Процессы термодиффузии и упрочнения металлов в переменном электромагнитном поле

В.И. КУБАНЦЕВ
М.Л. ТРАЧЕВСКИЙ
Б.В. ФАРМАКОВСКИЙ
В.В. ПУЩАНСКИЙ
ПРОЦЕССЫ 
ТЕРМОДИФФУЗИИ 
И УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ 
В ПЕРЕМЕННОМ 
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ
МОНОГРАФИЯ
Под научной редакцией Е.И. Пряхина
Москва
ИНФРА-М
2024

УДК 669-1+533.735(075.4)
ББК 22.3
 
К88
Р е ц е н з е н т ы:
Попович А.А., доктор технических наук, профессор (Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого), профессор 
научно-образовательного центра «Конструкционные и функциональные материалы», главный научный сотрудник лаборатории «Синтез 
новых материалов и конструкций», директор Института машиностроения, материалов и транспорта;
Гюлиханданов Е.Л., доктор технических наук, профессор (СанктПетербургский политехнический университет Петра Великого), профессор научно-образовательного центра «Конструкционные и функциональные материалы»
Кубанцев В.И.
К88  
Процессы термодиффузии и упрочнения металлов в переменном 
электромагнитном поле : монография / В.И. Кубанцев, М.Л. Трачевский, Б.В. Фармаковский, В.В. Пущанский ; под науч. ред. Е.И. Пряхина. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 250 с. — (Научная мысль). — DOI 
10.12737/2048109.
ISBN 978-5-16-018702-0 (print)
ISBN 978-5-16-111619-7 (online)
В монографии рассмотрены вопросы формирования коррозионно- и износостойких высокопрочных защитных покрытий металлоизделий способом термодиффузии металлов в электромагнитном поле. Особое внимание 
уделено физической природе электромагнитных сил в индукторах переменного тока и количественной оценке влияния этих сил на деформацию 
кристаллической решетки защищаемого металла и скорость диффузии 
в металл наносимых ингредиентов. Приводятся результаты экспериментального исследования процессов термодиффузии и упрочнения металлов 
в переменном электромагнитном поле.
Рассчитана на научных и инженерно-технических работников, связанных с разработкой, проектированием, изготовлением и эксплуатацией 
технологических линий для нанесения металлокомпозитных защитных 
покрытий металлоизделий промышленного назначения.
Использованный математический аппарат ограничивается объемом вузовского курса математики.
УДК 669-1+533.735(075.4)
ББК 22.3
Данная книга доступна в цветном  
исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium
© Кубанцев В.И., Трачевский М.Л., 
Фармаковский Б.В., 
Пущанский В.В., 2024
ISBN 978-5-16-018702-0 (print)
ISBN 978-5-16-111619-7 (online)

Авторский коллектив
Кубанцев Виктор Иванович, доктор технических наук, профессор, технический директор общества с ограниченной ответственностью «МеталлРесурс».
Трачевский Михаил Леонидович, кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник общества с ограниченной ответственностью «МеталлРесурс».
Фармаковский Борис Владимирович, кандидат технических наук, 
доцент, ведущий научный сотрудник центрального научно-исследовательского института конструкционных материалов «Прометей» 
имени И.В. Горынина национального исследовательского центра 
«Курчатовский институт».
Пущанский Владислав Викторович, кандидат юридических наук, 
индивидуальный предприниматель.
3

Предисловие редактора
Использование покрытий в последние годы значительно возросло в связи с появлением новых технологических прогрессивных 
процессов и,  соответственно, с  применением специального оборудования для их реализации. Применение покрытий позволяет 
формировать разнородные композитные слои из металлов и неметаллов в поверхностном слое деталей, позволяющие значительно 
увеличить эксплуатационные характеристики этих деталей, причем 
до значений, не достижимых на имеющихся специальных сталях 
и сплавах. Одним из наиболее эффективных способов формирования композитных покрытий на деталях, подверженных воздействию различных коррозионных сред, является процесс термического диффузионного насыщения поверхностного слоя в  переменном магнитном поле, позволяющий создавать разнородные 
композитные слои из металлов и неметаллов в поверхностном слое 
деталей с высоким уровнем адгезионной прочности покрытий. Это 
определяется особым механизмом электромагнитной интенсификации диффузионных процессов и, соответственно, повышенной 
эффективностью деформационного и дрейфового механизмов массопереноса и  силового сцепления диффундирующих элементов 
с основным материалом деталей. Для реализации преимуществ нового процесса его авторы разработали специальное оборудование — 
установку термодиффузии и упрочнения металлов в переменном 
электромагнитном поле (ТДМЭ). Для возможности эффективного управления указанным процессом с использованием разработанной установки ТДМЭ авторы монографии провели широкие, 
многогранные и глубокие исследования по влиянию различных 
факторов на качество получаемых покрытий. Авторами детально 
описан механизм электромагнитной интенсификации этих процессов в индукционных установках и выполнено математическое 
описание всех этапов предложенной новой технологии получения 
диффузионных покрытий в переменном электромагнитном поле. 
Важнейшей частью данной монографии является наличие в ней обширных результатов лабораторных исследований качества ТДМЭпокрытий. Проведенные исследования коррозионной стойкости 
защитных покрытий, анализ металлографического и фазового состава этих покрытий показывает, что способ ТДМЭ обеспечивает 
по сравнению с другими технологиями более высокие показатели 
качества покрытий. Важной частью монографии является раздел 
анализа области применения покрытий в  разных областях промышленности и народного хозяйства.
4

