Solubility of Carbon and Nitrogen and Precipitation of Carbides and Nitrides during Carbonitriding as Basis for Simulation∗ Translated title: Löslichkeit von Kohlenstoff und Stickstoff sowie Ausscheidung von Carbiden und Nitriden beim Carbonitrieren als Grundlage für Simulationen

Abstract

Carbonitriding is used to improve the properties of steel components. The carbon and nitrogen content and the microstructure comprising martensite, retained austenite, and finely distributed nitrides and carbides are significant parameters determining component properties. Current state of the art posits that these multi-phase microstructures determine optimal material conditions. The reliability of a process is strongly dependent on the options for control. Previous studies dealt with the measurement of atmospheric nitrogen potential by means of an ammonia sensor in the exhaust gas. The equilibrium contents in the austenite were determined based on this and the mutual effects of carbon and nitrogen. Further improvement of the reliability of the carbonitriding process requires simulation of the carbon and nitrogen profiles and the precipitation condition of carbides and nitrides. Apart from the equilibrium content, the maximum solubilities determined by phase diagram calculations and precipitation in the presence of interdependent carbon and nitrogen effects, including interactions with other alloying elements, need to be examined towards further development of controlled carbonitriding to ensure reliable heat treatment results.

Kurzfassung

Das Carbonitrieren dient der Verbesserung der Eigenschaften von Stahlbauteilen. Dabei bedingen die Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte sowie die Mikrostruktur aus Martensit, Restaustenit und fein verteilten Nitriden und Carbiden maßgeblich die erzielten Eigenschaften. Diese mehrphasigen Gefüge stellen nach derzeitigem Kenntnisstand einen optimalen Werkstoffzustand dar. Der prozesssichere Einsatz des Verfahrens hängt stark von den Regelmöglichkeiten ab. Gegenstand vorangegangener Untersuchungen war die Messung des Stickstoffpegels der Atmosphäre mittels eines Ammoniaksensors im Abgas. Daraus und aus den gegenseitigen Einflüssen von Kohlenstoff und Stickstoff wurden Aussagen über die Gleichgewichtsgehalte im Austenit getroffen. Um die Prozesssicherheit des Carbonitrierens weiter zu verbessern, ist die Simulation der Kohlenstoff- und Stickstoffprofile sowie des Ausscheidungszustands von Carbiden und Nitriden notwendig. Neben dem sich einstellenden Gleichgewichtsgehalt sind die maximalen Löslichkeiten aus der Berechnung der Phasendiagramme und die Ausscheidungsbildung unter gegenseitiger Beeinflussung von Kohlenstoff und Stickstoff sowie Wechselwirkungen mit anderen Legierungselementen zu erarbeiten, um das geregelte Carbonitrieren zur prozesssicheren Einstellung des Wärmebehandlungsergebnisses weiterzuentwickeln.