PRINCIPLES OF NITROCARBURIZING AND THE EFFECT OF TEMPERATURE

AND TIME ON THE MICROSTRUCTURE EVOLUTION

1Julio Alberto Juárez Islas and 2Mario Fabian Mendez1Universidad Nacional Autónoma de México

Instituto de Investigaciones en MaterialesMéxico, C.P.04510

2Especialidades Térmicas, S.A. de C.V.Fundidores 18

Zona Industrial XhalaCuautitlan Izcalli, México, C.P. 54714

Nitrocarburizing

Nitrocarburizing also known as ferritic nitroarburizing, is a termochemical heat treatment in which nitrogen and carbon diffuse from a liquid or gaseous media.

In this termochemical heat treatment, specimens are submerged in melted salts o gaseous ammonia.

Can be performed in a temperature between 450 to 650°C, but normally is treated at 580°C.

Nitrocarburizado

El nitrocarburizado, también conocido como nitocarburizado férrico, es un tratamiento superficial en el cual se difunde nitrógeno y carbono a partir de un medio líquido o gaseoso.

En este proceso termoquímico, las muestras se sumergen en sales fundidas o amoniaco gaseoso.

Puede realizarse en un rango de temperaturas de 450-650°C, aunque el nitrocarburizado se realiza usualmente a 580°C .

Nitrocarburizing

Nitrocarburizing is obtained because nitrogen forms nitrides with the elements belong to the steel such as Fe, Cr, Al, V, Mo, etc.

The presence of C in the media ensures a good stability of nitrides promoting a better superficial hardness.

Steels with a relatively low carbon are those which obtain better benefices from this process.

Nitrocarburizado

El nitrocarburizado se obtiene gracias al nitrógeno, que forma nitruros con los elementos de los que está compuesto el acero, como lo son Fe, Cr, Al, V, Mo, etc.

La presencia de C en el medio asegura una buena estabilidad de los compuestos de nitruros, por lo que se promueve una mejor dureza superficial.

Los aceros con un contenido relativamente bajo de carbono son los que más se benefician por este proceso.

Liquid nitrocarburizing

Is employed for treatment of pieces for the automotive, tools, electronic, oil and hydraulic industries with the purpose to obtain:

High wear resistance.

Fatigue resistance.

High corrosion resistance.

The process generates an uniform liquid bath temperature, a constant heat transfer, an stable chemical composition, short heat treatment time and easy to control.

It can be treated al kind of ferrous materials such as carbon steels, austenitic steels, grey iron and sintered alloys.

Nitrocarburizado líquido

Se utiliza en el tratamiento de piezas para la industria automotriz, de herramientas, electrónica, del petróleo e hidráulica, con el propósito de obtener:

Una alta resistencia al desgaste.

Resistencia a la fatiga.

Alta resistencia a la corrosión.

Este proceso genera una temperatura uniforme del baño líquido, una transferencia de calor constante, una composición química muy estable, tiempo de tratamiento corto y un monitoreo sencillo.

Se pueden tratar todo tipo de materiales ferrosos tales como aceros al carbono, aceros austeniticos, hierros colados y sinterizados.

Nitrocarburizing process

The nitrocarburizing cycle stars with a preheating of tools between 350°C to 400°C.

The nitrocarburizing process is performed at a standard temperature of 580 °C.

The treatment time is usually between 60 to 120 minutes.

Proceso de nitrocarburizado

El ciclo de tratamiento se inicia con un precalentamiento de las piezas a una temperatura entre los 350°C a 400°C.

El proceso de nitrocarburizado se lleva preferencialmente a una temperatura estándar de 580 °C.

El tiempo de tratamiento a esta temperatura es usualmente de 60 a 120 minutos.

Nitrocarburizing

The process is carried out in a special material crucible with aeration.

The liquid salt is composed by cyanides and carbonates.

The active agent in the nitrocarburizing bath is cyanide.

When salts react with the surface of the steel form carbonates.

The regeneration of the bath involves the reduction of carbonates to cyanide.

This reaction is performed with out a volume change with a plastic regeneration compound involving the organic union of carbon, nitrogen and hydrogen.

Nitrocarburizado

El proceso se lleva a cabo en un crisol de material especial con aireación.

