Технологические методы повышения износостойкости деталей машин

Íîâàÿ
Óíèâåðñèòåòñêàÿ
Áèáëèîòåêà

Êíèãè — ýòî êîðàáëè ìûñëè,
ñòðàíñòâóþùèå ïî âîëíàì âðåìåíè
è áåðåæíî íåñóùèå ñâîé äðàãîöåííûé ãðóç
îò ïîêîëåíèÿ ê ïîêîëåíèþ.

Ô. Áýêîí

ÒÅÕÍÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈÅ ÌÅÒÎÄÛ

ÏÎÂÛØÅÍÈß  ÈÇÍÎÑÎÑÒÎÉÊÎÑÒÈ

ÄÅÒÀËÅÉ ÌÀØÈÍ

Ìîñêâà
Ëîãîñ

2020

Î.Þ. Åëàãèíà

Äîïóùåíî Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèì îáúåäèíåíèåì âóçîâÐîññèéñêîé Ôåäåðàöèè
ïî íåôòåãàçîâîìó îáðàçîâàíèþ â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ äëÿ ñòóäåíòîâ
âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé, îáó÷àþùèõñÿ ïî íàïðàâëåíèþ ïîäãîòîâêè
äèïëîìèðîâàííûõ ñïåöèàëèñòîâ  «Ìàøèíîñòðîèòåëüíûå òåõíîëîãèè
è îáîðóäîâàíèå», ñïåöèàëüíîñòè «Îáîðóäîâàíèå è òåõíîëîãèè ïîâûøåíèÿ
èçíîñîñòîéêîñòè è âîññòàíîâëåíèÿ äåòàëåé ìàøèí è àïïàðàòîâ»

ÓÄÊ 621.7
ÁÁÊ 34.7

ISBN 978-5-98704-450-6

ÓÄÊ 621.7
ÁÁÊ 34.7
         Å47

© Åëàãèíà Î.Þ., 2020
© Óíèâåðñèòåòñêàÿ êíèãà, 2020 
© Ëîãîñ, 2020

Ðàññìîòðåíû îñíîâíûå âèäû èçíàøèâàíèÿ òèïîâûõ óçëîâ è äåòàëåé ìàøèí,
ïðåæäå âñåãî áóðîâîãî, íåôòåãàçîïðîìûñëîâîãî è ïåðåðàáàòûâàþùåãî îáîðóäîâàíèÿ. Îñâåùåíû îñîáåííîñòè ðàçðóøåíèÿ è óïðî÷íåíèÿ ïîâåðõíîñòåé. Äàíà îöåíêà èçíîñîñòîéêîñòè ðàçëè÷íûõ êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ. Ïðåäñòàâëåíû òåõíîëîãèè ïîâûøåíèÿ ïðî÷íîñòè è èçíîñîñòîéêîñòè äåòàëåé: ëåãèðîâàíèå ñòàëè,
òåðìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà, ïîâåðõíîñòíàÿ çàêàëêà, õèìèêî-òåðìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà,
ïîâåðõíîñòíîå ïëàñòè÷åñêîå äåôîðìèðîâàíèå.  ïðèëîæåíèÿõ ñîäåðæàòñÿ ïðàêòè÷åñêèå ðàáîòû ïî òåìàì ó÷åáíîé äèñöèïëèíû.
Äëÿ ñòóäåíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé, ïîëó÷àþùèõ îáðàçîâàíèå ïî íàïðàâëåíèþ ïîäãîòîâêè äèïëîìèðîâàííûõ ñïåöèàëèñòîâ «Ìàøèíîñòðîèòåëüíûå
òåõíîëîãèè è îáîðóäîâàíèå», ñïåöèàëüíîñòè «Îáîðóäîâàíèå è òåõíîëîãèè ïîâûøåíèÿ èçíîñîñòîéêîñòè è âîññòàíîâëåíèÿ äåòàëåé ìàøèí è àïïàðàòîâ». Ìîæåò
èñïîëüçîâàòüñÿ â ó÷åáíîì ïðîöåññå ïî øèðîêîìó êðóãó íàïðàâëåíèé (ñïåöèàëüíîñòåé) ïîäãîòîâêè êàäðîâ â îáëàñòè ìàøèíîñòðîåíèÿ.

