Fabricarea și repararea arborilor, a angrenajelor, a pieselor forjate și multe alte aplicații pentru echipamente grele necesită materiale care pot rezista la condiții dure și solicitante. În aceste cazuri, oțelurile slab aliate AISI/SAE 4130 și 4140 sunt adesea folosite deoarece compoziția lor chimică le permite să fie tratate termic până la o rezistență ridicată la tracțiune și duritate. Specificațiile AISI/SAE 4130 și 4140 se referă doar la o gamă de compoziție chimică, spre deosebire de o gamă atât de compoziție chimică, cât și de proprietăți mecanice. Atât 4130, cât și 4140 au carbon, crom (0,80% până la 1,15%) și molibden (0,15% până la 0,25%) ca elemente de aliere primare. Ele diferă ușor în ceea ce privește conținutul de carbon: 4130 are un conținut nominal de carbon de 0,3 la sută, în timp ce 4140 are un conținut nominal de 0,4 la sută. Rezistența ambelor materiale se poate schimba foarte mult în funcție de tratamentul termic care a fost efectuat: recoacere, normalizare sau călire și revenire. Călirea prin flacără poate fi folosită pentru a căli suplimentar exteriorul acestor materiale, păstrând în același timp interiorul relativ moale.
Rezistența lor face ca oțelurile 4130 și 4140 să fie bine adaptate pentru componente precum angrenajele care necesită rezistență și durabilitate ridicată. Cu toate acestea, nivelurile mai ridicate de carbon, crom și molibden care fac ca aceste materiale să fie puternice și foarte călibile le fac, de asemenea, mai sensibile la fisurare. Luați în considerare provocările comune și cele mai bune practici pentru sudarea oțelurilor 4130 și 4140, atât în cazul fabricării de materiale noi, cât și în cazul sudării de reparații, și modul în care metalul de adaos potrivit poate contribui la asigurarea succesului.
STOPURI PENTRU SUDAREA OTELURILOR 4130 ȘI 4140
Multe dintre provocările și cele mai bune practici pentru sudarea oțelurilor 4130 și 4140 sunt aceleași, indiferent dacă aplicația implică sudarea de materiale noi sau efectuarea de reparații. Luați în considerare acești șase pași importanți atunci când sudați sau reparați 4130 și 4140:
- Identificați tratamentul termic. Fabricația nouă se realizează de obicei pe material în stare recoaptă sau normalizată. Nu se recomandă să sudați oțelul 4130 sau 4140 în condiții de călire și revenire sau călire fără a efectua mai întâi recoacerea sau normalizarea în zona care urmează să fie sudată.
- Selectați un metal de adaos. Alegerea metalului de adaos adecvat pentru oțelurile 4130 și 4140 depinde de starea materialului înainte de sudare, de cerințele de proiectare a componentei și de starea dorită a materialului după sudare. Pentru materialele lăsate în condiții de sudare sau de relaxare a tensiunilor după sudare, potrivirea rezistenței la tracțiune a metalului de bază așa cum este furnizat este un factor determinant comun în timpul selecției metalului de adaos. În mod obișnuit, se utilizează un metal de adaos slab aliat care nu are aceeași compoziție chimică ca și materialul de bază 4130/4140, dar care oferă totuși proprietăți mecanice adecvate atât pentru starea de sudare, cât și pentru cea de tratare termică post-sudare (PWHT). Cu toate acestea, dacă o componentă urmează să fie reparată de mai multe ori pe parcursul duratei sale de viață – fiecare reparație necesitând un ciclu de reducere a tensiunilor după sudare – asigurați-vă că metalul de adaos va continua să ofere proprietățile mecanice dorite după timpul total de reducere a tensiunilor.
Subcorectarea rezistenței la tracțiune a metalului de bază 4130 și 4140 – alegerea unui metal de adaos care este mai slab decât metalul de bază – permite îmbunătățirea ductilității și a duratei de viață la oboseală a metalului sudat, dar este posibil să nu permită sudurii să reziste la tensiunile ridicate cerute de proiectarea unei anumite componente. Supraegalarea rezistenței la tracțiune a sudurilor 4130 și 4140 – alegerea unui metal de adaos care este mai rezistent decât metalul de bază – nu este de obicei recomandată, deoarece rezistența suplimentară la tracțiune se corelează cu o pierdere de ductilitate care poate crește și mai mult susceptibilitatea la fisuri a metalului sudat. Sudurile care urmează să fie recoapte sau normalizate după sudare pot beneficia de un metal de adaos 4130, respectiv 4140. Deși metalele de adaos 4130 și 4140 produc un depozit fragil în stare sudată, microstructura „resetată” oferită de recoacere sau normalizare restabilește ductilitatea atât a metalului sudat, cât și a metalului de bază afectat de căldură.
