Технологии упрочнения поверхности конструкционных металлических материалов

В. В. Овчинников, М. А. Гуреева 
ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ  
ПОВЕРХНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ 
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 
Учебник 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 621.791 
ББК 34.641 
О-35 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор Московского государственного 
технического университета гражданской авиации  
Самойленко Василий Михайлович; 
кандидат технических наук, доцент, 
 заместитель директора ООО «Фреон-Сервис»  
Олефиренко Никита Андреевич 
О-35 
Овчинников, В. В. 
Технологии упрочнения поверхности конструкционных металлических материалов : учебник / В. В. Овчинников, М. А. Гуреева. - Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 292 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1733-4 
Изложены основные сведения о методах упрочнения поверхности деталей машин, приводится классификация методов отделочно-упрочняющей обработки. Содержится информация о параметрах состояния поверхностного слоя, структурных несовершенствах в реальных кристаллах, образовании и размножении дислокаций. Приведены сведения об особенностях существующих технологий упрочнения и о технологическом оборудовании для их реализации. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов». Может 
быть полезно специалистам в области сварочного производства. 
УДК 621.791 
ББК 34.641 
ISBN 978-5-9729-1733-4 
” Овчинников В. В., Гуреева М. А., 2024 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Подавляющая часть деталей различных машин и механизмов работает в 
условиях изнашивания и приложения циклических нагрузок, приводящих в итоге 
к разрушению поверхностного слоя. Поэтому актуальной задачей является 
упрочнение поверхностного слоя конструкционных материалов, из которых  
изготавливаются различные детали машин и механизмов. 
Разработана обширная гамма технологий упрочнения поверхности металлов 
и сплавов, направленных на повышение их эксплуатационных характеристик, таких 
как твердость, коррозионная стойкость, усталостная прочность и ряд других.  
Детали, испытывающие максимальные напряжения на поверхности (изгиб, 
контактные напряжения), для повышения сопротивления усталости подвергают 
поверхностному упрочнению. Все эти технологии подразделяются на основные 
классы: методы поверхностной пластической деформации, термические методы, 
химико-термические методы, методы газотермического напыления, методы 
наплавки и PVD-процесс.  
Защитные и износостойкие покрытия позволяют получать новые изделия, 
которые сочетают высокую долговечность и достаточную трещиностойкость.  
С помощью покрытий возможно достигать получения рабочей поверхности деталей с особыми свойствами (жаростойкость, низкий коэффициент трения, высокая теплопроводность и др.), которые позволяют экономить дефицитные и дорогостоящие материалы, применение которых предусматривается при объемном 
легировании. 
Особенно высока роль покрытий в повышении конструкционной прочности детали за счет наличия поверхностного слоя (покрытия) и сердцевины (объема) с резко различающимися свойствами.  
Повышение сопротивления детали разрушению при приложении различных видов эксплуатационного нагружения может быть обеспечено за счет технологических методов объемного и поверхностного упрочнения. Объемное упрочнение направлено на повышение статической прочности деталей, у которых при 
эксплуатации рабочие напряжения распределены по сечению практически равномерно. Для изготовления таких деталей применяют высокопрочные стали  
и сплавы, а также композиционные материалы.  
В то же время большая часть деталей эксплуатируется в условиях при которых эксплуатационное воздействие воспринимается поверхностным слоем.  
В силу этого коррозионная стойкость, износостойкость и возникновение (а также 
развитие) усталостных трещин будет зависеть от состояния поверхностного слоя 
и его сопротивления разрушению. Для деталей, разрушение которых инициируется с поверхности, предложено достаточно большое количество методов поверхностного упрочнения, которые основываются на нанесении поверхностных 
покрытий и модификации поверхностного слоя детали. 
Упрочнение детали при нанесении покрытия достигается за счет осаж- 
дения на его поверхности материалов, которые по свойствам отличаются от  
3 
 

