Legovaná ocel 5140 je nízkolegovaná ocel na bázi chromu, známá pro svou spolehlivou kombinaci pevnosti, houževnatosti a kalitelnosti. Díky těmto vlastnostem je všestrannou volbou pro mnoho inženýrských aplikací vyžadujících spolehlivý výkon při namáhání. V Aobo Steel dodáváme vysoce kvalitní ocel 5140 vhodnou pro vaše výrobní potřeby.

1. 5140 Alloy Steel Chemical Composition

Přesné chemické složení oceli 5140 se může mírně lišit v závislosti na konkrétní normě (např. SAE, ASTM). Typické složení však zahrnuje:

Živel	uhlík (C)	křemík (Si)	mangan (Mn)	fosfor (P)	síra (S)	Chrom (Cr)
Minimum (%)	0.38	0.15	0.6			0.8
Maximum (%)	0.45	0.35	1	0.035	0.035	1.2

2. Vlastnosti legované oceli 5140

AISI/SAE 5140 is a low-alloy steel, classified as a medium-carbon alloy steel, and is considered a hardening grade. Understanding the specific 5140 alloy steel properties is crucial for resistance with the right material for your understanding of applications. This grade is primarily utilized as a hardening steel, making it highly suitable for components that require enhanced mechanical performance and durability.

2.1 Mechanické vlastnosti legované oceli 5140

Its heat treatment condition significantly influences the mechanical properties of 5140 alloy steel. For components such as pins, shafts, and gears, 5140 steel is commonly used in the hardened and tempered (H&T) state. In this condition, it typically exhibits the following characteristics:

Vlastnictví	Typická hodnota (kalená a popouštěná 5140)	Poznámky
Pevnost v tahu	785 – 980 MPa (80 – 100 kgf/mm²)	Ideální pro středně namáhané konstrukční a strojní součásti.
Prodloužení	12% – 14%	Znamená dobrou tažnost a zároveň pevnost.
Pevnost jádra (po indukčním kalení)	980–1370 MPa (100–140 kgf/mm²)	Závisí na průměru součásti a hloubce pouzdra (obvykle 1,0–2,0 mm).

Jako obecná reference pro řadu ocelí 51xx (která zahrnuje i 5140) v různých dodacích podmínkách, jako je válcování za tepla, normalizace, žíhání nebo tažení za studena, a pro šestihranné rozměry v rozmezí přibližně 11,1 mm až 89 mm, mohou typické vlastnosti zahrnovat:

• Pevnost v tahu: Přibližně 860 MPa (125 ksi)
• Mez kluzu: Přibližně 725 MPa (105 ksi)
• Prodloužení: Přibližně 14,01 TP3T
• Zmenšení plochy: Přibližně 45,01 TP3T
• Tvrdost: Přibližně 269 HB

Je zásadní si uvědomit, že se jedná o obecné hodnoty. Přesné Vlastnosti legované oceli 5140 pro konkrétní aplikaci se bude lišit v závislosti na přesném tepelném zpracování, velikosti průřezu a použitých parametrech zpracování.

2.2 Reakce na tepelné zpracování a výsledné vlastnosti

A defining characteristic of the Vlastnosti legované oceli 5140 je jeho vynikající reakce na různé procesy tepelného zpracování, což umožňuje přizpůsobit jeho výkon specifickým požadavkům aplikace.

• Žíhání: Pro zlepšení obrobitelnosti nebo přípravu oceli pro následné tváření za studena lze legovanou ocel 5140 žíhat. Tento proces se obvykle provádí při teplotách v rozmezí od 815 °C do 870 °C (1500 °F až 1600 °F). Žíháním se dosáhne maximální tvrdosti přibližně 187 HB, což poskytuje měkčí a lépe zpracovatelnou strukturu.
• Kalení a popouštění (H&T): Toto je nejběžnější tepelné zpracování oceli 5140, které je navrženo tak, aby dosáhlo optimální kombinace pevnosti, houževnatosti a odolnosti proti opotřebení. Dosažené specifické mechanické vlastnosti jsou podrobně uvedeny v tabulce výše a jsou vhodné pro širokou škálu technických součástí.
• Indukční kalení: Pro aplikace vyžadující vynikající tvrdost povrchu a odolnost proti opotřebení při zachování houževnatosti jádra (např. zuby ozubených kol, ložiskové plochy) lze legovanou ocel 5140 po počátečním cyklu kalení a popouštění účinně indukčním kalením. Tato povrchová úprava může poskytnout pevnost jádra mezi 980 MPa a 1370 MPa (100 až 140 kgf/mm²) v závislosti na faktorech, jako je průměr součásti a dosažená hloubka pouzdra, která se obvykle pohybuje mezi 1,0 mm a 2,0 mm.