Ð å ö å í ç å í ò û
È.Ã. Èáðàãèìîâ, äîêòîð òåõíè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð
À.Ã. Õàëèìîâ, äîêòîð òåõíè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð
 Ë.È. Êóêñàíîâà, äîêòîð òåõíè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð

Å47

Åëàãèíà Î.Þ.
Òåõíîëîãè÷åñêèå ìåòîäû ïîâûøåíèÿ èçíîñîñòîéêîñòè äåòàëåé ìàøèí: ó÷åá. ïîñîáèå / Î.Þ. Åëàãèíà. – Ì.: Óíèâåðñèòåòñêàÿ êíèãà; 
Ëîãîñ, 2020. – 488 ñ.: èë. – (Íîâàÿ óíèâåðñèòåòñêàÿ áèáëèîòåêà).

ISBN 978-5-98704-450-6

Ñåðèÿ îñíîâàíà â 2003 ãîäó

Ó÷åáíîå  èçäàíèå

Åëàãèíà Îêñàíà Þðüåâíà

ÒÅÕÍÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈÅ ÌÅÒÎÄÛ ÏÎÂÛØÅÍÈß
ÈÇÍÎÑÎÑÒÎÉÊÎÑÒÈ ÄÅÒÀËÅÉ ÌÀØÈÍ

Ó÷åáíîå ïîñîáèå

Ðåäàêòîð Å.Â. Êîìàðîâà
Êîððåêòîð Ë.Â. ßêîâëåâà
Êîìïüþòåðíàÿ âåðñòêà Ì.À. Ãîëóáà
Îôîðìëåíèå Ò.Þ. Õðû÷åâîé

Ïîäïèñàíî â ïå÷àòü 20.03.20. Ôîðìàò 60õ90/16.
Ïå÷àòü îôñåòíàÿ. Áóìàãà îôñåòíàÿ. Óñë. ïå÷. ë. 30,5. 
Òèðàæ 1000 ýêç.
Èçäàòåëüñêàÿ ãðóïïà «Ëîãîñ»
123104, Ìîñêâà, Á.Ïàëàøåâñêèé ïåð., ä.9, ñòð.1

Оглавление

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7

Гл ава 1. Виды изнашивания поверхностей и их особенности . . . . . . . . . .
9
1.1. Классификация видов изнашивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.2. Энергетический баланс разных видов изнашивания . . . . . . . . . . . . . . . .
36
1.3. Характеристики изнашивающихся узлов и деталей нефтегазового оборудования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42

Пр акти чес кая р аб о та.
Анализ условий разрушения поверхностей
активно изнашивающихся деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62

Гл ава 2. Особенности разрушения и упрочнения поверхностей . . . . . . .
67
2.1. Общая схема разрушения поверхностей при механических видах изнашивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
2.2. Разрушение поверхностей при упругих деформациях . . . . . . . . . . . . . . .
70
2.3. Разрушение поверхностей при пластических деформациях . . . . . . . . . .
75
2.4. Разрушение поверхностей в результате развития трещины . . . . . . . . . .
77
2.5. Общая характеристика методов упрочнения поверхностей . . . . . . . . . . .
86

Гл ава 3. Легирование стали для повышения прочности деталей машин
91
3.1. Роль углерода в образовании различных фаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
3.2. Легирование металлами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
3.3. Образование фаз внедрения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.4. Примеси в сталях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.5. Влияние фазовых составляющих стали на ее износостойкость при разных видах изнашивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.6. Износостойкость различных групп сталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.7. Композиционные металлические материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

Пр акти чес кая р аб о та.
Определение состава карбидной фазы
в износостойких сталях и сплавах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
202

Пр акти чес кая р аб о та.
Центробежное армирование деталей машин
207

Гл ава 4. Термическая обработка для повышения износостойкости
деталей машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
212
4.1. Общая характеристика методов общей термической обработки . . . . . . 212
4.2. Нагрев при упрочняющей термической обработке . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.3. Выдержка при термической обработке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.4. Охлаждение при термической обработке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.5. Особенности формирования структурно-фазового состава при термической обработке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.6. Выбор охлаждающих сред при упрочняющей термической обработке . 248
4.7. Закалка стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

