침탄공정 중 회주철에 확산된 탄소원자의 분석에 관한 연구

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18303(2022) 이 기사 인용

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이 연구는 침탄 공정 중 회주철에서 탄소 확산의 알려지지 않은 측면을 발견하기 위해 Fick의 두 번째 확산 법칙을 사용했습니다. 더 나은 성과를 얻기 위해 실험과 이론적 모델링에 중점을 두었습니다. 혼합물의 보이즈 법칙에 따라 70(wt.%) 및 30(wt.%)의 분쇄된 야자핵 및 달걀 껍질 첨가제는 혼합물의 원자적 특성을 고려하지 않고 연속 매체로 간주되었습니다. 또한 탄소 혼합물에 담긴 기판의 물리적 모델을 확립하고 침탄 중 탄소 확산 메커니즘을 확립하기 위해 확산 방정식을 모델링하는 동역학 접근법을 설명했습니다. 확산된 원자의 초기 조성과 농도는 탄소 2.68%와 6.67%로 일정하게 유지되었습니다. 사용된 침탄 시간은 900°의 일정한 침탄 온도에서 각각 60분, 90분, 120분, 150분, 180분 및 210분으로 다양했습니다. 결과는 5.4%, 5.42%, 5.44 범위의 탄소 원자의 다양한 조성 구배를 나타냅니다. 초기 탄소 함량 2.68%에 비해 %, 5.46%, 5.51%, 5.65입니다. 다양한 시간에 기판 표면의 탄소 원자 농도는 프로세스가 Fick의 확산 제2법칙을 검증하는 비정상 상태 확산임을 의미합니다. 따라서 달성된 조성은 시간 위치 및 온도와 같은 경계 조건의 함수입니다. 이 새로운 연구는 금속의 열처리 처리에 대한 이해를 높여 업계에서의 응용이 무궁무진해질 것입니다.

침탄 공정을 통해 열처리된 금속 재료는 기계적 특성이 향상된 표면을 갖습니다1. 기본적으로 확산 메커니즘을 사용하여 고급 엔지니어링 응용 분야에 맞게 수정되었습니다2. 확산은 탄소 원자가 주변 원자를 지나 다른 원자를 압착하여 새로운 위치에 도달하는 것을 포함합니다. 확산 과정은 Fick의 법칙의 방정식 매개변수와 확산 과정에 필요한 활성화 에너지에 대한 지식을 통해 가장 잘 이해할 수 있습니다3. 예를 들어, Fick의 두 번째 법칙은 미분 방정식 \(\frac{dc}{{dt}} = \frac{{Dd^{2} }}{{dx^{에 설명된 대로 원자의 비정상 상태 확산을 확립했습니다. 2} }}\) 이 중 해는 방정식의 경계 매개변수로 설명되는 특정 확산 과정의 함수입니다. 14.

Fick의 두 번째 법칙에 대한 해법은 확산 계수 D가 일정하게 유지되고 표면의 원자 농도 \( C_{s}\) 및 재료 내 \(C_{0}\)는 변경되지 않은 상태로 유지됩니다5. 야자핵과 달걀 껍질 첨가제를 회주철에 확산시키는 최근 연구 결과 재료의 경도가 증가했습니다6. 확산 공정을 통해 처리된 재료의 마찰 특성이 우수하여 고급 엔지니어링 재료에 적합했습니다7,8. Fick의 제2법칙 원리는 이러한 물질에 확산된 기계적 특성의 깊이를 평가하는 데 제한적으로 사용되어 확산된 탄소 원자의 분석이나 통계적 유의성을 확립하는 것이 주요 문제가 되었습니다9,10,11. 확산 분석의 한 가지 주요 문제는 기판 금속 주변에 가해지는 탄소의 온도 장과 깊이를 결정하는 것입니다. 연구에 따르면 온도 분포에 대한 지식은 탄소 확산 메커니즘과 확산 깊이를 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다14. 회주철 재료의 경우 구조적 완전성을 분석하는 데 탄소 확산에 대한 지식이 중요합니다. 또한, 탄소 확산에 대한 지식은 코팅 두께의 최적화뿐만 아니라 침탄제의 호환성에도 중요합니다. 그러나 원자의 움직임은 금속에서 확산 과정이 일어나는 데 필수적인 요소입니다. 따라서 확산 과정의 역학을 이해하는 것은 고체 물질의 탄소 깊이를 결정하는 데 중요한 문제로 남아 있습니다.