Zur Analyse von Kohlenstoffatomen, die während des Aufkohlungsprozesses in graues Gusseisen diffundieren

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18303 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Studie nutzte das zweite Diffusionsgesetz von Fick, um einen unbekannten Aspekt der Kohlenstoffdiffusion in Grauguss während des Aufkohlungsprozesses zu entdecken. Für bessere Ergebnisse wurde der Schwerpunkt auf Experimenten und theoretischer Modellierung gelegt. Pulverisierte Palmkern- und Eierschalenzusätze von 70 (Gew. %) und 30 (Gew. %) gemäß dem Voigeschen Mischungsgesetz wurden als kontinuierliches Medium betrachtet, ohne die atomare Natur der Mischung zu berücksichtigen. Darüber hinaus wurde ein kinetischer Ansatz beschrieben, bei dem ein physikalisches Modell des in die Kohlenstoffmischung eingetauchten Substrats erstellt und gleichzeitig Diffusionsgleichungen modelliert wurden, um den Mechanismus der Kohlenstoffdiffusion während der Aufkohlung zu ermitteln. Die anfängliche Zusammensetzung und Konzentration der diffundierten Atome blieben konstant und betrugen 2,68 bzw. 6,67 % Kohlenstoff. Während die verwendete Aufkohlungszeit zwischen 60 Minuten, 90 Minuten, 120 Minuten, 150 Minuten, 180 Minuten und 210 Minuten bei einer konstanten Aufkohlungstemperatur von 900° variierte, zeigten die Ergebnisse einen unterschiedlichen Zusammensetzungsgradienten der Kohlenstoffatome im Bereich von 5,4 %, 5,42 % und 5,44 % %, 5,46 %, 5,51 % und 5,65 im Vergleich zum anfänglichen Kohlenstoffgehalt von 2,68 %. Die Konzentration von Kohlenstoffatomen auf der Substratoberfläche zu unterschiedlichen Zeiten lässt darauf schließen, dass es sich bei dem Prozess um eine instationäre Diffusion handelte, was das zweite Diffusionsgesetz von Fick bestätigte. Daher ist die erreichte Zusammensetzung eine Funktion von Randbedingungen wie Zeit, Ort und Temperatur. Diese neuartige Studie wird das Verständnis der Wärmebehandlung von Metallen verbessern, sodass ihre Anwendungen in der Industrie zahlreich sein werden.

Metallische Werkstoffe, die einer Wärmebehandlung durch einen Aufkohlungsprozess unterzogen wurden, weisen Oberflächen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften auf1. Sie werden grundsätzlich für fortgeschrittene technische Anwendungen mithilfe des Diffusionsmechanismus2 modifiziert. Bei der Diffusion werden Kohlenstoffatome an den umgebenden Atomen vorbeigedrückt, um eine neue Position zu erreichen. Der Diffusionsprozess lässt sich am besten anhand des Gleichungsparameters des Fickschen Gesetzes sowie der Kenntnis der für den Diffusionsprozess erforderlichen Aktivierungsenergie verstehen3. Zum Beispiel etablierte das zweite Gesetz von Fick eine instationäre Diffusion von Atomen, wie sie durch die Differentialgleichung \(\frac{dc}{{dt}} = \frac{{Dd^{2} }}{{dx^{ 2} }}\), dessen Lösung eine Funktion eines bestimmten Diffusionsprozesses ist, der durch die Randparameter in Gleichung beschrieben wird. 14.

