К.т.н. Вржащ Е.Э.

Иркутский государственный аграрный университет, Россия

Влияние электростатического поля на диффузию углерода и азота при нитроцементации стали

Развитие науки и техники вызывает необходимость применения как новых материалов, так улучшения качества существующих. Так, например, в решении проблемы поверхностного упрочнения деталей машин и механизмов важная роль принадлежит методам химико-термической обработки, в том числе в электромагнитных полях. Перспективность электрофизических методов обусловлено тем, что они не только позволяют интенсифицировать непосредственно технологический процесс, но и заметно повышают качество диффузионного слоя [1-3]. При этом контролирующей стадией процессов химико-термической обработки является диффузия внедряемых элементов, и поэтому анализ процессов диффузии позволяет судить об эффективности выбранного технологического процесса обработки материалов.

Целью настоящей работы является количественная оценка роли электростатического поля на диффузию углерода и азота в низкоуглеродистой стали при ее высокотемпературной нитроцементации, т.е. при насыщении поверхностного слоя изделий этими элементами из газовой среды. Оптимальные газодинамические и и иные параметры технологического процесса были ранее определены в работах [ 4, 5].

В нашем случае задача сводилась к решению операционным методом системы дифференциальных уравнений типа:

где:

С₁, С₂ – концентрация соответственно углерода и азота в зависимости от глубины слоя (х) и времени процесса (t);

D₁₂ – коэффициент диффузии углерода под действием градиента концен-трации азота;

D₂₁ - коэффициент диффузии азота под действием градиента концентрации углерода;

D₁₁ - коэффициент диффузии углерода под действием собственного гради-ента концентрации;

D₂₂ - коэффициент диффузии азота под действием собственного градиента концентрации.

Решение данных уравнений могут быть представлены формулами:

где:

С₁⁰ – исходная концентрация углерода в образце;

С₁⁰, С₂⁰ – концентрация соответственно углерода и азота на поверхности раздела газ-металл;

251658240интеграл вероятности.

В табл. 1-3 приведены значения эффективных коэффициентов диффузии углерода и азота при нитроцентации стали при обычных условиях и под действием внешнего электростатического поля. При чем для сравнения расчеты проводились с учетом и без учета взаимодействия внедренных элементов.

Таблица 1. Данные для расчета и коэффициенты диффузии углерода в нитроцементованной

низкоуглеродистой стали (без учета взаимодействия внедренных элементов)

x ^. 10^-4, м	erf η	η	D1 ·10^-^11, м^2 /с	<D1>·10^-^11, м^2/с
1 2 3 4	0,33/0,20 0,57/0,42 0,74/0,58 0,88/0.70	0,30/0,18 0,56/0,39 0,80/0,57 1,10/0,75	0,39/1,2 0,44/1,0 0,49/1,0 0,46/1,0	0,44/1,05

Таблица 2. Данные для расчета и коэффициенты диффузии азота в нитроцементованной

низкоуглеродистой стали (без учета взаимодействия внедренных элементов)

x ^. 10^-4, м	erf η	η	D2 ·10^-11, м^2 /c	<D2>·10^-11, м^2/c
1 2 3 4	0,31/0,23 0,57/0,47 0,80/0,65 0,91/0,80	0,28/0,21 0,56/0,45 0,90/0,64 1,20/0,90	0,44/0,80 0,44/0,70 0,39/0,77 0,39/0,70	0,42/0,74

Примечание: в табл 1, 2 в числителе приведены данные для обычного процесса; в знаменателе - для процесса в электростатическом поле.

Таблица 3. Коэффициенты диффузии углерода и азота (с учетом их взаимодействия)

Схема нитроцементации	Коэффициенты диффузии, 10^-^11 м^2/c
	D11	D12	D21	D22
Обычная	0, 40	0,06	0,002	0,46
В электростатическом поле	1,00	0,03	0,007	0,75

Анализ полученных данных показал, что коэффициенты диффузии внед-ренных элементов при нитроцементации в электростатическом поле имеют большие значения, чем при обычной нитроцентации. Для углерода в 2,4 раза, а для азота – в 1,8 раза. Эти данные показывают, что ускорение диффузионного процесса обусловлено не только градиентом концентрации внедренных элементов, но и наличием электростатического поля в поверхностной зоне обрабатываемых материалов. Расчет для углерода показал, что влияние электростатического поля на интенсификацию технологического процесса более существенно, чем соответствующее влияние градиента концентрации внедряемых элементов [1]. Поэтому можно утверждать, что электростатическое поле ускоряет процесс диффузии углерода и азота при нитроцементации стали.

Литература:

1. Wrzaszcz E. Diffusion of carbon and nitrogen in electrostatic field at steel nitrocementation.//Materiały I Międzynarodowej Konferencji Naukowej – Agrolazer 2001. Lublin 2001, S. 121-125.

2. Wrzaszcz E. Influence of an electrostatic field on structure, phase structure and me-chanical properties of diffusion layer at steel nitrocementation.// Materiały III Międzynarodowej Konferencji Naukowej. Oddziaływanie pół eletromagnetycznych na środowisko rolnicze. Lublin, 2006, s.99-105.

3. E. Vrzhashch, G. Jozefaciuk, A. Suchaeva. The physical and technical principles of steel nitrocementation in electrostatic fields at superficial hardening of metals’ details.//International Conference “Engineering problems in agriculture and industry”/June 2-4, 2010. Ulanbaatar, Mongolia, pp.57-61. ils.

4. Вржащ Е.Э., Пивник Л.В. Математическое моделирование технологических процессов.// Сельскохозяйственные и прикладные науки в развитии сельского и лесного хозяйства: ак-туальные вопросы, практика и обмен опы-том: материалы меж-дунар.научн.-практ.конф., 6-11 июня 2006 г..- Иркутск, ИрГСХА, 2006, с.302-309.

5. Eugenius E. Vzashch, Pivnik L.V. The mathematical design of experiments at optimization of technological processes/ Problemy inżynerii rolniczej w aspekcie rolnictwa zrównoważonego//Materialy Jubileuszowej Międzynarodowej Konferencji Naukowej – Lublin, 2005 – S. 141-145.