материала детали и в наибольшей степени отвечают условиям эксплуатации (износ, коррозия, тепловое воздействие и т. д.). 
При модификации поверхности протекают физико-химические изменения 
в металле поверхностного слоя, которые повышают его сопротивление разрушению. При этом модифицирование поверхностного слоя может реализовываться 
за счет деформационного упрочнения, поверхностной термической обработки, 
диффузионным насыщением легирующими элементами. 
Следует учитывать, что на сегодняшний день не существует единого универсального метода упрочнения деталей. Поэтому в ряде случаев применяются 
комбинированные технологии упрочнения поверхностного слоя деталей, основанные на применении двух или трех методов упрочнения, каждый из которых 
позволяет усилить то или иное эксплуатационное свойство. 
Следует также учитывать, что выбор метода упрочнения базируется также 
на экономической целесообразности. 
В рамках предлагаемого учебника будут рассмотрены наиболее широко 
применяющиеся в промышленности методы поверхностного упрочнения деталей. 
Предлагаемый учебник имеет целью содействие учащимся в освоении профессиональной деятельности и соответствующими профессиональными компетенциями.  
Изучив материалы учебника учащийся должен: 
иметь навыки: 
 проведения измерений и наблюдений, обработки результатов, составления отчетов и представления полученных данных; 
 выбора способа обработки концентрированными потоками энергии, измерения показателей, характеризующих эксплуатационные свойства деталей устанавливать причины их отклонения от заданных параметров; 
уметь: 
 проводить наблюдения и измерения, составлять отчеты по результатам 
проведенных экспериментов, обрабатывать и представлять полученные 
результаты; 
 выбирать вид обработки поверхности конструкционного материала, проводить измерения показателей, характеризующих эксплуатационные 
свойства изделий, устанавливать причины их отклонения от заданных 
параметров; 
знать: 
 цели и задачи проводимых исследований, методы проведения экспериментов и наблюдений, обобщения и обработки информации; 
 способы поверхностной обработки материалов, технологические возможности обработки концентрированными потоками энергии. 
Результатом освоения содержания материала учебника является овладение 
обучающимися видом профессиональной деятельности выбор метода упрочнения поверхности детали, в том числе профессиональными компетенциями ПК-1 
и ПК-2. 
4 
 

 
Глава 1 
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ  
УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ 
 
Все существующие методы упрочнения поверхности материалов можно 
разделить на следующие основные классы: 
- упрочнение с формированием пленки на поверхности; 
- с изменением химического состава поверхностного слоя; 
- с изменением структуры поверхностного слоя; 
- с изменением энергетического запаса поверхностного слоя; 
- с изменением напряженного состояния поверхностного слоя и микрогеометрии поверхности. 
Методами одного класса осуществляются процессы различных типов (таблица 1.1). 
Т а б л и ц а  1.1 
Классификация методов упрочнения поверхности материала 
Класс методов 
упрочнения 
Метод 
Типы процессов 
Осаждение 
химической  
реакции 
Химическое оксидирование, никелирование,  
сульфидирование, кадмирование, фосфатирование, 
нанесение упрочняющегосмазочного материала, 
осаждение из газовой фазы 
Электролитическое 
осаждение 
Электролитическое хромирование,  
никелирование, никельфосфатирование,  
борирование, борохромирование, 
хромофосфатирование 
1. Упрочнение 
созданием пленки 
на поверхности 
изделия 
Осаждение 
твердых осадков 
из паров 
Электроискровое легирование,  
катодно-ионная бомбардировка, прямое  
электроннолучевое испарение,  
реактивное электронно-лучевое испарение,  
электрохимическое испарение,  
термическое испарение тугоплавких соединений 
Напыление 
износостойких 
соединений 
Плазменное напыление порошковых материалов, 
детонационное напыление, электродуговое  
напыление, лазерное напыление 
Диффузионное 
насыщение 
2. Упрочнение 
изменением 
химического 
состава 
поверхностного 
слоя металла 
Химико-термическое нитрооксидирование,  
нитроцементация, цементация, карбонитрация, 
карбохромирование, азотирование, 
хромоазотирование, хромотитанирование,  
хромосилицирование, хромоалитирование,  
борохромирование, борирование,  
цианирование, сульфоцианирование,  
диффузионное хромирование, диффузионное  
никелирование, циркосилицирование,  
бороциркование, легирование маломощными  
пучками ионов 
5 
 