Die Lösung des zweiten Fickschen Gesetzes ermöglicht die Bewertung der Konzentration eines in der Nähe der Oberfläche des Probematerials diffundierten Atoms als Funktion von Zeit und Entfernung, vorausgesetzt, dass der Diffusionskoeffizient D konstant bleibt und die Konzentration des Atoms an der Oberfläche \( C_{s}\) sowie innerhalb des Materials \(C_{0}\) bleiben unverändert5. Eine aktuelle Studie über die Verbreitung von Palmkern- und Eierschalenzusätzen in Grauguss führte zu einer Erhöhung der Härte des Materials6. Die tribologischen Eigenschaften des durch den Diffusionsprozess behandelten Materials waren ausgezeichnet, was es für fortschrittliche technische Materialien geeignet machte7,8. Das Prinzip des zweiten Fickschen Gesetzes wurde bei der Beurteilung der Tiefe der mechanischen Eigenschaften, die in diese Materialien diffundiert waren, nur begrenzt genutzt, was die Analyse oder Feststellung der statistischen Signifikanz des diffundierten Kohlenstoffatoms zu einem großen Problem machte9,10,11. Ein Hauptproblem bei der Diffusionsanalyse ist die Bestimmung des Temperaturfelds und der Kohlenstofftiefe, die auf die Umgebung des Substratmetalls ausgeübt wird12,13. Studien haben gezeigt, dass die Kenntnis der Temperaturverteilung ein Hinweis auf das Verständnis des Kohlenstoffdiffusionsmechanismus sowie der Diffusionstiefe sein könnte14. Bei Graugusswerkstoffen ist die Kenntnis der Kohlenstoffdiffusion für die Analyse der strukturellen Integrität wichtig. Auch die Kenntnis der Kohlenstoffdiffusion ist entscheidend für die Optimierung der Schichtdicke sowie der Kompatibilität der Aufkohlungsmittel15,16,17,18,19,20. Allerdings ist die Bewegung von Atomen ein wesentlicher Faktor für den Diffusionsprozess in Metallen. Daher bleibt das Verständnis der Dynamik des Diffusionsprozesses ein entscheidendes Problem bei der Bestimmung der Kohlenstofftiefe in festen Materialien21.

Darüber hinaus sind Kohlenstoffgehalte wie der von Palmkernen, Kokosnüssen, Holzkohle und Eierschalen der Hauptkohlenstoffgehalt, der normalerweise während des Aufkohlungsprozesses eingesetzt wird. Ihre Umweltfreundlichkeit und Umweltfreundlichkeit machen sie zu den vielversprechendsten Materialien für fortschrittliche Wärmebehandlungsanwendungen. Allerdings sind die kommerziellen Anwendungen dieser organischen Materialien durch einige Nachteile eingeschränkt, darunter die Bestimmung der Tiefe der Kohlenstoffdiffusion22. Um diese Probleme anzugehen und die Anwendungen dieser organischen Materialien zu verbessern, wurden verschiedene Materialien, Methoden und Konzepte entworfen und entwickelt. Beispielsweise entwickelten Chen et al.23 einen leichten Wärmebeton und verstärkten ihn mit Kohlenstoff aus Palmkernschalen. Dies trug zur Verbesserung der thermischen Verzögerung bei und senkte die Spitzentemperatur im Verbund. Darüber hinaus führte das Legieren von Stahl mit Boriden bei hohen Temperaturen zu einer Erhöhung der Härte des Substrats24 und die Dicke der Schichten nahm mit zunehmender Temperatur zu, wie von Hu et al.25 berichtet. Es wurde auch berichtet, dass Kohlenstoff während der Aufkohlung von austenitischem Stahl in die Oberfläche diffundiert und sich im kubisch-flächenzentrierten Bereich ablagert. Dadurch wird die Härte der gebildeten Schichten erhöht, Chrom bleibt in seiner freien Form erhalten und ermöglicht eine Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit sowie Verbesserungen der tribologischen und mechanischen Eigenschaften. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass sich bei einem idealen Diffusionsprozess ein diffundierendes Atom an den umgebenden Atomen vorbeidrängt, um an die neue Position zu gelangen. Das bedeutet, dass Energie aufgewendet wird, um das Atom in seine neue Position zu zwingen. Daher wird die Energiebarriere, die erforderlich ist, um das Atom an seine neue Position zu bewegen, als Aktivierungsenergie26,27,28,29,30 bezeichnet.

In unserer vorliegenden Untersuchung zeigte die Diffusion in Grauguss unter Verwendung pulverisierter Palmkern- und Eierschalenzusätze einen Anstieg der Härte des Substratmaterials. Ziel dieser Studie ist es daher, das zweite Ficksche Gesetz bei der Bestimmung der Kohlenstofftiefe im Material anzuwenden, die nach dem Aufkohlungsprozess zu einer erhöhten Härte führte. Diese Methode hatte eine herausragende Bedeutung für das Verständnis der Diffusion in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen erlangt.

