Sobre los análisis del átomo de carbono difundido en la fundición gris durante el proceso de carburación

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 18303 (2022) Citar este artículo

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El estudio empleó la segunda ley de difusión de Fick para descubrir algún aspecto desconocido de la difusión de carbono en la fundición gris durante el proceso de carburación. Se estableció énfasis en los experimentos y modelos teóricos para mejores logros. Los aditivos de palmiste y cáscara de huevo pulverizados de 70 (% en peso) y 30 (% en peso) de acuerdo con la ley de mezcla de Voige se consideraron como un medio continuo sin considerar la naturaleza atómica de la mezcla. Además, se describió un enfoque cinético en el que se estableció un modelo físico del sustrato sumergido en la mezcla de carbono mientras se modelaban las ecuaciones de difusión para establecer el mecanismo de difusión del carbono durante la carburación. La composición inicial y la concentración del átomo difundido permanecieron constantes, que son 2,68 y 6,67% de carbono. Mientras que el tiempo de cementación utilizado varió de 60 min, 90 min, 120 min, 150 min, 180 min y 210 min respectivamente a una temperatura de cementación constante de 900 ° Los resultados revelaron un gradiente de composición variable del átomo de carbono que oscilaba entre 5,4%, 5,42%, 5,44 %, 5,46%, 5,51% y 5,65 en comparación con el contenido de carbono inicial de 2,68%. La concentración de átomos de carbono en la superficie del sustrato en tiempos variables implica que el proceso fue una difusión en estado no estacionario que verificó la segunda ley de difusión de Fick. Por lo tanto, la composición lograda es una función de las condiciones de contorno, como el tiempo, la posición y la temperatura. Este nuevo estudio mejorará la comprensión del tratamiento térmico de los metales, de modo que sus aplicaciones en la industria serán numerosas.

Los materiales metálicos que se han sometido a un tratamiento térmico mediante un proceso de cementación tienen superficies caracterizadas por propiedades mecánicas mejoradas1. Básicamente se modifican para aplicaciones de ingeniería avanzada que utilizan el mecanismo de difusión2. La difusión implicó la compresión de átomos de carbono más allá de los átomos circundantes en otros para alcanzar una nueva posición. El proceso de difusión se puede entender mejor a partir del parámetro de la ecuación de la ley de Fick, así como del conocimiento de la energía de activación requerida para el proceso de difusión3. Por ejemplo, la segunda ley de Fick estableció una difusión de átomos en estado no estacionario como se describe en la ecuación diferencial \(\frac{dc}{{dt}} = \frac{{Dd^{2} }}{{dx^{ 2} }}\) cuya solución es una función de un proceso de difusión particular descrito por los parámetros de contorno en la ecuación. 14

La solución a la segunda ley de Fick permite evaluar la concentración de un átomo difundido cerca de la superficie del material del cupón en función del tiempo y la distancia, siempre que el coeficiente de difusión D permanezca constante y la concentración del átomo en la superficie \( C_{s}\) así como dentro del material \(C_{0}\) permanecen sin cambios5. Un estudio reciente sobre la difusión de aditivos de almendra de palma y cáscara de huevo en el hierro fundido gris resultó en un aumento de la dureza del material6. Las propiedades tribológicas del material tratado mediante el proceso de difusión fueron excelentes, lo que lo hizo adecuado para materiales de ingeniería avanzada7,8. El principio de la segunda ley de Fick se había utilizado de forma limitada para evaluar la profundidad de las propiedades mecánicas que se habían difundido en estos materiales, por lo que el análisis o el establecimiento de la significación estadística del átomo de carbono difundido era un problema importante9,10,11. Un problema importante en el análisis de difusión es la determinación del campo de temperatura y la profundidad del carbono impuesto en los alrededores del sustrato metálico12,13. El estudio ha demostrado que el conocimiento de la distribución de la temperatura podría ser un indicador para comprender el mecanismo de difusión del carbono, así como la profundidad de la difusión14. Para el material de fundición gris, el conocimiento de la difusión del carbono es importante para analizar la integridad estructural. Además, el conocimiento de la difusión del carbono es fundamental para optimizar el espesor del recubrimiento y la compatibilidad de los agentes carburantes15,16,17,18,19,20. Sin embargo, el movimiento de los átomos es un factor esencial para que se produzca el proceso de difusión en los metales. Por lo tanto, comprender la dinámica del proceso de difusión sigue siendo un problema crucial en la determinación de la profundidad del carbono en materiales sólidos21.

