Инженерия поверхности упрочненных деталей

Москва
ИНФРА-М
2020

ИНЖЕНЕРИЯ 
ПОВЕРХНОСТИ 
УПРОЧНЕННЫХ 
ДЕТАЛЕЙ

О.А. ШАРАЯ, А.Г. ПАСТУХОВ,
И.Н. КРАВЧЕНКО

МОНОГРАФИЯ

УДК 621.7(075.4)
ББК 34.65
 
Ш25

Шарая О.А.
Ш25 
 
Инженерия поверхности упрочненных деталей : монография / О.А. Шарая, 
А.Г. Пастухов, И.Н. Кравченко. — Москва : ИНФРА- М, 2020. — 124 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1031713.

ISBN 978-5-16-015424-4 (print)
ISBN 978-5-16-107876-1 (online)

В настоящее время в связи с получением уникальных свойств поверхностных слоев материалов деталей особое внимание сосредоточено на теоретических и практических аспектах технологии упрочнения и восстановления, использующих как диффузионное насыщение, так и концентрированные потоки 
энергии. 
В монографии рассмотрены вопросы химико-термической и лазерной обработки инструмента и деталей транспортных и технологических машин.
Может быть использована при изучении дисциплин «Материаловедение 
и технология конструкционных материалов» и «Современные способы упрочнения материалов» направлений подготовки «Агроинженерия» и «Технология 
производства и переработки сельскохозяйственной продукции» (бакалавриат), 
а также магистрантами, аспирантами и специалистами, работающими в области 
агроинженерии, машиностроения, металлургии и инженерии поверхности.

УДК 621.7(075.4)
ББК 34.65

Р е ц е н з е н т ы :
Тен Э.Б., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры литейных 
технологий и художественной обработки материалов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»;
Шрубченко И.В., доктор технических наук, профессор, заведующий секцией 
машиностроения кафедры технологии машиностроения Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова

ISBN 978-5-16-015424-4 (print)
ISBN 978-5-16-107876-1 (online)
© Шарая О.А., Пастухов А.Г.,
    Кравченко И.Н.,  2020

Введение

Основной задачей развития сельского хозяйства в Российской Федерации на период до 2025 года является формирование условий для развития научно-технической деятельности и получения результатов, необходимых для создания 
инновационных машиностроительных технологий, обеспечивающих независимость и конкурентоспособность отечественного агропромышленного комплекса (АПК) [1].
Наиболее вероятная причина недостаточно активного введения в сельскохозяйственное производство передовых инновационных машиностроительных технологий — неразвитость 
инженерно-технической сферы и недостаточная техническая 
оснащенность предприятий. Например, парк сельскохозяйственных тракторов ежегодно сокращается на 25 тыс. ед., парк 
уборочных комбайнов ежегодно сокращается на 5 тыс. ед., 
в результате чего обеспеченность производителей сельскохозяйственной продукции техникой оценивается на уровне 
40–65%.
В эксплуатации находится значительная доля техники 
со сроком эксплуатации более десяти лет: по тракторам — 
более 60%, уборочным комбайнам — более 50%. Вследствие 
усталости, изнашивания, коррозии и других причин происходит более 90% эксплуатационных отказов машин, затраты 
на ремонт и техническое обслуживание которых в несколько 
раз превышают их стоимость и достигают более 50 млрд руб. 
С этим связано более 80% общего времени простоев в производстве, а на изготовление запасных частей расходуется 20–
30% ежегодно выплавляемого металла, что приводит к росту 
цен на запасные части, в результате их доля в себестоимости 
ремонта техники достигает до 70% [2, 3].
Применение в процессе совершенствования техники традиционных конструкционных сталей и сплавов в большей 

Шарая О.А., Пастухов А.Г., Кравченко И.Н.