Sudurile care urmează să fie supuse la călire și revenire după sudare necesită utilizarea unui metal de adaos 4130 sau 4140, deoarece majoritatea metalelor de adaos slab aliate cu rezistență suficientă la tracțiune nu au carbonul necesar pentru a răspunde corespunzător în urma opțiunii de călire și revenire. - Aplicați preîncălzirea. Duritatea mai mare a oțelurilor 4130 și 4140 crește ușurința cu care se formează o microstructură dură și fragilă în zona afectată de căldură sau în metalul sudat diluat în urma sudării. Preîncălzirea este necesară pentru a obține suduri consistente și de înaltă calitate. Stabilirea și menținerea unei temperaturi minime de preîncălzire și de trecere intermediară încetinește viteza de răcire a sudurii și a metalului de bază pentru a preveni sau minimiza formarea de microstructuri fragile. Asigurați o preîncălzire adecvată prin utilizarea unor temperaturi suficiente, de obicei de la 550 grade F la 800 grade F atunci când se sudează componente groase, și încălzirea pe întreaga grosime a materialului de bază, mai degrabă decât atingerea temperaturii doar la suprafață. Utilizarea încălzirii prin inducție poate ajuta la obținerea eficientă a unei încălziri adecvate pe întreaga piesă. De asemenea, asigurați-vă că stabiliți temperatura de preîncălzire la o distanță suficientă față de îmbinarea de sudură, de obicei la o distanță minimă de cinci centimetri în toate direcțiile. Piesele sudate mai mari pot beneficia de o zonă de preîncălzire chiar mai mare în jurul îmbinării sudate.
- Efectuați sudarea. Similar cu temperatura de preîncălzire și temperatura de întrepătrundere, atunci când aportul de căldură este prea mic, acesta poate accelera rata de răcire a sudurii până la un punct în care se formează microstructuri fragile, ceea ce dăunează ductilității și durității. Aportul de căldură se mărește prin creșterea tensiunii și a amperajului și prin reducerea vitezei de deplasare. Luați în considerare efectele acestor variabile atunci când elaborați o procedură de sudare pentru îmbinarea oțelurilor 4130 și 4140.
- Răcire lentă. Menținerea piesei sudate la temperatura de preîncălzire pentru o anumită perioadă de timp după sudare, urmată de acoperirea piesei sudate cu o izolație ceramică, este benefică deoarece aceasta permite difuzia hidrogenului din metalul sudat și din zona afectată de căldură (HAZ). Se recomandă un timp de menținere de 30 de minute până la o oră pentru fiecare centimetru de grosime a materialului de bază. Acest proces este cunoscut neoficial sub denumirea de „hydrogen bake-out” și este diferit de descărcarea de tensiuni post-sudare.
- Aplicați tratamentul termic post-sudare. Tratamentul termic post-sudare poate ajuta la ameliorarea tensiunilor create prin sudare care pot contribui la apariția fisurilor în sudura finită. Eliberarea acestor tensiuni reziduale poate fi, de asemenea, benefică înainte de prelucrare pentru a ajuta la menținerea unor toleranțe strânse. Materialul subțire (cu o grosime mai mică de 1/8 inch) nu necesită în mod obișnuit eliberarea de tensiuni, deoarece fisurarea este mai puțin îngrijorătoare. Materialele mai groase sunt, de obicei, eliberate de tensiuni la o temperatură cuprinsă între 1.050 și 1.250 de grade F, timp de aproximativ o oră pentru fiecare centimetru de grosime a materialului de bază. După cum s-a menționat anterior, luați întotdeauna în considerare timpii și temperatura unui tratament termic post-sudare – fie că este vorba de PWHT, recoacere, normalizare sau călire și revenire – pentru a vă asigura că metalul de adaos care urmează să fie utilizat va oferi sau va menține proprietăți mecanice adecvate.
