Akselien, hammaspyörien, takomoiden ja monien muiden raskaiden laitteiden valmistuksessa ja korjauksessa tarvitaan materiaaleja, jotka kestävät kovia ja vaativia olosuhteita. Näissä tapauksissa käytetään usein AISI/SAE 4130- ja 4140-matalaseosteisia teräksiä, koska niiden kemiallinen koostumus mahdollistaa niiden lämpökäsittelyn korkeaan vetolujuuteen ja kovuuteen. AISI/SAE 4130- ja 4140-spesifikaatioissa viitataan ainoastaan kemiallisen koostumuksen alueeseen, toisin kuin sekä kemiallisen koostumuksen että mekaanisten ominaisuuksien alueeseen. Sekä 4130 että 4140 sisältävät hiiltä, kromia (0,80-1,15 prosenttia) ja molybdeeniä (0,15-0,25 prosenttia) ensisijaisina seosaineina. Ne eroavat hieman toisistaan hiilipitoisuuden osalta: 4130:n nimellinen hiilipitoisuus on 0,3 prosenttia ja 4140:n nimellinen hiilipitoisuus on 0,4 prosenttia. Molempien materiaalien lujuus voi muuttua suuresti riippuen suoritetusta lämpökäsittelystä: hehkutus, normalisointi tai karkaisu. Liekkikarkaisua voidaan käyttää näiden materiaalien ulkopinnan lisäkarkaisuun pitäen sisäpinnan suhteellisen pehmeänä.
Lujuuden ansiosta 4130- ja 4140-teräkset soveltuvat hyvin komponentteihin, kuten hammaspyöriin, jotka vaativat suurta lujuutta ja kestävyyttä. Korkeammat hiili-, kromi- ja molybdeenipitoisuudet, jotka tekevät näistä materiaaleista vahvoja ja erittäin kovettuvia, tekevät niistä kuitenkin myös alttiimpia halkeilulle. Pohdi 4130- ja 4140-terästen hitsauksen yleisiä haasteita ja parhaita käytäntöjä sekä uusien kappaleiden valmistuksessa että korjaushitsauksessa sekä sitä, miten oikea lisäaine voi auttaa varmistamaan onnistumisen.
VINKKEJÄ 4130- JA 4140-TERÄSTEN HITSAUKSEEN
Monet 4130- ja 4140-terästen hitsauksen haasteet ja parhaat käytännöt ovat samoja riippumatta siitä, onko kyse uuden materiaalin hitsauksesta vai korjauksesta. Ota huomioon nämä kuusi tärkeää vaihetta hitsattaessa tai korjattaessa 4130- ja 4140-teräksiä:
- Tunnista lämpökäsittely. Uusi valmistus tehdään tyypillisesti hehkutetussa tai normalisoidussa tilassa olevalle materiaalille. Ei ole suositeltavaa hitsata 4130- tai 4140-terästä karkaistussa tai kotelokarkaistussa tilassa suorittamatta ensin hehkutusta tai normalisointia hitsattavalla alueella.
- Valitse lisäaine. Oikean lisäainemetallin valinta 4130- ja 4140-teräksille riippuu materiaalin kunnosta ennen hitsausta, komponentin suunnitteluvaatimuksista ja materiaalin halutusta kunnosta hitsauksen jälkeen. Kun materiaali jätetään hitsaamattomaan tai hitsauksen jälkeiseen jännityksenvapautettuun tilaan, perusmetallin vetolujuuden yhteensovittaminen sellaisenaan on yleinen määräävä tekijä lisäainemetallia valittaessa. Tyypillistä on käyttää matalaseosteista lisäainetta, joka ei ole kemialliselta koostumukseltaan samanlainen kuin 4130/4140-perusaine, mutta jolla on silti sopivat mekaaniset ominaisuudet sekä hitsaamattomassa että hitsauksen jälkeisessä lämpökäsittelyssä (PWHT). Jos komponenttia on kuitenkin tarkoitus korjata useita kertoja sen elinkaaren aikana – ja jokainen korjaus vaatii hitsauksen jälkeisen jännityksenpoistojakson – on varmistettava, että lisäaineella on halutut mekaaniset ominaisuudet koko jännityksenpoistoajan jälkeen.
4130- ja 4140-perusmetallien vetolujuuden alittaminen – perusmetallia heikomman lisäaineen valitseminen – parantaa hitsausmetallin sitkeyttä ja väsymiskestävyyttä, mutta hitsihitsihitsi ei välttämättä kestä komponentin suunnittelun edellyttämiä korkeita jännityksiä. 4130- ja 4140-hitsien vetolujuuden ylisovittaminen – perusmetallia vahvemman lisäaineen valitseminen – ei yleensä ole suositeltavaa, koska lisävetolujuus korreloi sitkeyden heikkenemisen kanssa, mikä voi lisätä hitsiaineen säröalttiutta entisestään. Hitsaukset, jotka on tarkoitus hehkuttaa tai normalisoida hitsauksen jälkeen, voivat hyötyä 4130- tai 4140-lisäaineesta. Vaikka 4130- ja 4140-lisäaineet tuottavat hauraan hitsatun saostuman, hehkuttamalla tai normalisoimalla saavutettava ”palautettu” mikrorakenne palauttaa sekä hitsiaineen että lämpökäsitellyn perusmetallin sitkeyden.
