Технологический процесс восстановления изношенных деталей машин методами газотермического напыления

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
 
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
 
Е.А. ЗВЕРЕВ 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС 
ВОССТАНОВЛЕНИЯ 
ИЗНОШЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 
МЕТОДАМИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО  
НАПЫЛЕНИЯ 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

 

УДК 621.793.71(075.8) 
         З-433 

Рецензенты: 

канд. техн. наук, доцент В.Ю. Скиба 
канд. техн. наук, доцент Е.Е. Корниенко 

Работа подготовлена кафедрой проектирования технологических 
машин и утверждена Редакционно-издательским советом 
университета в качестве учебно-методического пособия 

Зверев Е.А. 
З-433 
  
Технологический процесс восстановления изношенных деталей машин методами газотермического напыления: учебно-методическое пособие / 
Е.А. Зверев. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 64 с. 
ISBN 978-5-7782-4059-9 
Учебно-методическое пособие посвящено технологии восстановления изношенных деталей производственного оборудования газотермическим напылением 
покрытий, включая газопламенный, электродуговой, детонационный и плазменный 
метод. В работе подробно описаны этапы предварительной обработки поверхности 
детали, нанесения покрытия и финишной обработки поверхности покрытия. 
Адресовано студентам дневной формы, обучающимся по направлениям подготовки 
15.03.02 – «Технологические машины и оборудование» и 15.03.04 – «Автоматизация 
технологических процессов и производств», для выполнения расчетно-графического задания по дисциплине «Надежность и диагностика технологических систем». 

УДК 621.793.71(075.8) 

Зверев Егор Александрович 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗНОШЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ 
МАШИН МЕТОДАМИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ 

Учебно-методическое пособие 

Редактор И.Л. Кескевич 
Выпускающий редактор И.П. Брованова 
Корректор И.Е. Семенова 
Дизайн обложки А.В. Ладыжская 
Компьютерная верстка Л.А. Веселовская 
 
Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции 
Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП) 
___________________________________________________________________________________ 
Подписано в печать  10.12.2019. Формат 60 × 84  1/16. Бумага офсетная. Тираж  50   экз. 
Уч.-изд. л.  3,72.   Печ. л.  4,0.   Изд. №  254.  Заказ №  138.  Цена договорная 
___________________________________________________________________________________ 
Отпечатано в типографии 
Новосибирского государственного технического университета 
630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 

ISBN 978-5-7782-4059-9  
 
 
 
 
 
 
© Зверев Е.А., 2019 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2019 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В настоящее время в промышленности наблюдается развитие технологий, связанных с нанесением различных по функциональному назначению покрытий на рабочие поверхности деталей машин. Но особое место 
среди них занимают покрытия, обеспечивающие высокий уровень износостойкости. Это объясняется тем, что совершенствование машин и оборудования неизбежно сопровождается ужесточением условий их эксплуатации. Из-за тяжелых режимов нагружения детали механизмов часто выходят из строя по причине износа рабочих поверхностей. Поэтому возникает потребность в повышении физико-механических свойств конструкционных материалов. Однако из-за высокой стоимости легирующих элементов использовать дорогие марки сталей с экономической точки зрения все более и более нерационально. Кроме того, при использовании 
термической обработки возрастает не только прочность, твердость и износостойкость металла, но одновременно и вероятность хрупкого разрушения материала деталей. Сочетание покрытия, обладающего высоким 
уровнем физико-механических и эксплуатационных свойств, с пластичной, вязкой и трещиностойкой основой (что присуще недорогим маркам 
сталей) становится наиболее перспективным направлением, поскольку 
дает наибольший экономический эффект. Кроме того, возникает необходимость в восстановлении изношенных деталей. 
Среди большого количества методов (химических, гальванических 
и физических) нанесения износостойких покрытий широкое распространение получили методы газотермического напыления. 