2.3 Kalitelnost oceli 5140

Kalitelnost legovaná ocel 5140 označuje jeho schopnost dosáhnout požadované úrovně tvrdosti v celém průřezu po kalení z austenitizační teploty. Jedná se o kritickou vlastnost ovlivňující konstrukci součásti, zejména u větších dílů.

• Srovnávací výkon: Ocel 5140 vykazuje výrazně lepší schopnosti prokalování než obyčejné uhlíkové oceli, jako je 1040, zejména u větších průřezů. To zajišťuje rovnoměrnější tvrdost a mechanické vlastnosti v celé součásti.
• Relativní pozice: I když je kalitelnost oceli 5140 lepší než u mnoha uhlíkových ocelí, je obecně nižší než u některých jiných běžných chrom-molybdenových legovaných ocelí, jako jsou 4140 nebo 4340. Tento rozdíl je důležitý při výběru materiálů pro velmi velké nebo kriticky namáhané součásti, kde je hluboké a rovnoměrné kalení prvořadé.

2.4 Úvahy o obrobitelnosti

Pokud jde o aspekt obrobitelnosti Vlastnosti legované oceli 5140Standardní ocel 5140 v kaleném a popouštěném stavu vykazuje pro legovanou ocel s daným obsahem uhlíku slušnou obrobitelnost. Pro lepší obráběcí výkon se doporučuje zpracování v žíhaném stavu. I když pro standardní jakost nejsou vždy uvedena explicitní hodnocení obrobitelnosti, stojí za zmínku, že v kategorii středně uhlíkových legovaných ocelí existují varianty pro bezolovnaté obrobení, jako je 51L32, pro aplikace, kde je primárním požadavkem výrazně lepší obrobitelnost.

3. Klíčové procesy tepelného zpracování pro legovanou ocel 5140

Na legovanou ocel 5140 lze použít několik zavedených procesů tepelného zpracování, které modifikují její mikrostrukturu a následně i její fyzikální a mechanické vlastnosti. Mezi tyto procesy patří žíhání, normalizace, kalení a popouštění, izotermické kalení a indukční kalení.

3.1 Žíhání legované oceli 5140

Annealing is primarily employed to soften 5140 alloy steel, enhancing its machinability and formability.

• Proces: To zahrnuje ohřev oceli na teplotní rozsah 815 °C až 870 °C (1500 °F až 1600 °F), její udržování na této teplotě po dostatečně dlouhou dobu a následné pomalé ochlazování, obvykle v peci.
• Výsledek: Tato úprava si klade za cíl vytvořit mikrostrukturu převážně perlitických nebo sféroidizovaných karbidů ve feritické matrici. Maximální tvrdost dosažitelná po žíhání oceli 5140 v tomto rozsahu je přibližně 187 HB. Tento změkčený stav, charakterizovaný specifickou mikrostrukturou, je ideální pro následné výrobní operace díky zlepšené obrobitelnosti a tvařitelnosti.

3.2 Normalizace legované oceli 5140

Normalizace je proces tepelného zpracování používaný ke zjemnění struktury zrna legované oceli 5140, čímž se vytvoří rovnoměrnější a homogennější mikrostruktura.

• Proces: Zahrnuje ohřev oceli na teplotu nad jejím horním kritickým bodem transformace (Ac3) a následné ochlazení na klidném vzduchu.
• Výsledek: Tato úprava vede k jemnější a rovnoměrnější velikosti zrna, což může zlepšit pevnost a houževnatost oceli. Normalizace se často provádí jako přípravný krok před dalším tepelným zpracováním, jako je kalení a popouštění, čímž se zajišťuje konzistentní a optimální odezva na následné tepelné zpracování.

3.3 Kalení a popouštění legované oceli 5140

Kalení a popouštění (často označované jako kalení a popouštění) je klíčové tepelné zpracování pro legovanou ocel 5140 pro dosažení optimální rovnováhy mezi pevností, tvrdostí a houževnatostí.

