Carburizing - ASM International

DIFFERENCES AND APPLICATIONS OF
CARBURIZING AND CABONITRIDING
Francisco GUANÍ,
Especialidades Térmicas, S.A. de C.V.
Fundidores 18
Zona Industrial Xhala
Cuautitlán Izcalli, México, C.P. 54714
Carburizing
 Also referred as Case Hardening.
 Is a heat treatment process that
produces a surface which is resistant to
wear, while maintaining toughness and
strength of the core.
 This treatment is applied to low carbon
steel parts after machining, as well as
high alloy steel bearings, gears, and
other components.
 Carburizing increases strength and
wear resistance by diffusing carbon
into the surface of the steel creating a
case while retaining a substantially
lesser hardness in the core. This
treatment is applied to low carbon
steels after machining.
 Strong and very hard-surface parts of
intricate and complex shapes can be
made of relatively lower cost materials
that are readily machined or formed
prior to heat treatment.
Carburizado
 También conocido como Endurecimiento
de la Capa.
 Es un tratamiento térmico que produce
una superficie la cual es resistente al
desgaste, manteniendo la tenacidad y
resistencia en el núcleo.
 Este tratamiento se aplica a partes de
acero bajo carbono después de su
maquinado, también como a aceros de
rodamiento de alta aleación, engranes y
otros componentes.
 El carburizado incrementa la tensión y la
resistencia al desgaste, mediante la
difusión de carbono en la superficie del
acero, creando una capa, mientras que el
núcleo mantiene una menor dureza. Este
tratamiento se aplica a aceros bajo
carbono después de su maquinado.
 Partes con superficies duras de formas
intricadas y complejas se pueden
obtener a costos relativamente bajos que
ya han sido maquinados o formados
previo a su tratamiento.
Carburizing
Principle.
Carburizado
Principio.
At a high temperature, carbon
is continuously added on the
surface of steel component
from a solid, liquid or gas
source.
 Depending on time, carbon
diffuses into the steel.
Carburizing depth is
controlled by time, %C and
temperature.
A una alta temperatura, carbón
es añadido continuamente sobre
la superficie del acero de una
fuente sólida, líquida o gaseosa.
 Dependiendo del tiempo, el
carbón difunde dentro del acero.
La profundidad del carburizado
es controlada por el tiempo, %C y
la temperatura.
Carburizing
Is a controlled diffusion
process.
Knowledge of diffusivity of
carbon in steel is needed to
control the diffusion depth.
Carburizado
Es un proceso controlado por
la difusión.
El conocimiento de la
difusividad del carbón en el
acero es necesario para
controlar la profundidad de
difusión.
Carburizing
Carburizado
Effect of Time.
Efecto del Tiempo.
Carbon penetration below
surface at different times.
At a given temperature,
doubling diffusion depth
requires four time longer
carburizing time.
Penetración de carbón por
debajo de la superficie a
diferentes tiempos.
A una temperatura dada, doble
profundidad de penetración
requiere cuatro veces más de
tiempo de carburizado.
Carburizing
Carburizado
Effect of Temperature.
Efecto de la Temperatura.
Temperature and
time to obtain a
case depth of 1 mm
Carburizing time as a function
of temperature.
Time required to achieve
desired case depth decreases
with increasing temperature.
Tiempo de carburizado como una
función de la temperatura.
El tiempo requerido para
alcanzar la profundidad deseada
disminuye con el incremento de
la temperatura.
Carburizing
Carburizado
Carburizing Temperature.
Concentration of carbon
after carburizing.
Temperatura de carburizado
 Concentración de carbón después
del carburizado.
Carburizing
 CCT Diagram for 20MnCr5 Steel.
 Martensite formed at the surface.
 Core contains bainite along with small
amount of martensite.
 Thick parts may contain some ferrite
and pearlite along with bainite at the
core.
Carburizado
 Diagrama CCT para un acero 20MnCr5.
 Martensita se forma en la superficie.
 El núcleo contiene bainita así como
pequeñas cantidades de martensita.
 Partes gruesas pueden contener algo
de ferrita, perlita y bainita en el núcleo.
Carburizing
 Carburizing methods:
 Gas carburizing.
Carburizado
Métodos de carburizado:
Carburizado gaseoso.
 Vacuum carburizing.
Carburizado en vacio.
 Plasma Carburizing.
Carburizado por plasma.
 Salt bath Carburizing.
 Pack Carburizing.
Carburizado en baño de sales.
Carburizado sólido.
Carburizing
 Gas carburizing.
 Gas mixture, carried out at atmospheric pressure,
or at low overpressure, in thermodynamic
equilibrium.
 Used active atmosphere: endo-atmosphere or
decomposed methanol.
 40% nitrogen, 20% hydrogen and 20% CO, the
rest is water vapor and CO2.
 For a good carburizing is necessary to regulate
the carbon potential of the atmosphere from 0.8
to 1%.
