Obróbka cieplna stali 40HM i 42CrMo4 – temperatury i oczekiwane właściwości

40HM i 42CrMo4 – oznaczenia, odpowiedniki i zakres stosowania

40HM to polskie oznaczenie stali konstrukcyjnej stopowej chromowo-molibdenowej do ulepszania cieplnego, charakteryzującej się zawartością około 0,4% węgla, dodatkiem chromu w okolicach 1% i molibdenu rzędu 0,15-0,25%. Jej europejskim odpowiednikiem jest 42CrMo4 o numerze materiału 1.7225, ujęty w normie EN 10083-3 (2006) jako stal stopowa do ulepszania cieplnego. Amerykański AISI/SAE 4140 pozostaje odpowiednikiem przybliżonym – podobnym składowo, ale nietożsamym normowo.

W hurtowniach materiałowych te trzy zapisy funkcjonują niemal wymiennie i to źródło większości nieporozumień, które obserwuję u klientów zamawiających pręty na wały. Ktoś zamawia „czterdziestkę HM”, dostaje 42CrMo4+QT z niemieckiej huty i dopiero przy odbiorze okazuje się, że rysunek wymagał innego zakresu Rm. Różnica bywa kosmetyczna. Bywa też kosztowna.

40HM według polskiej praktyki materiałowej

40HM wywodzi się z systemu oznaczeń PN, gdzie litera H oznaczała chrom, a M molibden. Gatunek trafiał na wały, sworznie, korbowody i elementy przekładni w polskim przemyśle maszynowym przez dekady, dlatego wciąż pojawia się na starszej dokumentacji warsztatowej i w kartach technologicznych zakładów remontowych.

• Typ stali – konstrukcyjna stopowa do ulepszania cieplnego, nie narzędziowa i nie nierdzewna.
• Węgiel – około 0,38-0,45%, czyli poziom pozwalający na hartowanie na martenzyt o użytecznej twardości.
• Chrom – zwiększa hartowność i przesuwa krzywe przemiany, dzięki czemu wystarczy chłodzenie w oleju.
• Molibden – ogranicza kruchość odpuszczania i stabilizuje właściwości przy wysokim odpuszczaniu.
• Dostępność – pręty walcowane, kute, płaskowniki, rzadziej blachy grube; typowo w stanie +A (wyżarzony) lub +QT (ulepszony).
• Dokumentacja – przy odbiorze wymagaj atestu 3.1 według EN 10204, który potwierdza skład wytopu i wyniki badań mechanicznych.

42CrMo4 i numer materiału 1.7225

Numer 1.7225 przypisano gatunkowi 42CrMo4 w systemie numerów materiałowych opisanym przez DIN EN 10027-2 (2015). Zapis „1.7″ wskazuje grupę stali stopowych chromowo-molibdenowych, co pozwala odróżnić ten gatunek od pokrewnych 1.7220 (34CrMo4) czy 1.7218 (25CrMo4) – materiałów o niższym węglu i zauważalnie niższej wytrzymałości po ulepszaniu.

„Steels for quenching and tempering are alloy steels intended for the manufacture of quenched and tempered components, delivered in specified heat-treatment conditions with mechanical properties defined per ruling section.” — EN 10083-3, Steels for quenching and tempering: Technical delivery conditions for alloy steels, 2006

Czy 40HM i 42CrMo4 można wpisać zamiennie na rysunek?

To zależy – dla części niekrytycznych zwykle tak, dla odpowiedzialnych elementów maszyn nie bez porównania trzech rzeczy: granic składu z normy, wymaganej klasy właściwości mechanicznych i zakresu przekroju. Podobna nazwa nie jest dowodem zamienności, a odbiór jakościowy odwołuje się do dokumentu, nie do przyzwyczajenia hurtowni.

Oznaczenie	System	Numer / kod	Status wobec 42CrMo4
40HM	PN (praktyka polska)	–	Bardzo bliski odpowiednik, historycznie stosowany zamiennie
42CrMo4	EN 10083-3	1.7225	Gatunek odniesienia
AISI 4140	AISI / SAE	UNS G41400	Odpowiednik przybliżony, wymaga porównania składu
34CrMo4	EN 10083-3	1.7220	Niższy węgiel, niższe Rm po ulepszaniu – nie zamiennik
41Cr4	EN 10083-3	1.7035	Bez molibdenu, gorsza hartowność w większych przekrojach

Zobacz też: 40HM / 42CrMo4 – karta gatunku oraz odpowiedniki stali PN EN DIN AISI.

