Kalení 4140: cykly kalení a popouštění podle velikosti průřezu

Standardní cyklus

4140 je chrom-molybdenová ocel s asi 0.40% uhlíku, určená k použití ve stavu kaleném a popuštěném (zušlechtěném):

1. Austenitizace při zhruba 840–870 °C (asi 845 °C je široce používaný pracovní bod), dostatečně dlouho, aby se průřez vyrovnal.
2. Kalení do oleje u většiny průřezů; do polymeru nebo, u jednoduchých tvarů v malých průřezech, do vody tam, kde je potřeba vyšší intenzita ochlazování a riziko praskání je zvládnuto. Míchání a správná teplota oleje záleží více než malé teplotní rozdíly v peci.
3. Popouštění ihned, jakmile díl dosáhne téměř pokojové teploty — prodleva vybízí ke kalicím trhlinám. Teplota popouštění se volí podle cílových vlastností, nikoli ze zvyku.

Logika křivky popouštění

Zakalená 4140 má tvrdost v polovině padesátých hodnot HRC (mírně nad 50 HRC) a je příliš křehká k použití. Popouštění vyměňuje tvrdost za houževnatost podél hladké křivky, přibližně:

• Popouštění kolem 200 °C: stále velmi tvrdá a pevná, omezená houževnatost — používá se zřídka, pro díly, kde převládá opotřebení.
• Kolem 400 °C: vysoká pevnost se zlepšující se houževnatostí; všimněte si obecné oblasti křehnutí popuštěného martenzitu, kterou mnoho Cr ocelí vykazuje při nižších teplotách popouštění — kritické díly se zkoušejí rázem, nepředpokládají se.
• Kolem 550–650 °C: klasický strojírenský stav — tvrdost zhruba v oblasti horních 20 až poloviny 30 HRC, s nejlepší kombinací meze kluzu, tažnosti a Charpyho houževnatosti pro hřídele, ozubená kola a vysokopevnostní šrouby.

Přesná čísla se posouvají podle skutečného chemického složení tavby a intenzity kalení, a proto specifikace uvádějí rozsah tvrdosti nebo pevnosti v tahu a nechávají pracovníka tepelného zpracování zvolit teplotu popouštění tak, aby jej dosáhl.

Prokalení v celém průřezu podle průměru

Prokalitelnost 4140 je dobrá, ale konečná. Jako široce používané praktické pravidlo:

• Průřezy do zhruba 25–40 mm se kalením do oleje prokalí téměř na plný martenzit a popouštějí rovnoměrně.
• V rozsahu 50–100 mm se jádro stále více přeměňuje částečně na bainit: vlastnosti povrchu a jádra se rozcházejí a zaručené vlastnosti v normách odpovídajícím způsobem klesají.
• Za touto hranicí berte „4140 prokalenou v celém průřezu“ s nedůvěrou — ptejte se, kde byl zkušební vzorek odebrán (povrch, poloviční poloměr nebo jádro jsou všechny používané konvence), nebo přejděte na jakost s vyšší prokalitelností, jako je 4340.

Proto normy EN a ASTM tabulkově uvádějí vlastnosti 42CrMo4/4140 podle rozhodujícího průřezu a proto má průběh tvrdosti na vzorku ze skutečné tyče větší hodnotu než katalogová hodnota.

Praktické poznámky

Před kalením normalizačně žíhejte, pokud je výchozí struktura po válcování za tepla pásová nebo hrubá. Obrábějte v žíhaném nebo předkaleném stavu (kaleno a popuštěno na asi 28–32 HRC) pro nejlepší ekonomiku dílny — předkalené plechy a tyče z 4140 existují právě proto, aby malé série mohly kalírnu zcela přeskočit.

Každou zakázku kalení 4140 uzavírají dvě kontroly: ověřte tvrdost na pracovních plochách po popouštění (jediné měření na jednom konci dlouhé hřídele mnoho neprokazuje) a tam, kde je díl kritický z hlediska únavy, potvrďte, že požadavky specifikace na rázovou houževnatost byly skutečně zkoušeny z rozhodujícího průřezu — pověst 4140 se získává v jejím rozsahu prokalení v celém průřezu a mimo něj se tiše ztrácí.