Fremstilling og reparation af aksler, tandhjul, smedegods og mange andre tunge udstyrsapplikationer kræver materialer, der kan modstå hårde og krævende forhold. I disse tilfælde anvendes ofte AISI/SAE 4130 og 4140 lavlegerede ståltyper, fordi deres kemiske sammensætning gør det muligt at varmebehandle dem til høj trækstyrke og hårdhed. Specifikationerne for AISI/SAE 4130 og 4140 henviser kun til et område med kemisk sammensætning i modsætning til både et område med kemisk sammensætning og et område med mekaniske egenskaber. Både 4130 og 4140 har kulstof, krom (0,80 % til 1,15 %) og molybdæn (0,15 % til 0,25 %) som primære legeringselementer. De adskiller sig en smule i deres kulstofindhold: 4130 har et nominelt kulstofindhold på 0,3 %, mens 4140 har et nominelt kulstofindhold på 0,4 %. Styrken af begge materialer kan ændre sig meget afhængigt af den termiske behandling, der er udført: udglødning, normalisering eller hærdning og anløbning. Flammehærdning kan bruges til yderligere at hærde ydersiden af disse materialer, mens indersiden forbliver relativt blød.
Deres styrke gør 4130- og 4140-stål velegnede til komponenter såsom tandhjul, der kræver høj styrke og holdbarhed. Det højere kulstof-, krom- og molybdænindhold, der gør disse materialer stærke og meget hærdbare, gør dem imidlertid også mere modtagelige for revner. Se de fælles udfordringer og bedste praksis for svejsning af 4130- og 4140-stål, både ved nyfremstilling og reparationssvejsning, og hvordan det rigtige tilsatsmetal kan være med til at sikre succes.
TIPS TIL SVEJSNING AF 4130- OG 4140-stål
Mange af udfordringerne og den bedste praksis for svejsning af 4130- og 4140-stål er de samme, uanset om der er tale om svejsning af nyt materiale eller reparation. Overvej disse seks vigtige trin, når du svejser eller reparerer 4130 og 4140:
- Identificer termisk behandling. Ny fremstilling udføres typisk på materiale i udglødet eller normaliseret tilstand. Det anbefales ikke at svejse 4130- eller 4140-stål i den hærdede tilstand uden først at foretage udglødning eller normalisering i det område, der skal svejses.
- Vælg et tilsatsmetal. Valg af det rette tilsatsmetal til 4130- og 4140-stål afhænger af materialets tilstand før svejsning, kravene til komponentens konstruktion og den ønskede tilstand af materialet efter svejsning. For materiale, der er efterladt i svejset eller efter svejsning i spændingsaflastet tilstand, er det en almindelig afgørende faktor ved valg af tilsatsmetal at matche trækstyrken af grundmetallet som leveret. Det er typisk at anvende et lavlegeret fyldningsmetal, som ikke har samme kemiske sammensætning som 4130/4140-basismaterialet, men som stadig giver passende mekaniske egenskaber for både svejset og efter svejsning varmebehandlet (PWHT). Hvis en komponent imidlertid skal repareres adskillige gange i løbet af sin levetid – hvor hver reparation kræver en efter-svejseaflastningscyklus – skal det sikres, at tilsatsmetallet fortsat vil give de ønskede mekaniske egenskaber efter den samlede aflastningstid.
Undermatchning af trækstyrken i 4130- og 4140-basismetallet – valg af et tilsatsmetal, der er svagere end basismetallet – giver mulighed for at forbedre svejsemetallets duktilitet og udmattelseslevetid, men gør det måske ikke muligt for svejsningen at modstå de høje spændinger, der kræves i en bestemt komponents design. Overmatching af trækstyrken i 4130- og 4140-svejsninger – valg af et tilsat metal, der er stærkere end grundmetallet – anbefales typisk ikke, da den ekstra trækstyrke korrelerer med et tab af duktilitet, der kan øge svejsemetallets modtagelighed for revner yderligere. Svejsninger, der skal udglødes eller normaliseres efter svejsning, kan med fordel anvendes med henholdsvis et 4130- eller 4140-fyldstofmetal. Selv om 4130- og 4140-fyldmetaller giver et sprødt svejset materiale, genopretter den “nulstillede” mikrostruktur, der opnås ved udglødning eller normalisering, duktiliteten i både svejsemetallet og det varmeksponerede grundmetal.
