Термічна обробка сталей: відпалюванням, гартуванням, відпусканням

Ви дізнаєтесь

З історії розвитку цивілізації ви вже знаєте, що людина завжди намагалася використати матеріали навколишнього середовища з найбільшою для себе користю. Так, вона навчилася надавати більшої міцності дерев’яним кінцям стріл, тримаючи їх над вогнем. Випадково обпаливши глину, людина побачила, що її властивості змінилися: вона стала твердою і вже не розмокала від вологи. Таким чином висока температура, до якої вогонь нагрівав матеріал, спричиняла зміни у внутрішній будові як глини, так і металу, що піддавався термічній обробці.

З попередніх параграфів ви зрозуміли, що міцність та твердість сталей залежить від кількості наявного в них вуглецю (вуглецеві сталі) та їх хімічного складу (насичення легуючими елементами). Та виявляється, що інструмент, виготовлений з інструментальної сталі та підданий термічній обробці, є значно твердішим за ту саму сталь у «сирому» стані. Отже, термічна обробка сталей (вуглецевих та легованих) здатна значно покращити їх твердість та міцність і взагалі надати їм таких властивостей, які хоче отримати людина.

Нагріта до 800-900 °С та охолоджена до кімнатної температури деталь на перший погляд нічим не відрізняється (окрім кольору та наявності залишків окалини) від таких самих сталевих деталей. Однак це не так. При температурі 723 °С сталь зазнає цікавих перетворень, не помітних для ока, але дуже важливих для її структури та властивостей.

Для кращого розуміння принципу дії термічної обробки сталі розглянемо приклад. Будемо вважати, що залізо (Бе) у ненагріто-му металі являє собою майже порожні «коробки». Вуглець (С) — це «книжки», ще не покладені у ці «коробки»; «книжки» тверді, як і вуглець. Поки «коробки» лишаються порожніми, вони не мають міцності, тому при натисканні вони легко деформуються.

Отже, сталь без термічної обробки залишається достатньо пластичною та м’якою.

Почався процес нагрівання, і «коробки» та «книжки» отримують деяку рухомість, у результаті якої «книжки» рівномірно заповнюють «коробки». Внаслідок чого «коробки» стають міцнішими та твердими (адже якщо картонна коробка наповнена книгами, на неї можна не тільки сісти, а й встати). Виникає питання: на скільки швидко здійснюватиметься охолодження «коробок» разом з «книжками». Якщо цей процес дуже повільний, «книжки» випадуть із «коробок», і в результаті сталь (сукупність «коробок») залишиться пластичною. Якщо ж провести охолодження швидко, «книжки» залишаться в «коробках», а «коробки» стануть ще твердішими, ніби ви обмотали їх клейкою стрічкою. Так і сталь в результаті швидкого охолодження отримує такі зміни її внутрішньої структури, які надають їй більшої твердості. Отже, оскільки процес охолодження може мати деякі змінні параметри (середовище, у якому проходить охолодження; швидкість охолодження; температура нагріву сталі), то це обумовлює різні види термообробки сталі.

Термічною обробкою металів і сплавів називають процес зміни їх внутрішньої будови (структури) нагріванням, витримуванням і наступним охолодженням для одержання необхідних властивостей. Термічній обробці піддають деталі та інструменти для надання їм твердості, міцності, стійкості проти спрацьовування. Залежно від температури нагрівання і швидкості охолодження розрізняють такі види термічної обробки: відпалювання, гартування і відпускання. Температура нагрівання при відпалюванні і гартуванні залежить від вмісту вуглецю у деталі, яка піддається термічній обробці. Термічна обробка деталей здійснюється у муфельних печах (мал. 31).

Відналювання полягає у нагріванні сталі чи її сплавів до певної температури, видержці при цій температурі і наступному повільному охолодженні разом з піччю. Наприклад, для сталі з вмістом вуглецю 0,6 % необхідна температура нагрівання — 775-825 °С.

Відпалювання підвищує оброблюваність сталі різанням, без зняття стружки (пресуванням, ковкою та гнуттям) і знижує внутрішні напруги.

Гартуванням називають операцію термічної обробки, під час якої сталь чи її

сплав нагрівають до температури 780-850 °С, витримують при цій температурі і потім швидко охолоджують у воді, маслі, водних розчинах солей тощо. Гартування допомагає підвищити експлуатаційну надійність і довговічність оброблюваних деталей та інструменту.

Відпускання здійснюється після гартування і являє собою нагрівання до температури 100-650 °С з наступним охолодженням (у воді, повітрі). Температура нагрівання при відпусканні залежить від призначення деталі. Залежно від необхідної твердості та в’язкості деталі на практиці застосовують низьке відпускання (нагрівання від 100 до 250 °С), середнє (300-400 °С) або високе (до 650 °С). Відпускання дає змогу зменшити крихкість сталі, зняти внутрішні напруги, знизити твердість, збільшити пластичність і таким чином поліпшити оброблюваність деталей.

