A tengelyek, fogaskerekek, kovácsdarabok és számos más nehézgépes alkalmazás gyártásához és javításához olyan anyagokra van szükség, amelyek ellenállnak a kemény, igényes körülményeknek. Ezekben az esetekben gyakran használják az AISI/SAE 4130 és 4140 alacsonyan ötvözött acélokat, mivel kémiai összetételük lehetővé teszi, hogy hőkezeléssel nagy szakítószilárdságot és keménységet érjenek el. Az AISI/SAE 4130 és 4140 specifikációk csak a kémiai összetétel tartományra vonatkoznak, szemben a kémiai összetétel és a mechanikai tulajdonságok tartományával. Mind a 4130, mind a 4140 elsődleges ötvözőelemként szenet, krómot (0,80-1,15 százalék) és molibdént (0,15-0,25 százalék) tartalmaz. Kicsit különböznek egymástól a széntartalmukban: A 4130 névlegesen 0,3 százalékos, míg a 4140 névlegesen 0,4 százalékos széntartalommal rendelkezik. Mindkét anyag szilárdsága nagymértékben változhat az elvégzett hőkezeléstől függően: lágyítás, normalizálás vagy árasztás és edzés. Lángkeményítéssel ezeknek az anyagoknak a külsejét tovább lehet keményíteni, miközben a belseje viszonylag lágy marad.
A 4130-as és 4140-es acélok szilárdságuk miatt jól alkalmazhatók olyan alkatrészekhez, például fogaskerekekhez, amelyek nagy szilárdságot és tartósságot igényelnek. Azonban a magasabb szén-, króm- és molibdénszint, amely ezeket az anyagokat erőssé és nagymértékben edzhetővé teszi, egyben repedésérzékenyebbé is teszi őket. Tekintse át a 4130 és 4140 acélok hegesztésének közös kihívásait és legjobb gyakorlatait, mind az új gyártás, mind a javítási hegesztés során, valamint azt, hogy a megfelelő töltőanyag hogyan segíthet a siker biztosításában.
TIPPEK A 4130 ÉS 4140 ADAGOK HEGESZÉSÉRE
A 4130 és 4140 acélok hegesztésének számos kihívása és legjobb gyakorlata ugyanaz, akár új anyag hegesztéséről, akár javításról van szó. Vegye figyelembe ezt a hat fontos lépést a 4130 és 4140 acélok hegesztésekor vagy javításakor:
- A hőkezelés azonosítása. Az új gyártás jellemzően lágyított vagy normalizált állapotban lévő anyagon történik. Nem ajánlott 4130-as vagy 4140-es acélt hegeszteni edzett vagy tokozott állapotban anélkül, hogy a hegesztendő területen előzetesen ne végeznénk lágyítást vagy normalizálást.
- Válassza ki a töltőanyagot. A 4130 és 4140 acélokhoz a megfelelő töltőanyag kiválasztása az anyag hegesztés előtti állapotától, az alkatrész tervezési követelményeitől és az anyag hegesztés utáni kívánt állapotától függ. A hegesztett állapotban vagy a hegesztés utáni feszültségmentesített állapotban hagyott anyag esetében a töltőanyag kiválasztásakor gyakran meghatározó tényező a kiindulási alapfém szakítószilárdságának való megfelelés. Jellemzően olyan alacsony ötvözetű töltőanyagot használnak, amely nem azonos a 4130/4140 alapanyag kémiai összetételével, de amely még mindig megfelelő mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik mind a hegesztett, mind a hegesztés utáni hőkezelt (PWHT) állapotban. Ha azonban egy alkatrészt élettartama során többször kell javítani – és minden egyes javítás egy hegesztés utáni feszültségcsökkentési ciklust igényel -, akkor biztosítani kell, hogy a töltőanyag a teljes feszültségcsökkentési idő után is a kívánt mechanikai tulajdonságokkal rendelkezzen.
A 4130 és 4140 alapfém szakítószilárdságának alulmúlása – az alapfémnél gyengébb töltőanyag kiválasztása – lehetővé teszi a hegesztett fém alakíthatóságának és fáradási élettartamának javítását, de lehet, hogy a hegesztés nem képes ellenállni az adott alkatrész kialakítása által megkövetelt magas feszültségeknek. A 4130 és 4140 hegesztési varratok szakítószilárdságának túllépése – az alapfémnél erősebb töltőanyag kiválasztása – általában nem ajánlott, mivel a többlet szakítószilárdság a képlékenység csökkenésével jár, ami tovább növelheti a hegesztett fém repedésérzékenységét. A hegesztés után lágyítandó vagy normalizálandó hegesztéseknél előnyös lehet a 4130-as, illetve 4140-es töltőanyag. Bár a 4130-as és 4140-es töltőanyagok hegesztéskor rideg betétet eredményeznek, a lágyítás vagy normalizálás által biztosított “visszaállított” mikroszerkezet helyreállítja mind a hegesztett fém, mind a hőhatású alapfém képlékenységét.
