浸炭過程でねずみ鋳鉄中に拡散する炭素原子の分析について

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18303 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この研究では、フィックの拡散第 2 法則を利用して、浸炭プロセス中のねずみ鋳鉄における炭素拡散の未知の側面を発見しました。より良い成果を得るために、実験と理論的モデリングに重点が置かれました。混合物の Voige の法則に従って 70 (wt.%) および 30 (wt.%) の粉砕されたパーム核および卵殻添加剤は、混合物の原子の性質を考慮せずに連続媒体とみなされました。さらに、浸炭中の炭素拡散のメカニズムを確立するために拡散方程式をモデル化しながら、炭素混合物に浸漬された基板の物理モデルを確立するという速度論的アプローチについても説明されました。拡散原子の初期組成と濃度は一定のままで、炭素は 2.68 % と 6.67 % でした。使用した浸炭時間は、浸炭温度900°一定で、それぞれ60分、90分、120分、150分、180分、210分と変化しました。その結果、炭素原子の組成勾配が5.4%、5.42%、5.44%の範囲で変化していることが明らかになりました。初期の炭素含有量 2.68% と比較して、%、5.46%、5.51%、および 5.65。変化する時間における基板表面上の炭素原子の濃度は、そのプロセスが非定常状態の拡散であったことを示唆しており、フィックの拡散の第 2 法則が証明されています。したがって、達成される組成は、時間位置や温度などの境界条件の関数になります。この新しい研究は、金属の熱処理の理解を深め、産業における応用が数多く広がることになるでしょう。

浸炭プロセスによる熱処理を受けた金属材料の表面は、機械的特性が向上しています1。これらは基本的に、拡散メカニズム 2 を使用して高度なエンジニアリング用途向けに修正されています。拡散には、炭素原子が周囲の原子を越えて他の原子に押し込まれて新しい位置に到達することが含まれます。拡散プロセスは、拡散プロセスに必要な活性化エネルギーの知識だけでなく、フィックの法則の方程式パラメータから最もよく理解できます3。たとえば、フィックの第 2 法則は、微分方程式 \(\frac{dc}{{dt}} = \frac{{Dd^{2} }}{{dx^{ 2} }}\) の解は、式 (2) の境界パラメータによって記述される特定の拡散プロセスの関数です。 14.

フィックの第 2 法則の解により、拡散係数 D が一定で表面の原子の濃度 \( C_{s}\) およびマテリアル \(C_{0}\) 内は変更されません5。ねずみ鋳鉄へのパーム核および卵殻添加剤の拡散に関する最近の研究では、材料の硬度が増加しました6。拡散プロセスによる処理された材料のトライボロジー特性は優れており、先進的なエンジニアリング材料に適しています 7,8。フィックの第 2 法則の原理は、これらの材料に拡散した機械的特性の深さを評価する場合に限定的に使用されていたため、拡散した炭素原子の分析や統計的有意性の確立が大きな問題となっていました 9,10,11。拡散解析における大きな問題の 1 つは、基板金属の周囲に課される炭素の温度場と深さを決定することです 12、13。研究によれば、温度分布の知識は、炭素の拡散メカニズムや拡散の深さを理解するための手がかりとなる可能性があることが示されています14。ねずみ鋳鉄材料の場合、炭素拡散に関する知識は構造の完全性を分析する上で重要です。また、炭素拡散の知識は、コーティングの厚さおよび浸炭剤の適合性の最適化にとって重要です15、16、17、18、19、20。しかし、原子の移動は、金属内で起こる拡散プロセスにとって不可欠な要素です。したがって、拡散プロセスのダイナミクスを理解することは、固体材料中の炭素の深さを決定する上で依然として重要な問題です21。