Además, el contenido de carbono como el de la semilla de palma, el coco, el carbón vegetal y las cáscaras de huevo han sido los principales contenidos de carbono que generalmente se utilizan durante el proceso de carburación. El respeto por el medio ambiente y el medio ambiente los convierten en los materiales más prometedores para aplicaciones avanzadas de tratamiento térmico. Sin embargo, las aplicaciones comerciales de estos materiales orgánicos están limitadas por algunos inconvenientes, incluida la determinación de la profundidad de difusión del carbono22. Para abordar estos problemas y mejorar las aplicaciones de estos materiales orgánicos, se han diseñado y desarrollado varios materiales, métodos y conceptos. Por ejemplo, Chen et al.23 desarrollaron un concreto de energía térmica de peso ligero y lo reforzaron con carbón de cáscara de palmiste. Esto ayudó a mejorar el retraso térmico y redujo la temperatura máxima como compuesto. Más aún, la aleación de acero con boruros a alta temperatura dio como resultado un aumento en la dureza del sustrato24 y el grosor de las capas aumentó con el aumento de la temperatura, según lo informado por Hu et al.25. También se ha informado que el carbono se difunde en la superficie y se asienta en la región cúbica centrada en la cara durante la cementación del acero austenítico. Esto por tanto, provoca un aumento de la dureza de las capas formadas y dejando el cromo en su forma libre y permite un aumento de la resistencia a la corrosión así como mejoras en las propiedades tribológicas y mecánicas. Sin embargo, es importante comprender que en un proceso de difusión ideal, un átomo que se difunde pasa a través de los átomos circundantes para llegar a la nueva posición. Esto implica que se utilizará energía para forzar al átomo a su nueva posición. Así, la barrera de energía necesaria para mover el átomo a su nueva posición se denomina energía de activación26,27,28,29,30.

En nuestra presente investigación, la difusión en hierro fundido gris utilizando aditivos de cáscara de huevo y palmiste pulverizados mostró un aumento en la dureza del material del sustrato. Por lo tanto, el objetivo de este estudio es implementar la Segunda Ley de Fick en la determinación de la profundidad de carbono en el material que resultó en una mayor dureza después del proceso de carburación. Este método se había vuelto prominente en la comprensión de la difusión en sólidos, líquidos y gases.

El enfoque experimental involucró el uso de aditivos de almendra de palma pulverizada y cáscara de huevo de 70 (% en peso) de almendra de palma pulverizada y 30 (% en peso) de cáscara de huevo pulverizada de acuerdo con la ley de mezcla de Voige. Se prepararon sustratos de hierro fundido gris de dimensiones (20 mm × 20 mm × 10 mm) y composición química (% en peso) de 2,68 C, 1,42 Si, 0,63 Mn, 0,13 S, 0,28 P utilizando diferentes grados de abrasivos de carburo de silicio para obtener una superficie pulida y lisa para facilitar la difusión del carbono. El sustrato de hierro fundido gris preparado se incrustó en algunos contenedores de acero inoxidable para reducir la tasa de absorción de carbono y finalmente se cargó en un horno de mufla de 1200 ℃ de capacidad. El proceso de carburación se llevó a cabo a una temperatura de 900 ℃ durante 60, 90, 120, 150 y 180 min, después de lo cual se detuvo y se enfrió con agua. Se usó agua como medio de extinción debido a su capacidad natural de transferencia de calor por convección y la tendencia de aumentar la propiedad de dureza del sustrato. La composición inicial y la concentración del átomo difundido permanecieron constantes, que son 2,68 y 6,67%. Esto es para poder determinar el porcentaje de átomo de carbono difundido en la superficie del material, la profundidad de difusión en un momento determinado.

El objetivo principal de estos análisis es determinar el campo de temperatura que incide el medio circundante (carburadores) sobre el material carburizado (fundición gris). Dado que el proceso de conducción tiene lugar para la difusión adecuada del carbono en el material, es importante comprender y analizar la distribución de temperatura alrededor del material. Para lograr esto, se empleó la ley de conducción de calor de Fourier.

