Formation of Fine and Coarse Grain Layer by Atmosphere Control in Case Hardening* Translated title: Erzeugung von Fein- und Grobkornschichten durch Atmosphärenkontrolle beim Einsatzhärten

Abstract

Grain coarsening can cause decrease of the fatigue strength of carburized steel components. This artefact is considered to derive from a change in crack-initiation behaviour at the surface. However, grain coarsening can increase the hardenability of steel and thereby avoid the addition of alloying elements bringing about such hardenability. Thus, it is expected that steel with a dual-layer structure of a fine grain layer at the surface and a coarse grain layer in the inside achieves good fatigue strength and high hardenability while saving alloy elements. In this study, low pressure carburizing of JIS SCR420-Low N steels were carried out at 1323 K, both with and without the use of NH ₃ gas as a source of N to precipitate AlN. After carburizing without NH ₃ gas, only coarse grains were observed from the surface to the inside of the specimens. In contrast, after carburizing with NH ₃ gas, a dual layer structure with only fine grains at the surface and only coarse grains at the inside was observed. These results show that a dual-layer structure can be successfully obtained through the control of the AlN precipitation behavior by optimizing NH ₃ gas conditions during low pressure carburizing.

Kurzfassung

Der Artikel betrachtet den Effekt, dass Kornvergröberung die Schwingfestigkeit aufgekohlter Stähle herabsetzt. Diese Abnahme der Festigkeit wird mit einer Änderung im Rissinitierungsverhalten an der Oberfläche in Verbindung gebracht. Andererseits erhöht die Kornvergröberung die Härtbarkeit, was bedeutet, dass eine Kornvergröberung im Hinblick auf die Einsparung von Legierungselementen nützlich ist. Daraus wird abgeleitet, dass ein Stahl mit einem Zweischichtaufbau, eine feinkörnige Struktur an der Oberfläche und ein grobes Korn im Kern, eine gute Schwingfestigkeit sowie eine gute Härtbarkeit aufweist und gleichzeitig Legierungselemente eingespart werden können. In der vorgestellten Versuchsreihe wurde der niederstickstoffhaltige Stahl JIS SCR420 bei 1325 K niederdruckaufgekohlt und zwar mit und ohne NH ₃-Zugabe als Stickstoffspender zur Erzeugung von AlN-Ausscheidungen. Nach Aufkohlen ohne NH ₃ wurde durchgehend vom Rand zum Kern Grobkorn beobachtet. Im Gegensatz dazu lag nach Aufkohlen mit NH ₃-Zusatz ein Zweischichtaufbau mit feinkörnigem Gefüge nur am Rand und Grobkorn zum Kern hin vor. Diese Ergebnisse zeigen, dass durch die Kontrolle der AlN-Ausscheidungsbildung während eines Niederdruckaufkohlens durch optimierte NH ₃-Zugabe ein Zweischichtaufbau eingestellt werden kann.