Вуглецеві сталі, що містять 0,25-0,3 % вуглецю, не загартовують через незначний вміст вуглецю, і як наслідок — несуттєве збільшення твердості й міцності. У сталей, що містять понад 0,3 % вуглецю, після гартування в кілька разів підвищується твердість і міцність.

Кольори розжарювання, за якими можна наближено контролювати температуру нагрівання метпту, подано в табл. 1.

У табл. 2 наведено кольори мінливості стпаі, за якими можна контролювати температуру детпті при низькому та середньому відпусканні.

У шкільних майстернях, використовуючи лабораторну муфельну піч, можна виконати термічну обробку сталі (наприклад, з вмістом вуглецю 0,6 %).

Якість виконання робіт з термообробки деталей також залежить від правиль-

ності розташування та занурення деталей в охолоджувальна рідину (мал. 32).

Перед гартуванням перевіряють вихідну твердість стального зразка шляхом пробного обпилювання. До гартування сталь легко обробляється напилком. Потім досліджуваний зразок поміщають в електричну (муфельну) піч, нагріту до 800 °С, на 15-20 хв. Температуру вимірюють пірометром (прилад, робочою частиною якого є термопара, розміщена у муфелі. Нагріваючись, термопара посилає електричний сигнал на шкалу пірометра, розмічену у градусах за Цель-сієм). Якщо пірометра немає, температуру нагрівання зразка визначають за кольорами розжарювання (див. табл. 1). Розжарений зразок опускають у воду або масло (при охолодженні у воді або маслі деталь треба постійно переміщати круговими рухами, щоб не утворився паровий шар навколо деталі або не виникла можливість загоряння масла). Після охолодження зразка визначають його твердість. Як правило, після гартування зразок гірше обробляється напилком або зовсім не обробляється.

Швидкість охолодження при гартуванні велика, оскільки протягом незначного проміжку часу температура знижується від 800 °С до кімнатної (20 °С). Внаслідок швидкого охолодження сталь стає крихкою. Щоб усунути крихкість, сталь піддають відпусканню: зразок нагрівають у муфельній печі до температури 400-550 °С (темно-коричневий колір розжарення), витримують при цій температурі 15-20 хв і охолоджують у воді або на повітрі, оскільки під час відпускання швидкість охолодження не впливає на механічні властивості сталі.

ПРАКТИЧНА РОБОТА З

Ознайомлення з механічними властивостями сталей внаслідок здійснення відповідної термічної обробки

I. ІНСТРУКТАЖ ДО ВИКОНАННЯ ПРАКТИЧНОЇ РОБОТИ

Кожна група учнів отримує пари зразків з маркуванням, що засвідчує проведення термічної обробки та її вид (у кожній парі зразків один зазнав термообробки, а інший — ні), та інструкційну карту виконання роботи.

II. ІНСТРУКЦІЙНА КАРТА

1. Розглянути отримані пари зразків листового металу та переконатися, що один зразок у парі не проходив термічної обробки (відсутні зміна кольору та окалина).

2. Взявши кожну пару зразків, виконати пробне обпилювання кожного з них.

3. Взявши кожну пару зразків, виконати пробне згинання кожного з них.

4. Отримані результати та висновки занести у таблицю.

5. Зробити висновок щодо виду термообробки кожного зразка.

III. ВИКОНАННЯ ПРАКТИЧНОЇ РОБОТИ

Виконайте роботу в зошитах, користуючись інструкційною картою та зразками листового металу. Під час практичної роботи звертайтеся до вчителя за роз’ясненнями (еталонним вважаємо зразок, що не зазнав термообробки).

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ РОЗДІЛУ «ОСНОВИ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА»

1. Залізовуглецеві сплави — основа культурного та технічного прогресу людства.

2. Робота з листовим металом та сортовим прокатом у майстерні з обробки металів потребує організації занять з використанням елементів наукової організації праці.

3. Сталь і чавун є сплавами заліза та вуглецю.

4. Сталі та чавуни мають достатньо розгалужені класифікації, які вказують на галузь застосування та властивості різних марок сталей та чавунів. На мал. 33 показано властивості та галузі застосування конструкційних та інструментальних сталей.

5. Усі метали та сплави можна охарактеризувати за фізичними, хімічними, технологічними та механічними властивостями. Міцність, надійність та довговічність — ознаки високоякісного конструкційного матеріалу. Твердість та міцність матеріалів можна виміряти інструментальними методами.

6. Для спрощення технологічних процесів з виготовлення металовиробів як напівфабрикати використовуються різні сортаменти прокатної продукції.

7. Покращити властивості сталей можна за рахунок термічної обробки, яка може здійснюватися для сталей із вмістом вуглецю понад 0,3 % за режимами, передбаченими відпалюванням, гартуванням, відпусканням.

Це матеріал з підручника Трудове навчання 8 клас Лебедєв