Оборудование термических цехов

В.В. Овчинников

ОБОРУДОВАНИЕ

ТЕРМИЧЕСКИХ ЦЕХОВ

Рекомендовано Федеральным Государственным Учреждением

«Федеральный институт развития образования» в качестве учебника
для использования в учебном процессе образовательных учреждений,

реализующих программы среднего профессионального образования

МОСКВА

ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М

2021

ISBN 978-5-8199-0561-6 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-008997-3 (ИНФРА-М)

В учебнике рассмотрены основные виды термического оборудования. 

Приведены источники тепловой энергии для термической обработки, 
дополнительное и вспомогательное оборудование термических цехов. 
Рассмотрены аспекты разработки технологического процесса термической 
обработки.

Для студентов учреждений среднего профессионального образования 

по специальностям материаловедение, литье, сварка и обработка металлов 
давлением.

УДК 621.78(075.32)
ББК 30.605я723

О35

УДК 621.78(075.32)
ББК 30.605я723
 
О35

Р е ц е н з е н т ы:

доктор технических наук, главный научный сотрудник

ОАО «НПО «ЦНИИТМАШ» С.И. Феклистов;

доктор технических наук, главный научный сотрудник ФГУП

«Всероссийский научно-исследовательский институт

авиационных материалов» О.Е. Грушко

ISBN 978-5-8199-0561-6 (ИД «ФОРУМ») 
© В.В. Овчинников, 2014

ISBN 978-5-16-008997-3 (ИНФРА-М) 
© ИД «ФОРУМ», 2014

1

ВВЕДЕНИЕ

Термической обработкой называют процесс обработки изделий из 
металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения 
их структуры и свойств в заданном направлении.
Это воздействие может сочетаться также с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями.
Термическая обработка — самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. На 
металлургических и машиностроительных заводах термическая обработка является одним из важнейших звеньев технологического 
процесса производства полуфабрикатов и деталей машин. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и др.) и как окончательную операцию для придания металлу 
или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее конструкция, 
тем, как правило, больше в ней термически обработанных деталей.
Любой процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени. По такому графику можно определить температуру нагрева, время нагрева 
и охлаждения, средние и истинные скорости нагрева и охлаждения, время выдержки при температуре нагрева и общую продолжительность производственного цикла. Но по форме этого графика ничего нельзя сказать о том, с каким видом термообработки мы 
имеем дело. Вид термообработки определяется не характером изменения температуры во времени, а типом фазовых и структурных 
изменений в металле. 
Для осуществления термической обработки применяется специальное оборудование. В оборудование термических цехов входит 
основное оборудование, вспомогательное оборудование, а также 
аппаратура для определения значений параметров процесса и их 
автоматического поддержания.
Достижения в области технологии термической обработки характеризуются внедрением комплексной механизации и автоматизации процессов, созданием нового поколения оборудования и 
приборов, обеспечивающих рост производительности труда и выпуск продукции высокого качества.

Г л а в а  1

ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

1.1. Строение металлов и сплавов

Металлами называются химические элементы, характерными 
признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая 
проводимость тепла и электрического тока, а для многих металлов 
также ковкость и способность свариваться. Металлы состоят из 
большого количества кристаллов или зерен. Зерна состоят из отдельных блоков размерами 1æ10–5—1æ10–3 см. Такое строение зерна 
носит название мозаичной структуры, а составляющие ее блоки 
называются блоками мозаики. Блоки объединяются в более крупные соединения, называемые фрагментами. Перечисленные выше 
характерные свойства металлов определяются их электронным 
строением.
Металлы относятся к твердым кристаллическим телам, имеющим упорядоченное взаимное расположение атомов, которое 
можно представить в виде кристаллической решетки (рис. 1.1). 
Наиболее часто металлы имеют кристаллические решетки следующих типов: кубическую объемно-центрированную (атомы в углах и в центре куба) имеют натрий, хром, вольфрам, ванадий, железо и др. (а = 2,8…4,9 Å); гранецентрированную (атомы по углам 
куба и в центре каждой грани) имеют алюминий, кальций, никель, медь, серебро (а = 3,6…4,9 Å); гексагональную (атомы в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в 
средней плоскости призмы) имеют магний, цинк, титан, бериллий и др. (а = 2,26…3,2 Å); (с = 3,59…5,6 Å).

a
б
в

a
a
a

c

Рис. 1.1. Элементарные кристаллические решетки:
а — кубическая объемно-центрированная; б — кубическая гранецентрированная; в — гексагональная; а, с — параметры решетки