Der experimentelle Ansatz umfasste die Verwendung von pulverisierten Palmkern- und Eierschalenzusätzen aus 70 (Gew. %) pulverisierten Palmkernen und 30 (Gew. %) pulverisierten Eierschalen gemäß dem Voige-Gesetz der Mischung. Graugusssubstrate mit den Abmessungen (20 mm × 20 mm × 10 mm) und der chemischen Zusammensetzung (Gew. %) von 2,68 C, 1,42 Si, 0,63 Mn, 0,13 S, 0,28 P wurden unter Verwendung verschiedener Qualitäten von Siliziumkarbid-Schleifmitteln hergestellt eine polierte und glatte Oberfläche für eine einfache Kohlenstoffdiffusion. Vorbereitetes Graugusssubstrat wurde in einige Edelstahlbehälter eingebettet, um die Kohlenstoffabsorptionsrate zu verringern, und schließlich in einen Muffelofen mit einer Kapazität von 1200 °C gefüllt. Der Aufkohlungsprozess wurde bei einer Temperatur von 900 °C für 60, 90, 120, 150 und 180 Minuten durchgeführt, danach wurde er gestoppt und mit Wasser gekühlt. Aufgrund seiner natürlichen konvektiven Wärmeübertragungsfähigkeit und der Tendenz, die Härte des Substrats zu erhöhen, wurde Wasser als Abschreckmedium verwendet. Die anfängliche Zusammensetzung und Konzentration der diffundierten Atome blieben konstant und betrugen 2,68 bzw. 6,67 %. Dies dient dazu, den Prozentsatz der in die Materialoberfläche diffundierten Kohlenstoffatome und die Diffusionstiefe zu einem bestimmten Zeitpunkt zu bestimmen.

Das Hauptziel dieser Analysen besteht darin, das Temperaturfeld zu bestimmen, das das umgebende Medium (Aufkohler) auf das aufgekohlte Material (Grauguss) ausübt. Da für die ordnungsgemäße Diffusion von Kohlenstoff in das Material ein Leitungsprozess stattfindet, ist es wichtig, die Temperaturverteilung um das Material herum zu verstehen und zu analysieren. Um dies zu erreichen, wurde das Fouriersche Gesetz der Wärmeleitung angewendet.

Betrachten Sie ein Graugusssubstrat mit den Abmessungen (20 mm × 20 mm × 10 mm), das in ein homogenes Medium eingetaucht ist, in dem es keine Massenbewegung gibt, wie in Abb. 1 dargestellt. Die Temperaturverteilung sei durch kartesische Koordinaten in der Form beschrieben , \(T_{G } \left( {x_{G} , y_{G} , z_{G} } \right)\). Unter der Annahme eines infinitesimalen Kontrollvolumens definiert durch \(dx_{G} \times dy_{G } \times dz_{G}\). An jeder Steuerfläche kam es aufgrund von Temperaturschwankungen zu einer Wärmeleitungsübertragung, daher kann die Rate der senkrecht zu den Koordinaten \(x_{G} - , y_{G} - , z_{G}\) geleiteten Wärme durch \( Q_ {{x_{G} }} ,\;Q_{{y_{G} }} ,\;Q_{{z_{G} }}\).

Leitungsanalyse in kartesischen Koordinaten.

Daher ist die Wärmeleitungsrate durch die Gleichungen gegeben;

Die im Medium erzeugte Wärmeenergie ist gegeben durch:

Basierend auf der erzeugten Wärmeenergie gab es Schwankungen in der internen Wärmeenergie, die das aufzukohlende Graugussmaterial speicherte. Ohne Phasenumwandlung ist die latente Energie jedoch minimal und die gespeicherte Energie beträgt:

Die im Medium erforderliche Erhaltungsenergie ist gegeben durch:

Da die Wärmeleitungsrate die Energiezufuhr und -abgabe einschließt und die Gleichungen ersetzt werden. 5 und 6 in Gl. 7 Ertrag

Ersetzen aus Gl. 2–4, in Gl. 9 Erträge;

Unter der Annahme, dass das Material nach dem Aufkohlungsprozess isotrop wird, kann die Wärmeleitungsrate aus dem Fourier-Gesetz ermittelt werden;

Jede Gleichung aus Gl. 11 stellt den Wärmefluss dar, der aus der Diffusion über das Substrat resultiert

Ersetzen des Wärmeflusses durch Gleichungen. 11, 12 und 13 in Gl. 9 und dividiert durch das Kontrollvolumen \(\left( {dx_{G} dy_{G } dz_{G} } \right)\) erhalten wir

Gleichung 15 ist die Wärmeübertragungsgleichung, wenn das Substrat in kartesischen Koordinaten dargestellt wird. Dieses Modell legt die Grundlagen der durch das Substratmaterial geleiteten Wärme fest. Dadurch ist es möglich, die Temperaturverteilung während des Aufkohlungsprozesses zu ermitteln.