Hitsaukset, jotka on tarkoitus karkaista hitsauksen jälkeen, edellyttävät 4130- tai 4140-lisäainemetallin käyttöä, koska useimmilla matalaseosteisilla lisäainemetalleilla, joiden vetolujuus on riittävä, ei ole riittävästi hiiltä, jotta ne vastaisivat asianmukaisesti karkaisuvaihtoehdon jälkeen. - Esilämmitä. 4130- ja 4140-terästen korkeampi kovettuvuus lisää sitä, että hitsauksen jälkeen lämpövaikutusalueelle tai laimeaan hitsiaineeseen muodostuu helposti kova, hauras mikrorakenne. Esilämmitys on tarpeen tasalaatuisten ja tasalaatuisten hitsien aikaansaamiseksi. Esikuumennuksen ja välilämmityksen vähimmäislämpötilan asettaminen ja ylläpitäminen hidastaa hitsin ja perusmetallin jäähtymisnopeutta hauraan mikrorakenteen muodostumisen estämiseksi tai minimoimiseksi. Varmista asianmukainen esilämmitys käyttämällä riittäviä lämpötiloja, tyypillisesti 550 – 800 astetta F, kun hitsataan paksuja komponentteja, ja lämmittämällä perusmateriaalin koko paksuuden läpi sen sijaan, että saavutetaan lämpötila vain pinnalla. Käyttämällä induktiolämmitystä voidaan tehokkaasti saavuttaa asianmukainen lämmitys koko kappaleen läpi. Varmista myös, että esilämmityslämpötila asetetaan riittävän etäälle hitsausliitoksesta, tyypillisesti vähintään kolmen tuuman päähän kaikkiin suuntiin. Suuremmat hitsauskappaleet voivat hyötyä vielä suuremmasta esilämmitysalueesta hitsausliitoksen ympärillä.
- Suorita hitsaus. Samoin kuin esilämmitys- ja välilämmityslämpötilan kohdalla, kun lämmöntuonti on liian alhainen, se voi kiihdyttää hitsin jäähtymisnopeutta pisteeseen, jossa muodostuu hauraita mikrorakenteita, mikä haittaa sitkeyttä ja sitkeyttä. Lämmöntuottoa lisätään lisäämällä jännitettä ja virranvoimakkuutta ja vähentämällä liikenopeutta. Ota huomioon näiden muuttujien vaikutukset, kun kehität hitsausmenetelmää 4130- ja 4140-terästen yhdistämiseen.
- Hidas jäähtyminen. Hitsauskappaleen pitäminen esilämmityslämpötilassa jonkin aikaa hitsauksen jälkeen ja sen jälkeen hitsauskappaleen peittäminen keraamisella eristeellä on hyödyllistä, koska tämä mahdollistaa vedyn diffuusion hitsiaineesta ja lämpövaikutusalueesta (HAZ). Odotusaikaa suositellaan 30 minuutista tuntiin yhtä tuumaa perusaineen paksuutta kohti. Tämä prosessi tunnetaan epävirallisesti nimellä hydrogen bake-out, ja se eroaa hitsauksen jälkeisestä jännityksenpoistosta.
- Käytä hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä. Hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely voi auttaa lievittämään hitsauksessa syntyneitä jännityksiä, jotka voivat vaikuttaa halkeiluun valmiissa hitsissä. Näiden jäännösjännitysten poistamisesta voi olla hyötyä myös ennen koneistusta, jotta tiukat toleranssit voidaan säilyttää. Ohut materiaali (alle 1/8 tuuman paksuinen) ei yleensä vaadi jännityksenpoistoa, koska halkeilusta ei ole niin suurta huolta. Paksummat materiaalit jännityksenpoistetaan yleensä 1 050-1 250 asteen lämpötilassa noin tunnin ajan perusaineen paksuuden tuumaa kohti. Kuten edellä mainittiin, ota aina huomioon hitsauksen jälkeisen lämpökäsittelyn – olipa kyseessä PWHT, hehkutus, normalisointi tai karkaisu – ajat ja lämpötila sen varmistamiseksi, että käytettävällä lisäaineella saadaan aikaan tai säilytetään riittävät mekaaniset ominaisuudet.
