La fabricación y reparación de ejes, engranajes, piezas forjadas y muchas otras aplicaciones de equipos pesados requieren materiales que puedan soportar condiciones duras y exigentes. En estos casos, los aceros de baja aleación AISI/SAE 4130 y 4140 se utilizan a menudo porque su composición química permite someterlos a un tratamiento térmico para obtener una alta resistencia a la tracción y dureza. Las especificaciones AISI/SAE 4130 y 4140 se refieren únicamente a un rango de composición química, en lugar de a un rango de composición química y de propiedades mecánicas. Tanto la 4130 como la 4140 tienen carbono, cromo (del 0,80% al 1,15%) y molibdeno (del 0,15% al 0,25%) como elementos de aleación principales. Difieren ligeramente en su contenido de carbono: El 4130 tiene un 0,3% de carbono nominal, mientras que el 4140 tiene un 0,4% nominal. La resistencia de ambos materiales puede cambiar mucho en función del tratamiento térmico que se haya realizado: recocido, normalización o temple y revenido. El endurecimiento a la llama puede utilizarse para endurecer adicionalmente el exterior de estos materiales manteniendo el interior relativamente blando.
Su resistencia hace que los aceros 4130 y 4140 sean muy adecuados para componentes como los engranajes que requieren una gran resistencia y durabilidad. Sin embargo, los niveles más altos de carbono, cromo y molibdeno que hacen que estos materiales sean fuertes y altamente endurecibles también los hacen más susceptibles al agrietamiento. Considere los retos comunes y las mejores prácticas para la soldadura de los aceros 4130 y 4140, tanto en la fabricación nueva como en la soldadura de reparación, y cómo el metal de aportación adecuado puede ayudar a garantizar el éxito.
PUNTOS PARA LA SOLDADURA DE ACEROS 4130 Y 4140
Muchos de los retos y las mejores prácticas para la soldadura de los aceros 4130 y 4140 son los mismos tanto si la aplicación implica la soldadura de material nuevo como la realización de reparaciones. Considere estos seis pasos importantes al soldar o reparar 4130 y 4140:
- Identifique el tratamiento térmico. La fabricación nueva se realiza normalmente en material en estado recocido o normalizado. No se recomienda soldar acero 4130 o 4140 en las condiciones de templado y revenido o de endurecimiento en caja sin realizar primero el recocido o la normalización en la zona a soldar.
- Seleccionar un metal de aportación. La elección del metal de aportación adecuado para los aceros 4130 y 4140 depende del estado del material antes de la soldadura, de los requisitos de diseño del componente y del estado deseado del material después de la soldadura. Para el material que se deja en las condiciones de soldadura o de alivio de tensión después de la soldadura, la coincidencia de la resistencia a la tracción del metal base tal como se suministra es un factor determinante común durante la selección del metal de aportación. Es habitual utilizar un metal de aportación de baja aleación que no comparta la composición química del material base 4130/4140, pero que siga proporcionando propiedades mecánicas adecuadas tanto para las condiciones de soldadura como de tratamiento térmico posterior (PWHT). Sin embargo, si un componente va a ser reparado numerosas veces durante su vida útil, y cada reparación exige un ciclo de alivio de tensiones posterior a la soldadura, hay que asegurarse de que el metal de aportación seguirá proporcionando las propiedades mecánicas deseadas después del tiempo total de alivio de tensiones.
La falta de coincidencia de la resistencia a la tracción del metal base 4130 y 4140, es decir, la elección de un metal de aportación más débil que el metal base, permite mejorar la ductilidad del metal de aportación y la vida a la fatiga, pero puede no permitir que la soldadura resista las altas tensiones requeridas por el diseño de un componente concreto. Normalmente no se recomienda sobrepasar la resistencia a la tracción de las soldaduras 4130 y 4140, es decir, elegir un metal de aportación más fuerte que el metal base, ya que la resistencia a la tracción adicional se correlaciona con una pérdida de ductilidad que puede aumentar aún más la susceptibilidad al agrietamiento del metal de aportación. Las soldaduras que van a ser recocidas o normalizadas después de la soldadura pueden beneficiarse de un metal de aportación 4130 o 4140, respectivamente. Aunque los metales de aportación 4130 y 4140 producen un depósito frágil en el momento de la soldadura, la microestructura «restablecida» que ofrece el recocido o la normalización restablece la ductilidad tanto del metal de soldadura como del metal base afectado por el calor.
