De fabricage en reparatie van assen, tandwielen, smeedstukken en vele andere zwaar materieel toepassingen vragen om materialen die bestand zijn tegen zware, veeleisende omstandigheden. In deze gevallen, AISI/SAE 4130 en 4140 worden de laag-gelegeerde staalsoorten vaak gebruikt omdat hun chemische samenstelling hen toestaat om aan hoge treksterkte en hardheid worden thermisch behandeld. De AISI/SAE 4130 en 4140 specificaties verwijzen alleen naar een chemische samenstelling, in tegenstelling tot zowel een chemische samenstelling als mechanische eigenschappen. Zowel 4130 als 4140 hebben koolstof, chroom (0,80 tot 1,15 procent) en molybdeen (0,15 tot 0,25 procent) als primaire legeringselementen. Zij verschillen enigszins in hun koolstofgehalte: 4130 heeft nominaal 0,3 procent koolstof, terwijl 4140 nominaal 0,4 procent heeft. De sterkte van beide materialen kan sterk veranderen, afhankelijk van de uitgevoerde thermische behandeling: gloeien, normaliseren of afschrikken en ontlaten. Vlamharden kan worden gebruikt om de buitenkant van deze materialen extra te harden terwijl de binnenkant relatief zacht blijft.
Door hun sterkte zijn 4130 en 4140 staalsoorten zeer geschikt voor onderdelen zoals tandwielen die een hoge sterkte en duurzaamheid vereisen. Nochtans, maken de hogere koolstof, het chroom en het molybdeenniveaus die deze materialen sterk en hoogst hardenable maken hen ook vatbaarder voor het barsten. Overweeg de gemeenschappelijke uitdagingen en beste praktijken voor het lassen van 4130 en 4140 staal, zowel in nieuwe fabricage als in reparatielassen, en hoe het juiste toevoegmetaal kan helpen succes te verzekeren.
TIPS VOOR HET LASSEN VAN 4130 EN 4140 STAAL
Veel van de uitdagingen en beste praktijken voor het lassen van 4130 en 4140 staal zijn hetzelfde, of de toepassing nu het lassen van nieuw materiaal of het uitvoeren van reparaties betreft. Overweeg deze zes belangrijke stappen wanneer het lassen of het herstellen van 4130 en 4140:
- Identificeer thermische behandeling. Nieuwe fabricage wordt meestal uitgevoerd op materiaal in de gegloeide of genormaliseerde toestand. Het wordt niet aanbevolen om 4130 of 4140 staal te lassen in de afgeschrikte en getemperde of geharde toestand zonder eerst te gloeien of te normaliseren in het te lassen gebied.
- Selecteer een toevoegmetaal. De keuze van het juiste toevoegmetaal voor 4130 en 4140 staalsoorten hangt af van de toestand van het materiaal vóór het lassen, de ontwerpvereisten van het onderdeel en de gewenste toestand van het materiaal na het lassen. Voor materiaal zoals gelast of spanningsarm na het lassen, is het overeenkomen met de treksterkte van het basismetaal zoals geleverd een gebruikelijke bepalende factor bij de keuze van het toevoegmetaal. Het is gebruikelijk om een laaggelegeerd toevoegmetaal te gebruiken dat niet de chemische samenstelling van het 4130/4140 basismateriaal heeft, maar dat toch geschikte mechanische eigenschappen heeft voor zowel de ongelaste als de spanningsarm behandelde (PWHT) toestand na het lassen. Echter, als een component vele malen in zijn levensduur moet worden gerepareerd – met elke reparatie die een post-las stress-relief cyclus vereist – zorg er dan voor dat het toevoegmetaal de gewenste mechanische eigenschappen blijft leveren na de totale stress-relief tijd.
Onder-matching van de treksterkte van het 4130 en 4140 basismetaal – het kiezen van een toevoegmetaal dat zwakker is dan het basismetaal – maakt verbetering van de vervormbaarheid van het lasmetaal en de vermoeiingslevensduur mogelijk, maar kan de las niet toestaan om hoge spanningen te weerstaan die door het ontwerp van een bepaald component worden vereist. Overmatching van de treksterkte van 4130 en 4140 lassen – het kiezen van een toevoegmetaal dat sterker is dan het basismetaal – wordt gewoonlijk niet aanbevolen, aangezien de extra treksterkte correleert met een verlies aan vervormbaarheid die de scheurgevoeligheid van het lasmetaal verder kan verhogen. Lassen die na het lassen gegloeid of genormaliseerd moeten worden, kunnen baat hebben bij een 4130 of 4140 toevoegmetaal, respectievelijk. Hoewel 4130 en 4140 toevoegmetalen een brosse neersmelt opleveren, herstelt de “reset” microstructuur die door gloeien of normaliseren wordt verkregen de taaiheid van zowel het lasmetaal als het door warmte aangetaste basismetaal.
