Obróbka cieplna i stany (tempery) stopów do obróbki CNC
Stany (tempery) stopów CNC: twardość stali po hartowaniu i odpuszczaniu w zależności od temperatury, od 6061-O do T651, 7075-T73 i 17-4PH od H900 do H1150 z limitami NACE.
Stal węglowa i stopowa — procesy obróbki cieplnej i typowa twardość
| Proces | Co robi | Typowa twardość | Typowe zastosowanie | Norma |
|---|---|---|---|---|
| Annealing | Nagrzanie powyżej lub blisko temperatury krytycznej, następnie bardzo wolne chłodzenie w piecu dla zmiękczenia i odprężenia | 160–217 HB (grade-dependent) | Zagotowki pod obróbkę skrawaniem, obróbka plastyczna na zimno, odprężenie przed ponownym utwardzaniem | GB/T 16923; ASTM A29; SAE J412 |
| Normalizing | Nagrzanie 30–50 °C powyżej Ac3/Acm, następnie chłodzenie w nieruchomym powietrzu dla rozdrobnienia ziarna i ujednorodnienia struktury | 187–300 HB (grade-dependent) | Duże odkuwki, części konstrukcyjne, gdzie hartowanie grozi odkształceniem | GB/T 16923; ASTM A29 |
| Quenching + tempering | Austenityzacja, hartowanie do martenzytu w wodzie lub oleju, następnie ponowne nagrzanie poniżej Ac1 dla odprężenia i dostrojenia twardości | 24–57 HRC (depends on tempering temperature) | Gotowe części maszyn: wały, koła zębate, elementy złączne | GB/T 16924; ASTM A29 |
| Quench and high temper (Q&T) | Hartowanie, a następnie wysokie odpuszczanie w 500–650 °C, dające sorbyt odpuszczania o najlepszym balansie wytrzymałości i udarności | 28–34 HRC (common supply band) | Korbowody, śruby, koła zębate, wały pod obciążeniem zmiennym | GB/T 16924; GB/T 7232 |
Jaką twardość mogę oczekiwać od stali 1045 po wyżarzaniu a po normalizowaniu?
Wyżarzona 1045 leży w okolicy 160–200 HB (163 HB typowo dla walcowanej na gorąco), a normalizowana 1045 osiąga około 187 HB przy wytrzymałości 640 MPa — normalizowanie oddaje część obrabialności za mocniejszą i bardziej jednorodną strukturę.
| Stan | Wytrzymałość (MPa) | Granica plastyczności (MPa) | Wydłużenie (%) | Twardość | Źródło |
|---|---|---|---|---|---|
| Hot-rolled / annealed | 565 (typical hot-rolled) | 310 | 16 | 163 HB; annealed band 160–200 HB | S21 / S22 / S5 |
| Normalized | 640 | 410 | 22 | 187 HB | S6 / S5 |
| Quenched and tempered | — | — | — | 220–290 HB | S5 |
| As-quenched (water, surface) | — | — | — | 55–60 HRC | S5 |
| Flame / induction hardened (surface) | — | — | — | 55–58 HRC, case depth 1.5–5 mm | S5 |
Jaką twardość ma stal 4140 w dostawie pre-hard (hartowana i odpuszczana)?
Stal 4140 w stanie pre-hard przychodzi z 28–34 HRC; standardowa obróbka cieplna z odpuszczaniem w 540 °C daje 28–32 HRC i wytrzymałość 1,000–1,100 MPa. Chrom i molibden dają 4140 znacznie lepszą hartowność niż 1045, więc utrzymuje twardość po odpuszczaniu w większych przekrojach — duże pręty weryfikuj po świadectwie hutniczym, bo twardość spada z przekrojem.
