Validation of thermal-kinetic-diffusion model for arc plasma surface hardening of steel

Realistic analysis of the surface hardening pocesses during an arc plasma torch application indicates that the events taking place during a plasma torch pass should be properly looked at as a thermal-kinetic-diffusion problem. Arbitrary separation of these components may lead to erroneous evaluation of the variables and parameters that characterise the process. Consequently, a complex finite element model, which describes elementary processes of gas-solid surface interaction by the method of molecular gas dynamics, connects the transfer processes between gaseous and solid phases and takes into consideration thermal and diffusion events in the steel, has been developed. The adequacy of the mathematical model was substantiated by comparing model predictions to measurements made during surface hardening using an arc nitrogen plasma torch. It was proved that the approach gives the possibility to compute with sufficient accuracy the transient distributions of temperature and concentration fields in the steel surface layer during surface hardening using high-enthalpy gas flux. Eine realistische Analyse des Randschichthärtens mit Plasmalichtbogenbrenner deutet darauf hin, daß die Vorgänge während des Brennereinwirkens als thermisch-kinetlsches-Diffusionsproblem anzusehen sind. Willkürliche Trennung der drei Mechanismen könnte zu einer fehlerhaften Entwicklung der Prozeßparameter führen. Folglich wurde ein komplexes FE-Modell entwickelt. Es beschreibt die grundlegenden Abläufe der Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Gas mit der Gasmolekülbewegung, bindet die Prozesse beim Phasenübergang Gas-Feststoff mit ein und berücksichtigt ebenfalls thermische und Diffusionsvorgänge im Stahl. Die Genauigkeit des Modells wurde anhand von Messungen überprüft, die beim Randschichtaufsticken mit einem Plasmabrenner gemessen wurden. Es zeigte sich, daß der Ansatz eine hinreichend genaue Berechnung der Übergangsverteilungen von Temperatur und Konzentrationsfeldern in der Stahloberfläche während des Randschichthärtens ermöglicht.