Las soldaduras que van a ser templadas y revenidas después de la soldadura requieren el uso de un metal de aportación 4130 o 4140, ya que la mayoría de los metales de aportación de baja aleación con suficiente resistencia a la tracción carecen del carbono necesario para responder adecuadamente después de una opción de templado y revenido. - Aplicar precalentamiento. La mayor templabilidad de los aceros 4130 y 4140 aumenta la facilidad con la que se forma una microestructura dura y frágil en la zona afectada por el calor o en el metal de soldadura diluido tras la soldadura. El precalentamiento es necesario para conseguir soldaduras consistentes y de alta calidad. Establecer y mantener una temperatura mínima de precalentamiento y de entrepaso ralentiza la velocidad de enfriamiento de la soldadura y del metal base para evitar o minimizar la formación de microestructuras frágiles. Asegure un precalentamiento adecuado utilizando temperaturas suficientes, normalmente de 550 a 800 grados F cuando se sueldan componentes gruesos, y calentando todo el grosor del material base, en lugar de alcanzar la temperatura sólo en la superficie. El uso del calentamiento por inducción puede ayudar a conseguir un calentamiento adecuado en toda la pieza. Además, asegúrese de establecer la temperatura de precalentamiento a una distancia suficiente de la junta de soldadura, normalmente un mínimo de tres pulgadas en todas las direcciones. Las soldaduras más grandes pueden beneficiarse de un área de precalentamiento aún mayor alrededor de la junta de soldadura.
- Realice la soldadura. Al igual que con el precalentamiento y la temperatura entre pasadas, cuando el aporte de calor es demasiado bajo puede acelerar la velocidad de enfriamiento de la soldadura hasta un punto en el que se forman microestructuras frágiles, lo que perjudica la ductilidad y la tenacidad. El aporte de calor se incrementa aumentando la tensión y el amperaje, y reduciendo la velocidad de desplazamiento. Considerar los efectos de estas variables al desarrollar un procedimiento de soldadura para unir aceros 4130 y 4140.
- Enfriamiento lento. Mantener la soldadura a la temperatura de precalentamiento durante algún tiempo después de soldar, seguido de cubrir la soldadura con aislamiento cerámico, es beneficioso porque esto permite la difusión del hidrógeno del metal de soldadura y de la zona afectada por el calor (HAZ). Se recomienda un tiempo de mantenimiento de 30 minutos a una hora por cada pulgada de espesor del material base. Este proceso se conoce informalmente como horneado de hidrógeno, y es diferente del alivio de tensiones posterior a la soldadura.
- Aplicar tratamiento térmico posterior a la soldadura. El tratamiento térmico posterior a la soldadura puede ayudar a aliviar las tensiones creadas por la soldadura que pueden contribuir al agrietamiento en la soldadura terminada. La liberación de estas tensiones residuales también puede ser beneficiosa antes del mecanizado para ayudar a mantener tolerancias ajustadas. Los materiales finos (de menos de 1/8 de pulgada de grosor) no suelen requerir un alivio de tensiones porque el agrietamiento es menos preocupante. Los materiales más gruesos suelen someterse a un alivio de tensiones entre 1.050 y 1.250 grados F durante aproximadamente una hora por cada pulgada de espesor del material base. Como se mencionó anteriormente, siempre hay que tener en cuenta los tiempos y la temperatura de un tratamiento térmico posterior a la soldadura -ya sea PWHT, recocido, normalización o temple y revenido- para garantizar que el metal de aportación que se utilizará proporcionará o mantendrá las propiedades mecánicas adecuadas.
