Wyrób i naprawa wałów, kół zębatych, odkuwek i wielu innych zastosowań w ciężkim sprzęcie wymaga materiałów, które mogą wytrzymać trudne, wymagające warunki. W takich przypadkach często stosowane są stale niskostopowe AISI/SAE 4130 i 4140, ponieważ ich skład chemiczny pozwala na obróbkę cieplną w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i twardości. Specyfikacje AISI/SAE 4130 i 4140 odnoszą się tylko do zakresu składu chemicznego, w przeciwieństwie do zarówno składu chemicznego, jak i zakresu właściwości mechanicznych. Zarówno 4130 i 4140 mają węgla, chromu (0,80 procent do 1,15 procent) i molibdenu (0,15 procent do 0,25 procent) jako pierwszorzędnych pierwiastków stopowych. Różnią się one nieznacznie w ich zawartości węgla: 4130 ma nominalnie 0,3 procenta węgla, podczas gdy 4140 ma nominalnie 0,4 procenta. Wytrzymałość obu materiałów może się znacznie zmieniać w zależności od przeprowadzonej obróbki cieplnej: wyżarzania, normalizacji lub hartowania i odpuszczania. Hartowanie płomieniowe może być stosowane w celu dodatkowego utwardzenia zewnętrznej części tych materiałów, przy jednoczesnym zachowaniu stosunkowo miękkiego wnętrza.
Jego wytrzymałość sprawia, że stale 4130 i 4140 dobrze nadają się do elementów takich jak koła zębate, które wymagają dużej wytrzymałości i trwałości. Jednakże, wyższe poziomy węgla, chromu i molibdenu, które sprawiają, że materiały te są mocne i wysoce hartowalne, czynią je również bardziej podatnymi na pękanie. Rozważ wspólne wyzwania i najlepsze praktyki dotyczące spawania stali 4130 i 4140, zarówno w przypadku produkcji nowych elementów, jak i spawania naprawczego, oraz dowiedz się, w jaki sposób odpowiedni materiał spawalniczy może pomóc w osiągnięciu sukcesu.
WSKAZÓWKI DOTYCZĄCE SPAWANIA STALI 4130 I 4140
Wiele z wyzwań i najlepszych praktyk dotyczących spawania stali 4130 i 4140 jest takich samych, niezależnie od tego, czy zastosowanie obejmuje spawanie nowego materiału, czy też wykonywanie napraw. Rozważ sześć ważnych kroków podczas spawania lub naprawy stali 4130 i 4140:
- Zidentyfikuj obróbkę cieplną. Nowa produkcja jest zazwyczaj wykonywana na materiale w stanie wyżarzonym lub normalizowanym. Nie zaleca się spawania stali 4130 lub 4140 w stanie ulepszonym cieplnie lub utwardzonym bez uprzedniego przeprowadzenia wyżarzania lub normalizacji w obszarze, który ma być spawany.
- Wybierz spoiwo. Wybór odpowiedniego spoiwa dla stali 4130 i 4140 zależy od stanu materiału przed spawaniem, wymagań konstrukcyjnych elementu oraz pożądanego stanu materiału po spawaniu. W przypadku materiału pozostawionego w stanie po spawaniu lub po odprężeniu, czynnikiem decydującym o wyborze spoiwa jest wytrzymałość na rozciąganie metalu rodzimego w stanie dostarczonym. Typowym rozwiązaniem jest użycie niskostopowego materiału wypełniającego, który nie ma takiego samego składu chemicznego jak materiał podstawowy 4130/4140, ale który nadal zapewnia odpowiednie właściwości mechaniczne zarówno w stanie po spawaniu, jak i po obróbce cieplnej (PWHT). Jednakże, jeśli komponent ma być naprawiany wielokrotnie w ciągu swojego życia – z każdą naprawą wymagającą cyklu odprężania po spawaniu – upewnij się, że materiał wypełniający będzie nadal zapewniał pożądane właściwości mechaniczne po całkowitym czasie odprężania.
