Nas análises do átomo de carbono difundido em ferro fundido cinzento durante o processo de carburação

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 18303 (2022) Citar este artigo

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O estudo empregou a segunda lei da difusão de Fick para descobrir algum aspecto desconhecido da difusão do carbono no ferro fundido cinzento durante o processo de carburação. Ênfase nos experimentos e modelagens teóricas foram estabelecidas para melhores realizações. Os aditivos de palmiste pulverizado e casca de ovo de 70 (% em peso) e 30 (% em peso) de acordo com a lei de mistura de Voige foram considerados como um meio contínuo sem considerar a natureza atômica da mistura. Além disso, foi descrita uma abordagem cinética onde um modelo físico do substrato imerso na mistura de carbono foi estabelecido enquanto equações de difusão foram modeladas para estabelecer o mecanismo de difusão do carbono durante a carburação. A composição inicial e a concentração do átomo difundido permaneceram constantes, sendo 2,68 e 6,67% de carbono. Embora o tempo de cementação utilizado tenha variado de 60 min, 90 min, 120 min, 150 min, 180 min e 210 min, respectivamente, a uma temperatura de cementação constante de 900°, os resultados revelaram um gradiente de composição variável do átomo de carbono variando de 5,4%, 5,42%, 5,44. %, 5,46%, 5,51% e 5,65 em comparação com o teor inicial de carbono de 2,68%. A concentração do átomo de carbono na superfície do substrato em tempos variados implica que o processo foi uma difusão em estado não estacionário que verificou a segunda lei da difusão de Fick. Portanto, a composição alcançada é uma função de condições de contorno, como posição no tempo e temperatura. Este novo estudo aumentará a compreensão do tratamento térmico de metais, de modo que suas aplicações na indústria serão numerosas.

Os materiais metálicos que foram submetidos a tratamento térmico através do processo de carburação apresentam superfícies caracterizadas por propriedades mecânicas melhoradas1. Eles são basicamente modificados para aplicações de engenharia avançada usando mecanismo de difusão2. A difusão envolveu a compressão de átomos de carbono pelos átomos circundantes para alcançar uma nova posição. O processo de difusão pode ser melhor compreendido a partir do parâmetro da equação da lei de Fick, bem como do conhecimento da energia de ativação necessária para o processo de difusão3. Por exemplo, a segunda lei de Fick estabeleceu uma difusão de átomos em estado não estacionário, conforme descrito pela equação diferencial \(\frac{dc}{{dt}} = \frac{{Dd^{2} }}{{dx^{ 2} }}\) cuja solução é uma função de um processo de difusão particular descrito pelos parâmetros de contorno na Eq. 14.

A solução para a segunda lei de Fick permite a avaliação da concentração de um átomo difundido próximo à superfície do material do cupom em função do tempo e da distância, desde que o coeficiente de difusão D permaneça constante e a concentração do átomo na superfície \( C_{s}\), bem como dentro do material \(C_{0}\) permanecem inalterados5. Estudo recente sobre a difusão de aditivos de palmiste e casca de ovo ao ferro fundido cinzento resultou em aumento na dureza do material6. As propriedades tribológicas do material tratado via processo de difusão foram excelentes, o que o tornou adequado para materiais de engenharia avançada . O princípio da segunda lei de Fick foi utilizado de forma limitada na avaliação da profundidade das propriedades mecânicas que foram difundidas nesses materiais, tornando assim a análise ou o estabelecimento da significância estatística do átomo de carbono difundido um grande problema9,10,11. Um grande problema na análise de difusão é a determinação do campo de temperatura e da profundidade do carbono imposto ao entorno do metal do substrato . O estudo mostrou que o conhecimento da distribuição de temperatura pode ser um indicador para a compreensão do mecanismo de difusão do carbono, bem como da profundidade da difusão . Para materiais de ferro fundido cinzento, o conhecimento da difusão do carbono é importante na análise da integridade estrutural. Além disso, o conhecimento da difusão de carbono é fundamental para a otimização da espessura do revestimento, bem como para a compatibilidade dos agentes cementantes15,16,17,18,19,20. Porém, o movimento dos átomos é um fator essencial para que o processo de difusão ocorra nos metais. Portanto, compreender a dinâmica do processo de difusão continua sendo um problema crucial na determinação da profundidade de carbono em materiais sólidos .