• Proces kalení: To zahrnuje austenitizaci oceli, obvykle zahřátím na přibližně 840 °C (nebo dle specifických potřeb aplikace), následovanou rychlým ochlazením (kalením) ve vhodném médiu (např. oleji nebo vodě). Cílem je přeměnit austenit na tvrdou martenzitickou nebo bainitickou strukturu, která poskytuje počáteční vysokou tvrdost.
• Kalitelnost: Legovaná ocel 5140 vykazuje dobrou prokalitelnost, lepší než obyčejné uhlíkové oceli, jako je 1040, zejména při dosahování průřezové tvrdosti v průřezech do průměru přibližně 40 mm po kalení ve vodě. Například vzorek 5140 o průměru 15 mm vykazuje konzistentní tvrdost v celém průřezu díky tvorbě martenzitu, což je vlastnost, která se za podobných podmínek kalení udržuje i u vzorků o průměru 40 mm. Její prokalitelnost je však obecně nižší než u vyšších jakostí slitin, jako je ocel 4140 nebo 4340 ocel; toto je třeba vzít v úvahu při opracování velmi velkých profilů, kde je dosažení rovnoměrné tvrdosti v celé tloušťce materiálu zásadní, protože alternativy s vyšším obsahem slitin mohou nabídnout hlubší kalení.

• Proces temperování: Po kalení je ocel extrémně tvrdá, ale pro většinu aplikací často příliš křehká. Popouštění zahrnuje opětovné ohřátí kalené oceli na specifickou teplotu pod její dolní kritickou teplotou (Ac1), obvykle mezi 175 °C a 705 °C (350 °F a 1300 °F). Zvolená teplota popouštění určuje konečnou rovnováhu vlastností.
• Výsledek: Popouštění do určité míry snižuje tvrdost a pevnost, ale výrazně zvyšuje tažnost a houževnatost, čímž uvolňuje vnitřní pnutí vznikající během kalení. Tento proces umožňuje přesnou kontrolu nad konečnými mechanickými vlastnostmi součástí z legované oceli 5140 a přizpůsobuje je specifickým provozním požadavkům.

3.4 Izotermické kalení legované oceli 5140

Nízkolegovaná ocel 5140 je považována za vhodnou pro izotermické kalení, což je izotermický transformační proces, při kterém vzniká bainitická mikrostruktura.

• Proces: Austempering involves quenching the steel from its austenitizing temperature directly to a temperature above the martensite start temperature (Ms) but below the pearlite formation range (typically within the bainite transformation zone). The steel is held at this temperature until the austenite transforms completely into bainite. For 5140 steel, this transformation to bainite is generally completed within 1 to 10 minutes when held at temperatures between 315°C and 400°C (600°F and 750°F).
• Výsledek: Tento proces vede k bainitické mikrostruktuře, známé pro svou vynikající kombinaci pevnosti, houževnatosti a tažnosti, často se sníženou deformací ve srovnání s konvenčním kalením a popouštěním. Složení legované oceli 5140 umožňuje izotermické popouštění ve větších průřezech ve srovnání s běžnými uhlíkovými ocelemi, jako je 1080, a to díky delšímu času, který je k dispozici k zamezení tvorby perlitu během chlazení.

3.5 Indukční kalení legované oceli 5140

Pro aplikace vyžadující vysokou povrchovou tvrdost a odolnost proti opotřebení v kombinaci s houževnatým jádrem lze legovanou ocel 5140 efektivně indukčním kalením. Tento proces se obvykle provádí po počátečním kalení a popouštění, aby se dosáhlo požadovaných vlastností jádra.

• Proces: Indukční kalení je technika povrchového kalení, která využívá elektromagnetickou indukci k rychlému ohřevu povrchové vrstvy oceli nad její transformační teplotu a následnému okamžitému kalení.
• Výsledek: Tím se vytvoří tvrdý povrchový obal a zároveň se zachovají předem stanovené prospěšné vlastnosti (jako je houževnatost nebo vysoká pevnost) jádra. U legované oceli 5140 (často označované jako 4140) může indukční kalení dosáhnout hloubky obalení 1,0 mm až 2,0 mm, přičemž pevnost jádra se obvykle pohybuje mezi 100-140 kgf/mm², v závislosti na průměru součásti a specifických procesních parametrech. Tato dvojí vlastnost je velmi výhodná pro součásti vystavené povrchovému opotřebení a namáhání jádra.