PUNTOS PARA REPARAR EL ACERO 4130 Y 4140
Reparar el acero 4130 o 4140 es a menudo más complicado que la fabricación nueva con los materiales, ya que el componente que se repara puede estar desgastado, grasiento o sucio. También puede ser más difícil reunir información sobre el tratamiento térmico previo del material. Consulte siempre la información del equipo original para orientarse y conocer mejor los tratamientos térmicos o los requisitos de diseño del componente. Es especialmente importante identificar cómo se trató térmicamente la pieza -si es recocida, normalizada, templada y revenida, o endurecida a la llama- antes de completar una reparación. Una pieza que ha sido templada y revenida, por ejemplo, suele ser menos dúctil y más sensible a las grietas, por lo que es mucho más difícil de reparar. En estos casos, el recocido localizado o la normalización alrededor de la soldadura antes de la reparación puede ayudar, pero tenga en cuenta que esto afecta a la resistencia del material. Puede ser necesario un producto de recargue si la dureza de la superficie era una consideración primordial. Si es necesario restaurar la resistencia del material base, se puede acondicionar de nuevo utilizando un tratamiento térmico después de la reparación.
Preparar adecuadamente el material antes de la reparación también ayuda a garantizar una alta calidad de la soldadura. Soldar sobre aceite o grasa puede contribuir a la porosidad del metal de soldadura y al hidrógeno difusible en el depósito de soldadura, aumentando el potencial de agrietamiento inducido por el hidrógeno. La simple eliminación del aceite y la grasa visibles puede no ser suficiente. En su lugar, considere la posibilidad de desengrasar con vapor para eliminar los contaminantes atrapados en las profundidades de los poros del material base abiertos por las elevadas temperaturas. A continuación se ofrecen algunos consejos adicionales para dos tipos específicos de reparación:
- Reparación de grietas: Independientemente del material base, la reparación de grietas es complicada. Las reparaciones suelen adolecer de una mayor restricción de las juntas que introduce una tensión adicional y aumenta el riesgo de agrietamiento. Antes de intentar las reparaciones, realice una inspección con líquidos penetrantes (PT) o con partículas magnéticas (MT) para identificar toda la extensión de la grieta. Elimine la zona agrietada mediante un proceso de esmerilado o de desbaste por arco. La zona eliminada debe formar una amplia «V» o «U» para ayudar a evitar que se produzcan grietas por falta de fusión o solidificación durante la soldadura. Utilice el precalentamiento cuando realice cualquier proceso de ranurado por arco por las mismas razones que se utiliza el precalentamiento durante la soldadura. Para minimizar el riesgo de que una grieta existente continúe propagándose durante una reparación, perfore ambos extremos de la grieta. Antes de soldar, asegúrese de que la grieta ha sido completamente eliminada, de nuevo con PT o MT. Después de esta extensa preparación, la soldadura puede finalmente comenzar.
- Reconstrucción y superposición: Este tipo de reparación se refiere a la restauración de los componentes a sus dimensiones originales y, en el caso del recubrimiento, a la aplicación de un depósito que proporcione una dureza comparable a la que se puede conseguir con el temple y revenido o la cementación. Para llevar a cabo con éxito estas reparaciones, hay que tener en cuenta los metales de aportación de recargue y recubrimiento. Los productos de recubrimiento tienden a ser más duros que los productos de reconstrucción, pero a menudo tienen limitaciones de espesor, mientras que los productos de reconstrucción normalmente no las tienen. Esto significa que cuando se utilizan productos de recargue más allá de un cierto número de capas, el depósito de soldadura no tiene buena ductilidad y puede ser sensible a las grietas o simplemente astillarse del metal base. Los productos de recargue se utilizan para restablecer las dimensiones de un producto cuando el espesor a restablecer supera el permitido para un producto de recargue.
Opiniones finales
Debido a la alta templabilidad de los aceros 4130 y 4140, la selección del metal de aportación, el control del hidrógeno y la velocidad de enfriamiento son consideraciones críticas para obtener los mejores resultados. Para ayudar a garantizar el éxito en las aplicaciones de soldadura de equipos pesados:
- Verifique todos los requisitos de diseño y el tratamiento térmico del material base antes de soldar.
- Elija un metal de aportación que proporcione suficientes propiedades mecánicas para las piezas dejadas en las condiciones de soldadura o alivio de tensión.
- Elija un metal de aportación que coincida con la química del metal base para los componentes que vayan a ser recocidos, normalizados o templados y revenidos después de la soldadura.
- Seleccione una entrada de calor mínima y una temperatura de precalentamiento/interpaso para ayudar a reducir la velocidad de enfriamiento de la soldadura.