PRINCIPLES OF NITROCARBURIZING AND THE EFFECT OF

PRINCIPLES OF NITROCARBURIZING AND THE EFFECT OF

PRINCIPLES OF NITROCARBURIZING
AND THE EFFECT OF TEMPERATURE
AND TIME ON THE MICROSTRUCTURE
EVOLUTION
1Julio
Alberto Juárez Islas and 2Mario Fabian Mendez
1Universidad Nacional Autónoma de México
Instituto de Investigaciones en Materiales
México, C.P.04510
2Especialidades Térmicas, S.A. de C.V.
Fundidores 18
Zona Industrial Xhala
Cuautitlan 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.
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.
 When salts react with the surface of the steel form
carbonates.
 Al reaccionar con la superficie del acero se forma
carbonato.
 The regeneration of the bath involves the
reduction of carbonates to cyanide.
 Al regenerar el baño el carbonato se reduce
nuevamente en cianato.
 This reaction is performed with out a volume
change with a plastic regeneration compound
involving the organic union of carbon, nitrogen and
hydrogen.
 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
Espesor de la zona de difusion
Thickness of diffusion zone
of an AISI H 13 tool steel,
where is observed an
increment as the
temperature and time of
treatment increase.
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 Nitrocarburizing
Nitrocarburizado gaseoso
For 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.
 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
Actividades
 In the gaseous nitrocarburizing, ammonia is
the source of active nitrogen because
dissociated at 570°C on the ferrous
surface according to:
 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
• NH3  N + 3/2 H2
(Eq. 1)
(Eq. 1)
• With the nitrocarburizing activity given by:
• Con la actividad nitrurante dada por:
•
•
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).
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 at
1015 °C for 180 min.
 Quenched with nitrogen in high
vacuum,
followed
by
two
tempering temperatures at 540
°C and 560 °C for a period of
180 minutes each one.
 Liquid nitrocarburizing process
was performed in an ETSA liquid
bath 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 -Fe23(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 la
evolución microestructural de la capa
compuesta a 565°C, como una función
del tiempo de nitrocarburizado, en donde
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 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.
Diffusion zone
Zona de difusión
580°C
580°C
565°C
• It is observed the presence of Crnitrides at temper martensite grain
boundaries.
565°C
 Se observa la presencia de nitruros
de cromo en los límites de grano de la
martensita revenida.
.
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 a
stationary ball (pin) up to 1x104 cycles.
 An almost constant friction behavior
was observed up to 5000 cycles
afterwards is seen an increasing or
decreasing friction behavior between
the pin and the nitrocarburized
sample.
Desgaste
 Pruebas en seco de desgaste or
deslizamiento contra una bola
estacionaria (alfiler) hasta 1x104 cicles.
 Se observa un comportamiento de
fricción constante hasta los 5000 ciclos,
después del cual se observa un
incremento y una disminución del
comportamiento de la fricción entre el
alfiler y la muestra nitrocarburizada.
Conclusions
1. 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