§ 2. Термічна обробка сталей

1. Які механічні властивості металів тобі відомі?

Під час виготовлення виробів зі сталі було помічено, що від температури нагрівання й умов охолодження заготовки, середовища, у якому здійснюється її тверднення, та часу, протягом якого відбуваються ці технологічні процеси, залежать їхні механічні, фізичні, технологічні властивості. Одні вироби мали велику пружність і жорсткість, інші - були крихкими й твердими. Залежно від цих властивостей вони по-різному піддавалися механічній обробці: різанню, куванню, пресуванню, штампуванню. Проте чому відбуваються такі зміни, ніхто не знав. Сутність змін пояснив у ХІХ ст. український інженер-металург Дмитро Костянтинович Чернов. Працюючи на Обухівському заводі з виробництва стальних знарядь праці, він установив залежність властивостей сталі від режиму термічної обробки. Практичне застосування цієї теорії використовують нині, виплавляючи сталь та виготовляючи з неї стальні вироби.

Термічна (теплова) обробка полягає в тому, що метал або сплав нагрівають до певної температури (при цьому в металі відбуваються структурні перетворення), витримують за заданої температури певний час, а потім піддають швидкому або повільному охолодженню.

Тобто можна виділити три послідовні стадії термічної обробки: нагрівання до певної температури, витримування за цієї температури та швидке або повільне охолодження.

Завдяки термічній обробці можна збільшити твердість і стійкість металу проти спрацьовування або зменшити його твердість і пружність та підвищити в’язкість і пластичність.

Залежно від температури, до якої нагрівають метал, часу витримування і способу охолодження розрізняють чотири основних види термічної обробки: відпал, нормалізація, гартування і відпускання.

Для відпалу деталь нагрівають до температури +750...900 °С, а потім поступово охолоджують разом із піччю протягом багатьох годин. Температуру нагрівання визначають залежно від марки сталі.

Під час відпалювання твердість і пружність металу зменшуються, а пластичність - підвищується, що значно полегшує механічну обробку.

Відпалювання усуває причини виникнення тріщин у металі і, як наслідок, підвищує надійність деталей у роботі. Наприклад, колеса електровозів і залізничних вагонів обов’язково піддають відпалюванню, і вони майже ніколи не ламаються під час руху залізничного транспорту. Щоб зменшити твердість стального дроту, його також відпалюють.

Нормалізація полягає в тому, що деталь нагрівають до температури +750...1000 °С і охолоджують на повітрі.

Нормалізація відбувається майже так само, як і відпалювання, але охолодження при нормалізації відбувається швидше, унаслідок чого сталь набуває підвищеної твердості й міцності за достатньої в’язкості й пластичності.

Температуру нагрівання визначають за спеціальною діаграмою термічної обробки залежно від умісту карбону. Цей вид обробки здебільшого застосовують для малокарбонових сталей.

Гартування - це процес нагрівання сталі до температури, на 20...30 °С вищої від температури, за якої змінюється структура кристалічної ґратки металу, витримування за цієї температури й швидке охолодження в різних середовищах (воді, оливі, соляних розчинах). Вибір температури нагрівання та гартівного середовища залежить від марки сталі. Так, вуглецеву сталь зазвичай загартовують у воді, а більшість легованих сталей - у мінеральній оливі.

У воді загартовують інструменти, що мають нескладну форму та виготовлені з вуглецевої інструментальної сталі (мал. 14). У гарячій воді та в оливі проводять гартування пружин та інших виробів, які повинні володіти високою пружністю.

Гартуванню піддають сталі, у яких міститься понад 0,4 % карбону. Основна мета гартування - забезпечення високої міцності, твердості сталі й стійкості її проти спрацювання.

Зазвичай гартуються робочі частини інструментів і деталі механізмів, що піддаються значним навантаженням.