Niedostosowanie wytrzymałości na rozciąganie materiału podstawowego 4130 i 4140 – wybór materiału wypełniającego, który jest słabszy niż materiał podstawowy – pozwala na poprawę plastyczności i trwałości zmęczeniowej spoiny, ale może nie pozwolić spoinie wytrzymać wysokich naprężeń wymaganych przez projekt danego komponentu. Nadmierne dopasowanie wytrzymałości na rozciąganie spoin 4130 i 4140 – wybór spoiwa mocniejszego niż metal podstawowy – jest zwykle niezalecane, ponieważ dodatkowa wytrzymałość na rozciąganie wiąże się z utratą plastyczności, która może dodatkowo zwiększyć podatność spoiny na pękanie. Spoiny, które mają być wyżarzane lub normalizowane po spawaniu, mogą skorzystać z wypełniacza 4130 lub 4140, odpowiednio. Chociaż 4130 i 4140 metali wypełniaczy produkować kruche po spawaniu depozyt, „reset” mikrostruktury zapewnione przez wyżarzania lub normalizacji przywraca plastyczność zarówno metalu spoiny i ciepła dotkniętego metalu bazowego.- Wykonaj spawanie. Podobnie jak w przypadku podgrzewania wstępnego i temperatury międzyściegowej, gdy dopływ ciepła jest zbyt niski, może on przyspieszyć tempo chłodzenia spoiny do punktu, w którym tworzą się kruche mikrostruktury, co szkodzi plastyczności i ciągliwości. Dopływ ciepła zwiększa się poprzez zwiększenie napięcia i natężenia prądu oraz zmniejszenie prędkości przesuwu. Rozważ wpływ tych zmiennych podczas opracowywania procedury spawania dla łączenia stali 4130 i 4140.
- Powolne chłodzenie. Utrzymanie spoiny w temperaturze podgrzewania przez pewien czas po spawaniu, a następnie przykrycie spoiny izolacją ceramiczną jest korzystne, ponieważ umożliwia dyfuzję wodoru ze spoiny i strefy wpływu ciepła (HAZ). Zalecany jest czas przetrzymywania od 30 minut do godziny na jeden cal grubości materiału podstawowego. Proces ten jest nieformalnie znany jako wypalanie wodorowe i różni się od odprężania po spawaniu.
- Zastosuj obróbkę cieplną po spawaniu. Obróbka cieplna po spawaniu może pomóc złagodzić naprężenia powstałe podczas spawania, które mogą przyczynić się do pęknięć w gotowej spoinie. Uwolnienie tych naprężeń szczątkowych może być również korzystne przed obróbką mechaniczną, aby pomóc w utrzymaniu ścisłych tolerancji. Cienkie materiały (o grubości mniejszej niż 1/8 cala) zazwyczaj nie wymagają odprężania, ponieważ pękanie jest mniejszym problemem. Grubsze materiały są zwykle odprężane w temperaturze od 1050 do 1250 stopni F przez około jedną godzinę na cal grubości materiału podstawowego. Jak wspomniano wcześniej, zawsze należy rozważyć czas i temperaturę obróbki cieplnej po spawaniu – czy to PWHT, wyżarzanie, normalizowanie, czy hartowanie i odpuszczanie – aby upewnić się, że wypełniacz, który ma być użyty, zapewni lub utrzyma odpowiednie właściwości mechaniczne.
WSKAZÓWKI DOTYCZĄCE NAPRAWY STALI 4130 I 4140
Naprawa stali 4130 lub 4140 jest często bardziej skomplikowana niż produkcja nowych materiałów, ponieważ naprawiany element może być zużyty, tłusty lub brudny. Trudniejsze może być również zebranie informacji o wcześniejszej obróbce cieplnej materiału. Zawsze należy zapoznać się z informacjami dotyczącymi oryginalnego wyposażenia, aby uzyskać wskazówki i lepiej zrozumieć obróbkę termiczną lub wymagania konstrukcyjne danego elementu. Szczególnie ważne jest określenie sposobu obróbki cieplnej części – czy jest wyżarzana, normalizowana, hartowana i odpuszczana, czy hartowana ogniowo – przed wykonaniem naprawy. Część, która była hartowana i odpuszczana, na przykład, jest zwykle mniej plastyczna i bardziej wrażliwa na pęknięcia, co czyni ją znacznie trudniejszą do naprawy. W takich przypadkach, miejscowe wyżarzanie lub normalizacja wokół spoiny przed naprawą może pomóc, ale należy pamiętać, że wpływa to na wytrzymałość materiału. Jeżeli twardość powierzchni była głównym kryterium, może być konieczne zastosowanie produktu do napawania. Jeśli konieczne jest przywrócenie wytrzymałości materiału podstawowego, można go ponownie kondycjonować za pomocą obróbki termicznej po naprawie.
