Инженерия поверхности упрочненных деталей

ИНЖЕНЕРИЯ 
ПОВЕРХНОСТИ 
УПРОЧНЕННЫХ 

ДЕТАЛЕЙ

О.А. ШАРАЯ, А.Г. ПАСТУХОВ,

И.Н. КРАВЧЕНКО

МОНОГРАФИЯ

Москва 
ИНФРА-М 

202

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, 2024. — 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 поверхност-

ных 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 обра-

ботки 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 научно-
исследовательские 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.