Parametry procesu: austenityzowanie, hartowanie i odpuszczanie

Ulepszanie cieplne 42CrMo4 to sekwencja trzech operacji: austenityzowania w przybliżonym zakresie 830-880°C, hartowania najczęściej w oleju oraz odpuszczania w temperaturze dobranej do wymaganej wytrzymałości, zwykle 540-680°C. Konkretny cykl – czas wygrzewania, ośrodek chłodzący, tempo nagrzewania – musi uwzględniać przekrój elementu i zalecenia hartowni (źródło: ASM Handbook Vol. 4A, 2013).

Jak przygotować stal do ulepszania cieplnego?

Zacznij od trzech rzeczy: potwierdzenia gatunku atestem, usunięcia zgorzeliny i olejów oraz zostawienia naddatku na obróbkę wykańczającą. W praktyce warsztatowej najwięcej reklamacji generuje właśnie etap przed piecem, nie sam piec.

1. Weryfikacja materiału – atest 3.1 według EN 10204 z wynikiem analizy wytopowej; przy materiale z magazynu bez atestu warto zlecić analizę spektrometryczną.
2. Stan wyjściowy – element powinien być w stanie wyżarzonym lub normalizowanym, o jednorodnej strukturze; materiał po silnym zgniocie potrafi odkształcić się nieprzewidywalnie.
3. Naddatek obróbkowy – dla wałów o średnicy do 100 mm zwykle 1,5-3 mm na stronę, aby odkształcenia i ewentualne odwęglenie usunąć na szlifierce.
4. Czystość powierzchni – resztki emulsji i oleju obróbkowego dają plamiste hartowanie i lokalne miękkie miejsca.
5. Zawieszenie w piecu – elementy długie mocuj pionowo; poziome układanie wałów o L/D powyżej 10 to prosta droga do wygięcia.
6. Uzgodnienie z hartownią – przekaż rysunek, wymagane Rm lub HB, miejsce pomiaru twardości i klasę odbioru.

Jaka temperatura austenityzowania jest typowa dla 42CrMo4?

Typowo 830-880°C, z częstym punktem roboczym w okolicach 850°C dla przekrojów do 60 mm. Czas wygrzewania liczy się po wyrównaniu temperatury w rdzeniu – praktyczna reguła to około 1 minuta na milimetr grubości charakterystycznej, licząc od momentu osiągnięcia temperatury przez najgrubszy przekrój. Przegrzanie powyżej 900°C rozrasta ziarno i obniża udarność, czego odpuszczanie już nie naprawi.

W czym hartować 40HM – olej, woda czy polimer?

Olej hartowniczy jest ośrodkiem podstawowym dla 42CrMo4, bo dodatki chromu i molibdenu zapewniają hartowność wystarczającą przy łagodniejszym chłodzeniu. Woda daje ostrą intensywność chłodzenia i przy 0,4% węgla oraz karbach konstrukcyjnych realnie grozi pęknięciem hartowniczym.

• Olej (60-80°C) – standard dla wałów, sworzni i kół zębatych do średnic rzędu 100-120 mm; kompromis między hartownością a ryzykiem pęknięć.
• Roztwór polimerowy – regulowana intensywność chłodzenia przez stężenie (typowo kilka do kilkunastu procent), przydatny przy dużych wsadach i wymogach ppoż.
• Woda – rzadko i tylko przy uzasadnieniu technologicznym; przy geometrii z otworami i rowkami wpustowymi ryzyko pęknięć rośnie skokowo.
• Hartowanie stopniowe (martempering) – kąpiel solna w okolicach temperatury Ms ogranicza odkształcenia w elementach cienkościennych.
• Ruch kąpieli – cyrkulacja oleju decyduje o powtarzalności; martwa strefa w wannie daje różnice twardości w obrębie jednego wsadu.

Jak dobrać temperaturę odpuszczania do wymaganej twardości?