Газотермическое напыление основано на нагреве и ускорении ча
стиц порошка напыляемого материала высокотемпературной газовой 
струей и осаждении их на поверхность [28]. В зависимости от источника 
теплоты различают следующие методы газотермического напыления 
покрытий: газопламенное, электродуговое, детонационное и плазменное. Благодаря своей универсальности методы напыления позволяют 
обрабатывать детали различной формы и габаритов. В зависимости от 

напыляемого материала можно получать различные свойства износостойких покрытий. Толщина слоя покрытия составляет 0,5…1,5 мм. 
В настоящее время выполнено большое число научно-исследовательских работ, направленных на повышение ресурса работы различных деталей с помощью покрытий [5, 6, 8, 19, 25, 29, 30, 32]. В зависимости от метода напыления и используемого материала можно увеличить ресурс работы изделий в 2…10 раз. 

В работе [33] приведена обобщенная классификация примеров эф
фективного использования газотермического напыления покрытий для 
повышения ресурса работы тяжело нагруженных рабочих органов и деталей технологического оборудования, используемого в различных отраслях промышленности. В ней также дается краткое описание в виде 
схематичного изображения работы оборудования, условий изнашивания, вида изнашивания и номенклатуры деталей, подвергающихся интенсивному разрушению. Покрытия имеют очень широкую область 
применения. Так, например, они используются для упрочнения деталей, 
работающих в условиях абразивного изнашивания: рабочие органы почвообрабатывающих машин (лемехи плугов, лапы культиваторов, диски 
борон). Слой покрытия способен работать при ударно-абразивном изнашивании (детали молотковых дробилок, шаровых мельниц). Напыленные детали могут также противостоять усталостному разрушению, которое происходит в узлах трения (посадочные места под подшипник). 
Практика показывает, что в большинстве случаев газотермическое 
напыление экономически эффективно. Методы напыления позволяют 
устранить дефекты износа деталей машин и при этом повысить эксплуатационно-технические характеристики поверхностного слоя. Как правило, стоимость процесса восстановления существенно ниже стоимости 
изготовления новой детали, а сроки восстановления короче сроков изготовления новой. 
В целом качество напыленных покрытий является сложной комплексной характеристикой, зависящей от множества факторов технологического процесса, и формируется последовательно на этапах предварительной обработки поверхности, нанесения покрытия и финишной 
обработки поверхности покрытия. 

В значительной степени качество деталей определяется стадией фи
нишной обработки. Самые распространенные способы финишной обработки износостойких покрытий – это точение и шлифование, которые 
обеспечивают возможность высококачественной обработки покрытий с 
высоким уровнем твердости. 

Для достижения необходимого уровня надежности восстанавливае
мых деталей необходимо получить соответствующий уровень качественных характеристик покрытий на каждом этапе технологического 
процесса восстановления за счет выбора рациональных режимов обработки. 

Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для студен
тов механико-технологического факультета, обучающихся по направлениям 15.03.02 – «Технологические машины и оборудование», 15.03.04 – 
«Автоматизация технологических процессов и производств», при изучении дисциплины «Надежность и диагностика технологических систем». 
В данной работе также представлены методические указания к выполнению расчетно-графического задания, связанного с тематикой дисциплины. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1. СПЕЦИФИКА ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 

Изнашивание деталей и пар трения – основная причина нарушения 
работоспособности машин и технологического оборудования. Пара трения – совокупность двух подвижно сопряженных поверхностей деталей 
узлов и механизмов. Возможен износ поверхностей деталей, не входящих в состав пар трения, например при относительном микросмещении 
соприкасающихся поверхностей неподвижных соединений. 

Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала поверхностного слоя твердого тела или накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров 
и формы тела [1]. 
Физическая сущность процесса изнашивания заключается в том, что 
при относительном перемещении двух поверхностей в области их контакта возникают механические и молекулярные связи, сопровождающиеся тепловыми, окислительными и другими эффектами. Эти связи и их 
разрыв приводят в конечном счете к разрушению микрообъемов поверхностного слоя и их удалению – изнашиванию. Результат изнашивания, выраженный в определенных единицах измерения (длина, объем, 
масса), называют износом. Для количественного описания процесса используют следующие основные показатели [10]: 
1) интенсивность изнашивания – отношение величины износа детали к пути трения; 
2) скорость изнашивания – отношение величины износа детали ко 
времени, в течение которого происходило изнашивание; 
3) износостойкость оценивают величиной, обратной интенсивности или скорости изнашивания. 
Современное представление о природе изнашивания основывается 
на общепризнанном факте дискретности контакта тел. Дискретный характер касания, наличие большого числа пятен контакта есть следствие 

того, что реальные поверхности деталей машин после окончательной 
механической обработки, как известно, обладают сложным рельефом, 
который характеризуется шероховатостью и волнистостью. Фактическая площадь соприкосновения металлических поверхностей при умеренных контактных давлениях составляет всего лишь 0,1…1,0 % от номинальной (идеальной) площади. И даже при высоких нагрузках эффективная площадь контакта не превышает 40 % [1, 2]. 
В процессе изнашивания исходный (технологический) рельеф постепенно преобразуется в эксплуатационный (рис. 1). 

 
                              а                                                                      б 

Рис. 1. Схема преобразования рельефа поверхности: 

а – исходный; б – эксплуатационный 

Изнашивание включает ряд физико-химических процессов: 
 снятие тончайших слоев металла (микрорезание); 
 смятие отдельных микронеровностей (упругопластическая и 
упругая деформация); 
 усталостное выкрашивание микронеровностей в результате многократного упругого их деформирования; 
 изменение структуры металла, повышение его хрупкости при 
нагрузках, вызывающих высокие локальные температуры; 
 молекулярное взаимодействие поверхностей: сращивание отдельных участков контакта микронеровностей, перенос частичек металла с 
одной поверхности на сопрягаемую и другие процессы. 

1.1. ВИДЫ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ 

В настоящее время за наиболее приемлемые для практического использования виды изнашивания можно принять следующие: 
1) механическое; 2) молекулярно-механическое; 3) коррозионно-механическое [31]. 

Механическое изнашивание происходит только в результате механических взаимодействий материалов контактируемых деталей.  

Оно подразделяется на абразивное, усталостное, вследствие пластического деформирования – кавитационное и эрозионное. 
Абразивное изнашивание – наиболее распространенный вид изнашивания. Оно обусловлено наличием на контактной поверхности абразивных частиц, образовавшихся при разрушении микрообъемов трущихся 
поверхностей, а также попавших извне (с воздухом или маслом). Абразивный износ возможен и в тех случаях, когда твердые составляющие 
одного из тел оказывают режущее или царапающее воздействие на другое тело. Этому виду изнашивания подвержено большинство деталей 
машин и оборудования. 
Усталостное изнашивание (контактная усталость) проявляется в 
виде местного выкрашивания на криволинейных поверхностях сопряженных деталей, перекатывающихся под нагрузкой с проскальзыванием или без него. В результате действия циклических контактных 
напряжений на поверхности детали возникают микротрещины, их развитие приводит к отделению от поверхности частиц металла и появлению ямок и раковин. Усталостное разрушение (питтинг) характерно для 
подшипников, зубчатых колес, кулачков и других деталей. 
При изнашивании вследствие пластического деформирования 
наблюдается изменение макрогеометрических размеров детали без потери массы под воздействием передаваемой нагрузки или под влиянием 
сил трения. Пластическое деформирование протекает постепенно и сопровождается уплотнением поверхностных слоев (наклепом). Такому 
износу подвержены, например, резьбовые, шпоночные и шлицевые соединения и вкладыши подшипников. 
Кавитационное изнашивание (кавитационная эрозия) возникает в 
том случае, когда в процессе движения потока жидкости вблизи поверхности детали образуются, а потом разрушаются пузырьки газа. В результате разрушения пузырьков возникают локальные гидравлические 
удары большой силы и повторяемости с образованием каверн (полостей). Такому износу подвергаются насосы, распределители, клапаны и 
другие гидроагрегаты. 
Эрозионное изнашивание – процесс изменения размеров детали при 
динамическом воздействии на материал механических частиц. Механические частицы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. 
В зависимости от этого различают абразивную, кавитационную и газовую эрозию. 