Оглавление

Пр акти чес кая р аб о та.
Оценка влияния разных видов термической
обработки на структурно-фазовый состав стали и ее износостойкость 256

Пр акти чес кая р аб о та.
Определение оптимальных режимов
закалки для упрочнения деталей машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
264

Гл ава 5. Поверхностная закалка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
5.1. Общие характеристики поверхностной закалки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
5.2. Способы поверхностной закалки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
5.3. Поверхностная закалка при нагреве газовым пламенем . . . . . . . . . . . . . 283
5.4. Поверхностная закалка электроконтактным нагревом . . . . . . . . . . . . . . 290
5.5. Поверхностная закалка лазерным нагревом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
5.6. Поверхностная закалка индукционным нагревом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

Пр акти чес кая р аб о та.
Определение параметров упрочненного
слоя при поверхностной закалке с лазерным нагревом . . . . . . . . . . . . .
325

Пр акти чес кая р аб о та.
Определение режимов поверхностной
закалки с нагревом током высокой частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
338

Гл ава 6. Химико-термическая обработка поверхностей . . . . . . . . . . . . . . . 344
6.1. Основные закономерности процесса диффузии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
6.2. Основы химико-термической обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
6.3. Насыщение через газовую фазу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
6.4. Насыщение из жидких сред . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
6.5. Насыщение из парофазовой среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
6.6. Цементация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
6.7. Азотирование сталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
6.8. Нитроцементация и цианирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
6.9. Борирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
6.10. Хромирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
6.11. Титанирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
6.12. Алитирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
6.13. Силицирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
6.14. Цинкование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
6.15. Бериллизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
6.16. Сульфидирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
6.17. Прочие виды диффузионного насыщения поверхностей . . . . . . . . . . . . 442

Пр акти чес кая р аб о та.
Расчет режимов химико-термической
обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
443

Гл ава 7. Поверхностное пластическое деформирование . . . . . . . . . . . . . . 456
7.1. Виды дислокаций и их движение под действием сдвигающих усилий . . 456
7.2. Упрочнение при торможении дислокаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
7.3. Статические методы поверхностного пластического деформирования . 467
7.4. Динамические методы поверхностно-пластического деформирования . 474

Пр акти чес кая р аб о та.
Расчет режимов упрочнения поверхностей
деталей статическими методами ППД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
481

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487

Введение

Эффективное использование машин и оборудования нефтегазовой отрасли невозможно без решения задач, связанных с повышением износостойкости их деталей и узлов. До 80 % отказов оборудования, особенно
контактирующего с абразивом, вызвано износом рабочих поверхностей, при
этом величина износа в большинстве случаев не превышает 0,3–1,0 мм.
Условия работы деталей машин и оборудования нефтяной и газовой
отрасли характеризуются высокими механическими и тепловыми нагрузками, наличием агрессивных сред, присутствием в зоне контакта рабочих
поверхностей абразивных частиц или непосредственным контактом с высокотвердыми горными породами и грунтами. Это определяет необходимость использования для изготовления активно изнашивающихся деталей
высоколегированных высокопрочных сталей и сплавов. Высокий уровень
прочностных свойств указанных материалов, а также возможность получения ряда специальных свойств, таких, как коррозионная стойкость или
жаростойкость, определяют несомненную актуальность вопросов использования существующих и разработки новых специальных износостойких
материалов.
В то же время небольшая величина предельного износа, характерная
для большинства деталей нефтегазового оборудования, делает в ряде случаев применение дорогостоящих высоколегированных сплавов для изготовления деталей экономически неэффективным. Значительный интерес для
решения проблемы повышения износостойкости и продления срока службы
оборудования представляет использование прогрессивных методов поверхностного упрочнения, позволяющих получить на деталях, изготовленных
из конструкционных сталей, поверхностные слои, обладающие требуемым
уровнем износостойких свойств. К таким технологиям относятся методы
поверхностной закалки, химико-термической обработки и поверхностного
пластического деформирования, подробно представленные в учебном пособии. Для каждой из перечисленных технологий упрочнения рассмотрены
основные характеристики физических процессов, протекающих в поверхностном слое при их реализации, особенности фазовых и структурных превращений, обеспечивающие повышение износостойкости поверхностного
слоя, влияние технологических параметров процесса упрочнения на достижение требуемого качества изготовления детали в целом.

