TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ

Tepelné zpracování je řízený tepelný proces, který mění metalurgickou mikrostrukturu oceli tak, aby byly dosaženy požadované mechanické vlastnosti. V závislosti na použitém procesu může tepelné zpracování zvýšit pevnost, tvrdost, houževnatost, odolnost proti opotřebení a odolnost spojovacího materiálu vůči zvýšeným teplotám.

PŘEHLED PROCESŮ TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ

Vhodný proces tepelného zpracování závisí na chemickém složení oceli, rozměrech spojovacího prvku, požadované třídě pevnosti a zamýšleném použití.

Proces	Přibližná teplota nebo metoda	Účel	Typické použití u spojovacího materiálu
Žíhání	Těsně pod 721°C	Změkčuje ocel a vytváří globulární strukturu pro snadnější tváření	Válcovaný drát a polotovary před tvářením za studena
Normalizační žíhání	800–920°C, následované ochlazením na vzduchu	Zjemňuje hrubozrnnou strukturu vzniklou po tváření za tepla	Za tepla válcované nebo kované polotovary
Žíhání ke snížení pnutí	550–650°C	Snižuje zbytková pnutí vzniklá při tváření za studena	Za studena tvářený spojovací materiál nižších tříd pevnosti, pokud je to předepsáno
Kalení	Obvykle nad 800°C, následované rychlým ochlazením	Vytváří tvrdou martenzitickou mikrostrukturu	První fáze kalení a popouštění
Popouštění	Přibližně 200–650°C	Snižuje křehkost a upravuje tvrdost a houževnatost	Provádí se po kalení
Kalení a popouštění	Kalení a rychlé ochlazení, následované popouštěním při přibližně 340–650°C	Kombinuje vysokou pevnost s dostatečnou houževnatostí a tažností	Třídy pevnosti 8.8, 10.9 a 12.9
Cementování	Atmosféra bohatá na uhlík, následovaná kalením	Vytváří tvrdý povrch odolný proti opotřebení a houževnaté jádro	Závitořezné, závitotvářecí, samořezné, dřevotřískové a některé samovrtné šrouby
Indukční kalení	Lokální vysokofrekvenční indukční ohřev, následovaný rychlým ochlazením	Zajišťuje lokální tvrdost a odolnost proti opotřebení	Závitové tyče a speciální součásti

Poznámka: Uvedené teploty jsou orientační. Přesný cyklus závisí na chemickém složení oceli, rozměrech spojovacího prvku, použitém zařízení, požadovaných vlastnostech a příslušné výrobkové normě.

ŽÍHÁNÍ

Ocel je po dobu několika hodin udržována na teplotě těsně pod 721°C a poté pomalu ochlazována. Během tohoto procesu se struktura mění z tvrdého lamelárního perlitu na měkčí globulární neboli sferoidizovaný perlit. Výsledný stav materiálu je obzvláště vhodný pro tváření za studena a další tvářecí operace.

NORMALIZAČNÍ ŽÍHÁNÍ (REKRYSTALIZACE)

Ocel se po stanovenou dobu zahřívá na teplotu přibližně 800°C až 920°C a následně se ochlazuje na vzduchu. Tím se zjemňuje hrubozrnná struktura, která může vzniknout například při válcování nebo kování za tepla. Zmenšení velikosti zrna může zlepšit mez kluzu a rázovou houževnatost, aniž by došlo k výraznému snížení pevnosti v tahu.

ŽÍHÁNÍ KE SNÍŽENÍ PNUTÍ

Tváření za studena vytváří v materiálu zbytková pnutí a způsobuje deformační zpevnění. Zahřátím ocelového spojovacího materiálu na přibližně 550°C až 650°C po stanovenou dobu lze velkou část těchto zbytkových pnutí odstranit. Spojovací prvky se následně pomalu a rovnoměrně ochlazují, aby nevznikala nová tepelná pnutí. V závislosti na materiálu a výrobním postupu lze tento proces použít u některých za studena tvářených spojovacích prvků nižších tříd pevnosti.

KALENÍ

Pokud se ocel s dostatečným obsahem uhlíku zahřeje nad kritickou transformační teplotu — u ocelí používaných pro spojovací materiál často nad 800°C — a poté se rychle ochladí v oleji, vodě nebo jiném vhodném médiu, může vzniknout tvrdá, ale křehká martenzitická mikrostruktura.

Dosažená tvrdost závisí na obsahu uhlíku, složení slitiny, průřezu materiálu a rychlosti ochlazování. Tenké spojovací prvky z vhodné uhlíkové oceli lze prokalit až do jádra. U větších průměrů nelze teplo z jádra odvést dostatečně rychle. Proto mohou být přidávány legující prvky, jako jsou bor, mangan, chrom, nikl a molybden, které zvyšují prokalitelnost.

