožnit, aby svar odolal vysokým namáháním požadovaným konstrukcí konkrétní součásti. Překonání pevnosti v tahu svarových spojů 4130 a 4140 – volba přídavného kovu, který je silnější než základní kov – se obvykle nedoporučuje, protože dodatečná pevnost v tahu koreluje se ztrátou tažnosti, která může dále zvýšit náchylnost svarového kovu k trhlinám. Pro svary, které mají být po svařování žíhány nebo normalizovány, lze použít přídavný kov 4130, resp. 4140. Ačkoli přídavné kovy 4130 a 4140 vytvářejí křehký nános po svařování, „resetovaná“ mikrostruktura, kterou poskytuje žíhání nebo normalizace, obnovuje tažnost svarového kovu i tepelně ovlivněného základního kovu.
Svařence, které mají být po svařování ochlazeny a popuštěny, vyžadují použití přídavného kovu 4130 nebo 4140, protože většina nízkolegovaných přídavných kovů s dostatečnou pevností v tahu nemá dostatek uhlíku potřebného k tomu, aby vhodně reagovaly po možnosti ochlazení a popuštění. - Použijte předehřev. Vyšší kalitelnost ocelí 4130 a 4140 zvyšuje snadnost vzniku tvrdé, křehké mikrostruktury v tepelně ovlivněné zóně nebo zředěného svarového kovu po svařování. Předehřev je nezbytný pro dosažení konzistentních a vysoce kvalitních svarů. Stanovení a udržování minimální teploty předehřevu a meziobvodu zpomaluje rychlost ochlazování svaru a základního kovu, aby se zabránilo nebo minimalizovalo vytváření křehké mikrostruktury. Zajistěte správný předehřev použitím dostatečné teploty, obvykle od 550 stupňů F do 800 stupňů F při svařování silných součástí, a ohřevem v celé tloušťce základního materiálu, nikoliv pouze dosažením teploty na povrchu. Použití indukčního ohřevu může pomoci efektivně dosáhnout správného ohřevu v celém dílu. Nezapomeňte také nastavit teplotu předehřevu v dostatečné vzdálenosti od svarového spoje, obvykle minimálně tři palce ve všech směrech. Větším svařovaným dílům může prospět ještě větší oblast předehřevu kolem svarového spoje.
- Proveďte svařování. Podobně jako v případě teploty předehřevu a teploty meziobvodu může příliš nízký příkon tepla urychlit ochlazování svaru do té míry, že se vytvoří křehké mikrostruktury, což poškozuje tažnost a houževnatost. Příkon tepla se zvyšuje zvýšením napětí a proudu a snížením rychlosti pojezdu. Zvažte vliv těchto proměnných při vývoji postupu svařování pro spojování ocelí 4130 a 4140.
- Pomalé ochlazování. Podržení svařence při teplotě předehřevu po určitou dobu po svařování a následné zakrytí svařence keramickou izolací je výhodné, protože umožňuje difúzi vodíku ze svarového kovu a tepelně ovlivněné zóny (HAZ). Doporučuje se doba udržování 30 minut až hodinu na jeden palec tloušťky základního materiálu. Tento proces se neformálně nazývá vypalování vodíku a liší se od uvolňování napětí po svařování.
- Aplikujte tepelné zpracování po svařování. Tepelné zpracování po svařování může pomoci zmírnit napětí vzniklá při svařování, která mohou přispívat ke vzniku trhlin v hotovém svaru. Uvolnění těchto zbytkových napětí může být prospěšné také před obráběním, aby se pomohlo zachovat těsné tolerance. Tenký materiál (o tloušťce menší než 1/8 palce) obvykle nevyžaduje uvolnění napětí, protože praskání představuje menší problém. Silnější materiály se běžně odlehčují od napětí při teplotě 1 050 až 1 250 stupňů F po dobu přibližně jedné hodiny na palec tloušťky základního materiálu. Jak již bylo zmíněno, vždy zvažte dobu a teplotu tepelného zpracování po svařování – ať už PWHT, žíhání, normalizace nebo kalení a popouštění – abyste zajistili, že použitý přídavný kov poskytne nebo zachová odpovídající mechanické vlastnosti.