Considere un sustrato de hierro fundido gris de dimensiones (20 mm × 20 mm × 10 mm) sumergido en un medio homogéneo en el que no hay movimiento a granel como se muestra en la figura 1. Deje que la distribución de temperatura se describa mediante coordenadas cartesianas en la forma , \(T_{G } \left( {x_{G} , y_{G} , z_{G} } \right)\). Suponiendo un volumen de control infinitesimal definido por \(dx_{G} \times dy_{G } \times dz_{G}\). La transferencia de calor por conducción se produjo en cada superficie de control debido a la variación de temperatura, por lo tanto, la tasa de calor conducido perpendicularmente a las coordenadas \(x_{G} - , y_{G} - , z_{G}\) se puede indicar mediante \( Q_ {{x_{G} }} ,\;Q_{{y_{G} }} ,\;Q_{{z_{G} }}\) respectivamente.

Análisis de conducción en coordenadas cartesianas.

Por lo tanto, la tasa de conducción de calor viene dada por las ecuaciones;

La energía térmica generada dentro del medio viene dada por;

En función de la energía térmica generada, hubo variación en la energía térmica interna almacenada por el material de fundición gris que se está carburando. Sin embargo, en ausencia de transformación de fase, la energía latente es mínima y la energía almacenada viene dada por;

La energía de conservación requerida dentro del medio está dada por;

Dado que la tasa de conducción de calor implica entrada y salida de energía y sustituyendo las Ecs. 5 y 6 en la ecuación. 7 rendimiento

Sustituyendo de las Ecs. 2–4, en la ecuación. 9 rendimientos;

Suponiendo que el material se vuelve isótropo después del proceso de carburación, entonces la tasa de calor por conducción se puede establecer a partir de la ley de Fourier;

Cada ecuación de la Ec. 11 representa el flujo de calor resultante de la difusión a través del sustrato

Sustituyendo las ecuaciones de flujo de calor. 11, 12 y 13 en la ecuación. 9 y dividiendo el volumen de control \(\left( {dx_{G} dy_{G } dz_{G} } \right)\), obtenemos

La ecuación 15 es la ecuación de transferencia de calor cuando el sustrato se representa en coordenadas cartesianas. Este modelo establece los fundamentos del calor conducido a través del material del sustrato. Así, es posible obtener la temperatura distribuida durante el proceso de carburación.

Asumiendo que la distribución de temperatura a través del sustrato está determinada por la ecuación;

Esta ecuación se expresa en función del tiempo y también establece la conservación de la energía. Por lo tanto, \(\frac{\partial {{\partial x_{G} }}\left( {k\frac{\partial T}{{\partial x_{G} }}} \right)\) está relacionado al calor neto conducido al sustrato en la dirección de la coordenada x

Lo mismo se puede expresar en las coordenadas y y z para obtener las Ecs. 18 y 19

Por lo tanto, para una conductividad térmica constante, la Ec. 15 se puede reescribir como;

donde \(\alpha = \frac{K}{{\rho C_{p} }}\) es la difusividad térmica.

De acuerdo con la segunda ley de Fick, el átomo de carbono difundido durante la carburación se puede definir mediante la ecuación diferencial en la forma [32];

Y las condiciones de contorno para el proceso de carburación dependen de la ecuación [32];

donde \(c_{0}\) el contenido de carbono para el hierro fundido gris tal como se recibe, que viene dado por 2,68 %, \(c_{s}\) valor asumido del diagrama del sistema de aleación de hierro-carbono entre hierro puro y un compuesto intersticial , carburo de hierro (Fe3C), que contiene 6,67 % de carbono. \(c_{x}\) Implica la concentración del carbono difundido a una profundidad indicada por x en milímetros por debajo de la superficie del material en el momento t. Del resultado de la carburación, el valor de \(c_{x} = 5.40\%\) en t = 60 min que es 3600 s, D es el coeficiente de difusión y permanece constante para \(c_{s}\) siempre que \(c_{0} \) también permanezca constante. D = 2 × 10−11 (m2 s−1) de carbono en la difusión de carbono intersticial de hierro FCC [33].

Así, en base a estas condiciones, la solución de la segunda ley de Fick permitió al estudio determinar la concentración de un átomo de carbono difundido en función del tiempo de carburización y la distancia (profundidad). erf = función de error que viene dada por 0.71 [34], t = tiempo de carburación que viene dado como 3600 s, x = es la profundidad (mm)?

