Die Herstellung und Reparatur von Wellen, Zahnrädern, Schmiedeteilen und vielen anderen Anwendungen im Schwermaschinenbau erfordern Werkstoffe, die harten, anspruchsvollen Bedingungen standhalten können. In diesen Fällen werden häufig die niedrig legierten Stähle AISI/SAE 4130 und 4140 verwendet, da sie aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung auf hohe Zugfestigkeit und Härte wärmebehandelt werden können. Die AISI/SAE-Spezifikationen für 4130 und 4140 beziehen sich nur auf die chemische Zusammensetzung, nicht aber auf die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften. Sowohl 4130 als auch 4140 enthalten Kohlenstoff, Chrom (0,80 % bis 1,15 %) und Molybdän (0,15 % bis 0,25 %) als primäre Legierungselemente. Sie unterscheiden sich geringfügig in ihrem Kohlenstoffgehalt: 4130 hat einen nominalen Kohlenstoffgehalt von 0,3 Prozent, während 4140 einen nominalen Kohlenstoffgehalt von 0,4 Prozent hat. Die Festigkeit beider Werkstoffe kann sich je nach der durchgeführten Wärmebehandlung stark verändern: Glühen, Normalisieren oder Vergüten. Durch Flammhärten kann die Außenseite dieser Werkstoffe zusätzlich gehärtet werden, während die Innenseite relativ weich bleibt.
Durch ihre Festigkeit eignen sich 4130- und 4140-Stähle gut für Bauteile wie Zahnräder, die eine hohe Festigkeit und Haltbarkeit erfordern. Der höhere Kohlenstoff-, Chrom- und Molybdängehalt, der diese Werkstoffe stark und hoch härtbar macht, macht sie jedoch auch anfälliger für Rissbildung. Betrachten Sie die allgemeinen Herausforderungen und bewährten Verfahren für das Schweißen von 4130- und 4140-Stählen, sowohl bei der Neufertigung als auch beim Reparaturschweißen, und wie der richtige Schweißzusatzwerkstoff zum Erfolg beitragen kann.
TIPPS FÜR DAS SCHWEISSEN VON 4130- UND 4140-STAHL
Viele der Herausforderungen und bewährten Verfahren für das Schweißen von 4130- und 4140-Stählen sind die gleichen, unabhängig davon, ob es sich um das Schweißen von neuem Material oder um Reparaturen handelt. Beachten Sie diese sechs wichtigen Schritte beim Schweißen oder Reparieren von 4130 und 4140:
- Bestimmen Sie die Wärmebehandlung. Neuanfertigungen werden normalerweise an Material im geglühten oder normalisierten Zustand durchgeführt. Es wird nicht empfohlen, 4130- oder 4140-Stahl im vergüteten oder einsatzgehärteten Zustand zu schweißen, ohne den zu schweißenden Bereich vorher zu glühen oder zu normalisieren.
- Wählen Sie einen Schweißzusatzwerkstoff. Die Wahl des richtigen Schweißzusatzes für 4130- und 4140-Stähle hängt vom Zustand des Materials vor dem Schweißen, den Anforderungen der Bauteilkonstruktion und dem gewünschten Zustand des Materials nach dem Schweißen ab. Bei Werkstoffen, die im geschweißten oder nach dem Schweißen spannungsfreien Zustand belassen werden, ist die Übereinstimmung mit der Zugfestigkeit des Grundwerkstoffs im Anlieferungszustand ein üblicher bestimmender Faktor bei der Wahl des Schweißzusatzes. Typischerweise wird ein niedrig legierter Schweißzusatzwerkstoff verwendet, der nicht die chemische Zusammensetzung des 4130/4140-Grundwerkstoffs aufweist, aber dennoch geeignete mechanische Eigenschaften sowohl für den geschweißten Zustand als auch für die Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) bietet. Wenn jedoch ein Bauteil während seiner Lebensdauer mehrmals repariert werden soll – wobei jede Reparatur einen Spannungsabbauzyklus nach dem Schweißen erfordert -, muss sichergestellt werden, dass der Schweißzusatzwerkstoff nach der gesamten Spannungsabbauzeit weiterhin die gewünschten mechanischen Eigenschaften aufweist.
Eine Unteranpassung der Zugfestigkeit von 4130 und 4140 Grundwerkstoff – die Wahl eines Schweißzusatzwerkstoffs, der schwächer ist als der Grundwerkstoff – ermöglicht zwar eine Verbesserung der Duktilität des Schweißguts und der Ermüdungslebensdauer, ermöglicht es aber möglicherweise nicht, dass die Schweißnaht den hohen Belastungen standhält, die für die Konstruktion eines bestimmten Bauteils erforderlich sind. Eine Überanpassung der Zugfestigkeit von 4130- und 4140-Schweißnähten – die Wahl eines Schweißzusatzes, der stärker ist als der Grundwerkstoff – wird in der Regel nicht empfohlen, da die zusätzliche Zugfestigkeit mit einem Verlust an Duktilität einhergeht, der die Rissanfälligkeit des Schweißguts weiter erhöhen kann. Schweißnähte, die nach dem Schweißen geglüht oder normalisiert werden sollen, können von einem 4130- bzw. 4140-Zusatzwerkstoff profitieren. Obwohl 4130- und 4140-Zusatzwerkstoffe im geschweißten Zustand ein sprödes Gefüge erzeugen, stellt das durch Glühen oder Normalisieren erzielte „Rückstellgefüge“ die Duktilität sowohl des Schweißguts als auch des wärmebeeinflussten Grundwerkstoffs wieder her.