La sal fundida está compuesta por cianato y carbonato.

El agente activo en el baño es el cianato.

Al reaccionar con la superficie del acero se forma carbonato.

Al regenerar el baño el carbonato se reduce nuevamente en cianato.

Esto se lleva a cabo sin cambio de volumen con un regenerador plástico compuesto por una unión orgánica de carbón, nitrógeno e hidrógeno.

Microstructures and Phases• Superficial nitrocarburizing of

steels normally shows two different microstructures known as compound layer (white layer) and the diffusion zone from the surface to the nuclei.

• The compound layer consists mainly of the -Fe2−3(C,N) and -Fe4(C,N) phases.

• The diffusion zone shows the presence of nitrides at grain boundaries.

• Nitrocarburizing of steels will results in a high resistance to wear, corrosion and resist the increments in temperature.

Microestructuras y Fases

• El nitrocarburizado superficial en aceros normalmente presenta dos estructuras diferentes, conocidas como capa compuesta (capa blanca) y la zona de difusión, de la superficie al núcleo.

• La capa compuesta consiste principalmente de las fases -Fe2−3(C,N) y -Fe4(C,N).

• La zona de difusión presenta nitruros preferencialmente en límite de grano.

• El acero nitrocarburizado presenta una gran resistencia al desgaste, y a la corrosión y es casi resistente a un incremento de temperatura.

Thickness of compound layer

Thickness of compound layer of an AISI H 13 tool steel, where is observed an increment as the temperature and time of treatment increase.

Espesor de la capa compuesta

El espesor de la capa compuesta de un acero de herramienta AISI H 13, donde se observa un incremento a medida que la temperatura y tiempo de tratamiento incrementa.

Thickness of diffusion zone

Thickness of diffusion zone of an AISI H 13 tool steel, where is observed an increment as the temperature and time of treatment increase.

Espesor de la zona de difusion

El espesor de la capa compuesta de un acero de herramienta AISI H 13, donde se observa un incremento a medida que la temperatura y tiempo de tratamiento incrementa.

Gaseous NitrocarburizingFor the gaseous nitrocarburizan, it

can be employed furnaces coupled with oil quenching facilities.

Furnace temperature must be at 580°C ±5°C. Additionally, furnace and doors must be tight, taking precautions because the process involves and explosive atmosphere.

Here, the nitrogen carbon and oxygen from the nitrocarburizing atmosphere necessaries to form a layer of the -Fe2−3(C,N) has been assessed for an important range of steels taking into account the type of atmosphere which can be used to cause that nitrogen and carbon can react simultaneously with the surface of the steel to form the -Fe2−3(C,N) phase.

Nitrocarburizado gaseoso

Para el nitrocarburizado gaseoso se pueden utilizar hornos acoplados con medios de temple en aceite.

La temperatura del horno deberá de estar a 570°C ±5°C. Adicionalmente se deben de minimizar las fugas en el horno y puertas, ya que el proceso involucra una atmosfera explosiva.

Aquí, las actividades del nitrógeno, carbono y oxigeno de la atmosfera nitrcarburizante necesarias para alcanzar una capa de fase -Fe2−3(C,N) ha sido evaluada para un rango importante de aceros, en donde las consideraciones básicas del proceso, es el tipo de atmosfera la cual puede utilizarse para causar que el nitrógeno y el carbono se añadan simultáneamente en la superficie del material ferroso para producir la fase -Fe2−3(C,N).

Activities In the gaseous nitrocarburizing, ammonia is

the source of active nitrogen because dissociated at 570°C on the ferrous surface according to:

• NH3 N + 3/2 H2 (Eq. 1)

• With the nitrocarburizing activity given by:

• aN = K1 pNH3/pH22/3

• Where K is a constant and pNH3 and pH2 are the partial pressures for ammonia and hydrogen, respectively.

If the atmosphere is composed of a mixture of ammonia and endogas with an inherent high content of CO, then, the carbon activity will be high and the main reaction at 570°C will be:

• CO + H2 C + H2O (Eq. 2)

• Where

• ac = K3 pCO.pH2/H2O

• The presence of carbon during nitrocarburizing stabilizes the -Fe2-3(C, N) phase).