Монография состоит из трех частей. Первая часть посвящена 
анализу физической природы электромагнитных сил на основе авторских концептуальных гипотез. Суть предлагаемой концепции 
заключается в композиционной структуре материальных тел, в которой эфирная субстанция выполняет функцию матрицы, объединяющей тело в единую неразрывную материю, а вещественный 
каркас — функцию армирующего наполнителя, придающего материальному телу определенные физико-химические свойства. При 
этом электромагнитное поле  — это активированная электрическими зарядами или токами и находящаяся в движении эфирная 
субстанция.
Во второй части рассматриваются теоретические основы и результаты экспериментального исследования процессов термодиффузии и упрочнения металлов в переменном электромагнитном 
поле (ТДМЭ). Указанные процессы интенсифицируются силами 
Ампера, проявляющимися как силы продольного и поперечного 
сжатия и силы вращения и определяющими усиление деформационного и дрейфового механизмов массопереноса. Показывается, 
что в результате действия этих механизмов покрытие оказывается 
металлокомпозитной слоистой системой, состоящей из слоев композитов различного состава. Приводится математическое описание 
процесса индукционного нагрева металлоизделий, а также результаты экспериментального исследования распределения температурного и магнитного поля. На основании выполненного анализа 
особенностей процессов термодиффузии и упрочнения металлов 
в переменном электромагнитном поле описан механизм электромагнитной интенсификации этих процессов в индукционных установках.
В третьей части приводятся результаты лабораторного исследования качества ТДМЭ-покрытий и анализа области их применения. 
На основании материалов исследования коррозионной стойкости 
защитных покрытий, анализа металлографического и  фазового 
состава показывается, что способ ТДМЭ обеспечивает по  сравнению с другими технологиями более высокие показатели качества 
и имеет более широкую по сравнению с другими способами область 
применения.
Е.И. ПРЯХИН, заведующий кафедрой материаловедения
и технологии художественных изделий
Санкт-Петербургского горного университета, 
доктор технических наук, профессор
5

Введение
Одним из наиболее распространенных способов защиты от коррозии стальных изделий, эксплуатируемых в  агрессивных или 
влажных средах, является их цинкование. Цинкование применяется в автомобильной, авиационной, судостроительной отраслях 
промышленности, в энергетике, машиностроении, станкостроении, 
железнодорожном хозяйстве, агропроме. Среди способов цинкования чаще всего используются гальваническое цинкование, горячее в расплаве цинка и термодиффузионное цинкование (ТДЦ). 
Общий объем цинкуемых металлоизделий по  РФ в  настоящее 
время составляет порядка 150 000 т в год при потребности не менее 
500 000 т. На более чем 90% цинкуемых изделий покрытие наносится путем горячего цинкования.
В последнее время в связи с ужесточением требований по экологической безопасности как на Западе, так и в РФ особую актуальность приобретают вопросы защиты окружающей среды от токсичных соединений, поступающих со сточными водами гальванических производств в результате недостаточной очистки, и вредных 
выбросов в  атмосферу при проведении работ по нанесению покрытий цинком. Учитывая экологическую вредность, во многих 
регионах РФ прекращают работу или уже остановлены производства по горячему и гальваническому цинкованию. Кроме того, 
условия эксплуатации металлоконструкций во многих отраслях, 
таких как нефтедобывающая отрасль, судостроение, коксохимическая и атомная промышленность, мостостроение, электро- и гидроэнергетика, требуют защитных покрытий нового поколения с повышенной коррозионной стойкостью и механической прочностью. 
Такие покрытия могут быть получены способом ТДЦ, осуществляемого до настоящего времени в электрических печах сопротивления 
с радиационным нагревом.
Традиционная технология нанесения термодиффузионного цинкового покрытия регламентируется ГОСТ 9.316–2006 [1], согласно 
п. 6 которого нанесение термодиффузионного покрытия осуществляется в герметически закрываемой реторте с цинксодержащей 
смесью. Реторту с цинкуемыми деталями помещают в печь, в которой проводят нанесение покрытия при нагреве реторты до температуры от 290 до 450°C при одновременном вращении реторты 
со скоростью от 0,03 до 0,1 с-1 в течение от 2 до 5 ч.
К достоинствам этого способа можно отнести следующие [2, 3, 
4]:
6