さらに、パーム核、ココナッツ、木炭、卵殻からの炭素含有量などは、浸炭プロセス中に通常使用される主要な炭素含有量です。環境に優しく、高度な熱処理用途に最も有望な材料です。しかし、これらの有機材料の商業的応用は、炭素拡散の深さの決定などのいくつかの欠点によって制限されます22。これらの問題に対処し、これらの有機材料の用途を改善するために、さまざまな材料、方法、概念が設計、開発されてきました。例えば、Chen ら 23 は、軽量の熱エネルギーコンクリートを開発し、それをパーム核殻からの炭素で強化しました。これにより、熱遅れが改善され、複合材料としてのピーク温度が低下しました。さらに、Hu らによって報告されているように、高温下で鋼とホウ化物を合金化すると、基材の硬度が増加し 24、温度の上昇とともに層の厚さが増加しました 25。オーステナイト鋼の浸炭中に炭素が表面に拡散し、面心立方体領域に沈降することも報告されています。したがって、これにより、形成された層の硬度が増加し、クロムが遊離形態のままになり、耐食性が向上し、摩擦特性と機械的特性が向上します。ただし、理想的な拡散プロセスでは、拡散原子が周囲の原子を押しのけて新しい位置に到達することを理解することが重要です。これは、原子を新しい位置に移動させるためにエネルギーが利用されることを意味します。したがって、原子を新しい位置に移動するために必要なエネルギー障壁は、活性化エネルギーと呼ばれます26、27、28、29、30。

我々の現在の研究では、粉砕したパーム核と卵殻添加剤を使用したねずみ鋳鉄への拡散により、基材材料の硬度が増加することが示されました。したがって、この研究の目的は、浸炭プロセス後に硬度が増加した材料内の炭素の深さを決定する際にフィックの第 2 法則を適用することです。この方法は、固体、液体、気体における拡散の理解において顕著になりました。

実験的アプローチには、混合のヴォイジェの法則に従って、粉砕パーム核および粉砕パーム核 70 (重量%) および粉砕卵殻 30 (重量%) の卵殻添加剤の使用が含まれていました。寸法 (20 mm × 20 mm × 10 mm) および 2.68 C、1.42 Si、0.63 Mn、0.13 S、0.28 P の化学組成 (wt.%) のねずみ鋳鉄基材を、さまざまなグレードの炭化ケイ素研磨材を使用して準備して、カーボンが拡散しやすいように磨かれた滑らかな表面。準備されたねずみ鋳鉄基材をいくつかのステンレス鋼容器に埋め込んで炭素吸収速度を低減し、最終的に容量1200℃のマッフル炉に装入した。浸炭処理は900℃で60、90、120、150、180分間行い、その後浸炭を停止し水冷した。水は、その自然対流熱伝達能力と基材の硬度特性を増加させる傾向があるため、急冷媒体として使用されました。拡散原子の初期組成と濃度は一定のままで、2.68 % と 6.67 % でした。これにより、材料表面に拡散した炭素原子の割合、特定の時点での拡散の深さを決定できるようになります。

この解析の主な目的は、浸炭材料 (ねずみ鋳鉄) 上で周囲の媒体 (浸炭剤) によって影響を受ける温度場を決定することです。伝導プロセスは炭素を材料内に適切に拡散させるために発生するため、材料周囲の温度分布を理解し、分析することが重要です。これを達成するために、フーリエの熱伝導の法則が採用されました。

図 1 に示すように、バルク運動のない均質な媒体に浸漬された寸法 (20 mm × 20 mm × 10 mm) のねずみ鋳鉄基板を考えてみましょう。温度分布を次の形式のデカルト座標で表します。 , \(T_{G } \left( {x_{G} , y_{G} , z_{G} } \right)\)。 \(dx_{G} \times dy_{G } \times dz_{G}\) によって定義される無限小制御ボリュームを仮定します。温度変化により各制御面で伝導熱伝達が発生するため、座標に垂直に伝導される熱の割合 \(x_{G} - , y_{G} - , z_{G}\) は \( Q_それぞれ {{x_{G} }}、\;Q_{{y_{G} }}、\;Q_{{z_{G} }}\)。

