Vergleichen und Kontrastieren von Carbonitrieren und Nitrocarburieren

Die Terminologie der Wärmebehandlung ist manchmal eine Herausforderung. Wärmebehandler können manchmal inkonsistent sein und ein Wort verwenden, wenn sie wirklich ein anderes bedeuten. Sie haben die Begriffe Carbonitrieren und Nitrocarburieren gehört und wissen, dass es sich um zwei verschiedene Einsatzhärtungsverfahren handelt, aber was sind die wirklichen Unterschiede zwischen ihnen? Lassen Sie uns mehr erfahren.

Ein Teil unserer Verwirrung rührt von der Tatsache her, dass Carbonitrieren vor Jahren unter anderen Namen bekannt war – „trockenes Cyaniding“, „Gas Cyaniding“, „nicarbing“ und (ja) „Nitrocarburieren“.“

Das Carbonitrierverfahren

Das Carbonitrieren ist ein modifizierter Aufkohlungsprozess, keine Form des Nitrierens. Diese Modifikation besteht darin, Ammoniak in die Aufkohlungsatmosphäre einzuführen, um dem aufgekohlten Fall während der Herstellung Stickstoff zuzusetzen (Abb. 1).

Das Carbonitrieren erfolgt typischerweise bei einer niedrigeren Temperatur als das Aufkohlen, von so niedrig wie 700-900 ° C (1300-1650 ° F) und für eine kürzere Zeit als das Aufkohlen. Da Stickstoff die Diffusion von Kohlenstoff hemmt, führt eine Kombination von Faktoren zu flacheren Gehäusetiefen als typisch für aufgekohlte Teile, typischerweise zwischen 0,075 mm (0,003 Zoll) und 0,75 mm (0,030 Zoll).

Es ist wichtig zu beachten, dass ein häufiger Beitrag zur ungleichmäßigen Falltiefe während des Carbonitrierens darin besteht, Ammoniakzusätze einzuführen, bevor die Last bei der Temperatur stabilisiert wird (dies ist ein häufiger Fehler in Öfen, die Gaszusätze bei der Sollwertrückgewinnung beginnen, anstatt eine Zeitverzögerung für die Last einzuführen, um die Temperatur zu erreichen). Es ist auch wichtig, sich daran zu erinnern, dass, wenn die Ammoniakzugabe gestoppt wird, die Desorption von Stickstoff beginnt.

Der Temperaturbereich, in dem carbonitriert wird, ist notwendigerweise niedriger, da die thermische Zersetzung von Ammoniak extrem schnell ist, was die Stickstoffverfügbarkeit bei höheren Austenitisierungstemperaturen begrenzt. Bei niedrigeren Temperaturen bildet sich eine sprödere Struktur, und der Betrieb von Öfen unter 760 ° C (1400 ° F) kann ein Sicherheitsproblem darstellen.

Der Stickstoff in carbonitriertem Stahl verbessert die Härtbarkeit und ermöglicht die Bildung von Martensit in unlegierten und niedriglegierten Stählen, die anfänglich eine geringe Härtbarkeit aufweisen. Beispiele dieser Stähle umfassen SAE-Grade 1018, 12L14 und 1117. Die gebildeten Nitride tragen zur hohen Oberflächenhärte bei. Wie Kohlenstoff, Mangan oder Nickel ist Stickstoff ein Austenitstabilisator, so dass zurückgehaltener Austenit nach dem Abschrecken ein Problem darstellt. Die Kontrolle des Ammoniakanteils verringert die Menge an zurückgehaltenem Austenit und sollte durchgeführt werden, wenn die Härte oder Verschleißfestigkeit verringert wird. Eine weitere Folge hoher Stickstoffanteile ist die Bildung von Hohlräumen oder Porositäten. Im Allgemeinen wird empfohlen, den Stickstoffgehalt an der Oberfläche auf maximal 0,40% zu begrenzen.

Eine übliche Variation des Carbonitrierprozesses besteht darin, Ammoniak während des letzten Teils des Zyklus einzuführen, typischerweise in den letzten 0,5-1 Stunden vor dem Abschrecken der Ladung. Ein möglicher Verlust der Härtbarkeit, der durch interne (oder interkristalline) Oxidation auftreten kann, wird teilweise durch Stickstoffabsorption kompensiert.

Einige andere Punkte sind erwähnenswert. Die Anwesenheit von Stickstoff im carbonitrierten Fall erhöht die Erweichungsbeständigkeit beim Tempern (ähnlich wie bei einigen Legierungselementen), und je höher der Stickstoffgehalt ist, desto höher ist die Erweichungsbeständigkeit des Materials. Höhere Anlasstemperaturen – bis zu 230 ° C (440 ° F) – werden häufig für carbonitrierte Teile verwendet. Die Beständigkeit gegen Tempern äußert sich in Verschleißeigenschaften. Carbonitrierte Zahnräder weisen beispielsweise eine bessere Verschleißfestigkeit auf als viele aufgekohlte Zahnräder. Eine geringe Gehäusetiefe in Dünnschnittteilen aus unlegiertem Stahl, wie z. B. Stanzstempeln, kann ohne Tempern verwendet werden (dies wird jedoch niemals empfohlen).

Der Nitrocarburierungsprozess

Heute wird „ferritisches Nitrocarburieren“ allgemein einfach als „Nitrocarburieren“ bezeichnet (und daher die Verwechslung mit dem älteren Namen für Carbonitrieren).

Ferritisches Nitrocarburieren (FNC)

Nitrocarburieren ist eine Modifikation des Nitrierprozesses, keine Form des Aufkohlens. Diese Modifikation besteht in der gleichzeitigen Einführung von Stickstoff und Kohlenstoff in den Stahl in seinem ferritischen Zustand; das heißt, unterhalb der Temperatur, bei der sich Austenit während des Erhitzens zu bilden beginnt (Abb. 2).

