Sur les analyses d'atome de carbone diffusé dans la fonte grise lors du processus de carburation

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18303 (2022) Citer cet article

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L'étude a utilisé la deuxième loi de diffusion de Fick pour découvrir un aspect inconnu de la diffusion du carbone dans la fonte grise au cours du processus de carburation. L'accent mis sur les expériences et la modélisation théorique a été mis en place pour de meilleures réalisations. Des additifs de noix de palme et de coquille d'œuf pulvérisés de 70 (% en poids) et 30 (%) selon la loi de mélange de Voige ont été considérés comme un milieu continu sans tenir compte de la nature atomique du mélange. De plus, une approche cinétique a été décrite où un modèle physique du substrat immergé dans le mélange de carbone a été établi tandis que les équations de diffusion ont été modélisées pour établir le mécanisme de diffusion du carbone lors de la carburation. La composition et la concentration initiales de l'atome diffusé sont restées constantes, soit 2,68 et 6,67 % de carbone. Alors que le temps de carburation utilisé variait de 60 min, 90 min, 120 min, 150 min, 180 min et 210 min respectivement à une température de carburation constante de 900° Les résultats ont révélé un gradient de composition variable d'atome de carbone allant de 5,4 %, 5,42 %, 5,44 %, 5,46 %, 5,51 % et 5,65 par rapport à la teneur initiale en carbone de 2,68 %. La concentration d'atomes de carbone à la surface du substrat à des moments variables implique que le processus était une diffusion à l'état non stationnaire, ce qui a vérifié la deuxième loi de diffusion de Fick. Par conséquent, la composition obtenue est fonction des conditions aux limites telles que la position dans le temps et la température. Cette nouvelle étude améliorera la compréhension du traitement thermique des métaux de sorte que leurs applications dans l'industrie seront nombreuses.

Les matériaux métalliques qui ont subi un traitement thermique via un processus de carburation ont des surfaces caractérisées par des propriétés mécaniques améliorées1. Ils sont essentiellement modifiés pour des applications d'ingénierie avancées utilisant un mécanisme de diffusion2. La diffusion impliquait la compression des atomes de carbone au-delà de ses atomes environnants dans d'autres pour atteindre une nouvelle position. Le processus de diffusion peut être mieux compris à partir du paramètre d'équation de la loi de Fick ainsi que de la connaissance de l'énergie d'activation requise pour le processus de diffusion3. Par exemple, la deuxième loi de Fick établit une diffusion non stationnaire des atomes telle que décrite par l'équation différentielle \(\frac{dc}{{dt}} = \frac{{Dd^{2} }}{{dx^{ 2} }}\) dont la solution est une fonction d'un processus de diffusion particulier décrit par les paramètres aux limites dans l'Eq. 14.

La solution de la deuxième loi de Fick permet d'évaluer la concentration d'un atome diffusé près de la surface du matériau du coupon en fonction du temps et de la distance, à condition que le coefficient de diffusion D reste constant et que la concentration de l'atome à la surface \( C_{s}\) ainsi qu'au sein du matériau \(C_{0}\) restent inchangés5. Une étude récente sur la diffusion d'additifs de palmiste et de coquille d'œuf dans la fonte grise a entraîné une augmentation de la dureté du matériau6. Les propriétés tribologiques du matériau traité via le processus de diffusion étaient excellentes, ce qui le rendait adapté aux matériaux d'ingénierie avancés7,8. Le principe de la deuxième loi de Fick avait été peu utilisé pour évaluer la profondeur des propriétés mécaniques diffusées dans ces matériaux, faisant ainsi de l'analyse ou de l'établissement de la signification statistique de l'atome de carbone diffusé un problème majeur9,10,11. Un problème majeur dans l'analyse de diffusion est la détermination du champ de température et de la profondeur de carbone imposée à l'environnement du substrat métallique12,13. Une étude a montré que la connaissance de la distribution de température pourrait être un pointeur pour comprendre le mécanisme de diffusion du carbone ainsi que la profondeur de diffusion14. Pour les matériaux en fonte grise, la connaissance de la diffusion du carbone est importante dans l'analyse de l'intégrité structurale. De plus, la connaissance de la diffusion du carbone est essentielle à l'optimisation de l'épaisseur du revêtement ainsi qu'à la compatibilité des agents de cémentation15,16,17,18,19,20. Cependant, le mouvement des atomes est un facteur essentiel pour que le processus de diffusion ait lieu dans les métaux. Par conséquent, la compréhension de la dynamique du processus de diffusion reste un problème crucial dans la détermination de la profondeur de carbone dans les matériaux solides21.