デカルト座標での伝導解析。

したがって、熱伝導率は次の方程式で与えられます。

媒体内で生成される熱エネルギーは次の式で与えられます。

発生した熱エネルギーに基づいて、浸炭されているねずみ鋳鉄材料によって蓄えられる内部熱エネルギーにばらつきがありました。ただし、相変態が存在しない場合、潜在エネルギーは最小となり、蓄積エネルギーは次のようになります。

媒体内で必要な保存エネルギーは次の式で与えられます。

熱伝導率にはエネルギーの入力と出力が関係するため、式を代入します。 5 と 6 を式に代入します。 7 収量

式から代入します。 2–4 を式に代入します。収量9。

浸炭プロセス後に材料が等方性になると仮定すると、伝導熱速度はフーリエの法則から確立できます。

式からの各式。 11 は基板全体の拡散によって生じる熱流束を表します。

熱流束を式に代入すると、 11、12、13 を式に代入します。 9 を制御ボリューム \(\left( {dx_{G} dy_{G } dz_{G} } \right)\) で割ると、次のようになります。

式 15 は、基板をデカルト座標で表した場合の熱伝達方程式です。このモデルは、基板材料を介して伝導される熱の基礎を確立します。これにより、浸炭過程における温度分布を求めることができる。

基板全体の温度分布が次の式で表されると仮定します。

この方程式は時間の関数として表され、エネルギー保存も確立されます。したがって、 \(\frac{\partial }{{\partial x_{G} }}\left( {k\frac{\partial T}{{\partial x_{G} }}} \right)\) は次のようになります。 x 座標方向に基板に伝導される正味の熱

同じことを y 座標と z 座標で表現すると、次の式が得られます。 18と19

したがって、熱伝導率が一定の場合、式(1)は次のようになります。 15 は次のように書き換えることができます。

ここで \(\alpha = \frac{K}{{\rho C_{p} }}\) は熱拡散率です。

フィックの第 2 法則によれば、浸炭中に拡散する炭素原子は次の形式の微分方程式によって定義できます [32]。

また、浸炭プロセスの境界条件は方程式 [32] に依存します。

ここで、\(c_{0}\) は受け取ったままのねずみ鋳鉄の炭素含有量であり、2.68% で与えられます。\(c_{s}\) は、純鉄と格子間化合物間の鉄-炭素合金系図からの推定値です。、炭化鉄 (Fe3C)、6.67% の炭素を含みます。 \(c_{x}\) 時間 t における材料表面下の x で示される深さ (ミリメートル単位) での拡散炭素の濃度を意味します。浸炭の結果から、t = 60 分 (3600 秒) での \(c_{x} = 5.40\%\) の値、D は拡散係数であり、定数 \(c_{s}\) は一定のままです。ただし、 \(c_{0} \) も定数のままです。 FCC 鉄の格子間炭素拡散における炭素の D = 2 × 10−11 (m2 s−1) [33]。

したがって、これらの条件に基づいて、フィックの第 2 法則の解により、浸炭時間と距離 (深さ) の関数として拡散炭素原子の濃度を決定する研究が可能になりました。 erf = 0.71 [34] で与えられる誤差関数、t = 3600 s で与えられる浸炭時間、x = 深さ (mm)?

