Effect of surface roughness on the kinetics of mass transfer during gas carburizing*

Abstract

Despite its worldwide application, gas carburizing faces certain challenges in control and variability. No current carburization model accounts for the effect of surface roughness and is able to predict observed case depth variations. An investigation of the effect of surface roughness on gas carburizing performance, with the aim of developing a functional relationship between surface roughness and the mass transfer coefficient, is reported. A further objective was to model surface roughness effects on the carbon concentration profile and corresponding case depth variations. A scanning laser microscope was used to measure 3D roughness parameters and surface area of AISI 8620 steel samples subject to various surface preparation operations. Carburizing response was analyzed in terms of weight gain, microhardness and carbon concentration profiles. The weight gain and surface carbon concentration were used to calculate the mass transfer coefficient. The carburizing kinetics was found to be directly proportional to the surface roughness and was a function of surface area available for carbon transfer. The calculated mass transfer coefficients and mass transfer coefficients from the literature were used as input to the carburization model. Experimentally determined concentration profiles validated the model prediction. It is included that the model can be used to estimate initial surface conditions to improve carburizing performance and for effective process control.

Kurzfassung

Trotz weltweiter Anwendung stellen Prozessregelung und -schwankungen immer noch eine Herausforderung beim Einsatzhärten mit Gasaufkohlung dar. Kein derzeitiges Aufkohlungsmodell berücksichtigt Einflüsse der Oberflächenrauheit und ist in der Lage, die beobachteten Abweichungen der Aufkohlungstiefe vorherzusagen. Die hier beschriebene Untersuchung über den Einfluss der Oberflächenrauheit auf die Aufkohlungswirkung hatte das Ziel, eine funktionale Beziehung zwischen Kenngrößen der Oberflächenrauheit und dem Massenübergangskoeffizienten aufzustellen. Eine weitere Zielsetzung war, den Einfluss der Oberflächenrauheit auf die Kohlenstoffverlaufskurve sowie die damit verbundene Beeinflussung der Aufkohlungstiefe zu modellieren. Mit Hilfe eines Raster-Lasermikroskops wurden 3-D-Rauheitsparameter bestimmt, Oberflächenbereiche von Proben aus dem Werkstoff AISI 8620 (DIN 1.6523 bzw. 20NiCrMo2-2) wurden in Abhängigkeit unterschiedlicher Oberflächenbehandlungen untersucht. Das Aufkohlungsverhalten wurde anhand der Gewichtszunahme und der Härte- und Kohlenstoffverlaufskurven untersucht. Der Massenübergangskoeffizient wurde aus der gemessenen Gewichtszunahme und dem Randkohlenstoffgehalt berechnet. Es wurde festgestellt, dass die Aufkohlungskinetik direkt proportional zur Oberflächenrauheit und der für den Kohlenstoffübergang zur Verfügung stehenden Oberfläche abhängig ist. Die berechneten Massenübergangskoeffizienten und Literaturwerte dienten als Eingabewerte in das Aufkohlungsmodell. Experimentell bestimmte Konzentrationsprofile bestätigten die Modellvorhersagen. Schlussfolgernd ergibt sich, dass das Modell benutzt werden kann, um Ausgangsoberfächenzustände im Hinblick auf eine verbesserte Aufkohlungswirkung und eine effektive Prozesskontrolle einzuschätzen.