Tepelné zpracování a stavy (temper) pro slitiny pro CNC obrábění
Stavy (temper) slitin pro CNC obrábění: tvrdost oceli po kalení a popouštění podle teploty, 6061-O až T651, 7075-T73 a 17-4PH H900 až H1150 s limity NACE.
Uhlíková a legovaná ocel — procesy tepelného zpracování a typická tvrdost
| Proces | Co dělá | Typická tvrdost | Typické použití | Řídící norma |
|---|---|---|---|---|
| Žíhání | Ohřev nad kritickou teplotu nebo k ní, poté velmi pomalé chlazení v peci pro změkčení a odstranění pnutí | 160–217 HB (podle jakosti) | Polotovary pro obrábění, tváření za studena, odstranění pnutí před opětovným kalením | GB/T 16923; ASTM A29; SAE J412 |
| Normalizační žíhání | Ohřev 30–50 °C nad Ac3/Acm, poté chlazení na klidném vzduchu pro zjemnění zrna a homogenizaci struktury | 187–300 HB (podle jakosti) | Velké výkovky, konstrukční díly, kde kalení hrozí deformací | GB/T 16923; ASTM A29 |
| Kalení + popouštění | Austenitizace, kalení na martenzit ve vodě nebo v oleji, poté ohřev pod Ac1 pro odstranění pnutí a nastavení tvrdosti | 24–57 HRC (závisí na teplotě popouštění) | Hotové strojní díly: hřídele, ozubená kola, spojovací materiál | GB/T 16924; ASTM A29 |
| Kalení a vysoké popouštění (Q&T) | Kalení následované vysokoteplotním popouštěním při 500–650 °C, což dává popuštěný sorbit s nejlepší rovnováhou pevnosti a houževnatosti | 28–34 HRC (běžné dodávané pásmo) | Ojnice, šrouby, ozubená kola, hřídele namáhané střídavým zatížením | GB/T 16924; GB/T 7232 |
Jakou tvrdost lze očekávat u žíhané a normalizačně žíhané oceli 1045?
Žíhaná ocel 1045 se pohybuje kolem 160–200 HB (163 HB typicky u válcovaného stavu), zatímco normalizačně žíhaná 1045 dosahuje asi 187 HB s mezí pevnosti 640 MPa — normalizace vyměňuje část obrobitelnosti za pevnější a rovnoměrnější strukturu.
| Stav | Pevnost v tahu (MPa) | Mez kluzu (MPa) | Tažnost (%) | Tvrdost | Zdroj |
|---|---|---|---|---|---|
| Válcované / žíhané | 565 (typicky válcované) | 310 | 16 | 163 HB; žíhané pásmo 160–200 HB | S21 / S22 / S5 |
| Normalizačně žíhané | 640 | 410 | 22 | 187 HB | S6 / S5 |
| Kalené a popuštěné | — | — | — | 220–290 HB | S5 |
| Po kalení (voda, povrch) | — | — | — | 55–60 HRC | S5 |
| Plamenem / indukčně tvrzené (povrch) | — | — | — | 55–58 HRC, hloubka tvrzené vrstvy 1.5–5 mm | S5 |
S jakou tvrdostí se dodává ocel 4140 v předkaleném stavu?
Předkalená 4140 se dodává při 28–34 HRC; standardní tepelné zpracování s popouštěním na 540 °C končí na 28–32 HRC a mezi pevnosti 1,000–1,100 MPa. Chrom a molybden dávají oceli 4140 mnohem lepší prokalitelnost než u 1045, proto si udrží popuštěnou tvrdost i ve větších průřezech — velké tyče ověřte v atestu hutě, protože tvrdost s průřezem klesá.
