Основы инженерии поверхностей трения

 
 
Ю. А. Харламов, Д. А. Вишневский, Н. А. Бондарь 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ 
ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ 
ТРЕНИЯ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва      Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022

УДК 621.7:620.178 
ББК 34.4 
Х21 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор кафедры механического оборудования  
заводов черной металлургии им. проф. В. Я. Седуша  
(ГОУ ВО «Донецкий национальный технический университет»)  
А. Л. Сотников; 
кафедра художественного и промышленного литья  
ГОУ ВО ЛНР «Луганский государственный университет 
имени Владимира Даля» 
 
 
 
Харламов, Ю. А. 
Х21  
Основы инженерии поверхностей трения : учебное пособие / 
Ю. А. Харламов, Д. А. Вишневский, Н. А. Бондарь. - Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2022. - 288 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1107-3 
 
Комплексно рассматривается инженерия поверхности деталей машин. 
Подробно изложены основные показатели качества поверхностного слоя деталей машин. Представлены способы осаждения покрытий и модифицирования 
поверхностного слоя и их последующей механической обработки, на которой 
формируются окончательные параметры качества поверхностных слоев. 
Для студентов и магистров направлений «Прикладная механика» и «Отраслевое машиностроение».  
 
 
УДК 621.7:620.178 
 
ББК 34.4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1107-3 
” Харламов Ю. А., Вишневский Д. А., Бондарь Н. А., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 6 
1. КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН .............. 8 
1.1. Поверхности деталей машин 
........................................................................... 9 
1.2. Геометрия поверхности ................................................................................. 10 
1.2.1. Текстура поверхности 
......................................................................... 10 
1.2.2. Отклонение формы ............................................................................. 11 
1.2.3. Шероховатость поверхности ............................................................. 11 
1.2.4. 3D-параметры микротопографии поверхностей 
.............................. 13 
1.2.5. Волнистость поверхности .................................................................. 16 
1.2.6. Дефекты поверхности 
......................................................................... 16 
1.3. Физико-химическое состояние поверхностного слоя ................................ 18 
1.4. Комплексные параметры качества поверхностного слоя .......................... 21 
1.5. Разрушение поверхностей деталей машин при трении 
.............................. 23 
1.6. Выбор и назначение параметров качества  
поверхностного слоя деталей машин .................................................................. 29 
2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 
.............................. 31 
2.1. Инженерия поверхности и ее составные части 
........................................... 31 
2.2. Технологические методы инженерии поверхности 
.................................... 39 
2.3. Инженерия поверхности деталей на этапах жизненного цикла 
................ 39 
3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ  
НА ЭТАПАХ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И РАЗМЕРНОЙ  
ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ 
....................................................................................... 44 
3.1. Технологическая наследственность при формировании  
качества поверхностного слоя деталей ............................................................... 43 
3.2. Формирование поверхностного слоя на заготовительных  
операциях ............................................................................................................... 46 
3.3. Виды размерной обработки 
........................................................................... 48 
3.4. Лезвийные методы обработки....................................................................... 49 
3.5. Методы алмазно-абразивной обработки 
...................................................... 54 
3.6. Обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД) ...... 60 
3.6.1. Сущность и классификация методов упрочнения  
поверхностным пластическим деформированием 
..................................... 60 
3.6.2. Материалы инструментов для обработки ППД ............................... 63 
3.6.3. Обработка обкатыванием и раскатыванием 
..................................... 66 
3.6.4. Обработка выглаживанием ................................................................ 69 
3.6.5. Прочие способы обработки ППД ...................................................... 76 
3.6.6. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя  
при обработке поверхностным пластическим деформированием 
........... 89 
3.7. Электрофизическая и электрохимическая обработка ................................ 95 
4. МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ .......................... 100 
4.1. Физические основы модификации поверхностных слоев ....................... 100 
3 
 

