Технология. 7 класс. Авторский коллектив: Е. С. Глозман, Е. Н. Кулакова, Ю. Л. Хотунцев, О. А. Кожина, И. В. Воронин, В. В. Воронина, А. Е. Глозман
§ 20. Общие сведения о термической обработке стали
Как вы считаете, можно ли улучшить механические свойства стальных изделий, например хрупкость? Предложите способ снижения хрупкости стальной заготовки или инструмента.
Свойства стали зависят от её химического состава: количества углерода, легирующих элементов и вредных примесей. Свойства стали можно изменить ещё одним способом: воздействием на полуфабрикаты или готовые изделия теплом. Этот способ называется термической обработкой.
Термическая обработка стали — изменение её механических свойств путём нагревания, выдержки и охлаждения. При нагревании металла до определённых температур происходит перегруппировка его молекул, из-за чего изменяются механические свойства стали. Температуры, при которых происходит изменение свойств стали — 723, 770, 910, 1390 и 1535 °C, — называют критическими.
Низкоуглеродистые стали при термообработке почти не изменяют свои свойства, а высокоуглеродистые (инструментальные) изменяют их существенно.
Существуют следующие виды термообработки стали.
Отжиг — нагрев стали до температуры 750—880 °C и последующее медленное охлаждение. Отжиг применяется для уменьшения твёрдости стали для её механической обработки.
Нормализация отличается от отжига более быстрым охлаждением металла на воздухе.
Закалка применяется для повышения твёрдости и прочности стали. Сталь нагревают до температуры выше критической (в пределах 750—810 °C), выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают в воде или масле. Выбор закалочной среды зависит от марки стали. Углеродистые стали охлаждают в воде, большинство легированных сталей — в минеральных маслах. Закалке подвергают стали, содержащие более 0,3% углерода.
Отпуск — это повторный нагрев стали после закалки до температуры 200, 400 и 600 °C с последующим охлаждением на воздухе, в воде или масле. Его используют для уменьшения хрупкости закалённой стали.
Температуру нагрева стали определяют по диаграмме железоуглеродистых сплавов (рис. 4.46).
На горизонтальной оси диаграммы указано содержание углерода (%), на вертикальной — температура нагрева стали (°C). Заштрихованные участки диаграммы показывают оптимальные температурные интервалы нагрева стали при различных видах термообработки.
Для определения температуры нагрева стали при закалке используют специальные приборы — термоэлектрические пирометры. Кроме того, это можно сделать и на глаз, пользуясь таблицей цветов каления и побежалости (табл. 4.2).
Таблица 4.2
Определение температуры нагрева стали по цвету
| I. Цвет каления | Температура, °C |
| Тёмно-коричневый | 550 |
| Коричнево-красный | 700 |
| Вишнёвый | 770 |
| Ярко- и светло-вишнёвый | 800 |
| Светло-красный | 850 |
| Ярко-красный | 900 |
| Сине-красный | 950 |
| II. Цвет побежалости | Температура, °C |
| Светло-жёлтый | 220 |
| Жёлтый | 230 |
| Тёмно-жёлтый | 240 |
| Коричневый | 255 |
| Коричнево-красный | 265 |
| Фиолетовый | 285 |
| Тёмно-синий | 295—310 |
| Светло-синий | 315—325 |
| Серый | 330 |
В школьных учебных мастерских для нагрева стали используют муфельную печь (рис. 4.47).
1 — кожух; 2 — дверца; 3 — подставка; 4 — сигнальный фонарь; 5 — муфель; 6 — переключатель
Её основной элемент — керамический муфель (камера) 5 с намотанным на него нагревательным элементом. Муфель помещён в кожух 7, установленный на подставке 5, кожух закрывается дверцей 2. Пространство между муфелем и корпусом заполнено теплоизоляционным материалом с низкой теплопроводностью. Переключатель 6 служит для включения и выключения печи, а также для переключения ступеней мощности. На подставке есть сигнальный фонарь 4.
Правила разогрева печи и контроля температуры указаны в её техническом паспорте. Для загрузки и выгрузки обрабатываемых деталей используют специальные клещи.
Правила безопасной работы при термической обработке стали
1. Выполнять термообработку можно лишь с разрешения учителя и в его присутствии.
2. Рабочее место для термической обработки должно быть оборудовано вытяжной вентиляцией, пол покрыт огнестойким материалом и резиновым ковриком.
3. Работу следует выполнять в специальной одежде (халат, берет, брезентовые рукавицы) и защитных очках.
4. Загружать детали в муфельную печь и вынимать их надо клещами с длинными ручками.
5. Клещи периодически следует охлаждать в воде.
Практическая работа № 18
«Закалка и отпуск зубила»
Цель работы: отработать технологию подготовки муфельной печи и материалов к закалке и последовательность закалки и отпуска зубила.
Оборудование и материалы: муфельная печь, клещи, защитные очки, ведро с водой, резиновый коврик, ящик с песком, заготовки, слесарные тиски, напильники, таблицы цветов каления и цветов побежалости.
Порядок выполнения работы
Все работы выполняются под руководством и с участием учителя.
1. Подготовьте рабочее место, инструменты, оборудование. Наденьте специальную одежду, очки, рукавицы.
2. Закрепите в тисках незакалённое зубило и проведите по его рабочей части 3—5 раз напильником. Что наблюдаете?
3. Вместе с учителем включите муфельную печь. C помощью клещей положите зубило в муфельную печь. Закройте дверцу.
4. Определите температуру нагрева для закалки зубила по диаграмме железоуглеродистых сплавов.
5. По таблице цветов каления или с помощью термоэлектрического пирометра определите требуемую температуру.
6. При достижении необходимой температуры с помощью учителя клещами достаньте зубило из муфельной печи; держа его вертикально, быстро опустите в воду рабочую часть на глубину 15—20 мм, перемещайте его вверх и вниз не вынимая из воды.
7. Протрите охлаждённое зубило. Закрепите его в тисках и проведите по его рабочей части 3—5 раз напильником. Сделайте вывод о роли закалки.
8. Произведите отпуск зубила. C помощью клещей положите его в муфельную печь. Закройте дверцу.
9. Нагрейте муфельную печь до температуры 300 °C (средний отпуск). Уровень нагрева определите по таблице цветов побежалости или с помощью термоэлектрического пирометра.
10. При достижении необходимой температуры в печи с помощью учителя клещами достаньте зубило и охладите в воде.
Полезная информация
Определение температуры закалки зубила. Марка стали является инструментальной с содержанием углерода 0,7%. По горизонтальной оси диаграммы (рис. 4.46) находим соответствующую этой цифре точку. 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 °C. Учитывая, что температура закалки должна быть на 30—50 °C выше установленной по графику, определяем необходимый нагрев при закалке: 760—780 °C.
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.
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.
Основные понятия и термины:
термическая обработка, закалка, отжиг, нормализация, отпуск, муфельная печь, термоэлектрические пирометры, цвета каления, цвета побежалости, лазерная термообработка.
Вопросы и задания:
1.Перечислите основные виды термической обработки.
2. C какой целью производят закалку и отпуск стали?
3. Для чего производят отжиг и нормализацию стали?
4. 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)».