Unter der Annahme, dass die Temperaturverteilung über das Substrat durch die Gleichung ausgeglichen wird;

Diese Gleichung wird als Funktion der Zeit ausgedrückt und legt auch die Energieeinsparung fest. Damit ist \(\frac{\partial }{{\partial x_{G} }}\left( {k\frac{\partial T}{{\partial x_{G} }}} \right)\) verknüpft zur Nettowärme, die in x-Koordinatenrichtung in das Substrat geleitet wird

Dasselbe kann in den y- und z-Koordinaten ausgedrückt werden, um die Gleichungen zu erhalten. 18 und 19

Für eine konstante Wärmeleitfähigkeit gilt daher Gl. 15 kann umgeschrieben werden als;

wobei \(\alpha = \frac{K}{{\rho C_{p} }}\) die thermische Diffusionsfähigkeit ist.

Gemäß dem zweiten Gesetz von Fick kann das während der Aufkohlung diffundierte Kohlenstoffatom durch die Differentialgleichung in der Form [32] definiert werden;

Und die Randbedingungen für den Aufkohlungsprozess hängen von der Gleichung [32] ab;

wobei \(c_{0}\) der Kohlenstoffgehalt für das graue Gusseisen im Lieferzustand ist, der 2,68 % beträgt, \(c_{s}\) angenommener Wert aus dem Eisen-Kohlenstoff-Legierungssystemdiagramm zwischen reinem Eisen und einer interstitiellen Verbindung , Eisencarbid (Fe3C), mit 6,67 % Kohlenstoff. \(c_{x}\) Impliziert die Konzentration des diffundierten Kohlenstoffs in einer mit x in Millimetern bezeichneten Tiefe unter der Materialoberfläche zum Zeitpunkt t. Aus dem Aufkohlungsergebnis ergibt sich der Wert für \(c_{x} = 5,40\%\) bei t = 60 min, was 3600 s entspricht, D ist der Diffusionskoeffizient und er bleibt konstant für konstant, \(c_{s}\) sofern \(c_{0} \) ebenfalls konstant bleibt. D = 2 × 10−11 (m2 s−1) Kohlenstoff in der interstitiellen Kohlenstoffdiffusion von FCC-Eisen [33].

Basierend auf diesen Bedingungen ermöglichte die Lösung des zweiten Fickschen Gesetzes die Bestimmung der Konzentration eines diffundierten Kohlenstoffatoms als Funktion der Aufkohlungszeit und -strecke (Tiefe). erf = Fehlerfunktion, gegeben durch 0,71 [34], t = Zeit der Aufkohlung, gegeben als 3600 s, x = ist die Tiefe (mm)?

Einsetzen der Werte in Gl. 22

Die Abbildungen 2, 3, 4, 5, 6 und 7 veranschaulichen die Variation der prozentualen Zusammensetzung der zu verschiedenen Zeiten bei einer Temperatur von 900° diffundierten Kohlenstoffatome. Aus Abb. 2 geht hervor, dass nach 60 Minuten 5,4 % des Kohlenstoffs in einer Tiefe von 0,0144 mm in das Material diffundierten. Im Vergleich zur ursprünglichen Zusammensetzung von 2,68 % ergab sich ein Anstieg des Kohlenstoffgehalts auf der Materialoberfläche um etwa 2,72 %. Somit führte die treibende Kraft der Kohlenstoffdiffusion zu mikrostrukturellen Veränderungen im Kohlenstoffgehalt des Substrats.

Diffusion von Kohlenstoffatomen in die Oberfläche von Grauguss bei 900° für 60 Minuten.

Diffusion von Kohlenstoffatomen in die Oberfläche von Grauguss bei 900° für 90 Minuten.

Diffusion von Kohlenstoffatomen in die Oberfläche von Grauguss bei 900° für 120 Minuten.

Diffusion von Kohlenstoffatomen in die Oberfläche von Grauguss bei 900° für 150 Minuten.

Diffusion von Kohlenstoffatomen in die Oberfläche von Grauguss bei 900° für 180 Minuten.

Diffusion von Kohlenstoffatomen in die Oberfläche von Grauguss bei 900° für 210 Minuten.