4.2. Способы термической и химико-термической обработки 
....................... 102 
4.3. Способы поверхностного упрочнения высококонцентрированными  
источниками энергии .......................................................................................... 107 
4.4. Поверхностное упрочнение металлов концентрированными  
потоками энергии ................................................................................................ 109 
4.5. Плазменная закалка 
...................................................................................... 113 
4.5.1. Способы плазменной закалки .......................................................... 113 
4.5.2. Основы плазменного упрочнения конструкционных  
материалов ................................................................................................... 119 
4.5.3. Плазменная закалка углеродистых сталей ..................................... 121 
4.5.4. Плазменная закалка легированных сталей 
..................................... 122 
4.5.5. Плазменная закалка чугуна 
.............................................................. 124 
4.6. Примеры применения плазменной закалки 
............................................... 126 
4.6.1. Плазменная закалка прокатных валков .......................................... 126 
4.6.2. Плазменная закалка привалковой арматуры и других  
деталей технологического оборудования 
................................................. 130 
4.6.3. Плазменная закалка малогабаритных  
и тонкостенных деталей ............................................................................. 129 
4.6.4. Закалка зубчатых, шлицевых и иных поверхностей ..................... 130 
4.7. Прочие методы модифицирования 
............................................................. 132 
4.7.1. Лазерная обработка 
........................................................................... 132 
4.7.2. Электронно-лучевая обработка ....................................................... 136 
4.7.3. Ионно-лучевая обработка 
................................................................. 138 
5. НАНЕСЕНИЕ ЗАЩИТНЫХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ  
ПОКРЫТИЙ 
........................................................................................................... 140 
5.1. Газотермическое напыление покрытий ..................................................... 140 
5.1.1. Способы газотермического напыления .......................................... 140 
5.1.2. Основные виды газотермических покрытий 
.................................. 148 
5.2. Вакуумное осаждение покрытий ................................................................ 156 
5.3. Гальванические покрытия ........................................................................... 158 
5.4. Химическое осаждение покрытий из растворов ....................................... 161 
5.5. Электроискровое легирование .................................................................... 162 
5.6. Химическое осаждение покрытий из паровой фазы ................................ 163 
6. НАПЛАВКА 
........................................................................................................ 164 
6.1. Сущность и классификация способов наплавки 
....................................... 164 
6.2. Электродуговая наплавка ............................................................................ 169 
6.3. Электрошлаковая наплавка ......................................................................... 186 
6.4. Индукционная наплавка .............................................................................. 193 
6.5. Плазменная наплавка ................................................................................... 196 
6.6. Лазерная и гибридная наплавка 
.................................................................. 197 
6.7. Газовая наплавка .......................................................................................... 201 
6.8. Печная наплавка ........................................................................................... 201 
4 
 

