Sulle analisi dell'atomo di carbonio diffuso nella ghisa grigia durante il processo di carbocementazione

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18303 (2022) Citare questo articolo

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Lo studio ha utilizzato la seconda legge di diffusione di Fick per scoprire alcuni aspetti sconosciuti della diffusione del carbonio nella ghisa grigia durante il processo di cementazione. È stata posta enfasi sugli esperimenti e sulla modellizzazione teorica per ottenere risultati migliori. Gli additivi polverizzati di palmisti e gusci d'uovo pari al 70 (in peso%) e al 30 (in peso%) secondo la legge di Voige della miscela sono stati considerati come un mezzo continuo senza considerare la natura atomica della miscela. Inoltre, è stato descritto un approccio cinetico in cui è stato stabilito un modello fisico del substrato immerso nella miscela di carbonio mentre sono state modellate le equazioni di diffusione per stabilire il meccanismo di diffusione del carbonio durante la carburazione. La composizione iniziale e la concentrazione dell'atomo diffuso sono rimaste costanti, ovvero 2,68 e 6,67% di carbonio. Mentre il tempo di cementazione utilizzato variava rispettivamente da 60 min, 90 min, 120 min, 150 min, 180 min e 210 min a una temperatura di cementazione costante di 900°, i risultati hanno rivelato un gradiente di composizione variabile dell'atomo di carbonio compreso tra 5,4%, 5,42%, 5,44 %, 5,46%, 5,51% e 5,65 rispetto al contenuto di carbonio iniziale del 2,68%. La concentrazione dell'atomo di carbonio sulla superficie del substrato in tempi variabili implica che il processo fosse una diffusione non stazionaria che ha verificato la seconda legge di diffusione di Fick. Pertanto, la composizione ottenuta è una funzione delle condizioni al contorno come la posizione temporale e la temperatura. Questo nuovo studio migliorerà la comprensione del trattamento termico dei metalli in modo tale che le loro applicazioni nel settore saranno numerose.

I materiali metallici che hanno subito un trattamento termico tramite processo di carburazione presentano superfici caratterizzate da proprietà meccaniche migliorate1. Sono sostanzialmente modificati per applicazioni di ingegneria avanzata utilizzando il meccanismo di diffusione2. La diffusione comportava la compressione degli atomi di carbonio oltre gli atomi circostanti in altri per raggiungere una nuova posizione. Il processo di diffusione può essere meglio compreso dai parametri dell'equazione della legge di Fick e dalla conoscenza dell'energia di attivazione richiesta per il processo di diffusione3. Ad esempio, la seconda legge di Fick stabilisce una diffusione degli atomi in uno stato non stazionario come descritto dall'equazione differenziale \(\frac{dc}{{dt}} = \frac{{Dd^{2} }}{{dx^{ 2} }}\) la cui soluzione è funzione di un particolare processo di diffusione descritto dai parametri al contorno nell'Eq. 14.

La soluzione della seconda legge di Fick consente di valutare la concentrazione di un atomo diffuso in prossimità della superficie del materiale del coupon in funzione del tempo e della distanza, a condizione che il coefficiente di diffusione D rimanga costante e la concentrazione dell'atomo alla superficie \( C_{s}\) così come all'interno del materiale \(C_{0}\) rimangono invariati5. Uno studio recente sulla diffusione degli additivi di palmisti e gusci d'uovo nella ghisa grigia ha evidenziato un aumento della durezza del materiale6. Le proprietà tribologiche del materiale trattato tramite processo di diffusione erano eccellenti, il che lo ha reso adatto per materiali di ingegneria avanzata7,8. Il principio della seconda legge di Fick era stato utilizzato in modo limitato per valutare la profondità delle proprietà meccaniche diffuse in questi materiali, rendendo così l'analisi o la determinazione del significato statistico dell'atomo di carbonio diffuso un grosso problema9,10,11. Uno dei problemi principali nell'analisi della diffusione è la determinazione del campo di temperatura e della profondità del carbonio imposto nell'ambiente circostante il substrato metallico12,13. Lo studio ha dimostrato che la conoscenza della distribuzione della temperatura potrebbe essere un indicatore per comprendere il meccanismo di diffusione del carbonio e la profondità della diffusione14. Per i materiali in ghisa grigia, la conoscenza della diffusione del carbonio è importante per analizzare l'integrità strutturale. Inoltre, la conoscenza della diffusione del carbonio è fondamentale per l'ottimizzazione dello spessore del rivestimento e della compatibilità degli agenti cementanti15,16,17,18,19,20. Tuttavia, il movimento degli atomi è un fattore essenziale affinché il processo di diffusione avvenga nei metalli. Pertanto, comprendere la dinamica del processo di diffusione rimane un problema cruciale nella determinazione della profondità del carbonio nei materiali solidi21.