части случаев не в состоянии удовлетворить комплекс возрастающих требований к материалам, которые определяются 
стремлением к повышению реализуемых скоростей и рабочих 
температур, а также передаваемых давлений в подвижных 
соединениях деталей машин при одновременном снижении 
массы деталей на единицу мощности. С другой стороны, создание новых объемно-легированных материалов с целью 
повышения безотказности и долговечности деталей является 
проблематичным вследствие дефицита и дороговизны легирующих металлов, в частности, добавки переходных элементов в высоколегированных сталях составляют до 30% их 
стоимости. В этой связи экономически и технически целесообразно развивать инновационный подход к выбору материалов, основанный на обеспечении механической прочности 
тела детали за счет применения экономичных низколегированных сплавов, а специальные эксплуатационные свойства 
рабочих поверхностей — путем сплошного или локального 
формирования тонких легированных слоев или покрытий.
Повышение долговечности и безотказности деталей машин 
и инструмента целенаправленно можно достигнуть путем изменения химического состава и структуры поверхностных 
слоев, так как разрушение материалов в процессе формирования отказа в эксплуатации начинается именно с поверхности. Решение этой научной проблемы в настоящее время 
осуществляется методами химико-термической обработки 
(ХТО), в том числе многокомпонентным поверхностным легированием металлов и сплавов. Существенное снижение затрат на упрочнение при ХТО возможно в том случае, когда 
с целью нагрева поверхности и активации насыщающих сред 
используются интенсивные источники энергии, такие как 
электрические токи и разряды, а ускорение процессов диффузии осуществляется путем нагрева поверхности выше температуры плавления. Эта тенденция в разработке новых способов ХТО получила дальнейшее развитие с использованием 
концентрированных потоков энергии — лазерного излучения, 

Инженерия поверхности упрочненных деталей

электронных пучков и плазменных струй. На практике применение высокоинтенсивных способов обработки рабочих 
поверхностей, в том числе и технологий поверхностного легирования, отмечено в общем машиностроении, автомобильной 
промышленности, авиационной и космической технике.
В начале XXI века особое внимание сосредоточено на развитии технологий поверхностного упрочнения, что привело 
к появлению нового направления в материаловедении — инженерии поверхности, эволюция которой предполагает разработку технологий нового уровня, позволяющих модифицировать поверхностный слой, радикально менять его структуру 
и свойства. Для реализации данных процессов применяют 
методы управляющей обработки на основе тепловых источников, излучающих концентрированные потоки энергии физических полей и частиц: ионные, лазерные, ультразвуковые, 
высокочастотные индукционные и другие.
Среди технологий поверхностного упрочнения широко используют лазерное излучение, так как лазерные технологии 
конкурентоспособны по стоимости и вытесняют традиционные методы обработки. Широкое внедрение методов лазерного упрочнения в различные отрасли машиностроения 
обуславливается рядом благоприятных факторов: наличием 
серийного лазерного высокопроизводительного оборудования 
импульсного и непрерывного действия; сравнительной простотой подбора технологических режимов обработки деталей; 
значительной номенклатурой обрабатываемых деталей, требующих локального упрочнения; большой технико-экономической эффективностью [4].
В этой связи монография посвящена вопросам упрочнения 
методами химико-термической, лазерной обработки (закалки, 
микролегирования и модифицирования) поверхностных 
слоев инструмента и деталей машин, изготовленных из сталей 
и чугунов.