Das Nitrieren wird typischerweise unter Verwendung von Ammoniak mit oder ohne Verdünnung der Atmosphäre mit dissoziiertem Ammoniak oder Stickstoff / Wasserstoff im Temperaturbereich von 500-580 ° C (925-1075 ° F) durchgeführt, obwohl 565 ° C (1050 ° F) traditionell als Obergrenze angesehen wird. Im Vergleich dazu wird das Nitrocarburieren typischerweise im Temperaturbereich von 550-600 ° C (1025-1110 ° F) in Atmosphären von 50% endothermem Gas + 50% Ammoniak oder 60% Stickstoff + 35% Ammoniak + 5% Kohlendioxid durchgeführt. Andere Atmosphären, die die Zusammensetzung variieren, wie 40% endothermes Gas + 50% Ammoniak + 10% Luft, werden ebenfalls verwendet. Die Anwesenheit von Sauerstoff in der Atmosphäre aktiviert die Kinetik des Stickstofftransfers. Die Dicke der „weißen“ oder „zusammengesetzten“ Schicht ist eine Funktion der Gaszusammensetzung und des Gasvolumens (Durchflusses). Auf das Nitrocarburieren folgt häufig eine Oxidationsbehandlung, um sowohl die Korrosionsbeständigkeit als auch das Erscheinungsbild der Oberfläche zu verbessern.

Eine komplexe Sequenz ist an der Bildung eines nitrocarburierten Falls beteiligt. Es ist wichtig, dass eine sehr dünne Schicht aus einphasigem Epsilon (e) -carbonitrid normalerweise zwischen 450 ° C (840 ° F) und 590 ° C (1095 ° F) gebildet wird. Diese Verbindungsschicht hat eine darunter liegende Diffusionszone, die Eisen (und Legierungs-) Nitride und damit verbundenen absorbierten Stickstoff enthält. Die weiße Schicht hat ausgezeichnete Verschleiß- und Verschleißschutzeigenschaften und wird mit minimalem Verzug hergestellt. Die Diffusionszone verbessert, sofern sie groß genug ist, Ermüdungseigenschaften wie die Dauerfestigkeit, insbesondere bei kohlenstoff- und niedriglegierten Stählen. Ein Teil der erhöhten Härte des Gehäuses ist auf eine Diffusionszone unter der Verbindungsschicht zurückzuführen, insbesondere in den höher legierten Stählen mit starken Nitridbildnern.

Es ist nicht ungewöhnlich, die Porosität der Verbundschicht aufgrund des Vorhandenseins einer Aufkohlungsreaktion an der Stahloberfläche zu beobachten, die die Nitrierkinetik und damit den Grad und die Art der Porosität an der Oberfläche der Epsilon (e) -Schicht beeinflusst. Es können drei verschiedene Schichttypen hergestellt werden: keine Porosität, Schwammporosität oder Säulenporosität. Einige Anwendungen erfordern tiefe, nicht poröse Epsilonschichten. Andere Anwendungen, bei denen beispielsweise eine optimale Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, profitieren von der Porosität des Schwamms. Wieder andere profitieren von der Säulenporosität, bei der die Ölretention die Verschleißfestigkeit verbessern kann.

Austenitisches Nitrocarburieren (ANC)

Eine Niedertemperaturvariante des Carbonitrierens ist das austenitische Nitrocarburieren. Dieser Prozess findet im Temperaturbereich von 675-775 ° C (1250-1425 ° F) statt. Es kann gesteuert werden, eine Oberflächenverbundschicht aus Epsilon(e)-carbonitrid mit einem beim Abschrecken erzeugten Untergrund aus Bainit und/oder Martensit herzustellen, was zu einer guten Stützstruktur für die harte Oberfläche führt. Die Mikrostruktur ist besonders nützlich bei Anwendungen mit Kontaktwiderstand zwischen Spannungspunkten (z. B. Schrägverzahnungen).

Zusammenfassung

Wenn Sie diese Prozesse besser verstehen, kann jede Wärmebehandlungsmethode zu ihrem besten Vorteil eingesetzt werden.

  1. Herring, Daniel H., Atmosphärenwärmebehandlung, Band I, BNP Media 2014, pp. 58-67
  2. ASM Handbook Volume 4D: Wärmebehandlung von Eisen und Stählen, Jon L. Dossett und George E. Totten (Hrsg.), ASM International, 2014
  3. Metals Handbook, Volume 4, ASM International, 1991, S. 376-386 und 425-436
  4. Krauss, G., Steels Heat Treatment and Processing Principles, ASM International, 1990, S. 310-317
  5. Slycke, J. und Ericsson, T., „A Study of Reactions Während des Carbonitrierprozesses auftreten,“ J Heat Treat, Vol. 2 (Nr. 1), 1981, S. 3-19
  6. Dawes, C., „Nitrocarburizing and Its Influence on Design in the Automotive Sector,“ Wärmebehandlung von Metallen, 1990, S. 19-30
  7. Bell, T., „Ferritisches Nitrocarburieren,“Wärmebehandlung von Metallen, Vol. 2, 1975, S. 39-49
  8. Somers, M.A.J. und Mittemeijer, „Bildung und Wachstum einer Verbindungsschicht auf nitrocarburierendem Eisen: Kinetik und mikrostrukturelle Bewertung“, Surface Eng., Vol. 3 (Nr. 2), 1987, S. 123-137
  9. Bell, T., M. Kinali und G. Munstermann, „Physikalische metallurgische Aspekte des austenitischen Nitrocarburierungsprozesses“, 5. Internationaler Kongress für Wärmebehandlung von Werkstoffen, Budapest, 1986

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