Відпускання - це нагрівання загартованої сталі до певної температури (від +150 до +680 °С, найчастіше +220...300 °С), витримування за цієї температури й охолодження на повітрі. Мета відпускання - зняти залишкові напруження, які виникають у металі під час швидкого охолодження в гартівних середовищах. При цьому зменшується викривленість кристалічних ґраток, частково знижується твердість і підвищується в’язкість. На підприємствах термічну обробку здійснюють у спеціальних термічних печах. У шкільних майстернях для цього використовують муфельні печі (мал. 15).

Терміст. - спеціаліст із термічної обробки виробів із металу. Він працює біля спеціальних нагрівальних печей і з охолоджувальними рідинами. Терміст повинен знати режими роботи термічних печей та охолоджувальних ванн, правила їх експлуатації: роботу контрольно-вимірювальних приладів, що застосовуються для термічної обробки, хімічний склад різних марок металу, технічні вимоги до деталей після термічної обробки.

Для запобігання отриманню опіків під час охолодження виробів необхідно користуватися щипцями та термозахисними рукавицями (мал. 16).

Під час термічної обробки необхідно дотримуватися таких правил безпеки праці:

1. Підготувати вироби до термічної обробки: очистити поверхню від окалин, іржі, бруду, мастил, інших рідин; висушити.

2. Помістити виріб у муфельну піч і лише після цього ввімкнути муфель. Категорично забороняється розміщувати виріб у муфель при ввімкненому приладі!

3. Контролювати ступінь нагрівання виробу за кольором його розжарення лише в захисних окулярах.

4. Після завершення нагрівання виймати виріб з муфельної печі спеціальними щипцями, використовуючи при цьому термозахисні рукавиці.

5. Категорично забороняється визначати ступінь охолодження заготовки «на дотик».

6. Охолодження виробу в рідині виконувати обережно, оскільки бризки киплячої води можуть потрапити на тіло й спричинити опіки.

7. Не класти нагрітий виріб на легкозаймисті матеріали.

8. Стежити, щоб поблизу робочого місця був ящик з піском для гасіння можливих загорянь.

9. Після завершення термічної обробки вимкнути устаткування з електромережі, прибрати робоче місце.

10. Усі роботи виконувати лише після отримання дозволу вчителя.

ПАМ’ЯТАЙ!

Муфельну піч необхідно розміщувати на термостійкій підставці.

Температуру нагрівання сталі при термічній обробці визначають за спеціальною діаграмою (мал. 17). По горизонтальній осі зазначено вміст карбону у відсотках, а по вертикальній - температуру нагрівання сталі в градусах Цельсія. Позначені кольором ділянки діаграми показують оптимальні температурні інтервали нагрівання при різних видах термічної обробки. Наприклад, під час відпалювання для сталі з концентрацією карбону 0,6 % потрібна температура нагрівання від +775 до +825 °С.

Для контролю теплового режиму застосовують термоелектричні пірометри (мал. 18). Вони призначені для безконтактного вимірювання й контролю температури поверхонь різних об’єктів за їх тепловим випромінюванням. Результати термообробки можна перевірити методом проби напилком.

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 1

Термічна обробка слюсарних інструментів гартуванням

Обладнання та матеріали: муфельна піч, щипці, напилок, термоізоляційні рукавиці, посудина з водою, окуляри захисні, діаграма температур нагрівання сталі при термічній обробці.

Послі довні сть виконання роботи

1. Підготуй раніше виготовлені вироби для їх термічної обробки.

2. Підготуй робоче місце для виконання роботи.

3. Визнач за маркою сталі концентрацію в ній Карбону.

4. Визнач за діаграмою температуру гартування заготовки.

5. Розмісти заготовку в муфельній печі, увімкни піч, нагрій заготовку до визначеної температури, витримай її за цієї температури 2...3 хв.

6. Захопи заготовку кліщами й швидко опусти її в посудину з водою.

7. Через 20...30 с після припинення кипіння води навколо заготовки вийми її з води.

8. Після повного охолодження заготовки перевір якість її гартування.

9. Здай інструменти, пристосування і вироби вчителю.