Darüber hinaus zeigt Abb. 3 die Kohlenstoffatomdiffusion nach 90 Minuten. Etwa 5,40 % wurden in einer Tiefe von 0,000294655 mm abgelagert. ca. 0,02 % Steigerung im Vergleich zur Diffusion nach 60 min. Darüber hinaus führte eine Erhöhung der Diffusionszeit (Haltezeit) auf 120 und 150 Minuten zu einer Erhöhung der Kohlenstoffatomzusammensetzung auf etwa 5,44 bzw. 5,46, wenn die Diffusionstemperatur immer noch bei 900° gehalten wurde, wie in den Abbildungen beschrieben. 4 und 5. Die entsprechenden Ablagerungstiefen in der Materialoberfläche betrugen ebenfalls 9,13E-54 und 0,080498. Das Ergebnis belegt somit die Tatsache, dass eine längere Diffusionszeit auch zu einer Zunahme der Kohlenstoffablagerung führt.

Ebenso, Abb. 6 und 7 zeigen die Zusammensetzung des Kohlenstoffatoms bei 180 bzw. 210 Minuten bei der gleichen Aufkohlungstemperatur. Die Zusammensetzung betrug zu diesem Zeitpunkt 5,51 bzw. 5,65 bei einem Abstand von 0,043305317 und 0,0577404231. Im Vergleich zur anfänglichen Kohlenstoffzusammensetzung wurde beobachtet, dass zu verschiedenen Zeitpunkten der Aufkohlung ein Anstieg von etwa 2,83 bzw. 2,97 hinzukam. Somit ermöglicht die Lösung des zweiten Fickschen Gesetzes die Untersuchung der Zusammensetzung diffundierender Kohlenstoffatome in der Nähe der Substratoberfläche als Funktion der Zeit bzw. der Entfernung.

Daher wurde in dieser Studie die Aufkohlung als die Diffusion von Kohlenstoff in das Substratmetall definiert. Der Zweck bestand darin, den Konzentrationsgradienten von Kohlenstoff zu unterschiedlichen Zeiten zu bestimmen, da der gesamte Prozess thermische Effekte beinhaltete. Daher sind die Verarbeitungsparameter wie Temperatur und Zeit die wichtigsten Einflussfaktoren für das diffuse Kohlenstoffpotential. Aus den Ergebnissen kann man bemerkenswerterweise sagen, dass unabhängig von der Wechselwirkung zwischen dem Kohlenstoff und anderen im Kohlenstoff vorhandenen Legierungselementen die Diffusion von Kohlenstoff in das Substrat (Grauguss) eine perfekte Beschreibung des zweiten Diffusionsgesetzes von Fick war. Dies liegt daran, dass der Zusammensetzungsgradient der Kohlenstoffatome in der Nähe der Oberfläche des Substrats aufgrund der Kohlenstoffansammlung mit der Zeit variiert. Aus diesem Grund spricht man in den modellierten Gleichungen von einer instationären Diffusion.

Abbildung 8 zeigt die REM-Mikrostruktur des Graugusses im Lieferzustand vor der Aufkohlung. In ähnlicher Weise zeigt Abb. 9 die Mikrostruktur von Grauguss, der bei 900 °C für 60 Minuten aufgekohlt wurde. Aus der Abbildung geht hervor, dass Graphit die Metalloberfläche dominiert, was auf die Art des im Aufkohlungsexperiment verwendeten Kohlenstoffgehalts zurückzuführen ist. Darüber hinaus zeigt Abb. 10 auch die Mikrostruktur der aufgekohlten Probe bei 900 °C nach neunzig (90) Minuten. Es wurde beobachtet, dass die Oberfläche einen erhöhten Kohlenstoffniederschlag aufwies, die gleichen Eigenschaften wurden in den Abbildungen beobachtet. 11–12 für Proben, die bei 120 bzw. 150 Minuten aufgekohlt wurden. Nach 180 Minuten (Abb. 13) war die Metalloberfläche jedoch durch Graphitausfällungen gekennzeichnet. Somit weist das Vorhandensein von Graphit darauf hin, dass tatsächlich eine Diffusion während des Aufkohlungsprozesses stattgefunden hat.

REM-Mikrostruktur von Grauguss im Lieferzustand.

REM-Mikrostruktur von Grauguss, aufgekohlt bei 900 °C für 60 Minuten.