Carburizado
 Carburizado gaseoso.
 En una mezcla gaseosa, a presión atmosférica o
a una baja sobrepresión, en equilibrio
termodinámico.
 Se usan atmósferas activas: endoatmósfera,
descomposición de metanol.
 40% nitrógeno, 40% hidrógeno y 20 % CO, el
resto es vapor de agua y CO2.
 Para un buen carburizado es necesario regular
el potencial de carbono de la atmósfera de 0.8
a 1.0%.
Carburizing
 Vacuum carburizing.
 It is characterized by the absent of oxygen or
other oxidant - maintaining the quality oxidefree surface.
 The vacuum carburizing is faster than in the
classical gas.
Carburizado
 Carburizado en vacio.
Se caracteriza por la ausencia de oxigeno u otros
oxidantes, manteniendo una superficie libre de
oxido.
 Higher temperature.
Es un proceso mas rápido que el gaseoso.
Temperaturas más altas.
 Reduction of deformations and internal
stresses.
Reducción de deformaciones y esfuerzos
internas.
 Low energy consumption and hydrocarbon.
Bajo consumo de energía o hidrocarburo.
Carburizing
 Liquid carburizing.
 Steel is placed into a molten salt bath
with the purpose that carbon will
diffuse below its surface.
 Diffusion of carbon into the sample is
greater than nitrogen.
 Salt bath containing 20% cyanide
operates between 840 – 900 °C and
with 10% cyanide operates between
900 - 950°C.
Carburizado
Carburizado líquido.
El acero es colocado dentro de un
baño de sal fundido con el propósito de
que el carbón difunda dentro de su
superficie.
La difusión de carbón dentro de la
muestra es mas grande que el
nitrógeno.
El baño de sales conteniendo 20%
cianuro opera entre 840 – 900 °C, con
10% cianuro opera entre 900 - 950°C.
Carburizing
Carburizado
 Pack Carburizing.
 Carburizado sólido.
 Sample is packed in a steel container
and the sample is completely
surrounded by granules of charcoal
with sodium and calcium carbonates.
 La muestra se empaca en un
contenedor de acero y la muestra es
completamente rodeada por carbón
en polvo y carbonatos de sodio y
calcio.
 The sample is heated in a furnace for
12 to 72 hours at 900°C.
 Due to high temperature, carbon
diffuses into the surface of sample.
 La muestra se calienta en un horno
por 12 a 72 horas a 900°C.
 Debido a la alta temperatura, el
carbón difunde dentro de la superficie
de la muestra.
Carburizing
 Hardness
Carburizado
Dureza
Carburizing
Carburizado
P
Left: Carbon concentration gradient after
carburizing a 8620 steel for 4, 8 and 16 hours
at 927°C.
Right: Different microstructures after
carburizing a 0.15% C steel from 940°C for
a) 1 hr, b) 2 hrs and c) 4 hrs.
Izquierda: Gradiente de concentración de
carbono después de carburizar un acero 8620
por 4, 8 y 16 horas a 927°C.
Derecha: Diferentes microestructuras después
de carburizar un acero con 0.15% de C a
940°C por ) 1 hrs, b) 2 hrs y c ) 4 Hrs.
Carbonitriding
 It is an austenitic (above Ac3) case
hardening process similar to
carburizing, with the addition of
nitrogen (via NH3 gas), used to
increase wear resistance and surface
hardness through the creation of a
hardened surface layer.
 This process is applied to produce a
hard and wear resistant case.
 The diffusion of both carbon and
nitrogen increases the hardenability
of plain carbon and low alloy
steels, and creates a harder
case than carburizing.
 Due to the lower temperature
required for the carbonitriding,
compared to carburizing, distortion
is reduced.
Carbonitrurado
 Es un proceso de endurecimiento de
capa austenítica similar al carburizado,
con la adición de nitrógeno (vía gas de
NH3), usado para incrementar la
resistencia al desgaste, dureza
superficial, a través de una capa
superficial endurecida.
Este proceso se aplica para producir
una capa dura resistente al desgaste.
La difusión de C y N, incrementa la
templabilidad de acero al carbono y
aceros de baja aleación, creando una
capa mas dura que el carburizado.
Debido a la baja temperatura
requerida en comparación con el
carburizado, la distorsión se reduce.
Carbonitriding
 Variant of carburizing where
nitrogen (up to 0.5%) is diffused
with carbon.
 The process is applicable to most
steels.
 Maximum case hardness 800 HV
 Carried out from 775 to 900 °C in
gas or salt bath.
 Slower process due to lower
temperature.
 Nitrogen increases hardenability of
carburized layer
 Ticker cases are possible in steels
with no alloying elements.
Carbonitrurado
En una variante del carburizado donde
nitrógeno ( arriba de 0.5%) se difunde con
carbono.
El proceso se aplica a la mayoría de los
aceros.
 Dureza máxima de 800 HV.
