Experimentelle Untersuchung und Modellierung des Niederdruck-Carbonitrierens* Translated title: Experimental investigation and modeling of low pressure carbonitriding

Kurzfassung

Das Gas-Carbonitrieren ist ein seit Jahrzehnten etabliertes Wärmebehandlungsverfahren. Im Vergleich zum reinen Aufkohlen, ermöglicht die zusätzliche Zugabe von Stickstoff eine höhere Härtbarkeit sowie eine bessere Anlass- und Verschleißbeständigkeit. Beim klassischen Verfahren besteht die Gefahr der Randoxidation der Bauteiloberflächen. In Abhängigkeit von der Bauteilbeanspruchung muss die Oxidschicht durch eine kostenintensive Nachbearbeitung entfernt werden. Bei komplexen Bauteilgeometrien, wie beispielsweise Tieflochbohrungen, ist eine Nachbearbeitung meist nicht möglich. Die Randoxidation kann durch das Niederdruck-Carbonitrieren vermieden werden. Ohne ein grundlegendes Verständnis über die Wechselwirkungen der Kohlenstoff- und Stickstoffdonatoren bei den Oberflächenvorgängen und des Kohlenstoffs und Stickstoffs beim Stofftransport in der Eisenmatrix ist jedoch eine Prozessauslegung bei diesem neuartigen Verfahren nur mit hohem zeitlichem und experimentellem Aufwand möglich. Daher soll der Stofftransport modelliert werden, um eine schnelle, simulationsgestützte Auslegung zu ermöglichen. In diesem Beitrag wird ein Modell zur vollständigen Beschreibung der Stofftransportvorgänge beim Niederdruck-Carbonitrieren vorgestellt. Ein Vergleich der mathematischen Ansätze mit den experimentellen Ergebnissen erfolgt nur bei der Beschreibung der Diffusion. Es werden die Ergebnisse zur Löslichkeit und zur Diffusion des Stickstoffs in den Einsatzstählen 20MnCr5 und 18CrNi8 präsentiert. Die Wärmebehandlung erfolgte in einem industriellen Vakuumofen. Im ersten Schritt wurde die Stickstofflöslichkeit in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung, des Drucks und der Temperatur untersucht. Im zweiten Schritt folgte die Modellierung der Diffusionsvorgänge. In erster Näherung zeigen die berechneten Verläufe der Kohlenstoff- und der Stickstoffkonzentrationen im Stahl eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen.

Abstract

Gas carbonitriding is a well established heat treatment process. In comparison to pure carburizing, additionally added nitrogen allows a higher hardenability and a better temperature and wear resistance. But the oxygenic process gas compounds oxidize the surface counteracting the hardening. It depends on the later duty of the components whether the oxidized layer needs to be removed by a cost-intensive finishing like hard machining. For complex component geometries such as deep holes a finishing process is mostly impossible. Internal oxidation can be avoided by applying vacuum processes such as low pressure carbonitriding. Without a fundamental understanding of the interactions between the carbon- and nitrogen donors while they react at the surface process as well as the carbon and nitrogen interactions during mass transport in the iron matrix, the design of a process layout would require a very high experimental effort. For a fast, simulation based process design, the mass transport has to be investigated and modeled.

In this paper a model is presented which describes the transport mechanisms for the low pressure carbonitriding. A comparison of the mathematical approaches with experimental results is only presented for the description of diffusion. The experimental results for the nitrogen solubility and its diffusion in case hardening steels 20MnCr5 and 18CrNi8 are presented. The experiments were performed in an industrial vacuum furnace. In the first step the influence of the alloy composition, pressure and temperature on the solubility of nitrogen in the steels was investigated. In the second step the diffusion processes were modeled. In first approximation, measured and simulated distributions of carbon and nitrogen in the steel compare fairly well.