Sobre a análise do átomo de carbono difundido em ferro fundido cinzento durante o processo de carburação

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 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 modelagem teórica foram estabelecidos para melhores realizações. Os aditivos pulverizados de palmiste e casca de ovo de 70 (p.%) e 30 (p.%) de acordo com a lei de Voige da mistura foram considerados como um meio contínuo sem considerar a natureza atômica da mistura. Além disso, uma abordagem cinética foi descrita 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, que são 2,68 e 6,67% de carbono. Enquanto o tempo de cementação usado variou de 60 min, 90 min, 120 min, 150 min, 180 min e 210 min, respectivamente, a uma temperatura constante de cementação de 900°. %, 5,46%, 5,51% e 5,65 em comparação com o teor inicial de carbono de 2,68%. A concentração de átomo de carbono na superfície do substrato em tempo variável implica que o processo foi uma difusão não estacionária que verificou a segunda lei de difusão de Fick. Portanto, a composição alcançada é uma função das 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 passaram por tratamento térmico via processo de cementação 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 passando por seus átomos circundantes em outros 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 não estacionária de átomos 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 da segunda lei de Fick permite avaliar a 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 para ferro fundido cinzento resultou em aumento da dureza do material6. As propriedades tribológicas do material tratado via processo de difusão foram excelentes, o que o tornou adequado para materiais de engenharia avançada7,8. O princípio da segunda lei de Fick foi usado de forma limitada na avaliação da profundidade das propriedades mecânicas que foram difundidas nesses materiais, tornando 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 profundidade de carbono impostas no entorno do substrato metálico12,13. O estudo mostrou que o conhecimento da distribuição de temperatura pode ser um indicador para entender o mecanismo de difusão do carbono, bem como a profundidade da difusão14. Para material de ferro fundido cinzento, o conhecimento da difusão do carbono é importante na análise da integridade estrutural. Além disso, o conhecimento da difusão do carbono é fundamental para a otimização da espessura do revestimento, bem como a compatibilidade dos agentes carburantes15,16,17,18,19,20. No entanto, o movimento dos átomos é um fator essencial para que o processo de difusão ocorra nos metais. Portanto, entender a dinâmica do processo de difusão continua sendo um problema crucial na determinação da profundidade de carbono em materiais sólidos21.