Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов (1024694), страница 17
Текст из файла (страница 17)
В этой модели содержится математическоеописание процесса взаимодействия эндоатмосферы с поверхностьюметалла при помощи коэффициента массопереноса С, учитывающегоактивность углерода в атмосфере и скорость ее циркуляции. Модельиспользовали для расчета параметров технологического процесса игазового режима цементационной печи при ее проектировании иэксплуатации.В работе [196] впервые была представлена модель циклических (втом числе, апериодических) процессов науглероживания в азотводородныхгазовыхатмосферах.Основаннаянаприменениирядоввцеляхаппроксимации изменения углеродного потенциала атмосферы, принятогоравному концентрации углерода на поверхности, довольно упрощеннаяматематическая модель, дала возможность получить частное решениедиффузионной задачи о распределении углерода по толщине слоя.Приходится констатировать, что избранный авторами подход не учитываллегирования стали.
На основании анализа решения авторы сделали вывод113обоптимальнойзависимостиуглеродногопотенциалаипродолжительности стадии диффузионного выравнивания от номерацикла.В работе [197] представлены математические модели газовойцементации,учитывающиетемпературнуюиконцентрационнуюзависимости коэффициента диффузии углерода. Также, при разработкематематической модели учитывали форму изделия. Автором разработанамодельтакихцементация,технологическихцементациявпроцессов,проходныхкаккомбинированнаяпечахснесколькимитемпературными зонами, реставрационная цементация в колпаковыхпечах, характеризующиеся нестационарными температурой и углероднымпотенциалом;впоследнеммоделированиеслучаеосложненообезуглероживанияи(реставрационнаяцементация)последовательныминасыщения.Расчетнуюпроцессамимодельпроверялиэкспериментальным путем в лабораторных и промышленных условиях,обнаружили хорошую сходимость экспериментальных и расчетныхрезультатов.В работе [198] разработали модель ионной цементации на основеэмпирического выражения плотности потока углерода через единичнуюповерхностьвединицувременивзависимостиотфакторовтехнологического процесса.Исследование [199] посвящено разработке обобщенной моделипроцессов высокотемпературного диффузионного насыщения углеродом иазотом.Вэтойнитроцементацииработедостаточнопростаямодельгазовойв условиях равенства концентраций насыщающихэлементов на поверхности углеродному и азотному потенциалу атмосферы(граничные условия I рода) дополнена расчетами структуры закаленногослоя,твердостиструктурныхсоставляющихраспределения твердости по упрочненному слою.и,какследствие,114Посвященнаяматематическомуописаниюпроизвольныхциклических режимов высокотемпературной нитроцементации с высокимазотным потенциалом работа [200] выполнена в граничных условияхI рода,тоестьиспользуетуглеродныйиазотныйпотенциалы,определенные эмпирически.
Задачи моделирования в данной работепредельно упрощены: влиянием легирующих элементов, а также взаимнымвлиянием углерода и азота пренебрегали, даже усреднили значениякоэффициентов диффузии по средней насыщенности слоя.Математическаямодельгазовойнитроцементациисталей,насыщаемых без образования карбонитридной фазы, разработаннаясотрудниками НПО "НИИТ Автопром", обладает значительно большейобластью адекватности за счет модуля термодинамических расчетовуглеродного и азотного потенциалов. Данная работа отличается большейматематической и физической строгостью.
Вместе с тем, как влияниемлегирующих элементов, так и взаимным влиянием углерода и азотапренебрегли [201].Из отечественных исследований следует также выделить работу,выполненную во ВНИИЭТО Н.М. Бусловичем, Э.Я. Махтингером иЛ.А. Михайловым [202]. Она построена по тому же принципу, что иуказанная выше модель газовой цементации [194, 195]. Модель состоит изсистемы двух уравнений и отражает распределение активностей углеродаи азота по толщине диффузионного слоя.
Модель дает параболическоераспределение насыщающих элементов. При этом концентрации углеродаи азота на поверхности оказываются практически одинаковыми, что неподтверждается практикой.В работе [203] модель газовой нитроцементации, в которойграничное условие по углероду представлено в виде кинетическоговыражения массопереноса, а по азоту – в виде постоянной. Данноеупрощение обусловлено малой результирующей концентрацией азота. Врезультате расчета получены номограммы, в которых содержится115информация,позволяющаяосуществитьвыбортемпературыипродолжительности газового процесса. К недостаткам данной моделиотноситсявозможностьварьироватьтолькодвумяпараметрамитехнологии, так как полученные авторами граничные условия справедливыприконкретномсоставеактивнойатмосферы–эндогаза.Номографический способ представления результатов не вполне удобен дляих последующего практического применения.
Аналогичная работа ранеебыла выполнена авторами для цементации в атмосфере с контролируемымуглеродным потенциалом [204]. Также ими разработана расчетная модельдля частного случая газового науглероживания [205].Изучению и описанию диффузии с образованием частиц избыточнойфазы посвящен ряд исследований. Теоретическое решение задачидиффузии в слое с частицами второй фазы дано в классической работеБ.Я.
