AISI/SAE 4140 은 청결한 준비, 저수소 소모품, 적절한 예열 및 인터패스 온도 제어, 필요한 경우 용접 후 열처리 등 신중한 관리를 통해 취급할 경우 용접이 가능합니다. 이러한 안전 장치를 준수하고 용접 절차가 적격하다면 용접된 4140 접합부는 샤프트, 기어 및 고응력 부품에 4140이 널리 사용되는 것과 동일한 강도 및 인성 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 그러나 냉각 속도, 수소 및 단면 온도를 제어하지 못하면 단단하고 부서지기 쉬운 열 영향 영역과 냉간 균열이 발생할 위험이 있습니다.
4140 스틸이란 무엇인가요?
SAE/AISI 4140은 크롬-몰리브덴 저합금, 중탄소강(일반적으로 UNS G41400으로 지칭)입니다. 일반적인 화학적 범위는 대략 다음과 같습니다: C 0.38-0.43%, Mn 0.75-1.00%, Cr 0.80-1.10%, Mo 0.15-0.25% 및 Si 0.15-0.30%입니다. 이러한 화학 성분은 적절한 열처리 후 우수한 경화성, 높은 피로 강도 및 인성을 생성합니다. 4140은 경화성 때문에 일반, 템퍼링 또는 담금질 및 템퍼링 조건에서 공급될 수 있는 고응력 부품에 널리 사용됩니다.
용접에 이것이 중요한 이유: 탄소 수준과 합금은 급속 냉각 중에 강철이 단단한 마르텐사이트를 형성하는 경향을 높입니다. 마르텐사이트 HAZ 미세 구조는 단단하고 부서지기 쉬우며 수소 또는 잔류 응력이 존재할 경우 균열이 발생할 수 있습니다. 따라서 냉각 속도와 수소 관리는 성공적인 용접을 위한 핵심 주제입니다.
2. 4140 소재 부품에 용접성이 중요한 이유 2.
4140은 샤프트, 차축, 기어, 커플링, 유전 구성품 등 부품 고장이 비용이나 안전에 큰 영향을 미치는 경우에 사용됩니다. 어셈블리의 수리, 부착 또는 제작에는 용접이 필요한 경우가 많습니다. HAZ 경도가 높거나 균열이 발생하는 부적절한 용접은 서비스 중 치명적인 고장을 일으킬 수 있습니다. 4140 용접이 불가능한 것은 아니지만 적격 절차가 없으면 저탄소 강재보다 위험이 훨씬 더 높다는 실질적인 의미가 있습니다.
3. 4140 용접성을 제어하는 야금학적 요소
3.1 탄소 등가성 및 경화성
탄소 등가성(CE) 공식(예: 고전적인 IIW 또는 AWS 공식)은 탄소와 합금 원소를 결합하여 경화성 및 냉간 균열 민감성을 나타냅니다. 4140의 CE는 연강보다 높기 때문에 단단하고 부서지기 쉬운 HAZ를 피하기 위해 더 많은 예열 또는 PWHT가 필요합니다. 실용적인 규칙: 용접을 계획할 때는 4140을 연강보다 열처리 가능 합금처럼 취급하세요.
3.2 자료의 사전 상태
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어닐링 또는 정규화: 용접이 가장 쉽고 경도가 낮고 균열 위험이 적습니다.
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담금질 및 템퍼링 / 사전 경화: 가장 높은 위험. 사전 경화 섹션에 용접하려면 일반적으로 특수 제어 또는 국부 연화(예: 고온으로 예열 또는 국부 어닐링)가 필요하며 용접 후 PWHT가 필요한 경우가 많습니다. 많은 출처에서는 불가피한 경우를 제외하고는 완전히 경화된 4140을 용접하지 말 것을 권고합니다.
3.3 섹션 두께 및 방열판 효과
얇은 섹션은 빠르게 냉각되고 HAZ 경화가 덜 발생하며, 두꺼운 섹션은 방열판이 크지만 열 경사가 가파르게 발생하여 균열을 촉진할 수 있습니다. 예열 및 인터패스 제어는 섹션 두께에 맞게 조정해야 합니다.
3.4 수소 및 오염
습기, 윤활유, 오일, 녹, 코팅 또는 젖은 전극에서 유입된 수소는 냉간 균열 위험을 크게 증가시킵니다. 저수소 소모품과 철저한 세척을 사용하고, 필요한 경우 주변 습도를 조절하세요.
4. 예열, 인터패스 온도 및 냉각 제어
예열 및 인터패스 온도가 사용되는 이유
예열은 냉각 속도를 늦추어 확산 가능한 수소가 빠져나가도록 하고 HAZ에 템퍼링되지 않은 마르텐사이트가 형성되는 것을 방지합니다. 인터패스 온도는 이전에 증착된 용접 금속 또는 HAZ가 패스 사이에 임계 온도 이하로 냉각되는 것을 방지합니다. 이러한 단계는 열 응력을 줄이고 균열 발생 가능성을 낮춥니다.
권장 범위(실용적인 표)
이는 WPS 초안 작성에 사용되는 엔지니어링 권장 사항입니다. 최종 값은 탄소 등가성, 두께, 부품 중요도 및 자격 테스트를 통해 결정해야 합니다.
| 기본 금속 상태 | 두께(mm/인치) | 일반적인 예열(°C/°F) | 인터패스 온도(°C/°F) | 참고 |
|---|---|---|---|---|
| 어닐링 / 정규화 | <6mm(¼") 미만 | 100-150°C(212-300°F) | 동일하게 유지 | 청결 및 수소 제어를 위한 가벼운 예열. |
| 정규화 | 6-25mm(¼-1") | 150-260°C(300-500°F) | 150-260°C | 일반적인 매장 관행: 일반적으로 200-250°C. |
| 담금질/강화 | 6-25mm | 200-260°C(400-500°F) | 200-260°C | 중요한 부품은 고급형, PWHT를 고려하세요. |
| 25mm(>1") 이상의 두꺼운 섹션 | >25mm(>1") | 260-370°C(500-700°F) | 예열 유지 | CE 및 서비스 중요도에 따라 증가하며 일부 WPS는 250~370°C를 요구합니다. |
실용적인 참고 사항: 많은 제작업체에서 소형 부품의 경우 200~300°F(100~150°C)의 예열/인터패스, 중요하고 두꺼운 부품 또는 사전 경화 부품의 경우 500~700°F(260~370°C)의 예열로 안정적인 용접이 가능하다고 보고합니다. 정확한 수치는 CE 및 사전 열처리에 따라 달라집니다.
5. 용접 후 열처리(PWHT)
PWHT는 잔류 응력을 완화하고 HAZ의 경질 마르텐사이트를 템퍼링하며 연성을 복원합니다. 중요 부품의 경우 PWHT가 필요한 경우가 많습니다. 4140에 대한 일반적인 PWHT(응력 완화 템퍼링) 권장 사항은 대략 다음과 같습니다. 550-650°C(1020-1200°F) 홀드 시간은 일반적으로 다음과 같이 표현됩니다. 두께 25mm(1인치) 당 1시간 제어된 저속 냉각으로. 정확한 주기는 설계 사양, 계약 요구 사항 또는 코드를 따라야 합니다.
PWHT가 필수인 경우
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공급된 부품은 담금질 및 고경도로 템퍼링한 후 용접됩니다.
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고압 또는 피로에 민감한 부품.
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WPS 또는 관리 코드에 용접 후 템퍼링이 필요한 경우.
PWHT가 선택 사항일 수 있는 경우
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CE가 낮고 중요하지 않은 서비스를 제공하는 어닐링된 4140 부품의 소규모 수리, 여전히 주의하고 테스트하세요.
6. 필러 금속 및 공정 선택
용접 공정 선택
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GMAW(MIG/MAG) 적절한 저수소 와이어를 사용하여 생산에 일반적으로 사용됩니다.
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SMAW(스틱) 저수소(H4/H8) 전극을 사용하는 것은 현장 수리에서 널리 사용됩니다.
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GTAW(TIG) 는 정밀 용접 및 얇은 섹션에 사용됩니다.
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SAW 는 열 입력을 제어할 수 있는 무거운 섹션에 사용할 수 있습니다.
필러 금속 선택(요약 표)
| 애플리케이션 | 일반적인 필러 | 강도 경기 | 참고 |
|---|---|---|---|
| 강도와 일치하는 구성 | ER80S-D2(GMAW), E9018M-H4(SMAW) 또는 그 이상의 강도의 저수소 소모품 | 오버매치 또는 매치 | 합금 저수소 필러를 사용하여 기본 금속 강도와 인성에 접근합니다. |
| 수리를 위한 보수적인 선택 | ER70S-2(GMAW, PWHT 포함) | PWHT가 아니면 낮은 강도 | 용접하기는 쉽지만 약한 HAZ를 피하거나 템퍼링하려면 PWHT가 필요할 수 있습니다. |
| 연강과 이종 용접 | 전환을 위해 설계된 필러, 인터레이어 고려하기 | 애플리케이션에 따라 다름 | 희석과 인성에 주의하세요. |
안내: 가능한 경우 필러 강도를 일치시키세요. 많은 제작업체는 최상의 기계적 특성 연속성을 위해 ER80 시리즈 와이어 또는 전극을 사용하며, 더 낮은 강도의 필러를 사용하는 경우 PWHT를 계획하고 기계적 테스트 및 경도 조사를 통해 검증합니다.
7. 용접 절차(WPS) 필수 사항 및 샘플 매개 변수
4140에 대한 적격 WPS는 모재 상태, 필러 유형 및 분류, 예열 및 인터패스, 열 입력, 이동 속도, 통과 횟수, 접합 형상, PWHT, NDT 허용 기준, 용접기 자격 및 PQR 기록 등을 문서화해야 합니다.
샘플 WPS 매개변수 요약(두께 12mm의 정규화된 4140 플레이트의 예)
| 항목 | 값(예시) |
|---|---|
| 베이스 메탈 | AISI 4140, 정규화 |
| 두께 | 12mm(0.47") |
| 프로세스 | GMAW(얇은 용접을 위한 펄스 또는 단락) |
| 필러 | ER80S-D2(와이어 직경 1.2mm) |
| 실드 가스 | 매장 표준에 따라 98% Ar / 2% O₂ 또는 Ar/CO₂ 혼합 |
| 예열 | 180-220°C(350-430°F) - 용접부가 100°C로 식을 때까지 유지합니다. |
| 인터패스 | ≤220°C |
| 열 입력 | 1.0-2.0 kJ/mm(과도한 HAZ 증가를 최소화하기 위한 제어) |
| PWHT | 설계상 필요한 경우 인치당 1시간 동안 600°C에서 사용 |
| NDT | Visual 100%, 중요 부품에 대한 코드별 방사선 촬영 또는 초음파 검사 |
| 경도 | 최대 HAZ 350 HV(또는 사양별), PQR에 따른 테스트 |
이 예제는 공식 WPS 언어로 변환하고 PQR 및 기계적 테스트(필요한 경우 인장, 굽힘, Charpy V-노치)를 통해 검증해야 합니다.
8. 용접 후 검사 및 NDT
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경도 조사: 용접 단면에 걸쳐 HAZ 경도를 측정합니다. 담금질/템퍼링된 4140 부품의 경우 설계에서 허용되는 HAZ 경도를 설정해야 하며, ~350 HV(약 32-36 HRC) 이상의 제어되지 않은 HAZ 경도는 종종 PWHT가 필요하다는 신호입니다.
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시각적 및 차원적 점검: 균열, 언더컷, 융합 부족.
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NDT: 중요 구성 요소에 대한 방사선 촬영 또는 초음파 검사.
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금속학: 포렌식 또는 검증 작업을 위해 HAZ 미세 구조와 효과적인 PWHT를 검증합니다.
9. 일반적인 장애 모드 및 수리 전략
9.1 저온(수소) 크래킹
원인: HAZ + 확산성 수소 + 인장 잔류 응력의 고경도.
완화: 예열, 저수소 소모품, 제어형 인터패스, PWHT.
9.2 HAZ 취성 및 과도한 경도
원인: 마르텐사이트로의 급속 냉각; PWHT 없이 4140을 담금질할 때 종종 볼 수 있습니다.
수리: 템퍼링 온도(PWHT)로 재가열하여 HAZ 경도를 낮추고, 균열이 있는 경우 결함이 있는 용접 금속과 HAZ를 건전한 금속으로 제거하고 적격 WPS에 따라 재용접한 후 PWHT를 적용합니다.
9.3 왜곡 및 치수 드리프트
원인: 열 주기 및 억제된 용접.
완화: 용접 시퀀싱, 짧은 실행, 열 블랭킷 및 제어 냉각.
10. 권장 표 및 시각 자료
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화학 성분 표 (공식 SAE 범위) - 기술 방문자가 등급을 빠르게 확인할 수 있도록 도와줍니다.
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두께별 예열 / 인터패스 / PWHT 퀵 레퍼런스 - 용접공과 검사관에게 실용적입니다.
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필러 금속 선택 매트릭스 - ER80 제품군과 ER70 제품군을 비교하고 장단점을 설명합니다.
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WPS 체크리스트 표 - 코드 준수 절차를 위한 최소한의 필수 요소입니다.
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경도 대 성질 온도 표 - 를 사용하여 PWHT 선택 및 목표 기계적 특성을 지원합니다.
11. 자주 묻는 질문
Q1: 4140을 예열 없이 용접할 수 있습니까?
A: 제한적이고 중요하지 않은 경우(얇은 섹션, 어닐링 상태)에만 예열 없이 용접할 수 있습니다. 정규화, 담금질 또는 두꺼운 부품의 경우 HAZ 경화 및 수소 균열을 방지하기 위해 예열을 강력히 권장합니다.
Q2: 12mm 4140 플레이트에 어떤 예열 온도를 사용해야 하나요?
A: 일반적인 작업장 관행은 사전 열처리 및 용도에 따라 150-250°C(300-480°F)입니다. 사전 경화되거나 중요한 부품에는 더 높은 쪽을 사용하고 PQR로 자격을 갖추세요.
Q3: 4140을 용접한 후 PWHT가 필요한가요?
A: 중요한 부품, 용접된 담금질 및 강화 소재 또는 HAZ 경도가 높은 곳의 경우, 그렇습니다. 일반적인 템퍼링/PWHT 온도 범위는 두께에 따라 550-650°C입니다. 어닐링된 소재의 작은 수리의 경우 필요하지 않을 수 있습니다.
Q4: 4140에 가장 적합한 필러 메탈은 무엇인가요?
A: ER80S 제품군과 같은 저수소, 고강도 필러 또는 적절하게 분류된 커버 전극을 사용하세요. 선택은 원하는 기계적 특성과 PWHT의 필요성에 따라 달라집니다.
Q5: 수소는 어떻게 제어하나요?
A: 건조하고 수소가 적은 전극/전선을 사용하고, 제조업체별로 덮개를 씌운 전극을 굽고, 베이스 메탈의 오일과 녹을 청소하고, 습도를 조절하고, 예열을 통해 확산을 촉진합니다.
Q6: HAZ에서 허용되는 경도는 어느 정도인가요?
A: 허용되는 HAZ 경도는 설계에 따라 다르며, 많은 사양에서 HAZ 경도를 주어진 HRC 수치로 제한합니다(예: 일부 부품의 경우 30-36 HRC). 항상 설계와 상의하여 한계를 설정하고 테스트를 통해 인성을 검증하세요.
Q7: 템퍼링 없이 담금질된 4140을 용접할 수 있습니까?
A: 위험성이 높습니다. 후속 템퍼링 없이 담금질된 4140을 용접하면 HAZ가 부서지기 쉽고 균열이 발생하기 쉽습니다. PWHT를 계획하거나 야금 전문가와 상담하세요.
Q8: 4140에 TIG 용접이 적합합니까?
A: 예. GTAW/TIG는 얇은 섹션과 정밀하고 낮은 희석이 필요한 접합에 탁월한 제어 기능을 제공하며, 필요한 경우 예열을 적용합니다.
Q9: 4140에 대한 WPS 자격을 얻으려면 어떻게 해야 하나요?
A: 대표 쿠폰으로 PQR을 수행하고, 모든 파라미터를 기록하고, 기계적 테스트(인장, 유도 굽힘, 필요한 경우 Charpy V) 및 경도 매핑을 수행합니다.
Q10: 용접 후 균열이 발견되면 어떻게 하나요?
A: 작업을 중지하고, 근본 원인을 조사하고, 영향을 받은 용접부와 HAZ를 제거하여 금속을 건전하게 하고, 다시 청소하고, 예열/수소 제어를 조정하고, 절차를 재검증합니다. 부품을 서비스 센터로 반환하기 전에 PWHT가 필요한 경우가 많습니다.
12. 용접 전 실무 체크리스트 4140
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재료의 열처리 및 경도를 확인합니다.
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탄소 등가물을 계산합니다.
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용접 부위 청소: 오일, 그리스, 페인트, 녹, 스케일 제거.
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필요한 경우 저수소 소모품을 선택하고 전극을 굽습니다.
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온도 크레용이나 열전대를 사용하여 예열 및 인터패스 온도를 설정하고 확인합니다.
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WPS 및 PQR을 준비하거나 기존의 적격 WPS를 따릅니다.
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디자인에 필요한 경우 PWHT를 계획하세요.
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용접 후 NDT 및 경도 검사를 예약합니다.
13. 마무리 전문가 노트
4140은 균형 잡힌 강도, 인성 및 내마모성으로 인해 엔지니어링의 필수품입니다. 야금학을 존중할 때 안전하게 용접하는 것은 예측 가능한 엔지니어링 작업입니다. 중요한 부품의 경우 4140을 연강처럼 취급하지 말고 예열을 계획하고 수소를 제어하며 물리적 테스트를 통해 WPS를 검증해야 합니다. 확실하지 않은 경우 금속 공학자 또는 용접 엔지니어와 상담하고 문서화된 PQR/WPS 기록과 용접 후 테스트를 통해 서비스 수명을 보호하세요.
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