Lassen die na het lassen moeten worden afgeschrikt en ontlaten vereisen het gebruik van een 4130 of 4140 toevoegmetaal, aangezien de meeste laaggelegeerde toevoegmetalen met voldoende treksterkte de koolstof missen die nodig is om op de juiste wijze te reageren na een afschrik- en ontlaatoptie. - Pas voorverwarming toe. De hogere hardbaarheid van 4130 en 4140 staalsoorten verhoogt het gemak waarmee een harde, brosse microstructuur in de warmte-beïnvloede zone of verdund lasmetaal wordt gevormd na het lassen. Voorverwarmen is noodzakelijk om consistente lassen van hoge kwaliteit te verkrijgen. Het instellen en handhaven van een minimum voorverwarmings- en interpasstemperatuur vertraagt de afkoelsnelheid van de las en het basismetaal om de vorming van brosse microstructuren te voorkomen of te minimaliseren. Zorg voor een goede voorverwarming door voldoende temperaturen te gebruiken, typisch van 550 °F tot 800 °F bij het lassen van dikke componenten, en verwarm door de volledige dikte van het basismateriaal, eerder dan enkel aan de oppervlakte temperatuur te bereiken. Het gebruik van inductieverwarming kan helpen om op efficiënte wijze een goede verwarming van het gehele onderdeel te verkrijgen. Zorg er ook voor dat u de voorverwarmingstemperatuur op voldoende afstand van de lasverbinding instelt, gewoonlijk minimaal drie inches in alle richtingen. Grotere lasstukken kunnen baat hebben bij een nog groter voorverwarmingsgebied rond de lasverbinding.
- Voer het lassen uit. Net als bij de voorverwarmings- en interpasstemperatuur, kan een te lage warmte-inbreng de afkoelsnelheid van de las versnellen tot een punt waar zich brosse microstructuren vormen, hetgeen de vervormbaarheid en taaiheid schaadt. De warmte-inbreng wordt verhoogd door de spanning en de stroomsterkte te verhogen en de voortloopsnelheid te verlagen. Overweeg de effecten van deze variabelen bij het ontwikkelen van een lasprocedure voor het verbinden van 4130 en 4140 staalsoorten.
- Langzame afkoeling. Het enige tijd na het lassen op de voorverwarmtemperatuur houden van het lasstuk, gevolgd door het afdekken van het lasstuk in keramische isolatie, is gunstig omdat dit de diffusie van waterstof uit het lasmetaal en de warmte-beïnvloede zone (HAZ) mogelijk maakt. Een wachttijd van 30 minuten tot een uur per 1 inch dikte van het basismateriaal wordt aanbevolen. Dit proces is informeel bekend als waterstof uitbakken, en het is verschillend van spanningsarm maken na het lassen.
- Pas na het lassen een warmtebehandeling toe. Warmtebehandeling na het lassen kan helpen bij het verlichten van spanningen die door het lassen zijn ontstaan en die kunnen bijdragen tot scheurvorming in de afgewerkte las. Het wegnemen van deze restspanningen kan ook nuttig zijn vóór het bewerken om te helpen nauwe toleranties te handhaven. Dun materiaal (minder dan 1/8 inch dik) heeft meestal geen spanningsontlasting nodig omdat scheurvorming minder een probleem is. Dikkere materialen worden gewoonlijk spanningsarm gemaakt bij 1.050 graden F tot 1.250 graden F gedurende ongeveer een uur per inch dikte van het basismateriaal. Zoals eerder vermeld, overweeg altijd de tijden en de temperatuur van een post-las thermische behandeling – of PWHT, het uitgloeien, het normaliseren, of het afschrikken en het aanmaken – om ervoor te zorgen dat het te gebruiken toevoegmetaal adequate mechanische eigenschappen zal verstrekken of handhaven.
