FORMATION AND PROPERTIES OF NICKEL–COPPER DIFFUSION COATINGS ON STEELS PRODUCED BY THERMOCHEMICAL TREATMENT

УДК 622.271

Аннотация

В статье исследованы закономерности формирования никель-медных диффузионных покрытий на конструкционных и инструментальных сталях методом химико-термической обработки в жидкометаллических расплавах. Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения износостойкости, коррозионной стойкости и эксплуатационной надёжности деталей промышленного назначения, работающих в условиях интенсивных механических нагрузок и воздействия агрессивных сред. Диффузионное насыщение проводили в интервале температур 1000–1150 °С с выдержкой от 0,5 до 6 часов в расплавах на основе свинца и эвтектики Pb–Li. Структуру, толщину и микротвёрдость покрытий исследовали металлографическими методами, микродюрометрическим анализом и микрорентгеноспектральными исследованиями. Установлено, что в результате обработки формируются однослойные никель-медные покрытия на основе твёрдого раствора Fe–Ni–Cu. Показано, что повышение температуры и продолжительности насыщения приводит к увеличению толщины диффузионного слоя до 40 мкм. Микротвёрдость покрытий изменялась в пределах 1200–2100 МПа в зависимости от состава стали и режима обработки. Установлено положительное влияние эвтектики Pb–Li на интенсивность формирования покрытий и качество поверхностного слоя. Полученные результаты подтверждают эффективность применения никель-медных диффузионных покрытий для повышения эксплуатационных характеристик деталей промышленного оборудования.

Abstract

The article investigates the formation mechanisms of nickel-copper diffusion coatings on structural and tool steels produced by thermochemical treatment in liquid-metal melts. The relevance of the study is determined by the need to improve wear resistance, corrosion resistance, and service reliability of industrial components operating under intensive mechanical loads and aggressive environments. Diffusion saturation was carried out at temperatures of 1000–1150 °C with holding times ranging from 0.5 to 6 hours in lead-based and Pb–Li eutectic melts. The structure, thickness, and microhardness of the coatings were examined using metallographic techniques, microhardness measurements, and micro-X-ray spectral analysis. The results showed the formation of single-layer nickel-copper coatings based on a Fe–Ni–Cu solid solution. It was established that increasing the saturation temperature and holding time leads to a growth of the diffusion layer thickness up to 40 μm. The microhardness of the coatings varied from 1200 to 2100 MPa depending on the steel composition and processing conditions. A positive effect of the Pb–Li eutectic melt on coating formation kinetics and surface quality was observed. The obtained results confirm the effectiveness of nickel-copper diffusion coatings for improving the operational performance and durability of industrial equipment components.

Ключевые слова: химико-термическая обработка; диффузионное покрытие; никель; медь; микротвёрдость; коррозионная стойкость; жидкометаллический расплав.

Keywords: thermochemical treatment; diffusion coating; nickel; copper; microhardness; corrosion resistance; liquid-metal melt.

Введение

Повышение долговечности и надёжности деталей промышленного оборудования является одной из актуальных задач современного материаловедения и машиностроения. Большинство деталей из конструкционных и инструментальных сталей работают в условиях интенсивного износа, высоких механических нагрузок и воздействия агрессивных сред, что приводит к ухудшению их эксплуатационных характеристик [12].

Одним из эффективных методов повышения износостойкости и коррозионной стойкости металлических изделий является химико-термическая обработка. Данный процесс позволяет формировать на поверхности деталей диффузионные слои с улучшенными физико-механическими свойствами, обеспечивающими увеличение срока службы изделий [3].

В настоящее время особый интерес представляют исследования, связанные с многокомпонентным диффузионным насыщением, позволяющим получать покрытия с комплексом защитных и упрочняющих свойств [15]. Однако закономерности формирования таких покрытий, их структурно-фазовое состояние и эксплуатационные характеристики изучены недостаточно полно.

Промышленные детали в процессе эксплуатации подвергаются различным видам разрушения, включая абразивный и адгезионный износ, усталостное разрушение и коррозию [7]. Анализ основных механизмов разрушения и влияния химико-термической обработки на повышение эксплуатационных свойств деталей представлен в таблице 1.

Таблица 1. Основные виды разрушения деталей и влияние химико-термической обработки на их предотвращение

В связи с этим исследование процессов химико-термической обработки, направленных на получение многокомпонентных диффузионных покрытий с повышенной износо- и коррозионной стойкостью, является актуальной научной и практической задачей [1].

Методология исследования

В качестве объектов исследования использовали образцы из конструкционных и инструментальных сталей, предназначенных для изготовления деталей промышленного назначения. Формирование диффузионных покрытий осуществляли методом химико-термической обработки в жидкометаллических расплавах, содержащих никель и медь [10].

