Determination of the Effective Diffusion Coefficient of Vacancies in Ultradispersed Electrolytic Iron and its Effect on Heat Treatment Conditions

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Electrolytic iron plating is widely used to improve the wear resistance and hardness of surfaces, as well as restoring worn machine parts. However, the properties of electroplated coatings can change during operation, and even prolonged aging does not lead to stabilization of these properties. Reduction the stabilization time is achieved by heat treatment, the calculation of which regimes for ultra-dispersed coatings should be carried out based on the diffusion laws of point defects. Goal of the work is to calculate the effective diffusion coefficient, taking into account the grain boundary diffusion in the ultra-dispersed electrolytic iron and, on the basis of this coefficient, to find the conditions of heat treatment necessary to stabilize the properties of coatings. Methods of research. Scanning and transmission electron microscopy are used to study the grain structure and intergrain boundaries; thermodynamic calculations are applied in order to find diffusion coefficients; the Comsol Multiphysics program is selected to determine the temperature and time required to stabilize the properties of iron. Results and discussion. An expression for determining the effective diffusion coefficient for ultra-dispersed electrolytic iron, taking into account the influence of intergrain boundaries is obtained. Thermodynamic calculations have shown that, in comparison with the volume coefficient, the effective diffusion coefficient can be two orders of magnitude higher and is largely determined by the size of the grain. Using the method of microstructural analysis, the conditions for obtaining ultradispersed coatings with a large proportion of intergrain boundaries are determined and it is experimentally confirmed that it makes sense to take into account the contribution of grain boundary diffusion, when grain sizes are less than 100 nm, which corresponds to hard conditions of coating deposition. Computer simulation showed that as compared to previously known data, the annealing temperature of ultradispersed iron coatings can be reduced by 50 °C.

About the authors

A. N. Venediktov

Email: annattoliy@gmail.com
Ph.D. (Engineering), Tyumen Industrial University, 38 Volodarskogo, Tyumen, 625000, Russian Federation, annattoliy@gmail.com

V. E. Ovsyannikov

Email: vik9800@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Tyumen Industrial University, 38 Volodarskogo, Tyumen, 625000, Russian Federation, vik9800@mail.ru

N. L. Venediktov

Email: venediktovan@tyuiu.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Tyumen Industrial University, 38 Volodarskogo, Tyumen, 625000, Russian Federation, venediktovan@tyuiu.ru