Odpuszczaj tym wyżej, im większej ciągliwości oczekujesz – i odwrotnie. Dla 42CrMo4 zakres 540-680°C odpowiada typowym klasom wytrzymałości elementów maszynowych, przy czym odpuszczanie powinno nastąpić bezpośrednio po wychłodzeniu wsadu, zanim naprężenia hartownicze doprowadzą do pęknięć opóźnionych. Odpuszczanie zmniejsza naprężenia i pozwala dobrać kompromis między wytrzymałością, twardością i udarnością (źródło: ASM Handbook Vol. 4A, 2013).

Etap	Temperatura	Cel	Typowe ryzyko	Kontrola po etapie
Podgrzewanie wstępne	ok. 400-650°C	Wyrównanie temperatury, redukcja szoku cieplnego	Zbyt szybki wzrost w elementach o zmiennym przekroju	Zapis wykresu pieca
Austenityzowanie	830-880°C	Rozpuszczenie węglików, jednorodny austenit	Przegrzanie, rozrost ziarna, odwęglenie	Czas wygrzewania, atmosfera pieca
Hartowanie	olej 60-80°C	Przemiana martenzytyczna	Pęknięcia, wygięcie, miękkie plamy	Twardość po hartowaniu, defektoskopia
Odpuszczanie	540-680°C	Redukcja naprężeń, dobór Rm i KV	Opóźnienie odpuszczania, zaniżona temperatura	Twardość HB/HRC, próba rozciągania
Odprężanie (opcjonalne)	ok. 500-550°C	Stabilizacja przed szlifowaniem	Przekroczenie temperatury odpuszczania	Pomiar bicia, kontrola wymiarowa

Obserwuję, że najwięcej problemów daje nie sama temperatura, lecz brak kontroli czasu wygrzewania i wsad wrzucony do zimnego oleju. Piec pokazuje 850°C, a rdzeń wału fi 90 mm jeszcze go nie osiągnął. Reszta to już tylko konsekwencje. Więcej w materiale ulepszanie cieplne stali.

Oczekiwane właściwości mechaniczne po ulepszaniu cieplnym

Ulepszanie 42CrMo4 daje kompromis, nie rekord. Dla przekrojów do około 100 mm typowe klasy wytrzymałości mieszczą się w przedziale Rm 900-1100 MPa przy granicy plastyczności Rp0,2 rzędu 650-900 MPa i wydłużeniu A powyżej 10%, przy czym EN 10083-3 (2006) przypisuje wartości do przedziałów grubości miarodajnej, a nie do gatunku jako takiego.

Wytrzymałość Rm, granica plastyczności Re i wydłużenie

Dla elementów maszynowych to Rm i Rp0,2 są parametrami odbiorczymi, bo z nich wynika nośność i zapas do odkształcenia trwałego. Twardość pełni rolę szybkiego wskaźnika kontrolnego, nie kryterium konstrukcyjnego.

• Rm – wytrzymałość na rozciąganie, dla ulepszonego 42CrMo4 typowo 900-1100 MPa w mniejszych przekrojach, malejąco wraz ze wzrostem średnicy.
• Rp0,2 – umowna granica plastyczności, kluczowa dla wałów pracujących na zginanie i skręcanie.
• A (wydłużenie) – miara ciągliwości; spadek poniżej wymagań normy sygnalizuje zbyt niskie odpuszczanie.
• Z (przewężenie) – czuły wskaźnik jakości metalurgicznej i skutków przegrzania.
• KV (udarność) – istotna przy pracy w niższych temperaturach i obciążeniach udarowych; wymaga osobnego uzgodnienia w zamówieniu.

Twardość HB/HRC a temperatura odpuszczania

Zależność jest monotoniczna: im wyższa temperatura odpuszczania, tym niższa twardość i wyższa plastyczność. Odpuszczanie w okolicach 540-580°C daje twardości zwykle w górnej części zakresu użytkowego, a 650-680°C przesuwa materiał w stronę lepszej udarności i stabilności wymiarowej. Konkretne liczby zawsze potwierdzaj pomiarem na własnym wsadzie – przeliczenia opisałem w tekście twardość HB i HRC – przeliczenia.

Czy twardość HRC wystarczy do odbioru elementu?