A hegesztés után árasztással és edzéssel kezelendő hegesztésekhez 4130-as vagy 4140-es töltőanyagot kell használni, mivel a legtöbb alacsony ötvözetű, megfelelő szakítószilárdságú töltőanyagból hiányzik a szükséges szén a megfelelő reakcióhoz az árasztás és edzés lehetőségét követően. - Alkalmazzon előmelegítést. A 4130 és 4140 acélok nagyobb edzhetősége növeli azt, hogy a hegesztést követően a hőérzékeny zónában vagy a hígított hegesztőfémben könnyebben alakul ki kemény, rideg mikroszerkezet. Az előmelegítés szükséges az egyenletes, jó minőségű hegesztési varratok eléréséhez. A minimális előmelegítési és közbülső hőmérséklet megállapítása és fenntartása lelassítja a hegesztés és az alapfém lehűlési sebességét, hogy megakadályozza vagy minimalizálja a rideg mikroszerkezetek kialakulását. Biztosítsa a megfelelő előmelegítést megfelelő hőmérséklet alkalmazásával, amely vastag alkatrészek hegesztése esetén jellemzően 550 és 800 F fok között van, és az alapanyag teljes vastagságán keresztül történő melegítéssel, ahelyett, hogy csak a felületen érné el a hőmérsékletet. Az indukciós fűtés használata segíthet hatékonyan elérni a megfelelő fűtést az egész alkatrészen. Arra is ügyeljen, hogy az előmelegítési hőmérsékletet a hegesztési kötéstől megfelelő távolságra állítsa be, jellemzően minden irányban legalább három hüvelyknyi távolságra. Nagyobb hegesztési darabok esetében még nagyobb előmelegítési területet kell kialakítani a hegesztési varrat körül.
- Végezze el a hegesztést. Az előmelegítéshez és a közbülső hőmérséklethez hasonlóan, ha a hőbevitel túl alacsony, az felgyorsíthatja a hegesztés lehűlési sebességét olyan mértékben, hogy rideg mikroszerkezetek alakulnak ki, ami károsítja a képlékenységet és a szívósságot. A hőbevitel a feszültség és az áramerősség növelésével, valamint a haladási sebesség csökkentésével növelhető. Vegye figyelembe ezeknek a változóknak a hatásait, amikor hegesztési eljárást dolgoz ki a 4130 és 4140 acélok egyesítéséhez.
- Lassú lehűlés. A hegesztés után a hegesztési varratot egy ideig előmelegítési hőmérsékleten tartani, majd a hegesztési varratot kerámia szigeteléssel lefedni előnyös, mert ez lehetővé teszi a hidrogén diffúzióját a hegesztett fémből és a hőhatás által érintett zónából (HAZ). Egy hüvelyk alapanyagvastagságonként 30 perctől egy óráig terjedő várakozási idő ajánlott. Ezt a folyamatot informálisan hidrogén-bake-outnak nevezik, és különbözik a hegesztés utáni feszültségmentesítéstől.
- Alkalmazza a hegesztés utáni hőkezelést. A hegesztés utáni hőkezelés segíthet a hegesztés során keletkezett feszültségek enyhítésében, amelyek hozzájárulhatnak a kész hegesztés repedéséhez. Ezeknek a maradó feszültségeknek a feloldása a megmunkálás előtt is előnyös lehet a szoros tűrések megtartása érdekében. A vékony anyagok (1/8 hüvelyknél kisebb vastagságúak) általában nem igényelnek feszültségmentesítést, mivel a repedések kevésbé aggályosak. A vastagabb anyagokat általában 1 050 és 1 250 fokos hőmérsékleten feszültségmentesítik körülbelül egy órán keresztül az alapanyag vastagságának minden hüvelykjére számítva. Mint már említettük, mindig vegye figyelembe a hegesztés utáni hőkezelés idejét és hőmérsékletét – legyen az PWHT, izzítás, normalizálás vagy árasztás és edzés – annak biztosítása érdekében, hogy a használni kívánt töltőanyag megfelelő mechanikai tulajdonságokat biztosítson vagy tartson fenn.