TIPY NA OPRAVU OCELÍ 4130 A 4140
Oprava oceli 4130 nebo 4140 je často složitější než nová výroba z těchto materiálů, protože opravovaná součást může být opotřebovaná, mastná nebo špinavá. Rovněž může být obtížnější získat informace o předchozím tepelném zpracování materiálu. Vždy vyhledejte informace o původním vybavení, abyste získali vodítko a lépe porozuměli případným tepelným úpravám nebo konstrukčním požadavkům na součást. Před dokončením opravy je obzvláště důležité zjistit, jak byla součást tepelně zpracována – zda je žíhaná, normalizovaná, kalená a popouštěná nebo kalená plamenem. Například součást, která byla kalena a popouštěna, je obvykle méně tvárná a citlivější na trhliny, což značně ztěžuje její opravu. V těchto případech může pomoci lokální žíhání nebo normalizace v okolí svaru před opravou, ale mějte na paměti, že to ovlivňuje pevnost materiálu. Pokud byla tvrdost povrchu hlavním hlediskem, může být zapotřebí použít tvrdokovový výrobek. Pokud je nutné obnovit pevnost základního materiálu, lze jej po opravě znovu upravit tepelným zpracováním.
Vhodná příprava materiálu před opravou také pomáhá zajistit vysokou kvalitu svaru. Svařování přes olej nebo mazivo může přispět ke vzniku pórovitosti ve svarovém kovu a difúzního vodíku v usazenině svaru, což zvyšuje možnost vzniku trhlin vyvolaných vodíkem. Pouhé odstranění viditelného oleje a maziva nemusí být dostačující. Místo toho zvažte odmaštění parou, abyste odstranili nečistoty zachycené hluboko v pórech základního materiálu, které se otevřely vlivem zvýšené teploty. Zde je několik dalších tipů pro dva specifické typy oprav:
- Oprava trhlin: Oprava trhlin je bez ohledu na základní materiál komplikovaná. Opravy často trpí vyšším omezením spár, které vnáší další napětí a zvyšuje riziko vzniku trhlin. Před pokusem o opravu proveďte kontrolu barvivem (PT) nebo magnetickými částicemi (MT), abyste zjistili celý rozsah trhliny. Prasklé místo odstraňte broušením nebo obloukovým drážkováním. Odstraněná oblast by měla tvořit široké písmeno „V“ nebo „U“, aby se zabránilo vzniku trhlin z nedostatečného natavení nebo tuhnutí během svařování. Při provádění obloukového drážkování používejte předehřev ze stejných důvodů jako při svařování. Chcete-li minimalizovat riziko dalšího šíření existující trhliny během opravy, vyvrtejte oba konce trhliny. Před svařováním se ujistěte, že trhlina byla zcela odstraněna, opět pomocí PT nebo MT. Po této rozsáhlé přípravě lze konečně zahájit svařování.
- Sestavení a překrytí: Tento typ opravy se týká obnovení původních rozměrů součástí a v případě překrytí nanesení nánosu, který zajistí tvrdost srovnatelnou s tvrdostí, jíž lze dosáhnout kalením a popouštěním nebo kalením. Pro úspěšné provedení těchto oprav je třeba zvážit použití plnivých kovů build-up a overlay. Výrobky pro překrytí bývají tvrdší než výrobky pro zabudování, ale často mají omezení tloušťky, zatímco výrobky pro zabudování obvykle ne. To znamená, že při použití překryvných výrobků nad určitý počet vrstev nemá svarový nános dobrou tažnost a může být citlivý na praskliny nebo se jednoduše odštěpit od základního kovu. Výrobky Build-up se používají k obnovení rozměrů výrobku, pokud tloušťka, kterou je třeba obnovit, přesahuje tloušťku povolenou pro překryvný výrobek.
ZÁVĚREČNÉ ÚVAHY
Vzhledem k vysoké kalitelnosti ocelí 4130 a 4140 je pro dosažení nejlepších výsledků rozhodující výběr přídavného kovu, kontrola vodíku a rychlost chlazení. Pro zajištění úspěchu při svařování těžkých zařízení:
- Před svařováním ověřte všechny konstrukční požadavky a tepelné zpracování základního materiálu.
- Vyberte přídavný kov, který poskytuje dostatečné mechanické vlastnosti pro díly ponechané ve stavu po svařování nebo po uvolnění napětí.
- Vyberte přídavný kov, který odpovídá chemickému složení základního kovu pro součásti, které mají být po svařování žíhány, normalizovány nebo kaleny a popouštěny.
- Vyberte minimální tepelný příkon a teplotu předehřevu/průvaru, abyste pomohli zpomalit rychlost chladnutí svaru.
.