Nie. Pomiar HRC na powierzchni nie mówi nic o rdzeniu, o jednorodności przekroju ani o udarności, a przy odwęglonej warstwie potrafi zaniżyć wynik o kilka jednostek mimo poprawnie przeprowadzonego procesu. W dokumentacji wałów i sworzni sensowniej zapisać wymagany zakres Rm lub HB z miejscem pomiaru.

Wpływ średnicy, masy i geometrii elementu

Właściwości po ulepszaniu zależą od grubości miarodajnej, bo szybkość chłodzenia rdzenia spada wraz z przekrojem. EN 10083-3 (2006) podaje wymagania mechaniczne w podziale na przedziały wymiarowe właśnie z tego powodu. Przepisanie tabelarycznych wartości dla pręta fi 16 mm na wał fi 160 mm jest błędem projektowym, nie uproszczeniem.

Jak przekrój elementu wpływa na wynik hartowania?

Im większa średnica, tym wolniej stygnie rdzeń i tym mniejszy udział martenzytu w strukturze rdzenia. Efektem jest gradient twardości – powierzchnia spełnia wymagania, a rdzeń wypada niżej o kilkadziesiąt jednostek HB.

• Do 40 mm – przehartowanie na wskroś zwykle osiągalne w oleju bez większych trudności.
• 40-100 mm – typowy zakres pracy dla 42CrMo4, z zauważalnym już gradientem twardości powierzchnia-rdzeń.
• Powyżej 100 mm – rdzeń hartuje się częściowo; przy wymaganiach na całym przekroju rozważ gatunek o wyższej hartowności, np. z grupy NiCrMo.
• Zmienny przekrój – przejścia stopniowe, rowki wpustowe i podcięcia koncentrują naprężenia i inicjują pęknięcia; promienie zaokrągleń mają znaczenie technologiczne, nie tylko konstrukcyjne.
• Elementy długie i cienkie – stosunek L/D powyżej 10 wymaga pionowego zawieszenia i często prostowania po hartowaniu.

Jak uniknąć pęknięć i odkształceń po hartowaniu?

Kluczowe są cztery działania: podgrzewanie wstępne, złagodzenie karbów konstrukcyjnych, właściwy ośrodek chłodzący i natychmiastowe odpuszczanie po wychłodzeniu wsadu do temperatury manipulacyjnej. Pęknięcia opóźnione lubią się pojawiać w nocy, gdy wsad leży niedopuszczony do rana – to klasyk, który w hartowniach kosztuje najwięcej.

Dobór obróbki do zastosowań maszynowych

42CrMo4 po ulepszaniu trafia przede wszystkim na elementy przenoszące obciążenia zmienne: wały napędowe, osie, sworznie, tuleje, korbowody, śruby klasy 10.9 i 12.9 oraz koła zębate o umiarkowanych wymaganiach powierzchniowych. Dobór parametrów wynika z funkcji części, nie z ambicji uzyskania jak najwyższej twardości.

Wały, sworznie, śruby, koła zębate i elementy maszyn

Dla wału decyduje wytrzymałość zmęczeniowa i sztywność, dla sworznia – odporność na naciski powierzchniowe, dla śruby – stabilny zakres Rp0,2. To trzy różne cele, choć materiał jeden.

• Wały napędowe i osie – ulepszanie na Rm 900-1000 MPa, z pozostawieniem naddatku na szlifowanie czopów.
• Sworznie i tuleje – wyższa twardość powierzchniowa, często uzupełniona azotowaniem przy pracy ciernej.
• Śruby o podwyższonej wytrzymałości – klasy 10.9 i 12.9 wymagają ścisłej kontroli odpuszczania i świadomości ryzyka kruchości wodorowej przy powlekaniu galwanicznym.
• Koła zębate – tak, 42CrMo4 się nadaje przy umiarkowanych obciążeniach; przy wysokich naciskach na zębie sensowniej sięgnąć po 18CrNiMo7-6 z nawęglaniem.
• Elementy regeneracyjne – przy naprawach maszyn dobieraj twardość tak, by zużycie przenosiło się na tańszy komponent pary trącej.

W przypadkach prowadzonych w utrzymaniu ruchu widziałem sytuację, w której sworzeń ulepszony „na maksa” wybił gniazdo w korpusie odlewanym. Sworzeń kosztował 180 zł. Korpus – kilkanaście tysięcy. Twardość elementu wymiennego powinna być niższa niż elementu, którego wymiana jest kosztowna. Szczegóły doboru rozwijam w tekście stal na wały i sworznie.