 
1.1. Строение металлов и сплавов 
5

Расположение атомов в кристаллической решетке определяют 
рентгеноструктурным анализом.
Атомы в кристаллических решетках в разных направлениях ее 
находятся на разных расстояниях, и, следовательно, в разных плоскостях атомы расположены с различной плотностью. При таком 
расположении атомов свойства в различных направлениях различны. Зависимость физических свойств — механических, тепловых, 
электрических, магнитных, оптических от направления испытания — называется анизотропией.
Некоторые металлы (железо, олово, никель и др.) обладают 
способностью изменять внутреннее строение в твердом состоянии. 
Они имеют два и более типа кристаллических решеток при неодинаковых температурах. Существование одного и того же металла 
в различных кристаллических формах называется аллотропией, 
а процесс перестройки атомов одного типа кристаллической решетки в другой — аллотропическим или полиморфным превращением. Аллотропические формы обычно обозначают буквами α, β, 
γ, δ и т. д. (рис. 1.2).
Температура плавления железа 1539 °С. При этой температуре 
начинается кристаллизация жидкого железа, в результате которой 
железо Feα приобретает структуру объемно-центрированного куба.

1539°

1392°

911°

768°

Немагнитно
Магнитно

α

γ

L

α(δ)
1500
1400
1300
1200
1100

900
1000

800
700
600
500

100

Время

400
300
200

0

°C

β

Рис. 1.2. Кривые охлаждения чистого железа (аллотропические превращения)

Глава 1. Основы термической обработки

При температуре 1392 °С кристаллы Feα переходят в Feγ с гранецентрированной решеткой. При температуре 911 °С структура 
гранецентрированного куба переходит вновь в решетку объемноцентрированного куба Feα, которая сохраняется до комнатной 
температуры. Температура 768 °С называется точкой Кюри: при 
этой температуре изменяются магнитные свойства железа. Различают две важнейшие модификации: α- и γ-железо; α-железо магнитно, γ-железо немагнитно; γ-железо обладает способностью 
хоро шо растворять углерод (α-Fe растворяет углерод до 0,02 %, 
а γ-Fe — до 2,14 %). Это имеет практическое значение при термической обработке стали и чугуна.
Кроме железа ферромагнитными свойствами, т. е. способностью хорошо намагничиваться, обладают также кобальт и никель.
Магнитное превращение отличается от аллотропического некоторыми особенностями, в частности, оно не сопровождается изменением кристаллической решетки.
В реальных металлах, применяемых в технике, кристаллические решетки имеют ряд несовершенств или дефектов, т.е. отклонения от правильного геометрического строения. Поэтому металлы 
имеют прочность значительно меньшую, чем они должны иметь 
теоретически. Образование дефектов в металле связано с подвижностью его атомов. Атомы, расположенные в узлах кристаллической решетки, находятся в непрерывном тепловом движении (колебании) около узлов кристаллической решетки. Они могут оставлять положение равновесия и перемещаться внутри кристаллической решетки, а иногда и покидать ее. Перемещение атомов 
какого-либо элемента (металла или неметалла) в решетке называется диффузией. Явление перемещения атомов элемента в его собственной решетке называется самодиффузией.
Вышедший из положения равновесия атом называют дислоцированным, образовавшееся свободное место в узле кристаллической решетки — «дыркой» или вакансией. Вакансии и дислоцированные атомы представляют собой точечные дефекты кристаллической решетки и являются причиной ее искажения (рис. 1.3). 
Дислоцированный атом и вакансии не остаются неподвижными, 
они перемещаются по решетке.
Наличие несовершенств (дефектов) в атомно-кристаллических 
решетках реальных металлов объясняет некоторые особенности их 
механических и физических свойств и, в частности, то обстоятельство, что реальные металлы имеют прочность, во много раз меньшую, чем они должны теоретически.

 
1.1. Строение металлов и сплавов 
7

Основным фактором, определяющим уровень механических 
свойств металлов, является количество и характер распределения 
дефектов кристаллического строения. Когда их сравнительно много, появляется упрочняющее действие (рис. 1.4).
Предел прочности современных конструкционных сталей, достигнутый легированием и термической обработкой, составляет 
1766—2158 МПа (180—220 кгс/мм2), а нитевидных кристаллов 
(практически без дефектов) чистого железа равен 13 106 МПа 
(1336 кгс/мм2).
Сплавами называются сложные тела, полученные сплавлением 
или спеканием двух или более металлов или металлов с неметаллами. По числу входящих компонентов сплавы подразделяют на 
двойные, тройные и т. д., по характеру металла, являющегося ос
a
б

Теоретическая
прочность

Прочность усов
(нитевидные кристаллы)

Количество дефектов
кристаллического строения

Чистые металлы

Реальная прочность
металлов и сплавов

Металлы
упрочняемые

Прочность

Рис. 1.3. Искажения кристаллической решетки около дислоцированного 
атома (а) и около вакансии (б)