値を式に代入します。 22

図 2、3、4、5、6、7 は、900°の温度でさまざまな時間に拡散した炭素原子の組成百分率の変化を示しています。図２から、６０分で５．４％の炭素が深さ０．０１４４ｍｍで材料中に拡散したことが観察された。これを初期組成の 2.68% と比較すると、材料表面の炭素含有量が約 2.72% 増加しました。したがって、炭素拡散の推進力により、基板の炭素含有量の微細構造が変化しました。

900°で60分間、ねずみ鋳鉄の表面への炭素原子の拡散。

900°で90分間、ねずみ鋳鉄の表面への炭素原子の拡散。

900°で 120 分間、ねずみ鋳鉄の表面への炭素原子の拡散。

900°で 150 分間、ねずみ鋳鉄の表面への炭素原子の拡散。

900°で 180 分間、ねずみ鋳鉄の表面への炭素原子の拡散。

900°で 210 分間、ねずみ鋳鉄の表面への炭素原子の拡散。

さらに、図 3 は 90 分における炭素原子の拡散を示しています。約５．４０％が深さ０．０００２９４６５５ｍｍに堆積された。 60 分の拡散と比較して約 0.02% 増加。これに加えて、拡散温度を依然として９００℃に保ちながら拡散時間（保持時間）を１２０分および１５０分に増加させると、図２および図３に示すように、炭素原子の組成がそれぞれ約５．４４および５．４６に増加した。材料表面への対応する堆積深さは、同様に９．１３Ｅ－５４および０．０８０４９８であった。したがって、結果は、拡散時間が増加すると炭素の堆積も増加するという事実を確立しました。

同様に、図２、３、４、５、６、７、８、９、９図６および７は、同じ浸炭温度でそれぞれ１８０分および２１０分における炭素原子の組成を示す。このときの組成は、距離0.043305317、0.0577404231でそれぞれ5.51、5.65でした。初期の炭素組成と比較すると、浸炭のさまざまな時間でそれぞれ約 2.83 および 2.97 の増加が加えられたことが観察されました。したがって、フィックの第 2 法則の解により、基板表面近くの拡散炭素原子の組成を時間と距離のそれぞれの関数として確立する研究が可能になります。

したがって、この研究では浸炭は基材金属への炭素の拡散として定義されました。プロセス全体には熱効果が含まれるため、目的は、さまざまな時間における炭素の濃度勾配を決定することでした。したがって、温度や時間などの処理パラメータは、炭素拡散ポテンシャルに重要な影響を与えます。この結果から、炭素と炭素内に存在する他の合金元素との間の相互作用に関係なく、基材 (ねずみ鋳鉄) への炭素の拡散はフィックの拡散第 2 法則を完全に説明したと言えることは注目に値します。これは、炭素の蓄積により基板表面付近の炭素原子の組成勾配が時間の経過とともに変化するためである。これが、モデル化された方程式で表現されるように、非定常状態の拡散と呼ばれる理由です。

図 8 は、浸炭前の、受け取ったままのねずみ鋳鉄の SEM 微細構造を示しています。同様に、図 9 は、900 °C で 60 分間浸炭したねずみ鋳鉄の微細構造を示しています。図から、グラファイトが金属表面を支配していることが観察され、これは浸炭実験で使用された炭素含有量の性質に由来するものである。さらに、図 10 は、900 °C、90 分間で浸炭したサンプルの微細構造も示しています。表面には炭素の析出量が増加していることが観察され、同じ特性が図２および図３でも観察された。それぞれ 120 分と 150 分で浸炭したサンプルの場合は 11 ～ 12。しかし、180 分では (図 13)、金属表面にはグラファイトの析出物が見られました。したがって、グラファイトの存在は、浸炭プロセス中に拡散が実際に起こったことを示しています。

受け取ったままのねずみ鋳鉄の SEM 微細構造。

900℃で60分間浸炭したねずみ鋳鉄のSEM微細構造。

900℃で90分間浸炭したねずみ鋳鉄のSEM微細構造。

900℃で120分間浸炭したねずみ鋳鉄のSEM微細構造。

900℃で150分間浸炭したねずみ鋳鉄のSEM微細構造。

900℃で180分間浸炭したねずみ鋳鉄のSEM微細構造。

受け取ったままの鋳鉄の初期微小硬度は 288.41HV でしたが、180 分の浸炭後には 355.8HV に増加しました。これは、初期硬度値と比較して約 67.39HV の増加があることを示しました。この増分は、浸炭材料の特性パラメータの調整の関数です。さらに、ねずみ鋳鉄部品の耐疲労性、耐摩耗性が向上しました。