Окончание таблицы 1.1 
Класс методов 
упрочнения 
Метод 
Типы процессов 
Физико-термическая 
обработка 
Лазерная закалка, плазменная закалка 
Электрофизическая 
обработка 
Электроимпульсная обработка,  
электроконтактная обработка, 
электроэрозионная обработка,  
ультразвуковая обработка 
3. Упрочнение 
изменением 
структуры 
поверхностного 
слоя 
Механическая 
обработка 
Упрочнение вибрацией, фрикционно- 
упрочняющая обработка, дробеструйная  
обработка, обработка взрывом, термомеханическая 
обработка, прокатывание, волочение,  
редуцирование, термопластическая обработка 
Наплавка газовым пламенем, электрической  
дугой, плазмой, лазерным лучом, пучком ионов 
Наплавка 
легированного 
металла 
Обработка 
в магнитном поле 
Обработка: электроферромагнитная,  
в импульсном магнитном поле 
4. Упрочнение 
изменением 
энергетического 
запаса 
поверхностного 
слоя 
Электрохимическое 
полирование 
Окунание в ванну (в струе электролита) 
5. Упрочнение 
изменением 
шероховатости 
поверхности 
Пластическое 
деформирование 
Шлифование, суперфиниширование, 
 хонингование, накатка, раскатка 
Закалка: светлая, несквозная, сквозная,  
изотермическая, с самоотпуском,  
с подстуживанием, с непрерывным охлаждением 
и ступенчатая. Отпуск высокий и низкий 
Термическая 
обработка при 
положительных 
температурах 
6. Упрочнение 
изменением 
структуры 
всего объема 
металла 
Криогенная 
обработка 
Закалка с обработкой холодом от температуры  
закалки или охлаждение от нормальной  
температуры, термоциклирование 
 
Внешние условия протекания процессов неодинаковы: в газовой среде;  
в жидкости; в пасте; без использования или с использованием теплоты при нормальном, повышенном или высоком давлении; в низком, среднем или глубоком 
вакууме; в атмосфере водяного, водогазового или ионного пара; в контролируемых атмосферах экзогаза или эндогаза; в электропроводящей или диэлектрической среде; в среде с поверхностно-активными или абразивными свойствами;  
в магнитном, электрическом, гравитационном или термическом поле. Выбор сочетаний внешних условий и характеризует специфические особенности технологических процессов. 
При всей условности такой классификации она позволяет выбрать принципиальные направления, процессы и методы упрочняющей обработки в зависимости от исходных требований к работоспособности изделия. В необходимых  
случаях ею можно воспользоваться как инструментом для создания новых,  
6 
 