VINKKEJÄ 4130- JA 4140-TERÄKSEN KORJAAMISEEN
4130- tai 4140-teräksen korjaaminen on usein monimutkaisempaa kuin uusien materiaalien valmistaminen uusilla valmistusmateriaaleilla, koska korjattava komponentti voi olla kulunut, rasvainen tai likainen. Myös tietojen kerääminen materiaalin aiemmasta lämpökäsittelystä voi olla vaikeampaa. Tutustu aina alkuperäisiin laitetietoihin saadaksesi ohjeita ja saadaksesi paremman käsityksen komponentin lämpökäsittelyistä tai suunnitteluvaatimuksista. Erityisen tärkeää on selvittää, miten osa on lämpökäsitelty – onko se hehkutettu, normalisoitu, karkaistu tai liekkikarkaistu – ennen korjauksen suorittamista. Esimerkiksi karkaistu osa on tyypillisesti vähemmän sitkeä ja säröherkempi, jolloin sen korjaaminen on paljon vaikeampaa. Näissä tapauksissa paikallinen hehkutus tai normalisointi hitsin ympärillä ennen korjausta voi auttaa, mutta on huomattava, että tämä vaikuttaa materiaalin lujuuteen. Kovapinnoitevalmistetta saatetaan tarvita, jos pinnan kovuus on ollut ensisijainen näkökohta. Jos perusmateriaalin lujuuden palauttaminen on tarpeen, se voidaan kunnostaa uudelleen lämpökäsittelyllä korjauksen jälkeen.
Materiaalin asianmukainen valmistelu ennen korjausta auttaa myös varmistamaan korkean hitsin laadun. Öljyn tai rasvan päälle hitsaaminen voi edistää hitsiaineen huokoisuutta ja hitsiaineeseen diffusoituvaa vetyä, mikä lisää vedyn aiheuttaman halkeilun mahdollisuutta. Pelkkä näkyvän öljyn ja rasvan poistaminen ei välttämättä riitä. Sen sijaan kannattaa harkita höyryrasvanpoistoa, jotta voidaan poistaa epäpuhtaudet, jotka ovat jääneet syvälle perusmateriaalin huokosiin, jotka korkeat lämpötilat ovat avanneet. Seuraavassa on joitakin lisävinkkejä kahteen erityiseen korjaustyyppiin:
- Halkeamien korjaus: Riippumatta pohjamateriaalista halkeamien korjaus on monimutkaista. Korjaukset kärsivät usein suuremmasta liitosrajoituksesta, joka aiheuttaa lisäjännitystä ja lisää halkeiluriskiä. Ennen korjausten yrittämistä on suoritettava väriaine- (PT) tai magneettihiukkastarkastus (MT) halkeaman koko laajuuden selvittämiseksi. Poista halkeama-alue hionnalla tai kaarihiontamenetelmällä. Poistetun alueen on muodostettava leveä ”V” tai ”U”, jotta estetään hitsauksen aikana tapahtuva sulanapito- tai jähmettymishalkeilu. Käyttäkää esilämmitystä, kun suoritatte mitä tahansa kaarihiontaprosessia samoista syistä kuin esilämmitystä käytetään hitsauksen aikana. Jos haluat minimoida riskin, että olemassa oleva halkeama jatkaa etenemistä korjauksen aikana, poraa halkeaman molemmat päät. Varmista ennen hitsausta, että halkeama on poistettu kokonaan, jälleen joko PT:llä tai MT:llä. Tämän perusteellisen valmistelun jälkeen hitsaus voidaan vihdoin aloittaa.
- Rakentaminen ja peittäminen: Tällä korjaustyypillä tarkoitetaan osien palauttamista alkuperäisiin mittoihinsa ja päällekkäiskerroksen tapauksessa sellaisen kerrostuman levittämistä, jonka kovuus on verrattavissa siihen kovuuteen, joka voidaan saavuttaa karkaisulla tai kotelointikarkaisulla. Jotta nämä korjaukset voidaan suorittaa onnistuneesti, on harkittava lisä- ja päällekkäiskorjauslisäaineita. Overlay-tuotteet ovat yleensä kovempia kuin build-up-tuotteet, mutta niillä on usein paksuusrajoituksia, kun taas build-up-tuotteilla ei yleensä ole. Tämä tarkoittaa sitä, että käytettäessä overlay-tuotteita, jotka ylittävät tietyn määrän kerroksia, hitsauskerroksen sitkeys ei ole hyvä, ja se voi olla säröherkkä tai yksinkertaisesti lohkeilla irti perusmetallista. Build-up-tuotteita käytetään tuotteen mittojen palauttamiseen, kun palautettava paksuus ylittää päällekkäistuotteelle sallitun paksuuden.
LOPPUAJATUKSIA
4130- ja 4140-terästen korkean karkaisevuuden vuoksi lisäaineen valinta, vedyn hallinta ja jäähdytysnopeus ovat kriittisiä näkökohtia parhaiden tulosten saavuttamiseksi. Onnistumisen varmistamiseksi raskaan kaluston hitsaussovelluksissa:
- Varmista kaikki suunnitteluvaatimukset ja perusmateriaalin lämpökäsittely ennen hitsausta.
- Valitse lisäainemetalli, joka tarjoaa riittävät mekaaniset ominaisuudet osille, jotka jätetään hitsaamattomaan tai jännityksenpoistettuun tilaan.
- Valitse lisäainemetalli, joka vastaa perusmetallin kemiaa niiden osien osalta, jotka hehkutetaan, normalisoidaan tai karkaistaan hitsauksen jälkeen.
- Valitse vähimmäislämmönsyöttö ja esilämmitys-/välilämmityslämpötila hitsauksen jäähtymisnopeuden hidastamiseksi.