Рис. 1.4. Зависимость прочности от количества дефектов
кристаллического строения

Глава 1. Основы термической обработки

новой сплава, — на черные (сталь, чугун) и цветные (латунь, бронза и др.). Внутреннее строение сплавов, как и металлов, кристаллическое и определяется взаимосвязью между составляющими 
компонентами. Если компоненты сплава взаимно не растворяются 
в твердом состоянии, то такие сплавы называются механической 
смесью. В таких сплавах имеется две или несколько типов кристаллических решеток. В случае, если компоненты в сплаве вступают в 
химическое взаимодействие, то образуется химическое соединение. 
Его строение и свойства резко отличаются от строения и свойств 
элементов, из которых оно состоит. С образованием химического 
соединения создается новое вещество с новыми качествами. Если 
компоненты сплава взаимно растворяются, то образуется твердый 
раствор. Это возможно в том случае, если атомы различных веществ, смешиваясь в различных соотношениях, способны образовывать общую кристаллическую решетку.
Различают твердые растворы замещения и внедрения. В твердых растворах замещения атомы растворенного элемента замещают атомы элемента-растворителя в общей кристаллической решетке. Растворителем считается тот элемент, кристаллическая решетка которого сохраняется в твердом растворе.
В твердых растворах внедрения атомы растворенного элемента 
располагаются внутри кристаллической решетки элемента-растворителя. Твердые растворы внедрения обычно образуются при растворении в металлах неметаллических элементов (углерода, азота, 
бора, кислорода).

1.2. Кристаллизация металлов и сплавов

Процесс кристаллизации. При переходе металла из жидкого состояния в твердое образуются кристаллы. Такой процесс называют 
кристаллизацией. Процесс кристаллизации складывается из образования центров кристаллизации («зародышей») и их роста.
На рис. 1.5 показана схема роста зерен при кристаллизации. 
В первые моменты кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму, так как их образованию еще не препятствуют соседние кристаллы, затем рост кристаллов протекает 
в направлении жидкого металла. По мере роста кристаллов количество жидкого металла (расплава) уменьшается, происходит столкновение растущих кристаллов, в результате чего искажается их 
правильная геометрическая форма. Такие кристаллы называются 
кристаллитами, полиэдрами или зернами.

 
1.2. Кристаллизация металлов и сплавов 
9

Кривые охлаждения. Процесс кристаллизации металла можно 
рассматривать по кривой охлаждения (рис. 1.6), которую получают 
опытным путем. Кривая показывает, что температура жидкого металла понижается почти равномерно. Когда металл охладится до 
некоторой температуры Ts (рис. 1.6, а, точка а), начинается кристаллизация, дальнейшее падение температуры прекратится, несмотря на непрерывную отдачу тепла окружающей среде. Следовательно, в металле идет процесс выделения тепла. Выделяющееся 
при процессе кристаллизации тепло называется скрытой теплотой 
кристаллизации. К моменту, соответствующему точке б, кристаллизация заканчивается, весь металл перейдет из жидкого в твердое 
состояние и далее температура будет опять постепенно понижаться. В реальных условиях металл, охладившись до температуры Ts, 

6c
5c
7c

1c
2c
3c
4c

Рис. 1.5. Схема роста зерен при кристаллизации

a

a
a
б
б
Ts
Ts
Tn

б

Температура, °С

Температура, °С

Время, c
Время, c

Рис. 1.6. Кривые охлаждения:
а — без переохлаждения, б — с переохлаждением

Глава 1. Основы термической обработки

еще не начнет кристаллизоваться, а останется некоторое время 
жидким (рис. 1.6, б). В это время металл переохлаждается до некоторой температуры Тп, начинается интенсивная кристаллизация. 
Разность температур (Ts – Тп) называется степенью переохлаждения. Она зависит от природы сплава, его чистоты и скорости охлаждения. Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень 
переохлаждения. Петля на кривой охлаждения показывает, что 
кристаллизация сопровождается выделением тепла, которое повышает температуру сплава до Тs, поддерживая ее до полного затвердевания металла.
От степени переохлаждения (ΔТ) зависит скорость образования 
зародышей (центров кристаллизации) и скорость роста кристаллов 
(зерен). С увеличением переохлаждения возрастают скорости обоих 
процессов, достигая максимального значения при определенных 
степенях переохлаждения, и затем замедляются (рис. 1.7).
Число зарождающихся в единицу времени зародышей имеет 
размерность мм3æс (число зародышей, возникающих в 1 мм3 за 
одну секунду).
Скорость роста кристаллов есть скорость увеличения линейных размеров растущего кристалла в единицу времени (мм/с).
Размер образующихся кристаллов определяется соотношением 
скоростей возникновения центров кристаллизации и их роста.
При малой степени переохлаждения число зародышей крайне 
мало, что приводит к образованию крупнокристаллической структуры. Вследствие малой скорости роста кристаллов на их границах 

2

ΔT

1

Рис. 1.7. Влияние степени переохлаждения (ΔТ) на число центров
(зародышей) кристаллизации (2) и скорость их роста (1)