REM-Mikrostruktur von Grauguss, aufgekohlt bei 900 °C für 90 Minuten.

REM-Mikrostruktur von Grauguss, aufgekohlt bei 900 °C für 120 Minuten.

REM-Mikrostruktur von Grauguss, aufgekohlt bei 900 °C für 150 Minuten.

REM-Mikrostruktur von Grauguss, aufgekohlt bei 900 °C für 180 Minuten.

Die anfängliche Mikrohärte des Gusseisens im Lieferzustand betrug 288,41 HV und stieg nach der Aufkohlung bei 180 Minuten auf 355,8 HV an. Dies zeigte, dass es im Vergleich zum anfänglichen Härtewert einen Anstieg von etwa 67,39 HV gab. Dieser Zuwachs ist eine Funktion der Anpassung der charakteristischen Parameter des aufgekohlten Materials. Darüber hinaus wurde die Ermüdungs- und Verschleißfestigkeit von Graugusskomponenten verbessert.

Aus der Studie ging hervor, dass sich die Atome des während der Aufkohlung verwendeten Kohlenstoffs auf unterschiedliche Weise bewegten, um Konzentrationsunterschiede zu beseitigen und schließlich eine homogene Ablagerung auf dem Graugussmaterial zu erzeugen. Diese Ablagerungen sind von unterschiedlicher Zusammensetzung. Damit ist das Verständnis der Atombewegungen während des Diffusionsprozesses gesichert. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass sich ein diffundierendes Kohlenstoffatom an den anderen umgebenden Atomen vorbeidrängt, bis es sich auf dem Material ablagert. Dieser Prozess erfordert eine Energiezufuhr, um die Ablagerung des Atoms zu erzwingen. Dies ist der Grund für die Temperatur der Aufkohlung.

Darüber hinaus würde das Vorhandensein von Graphit in den Mikrostrukturen, wie es in den aufgekohlten Proben beobachtet wurde, zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit beitragen, da das Vorhandensein von Graphit als Schmiermittel für das Material dient. Dadurch wird die thermische Ermüdung reduziert. Darüber hinaus trägt die Erhöhung der Mikrohärte dazu bei, den Oberflächenabrieb des Graugusses während der Anwendung zu verringern.

Darüber hinaus wurde das zweite Fick-Gesetz verwendet, um die instationäre Diffusion von Kohlenstoffatomen in das Substratmaterial (Grauguss) zu ermitteln. Eine Konsequenz des zweiten Fickschen Gesetzes ist jedoch die Möglichkeit, ein konstantes Zusammensetzungsprofil für variierende Bedingungen zu erreichen, vorausgesetzt, dass Dt konstant bleibt. Für verschiedene Wärmebehandlungen und die meisten industriellen Anwendungen wird es möglich sein, den Temperatureffekt zu unterschiedlichen Zeiten zu bestimmen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Für die Berechnung der in dieser Studie gemeldeten Daten wurde kein Code verwendet.

Temperaturverteilung in der Graugussprobe

X-Koordinate in der Graugussprobe

Y-Koordinate in der Graugussprobe

Z-Koordinate in der Graugussprobe

Infinitesimales Kontrollvolumen in der x-, y- und z-Koordinate in der Graugussprobe

Wärmeleitungsrate senkrecht zu den Koordinaten

In der Graugussprobe erzeugte Wärmeenergie

Von Grauguss gespeicherte Wärmeenergie

Wärmeleitungsrate in verschiedene Richtungen

Wärmeleitzahl

Der Kohlenstoffgehalt des Graugusses im Lieferzustand

Angenommener Wert aus dem Diagramm des Eisen-Kohlenstoff-Legierungssystems zwischen reinem Eisen und einer interstitiellen Verbindung, Eisencarbid (Fe3C).

Die Konzentration des diffundierten Kohlenstoffs in einer Tiefe von xn Millimetern unter der Materialoberfläche zum Zeitpunkt t

Fehlerfunktion aus dem zweiten Fickschen Gesetz

Zeit der Aufkohlung in Sekunden

Die Tiefe (mm)

Karunaratne, MSA, Yan, S., Thomson, RC, Coghlan, L. & Higginson, RL Modellierung der Aufkohlung in 9Cr-1Mo ferritischen Stahlrohrsubstraten in experimentellen CO2-Atmosphären. Corros. Wissenschaft. 163, 108248 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Biglari, FR & Nikbin, KM Eine diffusionsgetriebene Aufkohlung kombiniert mit einem multiaxialen Kontinuumskriechmodell zur Vorhersage zufälliger Mehrfachrisse in technischen Legierungen. Ing. Bruch. Mech. 146, 89–108 (2015).

