Трудове навчання (технічні види праці). 8 клас. Лебедєв

§ 6. Термічна обробка сталей: відпалюванням, гартуванням, відпусканням

Ви дізнаєтесь

Про такий технологічний процес обробки сталей, як термічна обробка та його різновиди: гартування, відпалювання та відпускання.

Пригадайте

Які матеріали змінюють свої властивості у процесі теплового впливу на них?

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 їхню твердість та міцність і взагалі надати їм таких властивостей, які потрібні людині.

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.

Означення

Окалина — оксид металу, що утворюється на сталевих деталях при їх нагріванні до температур, більших за 900 °С (ніби скоринка пирога, яка пригоріла при запіканні).

Для кращого розуміння принципу дії термічної обробки сталі розглянемо приклад. Будемо вважати, що залізо (Fe) у ненагрітому 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» набувають деякої рухомості, 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: наскільки 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 у результаті швидкого охолодження набуває таких змін 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 зумовлює різні види термообробки сталі.

Термічною обробкою металів і сплавів називають процес зміни їхньої 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).

Мал. 31. Зовнішній вигляд лабораторної муфельної печі

Відпалювання полягає у нагріванні сталі чи її сплавів до певної температури, витримці при цій температурі і наступному повільному охолодженні разом з піччю. Наприклад, для сталі зі 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 металу, подано в табл. 1.

Таблиця 1

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

Таблиця 2

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

Якість виконання робіт із термообробки деталей також залежить від правильності розташування та занурення деталей в охолоджувальну рідину (мал. 32).

Мал. 32. Приклади правильного занурення деталей в охолоджувальну рідину для загартування

Перед гартуванням перевіряють вихідну твердість сталевого 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 Цельсієм). 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.

Цікаво знати

З метою захисту від корозії поверхні сталевих деталей (болтів, шайб, декоративних виробів) інколи застосовують воронування. Найпростіший спосіб воронування полягає у нагріві деталі до температури 600-650 °С та швидкому зануренні у машинне масло. При цьому на поверхні деталі з окислу заліза утворюється темна плівка, яка захищатиме деталь від корозії. Також деталі можна надати певного кольору. Для цього поверхня деталі добре зачищається наждачним папером і вміщується у піч, розігріту до 200 °С.

Слідкуючи за зміною кольорів мінливості (див. табл. 2), після отримання на поверхні деталі бажаного кольору її виймають із печі та занурюють у машинне масло. Після повного охолодження деталь протирають від залишків масла.

Чи добре засвоїли?

• 1. Як термічна обробка може вплинути на властивості сталі?
• 2. Який вміст вуглецю має бути у сталі для здійснення її гартування?
• 3. Яке обладнання потрібне для проведення термообробки металів та сплавів?

Поясніть

• 1. Як користуватися таблицею розжарення сталі під час загартування деталей?
• 2. Чому муфельна піч містить у своїй конструкції товстий шар термоізоляційного матеріалу?

ПРАКТИЧНА РОБОТА 3

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 другий — 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 (немає зміни кольору та окалини).

2. Виконати пробне обпилювання кожної пари зразків.

3. Виконати пробне згинання кожної пари зразків.

4. Отримані результати та висновки занести до таблиці.

5. Зробити висновок щодо виду термообробки кожного зразка.

№	Номер зразка та його розміри	Результат при обпилюванні (порівняно з еталоном)	Результат при згинанні (порівняно з еталоном)	Вид термообробки
1	2	3	4	5

ІІІ. ВИКОНАННЯ ПРАКТИЧНОЇ РОБОТИ

Виконуючи роботу, користуйтесь інструкційною картою та зразками листового металу. Під час практичної роботи звертайтеся до вчителя за роз'ясненнями (еталонним вважаємо зразок, що не зазнав термообробки).