TIPS VOOR HET HERSTELLEN VAN 4130 EN 4140 STAAL
Het herstellen van 4130 of 4140 staal is vaak ingewikkelder dan nieuwe vervaardiging met de materialen aangezien de component die wordt hersteld versleten, vettig of vuil kan zijn. Het kan ook moeilijker zijn om informatie over de voorafgaande thermische behandeling van het materiaal te verzamelen. Raadpleeg altijd de oorspronkelijke materiaalinformatie als leidraad en om een beter inzicht te krijgen in eventuele thermische behandelingen of ontwerpvereisten van het onderdeel. Het is vooral belangrijk om te weten hoe het onderdeel een warmtebehandeling heeft ondergaan – of het gegloeid, genormaliseerd, uitgeblust en ontlaten of vlamgehard is – alvorens een reparatie uit te voeren. Een onderdeel dat bijvoorbeeld uitgegloeid en ontlaten is, is doorgaans minder taai en scheurgevoeliger, waardoor het veel moeilijker te repareren is. In deze gevallen kan plaatselijk gloeien of normaliseren rond de las vóór de reparatie helpen, maar wees u ervan bewust dat dit de sterkte van het materiaal aantast. Een hardingsproduct kan nodig zijn als de hardheid van het oppervlak een primaire overweging was. Als herstel van de sterkte van het basismateriaal noodzakelijk is, kan het na de reparatie opnieuw worden geconditioneerd met behulp van een thermische behandeling.
Een goede voorbereiding van het materiaal vóór de reparatie helpt ook om een hoge laskwaliteit te garanderen. Lassen over olie of vet kan bijdragen tot poreusheid in het lasmetaal en diffundeerbare waterstof in de lasafzetting, waardoor de kans op waterstofgeïnduceerde scheurvorming toeneemt. Het eenvoudig verwijderen van zichtbare olie en vet kan niet voldoende zijn. Overweeg in plaats daarvan stoomontvetting om verontreinigingen te verwijderen die diep in de poriën van het basismateriaal zijn ingesloten en door de hoge temperaturen zijn opengegaan. Hier zijn enkele aanvullende tips voor twee specifieke soorten reparaties:
- Scheurreparatie: Ongeacht het basismateriaal, scheurreparatie is gecompliceerd. Reparaties hebben vaak te lijden van een hogere voegbeperking die extra spanning introduceert en het risico van scheuren verhoogt. Voordat u reparaties uitvoert, moet u een inspectie met kleurstofpenetrant (PT) of magnetische deeltjes (MT) uitvoeren om de volledige omvang van de scheur vast te stellen. Verwijder het gescheurde gebied met behulp van slijpen of een booggutsproces. Het verwijderde gebied zou een brede “V” of “U” moeten vormen om gebrek aan fusie of verhardingsscheuren te helpen verhinderen die tijdens lassen voorkomen. Gebruik voorverwarming bij het booggutsen om dezelfde redenen als voorverwarming bij het lassen. Om het risico te minimaliseren dat een bestaande scheur zich tijdens een reparatie blijft uitbreiden, boor beide uiteinden van de scheur. Alvorens te lassen moet u ervoor zorgen dat de scheur volledig is verwijderd, opnieuw met PT of MT. Na deze uitgebreide voorbereiding kan het lassen eindelijk beginnen.
- Opbouw en overlay: Dit type reparatie verwijst naar het herstellen van onderdelen naar hun oorspronkelijke afmetingen en, in het geval van overlay, het aanbrengen van een afzetting die een hardheid biedt die vergelijkbaar is met wat kan worden bereikt door afschrikken en ontlaten of case hardening. Om deze reparaties tot een goed einde te brengen, moet u overwegen om vulmetalen op te bouwen en te overlakken. Overlay producten zijn meestal harder dan build-up producten, maar hebben vaak diktebeperkingen, terwijl build-up producten dat meestal niet hebben. Dit betekent dat bij gebruik van overlayproducten boven een bepaald aantal lagen, de lasafzetting geen goede vervormbaarheid heeft en scheurgevoelig kan zijn of gewoon van het basismetaal kan afsplinteren. Opbouwproducten worden gebruikt om een product weer op maat te maken wanneer de dikte die moet worden hersteld groter is dan die welke is toegestaan voor een oplegproduct.
SLOTOPMERKINGEN
Omwille van de hoge hardbaarheid van 4130 en 4140 staalsoorten, zijn de selectie van het toevoegmetaal, de waterstofcontrole en de afkoelsnelheid kritische overwegingen om de beste resultaten te verkrijgen. Om succes te verzekeren in lastoepassingen voor zwaar materiaal:
- Verifieer alle ontwerpvereisten en thermische behandeling van het basismateriaal alvorens te lassen.
- Kies een toevoegmetaal dat voldoende mechanische eigenschappen biedt voor delen die in de als-gelaste of spanning-ontlaste voorwaarden worden gelaten.
- Kies een toevoegmetaal dat overeenkomt met de chemie van het basismetaal voor onderdelen die moeten worden gegloeid, genormaliseerd, of afgeschrikt en ontlaten na het lassen.
- Kies een minimale warmte-inbreng en voorverwarmings-/tussentemperatuur om de afkoelsnelheid van de las te helpen vertragen.