Influence of Electrochemical Nickelizing on the Structure, Composition, and Heat Resistance of AISI 1045 after Chromoaluminizing

Abstract

Досліджено процеси формування дифузійних покриттів на сталі 45 після двох методів насичення: дифузійного хромоалітування та комплексна двоетапна обробка (електрохімічного нікелювання та дифузійне хромоалітування). Нікелювання здійснювали в електролітах на основі сірчанокислого нікелю за температури 40 °C та щільності струму 3 А/дм2. Комплексне хромоалітування проводили порошковим методом при 1050 °C протягом 4 годин. Встановлено, що на поверхні формуються дифузійні покриття загальною товщиною від 20.5 мкм до 23.0 мкм із перехідною зоною на основі твердого розчину α-Fe товщиною до 55 мкм. Мікрорентгеноспектральний аналіз показав наявність нітриду хрому Cr2N, а також зон з фазами Cr2Al та твердим розчином хрому й алюмінію. Отримане покриття складається з чотирьох зон. Мікротвердість поверхневої зони покриття 16.0 – 16.2 ГПа. Дифузійне хромоалітування зразків сталі 45 з шаром на основі нікелю товщиною 20 мкм реалізували при температурі 1050 °С впродовж 4 годин. Комплексна двоетапна обробка призводить до формування покриття товщиною 35 – 45 мкм. Показано, що формування захисних покриттів значно підвищує стійкість сталі 45 до окиснення завдяки утворенню щільної оксидної плівки. Визначено структуру оксидних включень, які містять хром, алюміній та залізо, що утворюють шпінельні фази. Двостадійний процес з попереднім нікелюванням забезпечив рівномірне розташування гетерогенних шарів без відшарувань Додаткова попереднє нікелювання змінює механізм окислення та дозволяє отримати покриття, які мають більшу пластичність.

The processes of forming diffusion coatings on AISI 1045 steel were studied after two saturation methods: diffusion chromoaluminizing and a complex two-stage treatment (electrochemical nickel plating followed by diffusion chromoaluminizing). Nickel plating was performed in nickel sulfate-based electrolytes at a temperature of 40 °C and a current density of 3 A/dm2. Complex chromoaluminizing was conducted using a powder method at 1050 °C for 4 hours. It was found that diffusion coatings with a total thickness of 20.5 µm to 23.0 µm were formed on the surface, along with a transition zone based on the α-Fe solid solution with a thickness of up to 55 µm. Micro-X-ray spectral analysis revealed the presence of chromium nitride Cr2N, as well as zones with Cr2Al phases and a solid solution of chromium and aluminum. The obtained coating consists of four distinct zones, and the surface layer's microhardness was in the range of 16.0 to 16.2 GPa. Diffusion chromoaluminizing of steel 45 samples with a nickel-based layer 20 µm thick was carried out at 1050 °C for 4 hours. The complex two-stage treatment resulted in the formation of a coating with a thickness of 35 to 45 µm. It was demonstrated that the formation of protective coatings significantly improves the oxidation resistance of steel 45 due to the development of a dense oxide film. The structure of oxide inclusions, which contain chromium, aluminum, and iron forming spinel phases, was identified. The two-stage process with preliminary nickel plating ensured a uniform distribution of heterogeneous layers without delamination. Additionally, preliminary nickel plating altered the oxidation mechanism and allowed for coatings with increased plasticity.