Actividades En el nitrocarburizado gaseoso, el amoniaco es la

fuente del nitrógeno activo, ya que a 570°C se disocia sobre la superficie ferrosa de acuerdo a:

• NH3 N + 3/2 H2 (Eq. 1)

• Con la actividad nitrurante dada por:

• aN = K1 pNH3/pH22/3

• Donde K es la constante y pNH3 y pH2 son las presiones parciales del amoniaco e hidrógeno respectivamente.

Si la atmosfera está compuesta de una mezcla de amoniaco y endogas con un inherente alto contenido de CO, entonces la actividad del carbono será alta y la reacción dominante a 570°C será:

• CO + H2 C + H2O (Eq. 2)

• donde

• ac = K3 pCO.pH2/H2O

• La presencia de carbono durante el nitrocarburizado estabiliza la fase -Fe2-3(C, N).

Experimental results

Next, it is presented the effect of temperature and time on a liquid nitrocarburized AISI H 13 tool steel.

Resultados experimentales

A continuación se presenta el efecto de la temperatura y tiempo de nitrocarburizado en un acero de herramienta AISI H 13.

Nitrocarburizing

H-13 tool steel was austenized at1015°C for 180 min.

Quenched with nitrogen in highvacuum, followed by twotempering temperatures at 540°C and 560 °C for a period of180 minutes each one.

Liquid nitrocarburizing processwas performed in an ETSA liquidbath salt furnace.

Nitrocarburizado

El acero H13 se austeniza a 1015°C por 180 min.

Templado en nitrógeno al alto vacio seguido de dos temperaturas de revenido a 540°C a 560°C por 180 minutos cada uno.

El proceso de nitrocarburizado se llevo a cabo en uno horno de baño de sales liquidas ETSA.

X-ray results

X-ray diffraction results obtained in nitrocarburized steels at 565°C and 580°C for 45 shows the presence of the -Fe2−3(C,N) phase while at 180 minutes of treatment identified the presence of -Fe2-3(C, N) and -Fe4N phases.

Resultados de rayos-x

Resultados de la difracción de rayos-x llevadas a cabo en muestras nitrocarburizadas a 565°C y 580°C por 45 minutos, identifica la presencia de la fase -Fe2−3(C,N), mientras que a 180 minutos de tratamiento , se identifica la presencia de la fases -Fe2-

3(C, N) y -Fe4N.

Compound layer

SEM results show microstructural evolution of the compound layer at 580°C as a function of nitrocarburizing time, where is observed an increment in thickness as the treatment time increases.

The compound layer shows mainly the presence of -Fe2−3(C,N) at 45 and 60 minutes.

At higher times, additionally, it is observed the -Fe4(C,N), phase which is associated with the presence of porosity.

Capa compuesta

Resultados por MEB muestran la evolución microestructural de la capa compuesta a 580°C, como una función del tiempo de nitrocarburizado, endonde se observa un incremento en el espesor de la capa compuesta a medida que el tiempo de tratamiento incrementa.

Esta capa compuesta muestra principalmente la presencia de la fase -Fe2−3(C,N) a 45 y 60 minutos.

A tiempos mayores, se identifica la presencia de la fase -Fe4(C,N), a la cual se le asocia la presencia de porosidad.

Microstructure

SEM results show microstructural evolution of the compound layer at 565°C as a function of nitrocarburizing time where is observed an increment in thickness as the treatment time increases.

The compound layer shows mainly the presence of -Fe2−3(C,N) up to 150 minutes.

At 180 minutes of treatment, it is observed the presence of the -Fe4(C,N) phase.

Microestructura

Resultados por MEB muestran laevolución microestructural de la capacompuesta a 565°C, como una funcióndel tiempo de nitrocarburizado, en dondese observa un incremento en el espesorde la capa compuesta a medida que eltiempo de tratamiento incrementa.

Esta capa compuesta muestra principalmente la presencia de la fase -Fe2−3(C,N) a tiempos de hasta 150 minutos.

A 180 minutos de tratamiento se identifica la presencia de la fase -Fe4(C,N).

Thickness

Thickness of compound layer.

At 580°C and 45 minutes of treatment the compound layer shows a thickness of 2 µm and 14 µm at 180 minutes.