| Stav / teplota popouštění | Pevnost v tahu (MPa) | Mez kluzu (MPa) | Tažnost (%) | Tvrdost | Zdroj |
|---|---|---|---|---|---|
| Žíhané | ~655 | ~415 | 25 | 197–217 HB | S4 |
| Normalizačně žíhané | ~1,020 | ~650 | 17 | 250–300 HB | S4 |
| Po kalení (olej) | — | — | — | 55–60 HRC | S4 |
| Q&T při 205 °C | ~2,000 | ~1,600 | 8 | 52–57 HRC | S4 |
| Q&T při 315 °C | ~1,700 | ~1,450 | 10 | 45–50 HRC | S4 |
| Q&T při 425 °C | ~1,400 | ~1,250 | 12 | 38–42 HRC | S4 |
| Q&T při 540 °C (standardní TZ) | 1,000–1,100 | 850–950 | 18 | 28–32 HRC | S4 |
| Q&T při 650 °C (vysoká tažnost) | ~850 | ~700 | 22 | 24–28 HRC | S4 |
| Předkalené, jak dodáno | — | — | — | 28–34 HRC | S4 |
Jak tvrdá je ocel ihned po kalení, před popouštěním?
Jak 1045 (kalení do vody), tak 4140 (kalení do oleje) dosahují po kalení asi 55–60 HRC — ale tento nepopuštěný martenzit je pro provoz příliš křehký, proto se každý zakalený díl před použitím popouští zpět na svou pracovní tvrdost.
| Ocel | Kalicí prostředí | Po kalení (HRC) | Popuštěná provozní tvrdost | Poznámka |
|---|---|---|---|---|
| 1045 | Voda | 55–60 | 220–290 HB (Q&T) | Uhlíková ocel s mělkou prokalitelností; jádro velkých průřezů měkne |
| 4140 | Olej | 55–60 | 28–32 HRC (popuštěno na 540 °C) | Legovaná ocel Cr-Mo s hlubokou prokalitelností; volte ji pro větší průřezy |
Co znamená kalení a popouštění a proč se předepisuje?
Kalit a popouštět znamená zakalit na martenzit a poté ohřát pod kritickou teplotu; kalení a vysoké popuštění (500–650 °C) vytváří popuštěný sorbit — typicky 28–32 HRC — nejlepší rovnováhu pevnosti a houževnatosti pro hřídele a ozubená kola. Popouštění vždy vyměňuje tvrdost za houževnatost: tatáž ocel 4140, která odchází z kalení při 55–60 HRC, pokrývá rozpětí od 52–57 HRC až po 24–28 HRC, jak teplota popouštění roste z 205 °C na 650 °C.
| Ocel | Pásmo dodávané po Q&T | Pouze po kalení | Proč popouštět |
|---|---|---|---|
| 1045 | 220–290 HB | 55–60 HRC (voda) | Nepopuštěný martenzit v provozu praská; popouštění vrací houževnatost za kontrolovanou ztrátu tvrdosti |
| 4140 | 28–34 HRC předkalené | 55–60 HRC (olej) | Vysoké popouštění při 500–650 °C vytváří popuštěný sorbit — stav, v němž se hřídele a ozubená kola předepisují |
O kolik je 6061-T6 pevnější než 6061-O?
6061-T6 dosahuje meze pevnosti 310 MPa (45 ksi) oproti 125 MPa (18 ksi) u 6061-O — asi 2.5× — s mezí kluzu 276 vs 55 MPa a tvrdostí 95 vs 30 HB; celý rozdíl vzniká tepelným zpracováním, nikoli legováním. Vedle typických hodnot stojí standardní minima: plech a deska z 6061-T6 musí dosáhnout meze pevnosti 290 MPa (42 ksi) a meze kluzu 240 MPa (35 ksi), zatímco hodnoty 310/276 MPa jsou typické.
| Slitina a stav | Pevnost v tahu, MPa (ksi) | Mez kluzu, MPa (ksi) | Tažnost (%) | Tvrdost (HB) | Zdroj |
|---|---|---|---|---|---|
| 6061-O | 125 (18) | 55 (8) | 25–27 | 30 | S7 / S8 |
| 6061-T4 / T451 | 240 (35) | 145 (21) | 22 | 65 | S7 / S8 |
| 6061-T6 / T651 | 310 (45) | 276 (40) | 12–15 | 95 | S7 / S8 |
Je 6061-T651 pevnější než 6061-T6?