De plus, la teneur en carbone telle que celle du palmiste, de la noix de coco, du charbon de bois et des coquilles d'œufs a été la principale teneur en carbone qui est généralement déployée pendant le processus de carburation. Leur respect de l'environnement et leur respect de l'environnement en font les matériaux les plus prometteurs pour les applications avancées de traitement thermique. Cependant, les applications commerciales de ces matériaux organiques sont limitées par certains inconvénients dont la détermination de la profondeur de diffusion du carbone22. Pour résoudre ces problèmes et améliorer les applications de ces matériaux organiques, divers matériaux, méthodes et concepts ont été conçus et développés. Par exemple, Chen et al.23 ont développé un béton léger à énergie thermique et l'ont renforcé avec du carbone provenant de coques de palmiste. Cela a aidé à améliorer le retard thermique et à abaisser la température maximale en tant que composite. Plus encore, l'alliage de l'acier avec des borures à haute température a entraîné une augmentation de la dureté du substrat24 et l'épaisseur des couches a augmenté avec l'augmentation de la température, comme indiqué par Hu et al.25. Il a également été rapporté que le carbone diffuse dans la surface et se dépose dans la région cubique centrée sur la face lors de la carburation de l'acier austénitique. Ceci entraîne donc une augmentation de la dureté des couches formées et laissant le chrome sous sa forme libre et permet une augmentation de la résistance à la corrosion ainsi que des améliorations des propriétés tribologiques et mécaniques. Cependant, il est important de comprendre que dans un processus de diffusion idéal, un atome diffusant passe devant les atomes environnants pour atteindre la nouvelle position. Cela implique que l'énergie sera utilisée pour forcer l'atome à sa nouvelle position. Ainsi, la barrière d'énergie nécessaire pour déplacer l'atome vers sa nouvelle position est appelée énergie d'activation26,27,28,29,30.

Dans notre recherche actuelle, la diffusion dans la fonte grise à l'aide d'additifs de palmiste et de coquille d'œuf pulvérisés a montré une augmentation de la dureté du matériau du substrat. Par conséquent, le but de cette étude est de déployer la deuxième loi de Fick dans la détermination de la profondeur de carbone dans le matériau qui a entraîné une augmentation de la dureté après le processus de carburation. Cette méthode était devenue importante dans la compréhension de la diffusion dans les solides, les liquides et les gaz.

L'approche expérimentale impliquait l'utilisation d'additifs de palmiste et de coquille d'œuf pulvérisés de 70 (% en poids) de palmiste pulvérisé et de 30 (% en poids) de coquilles d'œuf pulvérisées selon la loi de mélange de Voige. Des substrats en fonte grise de dimensions (20 mm × 20 mm × 10 mm) et de composition chimique (% en poids) de 2,68 C, 1,42 Si, 0,63 Mn, 0,13 S, 0,28 P ont été préparés à l'aide de différentes qualités d'abrasifs au carbure de silicium pour obtenir une surface polie et lisse pour une diffusion facile du carbone. Le substrat en fonte grise préparé a été intégré dans des conteneurs en acier inoxydable pour réduire le taux d'absorption du carbone et a finalement été chargé dans un four à moufle d'une capacité de 1200 ℃. Le processus de carburation a été effectué à une température de 900 ℃ pendant 60, 90, 120, 150 et 180 min, après quoi il a été arrêté et le refroidissement a été effectué à l'aide d'eau. L'eau a été utilisée comme milieu de trempe en raison de sa capacité naturelle de transfert de chaleur par convection et de la tendance à augmenter la propriété de dureté du substrat. La composition initiale et la concentration de l'atome diffusé sont restées constantes, soit 2,68 et 6,67 %. Il s'agit de pouvoir déterminer le pourcentage d'atome de carbone diffusé à la surface du matériau, profondeur de diffusion à un instant donné.

L'objectif principal de ces analyses est de déterminer le champ de température impacté par le milieu environnant (carburateurs) sur la matière cémentée (fonte grise). Étant donné que le processus de conduction a lieu pour une bonne diffusion du carbone dans le matériau, il est important de comprendre et d'analyser la répartition de la température autour du matériau. Pour ce faire, la loi de Fourier sur la conduction thermique a été utilisée.