Молекулярно-механическое изнашивание – это следствие молекулярного взаимодействия поверхностей. Характерными признаками 

его протекания являются схватывания, задиры и перенос частичек металла с одной контактируемой поверхности на другую. Типичные примеры – задиры стенок цилиндров, кулачков распределительных валов, 
заклинивание опор валов. Часто в литературе этот вид изнашивания носит название адгезионного износа. 

Коррозионно-механическое изнашивание возникает при сочетании коррозии и механического изнашивания. Подразделяется на окислительное и фриттинг-коррозию. 
При окислительном изнашивании кислород воздуха (или растворенный в масле) образует на поверхности металла окисную пленку, которая 
при трении механически удаляется. Затем процесс повторяется, в него 
вступают новые, расположенные ниже по глубине, слои металла. Процесс изнашивания ускоряется, поскольку окисные пленки, как правило, 
малостойки. 
Изнашивание при фреттинг-коррозии есть следствие вибраций соединений или периодических деформаций деталей. На участках, поврежденных фреттинг-коррозией, образуются окисные пленки, которые 
при разрушении играют роль абразивных частиц при относительных перемещениях деталей и не удаляются за пределы области трения. 
Разумеется, что каждый из перечисленных выше видов изнашивания 
в практике эксплуатации машин и оборудования редко встречается в чистом виде – чаще всего они протекают комплексно. 
Изнашивание механизмов машин и оборудования при прочих равных условиях, как известно, является стадийным процессом, который 
подразделяется на три периода (рис. 2). 
 

τ1 
τ2 
τ3 

Интенсивность 
изнашивания 

Время изнашивания 
 
Рис. 2. Кривая изнашивания деталей машин 

В начальный период τ1 протекает микро- и макрогеометрическая 
приработка контактируемых поверхностей деталей, в результате чего 
показатели их технического состояния постепенно стабилизируются. 
Происходит разрушение микронеровностей трущихся поверхностей и 
образование равновесной шероховатости. На этом этапе интенсивность 
изнашивания монотонно падает до значения, характерного для второго 
периода 
2
 , – установившееся (нормальное) изнашивание. Затем неизбежно наступает последний, третий, период – катастрофический (аварийный) износ и резкое уменьшение размеров сечения деталей. При 
этом возникают ударные нагрузки, биения, изменение теплового режима и условий смазки подвижных соединений. Эти факторы и приводят в конечном итоге к потере работоспособности механизмов. 

1.2. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, 
ВЛИЯЮЩИЕ НА ИЗНОС ДЕТАЛЕЙ 

На интенсивность изнашивания элементов кинематической пары в 
значительной мере влияют следующие факторы: 1) качество материала; 
2) качество обработки поверхностей; 3) смазка; 4) скорость движения; 
5) нарушение посадок; 6) нарушение взаимоположения деталей в соединениях. 

Качество материала деталей и его термическая обработка оказывают большое влияние на их прочность и износостойкость. 
Для большинства материалов износостойкость выше, чем больше 
поверхностная твердость. Материалы, обладающие только большой 
твердостью, имеют высокую износостойкость, однако им свойственно 
хрупкое разрушение, которое вызывает появление рисок, отрыва частиц 
материала от поверхности. Для предотвращения таких дефектов необходимо повышать вязкость, которая препятствует отрыву частиц. 
Если детали из однородных материалов испытывают взаимное трение, то вследствие большого коэффициента трения они быстро изнашиваются. Следовательно, более дорогие и трудоемкие детали нужно изготовлять из более качественного и износостойкого материала, а более 
простые и дешевые нужно изготовлять из сравнительно мягкого материала с малым коэффициентом трения. 
Стоит также отметить, что применение композиции покрытие–основа позволяет обеспечить рациональное соотношение твердости поверхности и необходимой пластичности основы, а также дает возможность существенно экономить на стоимости материала.