Свойства сталей можно изменять с помощью теплового воздействия — термической обработки (термообработки) - нагрев заготовки до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Температура нагрева зависит от вида термообработки и марки стали.
Основные виды термообработки— закалка, отпуск, отжиг и нормализация.
При закалке металл нагревают до температуры примерно 723ºС, а затем быстро охлаждают в воде, масле, водных растворах солей. Закалка увеличивает твердость и прочность стали, но вместе с тем повышает и ее хрупкость. Закалка целесообразна только для сталей с содержанием углерода более 0,3 %. Закалка придает стали высокую твёрдость.
Рис. 1
Хрупкость стали после закалки можно уменьшить с помощью отпуска. Отпуск представляет собой нагрев остывшей закаленной детали до определенной температуры (обычно ниже температуры закалки - 220-500ºС) и последующее охлаждение в воде или на воздухе. Помимо хрупкости отпуск снижает и твердость стали, что улучшает ее обрабатываемость, т.е. придает стали вязкость.
При отжиге заготовку нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре (740-850ºС) и медленно, часто вместе с печью (несколько часов), охлаждают (в этом главное отличие от закалки). Отжиг резко снижает твердость стали, она становится мягче и лучше обрабатывается.
Нормализация - термообработка, схожая с отжигом. Нагревают до температуры 750-800ºС. Различие в том, что при нормализации сталь быстро охлаждают на воздухе (при отжиге - в печи) для снятия внутреннего напряжения закалённой стали. Сталь приобретает более высокие механические свойства после отжига.
Если надо применить все виды термообработки, то осуществляют в следующей последовательности:
1. отжиг (при необходимости);
2. закалка;
3. отпуск.
Проводить рассмотренные выше виды термообработки можно в школьных мастерских, пользуясь муфельными печами небольшого размера.
Рис. 2. Муфельные печи
Температуру закалки можно контролировать по цветам свечения разогретого металла (цветам каления). Этот цвет зависит от температуры, до которой нагрета заготовка. Чем выше температура, тем светлее становится металл (рис. 3, а).
Рис.3. Зависимость цвета заготовки от температуры нагрева: а — цвета каления; б — цвета побежалости
Температуру отпуска можно контролировать по цветам побежалости (рис. 3, б). Цвета побежалости — радужная окраска, возникающая на чистой поверхности нагретой стали. Например, если при нагреве поверхность заготовки приобрела темно-синий оттенок, значит, она нагрета до температуры примерно 300 °С.
Правила безопасности при термической обработке стали
1. Во время работы вся одежда, и в том числе рукава, должна быть застегнута.
2. Работать с нагретым металлом можно только в брезентовых или кожаных рукавицах.
3. Укладывать детали в муфельную печь и вынимать их из печи специальными клещами.
4. К самостоятельной термообработке сталей допускаются лица не моложе 18 лет.
Применение современных технологий в термической обработке стали.Поверхностная лазерная термообработка стали или сплавов включает в себя следующие методы: закалку (термоупрочнение), отжиг и отпуск. Лазерная поверхностная закалка применяется для повышения срока службы деталей, которые в процессе работы подвергаются износу, что улучшает многие эксплуатационные показатели – теплостойкость, коррозийную и износостойкость в несколько раз.
Полезная информация
Определение температуры закалки зубила. Марка стали является инструментальной с содержанием углерода 0,7%. По горизонтальной оси диаграммы (рис. 4.) находим соответствующую этой цифре точку.
Рис. 4. Диаграмма железоуглеродистых сплавов
Из неё восстановим перпендикуляр до пересечения с графиком. Из точки пересечения проводим параллельную горизонтальной оси линию до пересечения с вертикальной осью. По этой точке определяем необходимую температуру нагрева. Она по графику равна примерно 730 °С. Учитывая, что температура закалки должна быть на 30–50 °С выше установленной по графику, определяем необходимый нагрев при закалке: 760–780 °С.
По окончании термообработки необходимо измерить твёрдость металла. На производстве для этого используют специальные устройства. В условиях школьной мастерской проверка результатов термообработки заключается в пробе детали напильником или методом сравнения её твёрдости до и после термообработки. Для этого молотком по кернеру наносят по одному удару одинаковой силы по «сырой» детали и по детали, прошедшей термообработку. Сравнив глубину и диаметр отпечатков, делают вывод об изменении твёрдости металла.
Знакомимся с профессиями
На предприятиях термическую обработку материалов выполняют робочие-термисты. Термист должен разбираться в свойствах металлов, хорошо знать режимы термообработки различных сплавов, умело пользоваться термическими печами, строго соблюдать правила безопасной работы.
Практическая работа"Ознакомление с термической обработкой стали"
Внимание! Пункты 2, 3, 5 выполняет учитель.
Закрепите в тисках образец из незакаленной стали (например, с содержанием углерода 0,6%) и проведите по нему несколько раз напильником. Сделайте вывод об обрабатываемости незакаленной стали.
Поместите образец в электрическую (муфельную) печь, нагретую до температуры 800 °С, и выдержите его 15—20 мин. Температуру нагрева образца определите по рисунку выше.
Опустите раскаленный образец в воду или масло.
Закрепите образец в тисках и попытайтесь обработать его напильником. Сделайте вывод об обрабатываемости закаленной стали.
Поместите образец в печь, нагретую до температуры 400...550 °С, и выдержите 15—20 мин, после чего охладите в воде или на воздухе.
Опилите образец в тисках и сделайте вывод о его обрабатываемости после отпуска.
Новые слова и понятия
Термическая обработка, закалка, отпуск, отжиг, нормализация, муфельная печь, термоэлектрические пирометры, цвета каления, цвета побежалости, термист, лазерная термообработка.
Проверяем свои знания
Что такое термическая обработка?
Как изменяются свойства стали при закалке?
Для какой цели выполняют отпуск сталей?
Что такое отжиг сталей и в чем его отличие от закалки и отпуска?
Какими способами можно определить температуру нагрева стали в муфельной печи?
Задание
Используя Интернет и другие источники информации, подберите материал и сделайте сообщение или презентацию на тему «Термист на установках тока высокой частоты (ТВЧ)».