3.6 Přehled možností tepelného zpracování pro legovanou ocel 5140

Pro lepší představu o tom, jak tepelně zpracovat legovanou ocel 5140, shrnuje následující tabulka klíčové procesy tepelného zpracování:

Proces tepelného zpracování	Typická austenitizační teplota.	Kalící/udržovací teplota.	Typická teplota popouštění.	Klíčové výsledky pro legovanou ocel 5140	Primární účel
Žíhání	815–870 °C (1500–1600 °F)	Pomalé chlazení (pec)	N/A	Maximální tvrdost 187 HB; perlitická/sferoidizovaná struktura	Změkčení pro obrobitelnost, zlepšená tvařitelnost
Normalizace	Nad Ac3	Vzduchové chlazení	N/A	Zjemněná, jednotná struktura zrn; vylepšená konzistence	Homogenizujte strukturu, připravte ji na další zpracování
Kalení a popouštění	cca 840 °C (příklad)	Rychlé kalení (olej/voda)	175–705 °C (350–1300 °F)	Vysoká pevnost, dobrá houževnatost; martenzitická/bainitická struktura (popuštěná)	Dosáhněte požadované rovnováhy mezi pevností a houževnatostí
Izotermické kalení	Austenitizační teplota.	Udržujte při teplotě 315–400 °C (600–750 °F)	N/A	Bainitická mikrostruktura; dobrá pevnost, houževnatost a tažnost; potenciálně snížená deformace	Zvýšená houževnatost a tažnost s dobrou pevností
Indukční kalení	Povrchový ohřev indukcí	Rychlé zhášení	Dle potřeb hlavní nemovitosti	Tvrdý povrch pouzdra (hloubka 1–2 mm); odolné, vysoce pevné jádro (100–140 kgf/mm² pro skupinu 5140/4140)	Vysoká odolnost povrchu proti opotřebení, odolné jádro

4. Aplikace

Zde se blíže podíváme na to, kde legovaná ocel 5140 obvykle vyniká a demonstruje své schopnosti v různých průmyslových aplikacích:

Oblast použití	Legovaná ocel 5140: Hlavní použití a klíčové výhody
Čepy a hřídele	Zvolená pro kritické čepy a hřídele vyžadující vyšší pevnost a odolnost než standardní uhlíkové oceli. Legovaná ocel 5140 dosahuje potřebných mechanických vlastností díky své vynikající kalitelnosti, což zajišťuje spolehlivost nosných a výkonových komponent a přispívá k provozní bezpečnosti.
Ozubená kola	Spolehlivý materiál pro výrobu různých typů ozubených kol. Jeho složení nabízí dobrou trvanlivost a odolnost proti opotřebení, jako je důlková koroze a oděr, což je nezbytné pro dlouhou životnost a výkon převodových systémů.
Kované komponenty	Díky své příznivé reakci na kování a tepelné zpracování se ocel 5140 používá k výrobě robustních výkovků, které vyžadují zvýšenou pevnost, houževnatost a delší únavovou životnost v náročných provozních podmínkách strojů a zařízení.
Mechanické trubky	Specifikováno dle normy ASTM A519 pro bezešvé mechanické trubky z uhlíkové a legované oceli. Díky tomu je legovaná ocel 5140 vhodná pro aplikace vyžadující vysoce kvalitní trubky s konzistentními mechanickými vlastnostmi a rozměrovou přesností pro konstrukční a mechanické systémy.
Tyče z legované oceli	Splňuje normy ASTM A322 pro za tepla válcované tyče z legované oceli. Tyto tyče jsou určeny pro běžné konstrukční aplikace, kde je nezbytná vyšší pevnost a houževnatost legované oceli, jako je 5140, než u alternativ z obyčejné uhlíkové oceli, zejména pro náročnější konstrukční role.

Proč zvolit pro tyto aplikace legovanou ocel 5140?

The common thread across these diverse applications is the consistent need for a material that delivers a superior combination of strength, toughness, and hardenability. 5140 alloy steel is a robust, hardening grade of low-alloy steel, well-regarded for its reliable and consistent performance. It is particularly effective for parts with moderate section sizes. In such components, its specific hardenability characteristics allow for thorough, uniform hardening (known as through-hardening). This provides a distinct advantage over simpler carbon steel grades, like 1040, ensuring that your components—from critical pins and shafts to durable gears and forgings—achieve the desired mechanical properties for dependable, long-lasting performance in their intended service environments.

5. 5140 Alloy Steel Equivalents Grades

• SAE/AISI: 5140
• ASTM: A29/A29M
• ISO: 683-1 (koncept podobného stupně)
• RÁMUS: 41Cr4 / 42Cr4 (č. materiálu 1.7035)
• JIS: SCR440