Tipuri pentru repararea oțelului 4130 și 4140
Repararea oțelului 4130 sau 4140 este adesea mai complicată decât o nouă fabricare cu aceste materiale, deoarece componenta care se repară poate fi uzată, unsuroasă sau murdară. De asemenea, poate fi mai dificil să se adune informații despre tratamentul termic anterior al materialului. Consultați întotdeauna informațiile despre echipamentul original pentru îndrumare și pentru a obține o mai bună înțelegere a oricăror tratamente termice sau cerințe de proiectare ale componentei. Este deosebit de important să identificați modul în care piesa a fost tratată termic – dacă este recoaptă, normalizată, căzută și revenită sau întărită la flacără – înainte de a finaliza o reparație. O piesă care a fost călit și revenit, de exemplu, este de obicei mai puțin ductilă și mai sensibilă la fisuri, ceea ce o face mult mai dificil de reparat. În aceste cazuri, recoacerea sau normalizarea localizată în jurul sudurii înainte de reparație poate fi de ajutor, dar fiți conștienți că acest lucru afectează rezistența materialului. Este posibil să fie necesar un produs de întărire dacă duritatea suprafeței a fost un considerent principal. Dacă este necesară restabilirea rezistenței materialului de bază, acesta poate fi condiționat din nou cu ajutorul unui tratament termic după reparație.
Pregătirea corespunzătoare a materialului înainte de reparație ajută, de asemenea, la asigurarea unei calități ridicate a sudurii. Sudarea peste ulei sau grăsime poate contribui la porozitate în metalul sudat și la hidrogen difuzibil în depozitul de sudură, crescând potențialul de fisurare indusă de hidrogen. Simpla îndepărtare a uleiului și a grăsimii vizibile poate să nu fie suficientă. În schimb, luați în considerare degresarea cu abur pentru a îndepărta contaminanții prinși adânc în porii materialului de bază, deschiși de temperaturile ridicate. Iată câteva sfaturi suplimentare pentru două tipuri specifice de reparații:
- Repararea fisurilor: Indiferent de materialul de bază, repararea fisurilor este complicată. Reparațiile suferă adesea din cauza unei constrângeri mai mari a îmbinărilor care introduce tensiuni suplimentare și crește riscul de fisurare. Înainte de a încerca să efectuați reparații, efectuați o inspecție cu colorant (PT) sau cu particule magnetice (MT) pentru a identifica amploarea completă a fisurii. Îndepărtați zona fisurată folosind șlefuirea sau un procedeu de sablare cu arc electric. Zona îndepărtată ar trebui să formeze un „V” sau un „U” larg pentru a ajuta la prevenirea apariției fisurilor de lipsă de fuziune sau de solidificare în timpul sudării. Folosiți preîncălzirea atunci când efectuați un proces de sablare cu arc electric din aceleași motive pentru care se folosește preîncălzirea în timpul sudării. Pentru a minimiza riscul ca o fisură existentă să continue să se propage în timpul unei reparații, găuriți ambele capete ale fisurii. Înainte de sudare, asigurați-vă că fisura a fost îndepărtată complet, din nou fie cu PT, fie cu MT. După această pregătire extinsă, sudarea poate începe în sfârșit.
- Construire și suprapunere: Acest tip de reparație se referă la readucerea componentelor la dimensiunile lor inițiale și, în cazul suprapunerii, la aplicarea unui depozit care asigură o duritate comparabilă cu cea care poate fi obținută prin călire și revenire sau prin cementare. Pentru a finaliza cu succes aceste reparații, luați în considerare utilizarea metalelor de adaos de acumulare și suprapunere. Produsele de suprapunere tind să fie mai dure decât cele de adaos, dar au adesea limitări de grosime, în timp ce produsele de adaos de obicei nu au. Acest lucru înseamnă că, atunci când se utilizează produse de suprapunere dincolo de un anumit număr de straturi, depozitul de sudură nu are o ductilitate bună și poate fi sensibil la fisuri sau pur și simplu se desprinde de metalul de bază. Produsele de reconstituire sunt utilizate pentru a readuce un produs la dimensiuni atunci când grosimea care trebuie refăcută o depășește pe cea permisă pentru un produs de suprapunere.
Gânduri de încheiere
Din cauza temperabilității ridicate a oțelurilor 4130 și 4140, selecția metalului de adaos, controlul hidrogenului și viteza de răcire sunt considerente critice pentru a obține cele mai bune rezultate. Pentru a contribui la asigurarea succesului în aplicațiile de sudare a echipamentelor grele:
- Verificați toate cerințele de proiectare și tratamentul termic al materialului de bază înainte de sudare.
- Alegeți un metal de adaos care să ofere proprietăți mecanice suficiente pentru piesele lăsate în starea de sudare sau de relaxare a tensiunilor.
- Alegeți un metal de adaos care se potrivește cu chimia metalului de bază pentru componentele care urmează să fie recoapte, normalizate sau călite și revenite după sudare.
- Selectați o intrare minimă de căldură și o temperatură minimă de preîncălzire/întrerupere pentru a ajuta la încetinirea vitezei de răcire a sudurii.
.