Введение

Учебное пособие написано на основе результатов многочисленных исследований, выполненных в Российском государственном университете
(РГУ) нефти и газа им. И. М. Губкина и опыта преподавания дисциплины
«Технологические методы восстановления и повышения износостойкости
деталей машин». Использованы результаты отечественных и зарубежных
исследований в этой области.
Особенностью данного учебного пособия является сочетание в нем материалов по теоретической и практической подготовке студентов.

Гл ава 1
Виды изнашивания поверхностей
и их особенности

Одной из наиболее часто встречающихся причин выхода из строя оборудования является износ. И хотя потеря массы детали или узла в результате
износа по отношению к их первоначальной массе весьма мала, из строя
выходит весь механизм. Так, легковой автомобиль имеет в среднем массу
около 1 т, но если в результате износа она уменьшится на 1 кг, то машина уже не подлежит ремонту [46]. Отсюда вытекает важнейшее значение
правильного определения условий изнашивания деталей и узлов и выбора
метода их упрочнения.

1.1. Классификация видов изнашивания

Основные определения

Согласно ГОСТ 27674 изнашивание — это процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров
и (или) формы тела. Изнашивание является сложным процессом, зависящим от двух взаимосвязанных групп факторов. С одной стороны, процесс
изнашивания определяется условиями работы детали с учетом приложенных нагрузок, скорости перемещения, агрессивности среды и температуры
эксплуатации, с другой стороны, он зависит также от способности металла
детали противостоять действию изнашивающих нагрузок, что определяется
его химическим составом, термической обработкой, структурой и полученными в результате этого механическими свойствами.
Возникающие в процессе изнашивания изменения размеров, формы,
объема или массы детали называются износом. Износ может быть линейным или весовым, возникать в результате одноактного срезания материала или формироваться в процессе многократного передеформирования
поверхностного слоя. При изнашивании разрушение материала чаще всего наблюдается непосредственно на поверхности детали, хотя при наличии усталостного воздействия может начинаться под поверхностью детали,
ухудшая стойкость контактного слоя. Величиной, обратной износу, является
износостойкость материала. Под износостойкостью материала понимают
такое сочетание его свойств, которое позволяет оказывать сопротивление
действию изнашивающих нагрузок в определенных условиях нагружения
в течение заданного времени.
Изнашивание представляет собой процесс разрушения поверхностного
слоя материала деталей, вызывающий постепенное снижение и в конечном

Глава 1. Виды изнашивания поверхностей и их особенности

итоге полную потерю работоспособности деталей. Процесс изнашивания
детали, как правило, неоднозначен и зависит от большого числа факторов.
Условия работы большинства деталей определяют наличие сразу нескольких видов изнашивания, одни из которых приводят непосредственно к разрушению поверхностного слоя, а другие, не вызывая непосредственного
отделения частиц материала, тем не менее способствуют ускорению данного процесса.
В связи с этим при разработке технологии упрочнения детали, подвергающейся активному износу, определяющее значение имеет правильное
выявление того изнашивающего воздействия, которое играет ведущую роль
в разрушении ее поверхности. Анализ основных характеристик процесса
изнашивания детали, подлежащей упрочнению, может рассматриваться как
первый этап при разработке технологии повышения ее износостойкости.
Систематизация условий работы, приводящих к износу деталей, позволила классифицировать различные виды изнашивающего воздействия
по трем группам (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Классификация видов изнашивания

Первая группа объединяет разновидности механического изнашивания,
заключающегося в разрушении поверхностного слоя в результате механического взаимодействия с абразивом, газовой или жидкостной средой или
контактирующей деталью. Для деталей и узлов нефтегазового оборудования
наиболее характерным и агрессивным видом является изнашивание в присутствии абразива.
Вторая группа включает коррозионно-механическое изнашивание, возникающее в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрохимическим взаимодействием материала детали
с внешней средой.