Considérons un substrat en fonte grise de dimensions (20 mm × 20 mm × 10 mm) immergé dans un milieu homogène dans lequel il n'y a pas de mouvement de masse, comme le montre la Fig. 1. Laissez la distribution de température être décrite par des coordonnées cartésiennes sous la forme , \(T_{G} \left( {x_{G} , y_{G} , z_{G} } \right)\). En supposant un volume de contrôle infinitésimal défini par \(dx_{G} \times dy_{G } \times dz_{G}\). Le transfert de chaleur par conduction s'est produit à chaque surface de contrôle en raison de la variation de température, donc le taux de chaleur conduit perpendiculairement aux coordonnées \(x_{G} - , y_{G} - , z_{G}\) peut être désigné par \( Q_ {{x_{G} }} ,\;Q_{{y_{G} }} ,\;Q_{{z_{G} }}\) respectivement.

Analyse de conduction en coordonnées cartésiennes.

Par conséquent, le taux de conduction thermique est donné par les équations;

L'énergie thermique générée dans le milieu est donnée par ;

Sur la base de l'énergie thermique générée, il y avait une variation de l'énergie thermique interne stockée par le matériau en fonte grise qui est cémenté. Cependant, en l'absence de transformation de phase, l'énergie latente est minimale et l'énergie stockée est donnée par ;

L'énergie de conservation requise dans le milieu est donnée par;

Étant donné que le taux de conduction thermique implique l'entrée et la sortie d'énergie et la substitution des équations. 5 et 6 en éq. 7 rendement

Substitution à partir des équations. 2–4, dans l'éq. 9 rendements;

En supposant que le matériau devienne isotrope après le processus de carburation, le taux de chaleur de conduction peut être établi à partir de la loi de Fourier ;

Chaque équation de l'Eq. 11 représente le flux de chaleur résultant de la diffusion à travers le substrat

En remplaçant le flux de chaleur Eqs. 11, 12 et 13 dans l'équation. 9 et en divisant par le volume de contrôle \(\left( {dx_{G} dy_{G } dz_{G} } \right)\), on obtient

L'équation 15 est l'équation de transfert thermique lorsque le substrat est représenté en coordonnées cartésiennes. Ce modèle établit les principes fondamentaux de la chaleur conduite à travers le matériau du substrat. Ainsi, il est possible d'obtenir la température distribuée au cours du processus de carburation.

En supposant que la distribution de température à travers le substrat est égale par l'équation ;

Cette équation est exprimée en fonction du temps et établit également la conservation de l'énergie. Ainsi, \(\frac{\partial }{{\partial x_{G} }}\left( {k\frac{\partial T}{{\partial x_{G} }}} \right)\) est lié à la chaleur nette conduite dans le substrat dans la direction de la coordonnée x

La même chose peut être exprimée dans les coordonnées y et z pour obtenir les équations. 18 et 19

Par conséquent, pour une conductivité thermique constante, Eq. 15 peut être réécrit comme;

où \(\alpha = \frac{K}{{\rho C_{p} }}\) est la diffusivité thermique.

Selon la seconde loi de Fick, l'atome de carbone diffusé lors de la carburation peut être défini par l'équation différentielle sous la forme [32] ;

Et les conditions aux limites pour le processus de carburation dépendent de l'équation [32] ;

où \(c_{0}\) la teneur en carbone de la fonte grise telle que reçue qui est donnée par 2,68 %, \(c_{s}\) valeur supposée du schéma du système d'alliage fer-carbone entre le fer pur et un composé interstitiel , carbure de fer (Fe3C), contenant 6,67 % de carbone. \(c_{x}\) Implique la concentration du carbone diffusé à une profondeur notée x en millimètre sous la surface du matériau au temps t. D'après le résultat de la carburation, la valeur de \(c_{x} = 5,40\%\) à t = 60 min soit 3600 s, D est le coefficient de diffusion et il reste constant pour constant, \(c_{s}\) à condition que \(c_{0} \) reste également constant. D = 2 × 10−11 (m2 s−1) de carbone dans la diffusion du carbone interstitiel du fer FCC [33].

Ainsi, à partir de ces conditions, la solution de la deuxième loi de Fick a permis à l'étude de déterminer la concentration d'un atome de carbone diffusé en fonction du temps et de la distance (profondeur) de carburation. erf = fonction d'erreur qui est donnée par 0,71 [34], t = temps de carburation qui est donné par 3600 s, x = est la profondeur (mm) ?