Любова[185].Взадачерассматриваласьодномернаяполуограниченная среда (x > 0, где x – координата). Через поверхность(x = 0) диффундирует насыщающее вещество, например, углерод прицементации. После достижения предельной растворимости в имеющихсяцентрах зарождения растут частицы второй фазы. При этом, определялискорость движения границы, разделяющей две зоны диффузионного слоя –двухфазную и следующую за ней однофазную. Результаты этой работыоказали влияние на целый ряд исследований, посвященных решению задачдиффузии с выделением избыточной фазы в различных постановках.Значительный интерес до настоящего времени представляют работыиз цикла публикаций сотрудников ЦНИИ ЧерМет им.
И.П. Бардина подруководством Г.В. Щербединского, в которых исследовали кинетикупроцессов диффузии с учетом роста частиц второй фазы при влияниитретьего элемента на кинетику диффузионного роста [206-208]. Следуетотметить, что указанные работы не содержат конкретных решений задачиразработки моделей цементации (нитроцементации) с образованиемизбыточной фазы. Авторы этих исследований находили точные решения116дифференциальныхуравнений,описывающихразличныеаспектыреакционной и (или) многокомпонентной диффузии.В работе [209] подробно рассмотрен вопрос моделированиядиффузионных процессов в области растущей или растворяющейсячастицы карбонитрида сильного карбидообразующего элемента в твердомрастворе (железа или никеля). В данной работе особое значение имеетсовместное решение уравнений, характеризующих: а) диффузионноеперераспределение примеси внедрения и замещения; б) баланс масс намежфазных границах; в) термодинамическое равновесие на межфазныхграницах.
В результате автор получил численное решение задачи типапроблемы Стефана – о движении межфазной границы. Вместе с тем, вданной работе диффузионная задача о растущей (растворяющейся) частицеизбыточной фазы рассматривалась вне связи с внешним насыщением(выгоранием) насыщающего элемента.Также теоретические вопросы решения задачи типа проблемыСтефана рассмотрены в работах [210-212].Практическоеприменениетеориизарождениякрешениюконкретных расчетных задач осуществлено в целом ряде отечественныхнаучных работ [213, 214 и др.].
Вместе с тем, вопросам образования новойфазы при формировании диффузионного насыщения при ХТО посвященокрайне мало работ.В связи с изложенными выше затруднениями при осуществленииконтроля процессов цементации (нитроцементации) в плазме тлеющегоразряда была поставлена и решена практическая задача описания данныхпроцессов,наМоделированиюосновепроцессаиспользованиячисленныхионно-вакуумнойвычислений.высокотемпературнойнитроцементации теплостойких сталей с образованием избыточной фазыпосвящен ряд работ, выполненных сотрудниками МГТУ им. Н.Э.
Баумана[13, 83, 113, 215]. В этих работах определены термодинамические икинетические соотношения, связывающие размер и морфологию частиц117карбонитридов цементитного типа и специальных карбонитридов сконцентрацией легирующих элементов в стали и температурой процесса.На основе полученных соотношений разработана математическая модельпроцессаионнойнитроцементациикомплексно-легированныхтеплостойких сталей, прогнозирующая распределение концентрацийуглерода и азота в диффузионном слое, объемную долю избыточной фазыиразмерно-количественноеграничногоусловияраспределениемоделибылоеечастиц.использованыВкачествеэмпирическиезависимости углеродного и азотного потенциала (C и N), а такжекоэффициентов массопереноса (С и N) от технологических факторовионно-вакуумной нитроцементации.Выражения, схожие с описывающими диффузионный рост частицсоотношениями, использованы в расчетной работе [216], в которойисследовали процессы растворения сферических выделений карбидовванадия в аустените.В целях разработки математической модели неизотермическихрежимов ионной нитроцементации шарошек буровых долот из стали20ХН3МА, насыщаемой без образования карбонитридной фазы, в работесотрудников МГТУ им.
Н.Э. Баумана [217] на основе теоретикоэмпирического анализа, получено выражение эффективного коэффициентадиффузии углерода, учитывающее явления, происходящие в ходе фазовыхпревращений, имеющих место при термоциклировании, приводящие ксущественному ускорению диффузионного перераспределения атомовнасыщающих элементов вглубь металла за счет роста концентрациидефектовкристаллическогостроения.Показанаудовлетворительнаяадекватность решения диффузионной задачи с использованием указанноговыражения эффективного коэффициента экспериментальным данным.Вместе с тем, данные исследования не получили дальнейшего развития по118причине технологических затруднений при внедрении неизотермическихпроцессов в промышленное производство.Моделированиюнеизотермическихгазовыхпроцессовнитроцементации посвящена также работа [218], в которой развитдостаточно простой подход к описанию насыщения стали 20Х.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