оригинальных технологических процессов путем комбинирования и перемещения методов и условий выполнения известных способов. 
Упрочнение с образованием пленки на поверхности предусматривает: 
а) осаждение химической реакцией (оксидирование, сульфидирование, 
фосфатирование, нанесение упрочняющего смазочного материала, осаждение  
из газовой фазы); 
б) осаждение из паров (термическое испарение тугоплавких соединений, 
катодно-ионная бомбардировка, прямое электронно-лучевое испарение, реактивное электронно-лучевое испарение, электронно-химическое испарение); 
в) электролитическое осаждение (хромирование, никелирование, электрофорез, никельфосфатирование, борирование, борохроматирование, хромофорфатирование); 
 г) напыление износостойких соединений (плазменное напыление порошковых материалов, детонационное, электродуговое, лазерное, вихревое напыление, индукционное припекание порошковых материалов). 
Упрочнение с изменением химического состава поверхностного слоя включает: 
а) диффузионное насыщение (борирование, цианирование, азотирование, 
нитроцементация и т. д.); 
б) химическое и физико-химическое воздействие (химическая обработка, 
ионная имплантация, электроискровая обработка и т. д.). 
Упрочнение с изменением структуры поверхностного слоя включает: 
а) физико-термическая обработка (лазерная закалка, плазменная закалка); 
б) электрофизическая обработка (электроконтактная, электроэрозионная, 
магнитная обработка); 
в) механическая (упрочнение вибрацией, фрикционно-упрочняющая обработка, дробеструйная, обработка взрывом, термомеханическая, электромеханическая); 
г) наплавка легированным металлом (газовым пламенем, электрической 
дугой, плазмой, лазерным лучом, электронным пучком, пучком ионов и т. д.). 
Упрочнение с изменением энергетического запаса поверхностного слоя 
предусматривает: 
а) обработка в магнитном поле (термомагнитная, обработка импульсным 
магнитным полем, магнитным полем); 
б) обработка в электрическом поле. 
Упрочнение с изменением микрогеометрии поверхности и наклепом включает: 
а) обработка резанием (точение, шлифование, сверхскоростное резание); 
б) пластическое деформирование (накатывание, обкатывание, раскатывание, выглаживание, вибронакатывание, вибровыглаживание, калибрование, центробежно-ударное упрочнение, виброударное и т. д.); 
в) комбинированные методы (анодно-механическая обработка, поверхностное легирование с выглаживанием, резание с воздействием ультразвуковых 
колебаний, магнитно-абразивная обработка и т. д.). 
7 
 

 
Глава 2 
МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ 
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
 
2.1. Сущность метода упрочнения поверхности  
пластическим деформированием 
 
Эффект упрочнения поверхности металлов и сплавов за счет пластической 
деформации объясняется возрастанием на несколько порядков скалярной плотности дислокаций. Свободное перемещение дислокаций тормозится в результате 
их взаимного влияния друг на друга при измельчении зерен и блоков, искажением 
решетки металлов и формированием поля напряжений. Изменение внутреннего 
строения металла при пластической деформации связан с увеличением скалярной плотности дислокаций, которое происходит в результате постоянной их генерации источниками Франка - Рида под влиянием напряжений, создаваемых 
нагрузкой, прилагаемой при пластической деформации.  
В том случае, когда дислокация подходит к границе двух зерен и не может 
выйти на поверхность, она застревает. При подходе следующих дислокаций к застрявшей, формируется скопление дислокаций вблизи границ зерен. С уменьшением размера зерен увеличивается протяженность границы их раздела и увеличивается уровень напряжений, необходимых для смещения дислокаций. Напряжения концентрируются у границ зерен и способствую более плотной упаковки 
решетки. Для дальнейшей деформации кристалла необходимо увеличение внешнего усилия. В этом случае происходит прорыв дислокаций через препятствие, 
дробление блоков и увеличение протяженности их границ. Это в свою очередь 
способствует увеличению мест скопления дислокаций. 
Явление упрочнения металла в результате скопления дислокаций по границам зерен при блокировке их перемещения называют наклепом металла при холодной деформации. Результатом наклепа является рост упругого искажения кристаллической решетки, увеличивается сопротивление деформации и уменьшается пластичность. На начальных стадиях деформации (до 25 ) наблюдается 
наиболее интенсивное увеличение прочности.  
Для упрочнения металла его легируют атомами другого элемента для повышения количества дефектов кристаллической решетки в целом.  
Помимо увеличения скалярной плотности дислокаций при холодной деформации происходит изменение формы кристаллов. Зерна металл, которые хаотично ориентированы до деформации, после деформации вытягиваются в определенном направлении (рис. 2.1). Возникает анизотропия механических свойств, 
т. е. механические свойства становятся неодинаковыми в различных направлениях ориентирования зерен. Ориентация кристаллической решетки зерен в определенном направлении с появление анизотропии свойств называется текстурой. 
Таким образом наклеп сопровождается появлением текстуры кристаллов.  
8 
 

Помимо увеличения прочностных свойств при наклепе наблюдается увеличение 
электрического сопротивления (до 50 ), уменьшается электропроводность, коррозионная стойкость и магнитная проницаемость металлов.   
 
 
Рис. 2.1. Изменение структуры металла при пластической деформации 
 
Такое влияние пластической деформации на свойства получило название 
наклепа. При большой степени пластической деформации появляется определенная ориентировка зерен (они вытягиваются в направлении проката), которая 
называется текстурой деформации. Текстура вызывает анизотропию механических и физических свойств металлов и сплавов. Степень деформации (f) определяется как разница между начальной (Fн) и конечной (Fк) площадями заготовки, 
отнесенная к первоначальной площади, выраженная в процентах. 
Для некоторых сплавов наклеп является единственным методом повышения механических свойств. Это сплавы, не упрочняемые термической обработкой. К таким материалам относятся, например, коррозионно-стойкие хромоникелевые стали, износостойкая сталь Гадфильда. 
Состояние металлов и сплавов после наклепа является неравновесным.  
Поэтому при нагреве их структура и, следовательно, свойства изменяются, поскольку происходит переход к более стабильному состоянию (рис. 2.2). 
у
 
Рис. 2.2. Влияние нагрева на механические свойства и структуру наклепанного металла: 
1 – структура металла после наклепа (зерна деформированные);  
2 – структура металла на ранних стадиях рекристаллизации (появились зерна округлой 
формы); 3 – структура после рекристаллизации (структура, которую имел металл  
до наклепа); 4 – рост зерна в результате перегрева 
9 
 

При невысоких температурах нагрева заметных изменений в структуре  
и в свойствах деформированного металла практически не наблюдается. Происходит уменьшение плотности дефектов, исчезают упругие деформации кристаллической решетки. Эта стадия называется возвратом. При нагреве ниже температуры возврата структура и свойства металла не изменяются. 
При более высоких температурах повышается подвижность атомов, среди 
деформированных зерен происходит зарождение и рост новых зерен с неискаженной решеткой и меньшей плотностью дефектов. Этот процесс сопровождается понижением пределов прочности и текучести, уменьшением твердости и повышением пластичности металлов и сплавов. Это явление получило название рекристаллизации, в результате которой структура и свойства металла становятся 
такими, какими они были до наклепа. 
Значения а: для чистых металлов - 0,2; для технически чистых металлов  
и смесей - 0,4; для твердых растворов - 0,6...0,8. 
Значительное превышение температуры наг рева наклепанного металла 
выше Трекр приводит к росту вновь образовавшихся зерен, т. е. потере и прочности, и пластичности. 
Температура рекристаллизации играет важную роль в процессах обработки 
металлов давлением. В зависимости от температуры обработка давлением (деформация) подразделяется на холодную и горячую. 
Эти виды обработки давлением различаются принципиально: 
  холодная обработка проводится ниже температуры рекристаллизации  
и вызывает наклеп; 
 горячая обработка проводится при температурах выше температуры рекристаллизации и не вызывает наклепа. Точнее, деформация при этих 
температурах также вызывает упрочнение, однако оно снимается за счет 
рекристаллизации. Таким образом, при горячей пластической деформации (прокатке, ковке и т. д.) процессы упрочнения за счет наклепа непрерывно чередуются с процессами разупрочнения за счет рекристаллизации. В конечном итоге упрочнения нс происходит. 
Для разных металлов температуры плавления, следовательно, и тем- 
пературы, разделяющие обработку на горячую и холодную (т. е. температуры рекристаллизации), сильно различаются. Так, для чистого железа температура рекристаллизации примерно 450 ƒС, для меди - около 270 ƒС, алюминия - примерно 5 ƒС. Для легкоплавких металлов (цинк, олово, свинец) температура рекристаллизации ниже температуры цеха или даже отрицательная. 
При холодной обработке давлением может возникать необходимость  
выполнения рекристаллизационного отжига - нагрева и выдержки при температурах, немного превышающих температуру рекристаллизации. Его проводят 
для снятия наклепа, т. е. повышения пластичности, например, при производстве 
проволоки, ленты в металлургическом производстве. После волочения или прокатки заготовки до определенного размера пластичность сильно снижается, поэтому дальнейшая холодная обработка невозможна, так как металл будет разрушаться. 
10