Właściwe przygotowanie materiału przed naprawą pomaga również zapewnić wysoką jakość spoiny. Spawanie nad olejem lub smarem może przyczynić się do powstania porowatości w spoinie i dyfundującego wodoru w osnowie spoiny, zwiększając potencjał pękania indukowanego wodorem. Samo usunięcie widocznego oleju i smaru może nie być wystarczające. Zamiast tego należy rozważyć odtłuszczanie parowe, aby usunąć zanieczyszczenia uwięzione głęboko w porach materiału podstawowego, które zostały otwarte w wyniku działania podwyższonej temperatury. Oto kilka dodatkowych wskazówek dotyczących dwóch konkretnych rodzajów napraw:
- Naprawa pęknięć: Niezależnie od materiału bazowego, naprawa pęknięć jest skomplikowana. Naprawy często cierpią z powodu większych ograniczeń stawów, które wprowadzają dodatkowe naprężenia i zwiększają ryzyko pęknięć. Przed przystąpieniem do naprawy należy przeprowadzić inspekcję barwnikową (PT) lub magnetyczno-proszkową (MT) w celu określenia pełnego zakresu pęknięcia. Usuń pęknięty obszar za pomocą szlifowania lub żłobienia łukowego. Usunięty obszar powinien tworzyć szeroką literę „V” lub „U”, aby zapobiec pęknięciom związanym z brakiem wtopienia lub krzepnięciem podczas spawania. Podczas żłobienia łukowego należy stosować podgrzewanie wstępne z tych samych powodów, z jakich podgrzewanie wstępne jest stosowane podczas spawania. Aby zminimalizować ryzyko dalszego rozprzestrzeniania się istniejącego pęknięcia podczas naprawy, należy nawiercić oba końce pęknięcia. Przed spawaniem należy upewnić się, że pęknięcie zostało całkowicie usunięte, również za pomocą PT lub MT. Po tak gruntownym przygotowaniu można wreszcie przystąpić do spawania.
- Odbudowa i nakładanie: Ten rodzaj naprawy odnosi się do przywracania elementów do ich oryginalnych wymiarów i, w przypadku nakładania, nakładania osadu, który zapewnia twardość porównywalną do tej, jaką można uzyskać poprzez hartowanie i odpuszczanie lub hartowanie powierzchniowe. Aby z powodzeniem wykonać te naprawy, należy rozważyć zastosowanie wypełniaczy typu build-up i overlay. Produkty do nakładania są zwykle twardsze niż produkty do nakładania, ale często mają ograniczenia grubości, podczas gdy produkty do nakładania zwykle nie mają takich ograniczeń. Oznacza to, że przy użyciu produktów nakładkowych powyżej pewnej liczby warstw, złoże spoiny nie ma dobrej plastyczności i może być wrażliwe na pęknięcia lub po prostu odpryskiwać od metalu bazowego. Produkty do napawania są używane do przywracania produktu do wymiarów, gdy grubość do przywrócenia przekracza grubość dozwoloną dla produktu nakładkowego.
ROZMOWY KOŃCOWE
Ze względu na wysoką hartowność stali 4130 i 4140, dobór metalu wypełniacza, kontrola wodoru i szybkość chłodzenia są czynnikami krytycznymi dla uzyskania najlepszych wyników. Aby zapewnić powodzenie w zastosowaniach związanych ze spawaniem ciężkiego sprzętu:
- Weryfikuj wszystkie wymagania projektowe i obróbkę cieplną materiału podstawowego przed spawaniem.
- Wybierz spoiwo, które zapewnia wystarczające właściwości mechaniczne dla części pozostawionych w stanie po spawaniu lub po odprężeniu.
- Wybierz spoiwo, które pasuje do składu chemicznego metalu podstawowego dla komponentów, które mają być wyżarzane, normalizowane lub ulepszane cieplnie po spawaniu.
- Wybierz minimalny dopływ ciepła i temperaturę podgrzewania wstępnego/przejściowego, aby pomóc w spowolnieniu tempa chłodzenia spoiny.
.