Sustituyendo los valores en la Ec. 22

Las figuras 2, 3, 4, 5, 6 y 7 ilustran la variación en la composición porcentual de los átomos de carbono difundidos en varios momentos a una temperatura de 900°. A partir de la Fig. 2, se observó que el 5,4 % del carbono se difundió en el material a una profundidad de 0,0144 mm a los 60 min. Comparando esto con la composición inicial de 2,68 %, hubo un aumento de aproximadamente 2,72 % en el contenido de carbono en la superficie del material. Por lo tanto, la fuerza impulsora de la difusión del carbono condujo a cambios microestructurales en el contenido de carbono del sustrato.

Difusión de átomos de carbono en la superficie de fundición gris a 900° durante 60 min.

Difusión de átomos de carbono en la superficie de fundición gris a 900° durante 90 min.

Difusión de átomos de carbono en la superficie de fundición gris a 900° durante 120 min.

Difusión de átomos de carbono en la superficie de fundición gris a 900° durante 150 min.

Difusión de átomos de carbono en la superficie de fundición gris a 900° durante 180 min.

Difusión de átomos de carbono en la superficie de fundición gris a 900° durante 210 min.

Además, la Fig. 3 ilustra la difusión del átomo de carbono a los 90 min. Aproximadamente el 5,40% se depositó a una profundidad de 0,000294655 mm. aumento de aproximadamente 0,02% en comparación con la difusión a los 60 min. Además de esto, con la temperatura de difusión aún mantenida a 900° mientras se aumentaba el tiempo de difusión (tiempo de mantenimiento) a 120 y 150 min, se produjo un aumento de la composición en átomos de carbono a aproximadamente 5,44 y 5,46 respectivamente, como se describe en las Figs. 4 y 5. La correspondiente profundidad de depósito en la superficie del material fue 9,13E-54 y 0,080498 también. Por lo tanto, el resultado estableció el hecho de que un mayor tiempo de difusión conducirá también a un aumento en la deposición de carbono.

De manera similar, las Figs. 6 y 7 representan la composición del átomo de carbono a 180 y 210 min respectivamente a la misma temperatura de carburación. La composición en este momento eran 5,51 y 5,65 respectivamente a una distancia de 0,043305317 y 0,0577404231. En comparación con la composición de carbono inicial, se observó que se añadía un aumento de aproximadamente 2,83 y 2,97 en varios momentos de la carburación, respectivamente. Por lo tanto, la solución a la segunda ley de Fick permite que el estudio establezca la composición del átomo de carbono que se difunde cerca de la superficie del sustrato en función del tiempo y la distancia, respectivamente.

Por lo tanto, la carburación se definió en este estudio como la difusión de carbono en el sustrato metálico. El propósito fue determinar el gradiente de concentración de carbono en tiempos variables ya que todo el proceso involucraba efectos térmicos. Por lo tanto, los parámetros de procesamiento, como la temperatura y el tiempo, son los factores clave que influyen en los potenciales de carbono difundidos. A partir de los resultados, cabe señalar que, independientemente de la interacción entre el carbono y otros elementos de aleación presentes en el carbono, la difusión del carbono en el sustrato (hierro fundido gris) fue una descripción perfecta de la segunda ley de difusión de Fick. Esto se debe a que el gradiente de composición del átomo de carbono cerca de la superficie del sustrato varía con el tiempo debido a la acumulación de carbono. Esta es la razón por la que se denomina difusión de estado no estacionario, tal como se expresa en las ecuaciones modeladas.

La figura 8 muestra la microestructura SEM del hierro fundido gris tal como se recibe antes de la cementación. De manera similar, la Fig. 9 mostró la microestructura del hierro fundido gris cementado a 900 °C a los 60 min. A partir de la figura, se observó que el grafito domina la superficie del metal, lo que se debe a la naturaleza del contenido de carbono utilizado en el experimento de carburación. Más aún, la Fig. 10 también representa la microestructura de la muestra carburada a 900 °C a los noventa (90) minutos. Se observó que la superficie tenía un mayor precipitado de carbono, las mismas características se observaron en las Figs. 11–12 para muestras carburizadas a 120 y 150 min respectivamente. Sin embargo, a los 180 min (Fig. 13), la superficie metálica se caracterizó con precipitados de grafito. Por lo tanto, la presencia de grafito indica que la difusión realmente tuvo lugar durante el proceso de carburación.

Microestructura SEM de fundición gris tal como se recibe.

Microestructura SEM de fundición gris cementada a 900 °C durante 60 min.