Рисунок 1. Технологическая схема процесса химико-термической обработки и исследования диффузионных покрытий

Диффузионное насыщение проводили при температурах 1000–1150 °С с выдержкой от 0,5 до 6 ч в атмосфере аргона. После нанесения покрытия образцы подвергали термической обработке, включающей закалку при 1020 °С и последующий отпуск при 250 °С.

Микроструктуру и толщину диффузионных слоёв исследовали металлографическими методами с использованием микроскопов ММР-4 и МИМ-8 [5]. Для выявления структуры применяли травление в 3%-ном растворе HNO₃. Микротвёрдость определяли на приборе ПМТ-3 при нагрузках 20 и 50 г.

Химический состав и распределение легирующих элементов по толщине покрытия изучали методом микрорентгеноспектрального анализа на электронном микроскопе JEOL JCXA-733 при ускоряющем напряжении 20 кВ [4].

Коррозионную стойкость определяли в растворе 50 г/л NaCl + 5 мл/л CH₃COOH, насыщенном H₂S, в соответствии со стандартом NACE TM0177. Скорость коррозии рассчитывали по выражению:

где m₀ и m₁ – масса образца до и после испытаний; F – площадь поверхности; τ – время испытания.

Механические свойства оценивали по результатам испытаний на растяжение, изгиб и ударную вязкость. Предел прочности определяли по формуле:

где Pmax – максимальная нагрузка до разрушения; F – площадь поперечного сечения образца.

Статистическую обработку результатов выполняли с использованием средних значений экспериментальных данных и сравнительного анализа влияния технологических параметров на свойства сформированных покрытий [14].

Результаты и обсуждение

Проведённые исследования показали возможность формирования многокомпонентных диффузионных никель-медных покрытий на углеродистых и легированных сталях методом химико-термической обработки в жидкометаллических расплавах [8].

Рисунок 2. Микроструктура Ni–Cu диффузионных покрытий на армко-железе и стали 20 после химико-термической обработки при 1100 °С в течение 2 ч (×300): а – армко-железо; б – сталь 20.

Установлено, что формирование покрытия происходит преимущественно за счёт граничной диффузии никеля и меди с образованием однослойного диффузионного слоя, состоящего из твёрдого раствора Fe–Ni–Cu. Металлографический анализ показал отсутствие пор, трещин и хрупких карбидных включений в структуре покрытия [2]. Установлено, что увеличение температуры и времени насыщения способствует росту толщины диффузионного слоя [11]. При температурах 1000–1150 °С толщина покрытия изменялась от 8 до 40 мкм в зависимости от марки стали и режима обработки.

Рисунок 3. Изменение толщины слоя Ni–Cu покрытия на стали Х12М в зависимости от температуры насыщения

Микротвёрдость сформированных покрытий находилась в пределах 1200–2100 МПа. Наибольшие значения получены для стали Х12МФ, что связано с диффузией хрома и молибдена в поверхностный слой и дополнительным упрочнением покрытия.

Рисунок 4. Профиль распределения микротвёрдости по толщине диффузионного Ni–Cu слоя, сформированного на армко-железе в расплаве Pb при времени насыщения 6 ч.

Результаты микрорентгеноспектрального анализа показали, что максимальная концентрация никеля на поверхности покрытия достигает 55 %, а содержание меди составляет около 26 %. Повышение температуры обработки приводит к увеличению содержания никеля и железа при одновременном снижении концентрации меди [6].

Рисунок 5. Распределение легирующих элементов по глубине диффузионного Ni–Cu покрытия на армко-железе (t = 1100 °С, τ = 6 ч, расплав Pb).

Установлено, что использование эвтектики Pb–Li обеспечивает более интенсивное формирование покрытия по сравнению с чистым свинцом [13]. Добавка лития способствует удалению оксидных плёнок с поверхности легированных сталей и формированию более сплошного диффузионного слоя.

Повышение температуры насыщения и времени выдержки приводит к интенсификации диффузионных процессов, увеличению толщины Ni–Cu покрытия и формированию поверхностного слоя с высокой микротвёрдостью и стабильным распределением никеля и меди по глубине покрытия [4].

Заключение

В результате проведённых исследований установлено, что химико-термическая обработка в жидкометаллических расплавах обеспечивает формирование на поверхности конструкционных и инструментальных сталей сплошных никель-медных диффузионных покрытий. Показано, что увеличение температуры насыщения от 1000 до 1150 °С и времени выдержки от 0,5 до 6 ч приводит к росту толщины диффузионного слоя до 40 мкм. Металлографический и микрорентгеноспектральный анализы подтвердили образование однослойного покрытия на основе твёрдого раствора Fe–Ni–Cu с равномерным распределением легирующих элементов по глубине слоя.