Svejsninger, der skal nedkøles og hærdes efter svejsning, kræver brug af et 4130- eller 4140-fyldmetal, da de fleste lavlegerede fyldmetaller med tilstrækkelig trækstyrke mangler det kulstof, der kræves for at reagere hensigtsmæssigt efter en mulighed for nedkøling og hærdning. - Påfør forvarmning. Den højere hærdbarhed for 4130- og 4140-stål øger den lethed, hvormed der dannes en hård, sprød mikrostruktur i den varmepåvirkede zone eller det fortyndede svejsemetal efter svejsning. Forvarmning er nødvendig for at opnå konsistente svejsninger af høj kvalitet. Etablering og opretholdelse af en minimumstemperatur for forvarmning og interpass-temperatur bremser afkølingshastigheden af svejsningen og grundmetallet for at forhindre eller minimere dannelsen af sprøde mikrostrukturer. Sørg for korrekt forvarmning ved at anvende tilstrækkelige temperaturer, typisk fra 550 grader F til 800 grader F ved svejsning af tykke komponenter, og opvarm gennem hele tykkelsen af grundmaterialet i stedet for kun at opnå temperatur på overfladen. Ved at anvende induktionsopvarmning kan man effektivt opnå korrekt opvarmning i hele emnet. Sørg også for at etablere forvarmetemperaturen i tilstrækkelig afstand fra svejsesamlingen, typisk mindst fem centimeter i alle retninger. Større svejsedele kan have gavn af et endnu større forvarmeområde omkring svejsestedet.
- Udfør svejsning. I lighed med forvarmnings- og interpass-temperaturen kan en for lav varmetilførsel accelerere svejsningens afkølingshastighed til et punkt, hvor der dannes sprøde mikrostrukturer, hvilket skader duktilitet og sejhed. Varmetilførslen øges ved at øge spænding og strømstyrke og reducere kørehastigheden. Overvej virkningerne af disse variabler, når du udvikler en svejseprocedure til sammenføjning af 4130- og 4140-stål.
- Langsom afkøling. Det er gavnligt at holde svejsningen ved forvarmetemperaturen i et stykke tid efter svejsningen og derefter dække svejsningen med keramisk isolering, fordi dette giver mulighed for diffusion af hydrogen fra svejsemetallet og den varmepåvirkede zone (HAZ). Det anbefales at holde en tid på 30 minutter til en time pr. en tomme af grundmaterialets tykkelse. Denne proces er uformelt kendt som hydrogen bake-out, og den er forskellig fra spændingsaflastning efter svejsning.
- Anvend termisk behandling efter svejsning. Varmebehandling efter svejsning kan hjælpe med at afhjælpe spændinger, der er skabt ved svejsning, og som kan bidrage til revner i den færdige svejsning. Afgivelse af disse restspændinger kan også være gavnlig før bearbejdning for at hjælpe med at opretholde stramme tolerancer. Tyndt materiale (mindre end 1/8 tomme tykkelse) kræver typisk ikke aflastning af spændinger, fordi revner er mindre problematiske. Tykkere materialer spændingsaflastes normalt ved 1.050 til 1.250 grader F i ca. en time pr. tomme af grundmaterialets tykkelse. Som tidligere nævnt skal man altid overveje tidspunkterne og temperaturen for en termisk behandling efter svejsning – uanset om det er PWHT, udglødning, normalisering eller hærdning – for at sikre, at det tilsatsmetal, der skal anvendes, vil give eller bevare tilstrækkelige mekaniske egenskaber.