Ne — oba mají mez pevnosti 310 MPa (45 ksi) a mez kluzu 276 MPa. T651 přidává po kalení 1–3 % trvalého protažení pro odstranění kalicího pnutí, takže při obrábění drží těsnější rozměry; proto se práce na deskách a panelech začíná z polotovaru T651.
| Stav | Proces | Mechanický rozdíl | Řídící norma | Zdroj |
|---|---|---|---|---|
| O | Plně žíhané — ohřáté a pomalu chlazené do nejměkčího stavu | Nejnižší pevnost, nejvyšší tvářitelnost | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S19 / S7 |
| T4 | Rozpouštěcí žíhání, poté přirozené stárnutí při pokojové teplotě | Střední pevnost, stále tvářitelný | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S15 / S7 |
| T6 | Rozpouštěcí žíhání, poté umělé stárnutí na maximální pevnost | Nejvyšší pevnost pro slitinu | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S15 / S7 |
| T651 | T6 plus 1–3 % protažení pro odstranění pnutí před stárnutím | Pevnost shodná s T6; lepší rozměrová stabilita při obrábění | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S7 / S24 |
| T73 | Rozpouštěcí žíhání, poté přestárnutí dvoustupňovým stárnutím | Nižší pevnost než T6; mnohem lepší odolnost proti koroznímu praskání; hlavně řada 7xxx | AMS 4078; ASTM B209; GB/T 3880 | S9 / S2 |
Co je stav T73 a kdy jej zvolit?
T73 je přestárnutý dvoustupňový stav volený pro odolnost proti koroznímu praskání u leteckých dílů. Pevnost 7075-T73 se uvádí ve dvou publikovaných základech vedených jako samostatné řádky — typická hodnota ASM Handbook 505 MPa a specifikace desky ASTM B209 460–475 MPa — a oba se nikdy neprůměrují. 6061 se ve stavu T73 nedodává, a proto čísla nese 7075.
| Použitý základ | Pevnost v tahu (MPa) | Mez kluzu (MPa) | Tažnost (%) | Tvrdost | Zdroj |
|---|---|---|---|---|---|
| 7075-T73 — typická hodnota ASM Handbook (reference tyč / výkovek) | 505 | 435 | 13 | — | S1 / S2 |
| 7075-T73 — deska ASTM B209 / AMS 4078, podle tloušťky (spec) | 460–475 | 385–390 | 5–8 | 126–140 HB | S9 |
| 7075-T6 — typická, pro srovnání | 572 (83 ksi) | 503 (73 ksi) | — | — | S7 |
Který standardní stav stárnutí je u 17-4PH nejpevnější?
H900, stárnutý při 482 °C (900 °F) po dobu 1 hodiny, dává minimální mez pevnosti 1,310 MPa (190 ksi), mez kluzu 1,170 MPa (170 ksi) a alespoň 40 HRC — nejpevnější a nejméně houževnatý konec ze tří standardních stavů. Všechny hodnoty jsou minima specifikace pro tyče podle ASTM A564 / AMS 5643.
| Stav | Teplota / doba stárnutí | Min. pevnost v tahu, MPa (ksi) | Min. mez kluzu, MPa (ksi) | Min. tažnost (%) | Tvrdost | Charpy V-vrub (ft-lb) | Zdroj |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H900 | 482 °C (900 °F) / 1 h | 1,310 (190) | 1,170 (170) | 10 | ≥40 HRC (typicky 44) | 10–15 (nízká) | S3 / S23 |
| H1025 | 552 °C (1,025 °F) / 4 h | 1,070 (155) | 1,000 (145) | 12 | ≥35 HRC (typicky 38) | 35–45 (střední) | S3 / S23 |
| H1150 | 621 °C (1,150 °F) / 4 h | 930 (135) | 725 (105) | 16 | 28–33 HRC (typicky 33) | 60–80 (vysoká) | S3 / S23 |
Který stav 17-4PH nabízí nejvyšší houževnatost?