References

  1. Ковенский И.М., Венедиктов А.Н. Старение и стабилизация свойств гальванических покрытий // Омский научный вестник. Серия: Приборы, машины и технологии. – 2010. – № 3. – С. 43–45.
  2. Bowen A.W., Leak G.M. Diffusion in BCC iron base alloys // Metallurgical and Materials Transactions. – 1970. – Vol. 1 (10). – P. 2767–2773. – doi: 10.1007/BF03037813.
  3. Study of defect evolution by TEM with in situ ion irradiation and coordinated modeling / M. Li, M.A. Kirk, P.M. Baldo, D. Xu, B.D. Wirth // Philosophical Magazine. – 2012. – Vol. 92. – P. 2048–2078. – doi: 10.1080/14786435.2012.662601.
  4. Полукаров Ю.М. Электродные процессы и методы их изучения. – Киев: Наукова думка, 1979. – 706 с.
  5. Немиров-Данченко Л.Ю., Липницкий А.Г., Кулькова С.Е. Исследование вакансий и их комплексов в металлах с ГЦК-структурой // Физика твердого тела. – 2007. – Т. 49, № 6. – С. 1026–1032.
  6. Katz J.D., Pickering H.W., Bitler W.R. Low-temperature recrystallization kinetic in nickel electrode-posits // Plating and Surface Finishing. – 1980. – Vol. 67, N 11. – P. 45–49.
  7. Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Рекристаллизация металлов и сплавов. – М.: МИСиС, 2005. – 432 с.
  8. Технологические параметры стабилизирующей обработки гальванических покрытий / И.М. Ковенский, В.Н. Кусков, А.Н. Венедиктов, И.А. Венедиктова, А.Г. Обухов // Омский научный вестник. – 2012. – № 2. – С. 72–74.
  9. Ковенский И.М., Поветкин В.В. О природе внутренних напряжений в электролитических осадках // Журнал прикладной химии. – 1989. – Т. 62, № 5. – С. 37–44.
  10. Gao F., Heinisch H., Kurtz R.J. Diffusion of He interstitials in grain boundaries in α-Fe // Journal of Nuclear Materials. – 2006. – Vol. 351. – P. 133–140. – doi: 10.1016/j.jnucmat.2006.02.015.
  11. Smith J.T. Diffusion mechanism for the nickel?activated sintering of molybdenum // Journal of Applied Physics. – 1965. – Vol. 36. – P. 595. – doi: 10.1063/1.1714036.
  12. Shi X., Luo J. Developing grain boundary diagrams as a materials science tool: a case study of nickel-doped molybdenum // Physical review B. – 2011. – Vol. 84. – P. 014105. – doi: 10.1103/PhysRevB.84.014105.
  13. Кан Р.У., Хаазен П.Т. Физическое металловедение. В 3 т. Т. 1. Атомное строение металлов и сплавов. – Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Металлургия. – 1987 г. – 640 с.
  14. Глейтер Г., Чалмерс Б. Большеугловые границы зерен. – М.: Мир, 1974. – 375 с.
  15. Бокштейн Б.С., Ярославцев А.Б. Диффузия атомов и ионов в твердых телах. – М.: МИСиС, 2005. – 362 с. – ISBN 5-87623-131-2.
  16. Новоселов И.И. Куксин А.Ю., Янилкин А.В. Коэффициент диффузии вакансий и междоузлий вдоль межзеренных границ наклона в молибдене // Физика твердого тела. – 2014. – Т. 56, № 5. – С. 988–994.
  17. Свистунов И.Н., Колокол А.С. Анализ межатомных потенциалов для моделирования вакансионной диффузии в концентрированных сплавах Fe-Cr // Компьютерные исследования и моделирование. – 2018. – Т. 10, № 1. – С. 87–101. – doi: 10.20537/2076-7633-2018-10-1-87-101.
  18. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. – М.: Металлургия, 1975. – 208 с.
  19. Готтштайн Г. Физико-химические основы материаловедения. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 400 с.
  20. Kaur I., Mishin Y., Gust W. Fundamentals of grain and interphase boundary diffusion. – 3rd, rev. and enl. ed. – Chichester: Wiley, 1995. – 528 p. – ISBN 978-0-471-93819-4. – doi: 10.1016/0921-5093(96)80008-6.
  21. Mehrer H. Diffusion in solids: fundamentals, methods, materials, diffusion-controlled processes. – Berlin: Springer, 2010. – 651 p. – ISBN 978-3-540-71486-6.
  22. Hart E.W. On the role of dislocations in bulk diffusion // Acta Metallurgica. – 1957. – Vol. 5, iss. 10. – P. 597. – doi: 10.1016/0001-6160(57)90127-X.
  23. Belova I.V., Murch G.E. Analysis of the effective diffusivity in nanocrystalline materials // Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials. – 2004. – Vol. 19. – P. 25–34. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/JMNM.19.25' target='_blank'>www.scientific.net/JMNM.19.25.
  24. Maxwell-Garnett C. Colours in metal glasses and in metallic films // Philosophical Transactions of the Royal Society. Ser. A. – 1904. – Vol. 203. – P. 385–420. – doi: 10.1098/rsta.1904.0024.
  25. Wollenberger H.J. Point defects // Physical Metallurgy / ed. by R.W. Cahn, P. Haasen. – Amsterdam: Elsevier, 1996. – Vol. 1. – P. 1621–1721. – ISBN 978-0-444-89875-3. – doi: 10.1016/B978-044489875-3/50023-5.
  26. Полукаров Ю.М. Образование дефектов кристаллической решетки в электроосажденных металлах // Итоги науки. Электрохимия. – М.,1968. – С. 72–113.
  27. Ковенский И.М., Поветкин В.В. Электролитические сплавы. – М.: Интермет Инжиниринг, 2003. – 288 с. – ISBN 5-89594-089-7.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».