10. Упорядкуй робоче місце.

Температуру нагрівання деталі в муфельних печах можна наближено визначити за кольорами розжарення (табл. 1).

Таблиця 1. Визначення температури гартування за кольорами розжарення

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 2 Виготовлення викрутки-ключа

Обладнання, інструменти і матеріали: заготовки сортового прокату, металева трубка, деревина, розмічальний інструмент, зубило, слюсарна ножівка, лещата, напилки.

Послі довні сть виконання роботи

1. За завданням учителя чи технологічною карткою ознайомся з об’єктом праці.

2. Виконай розмітку викрутки-ключа на заготовці.

3. Здійсни процес рубання, різання заготовки зубилом, слюсарною ножівкою за розміткою із припуском на подальшу обробку.

4. Здійсни контроль якості виконання роботи.

5. Подальші технологічні операції виконай на наступних уроках.

Термічна обробка, муфельна піч, відпалювання, нормалізація, відпускання, гартування.

Відпал - нагрівання металів і сплавів до певної температури, витримування за цієї температури й наступне повільне охолодження для надання їм потрібних властивостей.

Відпускання - термічна обробка сталі для зменшення її крихкості та зняття внутрішньої напруги.

Гартування - нагрівання виробу до високої температури з наступним швидким охолодженням для надання йому певної твердості, міцності, пружності.

Жаростійкий (термостійкий) - який не втрачає своїх властивостей за високих температур.

Карбон (С) - хімічний елемент з атомним номером 6.

Кристалічна ґратка металу - просторовий каркас із розміщенням атомів у певному систематичному порядку. При нагріванні металу до певної критичної точки каркас може руйнуватися, тобто метал може перейти в рідкий стан.

Крихкість - властивість металу руйнуватися при незначних механічних навантаженнях.

Муфельна піч - вогнетривка камера для непрямого нагрівання.

Нормалізація - доведення виробу до певної технологічно визначеної норми.

Термічна обробка - обробка металів за високої температури для надання їм певних властивостей.

1. У чому полягає термічна обробка сталі?

2. Які є види термічної обробки сталі?

3. Як впливає термічна обробка на властивості сталі?

4. Який технологічний процес називають гартуванням? Відпалом? Відпусканням? Нормалізацією?

5. Чому різальну частину інструментів загартовують?

Тестові завдання

1. З якою метою проводять термічну обробку сталі?

А для надання речовині, з якої виготовлено виріб, потрібних властивостей

Б для поліпшення технологічних властивостей В для збільшення міцності Г для звільнення заготовки від домішок

Д для отримання необхідного комплексу механічних, фізичних, хімічних властивостей

2. Яка технологічна операція найповніше описує процес гартування сталі?

А нагрівання до певної температури й охолодження Б швидке нагрівання до певної температури й повільне охолодження до кімнатної температури

В нагрівання до певної температури, витримка за цієї температури та швидке охолодження у воді

3. У чому полягає відмінність між гартуванням і відпалюванням?

А у температурі нагрівання металу

Б у тривалості витримування нагрітого металу В у швидкості охолодження нагрітого металу Г у швидкості нагрівання металу

4. Як називають процес нагрівання сталі до температури +820 °С, витримування за цієї температури й поступового охолодження разом із муфельною піччю?

А нормалізацією Б гартуванням В відпусканням Г відпалом Д цементацією

5. Які властивості сталі зазнають змін у результаті термічної обробки? А фізичні

Б механічні В технологічні Г експлуатаційні Д усі перелічені

6. Для чого проводять термічну обробку поверхні різальних інструментів?

А для збільшення твердості різальної частини Б для збільшення пружності В для зменшення пластичності Г для підвищення міцності

7. У якому середовищі охолоджують карбонові сталі під час гартування? А у розчині солі Б у воді В на повітрі Г в оливі

Тема 2.1.

Елементи графічної грамоти

Це матеріал з підручника Трудове навчання 8 клас Гащак