TIPS FOR REPARATION AF 4130 OG 4140 STÅL
Reparation af 4130 eller 4140 stål er ofte mere kompliceret end nyfremstilling med materialerne, da den komponent, der repareres, kan være slidt, fedtet eller snavset. Det kan også være vanskeligere at indsamle oplysninger om materialets tidligere termiske behandling. Konsulter altid de originale udstyrsoplysninger for at få vejledning og for at få en bedre forståelse af eventuelle termiske behandlinger eller designkrav til komponenten. Det er især vigtigt at identificere, hvordan delen blev varmebehandlet – om den er udglødet, normaliseret, hærdet eller flammehærdet – før en reparation gennemføres. En del, der er blevet hærdet og anløbet, er f.eks. typisk mindre duktil og mere følsom over for revner, hvilket gør den meget vanskeligere at reparere. I disse tilfælde kan en lokal udglødning eller normalisering omkring svejsningen før reparation hjælpe, men vær opmærksom på, at dette påvirker materialets styrke. Et hardfacingprodukt kan være nødvendigt, hvis overfladehårdhed var et primært hensyn. Hvis det er nødvendigt at genoprette grundmaterialets styrke, kan det konditioneres igen ved hjælp af varmebehandling efter reparationen.
Den korrekte forberedelse af materialet før reparationen er også med til at sikre en høj svejsekvalitet. Svejsning over olie eller fedt kan bidrage til porøsitet i svejsemetallet og diffunderbar hydrogen i svejseaflejringen, hvilket øger potentialet for hydrogeninduceret revnering. Det er muligvis ikke tilstrækkeligt blot at fjerne synlig olie og fedt. I stedet bør man overveje dampaffedtning for at fjerne forurenende stoffer, der er fanget dybt inde i grundmaterialets porer, som er åbnet af de høje temperaturer. Her er nogle yderligere tips til to specifikke reparationstyper:
- Reparation af revner: Reparation af revner er kompliceret, uanset hvilket grundmateriale der er tale om. Reparationer lider ofte under en højere ledfastholdelse, der introducerer yderligere stress og øger risikoen for revner. Før du forsøger at foretage reparationer, skal du udføre en farvepenetrerende (PT) eller magnetisk partikelinspektion (MT) for at identificere revnenes fulde omfang. Fjern det revnede område ved hjælp af slibning eller en buefræsningsproces. Det fjernede område skal danne et bredt “V” eller “U” for at hjælpe med at forhindre, at der opstår revner ved manglende fusion eller størkning under svejsning. Brug forvarmning ved udførelse af enhver lysbuegueringsproces af de samme grunde, som der bruges forvarmning under svejsning. For at minimere risikoen for, at en eksisterende revne fortsætter med at sprede sig under en reparation, skal der bores i begge ender af revnen. Før svejsning skal det sikres, at revnen er blevet fjernet fuldstændigt, igen med enten PT eller MT. Efter denne omfattende forberedelse kan svejsningen endelig begynde.
- Opbygning og overlejring: Ved denne type reparation forstås genoprettelse af komponenter til deres oprindelige dimensioner og, i tilfælde af overlay, påføring af en belægning, der giver en hårdhed, der kan sammenlignes med den hårdhed, der kan opnås ved hærdning eller udhærdning. For at gennemføre disse reparationer med succes bør man overveje opbygnings- og overlay-fyldmetaller. Overlay-produkter har tendens til at være hårdere end build-up-produkter, men har ofte tykkelsesbegrænsninger, mens build-up-produkter typisk ikke har det. Det betyder, at når der anvendes overlay-produkter ud over et vist antal lag, har svejseaflejringen ikke god duktilitet og kan være følsom over for revner eller simpelthen splintre fra grundmetallet. Build-up-produkter anvendes til at genoprette et produkt til dimension, når den tykkelse, der skal genoprettes, overstiger den tykkelse, der er tilladt for et overlay-produkt.
SLUTTENDE TANKER
På grund af den høje hærdbarhed i 4130- og 4140-stål er valg af tilsatsmetal, brintkontrol og kølehastighed kritiske overvejelser for at opnå de bedste resultater. For at hjælpe med at sikre succes i svejseapplikationer til tungt udstyr:
- Kontroller alle designkrav og termisk behandling af grundmaterialet før svejsning.
- Vælg et tilsatsmetal, der giver tilstrækkelige mekaniske egenskaber til dele, der efterlades i svejset tilstand eller i spændingsaflastet tilstand.
- Vælg et tilsatsmetal, der passer til grundmetallets kemi for komponenter, der skal udglødes, normaliseres eller nedkøles og hærdes efter svejsning.
- Vælg en minimumsvarmetilførsel og en forvarme-/interpass-temperatur for at hjælpe med at bremse svejsens afkølingshastighed.