Глава 1
ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ 
И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИНСТРУМЕНТА 
И ДЕТАЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ 
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

В отечественной и зарубежной ремонтной практике значительное внимание уделяется организации и технологиям 
упрочнения и восстановления деталей, непрерывно увеличиваются инвестиции на разработку новых способов и технических средств их реализации. Особое внимание уделяется 
восстановлению дорогостоящих, металлоемких массовых 
и корпусных деталей (катки и звенья гусеничного движителя, 
направляющие колеса, блоки цилиндров, корпуса и картера 
агрегатов трансмиссий, коленчатые валы и др.). Технологии 
упрочнения и восстановления деталей характеризуются высоким техническим уровнем применяемого технологического 
оборудования и качеством материалов, используемых для нанесения покрытий и модификации поверхностных слоев деталей [2].
Упрочнение и восстановление инструмента и деталей 
машин исключают экологически разрушительные энергоемкие циклы производства и дают экономию материала 
и энергии до 90%, а также денежных средств до 50% за счет 
более низкой стоимости по сравнению со стоимостью новой 
детали [3].
В связи с сосредоточением основных прикладных исследований на развитии технологий поверхностного упрочнения 
и восстановления поверхностных слоев деталей представляется перспективным фундаментальный подход в оценке роли 
металла в обеспечении конструкционной прочности изделий, 
согласно которому ведущая роль принадлежит рабочей по

Инженерия поверхности упрочненных деталей

верхности, а не объему. В этой связи далее рассмотрим наиболее перспективные технологии упрочнения и восстановления рабочих поверхностей инструмента и деталей машин.

1.1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ УПРОЧНЕНИЯ 
И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 
И ОБОРУДОВАНИЯ

В целях обеспечения выпуска конкурентоспособной техники современного технического уровня и стабильно высокого качества машиностроительные предприятия на стадии 
производства транспортных и технологических машин и оборудования увеличивают внедрение прогрессивных технологий 
и технических средств, в частности [2]:
 
• применяют новые технологии обработки и сварки (лазерные, электрофизические, электролучевые и др.);
 
• осуществляют изготовление точных заготовок прецизионными металлосберегающими методами, пластической деформацией металла;
 
• распространяют прогрессивные технологические процессы 
упрочнения деталей и новые методы сварки.
Вследствие усталости и изнашивания происходит более 
90% аварийных поломок машин и оборудования, затраты 
на ремонт и техническое обслуживание которых на порядок 
превышают их стоимость.
В процессе оценки работоспособности машин для каждой 
конкретной детали и соединений учитываются условия работы, вид проявления, формирования и причина отказа (изнашивание, усталость и др.), применение термической, химикотермической и других видов упрочняющей обработки, требования точности изготовления и др.
Долговечность большей части деталей транспортных и технологических машин определяется сопротивляемостью их 
изнашиванию, не меньшая часть деталей в процессе работы 
испытывает действие циклических и динамических нагрузок, 

Шарая О.А., Пастухов А.Г., Кравченко И.Н.

в связи с чем для таких деталей вводится требование высокой 
усталостной прочности [3].
Физическая природа явления усталостного разрушения 
раскрывается на основе металлографических исследований, 
рентгеноскопии, измерения твердости, акустической эмиссии 
и т.д. В отдельных неблагоприятно ориентированных зернах 
полукристаллического тела даже при незначительных амплитудах напряжений возникает циклическое скольжение 
по плоскостям скольжения кристаллитов. По причине циклического скольжения возникает разрыхление, накопление 
дефектов типа дислокаций, вакансий и других, приводящих 
после определенного числа циклов к проявлению трещины 
в одном или нескольких зернах. В последующем трещины 
объединяются в одну микроскопическую трещину, которая 
начинает развиваться и распространяться на значительную 
часть сечения, после чего происходит внезапное разрушение.
Для производства наибольший интерес представляет изучение влияния технологических методов поверхностного 
упрочнения и восстановления на сопротивление усталости, 
которые повышают в 1,5–3 раза предел выносливости, в 5–10 
раз и более — долговечность деталей, а при применении ряда 
методов — и износостойкость при общем снижении металлоемкости изделий. В частности, широко распространены следующие методы: 1) поверхностное пластическое деформирование — обкатка поверхности роликами, обдувка дробью, 
чеканка, раскатка и т.д.; 2) химико-термические методы — 
азотирование, цементация, цианирование; 3) поверхностная 
закалка нагревом токами высокой частоты или лучом лазера; 
4) комбинированные методы — цементация с последующей 
обдувкой дробью и т.п.; 5) методы модифицирования — плазменное напыление, ионная имплантация, поверхностное легирование и др.
В процессе работы инструмента и деталей машин происходят контактные взаимодействия с другими деталями и частицами технологических сред, где в результате химических 

