Об анализе атомов углерода, диффундирующих в серый чугун в процессе науглероживания

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 18303 (2022) Цитировать эту статью

601 Доступ

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В исследовании использовался второй закон диффузии Фика, чтобы обнаружить некоторые неизвестные аспекты диффузии углерода в сером чугуне во время процесса науглероживания. Для достижения лучших результатов упор был сделан на эксперименты и теоретическое моделирование. Измельченные добавки пальмоядра и яичной скорлупы в количестве 70 (мас.%) и 30 (мас.%) по закону смеси Фойге считали сплошной средой без учета атомарной природы смеси. Кроме того, был описан кинетический подход, при котором была создана физическая модель подложки, погруженной в углеродную смесь, а уравнения диффузии были смоделированы для установления механизма диффузии углерода во время науглероживания. Исходный состав и концентрация диффундировавших атомов остались постоянными и составляют 2,68 и 6,67% углерода. В то время как используемое время цементации варьировалось от 60 минут, 90 минут, 120 минут, 150 минут, 180 минут и 210 минут соответственно при постоянной температуре цементации 900°. Результаты показали, что градиент состава атомов углерода варьируется от 5,4%, 5,42%, 5,44 %, 5,46%, 5,51% и 5,65 по сравнению с исходным содержанием углерода 2,68%. Концентрация атомов углерода на поверхности подложки в разное время предполагает, что процесс представлял собой нестационарную диффузию, что подтверждает второй закон диффузии Фика. Следовательно, достигнутый состав является функцией граничных условий, таких как положение во времени и температура. Это новое исследование улучшит понимание термической обработки металлов, что приведет к многочисленным их применениям в промышленности.

Металлические материалы, прошедшие термическую обработку в процессе цементации, имеют поверхности с улучшенными механическими свойствами1. Они в основном модифицированы для передовых инженерных приложений с использованием механизма диффузии2. Диффузия включала вытеснение атомов углерода мимо окружающих его атомов в другие, чтобы занять новое положение. Процесс диффузии можно лучше всего понять, исходя из параметра уравнения закона Фика, а также зная энергию активации, необходимую для процесса диффузии3. Например, второй закон Фика установил нестационарную диффузию атомов, описываемую дифференциальным уравнением \(\frac{dc}{{dt}} = \frac{{Dd^{2} }}{{dx^{ 2} }}\), решение которого является функцией конкретного диффузионного процесса, описываемого граничными параметрами в уравнении. 14.

Решение второго закона Фика позволяет оценить концентрацию атома, диффундирующего вблизи поверхности материала купона, в зависимости от времени и расстояния при условии, что коэффициент диффузии D остается постоянным, а концентрация атома на поверхности \( C_{s}\), а также внутри материала \(C_{0}\) остаются неизменными5. Недавнее исследование диффузии добавок пальмового ядра и яичной скорлупы в серый чугун привело к увеличению твердости материала6. Трибологические свойства материала, обработанного методом диффузии, были превосходными, что делало его пригодным для использования в качестве современного инженерного материала7,8. Принцип второго закона Фика ограниченно использовался при оценке глубины механических свойств, которые были рассеяны в этих материалах, что делало анализ или установление статистической значимости диффузионного атома углерода серьезной проблемой9,10,11. Одной из основных проблем диффузионного анализа является определение температурного поля и глубины углерода, наложенного на окружающую среду металлической подложки12,13. Исследование показало, что знание распределения температуры может быть указателем на понимание механизма диффузии углерода, а также глубины диффузии14. Для серого чугуна знание диффузии углерода важно для анализа структурной целостности. Кроме того, знание диффузии углерода имеет решающее значение для оптимизации толщины покрытия, а также совместимости науглероживателей15,16,17,18,19,20. Однако движение атомов является существенным фактором для процесса диффузии в металлах. Поэтому понимание динамики процесса диффузии остается важной проблемой при определении глубины углерода в твердых материалах21.