En substituant les valeurs dans Eq. 22

Les figures 2, 3, 4, 5, 6 et 7 illustrent la variation de la composition en pourcentage des atomes de carbone diffusés à différents instants à une température de 900°. D'après la Fig. 2, il a été observé que 5,4 % de carbone diffusaient dans le matériau à une profondeur de 0,0144 mm à 60 min. En comparant cela avec la composition initiale de 2,68 %, il y a eu une augmentation d'environ 2,72 % de la teneur en carbone à la surface du matériau. Ainsi, la force motrice de la diffusion du carbone a conduit à des changements microstructuraux dans la teneur en carbone du substrat.

Diffusion d'atomes de carbone à la surface d'une fonte grise à 900° pendant 60 min.

Diffusion d'atomes de carbone à la surface d'une fonte grise à 900° pendant 90 min.

Diffusion d'atomes de carbone à la surface d'une fonte grise à 900° pendant 120 min.

Diffusion d'atomes de carbone à la surface d'une fonte grise à 900° pendant 150 min.

Diffusion d'atomes de carbone à la surface d'une fonte grise à 900° pendant 180 min.

Diffusion d'atomes de carbone à la surface d'une fonte grise à 900° pendant 210 min.

De plus, la figure 3 illustre la diffusion des atomes de carbone à 90 min. Environ 5,40 % ont été déposés à une profondeur de 0,000294655 mm. environ 0,02 % d'augmentation par rapport à la diffusion à 60 min. De plus, avec la température de diffusion toujours maintenue à 900° tout en augmentant le temps de diffusion (temps de maintien) à 120 et 150 min, la composition en atomes de carbone a augmenté à environ 5,44 et 5,46 respectivement comme décrit par les Figs. 4 et 5. La profondeur de dépôt correspondante dans la surface du matériau était également de 9,13E-54 et 0,080498. Ainsi, le résultat a établi le fait qu'un temps de diffusion accru entraînera également une augmentation du dépôt de carbone.

De même, les Fig. 6 et 7 représentent la composition en atome de carbone à 180 et 210 min respectivement à la même température de carburation. La composition à ce moment était de 5,51 et 5,65 respectivement à une distance de 0,043305317 et 0,0577404231. En comparaison avec la composition initiale en carbone, il a été observé qu'une augmentation d'environ 2,83 et 2,97 a été ajoutée à différents temps de carburation respectivement. Ainsi, la solution de la deuxième loi de Fick permet à l'étude d'établir la composition de l'atome de carbone diffusant près de la surface du substrat en fonction du temps et de la distance respectivement.

Par conséquent, la carburation a été définie dans cette étude comme la diffusion du carbone dans le métal du substrat. L'objectif était de déterminer le gradient de concentration de carbone à des moments variables puisque l'ensemble du processus impliquait des effets thermiques. Ainsi, les paramètres de traitement tels que la température et le temps sont les principaux influenceurs des potentiels de carbone diffusés. D'après les résultats, il convient de dire qu'indépendamment de l'interaction entre le carbone et les autres éléments d'alliage présents dans le carbone, la diffusion du carbone dans le substrat (fonte grise) était une description parfaite de la deuxième loi de diffusion de Fick. En effet, le gradient de composition de l'atome de carbone près de la surface du substrat varie avec le temps en raison de l'accumulation de carbone. C'est la raison pour laquelle on l'appelle une diffusion en régime non stationnaire telle qu'exprimée dans les équations modélisées.

La figure 8 montre la microstructure SEM de la fonte grise telle que reçue avant carburation. De même, la figure 9 montre la microstructure de la fonte grise cémentée à 900 ° C à 60 min. D'après la figure, il a été observé que le graphite domine la surface du métal, ce qui est attribuable à la nature de la teneur en carbone utilisée dans l'expérience de carburation. Plus encore, la figure 10 décrit également la microstructure de l'échantillon cémenté à 900 ° C à quatre-vingt-dix (90) minutes. On a observé que la surface avait un précipité accru de carbone, les mêmes caractéristiques ont été observées sur les Fig. 11–12 pour les échantillons cémentés à 120 et 150 min respectivement. Cependant, à 180 min (Fig. 13), la surface métallique a été caractérisée avec des précipités de graphite. Ainsi, la présence de graphite indique que la diffusion a effectivement eu lieu au cours du processus de carburation.

Microstructure SEM de la fonte grise telle que reçue.

Microstructure SEM de fonte grise cémentée à 900 °C pendant 60 min.

Microstructure SEM de fonte grise cémentée à 900 °C pendant 90 min.

Microstructure SEM de fonte grise cémentée à 900 °C pendant 120 min.

Microstructure SEM de fonte grise cémentée à 900 °C pendant 150 min.

Microstructure SEM de fonte grise cémentée à 900 °C pendant 180 min.

La micro-dureté initiale de la fonte telle que reçue était de 288,41 HV, qui a augmenté à 355,8 HV après carburation à 180 min. Cela a montré qu'il y avait une augmentation d'environ 67,39 HV par rapport à la valeur de dureté initiale. Cet incrément est fonction de l'ajustement des paramètres caractéristiques de la matière cémentée. De plus, la résistance à la fatigue et à l'usure des composants en fonte grise a été améliorée.

De l'étude, il a été établi que les atomes du carbone utilisé lors de la carburation se déplaçaient de manière différente pour éliminer les différences de concentration et produire finalement un dépôt homogène sur le matériau en fonte grise. Ces dépôts sont de composition variable. Ainsi, la compréhension des mouvements atomiques au cours du processus de diffusion a été établie. Plus encore, il a été établi qu'un atome diffusant du carbone passait devant les autres atomes environnants jusqu'à ce qu'il se dépose sur le matériau. Ce processus nécessite un apport d'énergie pour forcer l'atome à se déposer. C'est la raison de la température de carburation.

De plus, la présence de graphite dans les microstructures telle qu'observée dans les échantillons cémentés contribuerait à l'amélioration de la résistance à l'usure car la présence de graphite sert de lubrifiant au matériau. Ainsi, la fatigue thermique est réduite. Plus encore, l'augmentation de la microdureté aidera à réduire l'abrasion de surface de la fonte grise lors de l'application.

De plus, la deuxième loi de Fick avait été utilisée pour établir la diffusion à l'état non stationnaire des atomes de carbone dans le matériau du substrat (fonte grise). Cependant, une conséquence de la deuxième loi de Fick est la possibilité d'atteindre le profil de composition constant pour des conditions variables, à condition que Dt reste constant. Pour plusieurs traitements thermiques et pour la plupart des applications industrielles, il sera possible de déterminer l'effet de la température à des moments variables.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

Aucun code n'a été utilisé pour le calcul des données rapportées dans cette étude.

Répartition de la température dans l'échantillon de fonte grise

Coordonnée X dans l'échantillon de fonte grise

Coordonnée Y dans l'échantillon de fonte grise

Coordonnée Z dans l'échantillon de fonte grise

Volume de contrôle infinitésimal dans les coordonnées x, y et z dans l'échantillon de fonte grise

Taux de conduction thermique perpendiculaire aux coordonnées

Énergie thermique générée dans l'échantillon de fonte grise

Énergie thermique stockée par la fonte grise

Taux de chaleur de conduction dans différentes directions

Diffusivité thermique

La teneur en carbone de la fonte grise telle que réceptionnée

Valeur supposée du diagramme du système d'alliage fer-carbone entre le fer pur et un composé interstitiel, le carbure de fer (Fe3C)

La concentration du carbone diffusé à une profondeur notée xn millimètre sous la surface du matériau au temps t

Fonction d'erreur de la deuxième loi de Fick

Temps de carburation en secondes

La profondeur (mm)

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Les auteurs n'ont reçu de soutien d'aucune organisation pour le travail soumis.

Département de génie mécanique, Université Covenant, PMB 1023, Ota, État d'Ogun, Nigéria

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

Département de génie mécanique, Université Landmark, PMB 1001, Omu-Aran, État de Kwara, Nigéria

Adeolu A. Adediran

Département des sciences du génie mécanique, Université de Johannesburg, Johannesburg, Afrique du Sud

Adeolu A. Adediran

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EYS, OOA, AOI, AAA, JOD et ROL ont eu l'idée de l'article, EYS, OOA, AOI, AAA, JOD et ROL ont effectué la recherche documentaire et l'analyse des données. EYS, OOA, AOI, AAA, JOD et ROL ont rédigé et/ou révisé de manière critique le travail. EYS, OOA, AOI, AAA, JOD et ROL ont lu de manière critique et approuvé le manuscrit final.

Correspondance à Enesi Y. Salawu ou Adeolu A. Adediran.

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Réimpressions et autorisations

Salawu, EY, Adediran, AA, Ajayi, OO et al. Sur les analyses d'atome de carbone diffusé dans la fonte grise lors du processus de carburation. Sci Rep 12, 18303 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22136-w

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Reçu : 23 février 2022

Accepté : 10 octobre 2022

Publié: 31 octobre 2022

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

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