6.9. Механотермическое формирование поверхностей трения  
(наплавка трением) ............................................................................................ 203 
6.10. Электроконтактная наплавка .................................................................... 205 
6.11. Наплавка трением с перемешиванием ..................................................... 206 
6.12. Материалы для наплавки 
........................................................................... 207 
6.13. Дефекты наплавленного металла 
.............................................................. 214 
6.14. Механическая обработка и контроль качества наплавленных  
деталей ................................................................................................................ 222 
7. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОКРЫТИЙ ....................................... 226 
7.1. Методы и особенности обработки покрытий 
............................................ 226 
7.2. Особенности разработки технологий механической  
обработки покрытий............................................................................................ 227 
7.3. Температурные закономерности точения покрытий 
................................ 233 
7.4. Износ и стойкость инструмента при обработке  
напыленных покрытий 
........................................................................................ 234 
7.5. Примеры обработки деталей с покрытиями 
.............................................. 238 
7.6. Алмазно-абразивная обработка газотермических покрытий .................. 243 
7.6.1. Абразивный инструмент для шлифования покрытий 
................... 243 
7.6.2. Дефекты при шлифовании покрытий ............................................. 246 
7.6.3. Шлифование газотермических покрытий ...................................... 248 
7.6.4. Ленточное шлифование покрытий .................................................. 252 
7.6.5. Обработка покрытий эластичным инструментом ......................... 254 
7.6.6. Хонингование и суперфиниширование покрытий ........................ 256 
7.6.7. Притирка деталей с покрытиями 
..................................................... 257 
7.6.8. Обработка покрытий свободным абразивом 
.................................. 257 
7.6.9. Абразивная обработка гальванических покрытий ........................ 258 
7.6.10. Абразивная обработка наплавленных покрытий 
......................... 262 
7.6.11. Шлифование диффузионных покрытий ....................................... 265 
7.7. Обработка покрытий методами ППД 
......................................................... 266 
7.8. Комбинированные методы обработки покрытий ..................................... 269 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................. 272 
5 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Современный этап развития техники предъявляет повышенные требования к 
эксплуатационным характеристикам деталей. Различные узлы и детали машин, 
металлорежущие инструменты, металлические элементы конструкций работают в условиях повышенного трения, больших удельных нагрузок, высоких температур, широкого диапазона скоростей, воздействия агрессивных сред и т. д. 
Зачастую имеет место одновременное воздействие нескольких факторов. Все 
разрушения деталей машин (контактные, износные, коррозионные, прочностные) начинаются с поверхности. Поэтому в настоящее время остро стоит проблема повышения долговечности рабочих поверхностных слоев изделий и 
прежде всего обладающих ограниченным ресурсом вследствие изнашивания. 
Рабочие поверхности деталей должны не только удовлетворять определенным требованиям по шероховатости, проставленной на чертеже, но и их поверхностные слои должны иметь определенный набор физико-химических и 
механических свойств, обеспечивающих заданные эксплуатационные показатели. Эти характеристики напрямую зависят от структуры и химического состава 
поверхностного слоя изделия. Современный этап развития технологии машиностроения связан с разработкой и внедрением инновационных технологий модификации поверхностного слоя на финишных операциях изготовления, обеспечивающих получение сочетания структуры и состава, повышающих эксплуатационные показатели изделий [1, 2]. 
Все более широкое применение в современном машиностроении находят 
новые конструкционные материалы, разрабатываемые для специальных применений. Однако при этом непрерывно растет спрос на защитные и функциональные покрытия деталей машин. Это связано с растущими требованиями к деталям: - улучшение функциональных характеристик, например, рабочей температуры, при использовании теплозащитных покрытий; - увеличение срока службы деталей за счет использования покрытий, обладающих более высокой стойкостью к износу, эрозии и коррозии; - увеличение жизненного цикла деталей 
путем восстановления изношенных поверхностей; - замена основного материала детали на более дешевые или с более приемлемыми физическими и технологическими свойствами, например, на легкие сплавы. 
Известно много способов осаждения пленок и покрытий, модифицирования 
поверхностных слоев, а также их комбинаций, применяемых как в производстве, так и на стадии разработки и лабораторных исследований. Каждый из этих 
способов обладает определенными преимуществами и ограничениями. 
Обеспечение надлежащего качества и надежности рабочих поверхностей деталей следует рассматривать на всех этапах их жизненного цикла. Все операции 
и их технологические переходы взаимосвязаны, конечные характеристики деталей с покрытиями формируются всем комплексом технологических воздействий и изменяются при эксплуатации машины и ее техническом обслуживании. Поэтому в данном учебном пособии рассмотрены все основные способы 
формирования поверхностных слоев деталей с заданными свойствами. 
6 
 

В главе 1 дана общая характеристика качества поверхностного слоя деталей - даны представления о науке, о поверхности твердых тел, рассмотрены 
основные геометрические параметры поверхностей - текстура, макроотклонения геометрической формы, волнистость и шероховатость. Особое внимание 
уделено использованию 3D-параметров микротопографии поверхности. Описаны возможные дефекты поверхностей деталей. Рассмотрены физико-химическое состояние поверхностного слоя и комплексные параметры качества поверхностного слоя и их роль в жизненном цикле деталей. 
Глава 2 посвящена краткому анализу развития инженерии поверхности и ее 
составных частей, классификации технологических методов инженерии поверхности и ее роли на этапах жизненного цикла деталей и машин. 
Формирование качества поверхностного слоя в соответствии с теорией технологической наследственности начинается на этапах формообразования и 
размерной обработки деталей. Этому этапу посвящена глава 3, в которой рассмотрено формирование поверхностного слоя на операциях получения заготовок деталей, а также их размерной обработки при обработке резанием. Отдельно рассмотрено технологическое обеспечение качества поверхностного слоя 
при обработке поверхностным пластическим деформированием и электрофизическими и электрохимическими методами обработки. 
В инженерии поверхности важную роль играют методы модифицирования 
поверхностных слоев (ПС) деталей и инструментов, поскольку в отличие от 
нанесения покрытий здесь отсутствуют конструкторско-технологические проблемы обеспечения прочного сцепления упрочняющего слоя с основным материалом детали. Основные технологические методы модифицирования рассмотрены в главе 4. 
Основные технологии нанесения защитных и функциональных покрытий 
описаны в главе 5, к которым отнесены методы газотермического напыления 
покрытий, способы вакуумного осаждения покрытий, гальваническое и химическое осаждение покрытий, электроискровое легирование. 
Глава 6 посвящена рассмотрению процессов нанесения функциональных и 
восстановительных покрытий и слоев методами наплавки, в настоящее время 
являющиеся наиболее распространенными. Классификация способов наплавки 
рассматривается с учетом используемых источников энергии, а также по техническим признакам. Рассмотрена сущность и особенности процессов наплавки: 
электродуговой, электрошлаковой, индукционной, плазменной, лазерной и гибридной, газовой, печной и др. Описаны особенности механической обработки 
и контроля качества наплавленных деталей. Описаны примеры практического 
применения промышленных процессов наплавки деталей. 
Окончательное формирование структуры и свойств покрытий происходит на 
операциях их механической обработки, рассматриваемых в главе 7. Механическая обработка деталей с покрытиями сопровождается высокими силами, температурами в зоне резания, интенсивным изнашиванием режущего инструмента, при этом существенно затруднено формирование состояния поверхностного 
7 
 

слоя деталей, обеспечивающего их повышенную работоспособность в эксплуатации. Низкая обрабатываемость резанием покрытий является следствием неоднородной структуры и нестабильных механических свойств, большой истирающей способности карбидных и боридных включений, склонности к адгезии 
с материалом инструмента и ряда других факторов. В книге рассмотрены особенности обработки покрытий лезвийным и абразивным инструментом. Применение перспективных технологий, таких как точение инструментами, оснащенными твердыми сплавами и ПСТМ, гибридных технологий - обработки 
вращающимся инструментом, с предварительным нагревом срезаемого слоя, с 
наложением на инструмент высокочастотных колебаний, позволяют обеспечить 
высокую производительность процесса формообразования деталей с упрочненными рабочими поверхностями, достичь значительного повышения стойкости 
инструмента, обеспечить необходимую точность деталей и требуемое качество 
поверхностей, расширить номенклатуру функциональных материалов и повысить долговечность изделий. 
Данное учебное пособие восполняет пробел в отсутствии литературы, комплексно описывающей основы инженерии поверхности и предназначено для 
студентов и магистрантов машиностроительных специальностей, а также может 
быть полезно для научных и инженерно-технических работников машиностроительных отраслей промышленности и ремонтного производства. 
1. КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 
Строение и свойства поверхностей деталей, образующихся при обработке, 
оказывают значительное влияние на надежность и долговечность машин и других изделий [1,2]. Изменения в строении и свойствах поверхности могут быть 
связаны с механическими, металлургическими, химическими и другими факторами. Эти изменения, хотя и ограничены тонкими поверхностными слоями, 
определяют качество изделий или могут, в некоторых случаях, сделать поверхность недостаточно функциональной. Понимание основных изменений в состоянии и свойствах поверхности необходимы для обеспечения требуемого качества изделий. Параметры качества поверхностного слоя (КПС) определяют 
условия эксплуатации, в которых могут использоваться детали. Способы финишной обработки поверхности, физико-механические свойства поверхностного слоя (ПС), влияние комплекса параметров шероховатости поверхности, остаточные напряжения, деформационное упрочнение, структурно-фазовые превращения и пр. определяют эксплуатационные характеристики изготавливаемых деталей, такие как, например, износостойкость, усталостная прочность и 
коррозия под напряжением. 
8 
 

1.1. Поверхности деталей машин 
Работоспособность деталей машин во многом определяется свойствами материалов, из которых они изготовлены. В основном, эти свойства являются 
объемными, но для ряда деталей важную роль играют свойства поверхности и 
приповерхностного слоя. Это особенно касается деталей, работающих в условиях трения и изнашивания. Причем поверхности трения одновременно могут 
выполнять и другие функции. Поведение материала и работоспособность изготовленных из него деталей зависят от состояния поверхностей, площади контакта с окружающей средой и взаимного контакта сопрягаемых деталей. 
Поверхность может быть описана в простых терминах как внешний слой 
объекта. Поверхность раздела может быть определена как переходный слой 
между двумя или более объектами, которые различаются либо химически, либо 
физически, или в обоих аспектах. В науке о поверхности поверхность или поверхность раздела определяют как существующую в любой системе, которая 
имеет внезапное изменение системных свойств, таких как плотность, кристаллическая структура, химический состав и пр. Поверхности и поверхности раздела могут быть тщательно исследованы с использованием микроскопии высокого разрешения, доступных физических и химических методов. Для их реализации разработано и используется большое количество простых и очень сложных испытательных приборов и устройств. 
Наука о поверхности может быть определена как отрасль науки, имеющая 
дело с любым типом и любым уровнем взаимодействия поверхности и поверхности раздела между двумя или более объектами [3, 4]. Эти взаимодействия могут быть физическими, химическими, электрическими, механическими, термическими, биологическими и др. 
Термин «наука о поверхности» стал широко использоваться в начале 1960-х 
годов. Он объединяет такие научные направления, как физика и химия поверхности твердого тела, топография поверхности, механика и физика процессов на 
поверхности и в контакте твердых тел и др. Научные представления о поверхности используются в трибологии, теории прочности твердых тел, при изучении поверхностных явлений - адгезии, адсорбции, формирования поверхностных пленок, коррозии и др. 
При конструировании деталей назначают параметры качества её функциональных поверхностей, исходя из необходимости обеспечения требуемых эксплуатационных свойств соединения (износостойкость, контактная жёсткость, 
усталостная прочность и др.). Наряду с точностью обработки и физико-механическими свойствами нормируют геометрические параметры: шероховатость, 
волнистость и макроотклонения. Параметры шероховатости поверхности, определяющие эксплуатационные свойства деталей машин, представляют собой 
элементы конечного множества [1, 2, 5-8]. 
0
0
 
, 
, 
, 
, ,
, 
^
, 
, 
, 
, 
, 
,
,
,
`
 
 
K
m
m
н
н
о
s
N
Ra Rz Rp Sm tp r
Wa Wmax Smw Hmax H
U
h s
h
 
 
9 
 

В технической документации из параметров шероховатости задаётся либо 
какой-то один (например, Ra), либо несколько (например Ra, Sm, tp). Фактические значения параметров шероховатости, полученные после той или иной обработки функциональной поверхности детали, являются случайными величинами с соответствующими законами распределения и статистическими характеристиками. 
Поверхностный слой детали можно представить в виде схемы (рис. 1.1). 
Геометрические параметры поверхности определяются технологическим процессом ее обработки и определяются неразрушающими методами контроля.  
 
Рис. 1.1. Схема поверхностного слоя детали: 1 – отклонение формы; 
2 – макронеровности; 3 – волнистость; 4 – шероховатость;  
5 – субшероховатость; 6 – адсорбированная зона; 7 – зона оксидов;  
8 – граничная зона материала; 9 – зона материала с измененными  
физико-химическими свойствами; 10 – основной материал [1] 
Толщина и строение отдельных слоев также зависят от свойств материала и 
методов обработки. Характерными значениями толщин слоев являются: адсорбированные газы и пары воды - 1 нм; оксиды - 10…100 нм; граничная зона 
(слой Бейлби) - 1…100 нм; зона материала с измененными физико-химическими свойствами - 1…100 мкм. 
1.2. Геометрия поверхности 
Наличие неровностей на поверхностях деталей является неизбежным, а часто и необходимым для обеспечения функциональных свойств поверхности. На 
обработанных поверхностях остаются следы практически всех операций технологического процесса. Эти следы и формируют на поверхности детали текстуру, состоящую из неровностей.  
1.2.1. Текстура поверхности 
В соответствии с международным стандартом ИСО 4287:1997 текстура 
поверхности - это повторяющиеся и случайные отклонения от геометрической 
(номинальной) поверхности, которые формируют трехмерную топографию поверхности [6]. Текстура поверхности включает шероховатость, волнистость, 
направление неровностей, изъяны поверхности и отклонение формы в пределах 
ограниченной поверхности. 
10