Kiedy stosuje się normalizowanie, wyżarzanie lub odprężanie?

Normalizowanie stosuj do ujednolicenia struktury po kuciu lub spawaniu, wyżarzanie zmiękczające przed intensywną obróbką skrawaniem, a odprężanie po zdjęciu dużego naddatku i przed precyzyjnym szlifowaniem. Odprężanie prowadzi się poniżej temperatury odpuszczania – typowo o 20-30°C niżej – aby nie obniżyć uzyskanych właściwości.

Kontrola jakości i najczęstsze błędy hartowni

Sprawdzenie efektu ulepszania opiera się na pomiarze twardości w uzgodnionym miejscu, kontroli wymiarowej i – dla części odpowiedzialnych – badaniu wytrzymałościowym na próbce reprezentatywnej. Dla pojedynczych sztuk regeneracyjnych warto puścić próbkę technologiczną z tego samego wytopu, zamiast ryzykować na gotowym elemencie.

Jak kontrolować jakość po obróbce cieplnej?

Zacznij od pomiaru twardości w minimum trzech punktach, potem kontrola bicia i wymiarów, na końcu badania nieniszczące przy elementach krytycznych.

1. Twardość powierzchniowa – metoda Brinella (HBW) lub Rockwella (HRC), w miejscu wskazanym na rysunku, po zdjęciu warstwy odwęglonej.
2. Twardość na przekroju – dla dużych średnic pomiar w rdzeniu na próbce odciętej, potwierdzający hartowność.
3. Próba rozciągania – Rm, Rp0,2, A i Z na próbce z tego samego wsadu i wytopu.
4. Udarność KV – próba Charpy’ego, gdy element pracuje udarowo lub w obniżonej temperaturze.
5. Badania nieniszczące – proszkowo-magnetyczne (MT) lub penetracyjne (PT) do wykrycia pęknięć hartowniczych.
6. Kontrola wymiarowa – pomiar bicia i prostoliniowości; odchyłki powyżej naddatku szlifierskiego dyskwalifikują element.

„Cracking during quenching results from stresses generated by non-uniform cooling and transformation; the risk increases with section changes, sharp corners, and delays between quenching and tempering.” — ASM International, ASM Handbook Volume 4A: Steel Heat Treating Fundamentals and Processes, 2013

Jakie są najczęstsze przyczyny wad?

Pięć powodów odpowiada za większość reklamacji, które trafiają na mój warsztat do oceny.

• Odwęglenie – piec bez atmosfery ochronnej daje miękką warstwę wierzchnią; ratunek to naddatek zdejmowany po obróbce.
• Przegrzanie – austenityzowanie powyżej 900°C rozrasta ziarno i trwale obniża udarność.
• Opóźnione odpuszczanie – wsad leżący kilkanaście godzin po hartowaniu pęka bez zewnętrznego obciążenia.
• Niejednorodne chłodzenie – zbyt gęsty wsad w koszu, brak cyrkulacji oleju, kontakt elementów.
• Błędny materiał – pomyłka magazynowa 42CrMo4 z 41Cr4 lub C45 wychodzi dopiero przy pomiarze twardości.

Parametry podane w tym tekście są punktem odniesienia opartym na normach i literaturze procesowej, a nie instrukcją technologiczną. Treść nie zastępuje konsultacji z technologiem materiałowym lub hartownią dla odpowiedzialnych elementów maszyn – dla części pracujących w układach bezpieczeństwa cykl obróbki musi zostać zatwierdzony przez uprawnionego technologa. Dane sprawdzone: lipiec 2026, na podstawie EN 10083-3 (2006) i ASM Handbook Vol. 4A (2013).

Najczęściej zadawane pytania

Czy 40HM i 42CrMo4 to ta sama stal?

40HM i 42CrMo4 są bardzo blisko spokrewnionymi stalami chromowo-molibdenowymi do ulepszania cieplnego i w praktyce warsztatowej bywają traktowane jako odpowiedniki. Przy produkcji odpowiedzialnej trzeba jednak porównać wymagania normy, skład z atestu 3.1 oraz właściwości mechaniczne dla danego przedziału grubości. Zapis na rysunku powinien wskazywać gatunek normowy, a nie samą nazwę potoczną.