Microestructura SEM de fundición gris cementada a 900 °C durante 90 min.

Microestructura SEM de fundición gris cementada a 900 °C durante 120 min.

Microestructura SEM de fundición gris cementada a 900 °C durante 150 min.

Microestructura SEM de fundición gris cementada a 900 °C durante 180 min.

La microdureza inicial del hierro fundido tal como se recibió fue de 288,41 HV, que aumentó a 355,8 HV después de la carburación a los 180 min. Esto mostró que hubo un aumento de aproximadamente 67,39 HV en comparación con el valor de dureza inicial. Este incremento es función del ajuste de los parámetros característicos del material cementado. Además, se ha mejorado la resistencia a la fatiga y al desgaste del componente de fundición gris.

A partir del estudio, se estableció que los átomos del carbono utilizado durante la carburación se movían de forma diferente para eliminar las diferencias de concentración y finalmente producir un depósito homogéneo en el material de fundición gris. Estos depósitos son de composición variable. Así, se ha establecido la comprensión de los movimientos atómicos durante el proceso de difusión. Más aún, se estableció que un átomo de carbono que se difunde pasó a través de los otros átomos circundantes hasta que se depositó en el material. Este proceso requiere suministro de energía para obligar al átomo a depositarse. Esta es la razón de la temperatura de carburación.

Además, la presencia de grafito en las microestructuras como se observa en las muestras carburizadas ayudaría a mejorar la resistencia al desgaste porque la presencia de grafito sirve como lubricante para el material. Por lo tanto, se reduce la fatiga térmica. Más aún, el aumento de la microdureza ayudará a reducir la abrasión superficial del hierro fundido gris durante la aplicación.

Además, la segunda ley de Fick se había utilizado para establecer la difusión en estado no estacionario de los átomos de carbono en el material del sustrato (hierro fundido gris). Sin embargo, una consecuencia de la segunda ley de Fick es la posibilidad de lograr un perfil de composición constante para condiciones variables, siempre que Dt permanezca constante. Para varios tratamientos térmicos y para la mayoría de las aplicaciones industriales, será posible determinar el efecto de la temperatura en tiempos variables.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

No se utilizó ningún código para el cálculo de los datos informados en este estudio.

Distribución de temperatura en la muestra de fundición gris

Coordenada X en la muestra de fundición gris

Coordenada Y en la muestra de fundición gris

Coordenada Z en la muestra de fundición gris

Volumen de control infinitesimal en las coordenadas x, y y z en la muestra de fundición gris

Tasa de conducción de calor perpendicular a las coordenadas

Energía térmica generada en la muestra de fundición gris

Energía térmica almacenada por fundición gris

Tasa de calor por conducción en varias direcciones

difusividad térmica

El contenido de carbono para el hierro fundido gris tal como se recibe

Valor asumido del diagrama del sistema de aleación de hierro-carbono entre hierro puro y compuesto intersticial, carburo de hierro (Fe3C)

La concentración del carbono difundido a una profundidad indicada por xn milímetros por debajo de la superficie del material en el tiempo t

Función de error de la segunda ley de Fick

Tiempo de carburación en segundos

La profundidad (mm)

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Los autores no recibieron apoyo de ninguna organización para el trabajo presentado.

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Covenant, PMB 1023, Ota, Estado de Ogun, Nigeria

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

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Landmark, PMB 1001, Omu-Aran, Estado de Kwara, Nigeria

Adeolu A. Adediran

Departamento de Ciencias de la Ingeniería Mecánica, Universidad de Johannesburgo, Johannesburgo, Sudáfrica

Adeolu A. Adediran

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EYS, OOA, AOI, AAA, JOD y ROL tuvieron la idea del artículo, EYS, OOA, AOI, AAA, JOD y ROL realizaron la búsqueda bibliográfica y el análisis de datos. EYS, OOA, AOI, AAA, JOD y ROL redactaron y/o revisaron críticamente el trabajo. EYS, OOA, AOI, AAA, JOD y ROL leyeron críticamente y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Enesi Y. Salawu o Adeolu A. Adediran.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Salawu, EY, Adediran, AA, Ajayi, OO et al. Sobre los análisis del átomo de carbono difundido en la fundición gris durante el proceso de carburación. Informe científico 12, 18303 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22136-w

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Recibido: 23 febrero 2022

Aceptado: 10 de octubre de 2022

Publicado: 31 de octubre de 2022

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

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