| Stan / temperatura odpuszczania | Wytrzymałość (MPa) | Granica plastyczności (MPa) | Wydłużenie (%) | Twardość | Źródło |
|---|---|---|---|---|---|
| Annealed | ~655 | ~415 | 25 | 197–217 HB | S4 |
| Normalized | ~1,020 | ~650 | 17 | 250–300 HB | S4 |
| As-quenched (oil) | — | — | — | 55–60 HRC | S4 |
| Q&T at 205 °C | ~2,000 | ~1,600 | 8 | 52–57 HRC | S4 |
| Q&T at 315 °C | ~1,700 | ~1,450 | 10 | 45–50 HRC | S4 |
| Q&T at 425 °C | ~1,400 | ~1,250 | 12 | 38–42 HRC | S4 |
| Q&T at 540 °C (standard HT) | 1,000–1,100 | 850–950 | 18 | 28–32 HRC | S4 |
| Q&T at 650 °C (high ductility) | ~850 | ~700 | 22 | 24–28 HRC | S4 |
| Pre-hardened as-supplied | — | — | — | 28–34 HRC | S4 |
Jak twarda jest stal bezpośrednio po hartowaniu, przed odpuszczaniem?
Zarówno 1045 (hartowanie w wodzie), jak i 4140 (hartowanie w oleju) osiągają około 55–60 HRC tuż po hartowaniu — ale ten nieodpuszczony martenzyt jest zbyt kruchy do eksploatacji, więc każdą hartowaną część odpuszcza się do twardości roboczej przed użyciem.
| Stal | Ośrodek hartujący | Tuż po hartowaniu (HRC) | Twardość robocza po odpuszczeniu | Uwaga |
|---|---|---|---|---|
| 1045 | Water | 55–60 | 220–290 HB (Q&T) | Stal węglowa o płytkiej hartowności; rdzeń w dużych przekrojach mięknije |
| 4140 | Oil | 55–60 | 28–32 HRC (tempered at 540 °C) | Stal Cr-Mo o głębokiej hartowności; wybieraj ją do większych przekrojów |
Co oznacza hartowanie i odpuszczanie i dlaczego jest określane na rysunku?
Hartowanie i odpuszczanie oznacza hartowanie do martenzytu, a następnie ponowne nagrzanie poniżej temperatury krytycznej; hartowanie z wysokim odpuszczaniem (500–650 °C) daje sorbyt odpuszczania — zwykle 28–32 HRC — najlepszy balans wytrzymałości i udarności dla wałów i kół zębatych. Odpuszczanie zawsze wymienia twardość na udarność: ta sama 4140, wychodząca z hartowania z 55–60 HRC, rozciąga się od 52–57 HRC do 24–28 HRC, gdy temperatura odpuszczania rośnie od 205 °C do 650 °C.
| Stal | Pasmo dostaw Q&T | Tylko po hartowaniu | Po co odpuszczanie |
|---|---|---|---|
| 1045 | 220–290 HB | 55–60 HRC (water) | Nieodpuszczony martenzyt pęka w eksploatacji; odpuszczanie odzyskuje udarność kosztem kontrolowanej utraty twardości |
| 4140 | 28–34 HRC pre-hard | 55–60 HRC (oil) | Wysokie odpuszczanie w 500–650 °C tworzy sorbyt odpuszczania — stan, w którym określa się wały i koła zębate |
O ile mocniejszy jest 6061-T6 w porównaniu z 6061-O?
6061-T6 osiąga 310 MPa (45 ksi) wytrzymałości wobec 125 MPa (18 ksi) dla 6061-O — około 2.5× — z granicą plastyczności 276 wobec 55 MPa i twardością 95 wobec 30 HB; całą różnicę daje obróbka cieplna, a nie dodatki stopowe. Standardowe minimum stoją obok wartości typowych: blacha i płyta 6061-T6 muszą osiągać 290 MPa (42 ksi) wytrzymałości i 240 MPa (35 ksi) granicy plastyczności, podczas gdy 310/276 MPa to wartości typowe.
| Stop i stan (temper) | Wytrzymałość, MPa (ksi) | Granica plastyczności, MPa (ksi) | Wydłużenie (%) | Twardość (HB) | Źródło |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Czy 6061-T651 jest mocniejszy niż 6061-T6?