Установлено, что сформированные покрытия характеризуются повышенной микротвёрдостью в диапазоне 1200–2100 МПа, при этом максимальные значения получены для легированных сталей вследствие дополнительного влияния хрома и молибдена. Применение эвтектического расплава Pb–Li способствует интенсификации диффузионных процессов, улучшению качества покрытия и снижению влияния поверхностных оксидных плёнок. Полученные результаты подтверждают перспективность использования никель-медных диффузионных покрытий для повышения износостойкости и эксплуатационной надёжности деталей промышленного назначения.

Список литературы:

1. Bobylev, E. E., Kraposhin, V. S., & Kraposhina, E. N. (2023). Influence of diffusion alloying of structural steels by nickel-copper coatings on corrosion resistance. CIS Iron and Steel Review, 26, 116–121. https://doi.org/10.17580/cisisr.2023.02.19
2. Dou, X., Dai, N., Leng, B., Liu, H., Zhang, Z., Wu, J., & Huang, H. (2025). Understanding the interfacial diffusion behavior of alloying elements between electrodeposited nickel coating and 347H stainless steel interface in molten chloride salt. Journal of Materials Research and Technology, 39, 1–12. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.09.011
3. Ghadi, A., Ebrahimnezhad-Khaljiri, H., & Gholizadeh, R. (2023). A comprehensive review on the carbide-base coatings produced by thermo-reactive diffusion: Microstructure and properties viewpoints. Journal of Alloys and Compounds, 967, 171839. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171839
4. Khan, H. H., Wang, H., Zhang, Y., & Liu, Z. (2024). In situ thermal interactions of Cu-based anti-corrosion coatings on steel substrates. Coatings, 14(6), 722. https://doi.org/10.3390/coatings14060722
5. Najari, M. R., Sajjadi, S. A., & Ganji, O. (2022). Microstructural evolution and wear properties of chromium carbide coating formed by thermo-reactive diffusion process on cold-work tool steel. Results in Surfaces and Interfaces, 8, 100059. https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2022.100059
6. Nieto, F. E. C. (2025). Recent advances and challenges of the thermo-reactive deposition and diffusion process for steel surface engineering. In Thermochemical Surface Engineering of Steels. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.1219276
7. Wang, Y., Zhang, X., Li, J., & Chen, H. (2025). A review of wear-resistant coatings for steel substrates. Metals, 15(11), 1231. https://doi.org/10.3390/met15111231
8. Yelwa, J. M., Musa, H., Fasanya, O. O., & Yahaya, J. Y. (2025). Corrosion-resistant coatings: Advances in deposition methods, nanostructures, and self-healing films. Academia Materials Science, 2(3), 1–30. https://doi.org/10.20935/AcadMatSci7829
9. Zarei, M., Hosseini, S., & Rahimi, A. (2024). A review of recent advances and applications of inorganic coatings for corrosion and wear protection in industrial systems. Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 60(4), 415–432.
10. Pan, J., Geng, S., Wang, F., & Wu, Y. (2025). Effect of enamel coating thickness on the hot corrosion resistance of coated 316L steel. High Temperature Corrosion of Materials, 102(4), 26–39.
11. Khuzhakulov, N. B., Ruziev, U. M., & Nasirova, N. R. (2021). Studies of the influence of biocake quality on the performance of sorption leaching. Universum: technical sciences, (5-2 (86)), 20-23.Zhang, Y., Li, X., Chen, H., & Wang, J. (2024). Diffusion behavior and microstructural evolution of nickel-based coatings on steel substrates under high-temperature conditions. Surface and Coatings Technology, 498, 131052. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.131052
12. Liu, Q., Zhao, H., Wang, L., & Sun, Y. (2023). Microhardness and corrosion performance of diffusion coatings produced on alloy steels. Materials Chemistry and Physics, 302, 127734. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2023.127734
13. Shen, X., Wu, K., Zhang, T., & Li, P. (2022). Influence of thermochemical treatment parameters on the formation of diffusion layers in tool steels. Vacuum, 205, 111431. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111431
14. Rodriguez, M., Garcia, P., & Fernandez, J. (2024). Surface engineering approaches for improving wear and corrosion resistance of industrial steels. Journal of Materials Engineering and Performance, 33(7), 5648–5662. https://doi.org/10.1007/s11665-024-08912-4
15. Chen, Z., Yang, H., Xu, L., & Zhao, W. (2025). Effect of alloying element diffusion on the structural stability and hardness of thermochemically treated steels. Materials Today Communications, 42, 110245. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2025.110245