Artikel Google Scholar

Askeland, DR, Phulé, PP, Wright, WJ & Bhattacharya, DK Die Wissenschaft und Technik der Materialien. Wissenschaft 2, 558 (2003).

Google Scholar

Dos Santos, TJ, Tavares, FW & Abreu, CR Fick-Diffusionskoeffizienten mittels Molekulardynamik: Ein alternativer Ansatz im Fourier-Bereich. J. Mol. Liq. 329, 115460 (2021).

Artikel Google Scholar

Zhao, X., Luo, T. & Jin, H. Ein Vorhersagemodell für Selbst-, Maxwell-Stefan- und Fick-Diffusionskoeffizienten binärer überkritischer Wassermischungen. J. Mol. Liq. 324, 114735 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Salawu, EY, Ajayi, OO, Inegbenebor, A., Akinlabi, S. & Akinlabi, E. Einfluss pulverisierter Palmkern- und Eierschalenzusätze auf die Härte, den Reibungskoeffizienten und die Mikrostruktur von Graugussmaterial für fortgeschrittene Anwendungen. Ergebnisse Eng. 3, 100025 (2019).

Artikel Google Scholar

Salawu, EY et al. Untersuchung der Auswirkungen ausgewählter biobasierter Aufkohlungsmittel auf mechanische und mikrostrukturelle Eigenschaften von Grauguss. Heliyon 6(2), e03418 (2020).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Bailey, R. & Sun, Y. Packen Aufkohlung von kommerziell reinem Titan mit begrenzter Sauerstoffdiffusion für verbesserte tribologische Eigenschaften. Surfen. Mantel. Technol. 261, 28–34 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Nicolin, DJ, Rossoni, DF & Jorge, LMM Untersuchung der Unsicherheit bei der Anpassung der Diffusivität von Ficks zweitem Diffusionsgesetz unter Verwendung der Bootstrap-Methode. J. Food Eng. 184, 63–68 (2016).

Artikel Google Scholar

Rauma, M. & Johanson, G. Bewertung der Hautabsorption durch thermogravimetrische Analyse: Entwicklung eines Diffusionsmodells basierend auf dem zweiten Fick-Gesetz. J. Pharm. Wissenschaft. 98(11), 4365–4375 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Diao, J. & Hess, DW Verwendung von winkelaufgelöstem XPS zur Bestimmung von Tiefenprofilen basierend auf Ficks zweitem Diffusionsgesetz: Beschreibung der Methode und Simulationsstudie. J. Elektronenspektroskopie. Verwandt. Phänomen. 135(2–3), 87–104 (2004).

Artikel CAS Google Scholar

Paul, A., Laurila, T., Vuorinen, V. & Divinski, SV (2014). Ficks Diffusionsgesetze. In Thermodynamik, Diffusion und Kirkendall-Effekt in Festkörpern (S. 115–139). Springer, Cham.

Cantor, B. Ficks Gesetze: Diffusion. In Die Gleichungen der Materialien (S. 141–161). Oxford University Press.

Rashidi, NA & Yusup, S. Co-Valorisierung der verzögerten Petrolkoks-Palmkernschale für die Aktivkohleproduktion. J. Hazard. Mater. 403, 123876 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Young, D. et al. Instationäre Aufkohlung martensitischer 9–12 % Cr-Stähle in CO2-reichen Gasen bei 550 °C. Corros. Wissenschaft. 88, 161–169 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, C., Heard, PJ, Griffiths, I., Cherns, D. & Flewitt, PEJ Karbidausfällung im Zusammenhang mit der Aufkohlung von 9Cr–1Mo-Stahl in heißem CO2-Gas. Materialia 7, 100415 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, J., Li, H., Kong, C. & Young, DJ Oxidation und Aufkohlung von Fe–6Al/Fe–6Al–3Si in trockenen und nassen CO2-Gasen. Corros. Wissenschaft. 74, 256–264 (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