Nie — obie dają 310 MPa (45 ksi) wytrzymałości i 276 MPa granicy plastyczności. T651 dodaje 1–3% trwałego rozciągania po hartowaniu dla odprężenia naprężeń hartowniczych, więc lepiej trzyma wymiary przy obróbce skrawaniem; dlatego praca na płytach i panelach startuje z półfabrykatu T651.
| Stan (temper) | Proces | Różnica mechaniczna | Norma | Źródło |
|---|---|---|---|---|
| O | W pełni wyżarzony — nagrzany i wolno chłodzony do najmiększego stanu | Najniższa wytrzymałość, najwyższa podatność na obróbkę plastyczną | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S19 / S7 |
| T4 | Przesycony, następnie naturalnie starzony w temperaturze pokojowej | Umiarkowana wytrzymałość, wciąż podatny na obróbkę plastyczną | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S15 / S7 |
| T6 | Przesycony, następnie sztucznie starzony do szczytu wytrzymałości | Najwyższa wytrzymałość dla stopu | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S15 / S7 |
| T651 | T6 plus rozciąganie 1–3% dla odprężenia przed starzeniem | Wytrzymałość jak T6; lepsza stabilność wymiarowa przy obróbce skrawaniem | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S7 / S24 |
| T73 | Przesycony, następnie przestarzony w dwustopniowym starzeniu | Wytrzymałość niższa niż T6; znacznie lepsza odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe; głównie seria 7xxx | AMS 4078; ASTM B209; GB/T 3880 | S9 / S2 |
Czym jest stan T73 i kiedy go wybrać?
T73 to przestarzony stan dwustopniowy wybierany ze względu na odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe w częściach lotniczych. Wytrzymałość 7075-T73 podawana jest w dwóch bazach zachowanych jako osobne wiersze — typowa wartość ASM Handbook 505 MPa i specyfikacja płyty ASTM B209 460–475 MPa — i nigdy nie są uśredniane. 6061 nie jest dostarczany w T73, dlatego liczby prezentuje 7075.
| Obowiązująca baza | Wytrzymałość (MPa) | Granica plastyczności (MPa) | Wydłużenie (%) | Twardość | Źródło |
|---|---|---|---|---|---|
| 7075-T73 — ASM Handbook typical (bar / forging reference) | 505 | 435 | 13 | — | S1 / S2 |
| 7075-T73 — ASTM B209 / AMS 4078 plate, by thickness (spec) | 460–475 | 385–390 | 5–8 | 126–140 HB | S9 |
| 7075-T6 — typical, for comparison | 572 (83 ksi) | 503 (73 ksi) | — | — | S7 |
Jaki jest najmocniejszy standardowy stan starzenia 17-4PH?
H900, starzenie w 482 °C (900 °F) przez 1 godzinę, daje minimum 1,310 MPa (190 ksi) wytrzymałości, 1,170 MPa (170 ksi) granicy plastyczności i co najmniej 40 HRC — najmocniejszy i najmniej udarny koniec z trzech standardowych stanów. Wszystkie wartości to minimum specyfikacji pręta wg ASTM A564 / AMS 5643.
| Stan | Temperatura / czas starzenia | Wytrzymałość min., MPa (ksi) | Granica plastyczności min., MPa (ksi) | Wydłużenie min. (%) | Twardość | Praca łomności Charpy V (ft-lb) | Źródło |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H900 | 482 °C (900 °F) / 1 h | 1,310 (190) | 1,170 (170) | 10 | ≥40 HRC (typical 44) | 10–15 (low) | S3 / S23 |
| H1025 | 552 °C (1,025 °F) / 4 h | 1,070 (155) | 1,000 (145) | 12 | ≥35 HRC (typical 38) | 35–45 (moderate) | S3 / S23 |
| H1150 | 621 °C (1,150 °F) / 4 h | 930 (135) | 725 (105) | 16 | 28–33 HRC (typical 33) | 60–80 (high) | S3 / S23 |
Który stan 17-4PH daje najwyższą udarność?