•
• детали цинкуются в герметически закрытых ретортах, поэтому 
процесс экологически безопасен и не требует создания очистных 
сооружений;
•
• за счет диффузионного слоя в виде твердого раствора цинка 
в  железе получаемое покрытие имеет прочную адгезионную 
связь с подложкой;
•
• защитная способность покрытия в 2–4 раза выше, чем у гальванических и горячецинковых покрытий;
•
• диффузионный цинк покрывает детали равномерным слоем без 
наплывов, точно повторяя профиль цинкуемой поверхности, 
включая глухие отверстия, элементы сложной конфигурации, 
щели, полости, резьбу и т.п. изделия;
•
• метод позволяет, в отличие от других способов, цинковать длинномерные трубы с обеих сторон, а при необходимости — цинковать только внутреннюю или только наружную поверхности 
труб, в  зависимости от  размещения порошковых цинксодержащих смесей — снаружи или внутри трубы;
•
• отходы производства не требуют захоронения;
•
• диффузионное цинковое покрытие сертификатом Госсанэпиднадзора № 78.1.3.315.П.17512.9.99 от 06.09.99 г. допущено к контакту с водой питьевого и бытового водоснабжения.
Сопоставительный анализ свойств защитных цинковых покрытий, полученных широко используемым в промышленности 
способом горячего цинкования металлоизделий в  ваннах с  расплавленным цинком и  способом термодиффузионного цинкования в электрической печи сопротивления, детально рассмотрен 
Е.В. Проскуркиным в [3, 4].
Согласно [3, 4], особо жесткими условиями эксплуатации трубопроводов, накопительных емкостей, деталей машин и  механизмов характеризуются нефтедобывающая отрасль, судостроение 
и морской флот, коксохимическая и нефтеперерабатывающая промышленность, энергетика и железнодорожный транспорт. Анализ 
свойств цинковых покрытий металлоконструкций в перечисленных 
отраслях промышленности показывает, что покрытия не только 
должны обладать повышенной прочностью и коррозионной стойкостью, но и быть устойчивыми к эрозионному воздействию агрессивных сред, а также иметь высокую степень сцепления с поверхностью защищаемого изделия.
В горячецинковом покрытии присутствует пять фаз (α, γ, δ, ζ, 
η), последовательность расположения которых находится в точном 
соответствии с  диаграммой состояния системы Fe-Zn по  линии 
температуры цинкования (рис. В.1).
7

Рис. В.1. Диаграмма состояния системы Fe-Zn
Расположение слоев цинкового покрытия, полученного методом 
горячего цинкования, в направлении от стального основания покрываемого изделия к поверхности (краю) покрытия показано на рис. В.2.
На снимке рис. В.2 отчетливо видны слои η-фазы различной 
толщины.
Переходной фазой от основного металла к слою покрытия является α-фаза (цинковый феррит). Растворимость цинка в α-фазе при 
250°C составляет 4,5%.
Выше α-фазы находится γ-фаза, которая выглядит на рис. В.2 как 
очень узкая (1–3 мкм) темная полоса. Она содержит от 28 до 21% 
железа и является поставщиком для процесса взаимной диффузии 
железа в цинковое покрытие и цинка в железо, т.е. протекающего 
во времени процесса выравнивания состава путем взаимного проникновения частиц.
После зоны γ-фазы в цинковом покрытии следует слой δ-фазы 
с содержанием железа от 11,5 до 7% (по массе). При травлении 
δ-фаза обнаруживает две зоны: компактную, примыкающую 
8

 
 
Рис. В.1. Диаграмма состояния системы Fe-Zn 
Расположение слоев цинкового покрытия, полученного методом
его цинкования, в направлении от стального основания покрываемого
ия к поверхности (краю) покрытия показано на рис.В.2.  
к  γ-фазе, и  столбчатую (волокнистой структуры). Следующая 
за  δ-фазой ζ-фаза обычно имеет ярко выраженную столбчатую 
структуру. Содержание железа в ζ-фазе составляет 6,2–6,0% (по 
массе). Верхний слой покрытия (η-фаза) представляет собой 
твердый расплав цинка. В зависимости от режима цинкования этот 
верхний слой цинковых покрытий, полученных в расплаве цинка, 
может составлять от 1/3 до 1/2 (и более) толщины слоя покрытия 
(см. рис. В.2). В основном состав этой фазы соответствует составу 
расплава цинка, однако иногда в верхнем слое может быть обнаружено повышенное содержание железа, например, когда в этот слой 
внедряются кристаллы ζ-фазы.
 