Schweißungen, die nach dem Schweißen vergütet werden sollen, erfordern die Verwendung eines 4130- oder 4140-Zusatzwerkstoffs, da den meisten niedrig legierten Zusatzwerkstoffen mit ausreichender Zugfestigkeit der Kohlenstoff fehlt, der erforderlich ist, um nach einer Vergütungsoption angemessen zu reagieren. - Vorwärmen anwenden. Die höhere Härtbarkeit von 4130- und 4140-Stählen erhöht die Leichtigkeit, mit der sich nach dem Schweißen ein hartes, sprödes Gefüge in der Wärmeeinflusszone oder im verdünnten Schweißgut bildet. Vorwärmen ist notwendig, um gleichbleibende, qualitativ hochwertige Schweißnähte zu erzielen. Die Festlegung und Einhaltung einer Mindestvorwärm- und Zwischenlagentemperatur verlangsamt die Abkühlungsgeschwindigkeit der Schweißnaht und des Grundwerkstoffs, um die Bildung spröder Gefüge zu verhindern oder zu minimieren. Stellen Sie eine angemessene Vorwärmung sicher, indem Sie ausreichende Temperaturen verwenden, typischerweise zwischen 550 und 800 Grad Celsius beim Schweißen dicker Komponenten, und erwärmen Sie das Grundmaterial über die gesamte Dicke, anstatt nur die Oberfläche zu erwärmen. Die Verwendung der Induktionserwärmung kann dazu beitragen, das gesamte Bauteil effizient zu erwärmen. Achten Sie außerdem darauf, dass die Vorwärmtemperatur in ausreichender Entfernung von der Schweißnaht festgelegt wird, in der Regel mindestens drei Zoll in alle Richtungen. Bei größeren Schweißstücken kann ein noch größerer Vorwärmbereich um die Schweißnaht herum von Vorteil sein.
- Schweißen durchführen. Ähnlich wie bei der Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur kann eine zu geringe Wärmezufuhr die Abkühlung der Schweißnaht bis zu einem Punkt beschleunigen, an dem sich spröde Gefüge bilden, was die Duktilität und Zähigkeit beeinträchtigt. Die Wärmezufuhr wird durch Erhöhung von Spannung und Stromstärke sowie durch Verringerung der Fahrgeschwindigkeit erhöht. Berücksichtigen Sie die Auswirkungen dieser Variablen bei der Entwicklung eines Schweißverfahrens zum Verbinden von 4130- und 4140-Stählen.
- Langsames Abkühlen. Es ist vorteilhaft, die Schweißnaht nach dem Schweißen einige Zeit auf der Vorwärmtemperatur zu halten und sie dann mit einer keramischen Isolierung abzudecken, da dies die Diffusion von Wasserstoff aus dem Schweißgut und der Wärmeeinflusszone (WEZ) ermöglicht. Es wird eine Haltezeit von 30 Minuten bis zu einer Stunde pro Zoll Grundmaterialdicke empfohlen. Dieser Prozess wird informell als Wasserstoffausbrennen bezeichnet und unterscheidet sich vom Spannungsabbau nach dem Schweißen.
- Wärmebehandlung nach dem Schweißen. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann dazu beitragen, die durch das Schweißen entstandenen Spannungen abzubauen, die zur Rissbildung in der fertigen Schweißnaht beitragen können. Der Abbau dieser Eigenspannungen kann auch vor der Bearbeitung von Vorteil sein, um enge Toleranzen einzuhalten. Bei dünnem Material (weniger als 1/8 Zoll dick) ist in der Regel kein Spannungsabbau erforderlich, da die Rissbildung weniger problematisch ist. Dickere Materialien werden üblicherweise bei 1.050 bis 1.250 Grad F für etwa eine Stunde pro Zoll Grundmaterialdicke spannungsarm geglüht. Wie bereits erwähnt, sind Zeit und Temperatur einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen – ob PWHT, Glühen, Normalisieren oder Vergüten – immer zu berücksichtigen, um sicherzustellen, dass der zu verwendende Schweißzusatzwerkstoff angemessene mechanische Eigenschaften aufweist oder beibehält.