H1150, stárnutý při 621 °C, si drží minimální mez pevnosti 930 MPa (135 ksi) s tažností 16 % a 28–33 HRC — nejvyšší houževnatost Charpy ze všech tří. Od H900 k H1150 klesá mez pevnosti asi o 30 % a mez kluzu asi o 38 %, zatímco tažnost roste z 10 % na 16 %: vyšší teplota stárnutí zhrubne precipitáty bohaté na měď a vymění pevnost za houževnatost. Hodnoty Charpy jsou podélná reprezentativní pásma a mění se s tvarem výrobku a orientací.
| Stav | Charpy V-vrub (ft-lb) | Tažnost (%) | Tvrdost | Nejvhodnější pro |
|---|---|---|---|---|
| H900 | 10–15 (nízká) | 10 | ≥40 HRC | Díly s nejvyšší pevností bez rázového nebo kryogenního namáhání |
| H1025 | 35–45 (střední) | 12 | ≥35 HRC | Univerzální vyvážený stav |
| H1150 | 60–80 (vysoká) | 16 | 28–33 HRC | Díly namáhané rázy a kryogenními teplotami; také volba splňující NACE |
Lze 17-4PH použít v kyselém prostředí podle NACE?
Podle NACE MR0175 / ISO 15156-3 vyhovuje pouze H1150 — nebo H1025 s ověřením pro každou tavbu, že skutečná tvrdost zůstává na 33 HRC nebo níže; H900 s minimem 40 HRC nevyhovuje. Pravidlo je řízeno tvrdostí: kyselé prostředí omezuje tvrdost na 33 HRC.
| Stav | Tvrdost podle specifikace | Stav podle NACE MR0175 | Poznámka |
|---|---|---|---|
| H900 | ≥40 HRC (typicky 44) | Nekvalifikuje | Výrazně překračuje limit 33 HRC pro kyselé prostředí |
| H1025 | ≥35 HRC (typicky 38) | Podmíněně | Pouze s ověřením pro každou tavbu, že skutečná tvrdost zůstává na 33 HRC nebo níže |
| H1150 | 28–33 HRC (typicky 33) | Vyhovuje | Standardní volba pro kyselé prostředí |
Jak tato čísla používat
- Hodnoty označené min jsou minima specifikace z řídící normy (ASTM / AMS); neoznačené hodnoty jsou typické a mění se s tvarem výrobku, velikostí průřezu a praxí pece — navrhujte podle řídící specifikace a atestu hutě.
- Tvrdost oceli klesá s velikostí průřezu (hmotnostní efekt): hodnota 28–34 HRC pro předkalenou 4140 platí pro dodaný rozměr tyče, proto velké průřezy ověřte v atestu hutě místo předpokladu katalogové hodnoty.
- Reprezentativní parametry tepelného zpracování: rozpouštěcí žíhání 6061 při 530 °C s kalením do vody, umělé stárnutí T6 při 160 °C asi 18 h nebo při 177 °C asi 8 h, žíhání do stavu O při 413 °C; dvoustupňové stárnutí 7075-T73 při 110 °C po 8 h plus při 175 °C po 8 h, po rozpouštěcím žíhání při 475 °C po 90 min a 3 dnech přirozeného stárnutí.
- Stavy 17-4PH vycházejí z jednoho základního materiálu po rozpouštěcím žíhání (stav A po ochlazení z asi 1040 °C) stárnutého při různých teplotách — číslo H je teplota stárnutí ve °F. Tyče se řídí ASTM A564/A564M, desky a plechy ASTM A693, letecké díly AMS 5643/5604; čínský ekvivalent 05Cr17Ni4Cu4Nb je v GB/T 1220.
- Zakalený, ale nepopuštěný martenzit (55–60 HRC u obou referenčních ocelí) je riziko pro obrábění a broušení, nikoli dodací stav — objednávejte ocel ve stavu žíhaném, normalizačně žíhaném nebo po kalení a popouštění a zbytek nechte na kalírně.
Časté dotazy
Žíhaná 1045 má asi 160–200 HB (typicky 163 HB), zatímco normalizačně žíhaná 1045 dosahuje asi 187 HB s mezí pevnosti 640 MPa.
Předkalená 4140 má typicky 28–34 HRC; standardní TZ s popouštěním na 540 °C končí na 28–32 HRC a mezi pevnosti 1,000–1,100 MPa.