Ke kalení spojovacího materiálu se často používá olej, protože umožňuje lépe řízenou rychlost ochlazování než voda. Voda ochlazuje intenzivněji, ale může zvyšovat riziko deformace a vzniku kalicích trhlin.

Martenzitická mikrostruktura oceli po kalení, zobrazená v měřítku 50 µm

POPOUŠTĚNÍ

S rostoucí tvrdostí se zvyšují také kalicí pnutí a křehkost. Proto musí po kalení co nejdříve následovat druhé tepelné zpracování, označované jako popouštění. Při teplotách do přibližně 200°C se křehkost snižuje pouze mírně a tvrdost zůstává z velké části zachována. Při vyšších popouštěcích teplotách se snižují vnitřní pnutí i tvrdost, zatímco se zlepšuje houževnatost a tažnost.

KALENÍ A POPOUŠTĚNÍ

Kalení a popouštění je kombinovaný proces, při kterém po ohřevu a rychlém ochlazení následuje vysokoteplotní popouštění, obvykle v rozsahu přibližně 340°C až 650°C. Jedná se o jeden z nejdůležitějších procesů tepelného zpracování vysokopevnostního spojovacího materiálu. Tento proces poskytuje rovnováhu mezi vysokou pevností v tahu a mezí kluzu a současně dostatečnou houževnatostí potřebnou pro odolávání vnějšímu a dynamickému zatížení. Třídy pevnosti 8.8, 10.9 a 12.9 se vyrábějí řízeným kalením a popouštěním v souladu s příslušnými požadavky.

TŘÍDY PEVNOSTI SPOJOVACÍHO MATERIÁLU A TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ

Třídy pevnosti definují minimální mechanické vlastnosti, nikoli jednu povinnou obchodní jakost oceli. Materiál a výrobní postup se volí tak, aby byly dosaženy požadované mechanické a fyzikální vlastnosti.

Třída pevnosti	Typické zpracování nebo tepelné zpracování	Minimální pevnost v tahu R_m (MPa)	Typická skupina materiálů
4.6	Obvykle se nekalí a nepopouští; proces se volí tak, aby byly splněny předepsané vlastnosti	400	Nízkouhlíková ocel
4.8	Obvykle se nekalí a nepopouští; může být použito tváření za studena nebo žíhání ke snížení pnutí	420	Nízkouhlíková ocel
5.6	Obvykle se nekalí a nepopouští; proces se volí tak, aby byly splněny předepsané vlastnosti	500	Uhlíková ocel
5.8	Obvykle se nekalí a nepopouští; může být použito tváření za studena nebo žíhání ke snížení pnutí	520	Nízkouhlíková nebo uhlíková ocel
6.8	Obvykle se nekalí a nepopouští; proces se volí tak, aby byly splněny předepsané vlastnosti	600	Uhlíková ocel
8.8, d ≤ 16 mm	Kaleno a popouštěno	800	Uhlíková nebo bórem legovaná ocel
8.8, d > 16 mm	Kaleno a popouštěno	830	Bórem legovaná nebo jiná legovaná ocel
10.9	Kaleno a popouštěno	1 040	Středně uhlíková, bórem legovaná nebo legovaná ocel
12.9	Kaleno a popouštěno	1 220	Legovaná ocel

Poznámka: Minimální hodnoty pevnosti v tahu vycházejí z normy ISO 898-1 pro příslušné šrouby a svorníky z uhlíkové a legované oceli zkoušené při okolní teplotě. Jakosti materiálu, chemické složení a výrobní postupy se mohou lišit podle výrobce, rozměrů spojovacího prvku a specifikace výrobku.

CEMENTOVÁNÍ

Cementování je proces sycení povrchu uhlíkem, který probíhá v atmosféře bohaté na uhlík. Uhlík difunduje do povrchu zahřáté součásti a vytváří tenkou vrstvu, kterou lze zakalit pro dosažení vysoké odolnosti proti opotřebení, zatímco jádro zůstává houževnatější a tažnější. Cementování se běžně používá u závitořezných, závitotvářecích, samořezných, dřevotřískových a některých samovrtných šroubů. Mezi příbuzné procesy patří karbonitridace, nitridace v solné lázni a plynová nitridace.

INDUKČNÍ KALENÍ

Pro speciální aplikace lze vytvořit vrstvu odolnou proti opotřebení rychlým ohřevem vybrané oblasti pomocí vysokofrekvenční indukční cívky bez přímého kontaktu s obrobkem. Zahřátá oblast se následně rychle ochladí v oleji, vodě nebo jiném řízeném médiu.