Инженерия поверхности упрочненных деталей

и диссипативных процессов в поверхностных и подповерхностных слоях трущихся материалов происходят изменения 
физического состояния, меняющие механизм контактного 
взаимодействия, при этом происходят также существенные 
изменения в суб- и микроструктуре поверхностных микрообъемов. В этой связи необходимо изучать процессы структурных, 
фазовых и диффузионных превращений, прочностные и деформационные свойства поверхностей, элементарных актов 
деформации и разрушения, оценки качества поверхности 
с целью повышения износостойкости рабочих поверхностей 
машиностроительных изделий.
Для осуществления широкого ряда технологических операций в машиностроении применяют концентрированные 
потоки энергии (плазма, лазерное излучение, электронные 
и ионные потоки). При импульсном воздействии возникают 
специфические фазовые и структурные превращения материалов. При воздействии лазерного излучения термообработке подвергается тонкий поверхностный слой (от долей мкм 
до нескольких мм). Высокие скорости нагрева (до 105 град/с) 
и охлаждения (до 5 · 108 град/с) приводят к образованию метастабильных фаз, сверхтонкой структуры вещества, пересыщенных твердых растворов; может возникать аморфная структура — структура металлических стекол.
Поверхность обрабатываемого изделия при лазерном 
упрочнении можно насыщать упрочняющими легирующими 
добавками значительно более эффективно, чем при обычных 
методах ХТО, вследствие более высоких скоростей диффузии 
в жидкой фазе по сравнению с твердой фазой при ХТО. В результате лазерной обработки различных сталей, чугуна, алюминиевых сплавов, бронзы, титановых сплавов существенно 
повышаются поверхностная прочность и износостойкость деталей машин и инструмента.
Рассмотрим перспективы развития мероприятий по обеспечению надежности изделий на различных этапах жизненного цикла. Применительно к рабочим поверхностям деталей 

Шарая О.А., Пастухов А.Г., Кравченко И.Н.

транспортных и технологических машин и оборудования 
мероприятия по обеспечению надежности отрабатываются 
в основном на конструкторском этапе, включающем научноисследовательские и опытно-конструкторские работы, которые должны быть взаимосвязаны и с технологией изготовления, и с технологией технического обслуживания и ремонта.
Повышение надежности деталей машин и оборудования 
при конструировании необходимо вести по следующим направлениям [3]:
 
• рациональный выбор конструктивного исполнения изделия — реализуется, например, путем подбора долговечных материалов деталей и рациональным их сочетанием 
в парах трения на основе обеспечения требуемой долговечности и невысокой стоимости;
 
• введение резервирования — в местах предполагаемого износа предусматривается введение вставок из износостойких 
материалов, компенсаторов износа и др.;
 
• обоснование запасов прочности — следует обеспечивать 
условия отсутствия недопустимых перегрузок в деталях 
машин, снижать давления на поверхностях трения и равномерно распределять нагрузку в контакте;
 
• расчет размерных цепей и обоснование допусков на размеры и параметры — проводится с целью повышения точности изготовления деталей, обеспечивающего уменьшение 
начальных зазоров и натягов в подвижных и неподвижных 
соединениях, и определяющего уровень обрабатывающего 
оборудования при изготовлении;
 
• правильный выбор смазок — реализуется с целью обеспечения идеальных условий смазывания трущихся поверхностей деталей;
 
• проведение испытаний и расчетов конструктивной надежности — трибологических и усталостных испытаний стандартизованными методами с целью контроля и прогнозирования долговечности по износу и усталости.