シャフト、ギア、鍛造品、その他多くの重機アプリケーションの加工と修理には、過酷で厳しい条件に耐える材料が必要とされます。 このような場合、AISI/SAE 4130および4140低合金鋼は、その化学組成により高い引張強度と硬度に熱処理することができるため、しばしば使用されます。 AISI/SAE4130と4140の規格は、化学組成と機械的特性の両方の範囲とは対照的に、化学組成の範囲のみを参照しています。 4130と4140は共に炭素、クロム（0.80％～1.15％）、モリブデン（0.15％～0.25％）を主合金元素として含んでいる。 炭素の含有量に若干の違いがあります。 4130は公称0.3％、4140は公称0.4％の炭素を含んでいる。 両材料の強度は、焼鈍、焼ならし、焼入れ・焼戻しなどの熱処理によって大きく変化する可能性がある。 火炎焼入れは、これらの材料の内部を比較的軟らかく保ちながら外側をさらに硬くするために使われます。
その強さから、4130と4140は高い強度と耐久性が求められる歯車のような部品に適しています。 しかし、炭素、クロム、モリブデンの含有量が多いため、強度が高く、焼入れ性が高い反面、割れが発生しやすいという欠点があります。 4130 および 4140 鋼の溶接に関する共通の課題とベストプラクティスについて、新規製作と補修溶接の両方について、また正しい溶加材がいかに成功を確実にするかについて考察します。
4130 および 4140 鋼溶接のヒント
4130 および 4140 鋼溶接に関する多くの課題とベストプラクティスは、アプリケーションが新しい材料を溶接する場合でも補修する場合でも同じことです。 4130および4140を溶接または修理する際には、以下の6つの重要なステップを考慮してください：
- 熱処理を特定する。 新しい加工は通常、焼きなましまたは焼ならしの状態の材料に対して行われます。 焼入れ、焼戻し、またはケースハードニングされた4130または4140鋼を溶接する場合、溶接する部分の焼鈍または正規化を行わずに溶接することは推奨されません。 4130および4140鋼に対する適切な溶加棒の選択は、溶接前の材料の状態、部品の設計要件および溶接後の材料の望ましい状態によって決まります。 溶接したままの状態、または溶接後の応力除去され た状態の材料では、供給されたままの母材の引張強 さに合わせることが、金属フィラーの選択において一般 的な決定要因である。 4130/4140母材と化学組成が異なる低合金溶加材を使 用するのが一般的だが、それでも溶接時と溶接後熱処理 （PWHT）時の両方に適した機械的特性を発揮す る。
4130 および 4140 母材の引張強度を過小評価し、母材よりも弱い溶加材を選択すると、溶接金属の延性および疲労寿命は改善されますが、特定の部品設計で必要となる高い応力に耐える溶接ができない場合があります。 4130および4140溶接物の引張強さを過剰に適合させ る-母材よりも強い金属フィラーを選ぶ-ことは、 一般的に推奨されない。引張強度の増加は延性の 低下と相関し、溶接金属の割れ感受性をさらに高め る可能性があるからである。 溶接後に焼鈍または焼戻しを行なう溶接部には、 それぞれ4130または4140溶加材が有効である。 4130および4140溶加材は溶接時に脆い堆積物を生成するが、焼鈍または焼ならしによって得られる「リセット」微細構造により、溶接金属と熱影響母材の両方の延性が回復する。
溶接後に焼き入れおよび焼き戻しする場合、4130または4140溶加材を使用する必要があります。十分な引張強度を持つほとんどの低合金溶加材には、焼き戻し後に適切に反応するために必要な炭素が不足しているからです。 4130および4140鋼の高い焼入れ性は、溶接後に熱影響部または希薄な溶接金属に硬くて脆い微細構造を形成しやすくする。 予熱は、安定した高品質の溶接を実現するた めに必要である。 最低予熱温度および通過間温度を設定・維持す ることで、溶接部および母材の冷却速度を遅くし、脆 弱構造の形成を防止または最小化することができ る。 厚い部品を溶接する場合は、550 deg F ～ 800 deg Fの十分な温度を使用し、表面だけを加熱するのではなく、母材の全厚さを加熱することによって、適切な予熱を確保します。 誘導加熱を利用すると、効率よく部品全体を加熱することができます。 また、予熱温度は溶接継手から十分な距離、通常は全方向で最低3インチを確保する必要があります。 大型の溶接物では、溶接接合部の周囲にさらに大きな予熱領域を設けると効果的です。 - 溶接を行う。 予熱および通過間温度と同様に、入熱が低すぎると溶接部の冷却速度が加速され、脆いミクロ組織が形成され、延性および靭性が損なわれる。 入熱は、電圧とアンペアを上げ、移動速度を下げることで、増加させることができる。 4130および4140鋼を接合するための溶接方法を開発する際には、これらの変数の影響を考慮してください。 溶接後しばらく溶接物を予熱温度で保持し、その後セラミック断熱材で溶接物を覆うことは、溶接金属および熱影響部 (HAZ) からの水素の拡散を可能にするため有益である。 母材の厚さ1インチにつき30分から1時間の保持が推奨される。 このプロセスは非公式に水素ベークアウトとして知られており、溶接後の応力除去とは異なります。