 
γ-фаза 
α-фаза 
Рис. В.2. Микроструктура цинкового покрытия, полученного горячим 
цинкованием
Физико-химические характеристики отдельных фаз покрытия 
(из [2—4]) приведены в табл. В.1.
 
 
 
 
 
 
Рис. В.2. Микроструктура цинкового покрытия, 
 полученного горячим цинкованием 
На снимке отчетливо видны слои η-фазы различной толщины. 
Таблица В.1
Характеристики фаз покрытия
Плотность,
Фаза
Формула
Содержание 
Fe,%
г/см3
Микротвердость, МПа
1.	 α-фаза
Fe21Zn
95,5
7,7–7,8
1500
21–28
7,36
5047–5390
2.	 γ-фаза
Fe3Zn10 — 
Fe5Zn21
7–11,5
7,24–7,25
4450–4615
3.	 δ-фаза
FeZn7 — 
FeZn11
4.	 ζ-фаза
FeZn13
6,0–6,2
7,18
2650
5.	 η-фаза
Zn
0,008–0,028
7,13
360
На рис. В.3 представлена микроструктура цинкового покрытия, 
полученного диффузионным методом. Как видим, в классическом 
Переходной фазой от основного металла к слою покрытия является α(цинковый феррит). Растворимость цинка в α-фазе при 250°С
вляет 4,5%.  
Выше α-фазы находится γ-фаза, которая выглядит на рис. В.2 как очень
(1–3 мкм) темная полоса. Она содержит от 28 до 21% железа и
тся поставщиком для процесса взаимной диффузии железа в цинковое
ытие и цинка в железо, т.е. протекающего во времени процесса
внивания состава путем взаимного проникновения частиц.  
9
11 

диффузионном цинковом покрытии, полученном путем химикотермической обработки в  порошковых смесях на  основе цинка 
при 290–450°С и продолжительности обработки 3–5 ч, четко наблюдаются в основном три фазы: α-фаза, представляющая собой 
твердый раствор цинка в железе; затем γ-фаза, представляющая 
собой тонкий (2–4 мкм) слой, расположенный непосредственно 
на поверхности покрываемого изделия, и следующая за этим слоем 
δ-фаза.
Фаза γ представляет собой слой интерметаллического соединения, граничащий с одной стороны с твердым раствором цинка 
в железе (α-фаза), а с другой — с δ-фазой.
Фаза δ  — также является интерметаллическим соединением. 
Структура δ-фазы на травленом шлифе выглядит в виде вытянутых 
(столбчатых) кристаллов (рис. В.3).
Фаза δ - также является интерметаллическим соединением. Структура 
δ-фазы на травленном шлифе выглядит в виде вытянутых (столбчатых) 
кристаллов (рис. В.3).  
 
α-фаза 
сталь 
 
Рис. В.3. Микроструктура цинкового покрытия, полученного
термодиффузионным цинкованием в электрической печи сопротивления
Отсутствие в данном цинковом покрытии η и ζ-фаз приводит 
к существенному повышению твердости покрытия по сравнению 
с покрытием, полученным способом горячего цинкования. В свою 
очередь, это обеспечивает достаточно высокую сопротивляемость 
абразивному износу. В табл. В.2 приведены данные по микротвердости различных цинковых покрытий в сравнении с микротвердостью некоторых марок стали, используемых для изготовления труб.
Как следует из  табл. В2, термодиффузионные цинковые по 
Рис. В.3. Микроструктура цинкового покрытия,  
полученного термодиффузионным цинкованием  
в электрической печи сопротивления 
 
Отсутствие в данном цинковом покрытии η и ζ-фаз приводит к 
существенному 
повышению 
твердости 
покрытия 
по 
сравнению 
с 
покрытием, полученным способом горячего цинкования. В свою очередь 
это обеспечивает достаточно высокую сопротивляемость абразивному 
износу. В таблице В.2 приведены данные по микротвердости различных 
цинковых покрытий в сравнении с микротвердостью некоторых марок 
стали, используемых для изготовления труб.  
крытия с точки зрения прочностных свойств имеют существенные 
преимущества по сравнению с другими видами покрытий.
10