Indukční kalení se používá v případech, kdy pouze určitá část součásti vyžaduje vyšší tvrdost a odolnost proti opotřebení. Je vhodné také pro dlouhé součásti, například závitové tyče. Níže uvedený graf znázorňuje vztah mezi obsahem uhlíku v oceli, teplotami tepelného zpracování, kategoriemi ocelí a výslednými mechanickými vlastnostmi.

Graf znázorňující vztah mezi obsahem uhlíku v oceli, teplotami tepelného zpracování, druhy oceli a mechanickými vlastnostmi

Vztah mezi obsahem uhlíku, teplotami tepelného zpracování, kategoriemi ocelí a mechanickými vlastnostmi

ČASTO KLADENÉ OTÁZKY O TEPELNÉM ZPRACOVÁNÍ

Proč musí být vysokopevnostní šrouby tříd 8.8, 10.9 a 12.9 kaleny a popouštěny?

Kalením vzniká tvrdá martenzitická struktura potřebná pro dosažení vysoké pevnosti, ale bezprostředně po zakalení je spojovací prvek příliš křehký. Proto následuje popouštění, které snižuje vnitřní pnutí a obnovuje houževnatost při zachování většiny dosažené pevnosti. Kombinace těchto procesů vytváří požadovanou rovnováhu mezi pevností v tahu, mezí kluzu a tažností potřebnou pro vysokopevnostní šroubové spoje.

Jaký je rozdíl mezi cementováním a kalením v celém průřezu?

Při kalení v celém průřezu se mění mikrostruktura v celém průřezu spojovacího prvku, obvykle kalením a následným popouštěním. Cementováním se vytváří pouze tenká, tvrdá a otěruvzdorná povrchová vrstva, zatímco jádro zůstává houževnatější a tažnější. Tento proces se běžně používá u závitořezných, závitotvářecích, samořezných, dřevotřískových a některých samovrtných šroubů.

Lze tepelné zpracování zvrátit?

Tepelné zpracování nelze jednoduše zvrátit způsobem, který by zaručil obnovení původních vlastností. Žíháním lze kalenou ocel změkčit a poté případně provést nový řízený cyklus tepelného zpracování. Výsledné vlastnosti však mohou být ovlivněny růstem zrna, oduhličením, deformací a předchozími výrobními operacemi. Svařování nebo nekontrolované zahřívání může snížit pevnost tepelně zpracovaného spojovacího prvku a smí se provádět pouze tehdy, pokud je výslovně povoleno schváleným postupem.

Jak zjistím, zda byl můj spojovací materiál správně tepelně zpracován?

Označení na hlavě udává deklarovanou třídu pevnosti a výrobce, ale samo o sobě neprokazuje, že konkrétní výrobní šarže byla správně tepelně zpracována. Ověření může zahrnovat zkoušky tvrdosti, zkoušky tahem, chemickou analýzu a metalografické zkoumání. Akreditovaná laboratoř Fabory může posoudit mechanické vlastnosti a mikrostrukturu materiálu.

Ovlivňuje tepelné zpracování povrchovou úpravu spojovacího materiálu?

Tepelné zpracování se obvykle dokončuje před nanesením povrchové úpravy. Při elektrolytickém zinkování může do vysokopevnostní nebo povrchově kalené oceli proniknout vodík. Proces povrchové úpravy proto musí splňovat požadavky normy ISO 4042 a zahrnovat vhodná opatření ke snížení rizika. Následné odvodíkování může riziko vodíkové křehkosti snížit, ale nemůže je zcela odstranit. Žárové zinkování spojovacího materiálu upravuje norma ISO 10684. Vhodnost závisí na třídě pevnosti, materiálu, procesu moření, teplotě zinkování a původní popouštěcí teplotě. U vysokopevnostního spojovacího materiálu musí být vhodnost povrchové úpravy vždy posouzena.

NAKUPTE TEPELNĚ ZPRACOVANÝ SPOJOVACÍ MATERIÁL U FABORY

SOUVISEJÍCÍ TECHNICKÉ PŘÍRUČKY

Žárové zinkování — Zjistěte, jak žárově zinkované povlaky ovlivňují tepelně zpracovaný spojovací materiál a proč se na závitové spojovací prvky vztahuje norma ISO 10684.
Elektrolytické zinkování a povlaky ze slitin zinku — Seznamte se s elektrolyticky nanášenými povlaky a riziky souvisejícími s vodíkovou křehkostí.
Laboratoř kvality a technického inženýrství — Prozkoumejte možnosti společnosti Fabory v oblasti zkoušení pevnosti v tahu, tvrdosti, chemického složení a mikrostruktury.

Poslední aktualizace: červenec 2026