HINWEISE FÜR DIE REPARATUR VON 4130- UND 4140-STAHL
Die Reparatur von 4130- oder 4140-Stahl ist oft komplizierter als die Neufertigung mit diesen Werkstoffen, da die zu reparierende Komponente abgenutzt, fettig oder schmutzig sein kann. Es kann auch schwieriger sein, Informationen über die vorherige Wärmebehandlung des Materials zu erhalten. Ziehen Sie immer die Originalausrüstungsinformationen zu Rate, um ein besseres Verständnis der Wärmebehandlungen oder Konstruktionsanforderungen des Bauteils zu erhalten. Es ist besonders wichtig, vor einer Reparatur festzustellen, wie das Teil wärmebehandelt wurde – ob es geglüht, normalisiert, vergütet oder flammgehärtet ist. Ein vergütetes Teil ist in der Regel weniger dehnbar und rissanfälliger, was die Reparatur erheblich erschwert. In diesen Fällen kann ein lokales Glühen oder Normalisieren um die Schweißnaht herum vor der Reparatur hilfreich sein, aber beachten Sie, dass dies die Festigkeit des Materials beeinträchtigt. Wenn die Oberflächenhärte ein Hauptkriterium war, kann ein Panzerungsprodukt erforderlich sein. Wenn die Festigkeit des Grundmaterials wiederhergestellt werden muss, kann es nach der Reparatur durch eine thermische Behandlung erneut konditioniert werden.
Eine ordnungsgemäße Vorbereitung des Materials vor der Reparatur trägt ebenfalls zu einer hohen Schweißqualität bei. Das Schweißen über Öl oder Fett kann zu Porosität im Schweißgut und diffusionsfähigem Wasserstoff im Schweißgut beitragen, was das Potenzial für wasserstoffinduzierte Risse erhöht. Das einfache Entfernen von sichtbarem Öl und Fett ist möglicherweise nicht ausreichend. Ziehen Sie stattdessen eine Dampfentfettung in Betracht, um Verunreinigungen zu entfernen, die tief in den Poren des Grundmaterials eingeschlossen sind, die durch die hohen Temperaturen geöffnet wurden. Hier sind einige zusätzliche Tipps für zwei spezielle Arten der Reparatur:
- Rissreparatur: Unabhängig vom Grundwerkstoff ist die Rissreparatur kompliziert. Reparaturen leiden oft unter einer höheren Fugenspannung, die zu zusätzlichen Spannungen führt und das Risiko von Rissen erhöht. Führen Sie vor der Reparatur eine Farbeindringprüfung (PT) oder eine Magnetpulverprüfung (MT) durch, um das gesamte Ausmaß des Risses festzustellen. Entfernen Sie den gerissenen Bereich durch Schleifen oder Fugenhobeln. Der entfernte Bereich sollte ein breites „V“ oder „U“ bilden, um zu verhindern, dass beim Schweißen Schmelz- oder Erstarrungsrisse auftreten. Verwenden Sie beim Lichtbogenfugen aus den gleichen Gründen wie beim Schweißen eine Vorwärmung. Um das Risiko zu minimieren, dass sich ein bestehender Riss während der Reparatur weiter ausbreitet, bohren Sie beide Enden des Risses an. Vor dem Schweißen ist sicherzustellen, dass der Riss vollständig entfernt wurde, wiederum entweder mit PT oder MT. Nach dieser umfangreichen Vorbereitung kann endlich mit dem Schweißen begonnen werden.
- Aufbau und Überlagerung: Diese Art der Reparatur bezieht sich auf die Wiederherstellung von Bauteilen in ihren ursprünglichen Abmessungen und, im Falle von Auftragen, auf das Aufbringen einer Schicht, die eine Härte bietet, die mit der vergleichbar ist, die durch Vergüten oder Einsatzhärten erreicht werden kann. Um diese Reparaturen erfolgreich durchführen zu können, sollten Aufbrenn- und Überzugslegierungen in Betracht gezogen werden. Überzugsprodukte sind in der Regel härter als Aufbauprodukte, haben aber oft Dickenbeschränkungen, während dies bei Aufbauprodukten normalerweise nicht der Fall ist. Das bedeutet, dass bei der Verwendung von Auftragsprodukten ab einer bestimmten Anzahl von Lagen das Schweißgut keine gute Duktilität aufweist und rissempfindlich sein oder einfach vom Grundwerkstoff absplittern kann. Auftragsprodukte werden verwendet, um ein Produkt wieder auf Maß zu bringen, wenn die wiederherzustellende Dicke die für ein Auftragsprodukt zulässige Dicke übersteigt.
Abschließende Überlegungen
Aufgrund der hohen Härtbarkeit von 4130- und 4140-Stählen sind die Auswahl des Schweißzusatzes, die Kontrolle des Wasserstoffs und die Abkühlungsrate entscheidende Faktoren, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Um den Erfolg beim Schweißen von schweren Ausrüstungen zu gewährleisten:
- Überprüfen Sie alle Konstruktionsanforderungen und die Wärmebehandlung des Grundmaterials vor dem Schweißen.
- Wählen Sie einen Zusatzwerkstoff, der ausreichende mechanische Eigenschaften für Teile im geschweißten oder spannungsfreien Zustand bietet.
- Wählen Sie einen Zusatzwerkstoff, der der Chemie des Grundwerkstoffs für Bauteile entspricht, die nach dem Schweißen geglüht, normalisiert oder vergütet werden sollen.
- Wählen Sie eine minimale Wärmeeinbringung und Vorwärm-/Zwischenlagentemperatur, um die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht zu verlangsamen.