Jak 1045 (kalení do vody), tak 4140 (kalení do oleje) dosahují po kalení asi 55–60 HRC, ale nepopuštěný martenzit je pro provoz příliš křehký.
Kalení plus vysokoteplotní popouštění při 500–650 °C za vzniku popuštěného sorbitu, typicky 28–32 HRC — nejlepší rovnováha pevnosti a houževnatosti pro hřídele a ozubená kola.
6061-T6 dosahuje meze pevnosti 310 MPa (45 ksi) oproti 125 MPa (18 ksi) u 6061-O — asi 2.5× pevnější.
Ne — oba mají mez pevnosti 310 MPa (45 ksi) a mez kluzu 276 MPa; T651 přidává 1–3 % protažení pro odstranění pnutí, takže při obrábění drží těsnější rozměry.
Přestárnutý dvoustupňový stav: 7075-T73 dává mez pevnosti 505 MPa podle ASM Handbook (460–475 MPa pro desku podle ASTM B209) a volí se pro odolnost proti koroznímu praskání.
H900, stárnutý při 482 °C po dobu 1 hodiny: minimální mez pevnosti 1,310 MPa (190 ksi) a alespoň 40 HRC — s nejnižší houževnatostí ze všech tří.
H1150, stárnutý při 621 °C: mez pevnosti 930 MPa (135 ksi) s tažností 16 % a 28–33 HRC, nejvyšší houževnatost Charpy ze všech tří.
Podle NACE MR0175 vyhovuje pouze H1150, nebo tepelně ověřený H1025 s maximem 33 HRC; H900 s minimem 40 HRC nevyhovuje.
Normy a zdroje
- S1 — ASM Metals Handbook, sv. 2 (Properties and Selection: Nonferrous Alloys), 10. vydání: typické hodnoty 7075-T73
- S2 — Recenzovaná studie výkovků AA7075 (PMC): sled stárnutí T73 a referenční hodnoty ASM
- S3 — JN Alloys, tepelné zpracování 17-4PH: data stavů H900 / H1025 / H1150 (zkontrolováno proti minimům ASTM A564)
- S4 — Nifty Alloys, tepelné zpracování oceli 4140: diagram popouštění podle teploty
- S5 — údaje o jakosti 1045 z steelstandart: tvrdost žíhaného, Q&T a zakaleného stavu
- S6 — publikovaný hutní atest, tyč z uhlíkové oceli 1045 se střední pevností, normalizačně žíhané vlastnosti
- S7 — Tech Steel, vlastnosti 6061 (UNS A96061): typické hodnoty stav od stavu a srovnání s 7075-T6
- S8 — Weltstahl, datový list hliníku 6061: typické mechanické vlastnosti
- S9 — data pro plech a desku 7075-T73 / T7351: mechanické vlastnosti podle tloušťky (základ ASTM B209)
- S14 — ISO 2107, označování stavů hliníku (GB/T 16475 je čínský ekvivalent); S15 — klasifikace hliníku AZoM; S19 — GB/T 16475; S24 — průvodce stavy hliníku (praxe protahování T651)
- S21 / S22 — data pro 1045 v žíhaném stavu (The World Material; hutní data SAE 1045); S23 — přehledový list slitiny 17-4PH: tvrdost a pásma Charpy
- Řídící normy nesou nosná minima: ASTM A564/A564M, ASTM A693, ASTM B209/B221, AMS 4078/5643/5604, ISO 2107, SAE J412, GB/T 16923, GB/T 16924, GB/T 7232, GB/T 1220, NACE MR0175 / ISO 15156-3
- MatWeb byl vyloučen (robots.txt blokuje automatizovaný přístup); datové listy distributorů nesou jen sloupce typických hodnot, zatímco minima specifikací citují originály ASTM / AMS / GB
Související stránky
- /wiki/reference/hardness-conversion/ — Související rychlá tabulka: převod mezi stupnicemi tvrdosti HB, HRC a HV
- /wiki/reference/cutting-parameters/ — Související rychlá tabulka: řezné rychlosti a posuvy pro provoz po určení stavu tepelného zpracování
- /wiki/reference/material-density/ — Související rychlá tabulka: hustota pro odhady hmotnosti a nákladů na materiál