At 565°C and 45 minutes of treatment the compound layer shows a thickness of 1 µm and 12 µm at 180 minutes.

Espesores

Espesor de la capa compuesta.

A 580°C y 45 minutos de tratamiento de la capa compuesta presentó un espesor de 2 µm y de 14 µm a 180 minutos.

A 565°C y 45 minutos de tratamiento de la capa compuesta presentó un espesor de 1 µm y de 12 µm a 180 minutos.

580°C

565°C

• It is observed the presence of Cr-nitrides at temper martensite grain boundaries.

Zona de difusión

580°C

565°C

Se observa la presencia de nitruros de cromo en los límites de grano de la martensita revenida.

.

Diffusion zone

Thickness

Thickness of diffusion zone.

At 580°C and 45 minutes of treatment the diffusion zone shows a thickness of 42 µm and 125 µm at 180 minutes.

At 565°C and 45 minutes of treatment the diffusion zone shows a thickness of 10 µm and 35 µm at 180 minutes.

Espesores

Espesor de la zona de difusión.

A 580°C y 45 minutos de tratamiento de la zona de difusión presentó un espesor de 2 µm y de 14 µm a 180 minutos.

A 565°C y 45 minutos de tratamiento de la zona de difusión presentó un espesor de 1 µm y de 12 µm a 180 minutos.

Nitrocarburizing

Regarding hardness behavior of nitrocarburized AISI H13 tool steel at 565°C and 580°C from 45, 60, 90, 120, 150 and 180 minutes, it is observed higher values in both the compound layer and diffusion zone at 565°C.

This increment in hardness is attributed mainly to the absence of -Fe4(C,N) and porosity.

Nitrocarburizado

Con respecto al comportamiento de la dureza en el acero de herramienta AISI H13 nitrocarburizado a 565°C y 580°C por 45, 60, 90, 120, 150 y 180 minutos, se observan valores mayores en la capa compuesta y la zona de difusión a 565°C.

Este incremento en dureza se atribuye principalmente a la ausencia de la fase -Fe4(C,N) y porosidad.

Wear

Test in dry, sliding wear against astationary ball (pin) up to 1x104 cycles.

An almost constant friction behaviorwas observed up to 5000 cyclesafterwards is seen an increasing ordecreasing friction behavior betweenthe pin and the nitrocarburizedsample.

Desgaste

Pruebas en seco de desgaste ordeslizamiento contra una bolaestacionaria (alfiler) hasta 1x104 cicles.

Se observa un comportamiento defricción constante hasta los 5000 ciclos,después del cual se observa unincremento y una disminución delcomportamiento de la fricción entre elalfiler y la muestra nitrocarburizada.

Conclusions1. Characterization of liquid

nitrocarburized AISI H 13 tool steel as a function of temperature and time shows that at 565°C the compound layer is formed mainly of -Fe2−3(C,N) while at 580°C, at times > 60 minutes, it is observed the presence of -Fe4(C,N), which is associated with the presence of porosity.

2. Hardness Vickers values of compound layer and diffusion zone are higher in nitrocarburized steel at 565°C as compare with those nitrocarburized at 580°C.

3. The friction coefficient for both temperatures and a nitrocarburizing time of 60 minutes is almost similar.

Conclusiones

1. La caracterización del nitrocarburizado liquido del acero de herramienta AISI H 13 como una función del tiempo y la temperatura presenta que a una temperatura de 565°C se genera una capa compuesta de fase -Fe2−3(C,N) a todos los tiempos de tratamiento, mientras que ha temperaturas de 580°C y a tiempos mayores de 60 minutos, se observa la presencia de la fase -Fe4(C,N), la cual está asociada con la presencia de porosidad.

2. Los valores de dureza Vickers de la capa compuesta y la zona de difusión son mayores en las muestras nitrocarburizadas a 565°C cuando se comparan con aquellas tratadas a 580°C.

3. El comportamiento del coeficiente de fricción para las dos temperaturas de nitrocarburizado y un tiempo de 60 minutos es casi similar.

Nitrocarburizing

THANK YOU VERY MUCH FOR YOUR ATTENTION

Nitrocarburizado

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION