Повышение надежности и долговечности машин и механизмов 1 федеральное государственное бюджетное

Повышение надежности и долговечности деталей, механизмов, агрегатов, машин 
________________________________________________________________________________ 
109 
уровень надежности оборудования вполне может приводить к серьезным затратам на 
ремонт, длительному простою оборудования и к авариям.
Надежность закладывается на этапе проектирования и конструирования маши-
ны, а на последующих этапах – при изготовлении и эксплуатации – реализуется и 
поддерживается на заданном уровне. Рассмотрим технологические методы повыше-
ния надежности. 
К технологическим методам повышения надежности можно отнести: 
1) упрочнение поверхностных слоев деталей механическими, термическими, 
химико-термическими и другими способами; 
2) нанесение упрочняющих, износостойких и коррозионностойких покрытий на 
детали машин. 
Технологические методы позволяют на заключительных стадиях изготовления 
деталей машин повысить их прочностные характеристики (по показателям статиче-
ской и усталостной прочности), износостойкость, коррозионную стойкость, жаро-
прочность и другие свойства. Первичной задачей технологических методов является 
создание оптимального микрорельефа поверхности детали путем инструменталь-
ной механической обработки. Снижение шероховатости поверхности способствует 
уменьшению коэффициента трения, повышению циклической прочности и коррози-
онной стойкости. 
Следует отметить, что в узлах трения в процессе приработки устанавливается 
оптимальная топография сопрягаемых поверхностей деталей, которая фактически не 
зависит от исходного микрорельефа поверхности и обусловлена конструкцией узла и 
условиями его эксплуатации. Поэтому инструментальную механическую обработку 
следует проводить так, чтобы она давала топографию поверхности, близкую к опти-
мальной. 
Для повышения усталостной прочности и износостойкости широко используют 
механические методы обработки поверхности деталей (дробеструйную обработку, 
обкатывание шариками и роликами, алмазное выглаживание, дорнование и др.). В ре-
зультате происходит наклеп, т.е. упрочнение поверхностных слоев металла при их 
пластическом деформировании, которое сопровождается изменением шероховатости 
поверхности. Толщина упрочненного слоя составляет 0,3–1,5 мм. При этом возрастает 
твердость на 20–40 % и повышается циклическая долговечность ряда деталей (зубча-
тых колес, осей, пружин и др.) в 2–10 раз. Установлено, что износостойкость упроч-
ненных слоев металла повышается до тех пор, пока он проявляет способность к пла-
стическому деформированию. 
В отличие от механических методов упрочнения поверхностная закалка и хи-
мико-термическая обработка деталей обеспечивают упрочнение их поверхностных 
слоев, в то время как металл в объеме детали остается достаточно пластичным и вяз-
ким. В результате существенно повышается несущая способность деталей при удар-
ных нагрузках. Кроме того, в упрочненном поверхностном слое возникают большие 
остаточные напряжения сжатия, которые ослабляют неравномерность распределения 
внутренних напряжений от внешней нагрузки и повышают сопротивление усталост-
ному разрушению. При этом размеры обработанных деталей остаются без изменений. 
Закалка является основным видом упрочняющей термообработки конструкци-
онных и инструментальных сталей. Поверхностная закалка обеспечивает двукратное 
повышение износостойкости и стойкости к динамическим нагрузкам. Если деталь ис-
пытывает усталостное разрушение, ограничиваются толщиной упрочненного слоя до 

---

НАДЕЖНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ 
________________________________________________________________________________ 
110 
3 мм, при высоких контактных нагрузках используют толщины более 3 мм. Химико-
термическая обработка является упрочняющей тепловой обработкой стальных изде-
лий в химически активных средах и проводится для изменения химического состава, 
структуры и свойств поверхностных слоев. Она позволяет повысить твердость и из-
носостойкость, усталостную и контактную выносливость, а также коррозионную 
стойкость. В этом плане возможности химико-термической обработки выше, чем 
термообработки, в несколько раз, поскольку она меняет не только структуру, но и 
химический состав поверхностных слоев в интервале от 0,02 до 3 мм. 
Наиболее распространенными методами химико-термической обработки явля-
ются цементация (насыщение углеродом), азотирование (насыщение азотом), нитро-
цементация и цианирование (насыщение углеродом и азотом), алитирование (насы-
щение алюминием) и хромирование, а также комплексные методы насыщения тита-
ном, ванадием, вольфрамом, цирконием, медью и другими металлами. Каждый из 
этих методов имеет свои особенности, оптимальную толщину упрочненного слоя и 
различный уровень усиления эксплуатационных свойств стальных деталей.
Ионное легирование (ионная имплантация) также основано на бомбардирова-
нии поверхности детали пучками ионов высоких энергий (10–200 кэВ). С помощью 
ионной имплантации можно осуществить азотирование, борирование, оксидирование 
поверхностного слоя детали и его легирование различными металлами. При этом зна-
чительно возрастают коррозионная стойкость и износостойкость поверхностных сло-
ев. 
Методы лазерного легирования стальных деталей отличаются вводом легиру-
ющего элемента на их поверхность. Для этого на обрабатываемую поверхность пред-
варительно наносят тонкое покрытие из модификатора (электролитическим осажде-
нием или плазменным напылением) или осуществляют его имплантацию в поверх-
ностный слой. 
Эффективным средством расширения функциональных возможностей деталей, 
узлов и машин является применение покрытий различного назначения: износостой-
ких, коррозионностойких, защитно-декоративных, специальных. Создание покрытий 
относится к поверхностной обработке деталей путем нанесения на их поверхность 
слоя (0,05–2 мм) другого материала с требуемыми свойствами. Такая обработка дает 
возможность получить сочетание свойств, присущих как материалу покрытия, так и 
материалу основы (детали), а также в широких пределах регулировать эксплуатаци-
онные характеристики поверхности. 
Долговечность детали с покрытием, как правило, определяется долговечностью 
самого покрытия, которое, в свою очередь, зависит от прочности сцепления покрытия 
с основой. Длительность процесса нанесения зависит от размеров детали и составляет 
обычно несколько минут, что выгодно отличает эти методы от способов химико-
термической и другой обработки. Минимальная толщина покрытия должна включать 
припуск на обработку после нанесения и допуск на предполагаемый износ. 
Плазменное напыление обеспечивает покрытиям малую пористость и высокую 
прочность сцепления с основой. Оно позволяет наносить высококачественные покры-
тия из тугоплавких металлов, керамики и органических материалов, включая компо-
зиционные, что существенно расширяет диапазон эксплуатационных свойств поверх-
ностных слоев детали. 
Все более широкое применение находят покрытия из неорганических материа-
лов, включая карбиды, оксиды, нитриды и фосфаты металлов. Их формируют на по-

---