Llevado a cabo de 775 a 900°C en gas o
baño de sal.
Proceso mas lento debido a la baja
temperatura.
El nitrógeno incrementa la templabilidad
de la capa.
Capas mas gruesa son posibles en aceros
sin alear.
Carbonitriding
 2 to 12% ammonia is added to the
carburizing atmosphere, which
provides a source of nitrogen.
 Process variables
Temperature: 775 -900°C
Gas composition: CO + ammonia.
Carbonitrurado
De 2 a 12% de amoniaco se añade a la
atmósfera carburizante, la cual provee la
fuente de nitrógeno.
Variables de proceso.
Temperatura: 775 - 900°C
Composición del gas: CO + amoniaco.
Carbonitriding
 Case composition.
 Composition of a carbonitrided case
will depend on the type of steel and
on the process variables such as
temperature, time and atmosphere
composition.
 The case depth will be lower in
steels containing strong nitride
formers.
Carbonitrurado
Composición de la capa.
La composición de la capa dependerá
del tipo de acero y de las variables de
proceso tales como temperatura,
tiempo y la composición de la
atmósfera.
La profundidad de la capa será
menor en aceros que contengan
elementos formadores de nitruros.
Carbonitriding
Carbonitrurado
 Process
 Proceso
 Diagram of carbonitriding process as a
function of temperature and time where are
shown various stages with gas potential.
Diagrama de las etapas del proceso de
carbonitrurado como una función del tiempo
y la temperatura, incluyendo el potencial del
gas.
 The carbon potential possible with a given
carbon monoxide level is higher in a
carburizing atmosphere than in a
carbonitriding atmosphere.
El potencial de carbono dado a partir de
una cantidad de monóxido de carbono es
mayor en una atmósfera carburizante que en
una atmósfera carbonitrurizante.
 The atmosphere composition depends on
the processing temperature, the amount of
ammonia introduced, and the ratio of gas
flow rate to the volume of the furnace.
La composición de la atmósfera depende
de la temperatura de proceso, la cantidad de
amoniaco alimentada y la relación del flujo de
gas/volumen del horno.
1018
Carbonitriding 2 1/2h
at 845°C
Carbonitriding
Effect of ammonia content into
carbonitriding gas on hardness
gradient.
Carbonitrurado
Efecto del contenido de amoniaco
en el gas carbonitrurante sobre el
gradiente de dureza.
Carbonitriding
 Effect of time and temperature.
 As can be seen is this plot of depth
case as a function of carbonitriding
time for a given temperature, the
case depth increases and the process
time decreases for the highest
temperature of treatment.
Carbonitrurado
Efecto del tiempo y la temperatura.
Como puede observarse en esta
gráfica de profundidad de capa como
una función del tiempo de
carbonitrurado, la profundidad de la
capa incrementa y el tiempo de
proceso disminuye para la temperatura
mas alta.
Carbonitriding
Carbonitrurado
Effect of carbon, nitrogen and
temperature in the hardenability of
a carbonitrided carbon steel.
Efecto del carbono, nitrógeno y la
temperatura en la templabilidad de un
acero al carbono Carbonitrurado.
Carbonitriding
 Microstructure.
Carbonitrided and oil-quenched carbon
steel (0.10%C) with a case structure of
martensite in both surfaces, (left and right).
The core (middle) contains ferrite (white)
and perlite (dark).
Carbonitrurado
Microestructura.
Acero al carbono (0.10%C) carbonitrurado
y templado en aceite con una capa de
martensita en ambas superficies,
(izquierda y derecha).
El núcleo (en medio) contiene ferrita
(blanca) y perlita (oscura).
Carburizing vs Carbonitriding
Temperature
870 – 940°C
760 – 900°C
Typical Case Depth
0.025” – 0.075” (0.63 – 1.9mm)
0.005” – 0.025” (0.13 – 0.63mm)
Case Hardness, HRC
50 – 63 HRC
50 – 65 HRC
Typical Base Metals
Low carbon steel, Low carbon alloy
steel
Low carbon steel, Low carbon alloy
steel
Process
Characteristics
Good control of case depth, suitable
for continuous operation, good gas
controls required, can be dangerous
Lower temperature than carburizing
(less distortion), slightly harder case
than carburizing, gas control critical
Relative Benefits
Hard, highly wear-resistant surface
(medium case depths); excellent
capacity for contact load; good
bending fatigue strength; excellent
freedom from quench cracking;
low-to-medium-cost steels required
Hard, highly wear-resistant surface
(shallow case depths); fair capacity for
contact load; good bending fatigue
strength; good dimensional control
possible; excellent freedom from
quench cracking; low
cost steels usually satisfactory
Carbonitriding
 Applications.
Carbonitrurado
 Aplicaciones.
Engine Components
Seating Components
Closure and locking
THANK YOU VERY MUCH FOR
YOUR ATTENTION
MUCHAS GRACIAS POR SU
ATENCION