この研究から、浸炭中に使用された炭素原子が異なる方法で移動して濃度差を解消し、最終的にねずみ鋳鉄材料上に均一な堆積物を生成することが証明されました。これらの堆積物の組成はさまざまです。このようにして、拡散過程における原子の動きの理解が確立されました。さらに、炭素の拡散原子が周囲の他の原子を押しのけて物質上に堆積することが確認されました。このプロセスでは、原子を強制的に堆積させるためにエネルギーの供給が必要です。これが浸炭温度の理由です。

さらに、浸炭サンプルで観察されたような微細構造内にグラファイトが存在することは、グラファイトの存在が材料の潤滑剤として機能するため、耐摩耗性の向上に役立つと考えられます。したがって、熱疲労が軽減される。さらに、微小硬度の増加は、適用中のねずみ鋳鉄の表面摩耗の減少に役立ちます。

さらに、フィックの第 2 法則は、基板材料 (ねずみ鋳鉄) への炭素原子の非定常状態の拡散を確立するために使用されていました。ただし、フィックの第 2 法則の結果として、Dt が一定のままであれば、さまざまな条件に対して一定の組成プロファイルを達成できる可能性があります。複数の熱処理やほとんどの工業用途では、さまざまな時間における温度の影響を測定することが可能です。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

この研究で報告されたデータの計算にはコードは使用されていません。

ねずみ鋳鉄サンプルの温度分布

ねずみ鋳鉄サンプルの X 座標

ねずみ鋳鉄サンプルの Y 座標

ねずみ鋳鉄サンプルの Z 座標

ねずみ鋳鉄サンプルの x、y、z 座標における微小な制御ボリューム

座標に垂直な熱伝導率

ねずみ鋳鉄サンプル内で発生する熱エネルギー

ねずみ鋳鉄が蓄える熱エネルギー

さまざまな方向の熱伝導率

熱拡散率

受け取ったままのねずみ鋳鉄の炭素含有量

純鉄と格子間化合物、炭化鉄(Fe3C)間の鉄-炭素合金系図からの推定値

時間 t における材料表面から xn ミリメートルで示される深さでの拡散炭素の濃度

フィックの第 2 法則による誤差関数

浸炭時間（秒）

奥行き(mm)

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著者らは、投稿された作品に対していかなる組織からも支援を受けていません。

コベナント大学機械工学部、PMB 1023、オタ、ナイジェリア、オグン州

エネシ・Y・サラウ、オルセイ・O・アジャイ、アンソニー・O・イネグベネボール、ジョセフ・O・ディリス

ランドマーク大学機械工学部、PMB 1001、オムアラン、クワラ州、ナイジェリア

アデオル・A・アディラン

ヨハネスブルグ大学機械工学科学部、ヨハネスブルグ、南アフリカ

アデオル・A・アディラン

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EYS、OOA、AOI、AAA、JOD、および ROL が記事のアイデアを出し、EYS、OOA、AOI、AAA、JOD、および ROL が文献検索とデータ分析を実行しました。 EYS、OOA、AOI、AAA、JOD、および ROL がこの作品の草案を作成および/または批判的に改訂しました。 EYS、OOA、AOI、AAA、JOD、ROL は最終原稿を批判的に読み、承認しました。

Enesi Y. Salawu または Adeolu A. Adediran への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

サラウ、EY、アディラン、AA、アジャイ、OO 他浸炭過程でねずみ鋳鉄中に拡散する炭素原子の分析について。 Sci Rep 12、18303 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-22136-w

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受信日: 2022 年 2 月 23 日

受理日: 2022 年 10 月 10 日

公開日: 2022 年 10 月 31 日

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

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浸炭過程でねずみ鋳鉄中に拡散する炭素原子の分析について