Jaka jest typowa temperatura hartowania 42CrMo4?

Dla 42CrMo4 najczęściej podaje się austenityzowanie w zakresie około 830-880°C, z typowym punktem roboczym w okolicach 850°C. Dokładna temperatura i czas wygrzewania zależą od normy, wymiaru elementu, typu pieca i atmosfery. Przekroczenie 900°C prowadzi do rozrostu ziarna, którego późniejsze odpuszczanie już nie skoryguje.

Czy 42CrMo4 hartuje się w oleju?

Tak, olej hartowniczy o temperaturze 60-80°C jest podstawowym ośrodkiem dla tego gatunku, ponieważ ogranicza ryzyko pęknięć w porównaniu z wodą przy zachowaniu wystarczającej hartowności. Dla dużych przekrojów, elementów cienkościennych lub geometrii z ostrymi przejściami ośrodek chłodzący powinien dobrać technolog, rozważając także roztwory polimerowe i hartowanie stopniowe.

Po co odpuszcza się 40HM po hartowaniu?

Odpuszczanie zmniejsza naprężenia hartownicze i pozwala dobrać kompromis między twardością, wytrzymałością oraz udarnością. Bez odpuszczania element jest zbyt kruchy do pracy maszynowej i realnie zagrożony pęknięciem opóźnionym. Operację wykonuje się bezpośrednio po wychłodzeniu wsadu, nie następnego dnia.

Jaką twardość ma 40HM po ulepszaniu cieplnym?

Twardość zależy przede wszystkim od temperatury odpuszczania i przekroju elementu, dlatego nie da się podać jednej liczby dla całego gatunku. Odpuszczanie przy 540-580°C daje twardości w górnej części zakresu użytkowego, a 650-680°C przesuwa materiał w stronę większej ciągliwości. Dla elementów maszynowych częściej określa się wymagania przez zakres Rm lub HB niż przez maksymalne HRC.

Czy 42CrMo4 nadaje się na wały?

Tak, to jeden z najczęściej stosowanych gatunków na wały, osie, sworznie i części maszyn wymagające dobrej wytrzymałości po ulepszaniu cieplnym. Dobór musi uwzględniać średnicę, charakter obciążenia zmęczeniowego i wymagania z rysunku technicznego. Przy średnicach powyżej 100 mm sprawdź, czy wymagane właściwości mają dotyczyć również rdzenia.

Kiedy potrzebne jest odprężanie 42CrMo4?

Odprężanie warto rozważyć po intensywnej obróbce skrawaniem, po spawaniu oraz przed precyzyjnym szlifowaniem. Zmniejsza ryzyko odkształceń, szczególnie w elementach długich, asymetrycznych lub obrabianych z dużego naddatku. Temperaturę dobiera się o 20-30°C poniżej zastosowanego odpuszczania, aby nie obniżyć uzyskanych właściwości mechanicznych.

Czy AISI 4140 można kupić zamiast 42CrMo4?

AISI 4140 to odpowiednik przybliżony, o zbliżonym składzie chemicznym, lecz opisany innym systemem norm i innymi wymaganiami odbiorczymi. Przy elementach niekrytycznych zamiana bywa akceptowalna, przy odpowiedzialnych wymaga porównania granic składu, klas wytrzymałości i dokumentu kontroli. Nie traktuj tych oznaczeń jako w pełni tożsamych bez sprawdzenia normy.

Źródła i literatura

1. EN 10083-3:2006 – Steels for quenching and tempering. Part 3: Technical delivery conditions for alloy steels, European Committee for Standardization.
2. ASM International (2013) – ASM Handbook, Volume 4A: Steel Heat Treating Fundamentals and Processes, red. J. Dossett, G.E. Totten.
3. DIN EN 10027-2:2015 – Designation systems for steels. Part 2: Numerical system (Steel numbers).
4. EN 10204:2004 – Metallic products. Types of inspection documents (definicja atestu 3.1).
5. MatWeb – Material Property Data, karty materiałowe AISI 4140 / 42CrMo4 (dostęp: 2026).
6. Karty materiałowe hut i hartowni – parametry procesowe wymagają weryfikacji przed każdym wdrożeniem produkcyjnym.