- 溶接後熱処理を施す。 溶接後の熱処理は、溶接によって生じた応力を緩和するのに役立ち、完成した溶接部の割れの原因となることがあります。 また、これらの残留応力を解放することは、機械加工の前に、厳しい公差を維持するのに有効な場合があります。 薄い材料（厚さ1/8インチ以下）は、割れの心配が少ないため、通常、応力除去の必要はありません。 厚い材料は通常、1,050 deg F～1,250 deg Fで、基材の厚さ1インチにつき約1時間、応力除去を行う。 前述したように、使用する金属フィラーが適切な機械的特性を提供または維持できるように、PWHT、焼鈍、正規化、焼き戻しなど、溶接後の熱処理の時間と温度を常に考慮してください。
4130および4140鋼を修理するためのヒント
修理する部品が摩耗したり油や汚れを含んでいると、4130または4140鋼を使用して新たに製造するより複雑になる場合があります。 また、材料の以前の熱処理に関する情報を収集することがより困難な場合もあります。 熱処理や部品の設計要件についてより良く理解するために、常にオリジナルの機器情報を参照してください。 特に、修理前に部品の熱処理方法（焼なまし、焼ならし、焼入れ・焼戻し、火炎焼入れ）を確認することは非常に重要です。 例えば、焼き入れと焼き戻しを行った部品は、一般的に延性が低く、亀裂に敏感で、修理が非常に難しくなります。 このような場合、修理前に溶接部の周囲に局所的な焼きなましや焼きならしを行うと効果的ですが、これは材料の強度に影響を与えるので注意が必要です。 表面硬度を重視する場合は、ハードフェーシング製品が必要な場合があります。 母材強度の回復が必要な場合は、修理後に熱処理で再度調整します。
修理前に材料を適切に準備することは、高い溶接品質を確保することにもつながります。 油やグリスの上で溶接すると、溶接金属に気孔ができたり、溶接析出物に拡散性水素が含まれて、水素誘起割れの可能性が高くなります。 目に見える油脂を除去するだけでは十分でない場合があります。 その代わりに、高温で開いた母材の孔の奥に閉じ込められた汚染物質を除去するために、蒸気脱脂を検討する必要があります。
- 亀裂の補修。 基材に関係なく、クラック補修は複雑です。 修理の際、接合部の拘束が強くなり、応力が加わってクラックの危険性が高まることがよくあります。 補修を行う前に、染料浸透探傷（PT）または磁粉探傷（MT）検査を行い、クラックの全容を確認する。 研削やアークガウジングで亀裂部分を除去してください。 除去した部分は、溶接中に溶融不足や凝固割れが 発生しないように、広い “V “字または “U “字になるようにし てください。 アーク・グージングを行う場合は、溶接の場合と同じ 理由で予熱を行う。 補修時に発生した亀裂が進展し続けるリスクを最小にするため、亀裂の両端をドリルで掘削してください。 溶接の前に、PTまたはMTで亀裂が完全に除去されていることを確認する。 このような広範囲にわたる準備の後、ようやく溶接を開始することができます
- ビルドアップとオーバーレイ。 この種の修理は、部品を元の寸法に復元し、肉盛の場合は、焼入れと焼戻しまたはケース硬化によって得られるのと同等の硬さを提供する堆積物を適用することを指します。 これらの修理を成功させるには、ビルドアップとオーバーレイの金属フィラーを検討します。 オーバーレイ製品はビルドアップ製品よりも硬い傾向がありますが、多くの場合厚みの制限があり、ビルドアップ製品は一般的に制限がありません。 つまり、ある層数を超えてオーバーレイ製品を使用すると、溶接堆積物は良好な延性を持たず、亀裂に敏感であったり、単に母材から分裂したりする可能性があるのです。
CLOSING THOUGHTS
4130 および 4140 鋼は硬化性が高いため、溶加金属の選択、水素制御、冷却速度が最良の結果を得るための重要な検討事項です。
- 溶接前にすべての設計要件および母材の熱処理を確認します。
- 溶接したままの状態、または応力除去した状態の部品に十分な機械特性を提供する溶加金属を選択します。
- 溶接後に焼鈍、焼ならし、または焼き入れおよび焼き戻しする部品には、母材と化学的に一致する金属フィラーを選択します。
- 溶接冷却速度を遅くするために最小入熱および予熱/インターパス温度を選択します。