H1150, starzenie w 621 °C, utrzymuje minimum 930 MPa (135 ksi) wytrzymałości przy 16% wydłużenia i 28–33 HRC — najwyższą udarność Charpy z trzech stanów. Od H900 do H1150 wytrzymałość spada o około 30%, granica plastyczności o około 38%, a wydłużenie rośnie od 10% do 16%: wyższa temperatura starzenia powiększa wydzielenia bogate w miedź i wymienia wytrzymałość na udarność. Wartości Charpy to reprezentatywne pasma wzdłużne i zmieniają się z formą wyrobu i kierunkiem wycięcia.
| Stan | Praca łomności Charpy V (ft-lb) | Wydłużenie (%) | Twardość | Najlepszy dla |
|---|---|---|---|---|
| H900 | 10–15 (low) | 10 | ≥40 HRC | Części o najwyższej wytrzymałości bez udarów i ekspozycji kriogenicznej |
| H1025 | 35–45 (moderate) | 12 | ≥35 HRC | Stan uniwersalnie zbalansowany |
| H1150 | 60–80 (high) | 16 | 28–33 HRC | Części narażone na udary i temperatury kriogeniczne; także wybór zgodny z NACE |
Czy 17-4PH może pracować w serwisie kwaśnym wg NACE?
Tylko H1150 — albo H1025 z weryfikacją każdego wytopu, że rzeczywista twardość nie przekracza 33 HRC — przechodzi wg NACE MR0175 / ISO 15156-3; H900 z minimum 40 HRC nie przechodzi. Regułę wyznacza twardość: serwis kwaśny ogranicza twardość do 33 HRC.
| Stan | Twardość wg specyfikacji | Status wg NACE MR0175 | Uwaga |
|---|---|---|---|
| H900 | ≥40 HRC (typical 44) | Not qualified | Zdecydowanie przekracza limit 33 HRC dla serwisu kwaśnego |
| H1025 | ≥35 HRC (typical 38) | Conditional | Tylko z weryfikacją każdego wytopu, że rzeczywista twardość nie przekracza 33 HRC |
| H1150 | 28–33 HRC (typical 33) | Compliant | Standardowy wybór do serwisu kwaśnego |
Jak korzystać z tych liczb
- Wartości oznaczone min. to minimum specyfikacji z obowiązującej normy (ASTM / AMS); wartości nieoznaczone są typowe i zmieniają się z formą wyrobu, przekrojem i praktyką piecową — projektuj wg obowiązującej specyfikacji i świadectwa hutniczego.
- Twardość stali spada z przekrojem (efekt masy): pre-hard 4140 28–34 HRC dotyczy dostarczonego wymiaru pręta, więc duże przekroje weryfikuj po świadectwie hutniczym, a nie wg katalogu.
- Reprezentatywne parametry obróbki cieplnej: przesycanie 6061 — 530 °C, chłodzenie w wodzie; sztuczne starzenie T6 — 160 °C przez około 18 h lub 177 °C przez około 8 h; wyżarzanie do O przy 413 °C; dwustopniowe starzenie 7075-T73 — 110 °C 8 h plus 175 °C 8 h, po przesycaniu w 475 °C przez 90 min i 3 dobach starzenia naturalnego.
- Stany 17-4PH to jeden nadrzędny stan przesycany (stan A po ostygnięciu z około 1040 °C) starzony w różnych temperaturach — liczba H to temperatura starzenia w °F. Pręt wg ASTM A564/A564M, płyta i blacha wg ASTM A693, części lotnicze wg AMS 5643/5604; chiński odpowiednik 05Cr17Ni4Cu4Nb — GB/T 1220.
- Zahartowany, ale nieodpuszczony martenzyt (55–60 HRC w obu stalach odniesienia) to zagrożenie przy obróbce skrawaniem i szlifowaniu, a nie stan dostawy: zamawiaj stal w stanie wyżarzonym, znormalizowanym lub hartowanym i odpuszczanym, resztę zostaw obróbce cieplnej.
Najczęściej zadawane pytania
Wyżarzona 1045 to około 160–200 HB (163 HB typowo), a normalizowana 1045 osiąga około 187 HB przy wytrzymałości 640 MPa.