He, Y. et al. Bildung hohler Nanofaserrollen durch kontrollierbare Kohlenstoffdiffusion für einen Li-Metallwirt. Kohlenstoff 157, 622–630 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Tseng, SC, Lee, TC & Tsai, HY Diffusionseffekt für das katalytische Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren auf Metalllegierungssubstraten. Durchm. Verwandt. Mater. 96, 112–117 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zeng, Y., Li, Q. & Bai, K. Vorhersage interstitieller Diffusionsaktivierungsenergien von Stickstoff, Sauerstoff, Bor und Kohlenstoff in bcc-, fcc- und hcp-Metallen mithilfe maschinellen Lernens. Berechnen. Mater. Wissenschaft. 144, 232–247 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Pongsajanukul, P. et al. Theoretische Untersuchung der Kohlendioxidadsorption und -diffusion im metallorganischen MIL-127 (Fe)-Gerüst. Chem. Physik. 491, 118–125 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Lobo, LS, Figueiredo, JL & Bernardo, CA Kohlenstoffbildung und Vergasung auf Metallen. Massendiffusionsmechanismus: Eine Neubewertung. Katal. Heute 178(1), 110–116 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Chin, CO, Yang, J. Sauber. Prod. 261, 121227 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Buijnsters, JG et al. Diffusionsmodifizierte Borid-Zwischenschichten für die chemische Gasphasenabscheidung von Diamantfilmen mit geringer Restspannung auf Stahlsubstraten. Thin Solid Films 426(1–2), 85–93 (2003).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Hu, XJ, Zhang, BM, Chen, SH, Fang, F. & Jiang, JQ Oxidablagerungen auf Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt bei hohen Temperaturen. J. Eisen. Stahlres. Int. 20(1), 47–52 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Sun, Y. & Haruman, E. Tribokorrosionsverhalten von bei niedriger Temperatur plasmaaufgekohltem 316L-Edelstahl in 0,5 M NaCl-Lösung. Corros. Wissenschaft. 53(12), 4131–4140 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Sarrade, S. et al. Überblick über Korrosion in überkritischen Flüssigkeiten. J. Supercrit. Flüssigkeiten 120, 335–344 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, P., Liu, C., Guo, Q. & Liu, Y. Variation der Aktivierungsenergie, bestimmt durch einen modifizierten Arrhenius-Ansatz: Rollen der dynamischen Rekristallisation bei der Heißverformung einer Ni-basierten Superlegierung. J. Mater. Wissenschaft. Technol. 72, 162–171 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Kalaivanan, R., Ganesh, NV & Al-Mdallal, QM Eine Untersuchung zur Arrhenius-Aktivierungsenergie des Nanofluidflusses zweiten Grades mit aktiver und passiver Kontrolle von Nanomaterialien. Gehäusebolzen. Therm. Ing. 22, 100774 (2020).

Artikel Google Scholar

Baruah, B., Anand, R. & Behera, SK Master-Sinterkurve und Aktivierungsenergie des Sinterns von ZrO2-dotiertem Al2O3. Ceram. Int. 47(5), 7253–7257 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

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Die Autoren erhielten von keiner Organisation Unterstützung für die eingereichte Arbeit.

Fakultät für Maschinenbau, Covenant University, PMB 1023, Ota, Bundesstaat Ogun, Nigeria

Enesi Y. Salawu, Oluseyi O. Ajayi, Anthony O. Inegbenebor und Joseph O. Dirisu

Fakultät für Maschinenbau, Landmark University, PMB 1001, Omu-Aran, Bundesstaat Kwara, Nigeria

Adeolu A. Adediran

Fakultät für Maschinenbauwissenschaften, Universität Johannesburg, Johannesburg, Südafrika

Adeolu A. Adediran

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EYS, OOA, AOI, AAA, JOD und ROL hatten die Idee für den Artikel, EYS, OOA, AOI, AAA, JOD und ROL führten die Literatursuche und Datenanalyse durch. EYS, OOA, AOI, AAA, JOD und ROL haben die Arbeit entworfen und/oder kritisch überarbeitet. EYS, OOA, AOI, AAA, JOD und ROL haben das endgültige Manuskript kritisch gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Enesi Y. Salawu oder Adeolu A. Adediran.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Salawu, EY, Adediran, AA, Ajayi, OO et al. Zur Analyse von Kohlenstoffatomen, die während des Aufkohlungsprozesses in graues Gusseisen diffundieren. Sci Rep 12, 18303 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22136-w

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Eingegangen: 23. Februar 2022

Angenommen: 10. Oktober 2022

Veröffentlicht: 31. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22136-w

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