TIPPEK 4130 ÉS 4140 ADAGOK JAVÍTÁSÁHOZ
A 4130 vagy 4140 acél javítása gyakran bonyolultabb, mint az új gyártás az anyagokkal, mivel a javítandó alkatrész lehet kopott, zsíros vagy piszkos. Az anyag korábbi hőkezeléséről is nehezebb lehet információt gyűjteni. Mindig tekintse meg az eredeti berendezés adatait útmutatásért és az alkatrész hőkezelési vagy tervezési követelményeinek jobb megértése érdekében. Különösen fontos a javítás elvégzése előtt azonosítani, hogy az alkatrész milyen hőkezelésen esett át – lágyított, normalizált, edzett vagy lánggal edzett -. Egy olyan alkatrész, amelyet például árnyékoltak és edzettek, jellemzően kevésbé képlékeny és repedésérzékenyebb, így sokkal nehezebben javítható. Ezekben az esetekben a javítás előtt a hegesztés körüli helyi izzítás vagy normalizálás segíthet, de tisztában kell lenni azzal, hogy ez befolyásolja az anyag szilárdságát. Keményítő termékre lehet szükség, ha a felületi keménység volt az elsődleges szempont. Ha az alapanyag szilárdságának helyreállítása szükséges, a javítás után hőkezeléssel újra kondicionálható.
Az anyag javítás előtti megfelelő előkészítése szintén segít a magas hegesztési minőség biztosításában. Az olaj vagy zsír feletti hegesztés hozzájárulhat a hegesztett fém porozitásához és a hegesztési betétben lévő diffúz hidrogénhez, ami növeli a hidrogén okozta repedés lehetőségét. A látható olaj és zsír egyszerű eltávolítása nem feltétlenül elegendő. Ehelyett fontolja meg a gőzzel történő zsírtalanítást, hogy eltávolítsa az alapanyag pórusaiban mélyen rekedt szennyeződéseket, amelyeket a megemelkedett hőmérséklet nyitott meg. Íme néhány további tipp két speciális javítási típushoz:
- Repedésjavítás: Az alapanyagtól függetlenül a repedésjavítás bonyolult. A javítások gyakran szenvednek a nagyobb illesztési visszatartás miatt, amely további feszültséget vezet be, és növeli a repedés kockázatát. A javítási kísérlet előtt végezzen festékszondás (PT) vagy mágneses részecskés (MT) vizsgálatot a repedés teljes kiterjedésének azonosítása érdekében. A repedt területet csiszolással vagy íves fúrással távolítsa el. Az eltávolított területnek széles “V” vagy “U” alakot kell képeznie, hogy megakadályozza a hegesztés során fellépő olvadáshiányos vagy megszilárdulási repedés kialakulását. Használjon előmelegítést bármilyen ívkiszúrási eljárás során, ugyanazokból az okokból, mint a hegesztés során használt előmelegítés. Annak kockázatának minimalizálása érdekében, hogy egy meglévő repedés a javítás során tovább terjedjen, fúrja meg a repedés mindkét végét. Hegesztés előtt győződjön meg arról, hogy a repedés teljesen eltávolításra került, ismét PT vagy MT segítségével. Ezt az alapos előkészítést követően végre elkezdődhet a hegesztés.
- Felépítés és fedés: Ez a javítási típus az alkatrészek eredeti méreteinek visszaállítására vonatkozik, és az overlay esetében olyan lerakódás felhordására, amely olyan keménységet biztosít, amely összehasonlítható azzal, amit az árítással és edzéssel vagy tokozással lehet elérni. E javítások sikeres elvégzéséhez fontolja meg a felépítő és fedőtöltő fémeket. Az overlay termékek általában keményebbek, mint a build-up termékek, de gyakran rendelkeznek vastagsági korlátozásokkal, míg a build-up termékek általában nem. Ez azt jelenti, hogy bizonyos rétegszámon túli overlay termékek használatakor a hegesztési betét nem rendelkezik jó alakíthatósággal, és repedésérzékeny lehet, vagy egyszerűen leszakadhat az alapfémből. A build-up termékeket akkor használják a termék méretének visszaállítására, amikor a visszaállítandó vastagság meghaladja az overlay terméknél megengedett vastagságot.
ZÁRÓ GONDOLATOK
A 4130 és 4140 acélok nagyfokú edzhetősége miatt a töltőanyag kiválasztása, a hidrogénszabályozás és a hűtési sebesség kritikus szempontok a legjobb eredmény elérése érdekében. A nehézgéphegesztési alkalmazások sikerének biztosítása érdekében:
- Hegesztés előtt ellenőrizze az összes tervezési követelményt és az alapanyag hőkezelését.
- Válasszon olyan töltőanyagot, amely megfelelő mechanikai tulajdonságokat biztosít a hegesztett állapotban vagy feszültségmentesített állapotban hagyott alkatrészekhez.
- Válasszon olyan töltőanyagot, amely megfelel az alapfém kémiai összetételének a hegesztés után lágyítandó, normalizálandó vagy edzendő alkatrészekhez.
- Válasszon minimális hőbevitelt és előmelegítési/interpass hőmérsékletet, hogy segítsen lassítani a hegesztés lehűlési sebességét.