Pre-hard 4140 to zwykle 28–34 HRC; standardowa obróbka cieplna z odpuszczaniem w 540 °C daje 28–32 HRC i wytrzymałość 1,000–1,100 MPa.
Zarówno 1045 (woda), jak i 4140 (olej) osiągają około 55–60 HRC po hartowaniu, ale nieodpuszczony martenzyt jest zbyt kruchy do eksploatacji.
Hartowanie plus wysokie odpuszczanie w 500–650 °C tworzące sorbyt odpuszczania, zwykle 28–32 HRC — najlepszy balans wytrzymałości i udarności dla wałów i kół zębatych.
6061-T6 osiąga 310 MPa (45 ksi) wytrzymałości wobec 125 MPa (18 ksi) dla 6061-O — około 2.5× większa wytrzymałość.
Nie — obie dają 310 MPa (45 ksi) wytrzymałości i 276 MPa granicy plastyczności; T651 dodaje rozciąganie 1–3% dla odprężenia, więc lepiej trzyma wymiary przy obróbce.
Przestarzony stan dwustopniowy: 7075-T73 daje 505 MPa wytrzymałości wg ASM Handbook (460–475 MPa dla płyty wg ASTM B209), wybierany ze względu na odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe.
H900, starzenie w 482 °C przez 1 godzinę: minimum 1,310 MPa (190 ksi) wytrzymałości i co najmniej 40 HRC — z najniższą udarnością z trzech.
H1150, starzenie w 621 °C: 930 MPa (135 ksi) wytrzymałości przy 16% wydłużenia i 28–33 HRC, najwyższa udarność Charpy z trzech.
Tylko H1150, albo H1025 ze weryfikacją wytopu przy maksimum 33 HRC, przechodzi wg NACE MR0175; H900 z minimum 40 HRC nie przechodzi.
Normy i źródła
- S1 — ASM Metals Handbook, Vol. 2 (Properties and Selection: Nonferrous Alloys), wyd. 10: typowe wartości 7075-T73
- S2 — recenzowane badanie odkuwek AA7075 (PMC): sekwencja starzenia T73 i wartości odniesienia ASM
- S3 — JN Alloys, obróbka cieplna 17-4PH: dane stanów H900 / H1025 / H1150 (sprawdzone wobec minimum ASTM A564)
- S4 — Nifty Alloys, obróbka cieplna stali 4140: wykres odpuszczania wg temperatury
- S5 — dane gatunku steelstandart dla 1045: twardość po wyżarzaniu, Q&T i tuż po hartowaniu
- S6 — opublikowana karta hutnicza, pręt 1045 ze stali węglowej średniowytrzymałej, właściwości po normalizowaniu
- S7 — Tech Steel, właściwości 6061 (UNS A96061): wartości typowe wg temperów i porównanie z 7075-T6
- S8 — Weltstahl, karta aluminium 6061: typowe właściwości mechaniczne
- S9 — dane blachy i płyty 7075-T73 / T7351: właściwości mechaniczne wg grubości (baza ASTM B209)
- S14 — ISO 2107, oznaczenia temperów aluminium (chiński odpowiednik GB/T 16475); S15 — klasyfikacje aluminium AZoM; S19 — GB/T 16475; S24 — przewodnik temperów (praktyka rozciągania T651)
- S21 / S22 — dane stanu wyżarzonego 1045 (The World Material; dane hutnicze SAE 1045); S23 — skrótowa karta Alloy 17-4PH: pasma twardości i Charpy
- Obowiązujące normy niosą nośne minimum: 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 wykluczony (robots.txt blokuje dostęp automatyczny); karty dystrybutorów zawierają tylko kolumny wartości typowych, a minimum specyfikacji odsyłają do oryginałów ASTM / AMS / GB
Powiązane strony
- /pl/wiki/reference/hardness-conversion/ — Sibling quick table: convert between HB, HRC and HV hardness scales
- /pl/wiki/reference/cutting-parameters/ — Sibling quick table: cutting speeds and feeds to run once the heat-treatment condition is fixed
- /pl/wiki/reference/material-density/ — Sibling quick table: density for weight and material cost estimates